黄河推移质观测方法与观测设备探讨

黄河推移质观测方法与观测设备探讨

陈海燕 胡景远

黄河水利委员会三门峡水文局，河南 三门峡 472000

摘要：黄河泥沙主要来源于黄土高原，含沙量大，粒径较细，一般没有砾石和卵石。泥沙的连续性分布使悬移质和推移质难以区分，推移质观测和计算十分困难，研究黄河推移质观测、计算方法及研发观测设备是当前十分艰巨的课题。采用新研发的“河流薄层泥沙采样器”可以进行河流近河底薄层泥沙水样的采集，取得近河底各层水体含沙量和颗粒级配数据，为研究推移质变化规律提供技术支撑和理论依据。在黄河潼关水文站进行了近河底泥沙的采样工作，试验证明是可行的。目前还没有黄河推移质观测与计算的有效方法，间接计算推移质的方法还没有精准实测数据来验证，采用“河流薄层泥沙采样器”进行更深入的试验和研究有可能使黄河推移质的观测与计算取得突破。

关键词：黄河；推移质；观测；河底泥沙

1 推移质概念与观测用途

河流泥沙可分为河床质、推移质和悬移质。河床质相对来说比较独立，其与推移质、悬移质的区别较明显，测验上容易区别开来。推移质和悬移质是运动着的泥沙，运动过程相互掺杂，没有明显的区分界面。

由于河床质不参加水流运动，我们习惯上把悬移质和推移质称为全沙^[1]。河流泥沙输移量测验应该是全沙测验，即测定通过一个河道断面全部输沙率的测验，也就是测定悬移质输沙率和推移质输沙率。悬移质输沙率测验技术相对成熟，全沙测验重点是推移质测验。

测定全沙的方法有直接法和间接法两种。

直接法是指采用测量仪器，直接测出通过一个河床断面的悬移质输沙率和相应的推移质输沙率，是将具有内在联系的全沙输移过程人为地分割为两个部分。由于推移质运动在时空上变化的复杂性，到目前为止，国际上还没有比较成熟的推移质采样仪器可以普遍应用^[2]。黄河上世纪五十年代曾在个别测站进行了推移质试验，但在水文年鉴上刊印这部分资料时也特别备注了“精度较低”的字样(王西超，三门峡水库入库全沙量计算及程序设计，黄河水文科技计划项目)。80年代在黄河潼关水文站又进行了试验，也未能得到理想的结果。悬移质输沙率虽然可以通过选点法、积深法和垂线混合法而直接测定，但各种测验方法均测不到床面，即取样器取样在床面附近存在一漏测层。多沙河流悬移质和推移质测验状况不仅影响全沙测验质量，特别是推移质测验的停顿状态使得全沙测验也处于停顿状态。

间接法是根据实测的悬移质输沙率及床沙资料，采用输沙公式计算出包括推移质在内的全沙输沙率的一种方法。由于缺乏较高精度的实测推移质资料，间接法成果缺乏可靠的支撑基础。

总体来说，河流推移质测验及近河底悬移质测验存在较大困难，该领域的研究工作也很难得以开展。

2 观测设备与形状设计

2.1 观测设备

全沙测验仪器主要是采集近河底泥沙，根据推移质研究的需要，主要是采集近河床部分的薄层泥沙。河底部分的流速一般较小，要想采集薄层泥沙，势必采样器的过水面积很小，这在小流速时仪器仓内水流基本是不可能正常流动的，造成采样工作困难。只有加大采样器的过水面积，才有可能采集到合适的水样。将原来需要的一个采样仓改成两个采样仓，两个采样仓的过水面积都较大，都可以在流速较小时使水流正常通过。

两个采样器的宽度相同，高度存在一个差值。采样时，让采样器的上表面高度相同，则下表面存在一个高度差。两个采样仓采样的上部同高度的水样相同，将两采样仓的成果相减，其差值即为有高度差部分的成果数据（图1）。

