含沙量预报方法探讨
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探究河流含沙量大小的项目式学习
河流的含沙量是指单位体积的河水中所携带的泥沙的重量,是衡量河流输沙能力和沉积、侵蚀作用强弱的重要指标。
要探究河流含沙量大小的话题,你可以尝试通过以下的项目式学习来进行:
1. 调查和收集资料:收集有关河流的含沙量数据和相关资料,可以查阅学术论文、地理标本、水文年鉴和相关研究报告等。
2. 选择研究区域:选择一个你感兴趣的河流或河流流域,可以是流经你所在地区的河流,或者是具有特殊地理、气候条件的河流。
3. 野外实地考察:前往研究区域进行野外实地考察,观察河流水质、河道形态以及周围地质、植被等情况,以了解研究区域的特点。
4. 采集样本和实验:在野外考察的基础上对河流水样进行采集,并返回实验室进行相关分析。
可以使用标准的水质检测方法和沉积物样本处理方法,测量河流的含沙量。
5. 数据分析和结果呈现:将实验所得的数据进行整理和分析,可以使用图表、图像和统计方法来展示结果。
可以比较不同河流的含沙量大小,进一步探究其影响因素。
6. 结论和讨论:根据数据分析的结果,得出关于河流含沙量大小的结论,并对可能的影响因素进行讨论。
可以结合前人研究成果,提出自己的观点和思考。
需要注意的是,在进行项目式学习过程中,保证安全和合法是非常重要的。
同时,确保所采集的样本和数据仅用于科研目的,不涉及违法行为或侵犯他人利益。
中国港湾建设Research review on siltation prediction of channel on muddy coastCAI Xin-yu,SUN Lin-yun,SUN Bo,XIAO Li-min,TANG Lei(Nanjing Hydraulic Research Institute,Nanjing Jiangsu 210029,China )Abstract :The related problems of siltation prediction of channel on muddy channel was studied,the research methods were systematically summarized,especially the empirical formula method.The common characteristics of siltation formula of muddy channel and typical sediment concentration formula of muddy coast were analyzed and discussed.The main prediction method for future research on related problems were prospected.It is considered that numerical simulation will become the main method with its advantages of low cost,fast speed and great development potential.We put forward some thoughts on the application of the semi-theoretical and semi-empirical formula,and the formula which comprehensively considers the theory and the actual situation is deemed more suitable for the application.Key words :muddy coast;siltation formula;sediment concentration;numerical simulation;siltation prediction;review摘要:研究淤泥质海岸航道回淤预报相关问题。
