河流泥沙测验方法.docx

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河流泥沙测验方法

河流泥沙测验方法

河流泥沙测验方法

河流中的泥沙，按其运动形式可分三类：

悬移质泥沙浮于水中并随之运动；推移质泥沙受水流冲击沿河底移动或滚动；河床质泥沙则相对静止而停留在河床上。

三者没有严格的界线，随水流条件的变化而相互转化。

一般情况，河流中泥沙以悬移质为主。

描述河流中悬移质的情况，常用的两个定量指标是含沙量和输沙率。

单位体积内所含干沙的质量，称为含沙量，用Cs表示，单位为kg/m3。

单位时间流过河流某断面的干沙质量，称为输沙率，以Qs表示，单位为kg/s。

断面输沙率是通过断面上含沙量测验配合断面流量测量来推求的。

（一）含沙量的测量

含沙量测验，一般需要采样器从水流中采取水样。

我国目前使用较多的采样器有横式采样器和瓶式采样器。

不论用何种方式取得的水样，都要经过量积、沉淀、过滤、烘干、称重等手续，才能得出一定体积浑水中的干沙重量。

水样的含沙量可按式计算：

式中 ：

Cs  ---  水样含沙量，g/L或kg/m3；

Ws  --- 水样中的干沙重量，g或kg；

V   --- 水样体积，L或m3；

（二）输沙率测验

输沙率测验是由含沙量测定与流量测验两部分工作组成的。

为了测出含沙量在断面上的变化情况，由于断面内各点含沙量不同，因此输沙率测验和流量测验相似，需在断面上布置适当数量的取样垂线，通过测定各垂线测点流速及含沙量，计算垂线平均流速及垂线平均含沙量，然后计算部分流量及部分输沙率。

对于取样垂线的数目，当河宽大于50m时，取样垂线不少于5条；水面宽小于50m时，取样垂线不应少于3条。

垂线上测点的分布，视水深大小以及要求的精度而不同。

（三）悬移质输沙量的计算

人们从不断的实践中发现，当断面比较稳定、主流摆动不大时，断面平均含沙量（简称断沙）与断面某一垂线或某一测点的含沙量（简称单沙）之间有稳定关系。

通过多次实测资料的分析，建立其相关关系。

这样经常性的泥沙取样工作可只在此选定的垂线（或其上的一个测点）上进行，便大大地简化了测验工作。

根据多次实测的断面平均含沙量和单样含沙量的成果，以单沙为纵坐标，以相应断沙为横坐标，点绘单沙与断沙的关系点，并通过点群中心绘出单沙与断沙的关系线。

利用绘制的单沙断沙关系，可进一步计算日平均输沙率、年平均输沙率及年输沙量等。

推移质输沙率是指单位时间内通过测验断面的推移质泥沙重量，单位为kg/s。

推移质取样的方法，是将采样器放到河底直接采集推移质沙样。

由于推移质粒径不同，推移质采样器分为沙质和卵石两类。

沙质推移质采样器适用于平原河流，我国自制的这类仪器有黄河59型和长江大型推移质采样器。

卵石推移质采样器通常用来施测1.0～30cm粗粒径推移质，主要采用网式采样器，有软底网式和硬底网式两种。

泥沙测验。

水文测验项目之一。

泛指流域和水体中泥沙随水流运动的形式、数量及其演变过程的观察和测量。

通常指河流的悬移质输沙率、推移质输沙率、河床质测定以及泥沙颗粒级配的分析。

在河流上修建水库，要考虑泥沙淤积情况来确定水库的使用寿命；河道的整治、堤防的修建、航道的治理，都需要研究河流泥沙运动规律；灌溉引水工程需要考虑入渠泥沙量大小和渠道不被冲淤的水力条件；水土保持工程需要研究流域产沙过程等。

泥沙测验在人类经济活动的许多方面有重要意义。

悬移质输沙率测验　悬浮在水中随水流移动的泥沙称悬移质。

测验内容包括断面输沙率测验和单位水样含沙量（简称单沙）测验。

断面输沙率是指单位时间内通过河渠某一断面的悬移质沙量，以吨/秒或公斤/秒计。

单位水样含沙量是指断面上有代表性的垂线或测点的含沙量（见河流泥沙）。

断面输沙率的测验是为了准确推求断面平均含沙量，测验时根据泥沙在横向分布变化情况，布设若干条垂线。

取样方法有：

在每条垂线的不同测点上,逐点取样,称积点法；各点按一定容积比例取样，并予混合称定比混合法；各点按其流速比例确定取样容积，并予混合，称流速比混合法；用瓶式或抽气式采样器在垂线上以均匀速度提放,采取整个垂线上的水样,称积深法等。

