水利工程論文-中國(guó)和美國(guó)的推移質(zhì)泥沙采樣器野外比測(cè)試驗(yàn)摘要：中國(guó)和美國(guó)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(jì)原理不同和缺乏現(xiàn)場(chǎng)比測(cè)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(chǎng)比測(cè)結(jié)果。這五種采樣器包括美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局設(shè)計(jì)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(guó)長(zhǎng)江水利委員會(huì)(長(zhǎng)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(yàn)1參加比測(cè)的推移質(zhì)采樣器1.1Y78-1型沙推移質(zhì)采樣器Y78-1型采樣器是中國(guó)長(zhǎng)江委研制的壓差式推移質(zhì)采樣器6,4,用來(lái)對(duì)流速2.5m/s條件下的沙推移質(zhì)進(jìn)行采樣。在采樣器口門(mén)下面有一護(hù)板,以防止口門(mén)附近的河床被淘刷。采樣器由一個(gè)帶有垂直尾翼的、用鉛塊加重的框架加以懸置。1.2Y80-2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(guó)長(zhǎng)江委研制的,用以對(duì)流速小于4.0m/s條件下的礫卵石推移質(zhì)進(jìn)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(gè)設(shè)計(jì)可使采樣器底緊貼河床。1.3HS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(guó)地質(zhì)調(diào)查局研制,用以對(duì)粗沙和中等粒度的礫石推移質(zhì)進(jìn)行采樣。它具有剛性框架和尼龍網(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(yàn)測(cè)定的采樣效率均大于100%,但適用的級(jí)配和輸沙率則有所不同。HS-1型采樣器經(jīng)室外試驗(yàn)測(cè)定的采樣效率在90100%之間2。1.4TR-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(guó)地質(zhì)調(diào)查局1986年在拉斯維拉斯火山觀測(cè)所研制,用以對(duì)高能水流中富含泥沙的礫石粒度的推移質(zhì)進(jìn)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(mén)段同HS-1a5,后者經(jīng)水槽試驗(yàn)測(cè)定其采樣效率,效率隨粒配和輸沙率不同而有所不同；但對(duì)礫石粒度而言,其采樣效率接近100%。本研究中的五種推移質(zhì)采樣器的特性見(jiàn)表1。表1五種推移質(zhì)采樣器的特性表Characteristicsofbedloadsamplerstestedintheprogram進(jìn)口尺寸(mm)水槽率定量型號(hào)進(jìn)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(dòng)27101-16HS-1a152.4152.4322154變動(dòng)100201-32TR-2304.8152.4140140變動(dòng)300501-64Y78-110010014010561.4100162.0Y80-2300300-9253200505122現(xiàn)場(chǎng)采樣技術(shù)和方法2.1中國(guó)的比測(cè)Y78-1型和HS-1型采樣器的野外比測(cè)試驗(yàn)在漢江丹江口水庫(kù)下游約100km的襄陽(yáng)水文站進(jìn)行。在測(cè)量船兩側(cè)各安裝兩臺(tái)絞車,其中一臺(tái)絞車懸吊流速儀,其余三臺(tái)懸吊推移質(zhì)采樣器。比測(cè)的兩個(gè)采樣器首先分別懸吊在三臺(tái)絞車的第1、2兩臺(tái)上同時(shí)連續(xù)采取5個(gè)推移質(zhì)泥沙樣品。然后將采樣器懸吊在第2、3兩臺(tái)絞車上,再同時(shí)連續(xù)采取5個(gè)樣品,再懸吊在第3、1臺(tái)絞車上,同時(shí)連續(xù)取5個(gè)樣品。以上每個(gè)采樣器的15個(gè)樣品為一組,總共取得45組比測(cè)資料。Y80-2型與TR-2及HS-1a型采樣器的野外比測(cè)在長(zhǎng)江的寸灘和奉節(jié)兩個(gè)水文測(cè)站進(jìn)行。在測(cè)船兩側(cè)各安裝一臺(tái)絞車分別懸吊比測(cè)的兩個(gè)采樣器,在各自連續(xù)測(cè)取15個(gè)樣品后交換儀器的位置再測(cè)取15個(gè)樣品,每個(gè)采樣器30個(gè)樣品,為一組。Y80-2與TR-2型采樣器比測(cè)取得33組,Y80-2與HS-1a型采樣器比測(cè)取得20組資料。當(dāng)水深小于10m時(shí),兩采樣器同步采樣,水深大于10m時(shí)交替采樣,以防止懸吊繩在水下交叉。試驗(yàn)水深最大15m,流速最大為3.85m/s,推移質(zhì)粒徑為1150mm。試驗(yàn)時(shí)未使用拉偏繩。2.2美國(guó)的比測(cè)Y78-1型和HS-1型采樣器的野外比測(cè)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(jìn)行。試驗(yàn)用兩臺(tái)安裝在汽車上的起重機(jī)從橋上進(jìn)行。每次都使用拉偏繩來(lái)穩(wěn)定采樣器。兩臺(tái)采樣器在河床同一地點(diǎn)上交替采樣,獲得數(shù)據(jù)。共進(jìn)行9次野外試驗(yàn),每次36小時(shí),收集4060個(gè)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(yàn)水深為0.71.5m,垂線平均流速0.952.17m/s,床沙由細(xì)沙到中等礫度的礫石組成。在上兩試驗(yàn)點(diǎn)的試驗(yàn)過(guò)程中,通常河床上存在著發(fā)育完好的運(yùn)動(dòng)沙丘。Y78-2、TR-2、HS-1a型采樣器的比測(cè)試驗(yàn)未在美國(guó)進(jìn)行。