滇中引水工程水源区水沙关系及悬移质含沙量预测方法研究陈晶;张天力;顾世祥
【期刊名称】《水电能源科学》
【年(卷),期】2024(42)1
【摘要】滇中引水工程水源状况对供水至关重要,为全面了解工程水源区的水量和悬移质含沙量特性,分析悬移质含沙量未来情势,依据水源区石鼓水文站资料系列,基于水文随机分析、小波分析、Copula函数等方法研究石鼓站水与沙的变化趋势及周期规律、联合分布及相依变化情况,在此基础上提出一种悬移质含沙量模拟及预测模型。
研究结果表明,石鼓站流量和悬移质含沙量的年际、年内分配不均匀;水沙组合的同现重现期最大、联合重现期次之、条件重现期最小,同步遭遇概率远大于异步遭遇概率;未来丰、平、枯水情景下的多年平均悬移质含沙量分别为0.639、0.597、0.562 kg/m^(3),较1955~2019年实测的0.586 kg/m^(3)分别增长了9.0%、1.9%、-4.1%,3种情景下悬移质含沙量均呈上升发展趋势。
研究成果从水沙分析角度为滇中引水工程供水调度、含沙量预估等提供了决策依据。
【总页数】5页(P74-78)
【作者】陈晶;张天力;顾世祥
【作者单位】云南省水利水电勘测设计研究院
【正文语种】中文
【中图分类】TV213.9;TV143.1
【相关文献】
1.滇中引水水源工程沉沙池设计研究
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坡面侵蚀中径流含沙量测量方法研究与展望摘要:流含沙量是衡量坡地水土流失的重要参数之一,只有合理测量坡地径流中的含沙量才能为水土保持提供有利的依据,同时为验证土壤侵蚀预报模型提供基本参数。
本文从测量原理出发,对含沙量各种测量方法的适用环境、测量精度及其局限性进行了比较全面的分析,重点研究了坡面径流含沙量的测量方法。
研究结果表明目前测量含沙量的方法在坡面侵蚀动态水流含沙量的测量中存在只能静态测量的问题。
目前电解质脉冲法在测量坡面薄层水流流速中做出了有益的探索,研究发现水流速度、泥沙的弥散系数与含沙量之间存在着相关关系,用此方法测量含沙量将有可能实现含沙量的动态测量。
关键词:测量方法;泥沙含量;土壤侵蚀;弥散系数土壤侵蚀中的径流含沙量是衡量水土流失的重要参数之一,水流中含沙量的测定对土壤侵蚀研究和水土流失治理具有重要意义。
无论是评价流域还是河道的侵蚀程度,都必须测定其含沙量[1,2]。
只有合理测定含沙量才有可能准确模拟土壤侵蚀动力过程,并为水土流失治理决策提供合理的科学依据[3]。
长期以来人们一直积极探索利用各种原理和方法以实现对含沙量较准确地测量。
目前测量含沙量的方法较多,由于其测量原理不同,测量适用的范围和精度也不同,加之现有测量方法中还有一些方法处于研究探索阶段,在实际测量条件下可采用的方法并不多。
在此对含沙量各种测量方法进行对比,分析各种方法的测量原理,研究其适用范围、精度,以为人们在不同环境下在保证一定测量精度情况下选择合适的测量方法提供参考依据,也为现有测量方法的提高与改进提供一定的思路。
同时针对现有方法存在的问题,依据目前发展的新理论和技术,结合坡面土壤侵蚀模拟研究的需求,提出了为实现含沙量准确、及时、同步和动态的自动测量研制新的测量方法的方向。
1 含沙量测量方法原理分析及比较根据测量原理的不同,含沙量测量方法可分为:直接测量方法和间接方法。
直接测量方法包括烘干法和比重法;间接方法有分光光度法[4]、红外线法、电容法、振动法、超声波法、激光法和γ射线法。