可根据水情、水深和测验设备条件合理选用。

断面输沙率测验须与流量测验同时进行，需要进行颗粒分析的测次，同时加测水温。

由于断面输沙率测验工作量大，费时较多，不可能把断面输沙率变化的每一个转折点都实地测到，更不能在泥沙变化大时逐时实测。

因此，运用实测断面输沙率与测定单位水样含沙量两者相结合的方法,即在测得的断面输沙率资料中，选取1条或2～3条垂线的平均含沙量同断面平均含沙量建立稳定对应关系；这样,只要在此选定的1条或2～3条垂线的位置上测取水样，求得此单位水样含沙量后，通过上述稳定的对应关系,即可求得断面平均含沙量,并与相对应的时段平均流量相乘,即得该时段的平均输沙率,然后乘上所经的历时并累积相加，即得各种时段如日、月、年等的输沙量。

由于现有悬移质泥沙采样器不能测到临近河底的沙样，因此实测悬移质输沙率不能代表真实值，必须通过实测资料的试验与分析计算,改正实测悬移质输沙率,以便得到比较符合实际的数值。

推移质输沙率测验　沿河床面滚动、移动和跳跃的沙砾称推移质；单位时间内通过河渠某一断面的推移质沙量称推移质输沙率,以公斤/秒计。

推移质测验的目的，一是提供实测推移质输沙率资料,直接推求总输沙率;二是研究推移质运动规律和输沙率计算方法，为推求总输沙率提供合理方法。

直接进行推移质输沙率测验的方法有：

①器测法，是将推移质采样器直接放在床面上采集推移质样品，这种方法应用较广。

②坑测法，是在河床上设置测坑,测定推移质,只在特殊需要时采用。

推移质输沙率的测次，随着河床组成性质不同而异。

床沙粒径小于2毫米的沙质河床,由于沙质推移质输沙率与水力因素存在密切关系,测次少些；床沙粒径大于2毫米的砾石、卵石河床，因水力因素与推移质输沙率的关系往往不密切，测次一般按水位或流量变化过程而定。

推移质输沙率测验垂线数量要反映推移质输沙率的横向变化。

在强烈推移带，垂线加密。

每条垂线上重复取样2～3次，以消除推移质的脉动影响。

用器测法施测推移质，由于仪器放到床面后，改变了床面的水流结构，因而测验成果不能完全反映实际情况，必须进行修正。

推移质输沙率与流速的高次方成比例，因此它的沿程变化剧烈。

相邻河段，如果断面流速不同，两者的推移质输沙率相差十分悬殊。

因此，河流推移质输沙率资料，只在某些重点测站上通过直接测验加以收集。

河床质测验　指河床质（床沙）的取样和颗粒分析。

河床质资料可用来研究河流造床泥沙的横向和沿程分布，河床的冲淤变化和估算河床糙率等；根据河床质的组成，还可分析泥沙的来源。

河床质取样方法按河床组成的性质不同而异。

在沙质河床，主要用采样器（见泥沙测验仪器）取样。

对于卵石河床，取样方法分表层和表层以下两种。

①表层样品的取样方法有：

网格取样法，即将一网格置于卵石床面，采集恰好位于网格交叉点下的各个卵石作为样品；面上取样法,即在所选取的面积内,采取位于表层的全部卵石作为样品；横断面取样法，即在横断面若干垂线上取样，或顺着河流流向某一平面之下收集全部表层卵石作为样品。

②表层以下样品的采集方法有：

体积法，将一圆桶状的采样器压入卵石河床，然后取出桶内全部样品，如要采集不受扰动的样品，则用冰冻取样法，即将一根管子压入河床，然后注入二氧化碳低温气体，使管子附近的孔隙水冻结，再用绞车将管子连同样品从河床中提起，对于大卵石河床，由于需要采集大量样品，须用挖土机或类似设备挖取。

泥沙颗粒分析　指测定泥沙样品的沙粒粒径和各粒径组的沙量占样品总量的百分比。

分析的方法有：

①直接法，又分尺量法和筛分析法。

尺量法适用于大卵石的粒径测量，筛分析法适用于分析粒径在0.1～100毫米范围内的样品。

②间接法，是通过测定泥沙在水中的沉降速度，再根据沉降速度与泥沙粒径的关系间接推求泥沙粒径。

这类方法又分为：

泥沙样品在盛清水的玻璃管中沉降的粒径计法和目测累积沉降管法，其所适用的沙样粒径范围为0.05～2.0毫米;泥沙样品在混匀悬液中沉降的吸管法；用比重计测定悬浮液中土粒分布的比重计法。

