（农业机械化工程专业论文）γ射线河流泥沙含量及流速自动化监测系统的研究.pdf

独创性声明 本人声明所呈交的沦文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文巾特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或擐写过n q 研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构的学位或证书 面使刚过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文q 1 作了明 确的既明并表示了谢意。 恻辫：锄1i 有 帆跏歹年歹月妒日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、 传播学位论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) m j j 司：妒弓年多月珈日 时问：b 2 胛弓年；月山日 摘要 本论文首先根据y 射线穿透物体过程中的衰减j ；! | l 律以及水沙液同两相流的特性，用数学的方 法从理论上推求了y 射线透射法计算泥沙含最的理论计算公式。大量室内试验结果表明采用y 射 线透射法测量泥沙含量完全可行，且测量结果准确可靠，不受土壤类型的影响，是目前现场快速、 简便、高精度的非扰动泥沙含量测量方法。 质量吸收系数是决定理论计算公式计算精度的一个重要参数。目前普遍采用单点法来计算吸 收系数的值。本文运用数学回归分析的力法，研究了估算此参数的计算公式即多点法。人量室内 实测数据验证结果表明单点法和多点法都可以应用于计算质量吸收系数的值，且具有较高的计算 精度。多点i 叫归法以火量实验数据为基础上，很大程度上消除随机误差的影响。而单点法物理概 念明确，但精度受随机因素影响较大。同时从理论上分析了质量吸收系数变化对泥沙含量测最精 度的影响，结果表明质量吸收系数的定估计误差将引起泥沙含量测量结果的等量误差。 本论文最后详细阐述了y 刳线河流泥沙含最和流速自动化监测系统的组成、功能、工作原理 以及膨朋范用。整个系统在中央测控单元的控制r 实现河流泥沙含量和流速数据的自动采集、存 储、远程传送。此系统可帮助水文丁作者更快、更准的获取泥沙含量及流速数据，大大提高水文 ：l 一作者的l 作效率和水文测验仪器的自动化水平。 关键词：y 射线泥沙含量流速质量吸收系数自动化监测系统 a b s t r a c t t h ef o r m u l af o rc o m p u t i n gs e d i m e n tc o n c e n t r a t i o n1 sd e t e r m i n e dw i t hm a t h e m a t i e a lm e t h o d t h e o r e t i c a l l ya c c o r d i n g t ot h ea t t e n u a t i o nl a wo fyr a ya n dc h a r a c t e r i s t i c so fm i x t u r eo fs o l i da n dl i q u i d m a n yl a b o r a t o r ye x p e r i m e n t s i n d i c a t et h a tu s i n gyr a ya t t e n u a t i o nm e t h o dt om e a s u r es e d i m e n t c o n c e n t r a t i o ni st o t a l l yf e a s i b l e t h em e a s u r e m e n tr e s u l ti sa c c u r a t ea n dr e l i a b l ea n di sn o ta f f e c t e db y t h et y p eo fs o i lt h e r e f o r ei ti saq u i c ka n ds i m p l em e t h o dt h a tc a l lm e a s u r es e d h x m n tp r e c i s e l y , i nt h e o r e t i c a lc o m p u t a t i o nf o r m u l at h em a s sa b s o r p t i o nc o e f f i c i e n ti sa 1 1i m p o r t a n tp a r a m e t e rt o a f f e c tc o m p u t a t i o np r e c i s i o no fs e d i m e n tc o n c e n t r a t i o nc u r r e n t l yt h es i n g l e - p o i n ti su s e dt oc o m p u t ei t w i d e l yt h ec o m p u t a t i o nf