Science and Technology &Innovation ┃科技与创新2023年第19期·61·文章编号:2095-6835(2023)19-0061-03坡面径流小区含沙量监测方法论述*刘恋1,2,3,谈晓珊1,2,3,郝斌1,2,3,冯志雨1,2,3,陈柏臻1,2,3(1.水利部南京水利水文自动化研究所,江苏南京210012;2.江苏南水科技有限公司,江苏南京210012;3.水利部水文水资源监控工程技术研究中心,江苏南京210012)摘要:径流中的泥沙量是坡面径流小区水土流失情况的重要参数之一,概述了国内外现行的坡面径流小区径流含沙量测量方法,并从测量原理、测量精度、适用条件及其局限性等方面进行了对比。
在此基础上,进一步提出今后坡面径流含沙量监测设备的重点研究方向。
关键词:径流小区;含沙量;监测方法;泥沙中图分类号:S157文献标志码:ADOI :10.15913/ki.kjycx.2023.19.019水土流失导致生态环境恶化、自然灾害频发,对人类生存和社会可持续发展造成严重威胁。
中国的水土流失面积超国土总面积的1/3,是世界上水土流失最严重的国家之一。
中国高度重视水土保持工作,2015年水利部印发的《全国水土保持规划(2015—2030年)》将水土保持列为中国的一项基本国策。
水土保持径流小区是研究水土流失形成、变化、规模、数量的基本单元,被广泛应用于世界各地,径流小区监测设施包括径流、泥沙和降水观测设施,其中含沙量是径流小区泥沙观测中的重要指标,快速准确地测量径流小区坡面径流的泥沙含量直接决定了水土流失研究的科学性与土壤侵蚀预报的可靠性。
为了解决这一技术难题,国内外很多学者提出一些监测径流泥沙含量的方法。
随着多学科交叉融合,更多的技术手段被应用到含沙量监测方面,极大丰富了径流泥沙监测的手段,提升了监测的灵活性。
目前的含沙量监测方法大致可以分为直接法和间接法。
地下水含沙量的监测方法与模型研究地下水是一种重要的水资源,但含沙量过高会影响地下水水质,导致环境问题。
因此,地下水含沙量的监测方法和模型研究变得十分重要。
一、地下水含沙量的监测方法1.传统监测方法传统的地下水含沙量的监测方法是通过野外取样收集地下水样本,再将其送至实验室进行化学分析。
这种方法虽然精度较高,但是需要长时间延迟,不利于及时监测。
2.电导率法电导率法是一种快速监测地下水悬浮颗粒的方法。
因为含沙量高的地下水,其电导率较高。
这种方法不用取水样,因此周期短,十分方便,但是其精度不能与化学分析相比。
3.质量平衡法质量平衡法是一种基于质量守恒原理的方法,可以计算地下水中悬浮颗粒的质量浓度。
该方法比较精确,但是对样品处理要求比较高。
二、地下水含沙量的模型研究地下水含沙量的模型研究是一种定量的方法,可以预测含沙量的变化趋势,并为沙土治理提供科学依据。
1.基于沉积物收支的模型该模型假定了地下水中颗粒物沉积过程是收支平衡的。
模型通过分析颗粒物沉积和补给过程,得出了地下水含沙量的变化规律和影响因素。
2.定量结构关系模型定量结构关系模型采用化学物质的理论定量关系和金属离子产生的重金属离子平衡来推导出地下水中悬浮颗粒的含量。
3.神经网络模型神经网络模型是一种非参数的模型,其优点是可以根据样本数据构建模型,在预测时非常灵活。
该模型已被广泛应用于地下水含沙量的预测和研究。
总结地下水含沙量的监测方法和模型研究可以帮助我们更全面地了解地下水的状态,以便更好地保护地下水资源。
无论采用哪种方法,其主要目的都是为了保证地下水中含沙量的质量,维护地下水生态系统的平衡稳定。
OBS浊度仪在含沙量监测中的应用分析摘要:传统的河流泥沙监测是采用缆道或者测船人工现场取样,经过沉淀、过滤、烘干、称重后计算含沙量,该方法耗时长、过程繁杂、效率低;本文采用人工监测含沙量与OBS浊度仪浊度值进行比测分析,建立相关关系,进行浊度与含沙量的转换,进而实现含沙量在线监测。
OBS浊度仪数据传输连续稳定,转换方式简单,可实现实时连续监测,对于广西河流实现含沙量在线监测具有现实的推广意义。
关键词:泥沙监测;自动监测;OBS浊度仪;比测分析;引言河流含沙量监测对于水利水电工程建设、水资源开发利用、水土流失治理、工农业取水用水、水文预报等意义重大,是关键的水文参数之一。