图1 河流薄层泥沙采样器原理示意图

图1中，采样器由“采样仓1”和“采样仓2”组成，两个采样仓的长和宽是相同的，高度有差异。将两个采样仓的上部等平，则下部有差异。“采样仓1”分为“A” 和“B”两部分，“采样仓2”只有“C”部分。A和C部分采样是相同的，“采样仓1”减去“采样仓2”就剩下“采样仓1”的“B”部分，这个部分正是我们需要测量的部分。

2.2 设备形状设计

（1）总体设计

仪器总体为铅鱼、采样器及采样控制系统3部分。铅鱼作为采样器的安装平台，采样器安装在铅鱼上，可拆卸。采样器的作用是采取水样，能把采得的水样完整的保存起来，带出水面。控制系统作用是控制采样器采样，在采样器到达采样位置采样后，关闭采样器口门。

（2）铅鱼设计

铅鱼主体的形状设计为由流线型平面向两侧拉伸形成，俯视图为长方形，侧视图为流线型。

铅鱼线型设计为茹可夫斯基流线型^[3]，按铅鱼重150kg，长度1000mm设计。

按流线型数据绘出上下对称的铅鱼中心剖面，向两侧各拉伸60mm，形成厚度为120mm的铅鱼主体。

铅鱼尾翼设计由水平尾翼、垂直上尾翼、垂直下尾翼组成。

铅鱼鱼体前部上方设计悬吊点，焊接悬吊桩。垂直上尾翼前端设计悬吊孔，共4个，便于选择悬吊。

铅鱼前部侧面设计一贯通圆孔，孔径50mm。在圆孔侧壁中段向上设计一圆孔，从铅鱼上表面边壁垂直向下与侧向圆孔连通，垂向圆孔孔径16mm。

侧面圆孔的作用是为了安装电磁铁安装架而设计的，垂直方向的圆孔是为了引出控制导线而设计的。当采用人工提拉控制开关闭合时，侧向圆孔是为了安装拉线转向架，垂直方向的圆孔是为了布置拉线使用的。

图2 河流薄层泥沙采样器

（3）采样仓设计

采样仓设计为直管，斜口，横断面为方形，斜口方向相对，形成一个长边和一个短边。

采样仓设计为大小两种，一种长500mm、宽50mm、高70mm，一种长500mm、宽50mm、高90mm。两种采样仓长、宽相同，高度有20mm的差异。这个20mm的差异是人为决定的，可以设计更多种类的差异量，用于近河床泥沙的采样，更精细的分析近河床泥沙的分布特性。

（4）控制设计

控制设计采用两种方案，一种为手拉式控制，一种为电磁铁控制。

在铅鱼前段设计了控制孔，横向设计一个大孔，孔径50mm，通透鱼体。上部设计一个小孔，孔径16mm。上部小孔与横向的大孔相通，位于铅鱼纵向中线上。

手拉式控制的基本方法是用一根绳作为提拉绳，对两个采样仓（70mm高采样仓、90mm高采样仓）同时用力作用，使每个采样仓的仓门都关闭。提拉绳从铅鱼的垂直孔穿入，至横向控制孔后分向两侧，连接到两个采样仓上。将每个采样仓的开关卡头尾杆用钢丝连在一起，拉紧。在钢丝中部固定一根钢丝，与提拉绳相连。为减少提拉绳与边壁的摩擦力，设计拉绳导向系统。

电磁铁控制是采用电磁铁的吸力将采样仓开关打开的一种控制方法。电磁铁控制可以用一根电缆将供电信号送到电磁铁，因此不需要人力的作用，也与操作人员的站立位置无关。

3 黄河推移质泥沙观测思路

前面已经介绍，河流垂线上推移质与悬移质的区分是困难的，没有明显的界限把推移质与悬移质分隔开来。推移质与悬移质只有运动特性的不同，悬移质一直悬浮于水体中，一直在运动。推移质走走停停，在近河床向前运动。推移质与悬移质又是随水流条件会发生转换。目前没有能很好说明推移质问题的观测资料。河流薄层泥沙采样器对黄河推移质的观测是一种突破。

