水文信息学第六章-泥沙测验
41页1、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、 河流泥沙的脉动现象 天然河流的水流一般都是紊
2、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
3、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),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
4、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。,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
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