传统的含沙量测验方法采用人工取样,经过沉淀、过滤、烘干、称重的方法,该方法从样品的采集到分析,均需要大量人力、物力和时间的投入,而且测量周期长,操作过程繁琐,劳动强度大,无法实时连续监测河流含沙量的变化。
OBS浊度仪是一种光学测量仪器,利用红外线通过水体,光束在水体中传输,由于介质作用会发生吸收和散射,它通过接收红外辐射光的散射量监测悬浮物质,从而计算出水体的浊度,再通过与传统含沙量测验成果进行同步比测分析,建立水体浊度与泥沙浓度的相关关系,进行浊度与泥沙浓度的转化,得到泥沙含量。
近年来随着广西水文现代化发展的不断推进,对河流泥沙自动监测的需求也在不断提升,本文通过收集河流实测成果资料,经过比测分析及精度检验,建立OBS浊度值与单样含沙量关系,对推进广西OBS泥沙在线监测应用具有借鉴作用。
1、仪器技术参数1.1主要工作原理OBS浊度仪又称光学后向散射仪(以下简称OBS501),它通过发射红外光束,光束通过水体时遇到水中微小颗粒产生散射光而衰减,利用后散射探头和侧散射探头来测量散射回来的光强度,从而计算出水体的浊度。
OBS501配备后散射探头和侧散射探头,后散射探头接收光强度的角度为125-170°,侧散射探头接收光强度的角度为90°。
泥沙研究 2010年2月Journal of Sedi m ent Research 第1期收稿日期:2007211206基金项目:国家“十一五“科技攻关项目(2006BAB06B05)作者简介:秦毅(1959-),女,江苏常州人,教授,研究方向为干旱区水文水资源。
E 2mail:Qy_1103@yahoo 含沙量预报方法探讨秦毅1,石宝2,李楠1,凌燕1,刘超3(11西安理工大学西北水资源与环境生态教育部重点实验室,陕西西安 710048;21广西梧州水利水电设计院,广西梧州543002;31中国水电顾问集团成都勘测设计研究院,四川成都 610072)摘要:黄河的泥沙问题一直都是黄河治理的重点。
进行含沙量预报将为一些治理黄河的措施提供技术支持。
由于影响黄河含沙量的因素众多,预报技术难度大,至今没有可用的预报方案,可以说这在黄河上乃至其它河流都是空白。
本文就现有的预报方法(输沙单位线法、响应函数法、神经网络法、水力学法),分析其影响因素和优缺点。
就今后含沙量预报方法应努力的方向给出建议。
关键词:含沙量;预报;方法探讨中图分类号:T V143 文献标识码:A 文章编号:04682155X (2010)0120067205解决好黄河泥沙问题是维持黄河健康生命的核心问题之一。
至今,已采取的一系列治理措施大都离不开合适的水沙条件和对水流含沙量及泥沙颗粒级配的事先预知。
影响黄河含沙量的因素众多,预报技术难度大,过去对泥沙预报虽有一些研究,但因种种原因没有应用,可以说这在黄河上乃至其它河流都是空白。
2005年黄委将含沙量预报研究工作作为治理黄河的专项科研项目,2006年该项工作又被作为治黄技术支撑列为国家级科技支撑项目。
因此总结已有含沙量预报方法,为今后深入探讨含沙量预报工作提供借鉴显然是有意义的。
1 水文学方法的输沙率/含沙量预报对于复杂、道不清物理图形的事物,水文学的处理方法一般都是寻求影响事物的主要因素,回避过多的细节,从宏观的角度解决问题。
就含沙量预报来说,表现为不追究泥沙运动的具体物理过程,只考虑影响含沙量变化的主要因素,或者通过统计相关法和一些假定来概化其过程,这样既能使复杂问题简单化,又不会产生太坏的结果。
111 瞬时悬移质输沙单位线法这种方法的基本做法是:首先建立降雨量与输沙量的关系,也称产沙模型,再根据所产时段沙量,利用输沙单位线推求输沙率过程。
樊尔兰[1]、李怀恩等[2]首先将单位线的思想用于计算流域输沙率过程,他们假定产沙强度与降雨强度有相应的关系,所产泥沙随同水流,一并受到相同的汇集输送,也即河道泥沙输移比为1,依此来确定输沙单位线———单位时段里的单位产沙量随水流流向出口的过程中所形成的输沙率过程线。