采用河流薄层泥沙采样器可以将垂线上很薄层的泥沙含沙量观测出来，形成近河底泥沙精密的含沙量分布曲线，供推移质研究应用，为悬移质与推移质关系的分析提供依据。

4 仪器初步试验

4.1 含沙量试验

试验在潼关测船上进行（图3），试验仪器安装在测船绞关悬吊的钢丝绳上，用绞关升降仪器，用人工提拉控制采样器仓门关闭。提拉人员站在测船的测流架上，刚好位于试验仪器的正上方。试验时，先测量采样处水深，然后将采样器口门打开，下放仪器。为避免采样器扰动河床，在绞关起重钢丝绳上用红绳标记下放位置，使仪器下放正好接触河床。仪器下放到采样位置，停顿约10s，用提拉绳关闭采样器，然后提出水面，倒出水样。

图3 试验现场

试验结果，在30次近河底含沙量试验中，有7次异常，23次反映出下部薄层含沙量大于上层含沙量。底层（20mm）薄层含沙量与上部（70mm）含沙量关系偏大比例在40%～130%之间。由于水流条件及时间的关系，试验仅在一个位置进行了一场试验，试验从数量关系上不一定具有普遍的特性，但试验结果说明，河床底部含沙量与上部含沙量的变化是较大的，以往没有这方面的仪器来监测近河床薄层含沙量，河流薄层泥沙采样设备的研制成功将填补该方面的空白，为多沙河流底层含沙量变化规律的研究奠定基础和条件。

4.2 颗粒级配试验

颗粒级配试验的目的是从采样泥沙组成上进一步说明研制仪器的功能和意义。颗粒级配试验和含沙量试验同步进行，含沙量处理后的泥沙进行颗粒级配分析。

在30次近河底泥沙颗粒级配试验中，中值粒径有5次异常，25次反映出下部薄层中值粒径大于上层中值粒径。平均粒径有7次异常，23次反映出下部薄层平均粒径大于上层平均粒径。

将近河底层泥沙薄层（20mm）与上层（70mm）不同粒径级的沙重百分数对比见图4。

图4 近河底薄层与上部层颗粒级配对比

90mm采样仓采得的沙样较70mm采样仓采得的沙样明显偏粗，计算结果反映的下部薄层泥沙偏粗更多，近河底薄层泥沙的组成显著偏粗上层泥沙。

5 结论与建议

（1）河流上很多工程都与泥沙有关，都是围绕泥沙而开展的。全沙不仅影响本河段的冲淤变化，在长距离输送后也影响其它河段的冲淤变化，影响河流泥沙的平衡问题。由于没有开展全沙测验，多数情况下是用悬移质的成果去分析河床的冲淤变化，很难准确分析出河床冲淤规律。由于无法开展全沙测验，使得河流泥沙规律研究无法全面的开展，存在诸多空白区域。

（2）“河流薄层泥沙采样器”横断面可选用较大过水面积，避免流速较小时，含沙水流不容易通过采样器的问题，保证在近河底水流中的采样效果。仪器的该种特点，使仪器适合进行近河底泥沙的采样。

（3）初步试验表明，河底薄层泥沙是可以通过实测的方法获得的，能够区分其差异，分析其变化规律，使今后垂线近河底泥沙变化规律的研究成为可能。河流薄层泥沙采样器的研制成功将填补该方面的空白，为河流底层含沙量变化规律的研究奠定基础和条件。

参考文献：

[1] 水利部等.河流悬移质泥沙测验规范（条文说明）.北京：中国计划出版社.2015年.第125～126页.

[2]林斌文,梁国亭.全沙输沙率计算方法的修正和应用. 黄河水利委员会水利科学研究所.科学研究论文集（第二集）.郑州：河南科学技术出版社，1990年9月.第63～65页.

[3] 罗惠远,冯小寅.测流铅鱼体形的研究.水文. 1982年第5期.第41-45页.

作者简介：陈海燕（1978－），男，河南民权人，工程师，主要从事水文测验技术研究。