中國和美國的推移質(zhì)泥沙采樣器野外比測試驗

1、中國和美國的推移質(zhì)泥沙采樣器野外比測試驗 摘要： 中國 和美國已研制出多種推移質(zhì)采樣器,用以在變化范圍很大的水流、泥沙條件下采樣。由于采樣器的設(shè)計原理不同和缺乏現(xiàn)場比測資料,這些采樣器采樣結(jié)果的可比性不明確。本文給出了五種采樣器的輸沙率及其它性能的現(xiàn)場比測結(jié)果。這五種采樣器包括美國地質(zhì)調(diào)查局設(shè)計的剛性框架的赫爾 斯密斯采樣器(以下稱hs-1型)和它的加大型(以下稱hs-1a型)、沱特爾河tr-2型采樣器以及中國長江水利委員會(長江委)研制的y78-1型剛性框架采樣器和y80-2型軟底網(wǎng)式采樣器。關(guān)鍵詞：推移質(zhì) 采樣器 試驗1 參加比測的推移質(zhì)采樣器1.1 y78-1型沙推移質(zhì)采樣器y78-1型

2、采樣器是中國長江委研制的壓差式推移質(zhì)采樣器6,4,用來對流速2.5m/s條件下的沙推移質(zhì)進行采樣。在采樣器口門下面有一護板,以防止口門附近的河床被淘刷。采樣器由一個帶有垂直尾翼的、用鉛塊加重的框架加以懸置。1.2 y80-2型軟底網(wǎng)式推移質(zhì)采樣器y80-2型軟底網(wǎng)式推移質(zhì)采樣器4是中國長江委研制的,用以對流速小于4.0m/s條件下的礫卵石推移質(zhì)進行采樣。它具有鏈網(wǎng)式的軟底、篩網(wǎng)孔徑為5mm,軟底上鋪設(shè)一層網(wǎng)眼孔徑為1mm的尼龍布,整個設(shè)計可使采樣器底緊貼河床。1.3 hs型壓差式推移質(zhì)采樣器hs-1型壓差式推移質(zhì)采樣器3,系美國地質(zhì)調(diào)查局研制,用以對粗沙和中等粒度的礫石推移質(zhì)進行采樣。它具有剛

3、性框架和尼龍網(wǎng)眼布制成的樣品收集袋。hs-1a型采樣器由hs-1型采樣器等比加大1倍而成1。兩種采樣器水槽試驗測定的采樣效率均大于100%,但適用的級配和輸沙率則有所不同。hs-1型采樣器經(jīng)室外試驗測定的采樣效率在90100%之間2。1.4 tr-2型壓差式推移質(zhì)采樣器tr-2型壓差式推移質(zhì)采樣器是美國地質(zhì)調(diào)查局1986年在拉斯維拉斯火山觀測所研制,用以對高能水流中富含泥沙的礫石粒度的推移質(zhì)進行采樣,它具有剛性框架、尼龍網(wǎng)布制成的樣品收集袋和大的尾翼。tr-2采樣器的口門段同hs-1a5,后者經(jīng)水槽試驗測定其采樣效率,效率隨粒配和輸沙率不同而有所不同;但對礫石粒度而言,其采樣效率接近100%。

4、本 研究 中的五種推移質(zhì)采樣器的特性見表1。表1 五種推移質(zhì)采樣器的特性表characteristics of bed load samplers tested in the program進口尺寸(mm)水槽率定量型號進出口面積比采樣器重量樣品有效容量推移質(zhì)粒徑寬度高度(%)水力效率采樣效率(kg)(kg)(mm)hs-176.276.2322154變動27101-16hs-1a152.4152.4322154變動100201-32tr-2304.8152.4140140變動300501-64y78-110010014010561.4100162.0y80-2300300-925320050

