一种山区急流滩含沙量监测方法

本发明涉及河流泥沙监测，更具体的涉及一种山区急流滩含沙量监测方法。

背景技术：

1、我国山区诸多河道因其地形地貌原因，局部滩段过水断面小，导致流急坡陡，水沙分布在过水断面上极其不均，同时由于悬移质的粒径不一，部分大粒径悬移质会向下沉积导致河床淤堵，底层鱼类洄游也存在一定困难。

2、目前，国内外水文站对河流含沙量的监测，均以悬移质实地采样和实验室测定为基础，其采用的常规方法为通过在控制断面布设测线和垂线，采用点采样、积深采样或积宽采样获取含沙水样，经室内过滤、烘干和称重后计算悬移质含沙量，并结合流量资料推求输沙率和输沙量。

3、国外近年来广泛采用浊度传感器、声学多普勒仪器等替代监测技术，在实测样品校准基础上实现含沙量的连续在线估算，由于山区急流滩水沙分布不均的问题尤为突出，导致浊度传感器和声学多普勒仪器的代表性误差较大。

4、国内则仍以人工规范测验为主，同时逐步向自动化、在线化方向发展。由于天然急流滩河段受主流摆动、底床起伏、水流紊动结构复杂及局部流速分布不均等因素影响，控制断面内悬移质浓度沿横向和垂向通常存在明显差异，从而导致浊度分布不均，而现有的自动化监测设备多针对平原河道或低流速河段设计，在山区急流滩的特殊水力条件下，急流滩过水断面小、流速大、坡降陡，悬移质沿横向和垂向分布极度不均，且大粒径悬移质易下沉淤积，导致测量误差大，无法为鱼类洄游及浮游生物停驻提供适宜的水生态环境。

技术实现思路

1、针对上述领域中存在的问题，本发明提出了一种山区急流滩含沙量监测方法，利用人工水草装置作用形成的多喷孔射流，使控制断面内的悬移质均匀分布，进而精准测量控制断面内河流的含沙量。

2、为解决上述技术问题，本发明公开了一种山区急流滩含沙量监测方法，包括以下步骤：

3、获取急流滩控制断面内沿水深方向布设的多个测点的浊度，确定原始断面浊度变异系数；

4、通过向布设在急流滩控制断面的河床底部的人工水草装置充水，获取柔性水草挺立时出水孔喷出多个垂向射流，以形成附加紊动区；其中，所述人工水草装置包括铺设于河床底部的管道网络，以及与所述管道网络连通的柔性水草，所述柔性水草具有中空内腔且顶部设有出水孔；

5、在附加紊动区，根据柔性水草当前达到的相对淹没高度及植物相对密植度，确定等效曼宁糙率系数；通过调整人工水草装置的运行功率，改变柔性水草的力学形态，以调整所述等效曼宁糙率系数，直至调整后的等效曼宁糙率系数大于未布设人工水草装置时的基础曼宁糙率系数，形成利于悬移质均匀分布的状态；

6、在利于悬移质均匀分布的状态下，获取控制断面内多个测点的浊度，确定人工水草装置充水后的断面浊度变异系数；

7、当充水后的断面浊度变异系数相对于所述原始断面浊度变异系数下降，且下降至预设阈值范围内时，判定悬移质浓度在控制断面内形成均匀分布，并获取控制断面内至少一个测点的浊度；

8、基于预设的水体浊度和悬移质含沙量的校准关系，将该测点的浊度转换为悬移质含沙量。

9、优选地，所述柔性水草当前达到的相对淹没高度，基于所述柔性水草当前达到的平均有效高度与控制断面的设计水深之比确定，具体的：

10、在射流状态下，所述平均有效高度为柔性水草在水流中实际达到的高度与经所述出水孔喷出的射流竖向喷出的高度之和；

11、所述柔性水草在水流中实际达到的高度，基于所述柔性水草的挺立度确定，所述挺立度为所述柔性水草在水流中实际达到的高度与其在空气中平均挺立高度的比值。

12、优选地，所述等效曼宁糙率系数为基于柔性水草的植物种类参数、所述柔性水草当前达到的相对淹没高度以及植物相对密植度，代入淹没柔性水生植物河道的等效曼宁糙率系数的经验公式得到的。

13、优选地，所述在利于悬移质均匀分布的状态下，获取控制断面内多个测点的浊度，确定人工水草装置充水后的断面浊度变异系数，具体包括：

14、通过在控制断面沿横向布设若干垂线，每条垂线沿水深方向设置多个测点，同步测定人工水草装置充水后各测点的浊度；

15、根据充水后各测点的浊度，确定控制断面充水后的浊度均值和断面浊度标准差；

16、将控制断面充水后的断面浊度标准差和浊度均值的比值，作为人工水草装置充水后的断面浊度变异系数。

17、优选地，所述附加紊动区满足混合时间判据；所述混合时间判据为控制断面内的横向混合时间与垂向混合时间均小于水体通过人工水草装置在有效混合区的停留时间，所述有效混合区是指人工水草装置产生的垂向射流能够显著增强横向和垂向紊动扩散的空间范围。

