水文测验学（第四章）

水文测验Hydrometry第四章泥沙测验（RiverSedimentMeasurement）内容提纲①河流泥沙②悬移质泥沙测验③推移质及河床质泥沙测验④泥沙颗粒分析目标一：理解掌握悬移质泥沙测验目标二：理解掌握泥沙颗粒分析教学目标难点一：悬移质泥沙测验方法难点二：泥沙颗粒分析方法学习难点第四章泥沙测验（RiverSedimentMeasurement）第一节河流泥沙（RiverSediment）一、泥沙测验的意义泥沙的危害：①淤积河道，使得河床逐年抬高，造成河流泛滥。②造成河道游荡③形成地上“悬河”泥沙的危害：④造成水库淤积，降低防洪、灌溉能力⑤磨损水力机械泥沙的用处：①粗颗粒是良好的建筑材料；细颗粒泥沙进行灌溉，可以改良土壤，使盐碱沙荒变为良田。②引黄河泥沙充填采煤沉陷区；③用黄河泥沙制砖泥沙测验的意义①了解泥沙的特性、来源、数量及其时空变化。②提供可靠的依据。二、河流泥沙分类从泥沙测验方面来讲，主要考虑从在河床上的位置和泥沙的运动形式来进行分类。第一节河流泥沙（RiverSediment）悬移质：悬浮于水中，随水流一起运动的泥沙。推移质：在河床表面，以滑动、滚动或跳跃形式前进的泥沙。河床质：组成河床活动层处于相对静止的泥沙。注意：①泥沙运动受到本身特性和水力条件的影响，各种泥沙之间没有严格的界限。②当流速小时，悬移质中一部分粗颗粒可能沉积下来成为推移质或河床质。③当流速大时，推移质或河床质中的一部分在水流的作用下悬浮起来起成为悬移质。河流泥沙测验的内容—悬移质、推移质的数量和颗粒级配，以及河床质的颗粒级配。三、河流泥沙的脉动现象第一节河流泥沙（RiverSediment）河流泥沙脉动：水流稳定情况下，断面内某一点的含沙量随时间的变化，不仅受流速脉动的影响，还与泥沙特性有关。用横式（属于瞬时式）采样器测得的含沙量有明显的脉动现象，变化过程呈锯齿形。而真空抽气式（属积时式）采样器，变动不太大，长时间的平均值却稳定在某一数值上，即时均值是一个定值。四、悬移质泥沙在断面内的分布第一节河流泥沙（RiverSediment）悬移质含沙量在垂线上的分布特征：①从水面向河底呈递增趋势。悬移质含沙量在垂线上的分布特征：②含沙量的变化梯度还随泥沙颗粒粗细的不同而不同。颗粒越粗，变化越大，颗粒越细其梯度变化越小。悬移质含沙量沿断面的横向分布特征（河道情势、横断面形状和泥沙特性）：①河道顺直的单式断面，水深较大，含沙量横向分布比较均匀。②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。③河流的悬移质泥沙颗粒越细，含沙量的横向分布越均匀。第二节悬移质泥沙测验（SuspendedSedimentTest）一、泥沙测验术语1.含沙量C（g/m3，kg/m3）C=W/V单位体积水样中所含干沙的重量。2.全沙输沙量S（kg，t）S=Ws+Wb=（Qs+Qb）tWs为某一时段内通过测验断面的悬移质输沙干沙重量；Wb为某一时段内通过测验断面的推移质输沙干沙重量；3.悬移质含沙量Cs（g/m3，kg/m3）Cs=Ws/V单位体积水样中所含悬移质干沙的重量。4、输沙率Qs、Qb（kg/s）sscQQ单位时间内通过河流某一横断面的悬移质/推移质的干沙重量，称为悬移质输沙率Qs/推移质输沙率Qb5、断沙（kg/m3）SC悬移质断面平均含沙量7、侵蚀模数Ms[t/(km2▪a)6、单样含沙量（单沙）流域内单位面积上每年的输沙总量断面上有代表性的垂线或测点的悬移质含沙量二、悬移质泥沙测验仪器及使用第二节悬移质泥沙测验（SuspendedSedimentTest）（一）常用采样器横式采样器属于瞬时采样器，器身为圆管，容积500～3000ml，两端有筒盖，取样时张开两盖，将采样器下放至测点位置，水样自然的从筒内流过，操纵开关关闭桶盖。缺点：①不能克服泥沙的脉动影响；②取样时，严重干扰天然水流；③采样器关闭时口门击闭影响水流；④器壁粘沙。