此外，还有消光法和底漏管法等，这些方法适用的沙样粒径范围一般为小于0.05毫米的粉砂和粘粒。

一、泥沙测验的意义：

河流中挟带不同数量的泥沙，泥沙淤积河道。

使河床逐年抬高，容易造成河流的泛滥和游荡，给河道治理带来很大的困难。

黄河因含沙量大，下游泥沙的长期沉积形成了举世闻名的“悬河”；这正是水中含沙量大所制，水库的淤积缩短了工程寿命，降低了工程的防洪、灌溉、发电能力；泥沙还可以加剧水力机械和水工建筑物的磨损，增加维修和工程造价的费用等。

泥沙也有其有利的一面，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；抽水放淤可以加固大堤，从而增强抗洪能力等。

对一个流域或一个地区，为了达到兴利除害的目的，就要了解泥沙的特性、来源、数量及其时空变化，为流域的开发和国民经济建设，提供可靠的依据。

为此，必须开展泥沙测验工作，系统地搜集泥沙资料。

二、河流泥沙的分类

泥沙分类形式很多，这里主要从泥沙测验方面来讲，主要考虑泥沙的运动形式和在河床上的位移。

河流泥沙按其运动形式可分为悬移质、推移质、河床质：

悬移质是指悬浮于水中，随水流一起运动的泥沙；推移质是指在河底床表面，以滑动、滚动或跳跃形式前进的泥沙；河床质是组成河床活动层处于相对静止的泥沙。

河流泥沙按在河床中的位置可分为冲泻质和床沙质：

冲泻质是悬移质泥沙的一部分，它由更小的泥沙颗粒组成，能长期的悬浮于水中而不沉淀，它在水中的数量多少，与水流的挟沙能力无关，只与流域内的来沙条件有关；床沙质是河床质的一部分，与水力条件有关；当流速大时，可以成为推移质和悬移质，当流速小时，沉积不动成为河床质。

因为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。

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。

反之，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。

随着水力条件的不同，它们之间可以相互转化，这也是泥沙治理困难的关键所在。

河流泥沙测验的内容包括悬移质、推移质的数量和颗粒级配，以及河床质的颗粒级配。

我国是一个多沙河流的国家，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、土壤侵蚀研究、水土流失治理等方面，是一个十分重要的问题。

因此，长期以来许多科研工作者在这方面做了大量的研究工作，提出了许多测量方法。

传统上含沙量测量是采用取样称重的方法，取一定体积的具有代表性的样品，经过预处理，然后烘干、称重，即可求知含沙量。

这种方法在很大程度上取决于所取样品的代表性，而且测量周期长、操作过程烦琐、劳动强度大，不能很好地进行实时监测水流的动态过程。

基于传统测量方法的局限性，许多科研工作者做了大量的工作，并提出了众多的方法，比如射线法、超声法、红外线法、振动法、激光法、电容式传感器测量法、人工神经网络的数据融合法等，以下作以概述。

1．射线法[1]：

利用γ（χ）射线测量密度（浓度）和厚度的原理都是建立在介质对γ（χ）射线的吸收或散射的作用上。

在窄束单能γ（χ）射线的条件下，强度I将随着所通过的介质的质量厚度的增加而按指数规律减弱。

当强度为I的γ（χ）射线，穿过厚度为d（即放射源与探头间的距离）的浑水后，射线被浑水所吸收，根据水和沙对γ（χ）射线共同吸收的原理，得试验时，先做出标准曲线，当测得计数率　，就可查标准曲线或计算而得含沙量。

2．红外线法[2]：

红外线跟其他光一样，当通过悬沙水体时，溶质要吸收光能，吸收的数量与吸收介质及深度有关，同时泥沙颗粒要对光进行散射。

当射线进入某一水体，被吸收后，透过光的强度与入射光的强度之间的关系，由朗伯——贝尔定律确定：

3．超声法

3．1　超声衰减法[3]：

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。

对于浑水，引起声波衰减的主要可分为两部分。

过去，在研究悬浮液中的超声吸收时，通常采用改变反射板距离方法（或称移板法）、多次脉冲反射法和比较法来检测超声吸收系数的大小，但这些方法由于种种不稳定的因素，不能保证检测的精度，因此现在采用“面积比值”测量法和检测回波幅度变化测量法，可提高检测精度。