o r m u l a ( m u l t i - p o i n tm e t h o d ) i ss t u d i e dt oe s t i m a t ei t sv a l u eb ym a t h e m a t i c a l r e g r e s s i o na n a l y s i sm u c he x p e r i m e n td a t ai n d i c a t e st h a tt h es i n g l e - p o i n tm e t h o da n dm u l t i p o i n tc a n b o t ha p p l i e dt oe s t i m a t ei t sv a l u ea n dt h e i rp r e c i s i o ni sv e r yh i g ha l a r g en m n b e ro fe x p e r i m e n t a ld a t a i su s e dt od e t e r m i n et h em a s sa b s o r p t i o nc o e f f i c i e n ti nt h em u l t i - p o i n tm e t h o ds ot h es t o c h a s t i ce r r o r s c a nb eg o tr i do ft oag r e a te x t e n t t h es p e c i f i cp h y s i c a lc o n c e p ti sc o n t a i n e di nt h es i n g l e - p o i n tb u ti t s c o m p u t a t i o np r e c i s i o ni sa f f e c t e db yt h es t o c h a s t i ce r r o r s i t si n f l u e n c eo nm e a s u r e m e n tp r e c i s i o no f s e d i m e n tc o n c e n t r a t i o n1 sa l s oa n a l y z e da n dt h er e s u l ti n d i c a t e st h a tas p e c i f i ce s t i m a t i o ne r r o rw i l l b r i n ga b o u te q u a le r r o r f i n a l l yt h ec o n s t i t u t i o n ，f u n c t i o n ，p r i n c i p l ea n da p p l i c a t i o nr a n g eo fa na u t o m a t i cs y s t e mf u r m o n i t o r i n gs e d i m e n tw i t h yr a ya n dv e l o c i t yo fr i v e rf l o wi sd e s c r i b e di nd e t a i la u t o m a t i cd a t a c o l l e c t i o n ，m e m o r ya n dr e m o t et r a n s m i s s i o no fs e d i m e n tc o n c e n t r a t i o na n dv e l o c i t yo fr i v e rf l o wa r e r e a l i z e du n d e rc o n t r o lo ft h ei n d u s t r i a lc o m p u t e r h y d r o l o g i s t sc a nb e n e f i tf r o mt h i ss y s t e mt h e i rw o r k e f f i c i e n c ya n dh y d r o l o g i c a lj n s t m m e t ua u t o m a t i o n l e v e la r ea d v a n c e dg r e a t l y k e yw o r d s ：yr a y , v e l o c i t y , s e d i m e n tc o n c e n t r a t i o n ，m a s sa b s o r p t i o nc o e f f i c i e n t ，a u t o m a t i c m o n i t o r i n gs y s t e m = ! ：里兰些盎主竺：竺生兰薹= 量誊兰 11 课题背景及意义 第一章绪论 黄河，是中华民族的摇篮。黄河流域在很长的历史时期内，一直是我国政治、经济和文化 的中心。同时黄河又是世界上最复杂、最难治理的河流，频繁的水旱灾害给沿岸人民带来了 深重的灾难，被称为“中国之忧患”。