取样测点要求：输沙率测验时，因断面内测沙点较多，脉动影响相互可以抵消，每个测沙点只需取一个水样。在取单位水样含沙量时，采用多点一次或一点多次的方法。普通瓶式采样器由容积为500～2000ml的玻璃瓶制成，瓶口加有橡皮塞，塞上装有进水管和排气管，调整进水管和排气管出口的高差ΔH，选用粗细不同进水管和排气管，可以调整进口流速。瓶式采样器结构简单，操作方便，属于积时式的范畴，可以减少含沙量的脉动影响。调压积时式采样器：该仪器用全断面混合法一次完成悬移质泥沙的断面平均含沙量测验。仪器的结构主要有铅鱼体、调压舱、取样舱、排气管、控制舱和尾翼等部分组成。皮囊积时式采样器：借助皮囊容器的柔性传导和调整仪器内压力与仪器外静水压力使其平衡。取样时，水样在动水作用下可通过管道注入皮囊中。特点：该仪器结构简单，操作方便，能克服脉动影响，不干扰天然水流，进口流速接近天然流速适用条件：高流速、大含沙量和不同水深条件下的积点法、垂线混合法和积深法取样。同位素测沙仪：利用γ射线穿过水样时，强度将发生衰减的原理制成。其衰减程度与水样中含沙量的大小有关，可利用γ射线衰减的强度反求含沙量。三、悬移质输沙率测验第二节悬移质泥沙测验（SuspendedSedimentTest）（一）输沙率测验的工作内容①测定单位时间内通过测验断面的悬移质泥沙干沙的重量；②据以计算断面平均含沙量；③建立单沙和断沙之间的关系。断面上某一测点的含沙量断面上测点的流速两者乘积为测点输沙率过水断面内悬移质输沙率悬移质输沙率的理论值实际测验中采用有限差的形式计算把过水断面划分成许多小块，在每块面积上测速、测沙，各小块输沙率之和即为断面输沙率。悬移质泥沙测验方法直接测量法：在一个测点上，用一个仪器直接测得时段平均悬移质输沙率。要求水流不受扰动，仪器进口流速等于或接近天然流速。间接测量法：在一个测点上，分别用两个仪器几乎同时进行时段平均含沙量和时段平均流速的测量，两者乘积得测点输沙率。悬移质输沙率测次要求①输沙率的测量应主要在洪水期，平、枯水期少些。②采用断面平均含沙量过程线法进行资料整编时，每次较大洪峰的测次不应少于5次，平、枯水期，一类站每月5-10次，二、三类站每月测3-5次③采用流量输沙率关系曲线法整编资料时，年测次分布应能控制各主要洪峰变化过程，平、枯水期分布少量测次。测沙垂线的布置①根据含沙量横向分布的规律布设，其分布应大致均匀，中泓密，两边疏，以能控制含沙量横向变化，正确测定断面输沙率为原则。②测沙垂线数目，一般应根据试验资料分析确定，一类站不少于10条，二类站不少于7条，三类站不少于3条。垂线上取样方法垂线上取样目的—推求垂线平均含沙量和分析研究含沙量沿垂线的分布规律。取样方法：选点法、积深法和垂线混合法三种。选点法：畅流期—五点法、三点法、二点法和一点法；封冻期—六点法、二点法和一点法。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，求得垂线平均含沙量。优点：方法简单，垂线平均含沙量代表性好。缺点：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。垂线混合法：在测沙垂线的有关测点上，按规定的要求分别取样，混合成一个水样，处理后的含沙量即为垂线平均含沙量。优点：混合法方法简单，处理水样工作量小。缺点：只能测得各垂线的平均含沙量和平均颗粒级配。第二节悬移质泥沙测验（SuspendedSedimentTest）四、全断面混合法全断面混合法：在断面上按一定的规则测取若干个水样，混在一起处理求得含沙量，作为断面平均含沙量。断面平均含沙量，再乘以取样时相应的流量，求得断面输沙率。断面平均含沙量施测方法：①等部分流量等取样容积全断面混合法、②等水面宽等速积深全断面混合法、③面积加权全断面混合法①等部分流量等取样容积全断面混合法原理：将断面流量分成若干个大致相等的部分，在每个部分流量的中间位置布设测沙垂线，测取水样。