水文信息学第六章-泥沙测验

第六章泥沙测验天然河流挟带的泥沙，直接影响河道的演变，也影响着人类的发展。世界上很多河流挟带的泥沙，形成的冲积平原、河谷和河口地区的三角洲大多是工农业发达地区；同时，河床泥沙也可作为自然资源加以利用，例如，可以改良土壤和作为建筑材料等。但河流泥沙也给人类带来了一定的问题，例如，泥沙在河渠、湖泊和水库等淤积，常给防洪、发电和航运等造成困难；河床冲刷、水土流失会使生态失去平衡。为达到兴利除害、解决泥沙问题，必须系统地掌握河道泥沙信息，掌握时空变化规律，因此，进行泥沙测验是十分必要的。第一节泥沙运动及其分布一、河流向下游输送的不同颗粒大小的泥沙总称为全沙。按照泥沙的运动方式，全沙可分成悬移质和推移质。悬移质是指悬浮于水中，与水流基本相同的速度运动的泥沙；推移质是指在河床上以滚动、滑动或跳跃的方式运动的泥沙。(河床质)按照河流泥沙的来源，全沙又可分为冲泻质和床沙质。冲泻质是指悬移质中不参与造床作用的那部分泥沙，来源于径流对流域表面的浸蚀；床沙质是指全沙中参与造床作用的那部分泥沙，主要来源于床沙。二、天然河流的水流一般都是紊流。水流中任一点的流速、流向和含沙量都是随时变化的，悬移质的运动也是随时变化的，这种情况构成了泥沙的脉动现象。河流泥沙脉动强度与流速脉动强度及泥沙特性等因素有关，并且大于流速脉动强度。泥沙脉动是影响泥沙测验资料精度的一个因素，在进行泥沙测验及其仪器的设计和制造时，必须充分考虑。三、悬移质泥沙的断面分布悬移质含沙量在垂线上的分布，一般是自水面向河底逐渐增加，近河底处含沙量最大。垂线上含沙量分布的特征与泥沙的脉动及泥沙的自重影响是相应的。垂线含沙量的分布还随着泥沙颗粒大小的不同而变化。底部的粗沙较上层多，且粗沙的垂直分布不均匀，而泥沙愈细，垂直分布就愈趋均匀。悬移质含沙量沿断面的横向分布，受河流特性（如河道情势、横断面形状等）、泥沙特性和水力条件等因素的影响而变化。单式断面上如河道顺直、水深较大，则含沙量横向分布比较均匀。在复式断面上或有分流漫滩、水深较浅、冲淤频繁的断面上，含沙量的横向分布将随流速及水深的横向变化而变化。由于岸边流速趋近于零，而含沙量却不趋近于零，所以，含沙量的横向分布变化较流速横向分布相对变化小。河流的悬移质泥沙颗粒越细，含沙量的横向分布就越均匀。第二节悬移质泥沙测验河流中悬移质泥沙的多少及其变化规律是通过测定水流中悬沙的浓度（即含沙量）来确定的。所谓含沙量是指单位体积浑水中所含悬移质干沙的质量，实际应用时，不考虑各地区重力加速度的差异，以重量代替质量，其公式为(6-1)单位时间内通过河渠某一测验断面的悬移质干沙的质量，称断面悬移质输沙率。断面悬移质输沙率是断面流量和断面平均含沙量之积，即(6-2)VWCsssscQQ悬移质泥沙测验的目的在于测得通过河流测验断面的悬移质输沙率及其变化过程。由于输沙率随时变化，以目前的技术水平要直接施测其连续的变化过程是困难的。我国绝大部分测站的实测资料分析表明，一般河流断面平均含沙量与断面上有代表性的垂线或测点的含沙量（即单样含沙量，简称单沙）存在着较好的相关关系。施测断面输沙率的工作量大，而取单沙较简单。可用施测单沙以控制河流的含沙量随时间变化过程，以较精确的方法在全年施测一定数量的不同沙情、水情的断面输沙率，建立相应的单沙断沙关系，由单沙过程资料推求断沙过程资料。悬移质泥沙测验的主要内容除了测定流量外，还必须测定水流含沙量，水流含沙量测验包括断面平均含沙量(或断面输沙率)测验和单沙测验。一、悬移质泥沙测验仪器1瞬时式采样器2瓶式采样器3调压积时式采样器4光电测沙仪当用一稳定的光源透射含沙量为、厚度为L的含沙浑水层时，由于产生吸收、反射和散射的作用，使透射光强度减弱，其关系可用指数公式表示为（6-5）透射光强I用光电池或光导管的光电效应中反映和测定。测定含沙量前，预先检定出水样的含沙量和光电流之间的关系曲线（或公式）。因此，施测时只要根据测得的光电流数值即可通过率定曲线求得水流的含沙量。