5 0 多年来，治黄工作取得了举世瞩目的成就但黄河的 许多自然规律仍未被人们认识和掌握，洪水威胁依然是国家的心腹之忠，水资源供需矛盾日 益尖锐，水土流失和生态环境恶化尚未得到有效遏制，严重威胁着沿黄人民的生命和财产安 全，制约着黄河流域及其相关地区社会经济的发展。 为使黄河治理开发和管理做到“堤防不决n 、河道不断流、水质不超标、河床不抬高” ( 以下简称“四不”) ，实现黄河长治久安，耨时期的黄河治理开发和管理应着力建设“三条 黄河”，即“原型黄河”、“数字黄河”、“模型黄河“。 “原型黄河”，是我们治理开发与管理的现实中的黄河它是我们治理开发和管理的对 象治理的目标是实现“四不”，最终实现黄河长治久安。 “数字黄河”是“原型黄河”的虚拟对照体。通俗地讲，就是把黄河装进我们的计算机。 主要是借助现代化手段及传统手段采集基础数据，对全流域及相关地区的自然、经济、社会 等要素构建体化的数字集成平台和虚拟环境，以功能强大的系统软件和数学模型对黄河治 理开发与管理的各种方案进行模拟、分析和研究，井在可视化的条件下提供决策支持，增强 决策的科学性和预见性。 “模型黄河”，通俗地讲，是实验室中的黄河。“模型黄河”主要是通过对“原型黄河” 所反映的自然现象进行反演、模拟和试验，从而揭示“原型黄河”的内在规律。它的作月j 是： 方面直接为“原型黄河”提供治理开发方案另一方面为“数字黄河”工程建设提供物理 参数。同时，“模型黄河”还应成为“数字黄河”通过模拟分析提出“原型黄河”治理开发 方案的中试环节”。 “原型黄河”、“数字黄河”、“模型黄河”的建设相互关联、互为作用。在实际应用中， 通过对“原型黄河”的研究，提出黄河治理开发与管理的各种需求；利用“数字黄河”对黄 河治理丌发力案进行计算机模拟，提出若t 可能方案，利用“模型黄河”对“数字黄河”提 出f f j 可能方案进行试验，提出可行方案：最后“模型黄河”提出的可行方案在“原型黄河” 布置或实施，经过“原型黄河”实践，逐步调整、稳定，确保实现各种治理开发方案在“原型 黄河”上技术先进、经济合理、安全有效。 “原型黄河”测验体系，包括从测验站网的舰划、布设，到收集、整理、存储和刊布水 文、泥沙、河床及库区形态资料的全部过程，其基本测验项目有降水、蒸发、水位、水温、 水质、冰情、流量、泥沙、河床和库区冲淤变化等。“原型黄河”测验体系建设是“数字黄 河”和“模型黄河”工程建设的基础，在黄河治理开发和管理事业中占有极其重要的地位”1 。 泥沙含量是原型黄河测验体系中一个基本测验项目，其测量精度和测量手段将对原型黄 河的建设产生重要影响。自动化、现代化水平高的泥沙含量测量手段，将为泥沙含量的测验 数据的采集、存储、处理、传输* j 柬极大的方便，大大提高测验体系的现代化、自动化水平， 加速原型黄河洲验体系的完善。随着黄 二高原水r 流失f 自加刷，黄河含沙最剧增，黄河水情 口趋复杂泥沙含量成为决定黄河治理战略的关键性冈素，因此泥沙含量的测量对黄河的治 理具有重要意义。 同时泥沙含嚣自动化监测系统的建立是实施数字黄河战略的一个重要举措h 。数字化 黄河战略要求黄河泥沙含量的数据采集、存储、处理、传输自动化，而目前泥沙含量测验手 段的落后严重制约了数字化黄河战略内实施。凼此为r 更好的治理黄河，使黄河能够更好为 人类服务，实施数字化黄河战略，必须建立泥沙含量自动化监测系统。 横跨我国东中西部的长江流域，拥有4 亿多人口，沿江经济在改革开放中的迅速崛起， 使其成为带动我团中西部经济发展的“巨龙”。但由于人口不断增加，发展经济与保护生态的 关系处理不当，到2o 世纪80 年代，生态环境日益严重的破坏，已使其成为我国七大江河 中水十流失面积和年土壤侵蚀总量最人的流域。所以加强长江流域的泥沙监测丁作，是掌握 长江流域泥沙状况，正确制定治理方案的重要丁作。 我国是个多沙河流国家，泥沙问题较为突出。水体泥沙含量的测量，在水利水电工程 建设、水文观测预报、t 业墩水等方面，是一个十分重要的问题。 水库中泥沙的监测对水电厂的正常运行具有重要意义。水库是水电厂的一个重要组成部 分。其水位、水深和泥沙堆积的具体参数直接影响着水电厂的正常运行，甚至影响到机组的 安全。因此，及时，解水库的这些参数就非常重要。如果泥沙测量精度低，且不能测量泥沙 的堆积情况，更难以实现多点测量，这样就有可能给水轮机的安全运行埋下隐患【6 】。所以为了 保证水电厂的正常运行，有必要建立泥沙含量自动化监测系统。 我国是世界上水土流失最严重的国家之一这不仅破坏了农田而且加速了十地的退化， 使土壤日益贫瘠，抗灾能力日益降低。同时也使我国许多河流成为世界上著名的多泥沙河流， 给治河兴利带来一系列问题。这种状况直接影响了农业生产并将继续影响农业的持续稳定发 展。 黄土坡地的水土流失是影响黄土高原地区农业生产及生态环境良性发展的重要因素，水 土流失造成了表层肥沃土壤的损失，土壤肥力下降，保水保肥能力降低，农作物生产力低f 。 改善生态环境，减少水土流失已成为当前急待解决的实际问题。 在士壤侵蚀研究与水土流失治理中，水流中泥沙含量和流速的测量具有重要意义。它可 为土壤侵蚀动力过程的模拟与研究、土壤侵蚀预报模型的建立等提供基础资料，为监测和预 报水土流失过程、及时准确地控制水土流失的决策提供科学依据。 为促进土壤侵蚀研究，加深对七壤侵蚀规律的认识以及提高水土流失的治理的成效，有 必要建立泥沙含量及流速自动化监测系统。