3．2　超声反射法[4]：

将探头与水面接触，向浑水发射超声波，超声波遇到沙时产生反射波，反射回来的超声波又被探头接收，并被转换成电脉冲信号，经放大电路放大后，由计数电路将电脉冲的数量记下来，所记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。

该方法对低含沙量水流特别灵敏，而且测量精度较高，只是测量范围较窄（0～3㎏/m3）。

4．振动法[4]：

根据振动学原理，当棒体谐振时，其第一固有谐振频率（亦称基频）为上式表明棒的密度与棒体振动周期的平方成正比。

若用一内充满水的金属空管代替棒体，则其密度与管子材料和水质量有关。

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，所以，不同含沙量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。

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。

5．激光法[4]：

在含沙量的测量方法中，光吸收法应用颇有前景。

利用光吸收法不仅可同时测得含沙量和颗粒直径，而且可以以颗粒直径测量结果来校正浓度的目的，从而提高测试精度。

同时采用激光作光源，由于激光具有高度的空间相干性和时间相干性，以及高度集中的能量密度，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，并可实现实时自动分析，进一步提高了测试效率和测试精度。

6．电容式传感器测量法

传统观点认为，用电容式传感器作含水率的敏感元件，在低含水率段有良好的工作特性，且多用固态物料水分的测量。

当含水率超过30%～50%时，由于大量导电离子水构成两电容极板间的导体，从而失去对含水率的分辨能力，也没有用电容式传感器进行水流泥沙含量测量的先例。

这是因为被测介质为液态水流，其电磁特性以及各种因素的干扰与影响更加难以解决。

用自行研制的电容式传感器（专利号：

ZL00226706.3）[5]测量了水流中的泥沙含量，结果表明，这一方法具有可行性。

6．1　测量原理：

泥沙与水的混合实际上是固液两相的统计混合物，利用泥沙与水的混合物引起的介电常数差异的电物理特性，采用变介电常数电容式传感器原理，可将被测的泥沙含量的变化转换成电容量的变化。

6．2　电容传感器的结构：

自行研制的电容传感器有两种形式：

平板式电容传感器和同轴圆筒式电容传感器，其结构示意图如图1所示[6]。

由于水在低频电场中为电的良导体，故电极之一覆盖一层薄绝缘介质，消除含水导电效应。

同时为了减少外界信号的干扰，电极系统加屏蔽，信号传输线路采用屏蔽电缆。

虽然电容式传感器测得的结果精度比较高，但它受温度的影响比较大。

现在提出一种方法——曲线拟合法可以进行温度补偿[7]。

对应不同的工作温度，电容传感器有不同的输入（泥沙含量S）——输出（电压U）特性。

如果能够确定工作温度为T时相应的S——U特性，由传感器的输出值U（S，T）读取被测量S，从原理上不存在温度引入的误差，但通过标定试验只能在有限数量的几个温度值条件下标定输入——输出值。

通过曲线拟合法，可以找出在工作温度范围内非标定条件任一温度T状态下的S——U特性。

由各种试验结果知，工作温度为0～45℃时，泥沙含量与电容传感器的关系为线性的，经检验极为显著，而且由传感器输出值U（T）与输入值S在原理上是不存在温度误差。

7．人工神经网络的数据融合法[8]：

在采用电容传感器测量泥沙含量的过程中，电容传感器的输出值受环境温度的影响较大，为消除温度对测量数据的影响，提出了采用人工神经网络法对传感器进行数据融合处理的方法，该方法以传感器的泥沙含量值与温度值作为网络的输入，通过对网络的训练达到消除非目标参量——温度的影响。

神经网络是人工智能领域发展最快的信息处理技术之一。

它的功能表现出在描述和表征自然界大量存在的非线性本质的形态、现象中具有其它学科难以比拟的优势。

BP网络是神经网络中最常用的一种，它是单向传播的多层前向网络。

输入信号从输入层节点，依次传过各隐层节点，然后传到输出节点，每一层节点的输出只影响下一层节点的输出。

理论证明：

具有偏差和至少一个S型隐层的BP网络，能够逼近任何的有理函数。

因此利用BP网络的这一特性采用人工神经网络（ARTIFICIAL　NEURAL　NETWORK）对试验数据进行融合处理。

在测量泥沙含量时影响电容传感器的交叉灵敏度的因素是温度，故必须对传感器的数据进行融合处理。

如图2所示为二功能传感器信息融合智能传感器系统框图。

8．结束语：

含沙量测量是泥沙研究中的一个重要课题，如何快速、准确地测量含沙量一直是人们所关注的问题。

随着科技的迅速发展，测量含沙量的方法也日趋增多和完善。