山区河流含沙量测量的方法研究

山区河流含沙量测量的方法研究

0含沙量测量传感器的确定和测量中国是一个多面体的国家，幅员辽阔，河流众多。由于各种原因，许多河流缺乏完全全底的处理。山区河流复杂，平原河流不稳定，洪水泛滥，小河中的沉积物变化较大。许多实际工程和理论问题迫切需要进行物理模型试验。含沙量测量是模型试验中最基本的测量要素之一。因此，有必要对含沙量测量传感器和仪器进行进一步的分析和研究。含沙量测量的方法和仪器有烘干称重法、比重瓶法、光电测沙仪和同位素测沙仪等。1不同一种织物中溶解质质量的测定烘干称重法是取一定水体的浑水样,待沉淀或用滤纸过滤后,在烘箱中烘干,由天平称出重量,计算得到含沙量。具体方法是将浓缩水样直接放到烘杯内烘干,冷却后,用天平称出杯加泥沙的总质量,减去杯的质量,既得净沙质量。当烘杯中河水溶解质质量大于泥沙的质量2%时,应测定溶解质含量并进行溶解质改正。改正的方法是,取定量澄清河水烘干称重,根据溶解质质量和河水容积,求出河水中溶解质含量(g/cm3),然后按下式计算泥沙的质量(WS):WS=WbS-ΔW≈WbS-Wb-αV′(1)式中:WbS为烘杯、泥沙、溶解质总质量,g;Wb为烘杯质量,g;ΔW为泥沙质量校正数,即溶解质质量,g;V′为烘杯内浓缩水样容积,cm3;α为溶解质含量,g/cm3。2ws计算参数比重瓶法也就是通常的置换法。是用预先率定好的比重瓶装灌水样,量好水温,再由天平称重算得其含沙量。比重瓶法是用比重瓶量取浓缩水样的容积,经天平称重,然后根据瓶加浑水的质量与瓶加清水质量之差,求出样品中的沙样质量,其计算公式是:WS=k(WwS-Ww)(2)k=ρSρS−ρ(3)k=ρSρS-ρ(3)式中:WS为泥沙质量,g;WwS为比重瓶加浑水的质量,g;Ww为同温度下比重瓶加清水的质量,g;ρS为泥沙密度,g/cm3;ρ为水的密度,g/cm3;k为置换系数。在日常工作中,为了简化计算,k值和Ww均事先制成表格以备查用。为确定k值,应于不同时期(汛期、非汛期),在不同的位置上(例如水面、半深、河底)取样实测泥沙密度,作为计算依据。推求含沙量时,根据称取瓶加浑水重时所测得的水温,查出Ww及k值,即可由(3)式求出沙样质量,比重瓶的检定工作应每年进行一次,并每月称出瓶加清水质量进行检查,如发现测定点偏离检定曲线超过泥沙质量的2%,则应对比重瓶重新进行检定。3传感器及仪器组成烘干称重法和比重瓶法速度慢、费工费时,需有较熟练的技术,特别是在模型试验过程中,不能及时确定含沙量变化。光电测沙仪是近年来发展的含沙量电测仪器,其工作原理是根据浑水消光定律。一束平行光通过均匀分布的含沙水体后,透射光的强度就会减弱,一部分光被水体中的悬沙吸收,另一部分光被散射到其他方向,透射光只是入射光的一部分,由比尔定律可得:Φ=Φ0e-KSL/d(4)式中:Φ0为入射光通量;Φ为透射光通量;L为光穿透浑水层的厚度;K为吸收系数;S为含沙量;d为泥沙粒径。光电测沙原理的应用就是采用光电转换器件,用相对测量的方法,将上式经过一系列转换,使通过清水的光通量转换为电信号V0,通过含沙水体的光通量转换为电信Vi,再经转换后得出含沙量与电信号关系式:Vi=V0e-KC/d(5)式中:Vi为通过含沙水体的电信号;V0为通过清水的电信号;K为系数;C为含沙量,kg/m3;d为泥沙粒径,mm,在泥沙有级配情况下,取级配曲线上d50数值。由此可见,应用光电测沙原理测量含沙量,为了确保测量精度,必须要有不随时间变化的,稳定的入射光强。南京水利科学研究院研制的光电式智能测沙颗分仪由稳压电源、传感器、放大器、A/D转换器和单片机测量控制电路组成,其工作原理如图1所示。智能测沙颗分仪是一种多功能智能仪器,内置CPU微处理器、存储器等,具有自动存储和记忆功能,可以保存日期、系数和一些测量数据,仪器配置了放大器、稳压器、A/D转换器、14键式触摸键盘、8位LED显示器、通讯接口电路和打印机等。测沙传感器的光电转换选用了硅光电池,为防止电场、磁场的干扰,A/D转换电路与单片机系统的信号传输采用了光电耦合隔离。单片机选用高性能的89C52芯片,为了能显示、保存日历时钟和有关参数,设计安装了时钟日历电路,其内含有31个字节的存储器,在关机后,可以保存日期、时钟、常系数和一些测量数据,当再次开机后,这些必须的参数和数据就可以再现,而不必重新从键盘输入。智能测沙颗分仪开机后,按下“Time”键,即可显示当前的年、月、日和时、分、秒,作时钟显示。由键盘输入需要实时打印含沙量的间隔时间T和常系数K值等,可连续采集、计算、显示模型进口的含沙量,并按设定的间隔时间打印出测量时刻、测量信号和含沙量。其中常系数K可按下式计算。K=Cln(V1/V2)(6)Κ=Cln(V1/V2)(6)式中:C为含沙量(称重值,kg/m3);V1为在清水中的电信号;V2为在混水中的电信号;K为系数。含沙量按下式算得:C=K⋅lnV1V2(7)C=Κ⋅lnV1V2(7)编程时对数计算采用了对数的幂级数展开,即lnx=2[x−1x+1+13(x−1x+1)3+15(x−1x+1)5+17(x−1x+1)7+⋯⋯](8)lnx=2[x-1x+1+13(x-1x+1)3+15(x-1x+1)5+17(x-1x+1)7+⋯⋯](8)式中:x=V1V2x=V1V2,且x>0。智能测沙颗分仪除了可以测量含沙量外,还具有颗分仪功能,可以实时采集、显示、打印全颗分时段内的采样值。智能测沙颗分仪含沙量测量适用于低含沙水体(C<12kg/m3),并需定期冲洗积聚在传感器探头上的泥垢。有的光电测沙仪将接收光电池和发光源设置在同一处,又称为后向反射式光电测沙仪,根据发光源的不同又可分为可见光的光电测沙仪和红外光的光电测沙仪等。4光电测沙测沙γ测沙技术是近代核技术发展过程中的一种付产品,是为水利服务的一项应用核技术。国际上20世纪50年代就有人从事过这方面的研究,直至近期,最低含沙量已可测到0.5kg/m3左右,例如匈牙利及泰国等。国内长办与清华大学等单位研制的γ测沙仪可测到0.6kg/m3左右。在实际应用中,希望低端含沙量能测得更低些。与原有的光电测沙相比,其优点是:不易受颜色、电源和温度的影响,探头可以下水。γ测沙和光电测沙均可用微机来自动采集和处理数据,最后打印输出结果。γ测沙原理和光电测沙原理基本相似,只是常数不同。5浊度仪测沙份分法除上述介绍的含沙量测量的方法