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 泥沙含量测量方法的国内外研究现状 目前，国内外测量泥沙音量有很多种，但最终皆可归结为两大类：直接法和间接法。 2 直接测定法是通过取样，将泥沙中的水除去，以确定其含沙量。又可分为烘干法和各 种去水法。烘t 珐是成川最广泛的测定泥沙浓度的方法，其设嵛简单，方法易行，有较高 的精度，常被作为评价其他方法旧标准。这种力法可用公式表述为p 一, v g ，其中彬g 分别 为泥沙重量( k g ) ( 1 0 5 。c ，烘干1 0 1 2 h ) 与水溶液总重量( k g ) ：p 为泥沙含量( k g k g ) 。 其他去水法如红外线法、酒精燃烧法等，都是为克服烘t 法干燥时间长的缺点而作的改进， 但其精度均低于烘干法。直接测定法必须取样、去水、称重，劳动强度高、费时、费力， 在取样时破坏了试验环境，不能定点、连续删量。 另外。种较经典的力法是比重法，它可以用比重计，也可以用更简单的设备。即用量 捅测量总体积v 甜 崩天平测馈总重餐c 3 ( k g ) 再根据7 - 的比重p 与土粒的比重p ；计算 含沙量p = ( g 尸，1 垆。尸，) ( n g p 。g ) ( k g k g ) ，其中p ；= 2 6 5 0 k g m 3 ， 尸。= 1 0 0 0 k g m3 。这种方法相对烘干法而者，设薪要求更为简尊，但有一定的误差。 间接测定法是通过泥沙的某些特性来确定含沙量的方法，包括原子核法和其他测定方 法。间接测定法不破坏实验环境，可作定点连续重复测肇，是泥沙浓度动态研究的最佳方 法。 多年来科技人员直在积极探求含沙量的现代测试方法，如电容法、振动法、光电法、 超声波和激光法等。 振动法：根据振动学原理，当棒体谐振时，其第一固有谐振频率r 亦称基频) 为 ，：。1 2 1 2 e 而，式中，】一棒体长度：e 一劫 ( ：弹性模量：j 一绕转动中心的惯性矩；t 一振动 周期( t = 1 7f ) 。对于同辛j 料和同埽中端点固定型式，e 、j 、l 均为定值，令k = 石2 b u 4 l2 ， 则p = k t2 ，上式表明棒的密度与棒体振动周制的平方成正比。若用一内充满水的金属空 管代替棒体，则其密度与管子丰才剁和水质量有关。当注入不同含沙量的水体时，则可视为 整个棒的密度发生了变化，所必不同含沙最的水就对应有不同的振动周期，从而通过测知 密度可得含沙量1 。振动法测含沙量时，仪器稳定性较差，零点漂移严重：而且在测低含沙 量时，受温度影响较大”j 。 超声反射法：将探头与水面接触，向含沙水流发射超声波，超声波遇到沙时产生反射 波，反射回来的超声波义被探头接收，卉域转换成电脉冲信号，经放大电路放大后，由计 数电路将电脉冲的数量记f 来，所汁下的数量与脉冲数成比例，即与沙粒成比例，从而可 测含沙量p j 。该法对低含沙量水流特别灵敏，且测量精度较高，只是测量范围较窄( 0 3 k g i t i5 ) ”。利用超声反射法，根据声波在浑水中沿垂线传播时，不同深度、不同浓度泥沙颗粒 对声波的散射信号不同这原理，含沙量垂线分布测试系统也已研制成功，它可在低含沙量 ( 2 5 k g m 。以下时) 时，对水面下2 0 c m 范围内含沙量及其分布快速、实时测量，并且图形盟 一1 1 1 ，1 m ”“一。a 超声衰减法”1 ：超声波在媒质中传播时，由于媒质对声波的散射、吸收以及超声波自身 的扩散因素，其能量( 振幅、声强等) 随距离增大而逐渐减小的现象，称为超声波的衰减。根 据超声波在含沙水流中的衰减规律，然后利用传感器和二次仪表检测超声波在含沙水流中 的衰减系数，经一定的变换后达到检测含沙量的目的。其中采用声吸收系数的“面积比值” 测量法，可提高检测精度。最近又提出了通过检测回波幅度的变化来测知含沙量的新方法。 激光法：在吉沙量的测量方法中，光吸收法应用颇有前景，荷兰d e l f t 水力试验室自 2 0 世纪7 0 年代就开1 始这方面的研究，研究发现光吸收装置的输出信号不仅表示了浓度， 而且也反j 映了颗粒人小及运动速度，试验证使川光u 及收法可测含沙量，并设计出了o p c o n 仪，然而封粒径及速度的删蹙尚4 ；清楚。武汉水利电力大学水利水电科学研究所研究员经 过进一步研究探讨发现，利用光吸收法可同时测粒径及含沙量，从而达到以粒径测量结果 柬校正浓度的目的，提高了测试精度。同时采用激光作此源，由于激光具有高度的空间相 t 性和时间相1 二性，以及高度集c j 的能量密度，特别是与计算机的结合及光导纤维的应用， 使外界漂移或扰动的影响大大减小，并刈实现实时自动分析，进步提高了测试效率和测 试精度f ，j 。但这种设备不仅笨重、庞人，而且成本较高，很难广泛使用“”。 光电法：此法取决于光与沙粒的相互作_ e j ，当光通过挟沙水流时，由于吸收和散射作 用，使透过光的强度减弱，依据不同含沙量光的衰减1 i 同来测含沙鼍【7 j 。光与沙粒问的作用 取决于沙粒大小，当颗粒直径d 与光波波长x 相近时( 即处于同一数量级下) ，则符合 r a y l e i g h 和m i e 散射定律i 当颗粒较大时，遵从b e a r 定律，即i = i o e x p ( 一a o c l ) 。