樊尔兰将纳希瞬时单位线模式推广于瞬时输沙单位线,基本公式如下U (0,t )=1k s Γ(n s )t k sn s -1e -t k s(1)她通过假设瞬时单位线滞时m s 1与产沙率I s 之间存在关系m s 1=a s I -bs s ,来确定瞬时单位线的参数n s 、k s ,从而确定瞬时输沙单位线的形状。
李怀恩将逆高斯分布概率密度函数作为瞬时输沙单位线的线型。
逆高斯分布概率密度函数如下f (t,μ,λ)=λ2πt 3exp -λ(t -μ)22μ2t (t >0)(2) 以上方法是从产汇沙角度研究输沙率过程变化。
尽管概念清晰,但存在的问题是其难以应用。
首先,从产沙方面看,建立产沙模型的沙量是河道出口断面所得的输沙量,它经历了从降雨产沙到河道输沙的过程,由于受到水沙、地形冲淤变化等众多因素的影响,在天然河道中,泥沙输移比为1的情形不多见。
因此河道内的冲淤变化将使单因子的水沙关系变得不很紧密。
因为同样的流量过程其输沙量并不一样,这使得降雨与产沙量的关系更加疏远。
从汇沙方面看,挟沙水流属于两相流,固相和液相运动是否能同步,影响因素也很多,有水流条件方面的,也有泥沙条件方面的。
故最终结果是输沙单位线难以综合,实际应用有困难。
112 响应函数法响应函数法属于黑箱汇沙模型,不考虑中间具体物理过程,只考虑影响输出的主要输入因素,其中输入对输出的作用,即响应函数由实际过程来确定。
它具有原理简单,方法灵活,适用范围广等优点。
该方法中,输入内容合理与否将直接影响输出成果。
因此输入往往因流域不同、水沙条件不同而不尽相同。
输入的物理概念越清晰,得到输出的效果就越好。
秦毅[3]根据流量过程与输沙率过程基本一致的特点,建立了水沙响应函数模型,通过洪水流量过程,预报相应的悬移质输沙率过程,响应函数如下Q S (t )=∫t 0Q (t -I )h s (I )d I (3)杨永德[4]参照降雨、径流响应函数模型建立流域降雨、输沙率响应函数模型,函数如下Q S (t )=∫t 0P (t -τ)h s (τ)d τ(4) 可以看到,由于以上两个模型同样没有考虑河槽变形的影响,因此预报成功的效率并不高。
张静[5]根据黄河下游河道输沙方面所表现出的“多来多排”的特性,经验表达Q s 2=kQ α′2S β′1建立了花园口至夹河滩河段的含沙量预报模型。
其做法是首先建立流量的系统响应函数模型如下式(5),再利用多元回归方法建立式(6)Q 下(t )=∫t 0Q (t -τ)h (τ)d τ(5)S 2t =kQ α2t S β1t-1(6)正是因为“多来多排”特点涵盖了河道水沙条件、边界条件的综合影响,所以预报效果明显提高。
从这里我们可以认识到,由于系统响应方法不是物理过程的表达,而是基于统计规律表达的事物变化的综合结果,所以其预报效果的好坏直接与所求响应函数的资料信息有关,与模型结构对信息利用的能力有关。
笔者将式(6)改为完全响应函数型,令x (t )=kQ α2(t )S β1(t -1)S i =6Lj =1h j x i-j+1(7)式中,S i 为河道出口断面的含沙量;h j 为河道汇演的响应函数。
预报结果与张静的结果比较见图1。
从上图可以看出结果得到明显改善。
究其原因,是回归方法所利用的资料信息没有响应函数法充分。
所以说若资料有代表性,模型结构能够较好地利用信息,一般情况下所求出的结果会较好。
当出现异常水沙情况时,因其不是物理机制模型而使预报效果变差。
113 神经网络法人工神经网络是对人脑若干基本特性通过数学方法进行的抽象和模拟,它具有并行的结构、非线性处理功能、较强的容错性以及自组织自学习的能力等,能够对模糊信息或复杂的非线性关系进行识别与处理。
因此也是水文预报采用较多的一种方法。
与响应函数法类似,它也是首先确定输入、输出层,通过训练建立中间层(类似于系统作用),之后由输入层计算出输出层。