5、5122 現(xiàn)場采樣技術(shù)和 方法2.1 中國的比測y78-1型和hs-1型采樣器的野外比測試驗在漢江丹江口水庫下游約100km的襄陽水文站進行。在測量船兩側(cè)各安裝兩臺絞車,其中一臺絞車懸吊流速儀,其余三臺懸吊推移質(zhì)采樣器。比測的兩個采樣器首先分別懸吊在三臺絞車的第1、2兩臺上同時連續(xù)采取5個推移質(zhì)泥沙樣品。然后將采樣器懸吊在第2、3兩臺絞車上,再同時連續(xù)采取5個樣品,再懸吊在第3、1臺絞車上,同時連續(xù)取5個樣品。以上每個采樣器的15個樣品為一組,總共取得45組比測資料。y80-2型與tr-2及hs-1a型采樣器的野外比測在長江的寸灘和奉節(jié)兩個水文測站進行。在測船兩側(cè)各安裝一臺絞車分別懸吊比測的兩

6、個采樣器,在各自連續(xù)測取15個樣品后交換儀器的位置再測取15個樣品,每個采樣器30個樣品,為一組。y80-2與tr-2型采樣器比測取得33組,y80-2與hs-1a型采樣器比測取得20組資料。當水深小于10m時,兩采樣器同步采樣,水深大于10m時交替采樣,以防止懸吊繩在水下交叉。試驗水深最大15m,流速最大為3.85m/s,推移質(zhì)粒徑為1150mm。試驗時未使用拉偏繩。2.2 美國的比測y78-1型和hs-1型采樣器的野外比測在距華盛頓州圣海倫火山約90km的沱沱河和93km的考里茲河進行。試驗用兩臺安裝在汽車上的起重機從橋上進行。每次都使用拉偏繩來穩(wěn)定采樣器。兩臺采樣器在河床同一地點上交替采

7、樣,獲得數(shù)據(jù)。共進行9次野外試驗,每次36小時,收集4060個樣品。hs-1型的承樣袋網(wǎng)孔尺寸前7次為1mm,后2次為0.25mm。試驗水深為0.71.5m,垂線平均流速0.952.17m/s,床沙由細沙到中等礫度的礫石組成。在上兩試驗點的試驗過程中,通常河床上存在著發(fā)育完好的運動沙丘。y78-2、tr-2、hs-1a型采樣器的比測試驗未在美國進行。轉(zhuǎn)貼于 3 比測資料 分析3.1 y78-1型和hs-1型采樣器在 中國 收集到的數(shù)據(jù)資料,分析僅限于大于hs-1采樣器承沙袋網(wǎng)孔徑0.25mm的泥沙。在45個數(shù)據(jù)組中,兩采樣器的采樣比(y78-1測得的輸沙率除hs-1測得的輸沙率)在0.42.8

8、之間,其中80%的比測組在0.52.2之間,平均為1.2。兩個采樣器測得的粒徑組成相同,其中0.250.50mm的hs-1測得的占76%,y78-1測得的占79%。在美國收集到的數(shù)據(jù)資料,分析包括全部粒徑級。在9個數(shù)據(jù)組中,兩采樣器的采樣比為2.36.3之間,平均值為3.0(表2)。hs-1型測得的中等粒徑為0.341.40mm,而y78-1測得的為0.270.66mm。大于1.0 mm的采樣比為5.6。表2 hs-1型和y78-1型采樣器的平均采樣比mean sampling ratios between the sh-1 and y-78-1 samplers粒徑級(mm)0.250.25

9、00.5000.5001.001.002.002.004.004.008.008.0016.0016.0032.0032.0064.00全部平均采樣比1.061.863.647.917.416.324.293.011.793.02注：= hs-1型與y78-1型采樣器的采樣比3.2 y80-2型、hs-1a型和tr-2型采樣器在中國測取的資料,三種采樣器最小粒徑都為1.0mm,組平均輸沙率在0.17806kg/sm之間。分粒徑組的平均采樣比列于表3。表3 各對采樣器分粒級平均采樣比sampling ratios by sediment size class between pairs of s

10、amplers粒級采樣器比測對全部樣品1.02.02.05.05.010.010.020.020.050.050.075.075.0100100150tr2/y80-22.993.012.222.353.002.062.151.812.17hs-1a/y80-24.157.584.224.175.854.073.752.184.354 討論4.1 y78-1型和hs-1型采樣器用y78-1型的采樣率除hs-1型的采樣率得到的采樣比在兩個國家的試驗結(jié)果不同,部分原因可能是美國的采樣器的采樣效率的可變性所致。這些采樣效率似乎隨流速、輸沙率和粒徑級配不同而變化。在美國試驗過程中的流速平均約為在中國的

