河流泥沙测验方法

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1、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

2、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

3、 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

4、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1.030cm 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

5、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

6、，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 23 条垂线

7、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 23 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

8、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：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。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

9、烈推移带，垂线加密。每条垂线上重复取样23 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

10、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。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。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

11、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：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 0.1100 毫米范围内的样品。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0.052.0 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

12、。一、泥沙测验的意义：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

13、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

14、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

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

16、。在窄束单能（）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（）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（）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31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

17、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。32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

18、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（03/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

19、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

20、。用自行研制的电容式传感器(专利号：ZL.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。61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。62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，

21、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 SU 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 SU 特性。由各种试验结果知，工作温度为045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

22、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(ARTIFICIALNEURALNETWORK)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。