式中：i 一透 射光强度；i o - 入射光强度；如消光系数，与物质性质有关；e 一溶液中物质的质量浓度； l 为光源与接收器间距离( 即悬浮液宽度) 。b e a r 理论是在理想状况下得出的，实际情况则 较复杂，如颗粒问互相遮掩，浓度分布不均沙粒粒径及形状不同等，所以应在相同工况 l ) j n 以率定。以光电法为原理的光电测沙仪也已研制成功。侵入式测沙仪可以获得连续的 含沙量的变化过程，使实验过程的观 ! j 1 0 、控制、确定边界加沙鼍都很便利。此种方法的不 足是测量范同( 06 2 k g m3 ) 较窄 】”。 西北农林科技火学李小甓教授首次提出了电容法测量水流含沙量的测量方法【l ”，并研 制r 两种结构形式的电容传感器，尝试测量j 水流中泥沙含量与传感器输出间的关系，以 及温度、径流流速、土壤种类、土壤含盐量对传感器响应特性的影响。结果表明，水流泥 沙含量与传感器的输出呈线性关系；传感器的输出随温度的升高而逐渐增大；流速、士壤 种类、土壤含盐量对传感器的输出影响较小。并且为了自动校正因零位漂移、灵敏度漂移 而引入的系统误差和干扰因素所致的可变误差，提高测量系统的精度，研究了电容式水流 泥沙含最传感器自校准技术i i “。此种方法目前尚没得广泛应用。 综上所述，目前泥沙含量测量方法较多但这些方法或者测量范同较窄，或者测量精 度不高，或者仪器稳定性筹等原因未能得到广泛应用，至今没有种测量范围宽，测最精 度高的泥沙含量测量方法，因此本论文研究测量泥沙含量的y 射线法及其自动化监测系统 具有重要意义。 12 2y 射线法研究现状 y 射线透射法作为种放射性测量技术，在工农业生产中得到了广泛应用。目前其应用 主要有几个力面。 y 射线法在原油低含水率测量方面的应用”7 , 1 8 o 在原油生产过程中，对成品油含水率 的分析大多采取定时取样和蒸馏化验的传统方法。由于取样间隔长，在含水率变化较大时， 则_ h j 化验方法得到的平均含水率与实际含水率会有很大的差别；另外由于所取油量很小，其 取样并不能完全代表取样瞬间的原油状态。这就会给原油的计量带来较大的误差。因此为了 4 提高计最精度，东北人学研制j ，种具确较高分辨率和精度的y 射线低含水率测量仪，在原 汕输送过程中，完成对含水率的臼动在线测景。v 射线艇汕低含水率测量仪是种在线测揖 仪表，它的删量精度好于00 5 ，并能够对温度的影响进行自动补偿。 y 射线法在煤灰分测量方面的应用”。煤炭洗选后利用和动力配煤是沽挣煤技术重要 措施；中国是煤炭开采、利用的火国，提高选煤和配煤效率对国民经济有重要意义。为此清 华大学工程物理系研制了z z8 9 a 型在线测最仪。在线式y 射线煤灰分仪不但实现了用职能 量y 射线透射方案对动态煤流灰分的准确测定，达到比较高的技术指标；而且运行高度自动 化，充分利用测得的数据，给出多种结果能全面清晰地反映实际生产状况，板适合指导选 煤生产和考核、管理的需要，预期对动力配煤场的控制和管理也很有用。 y 射线法在蒸发糖浆浓度测量力面的应用口。溶液浓度是化工、食品、医药等生产过 中的重要参数。制糖生产的浓度是指糖液中固形物重量百分浓度，是糖厂化学和技术管理的 重要参数和依据。为了实现蒸发糖浆浓度的在线测量，r 西大学研制了y 射线浓度计。y 射线密度( 浓度) 计由于可以进行非接触测量，在适当的放射源下具有很大的稳定性和极长 的使用寿命，抗干扰能力强，反应时间短，并有较高的精度，可以实现制糟过程浓度在线测 鼍的需要。 y 射线法在钢水液位测量方面的应片j 8 “。为了解决在钢铁生产中钢水液位的在线测量， 南华人学研制，y 射线液位测量仪。它采用y 射线源和棱辐射探测器组成信号传感器，对 钢水浇铸过程中结晶器钢水液位进行测量，满足了系统连续测量的要求，提高了测量精度。 信号处理采片j 单片机技术，实现了源衰变自动补偿和液位变化动态过程自动跟踪，扩大了测 量计数范围，可适应各种型式的结晶器金属液位测量。 v 射线法在谷物产量测量方面的应用口”。为了实现谷物产量的在线测量中国农业农业 大学精细农业q - 心，研制了核子式谷物产量在线测量系统，其测量原理为当谷物从辐射源和 探测器之间通过时，射线强度的衰减与谷物的质量呈指数关系，取对数后为线性关系，相关 系数为09 9 9 4 。核子式测量方法具有非接触式的优点，采用核子秤在谷物收获的同时直接测 量谷物流量，可在线计量田问小区的谷物平均产量，为进一步研究田间谷物产量的差异性提 供准确的基础信息。 y 射线法在煤粉流量测量方面的应用”。在火力发电厂的发屯过狸中，需掌握煤粉的 使用量，由于运输中煤粉的不稳定，给计量带来难度。根据放射性同位素和核辐射技术能够 对被测物质实现检测和控制，黑龙江大学研制了y 射线在线煤粉流量计解执了火力发电 厂输送煤粉过程中，煤粉流量的在线测量问题。 综上所述，y 射线法可以进行非接触测鼍，在适当的放射源下具有很大的稳定性和极 长的使用寿命，抗干扰能力强，反应时间短，并有较高的精度，因而应用极其广泛，具有很 好的发展前景但目前y 射线法尚未被应用于泥沙含量的测量，冈此本论文研究工作对扩 展y 射线法的应用范围具有理论上和实践上的重要意义。 