光电测沙仪用于野外现场测定含沙量，可省掉取水样和水样处理工作，同时有可能连续自记的优点。泥沙颗粒级配和泥沙颜色的影响，浑水水样的浑浊度与含沙量的关系不稳定。含沙量较小时使用。DLKCseII/05振动式测沙仪振动式测沙仪就是根据不同密度液体通过振动管时，振动频率会根据密度的不同而发生变化的原理，通过振动、传感、换算等工作流程而获取实时泥沙数据。但是，试验人员又面临两难境地，按设计原理，振动管越长、越大，越能使液体密度测验更精确，但是在黄河之上，高含沙水流通过太长的振动管时，就会发生沉淀，反而影响测沙效果。这也是过去振动式测沙设备未能在黄河泥沙测验工作中取得突破的制约因素。历经无数次的试验表明，只要把研究的主要精力盯在缩小探头结构（振动管）上，就可能在振动式测沙仪研究工作上求取突破。---含沙量较大时使用。6超声波测流方法超声波法分为超声波反射法和超声波衰减法。前者根据超声波的反射量与沙粒的多少呈正比例关系，从而测定含沙量。后者考虑泥沙颗粒对超声波的散射、吸收和超声波自身的扩散因素，利用传感器检测其能量的衰减，来计算含沙量。超声波反射法对于低含沙量水流较敏感，测量精度较高，只是测量范围较窄，在０～3kg／m3之间。陈彦华等研制的含沙量垂线分布测试系统，依据声波在泥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程度不同测量含沙量，该仪器可在低含沙量水流(含沙量在2.5kg／m3以下)中对水面下20cm范围内含沙量及其分布进行快速测量，并可图形显示测量结果。超声波衰减法利用声波在泥水中传播时声波大小受到衰减的原理，通过接收换能器将衰减后的超声波转化为电信号，再经放大处理后得到随含沙量变化的模拟电信号，依据其与含沙量间的关系来测量含沙量。在线测量仪器总结：虽然振动法、超声波法、光电测沙法依据的测量原理各有不同，仪器设备也千差万别，但其都将不同程度的受到水流中泥沙运动情况、泥沙特性及其粒径组成的影响，而使含沙量的测量结果存在一定的局限性，要精确测量径流中的含沙量还需要进一步加以改进。相比较而言，在现有测量方法中，烘干法、比重法和γ射线法是目前测量精度较高，应用较广泛的含沙量测量方法。二、悬移质输沙率测验的目的在于用较精确的方法测定单位时间内通过测验断面的悬移质泥沙干沙的重量，据以计算断面平均含沙量。因悬移质泥沙和水流运动速度基本相同，考虑含沙量在断面上的变化，悬移质输沙率可用下列公式表示：BdssdydxCQ00siisCqQ1输沙率测验的内容和测次1）观测水位、比降，按流量测验的方法在各测速垂线上施测水深、起点距和流速；（测量流量）2）各测沙垂线上采取水样，如所取水样兼作颗粒分析时，（测量含沙量）3）单沙垂线上采取相应单沙水样。（建立单断沙关系）一年内施测输沙率的测次，应根据全年水情和沙情的变化安排，主要布置在洪水期，平、枯水期少些，含沙量很小时可以不测。全年输沙率的测验次数以能满足建立推算输沙率用的关系曲线为原则。应用单沙、断沙关系推算全年输沙率过程资料的测站，通常在全年约测20次左右的输沙率。当单、断沙关系随洪水涨落有显著变化或用其他方法推求输沙率过程资料时，测次应以能控制流量和含沙量的主要转折变化为宜。2悬移质含沙量在断面上的分布是不均匀的，因此，输沙率测验所需要的测沙垂线数目和位置，一般在断面上大致均匀分布的基础上，主流应较岸边为密，以能控制含沙量横向分布的转折变化，同时由实测资料结合输沙率测验所需要的精度确定垂线的数目。布设测沙垂线的具体方法主要有三种。1）等水面宽中心线法，即均匀布线法。2）等流量中心线法。对断面冲淤变化大、主流不稳定的测站，宜用等流量中心线法布设测沙垂线，且便于使用全断面混合法测输沙率。3）固定垂线法。对于主流稳定、河床冲淤变化小的测站，测沙垂线和一部分测速垂线位置相同，可随流速垂线固定。我国大部分水文站系按固定垂线布设测沙垂线。3垂线含沙量的测验方法1）积点法：在垂线上不同测点位置采取水样，分别处理。