水文信息学第六章-泥沙测验

第一节 泥沙运动及其分布 一、 河流泥沙的运动及分类 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、 悬移质输沙率测验 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：
Qs
B
0

d
0
Csdydx
Qs qi C si
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。
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 全断面混合法 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。
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。
2 测沙垂线的布置
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。
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。
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 KC s L / D （6-5） 0 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，
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 Ws 重量代替质量，其公式为 Cs (6-1) V 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) Q Qc s
二、 河流泥沙的脉动现象 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。
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。
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。
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2.5 kg／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。
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。
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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。
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。
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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。
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