应用条件：①断面内每条测沙垂线所代表的部分流量，彼此应大致相等；②每条测沙垂线所取水样容积应大致相等。②等水面宽等速积深全断面混合法步骤：等分河面宽，各测沙垂线位于各部分宽的中间；用积深法双程取样，采样器在各垂线的提放速度应相等；仪器的进口流速应等于天然流速；混合测定总沙重和容积，计算断面平均含沙量。③面积加权全断面混合法该方法分为等部分面积和不等部分面积两种。等部分面积法是按等部分面积中心线，在每条垂线上用同一种方法取样，每条垂线取样历时相等，仪器进水管嘴不变，水样混合处理，即得断面平均含沙量。不等部分面积法是按部分面积的权重系数（即部分面积和总面积的比值）来分配各垂线的取样历时。各垂线按分配的取样历时，再由采用的垂线混合法，确定各测点的取样历时，全断面取得的水样混合处理，即得断面平均含沙量。五、水样处理第二节悬移质泥沙测验（SuspendedSedimentTest）（一）泥沙水样处理要求水样处理是通过量积、沉淀、称重等工序，求得含沙量的过程。Cs=Ws/V水样中干沙质量水样处理要求：量积：为了避免水样蒸发、散失，现场量积；读数误差不得大于水样容积的1%；所取水样全部参加处理。水样沉淀、浓缩与称重：水样经过一定时间的沉淀后，吸出上部清水。水样浓缩时间，应根据试验确定，不得少于24h。（二）沙样处理方法常用处理方法：烘干法、过滤法、置换法烘干法：将浓缩后的水样，倒入烘杯，放入烘箱内进行烘干。冷却后，用天平称出烘杯加泥沙的重量，再减去烘杯重量，即得干沙重量。此法处理水样精度较高。烘干过程：用少量的清水将浓缩水样全部冲入烘杯，在100-110摄氏度下烘至恒重。过滤法：含沙量较大，烘杯装不下浓缩水样时，可用过滤法处理。先过滤，后续工序与烘干法相同。置换法：将浓缩后水样，装入比重瓶内称重，量取比重瓶内水温，可依据公式计算沙重。用置换法处理水样，需事先对比重瓶进行检定，求出各个比重瓶的不同温度下的瓶加清水重，绘制各个比重瓶的工作曲线，以备查用。六、实测悬移质输沙率计算第二节悬移质泥沙测验（SuspendedSedimentTest）步骤（一）垂线平均含沙量的计算用积深法或垂线混合法取样，经处理直接得到垂线平均含沙量。用逐点法取样，需用算术平均法或面积包围法计算垂线平均含沙量。1、畅流期6.01ssmCC8.02.08.02.0sssmqqC8.06.02.08.06.02.0ssssmqqqC一点法二点法三点法五点法)233(1010.18.06.02.00.0sssssmsmqqqqqC取样点的含沙量2、封冻期一点法85.015.085.015.0sssmqqC二点法)2222(1010.18.06.04.02.00.0ssssssmsmqqqqqqC六点法5.02ssmCC习题依据下表所给资料，计算畅流期垂线平均含沙量。相对位置0.00.20.60.81.0点流速（m/s）1.251.200.950.750.55点含沙量（kg/m3）1.001.502.002.503.50（二）断面输沙率和断面平均含沙量的计算计算步骤①垂线平均含沙量确定；②计算垂线间部分平均含沙量和部分流量；③计算部分输沙率（以测沙垂线为边界）；④计算断面输沙率、断面平均含沙量。部分平均含沙量计算①岸边部分以第1根和最后1根测沙垂线的垂线平均含沙量代替②其余部分采用两测沙垂线的算术平均值部分流量计算以测沙垂线为分界，累积各部分流量之和。部分输沙率计算=部分平均含沙量×部分流量断面输沙率为各部分输沙率的和断面平均含沙量=断面输沙率/断面流量第三节推移质泥沙测验（TractionLoadSedimentTest）一、推移质泥沙测验的作用、工作内容作用：①推移质泥沙颗粒较粗，常常淤塞水库、灌渠及河道，对水利工程的管理运用、防洪航运等影响很大。②研究和掌握推移质运动规律，为修建港口、保护河道、兴建水利工程、大型水库闸坝设计、管理等提供依据。工作内容①在各垂线上采取推移质沙样。②确定推移质移动地带的边界。③采取单位推移质水样。④进行各项附属项目的观测，包括取样垂线的平均流速，取样处的底