18、优选地，所述预设阈值范围包括断面浊度均一化提升率的阈值要求；

19、所述断面浊度均一化提升率根据原始断面浊度变异系数和充水后的断面浊度变异系数确定；

20、当充水后的断面浊度变异系数下降至第一预设阈值范围内，且断面浊度均一化提升率达到第二预设阈值时，判定悬移质浓度在控制断面内形成均匀分布。

21、优选地，所述预设的水体浊度和悬移质含沙量的校准关系为线性映射关系。

22、优选地，所述充水的水源为急流滩所在河道的天然水体。

23、优选地，还包括一种用于山区急流滩含沙量监测方法的人工水草装置，包括：

24、管道网络，铺设于急流滩控制断面的河床底部；

25、仿生水草构件，与所述管道网络连通，具有中空内腔且顶部设有出水孔；

26、进水装置，与所述管道网络连接，用于向所述管道网络及所述仿生水草构件的中空内腔充水；

27、所述管道网络采用分块铺设，各分块之间通过固定器连接，所述管道网络与所述仿生水草构件通过转接头连接。

28、优选地，所述柔性水草由柔性碳纤维制成。

29、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

30、本发明提出的山区急流滩含沙量监测方法，通过人工水草装置形成的射流主动以水治水，强制使全断面悬移质浓度趋于均一，并在判定均匀后，使得仅用控制断面内至少一个测点的浊度即可高精度代表全断面平均含沙量，彻底解决了急流滩因水沙分布不均导致的监测数据失真和代表性差的行业痛点。将人工水草射流干预后复杂的流场变化，转化为可量化的等效曼宁糙率系数，为附加紊动区的缓流和混合效果提供了宏观流体力学的量化指标，不仅印证了附加紊动区已有效形成，还能指导系统根据不同急流滩的水力条件动态调整充水射流功率，避免了盲目射流造成的能源浪费或混合力度不足。获取的断面浊度变异系数能够反映数据离散程度的客观统计量，通过对比充水前后的断面浊度变异系数，并设定明确的阈值范围作为触发测流的条件，为悬移质是否均匀这一模糊的物理现象提供了严谨的数学判定标准。这种闭环反馈机制确保了只有在水沙真正混合均匀的黄金窗口期才进行浊度采集，排除了急流滩脉动干扰导致的误判，极大提升了监测的稳定性和可靠性。

1.一种山区急流滩含沙量监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的山区急流滩含沙量监测方法，其特征在于，所述柔性水草当前达到的相对淹没高度，基于所述柔性水草当前达到的平均有效高度与控制断面的设计水深之比确定，具体的：

3.根据权利要求1所述的山区急流滩含沙量监测方法，其特征在于，所述等效曼宁糙率系数为基于柔性水草的植物种类参数、所述柔性水草当前达到的相对淹没高度以及植物相对密植度，代入淹没柔性水生植物河道的等效曼宁糙率系数的经验公式得到的。

4.根据权利要求1所述的山区急流滩含沙量监测方法，其特征在于，所述在利于悬移质均匀分布的状态下，获取控制断面内多个测点的浊度，确定人工水草装置充水后的断面浊度变异系数，具体包括：

5.根据权利要求1所述的山区急流滩含沙量监测方法，其特征在于，所述附加紊动区满足混合时间判据；所述混合时间判据为控制断面内的横向混合时间与垂向混合时间均小于水体通过人工水草装置在有效混合区的停留时间，所述有效混合区是指人工水草装置产生的垂向射流能够显著增强横向和垂向紊动扩散的空间范围。

6.根据权利要求1所述的山区急流滩含沙量监测方法，其特征在于，所述预设阈值范围包括断面浊度均一化提升率的阈值要求；

7.根据权利要求1所述的山区急流滩含沙量监测方法，其特征在于，所述预设的水体浊度和悬移质含沙量的校准关系为线性映射关系。

8.根据权利要求1所述的山区急流滩含沙量监测方法，其特征在于，所述充水的水源为急流滩所在河道的天然水体。

9.一种用于山区急流滩含沙量监测方法的人工水草装置，应用于权利要求1-8任意一项所述的山区急流滩含沙量监测方法，其特征在于，包括：

10.根据权利要求9所述的人工水草装置，其特征在于，所述柔性水草由柔性碳纤维制成。