1 3 研究内容及方法 利用y 射线透射法测量水流泥沙含量及算法推求 根据y 射线砸物质中传播过程中f 自衰减规律及水沙液列两相流的特性，运用数学方法推 导利剧y 射线透射法测量径流含沙量的理论算法。通过室内实验研究的方法研究利用此种 方法删量水流中泥沙含量的可行性、普适性、准确性以及可靠性。 y 射线透射法测量水流泥沙含量算法中质量吸收系数的优选及其对测量误 差影响的研究 运剧数学回归分析的方法，推导估算质最吸收系数的计算公式。用室内实测数据验证其 正确性，并将其与单点法在质量吸收系数的计算精度、稳定、可靠性等方面作以比较，以说 明研究此种方法的必要性。从理论上分析质量吸收系数的变化与泥沙含量测量误差变化的关 系，以确定质量吸收系数对泥沙含量测量精度的定量影响关系。 y 射线河流泥沙含量及流速自动化监测系统的研究 综合考虑系统的需求及工作环境进行系统的软什设计和硬件设计。选用流速仪测量水流 流速。设计水f 测量单元( 主要包括泥沙传感器和流速仪) 在河流不同深度进行水流泥沙含 量和流速度测量。为了实现水f 测量单元在水下不同深度的巡测和数据的自动采集，设计水 深检测与定位单元和中央测控单元。发计上位机数据管理单元接受来自中央测控单元的数据 和进行数据的远程传送。 6 第二章利用v 射线透射法测量水流泥沙含量及算法推求 水流中泥沙含量是土壤侵蚀、水土保持、水文研究、河流泥沙检测的重要内容。泥沙含量的 现场快速、实时准确测量是目前巫待解决的问题。泥沙含量测量的传统方法为人_ ： 采集泥沙样品， 然后烘干、称重，该方法无法实现实时、在线测量泥沙含量的连续变化过程，且费工费时。多年 来科技人员一直在积极探求泥沙含量的现代测量方法，如电导法、电容法、振动法、光电法、超 声波法和激光法等”j 。由于受传感器件和电子元件灵敏度的限制，这些方法的测量精度都较低， 受现场客观冈素的影响较大，需要较繁琐的现场调校而且仪器的稳定性能较差，现场测量径流 含沙量的变化范围较窄。由于这些问题，至今仍无一种好的径流泥沙含量测量方法。 y 射线衰减法作为一种放射性技术，在上壤含水最的测量中得到了广泛应用。其研究历史至 少可以追朔到g u r r l 2 4 1 1 9 5 9 年的研究 二作。其后，g a r d n e r f 2 q ( 1 9 7 2 ) 、n o f z i g e r f 2 6 ( 1 9 7 8 ) 等、 m c k i m 口”( 1 9 8 0 ) 、g a r d n e r “( 1 9 8 6 ) 先后对y 射线测量含水量与测量含水量和容重的误差进行 了分析和同顾。 y 射线可以用于测量土壤中的含水量，按其原理应该可以用于测量水中的泥沙一土壤的含 量，遗瓞的是到目前为l e ，尚未见任何有关用y 射线测量径流泥沙含量的报道。 本研究的目的是，研究用y 射线透射法测景水流泥沙含量的可行性：从理论上推求采用v 射 线透射强度计算泥沙含量的理论公式；通过实验测定，研究理论公式的准确性；研究采用y 射线 透射法测量混沙古量的可行性、测量结果的准确性及其与理论计算结果的一致性，为测量仪器的 进一步开发提供基础。 2 1y 射线测量含沙量的原理及算法( 理论公式) y 射线是种高频高能电磁波，能穿透物体。当一束y 射线穿过物质后，其能量由于物质吸 收，即穿透物质的y 射线被减弱。这种减弱程度与放射源能量、吸收体性质和物质厚度有关，并 服从指数关系 2 9 , 3 0 l ，用下式表示为： 1 = i o e “ r 21 、 式中，i 、i o g 射线束穿过物质前、后的射线强度，“s ： l 一被y 射线透射的物质厚度，c m ； “被透射的物质对y 射线的吸收系数，l c m 大小为u = u 。p ，u 一被透射物质的 质量吸收系数，c r n s g ；p 一被透射物质的密度，g c a 3 。 由于含沙水流为液、固两相介质的混合体。当y 射线穿透水沙混合体时，由于水沙的作用， 其减弱规律服从下列表达式： i = l o e 一“”+ “ ( 2 2 ) 式中，u u 。一分别为水和泥沙的质量吸收系数，c m 2 g ； 设l ，( s ) u 十刻苛位体积干土质量为p 。单位体积含水量为p 一则t t 时刻y 射线穿过厚为l ，1 = l o e 一“”+ “。 ( 2 3 ) 由于在动态测量过程中水流的学位体积含水最和单位体积干土壤质量均随时问发生着变 化，令t 。时刻单位体积十土质量为p 蚰、单1 ：j _ 体积含水量为p 。则有： j ，= j 、e * “”“j ：h【2 书 生：p w ，( p r n 2 ) e m - ( p 一p w 2 ) ( 2 5 ) 式中，prp 。一容积含沙量增量；f 9 p 。一容积含水量增量。一者问的关系可解析如f ： 由于量值为p p 。：的容积含沙量增加( 减少) 量引起了量值为p o ，。的容积含水量减少( 增 加) 量，总的单位体积不变，即有泥沙增加( 或减少) 的体积( a v ；) 即为水量减少( 或增加) vs=i旦盟二二旦；651(挚gcm=一vw=二j生i二王1ijgq二c掣m 2 3 ) “ (3 ) 式r 】，2 6 5g c m 3 - - 泥沙颗粒的密度，因此有 成i b 2 = 一( p 。