11、兩倍,在中國測取的推移質(zhì)主要由細沙組成,而在美國主要由粗沙和細粒礫石組成。在美國,hs-1型測取的泥沙,在所有粒級中都比y78-1型測的多。對粒徑小于2.0mm的部分,采樣比隨粒徑減小而降低,大于2.0mm部分,也隨粒徑的增大而降低。這可能是hs-1型對小粒徑通過承沙袋網(wǎng)眼流失的較多;而對大粒徑,hs-1較高的水力效率(154%)的 影響 相對減小的緣故。y78-1型的水力效率為105%,并且有防護板,可以大幅度地減少口門附近的河床沖刷。這些特點使得y78-1型能夠比hs-1型較為準確采樣,然而,y78-1的防護板也可能抬高采樣器的進口,使大顆粒泥沙更難進入采樣器。4.2 y80-2型、hs-

12、1a型、tr-2型采樣器y80-2型、hs-1a型、tr-2型采樣器的兩組野外比測結(jié)果表明,采樣比通常隨粒徑增大而減小,這說明hs-1a、tr-2型的較高水力效率對較大顆粒的影響可能減小了。此外,y80-2型與hs-1a型的采樣比大于y80-2型與tr-2型的采樣比,也很可能是hs-1a型的水力效率高于tr-2型采樣器的緣故。5 結(jié)論推移質(zhì)輸沙率的準確 計算 需要推移質(zhì)采樣器采樣效率的合理估計。由于各種采樣器的采樣效率不同,使之測得的輸沙率也有很大的非偶然性的差別。采樣效率可能是許多參數(shù)的函數(shù),這些參數(shù)包括流速、推移質(zhì)顆粒級配和輸沙率。野外試驗結(jié)果表明,y78-1型和hs-1型可以相互彌補。建

13、議y78-1型用于粒徑小于2mm的沙質(zhì)河床中采樣,而hs-1型則用來在粒徑約為116mm的粗沙河床中采樣。y80-2型采樣器看來能在礫石卵石河床中很好地工作,其可塑變的軟底可使采樣器較好地與河床伏貼,所采取的推移質(zhì)粒徑范圍是從底網(wǎng)孔徑到卵石粒度。和hs-1a型相比,tr-2型在湍流和高速流動的水流情況下較為穩(wěn)定。在試驗過程中觀察到一些與采樣器設(shè)計有關(guān)的缺點。y78-1型口門下面的護板可能使采樣器在河床有礫石的地點不能很好伏貼河床。hs-1型和hs-1a型的高水力效率可能造成沙質(zhì)河床的水力淘刷、導(dǎo)致采樣偏多。tr-2型的剛性器底可能使它不能與卵石占優(yōu)勢的河床很好伏貼,導(dǎo)致采樣偏少。y80-2敞口

14、頂端可能使較小礫石在采樣器向水面高速提升時,從采樣器中沖出來,導(dǎo)致采樣偏少。這些觀察結(jié)果對下列想法提供了 理論 依據(jù):推移質(zhì)采樣器必須按照它們的使用條件來設(shè)計。使用拉偏繩來穩(wěn)定采樣器,可減少采樣器在采樣過程中對河床的挖取,從而減小誤差。參 考 文 獻1 druffel,l.,emmett,w.w.,schneider,v.r.,and skinner, j.v.,1976,laboratory hydraulic calibration the helley-smith bed load sampler : u.s. geological survey open-file report 76-

15、752,63 p.2 emmett,w.w.,1980,a field calibration of the sediment trapping characteristics of the helley-smith bed load sampler : u.s. geological survey professional paper 1139,44p.3 helley,e.j. and smith,winchell, 1971,development and calibration of a pressure-difference bed load sampler : u.s. geological survey open-file,18p.4 黃光華，高煥錦，王玉成。長江推移質(zhì)器測法 研究 。第二次河流泥沙國際學(xué)術(shù)討論會文集p10081016南京：1983年。5 hubbell,d.w.,stevens,h.h.,skinner,j.v.,and beverage,j.p.,1987,laboratory data on coarse-sediment transport for bed load sampler calibrations : u。s. geological survey water-supply paper 2299,31 p