3比測(cè)資料分析3.1Y78-1型和HS-1型采樣器在中國(guó)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(gè)數(shù)據(jù)組中,兩采樣器的采樣比(Y78-1測(cè)得的輸沙率除HS-1測(cè)得的輸沙率)在0.42.8之間,其中80%的比測(cè)組在0.52.2之間,平均為1.2。兩個(gè)采樣器測(cè)得的粒徑組成相同,其中0.250.50mm的HS-1測(cè)得的占76%,Y78-1測(cè)得的占79%。在美國(guó)收集到的數(shù)據(jù)資料,分析包括全部粒徑級(jí)。在9個(gè)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(cè)得的中等粒徑為0.341.40mm,而Y78-1測(cè)得的為0.270.66mm。大于1.0mm的采樣比為5.6。表2HS-1型和Y78-1型采樣器的平均采樣比MeansamplingratiosbetweentheSH-1andY-78-1samplers粒徑級(jí)(mm)0.250.2500.5000.5001.001.002.002.004.004.008.008.0016.0016.0032.0032.0064.00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3.2Y80-2型、HS-1a型和TR-2型采樣器在中國(guó)測(cè)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(duì)采樣器分粒級(jí)平均采樣比Samplingratiosbysedimentsizeclassbetweenpairsofsamplers粒級(jí)采樣器比測(cè)對(duì)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4.1Y78-1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(gè)國(guó)家的試驗(yàn)結(jié)果不同,部分原因可能是美國(guó)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(jí)配不同而變化。在美國(guó)試驗(yàn)過(guò)程中的流速平均約為在中國(guó)的兩倍,在中國(guó)測(cè)取的推移質(zhì)主要由細(xì)沙組成,而在美國(guó)主要由粗沙和細(xì)粒礫石組成。在美國(guó),HS-1型測(cè)取的泥沙,在所有粒級(jí)中都比Y78-1型測(cè)的多。對(duì)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(duì)小粒徑通過(guò)承沙袋網(wǎng)眼流失的較多；而對(duì)大粒徑,HS-1較高的水力效率(154%)的影響相對(duì)減小的緣故。Y78-1型的水力效率為105%,并且有防護(hù)板,可以大幅度地減少口門(mén)附近的河床沖刷。這些特點(diǎn)使得Y78-1型能夠比HS-1型較為準(zhǔn)確采樣,然而,Y78-1的防護(hù)板也可能抬高采樣器的進(jìn)口,使大顆粒泥沙更難進(jìn)入采樣器。4.2Y80-2型、HS-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(cè)結(jié)果表明,采樣比通常隨粒徑增大而減小,這說(shuō)明HS-1a、TR-2型的較高水力效率對(duì)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(zhǔn)確計(jì)算需要推移質(zhì)采樣器采樣效率的合理估計(jì)。由于各種采樣器的采樣效率不同,使之測(cè)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(jí)配和輸沙率。野外試驗(yàn)結(jié)果表明,Y78-1型和HS-1型可以相互彌補(bǔ)。建議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(lái)在粒徑約為116mm的粗沙河床中采樣。Y80-2型采樣器看來(lái)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(dòng)的水流情況下較為穩(wěn)定。在試驗(yàn)過(guò)程中觀察到一些與采樣器設(shè)計(jì)有關(guān)的缺點(diǎn)。Y78-1型口門(mén)下面的護(hù)板可能使采樣器在河床有礫石的地點(diǎn)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(shì)的河床很好伏貼,導(dǎo)致采樣偏少。Y80-2敞口頂端可能使較小礫石在采樣器向水面高速提升時(shí),從采樣器中沖出來(lái),導(dǎo)致采樣偏少。這些觀察結(jié)果對(duì)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(lái)設(shè)計(jì)。使用拉偏繩來(lái)穩(wěn)定采樣器,可減少采樣器在采樣過(guò)程中對(duì)河床的挖取,從而減小誤差。參考文獻(xiàn)1Druffel,L.,Emmett,W.W.,Schneider,V.R.,andSkinner,J.V.,1976,LaboratoryhydrauliccalibrationtheHelley-Smithbedloadsampler:U.S.GeologicalSurveyOpen-FileReport76-752,63P.2Emmett,W.W.,1980,AFieldcalibrationofthesedimenttrappingcharacteristicsoftheHelley-SmithBedLoadSampler:U.S.GeologicalSurveyprofessionalpaper1139,44P.3Helley,E.J.andSmith,Winchell,1971,Developmentandcalibrationofapressure-differencebedloadsampler:U.S.GeologicalSurveyOpen-File,18P.4黃光華，高煥錦，王玉成。長(zhǎng)江推移質(zhì)器測(cè)法研究。第二次河流泥沙國(guó)際學(xué)術(shù)討論會(huì)文集P10081016南京：1983年。5Hubbell,D.W.,Stevens,H.H.,Skinner,J.V.,andBeverage,J.P.,1987,Laboratorydataoncoarse-sedimenttransportforbedloadsamplercalibrations:U。S.Geologica