取样测点数及各测点相对水深位置按水深及仪器悬吊方法而定。和测速相同，畅流期有五点法、三点法、二点法和一点法；封冻期有六点法、二点法和一点法。开始进行输沙率测验的测站，宜用多点法，以便为简化取样方法的分析积累资料。用多点法不仅可以测得断面上含沙量的变化，且便于对各测点的沙样进行颗粒分析。2）积深法：用积时式采样器在垂线上匀速提放，采取整个垂线上的水样。若采样器进口流速系数接近于1.0的稳定值时，采样器取得的水样处理后的含沙量可以代表垂线上的平均含沙量。取样时可以匀速下放，再匀速提出水面双程取样，也可以用开关控制以匀速单程取样。但无论何种方法取样，采样器内的水样均不得装满。积深法取水样的方法简单，垂线平均含沙量代表性好。但积深法不能测得含沙量和颗粒级配在垂线上的变化，只能测得各垂线的平均含沙量和平均颗粒级配。3）混合法：在垂线上不同测点位置按一定容积比例取样，混合处理求垂线平均含沙量。有定比混合法，如畅流期的2:1:1三点法（0.2、0.6、0.8水深）和1:1二点法（0.2、0.8水深），还有按测点流速比例取样的流速比混合法等。使用混合法取样，一般须在垂线上用多点法取样，进行垂线含沙量分析后使用。混合法方法简单，处理水样工作量小。此法也只能测得各垂线的平均含沙量和平均颗粒级配。4相应单样含沙量测验(类似相应水位)拟建立单沙断沙关系，由单沙过程资料推求断沙或输沙率过程资料的测站，在施测输沙率的同时，应在单沙测验位置测得和输沙率相应的含沙量，称相应单样含沙量。相应单样含沙量必须有足够的代表性和精度。取样次数决定于一次输沙率测验过程中含沙量的变化。一般在输沙率测验开始和终了各取一次单样水样。含沙量变化复杂时，适当增加取样次数。取样方法与平时单沙测验相同。5当洪水期、流冰期测速与取水样同时进行有困难或枯水期含沙量很小时，可使用全断面混合法进行输沙率测验。要求各测沙垂线所代表的部分流量应大致相等。每条垂线取相同容积水样，以混合水样的含沙量代表全断面平均含沙量。全断面混合法输沙率测验的取样垂线不固定，可按“等流量中心线法”布设。三、悬移质单样含沙量测验悬移质单沙测验，是在测验断面上能反映全断面含沙量及其随时间变化的位置上经常进行的含沙量测验。目的在于以简化的外业工作测得含沙量的变化过程并利用单沙断沙关系推求断沙变化过程及各种悬移质特征值。单沙的测次，以能控制含沙量随时间的变化过程为原则。平水时，一般在每日基本水位定时观测时取样一次；含沙量变化很小时，可5～10天取样一次；洪水期，则根据含沙量变化增加测次。为了及时了解含沙量的变化，可用比色法、简易比重计法等方法进行自测和估测以掌握测验时间。取样位置系通过输沙率资料分析选定。所选位置测得的单沙应能在较长时期内和断沙有较好关系，且取样方便。垂线上取单样水样的方法，一般用定比混合法或积深法，水浅时用一点法（0.5或0.6相对水深）。如经实测资料分析，一点法（水面或0.2、0.5、0.6相对水深）测得的单沙与断沙关系好，不论水深大小均用一点法。用瞬时式采样器取样时，为消除脉动影响，每次单沙取样次数应不少于2～4次（一点多次或多点一次）。如有30次以上试验资料证明，75%以上测次的一次脉动误差小于±5%时，可只取一次，以尽量减少测验工作。四、用悬移质采样器取水样后，应及时量取水样容积，将水样进行处理，称出干沙重，以便计算含沙量。水样处理的方法有以下几种。（1）焙干法。（2）过滤法。（3）置换法。把经过量积沉淀浓缩的水样装入比重瓶，用澄清的河水加满（或装到一定刻度），称出瓶和浑水重，则水样中的干沙重为)()(wwswwswsssWWK置换法处理水样前，应事先对比重瓶加以检定，求出各种水温T条件下的，绘出T—关系曲线以备查用。本法可省去过滤、烘干等工作，水样经浓缩后可立即称出沙重，既快又省。若沙样要进行颗粒分析，用置换法能保持天然水样。但受沙样浓度的限制，只适用于含沙量较大的河流；若用于含沙量小此外，还可使用光电测沙仪处理水样，所需水样少，效率高，宜于处理大量水样。但泥沙颗粒级