i p 。2 ) 2 6 5 ( 26 ) 一2finll-再inl22 p i ( 2 7 ) 尸，。2 7 i 一 ，j k 一急卜 f 28 1 泥沙质量吸收系数u 。的获取方法为：测定容器内一定厚度( 。) 的清水的y 射线透射强度 ( i 。) ，其对应的含沙量为0 9 6 ；测量干土的y 射线透射强度( i ，。) ，其相应含沙量应为1 0 0 ，依据 ( 28 ) 式即可得出泥沙质量吸收系数： 弘e ! ! 盘当盘( 2 9 ) t ! ! 生二! 坐塑。监 l 。 2 6 5 ( 2 1 0 ) 将( 2 1 0 ) 式代入( 28 ) 式得： c 12 c + 亘l n 禹1 1 - l n l 2( 2 ，- ) 三。 令：l 。，f = i nl i 。，i j 。) ，l 。镰： c 2 ：c i + 掣( 2 1 2 ) 耻oo l 由公式( 21 2 ) 可以看出：若已知初始射线强度为i - 、初始泥沙含量为c ，、测量泥沙质量吸 收系数为“一、吸收物质厚度为l ，测定时刻射线强度为i 。，则可由式( 21 2 ) 得出泥沙含量变化 已， 当测定u 。；时的物质厚度l 等于实验n , j - ( r a 物质厚度l ，即l o - l 时，则有： c ：c ，+ 兰出 (213)i n 一l n - 1 0 0 。7 依据式( 2 13 ) 口j 非常容易地得出相对初始状态的泥沙含犀增晕佰。 2 2 实验材料与方法 为了验证用y 射线测量水流含沙量的可行性、y 射线测量泥沙含量的反应特性、用上述理论 公式计算泥沙含量的准确性、y 射线测得的泥沙含最与丹j | 理论公式求得的泥沙含量的一致性，发 计了一系列实验。 2 21 实验材料 实验所用的y 射线系统，采用l o m c i ( 毫居里) 的”7 c s 作放射源，用能谱探头探测( 穿透被测 物体的) 射线强度，_ l j 定标器对标准溶液测量得到的射线信号进行标定。采用两种土壤黄绵 士和填十进行测试，以期检验v 射线对不同土壤的反应特性。 标准溶液配制方法为：为防j i 泥沙过快沉淀，对所用土壤烘干处理，并且用02 5 r a m 的细筛 过筛。为了得到y 射线测量泥沙含量的最小灵敏度及测量精度，采用1 i 0 0 0 的电子天平，称取 经过筛后的黄绵十和壤土，加入直径为1 2c m 容量为1 0 0 0 m l 的量杯中，然后一边加水，一边搅 拌，直至量杯中溶液总体积达到1 0 0 0 m l 。将其配制成不同泥沙含量的标准泥沙溶液系列：即3 0 、 6 0 、9 0 、1 2 0 、8 1 0 k g m 3 ，加少量悬浮剂充分搅拌均匀以防【e 泥沙过快沉淀。 片j 上述两种土壤配制的不同含沙量的标准溶液，作为被测物体。两种测试十壤的有机质含量 介于0 3 o 4 5 之间。供试土壤的粒径分布如表2 1 和表2 2 所示。 表2 1 黄绵土的机械组成 | | 甄粒级别( n u n ) 1 - 02 502 5 - 0 0 500 5 00 l0 0 1 - 4 ) 0 0 50 0 0 5 0 0 0 1 00 0 1 ( o0 1 含量 9 中国农业大学碗f 论文 第二章利用y 射线透射法删量水流泥沙含量及算法推求 表2 2 壤土的机械组成 顺粒级n ( m m ) 1 02 502 j 、00 j00 5 “00 【00 r o0 0 5o0 0 5 、o 。0 1 ( 00 0 1 0 0 5 m m ) 含量1 26 ，粉粒( o0 5 o 0 0 5 m m ) 占 7 23 ，粘粒( o ) 表示。的相对改变量，即一= 爿。，于是( 3 1 3 ) 式 可变形为 阡掣斗i 式( 3 1 4 ) 表明，混沙含量的相对误差与质量吸收系数的相对误差相等，即两者成正比例关 系，且比例系数为1 。所以质量吸收系数的一定相对误差引起泥沙浓度测量的等量相对误差，质 量吸收系数对泥沙含量测量精度的影响是线性的。 3 5 结论 本章提出j ，计算利用y 射线测量水流泥沙的理论计算公式中质量吸收系数的多点回归分析 9 中国农业大学硕上陡文第三章v 目t 线测量水流泥沙算法中质量i 吸收系数优选及其列删鼍埕差嚣响的分析 力法，推导了用试验数据估讨质晕吸收系数的【1 3 】归计算公式。通过试验说明了估计参数的力法、 证明所推导的多点法曰归公式正确性并具宵较高的测量精度。将多点回归法计算结果、单点法计 算结果与实际标准值进行了对比，结果表明，两种力法都可以应用。多点回归法以大量实验数据 为基础，很大程度上消除了随机误差的影响。而单点法物理概念明确，但精度受随机因素影响较 大。可以通过取多次观测结果的平均值估计，来消除或减少随机误差对泥沙含最测量精度的影响。 从理论上分析了质量吸收系数误差与泥沙含量测量精度( 误差) 之间的关系，结果表明质量吸收 系数估计的相对误差与泥沙含量计算相对误筹成正比例关系，且比例系数为l ，质量吸收系数的 定误差将引起泥沙含最测量精度的等量误差。 中同农业大学颂上论文笫四章y 射线河流泥沙吉量及流速自动化监洲系统 第四章v 射线河流泥沙含量及流速自动化监测系统 4 1 系统综述 4 1 1 系统构成 本自动化监测系统主要由水下测量单元水深检测定位单元、自动定标器、中央测控单元、 上位机数据管理单元组成。