神经网络的输入因子也是基于事物之间的物理成因来确定的,随着流域特性的不同、研究对象的不同、水文尺度的不同而不同[6-12]。
神经网络具有很强的非线性映射能力,只要给他足够的训练时间,三层神经网络就可以对任何训练样本完全拟合。
本文作者也依据花园口和夹河滩的水沙资料,利用三层反馈网络进行夹河滩站含沙量图1 作者的预报结果与水力学、张静的结果比较Fig.1 Comparis on of measured and p redicted sedi m ent concentrati on过程预报。
其中的输入层为花园口t-1时刻的流量、含沙量、平均流速、平均水深、中值粒径,夹河滩t 时刻的流量,输出层为夹河滩t时刻的含沙量,其中隐层根据优化选取11个神经元节点。
第一层到中间层的传递函数为f(x)=tanh(x),中间层到输出层的传递函数为f(x)=1/(1+e-x)。
为了将神经网络用于预报,将实测样本资料分成三组,第一组资料为24场水,用来作为网络的训练,第二组资料为4场水,用来挑选训练次数,第三组资料为5场,用训练好的网络参数进行预报检验。
不管是哪种情况,对5场水的含沙量预报来说,其预报过程的确定性系数都不高。
训练样本还原结果和预报结果见图2和图3。
从上面可以看出,神经网络用于预报有着不可避免的缺陷,即过渡训练使网络偏离总体太远,适度训练目前还没有找到合理把握“适度”的尺度。
图2 还原计算结果Fig.2 Rest ored calculati on of sedi m ent concentrati on2 水力学方法的输沙率含沙量预报与水文学方法相反,水力学法是从事物的运动与变化的机理出发,对事物的发展变化进行描述。
由于事物发展变化的复杂性,用水力学方法进行描述,其对资料的精度要求高、计算量也大。
211 水动力学泥沙数学模型泥沙数学模型最初的应用起始于20世纪50年代初期,随着水动力学和泥沙学科的发展,以及实际图3 预报结果Fig .3 Verificati on of the p redicted sedi m ent concentrati on问题的需要,泥沙数学模型得到了很大程度的发展。
尤其表现在求解基本方程时,从反映不平衡输沙规律中的挟沙力问题、动床阻力问题和悬移质泥沙与床沙的交换机理等出发,完善某些参数的内涵和取值,改进了计算方法。
这些进步使水、沙变化的模拟能力大大提高,但预报的功能还不具备。
212 简化水力学法天然河道中,汛期水流常处于非恒定流和非均匀流状态,由于水流和泥沙的相互作用,泥沙的输移也处于不平衡输沙状态。
秦毅[13]通过联解不平衡输沙连续方程q s 2=q s 挟+η(q s 1-q s )和一维恒定流输沙方程dQ sdx =-αB ω(S -S 3),得到方程S 下=S 3L +(S 上-S 3L )・e -αωLQ ・B (9)以此式预报出口处的含沙量过程。
其中:S 下是出口站的含沙量;S 上是进口站的含沙量;S 3L 是河道挟沙力;Q ;B 是平均水面宽;α是恢复饱和系数; ω是泥沙群体沉速。
其中的挟沙力公式采用曹如轩的具有物理概念的双值挟沙力。
预报流程如图4。
结果见图1。
图4 含沙量过程预报流程Fig .4 Fl ow chart f or sedi m ent concentrati on forecasting从与水文法的比较结果看,水力学方法虽然能够反应河道泥沙输移的物理机制,但是在实际计算时有些问题还不能很好的解决,比如在预报时需要提前判断下游河道的冲淤状态,预报出口断面的水深、水面宽、流速等水力要素。
像黄河这种游荡性河流,要预先准确的知道这些水力要素非常困难。
再者用恒定流输沙方程解决非恒定流问题,更应该是影响水力学预报模型精度的主要因素。
3 结论(1)从模型结构上讲,水力学模型法的物理图形清晰,刻画精细,但对资料要求高,考虑因素多,且这些因素是相互作用、相互影响的,若有一个因子不确定,就会带来其他因子的不确定性,因此预报困难。