详细构成见下图4 1 。 ! ，j ：一 、l o ；飘 1 导流头2 流速仪3y 射线放射源4y 射线辐射输出器5 机架6 托板 7 河底探测器8 尾翼9y 射线探测器1 0 密封仓l l 木面探测器1 2 计数 轮1 3 霍尔传感器1 4 电动葫芦1 5 支架1 6 磁钢片1 7 自动定标器1 8 中央 测控单元1 9 上位机 图41 自动化监测系统构成图 水下测量单元、水深检测与定位单元、自动定标器以及中央测控甲元实物如图42 和4 3 。 见图4 1 水下测量单元由导流头，流速仪，y 射线放射源，y 射线辐射输出器，机架，托 板，河底探测器，尾翼，y 射线探测器，密封仓，水面探测器组成。水下测昔单元在整个测量系 统中属于前端测奄单元，直接接触被测河流，易受到外界环境的干扰，所以水下测量单元的稳定、 可靠性关系到整个测量系统的稳定、可靠性。同时水f 测量单元的测量精度也决定了整个测量系 统的测量精度，所以前端测量单元在整个测量系统中起着至关重要的作用。 水深检测定位单元由计数轮，霍尔传感器，电动葫芦，支架，磁钢片组成。此单元在整个测 量系统的作用是可实时检测水下测量单元在河流中的值置信息并传送给工控机分析处理，工控机 根据测量的需要发出相应的定位控制信号，水深检测定位单元接收到信号后执行动作，控制水f 中国农业大学碗士硷文 第四章y 射线河流泥沙禽萤驶流速山动化蠊洲系统 测量单元完成测量任务。 白动定标器在整个测量系统中的作用是可在1 控机n 0 控制f ，将y 射线探洲j 器输出f 馍拟信 号实时的转换成数字信号，并实时的传送给i 控机分析处理、显示。 中央测控单元是整个测量系统的控制- h 0 ，由p c i 0 4t 控机及其接u 电路构成。它接收来自 水f 测量单元传送来的泥沙浓度信息，流速信息以及水深检测定位甲元传送来的位置f j 息，并 将这些信息分析处理，存储、显示以及上传给上位数据管理单元，同时根据洲董的需要发送控制 信号给水下测量单元、水深检测定位睁元、数据采集单元，协调有序的完成测嚣任务。 上位机数据管理单元由p c 机构成，它实时接收来自t = 控机的数据f ：将其存入数据库。上 位机数据管理单元还对数据进行统计分析，变化趋势图形显示。e 位机还可与连接互联网实现数 据共享。 图42 水下测量单元和水深检测与定位单元实物图 尘里窒些查茎堡圭兰兰：薹矍耋：! ! 堡兰垫堡竺童兰垒鎏堡! 垫些丝型垂垒 4 1 2 系统工作原理 图43 中央测控单元及自动定标器实物图 图44 自动化监测系统工作原理框图 如图4 4 ，系统上电进入待机状态，若系统设定为手动模式，系统在人为的操纵下t 完成监测 中国农业大学硕卜论文 第四章y 射线河流泥沙含量及流速自动化监测系统 任务：若系统设定为全自动监测模式，p c i 0 4 ：控机在接收到水面探澳4 器的信号后( 水下测芾单元 初始位置为地面某参照物，此位置设为零传，它也是水深的零位) ，记r 水面的位置同时进入 监测过程。首先p c i 0 4 工控机控制电动葫芦正向转动，水下测带单元缓慢下行同时带动计数轮 转动，计数轮上的磁钢也随之转动，磁钢在计数轮上周向布置，磁钢在转动过程中每与霍尔传感 器正对一次，霍尔传感器就输出一个脉冲信号，p c i 0 4t 控机不断的对脉冲数计数同时根据脉冲 数和水深算法计算水深，直至水卜测量单元到达设定水深，控制电动葫芦停止转动。在此深度的 测点上，水下测量单元将进行泥沙含量和流速的同步采集。具体过程为流动的古沙水流从y 射线 输出器和通用闪烁探头之间通过，于是从y 发射出来的伽马射线透过含沙水流衰减，衰减后的y 射线为通用闪烁探头所探测。通用闪烁撮头将探测到的y 射线转换成模拟电信号输出。此模拟电 信号通过传输线送到自动定标器，自动定标器将其转换成数字信号输出到p c i 0 4t 控机。p c i 0 4 工控机根据接收到的数字信号和泥沙含量算法计算泥沙含量并储存。与此同时含沙水流以一定速 度流过流速仪的时候，带动旋浆转动，流速仪输出脉冲信号，此信号通过传输线送到p c i 0 4 工控 机，丁控机对此脉冲信号进行计数，然后根据计数结果和流速算法计算流速并储存。丁控机会在 此深度上不断的采集泥沙含量和流速，直至达到设定的采样时间。此深度的测量任务完成后，工 控机会控制水深检测和定位单元将水下测量单元定位到下一设定深度，继续进行泥沙含量和流速 的数据采集。如果水下测量单元在下行的过程中，接触到河底，河底接触器会输出一个脉冲信号 至t 控机，工控机在接收到此信号后，立即向电动葫芦发出停止转动的命令，这样就避免，由于 水f 测量单元长期滞留河底而造成的水深测量误筹和系统故障的发生。如此循环往复，p c i 0 4 工 控机就可以实时、在线动态监测河流泥沙含量及流速的动态变化，并实时显示。 4 2 水下测量单元 水下测量单元的外形结构如下图4 15 。 1 导流头2 流速仪3 v 射线放射源4y 射线辐射输出器5 机架 6 托板7 河底探测器8 尾翼9y 射线探测器1 0 密封仓1 l 水面探 图45 水下测量单元构成示意图 2 4 中国农业大学硕土论文第四章y 射线河流泥沙含量