中国和美国的推移质泥沙采样器野外比测试验

摘要：中国和美国已研制出多种推移质采样器,用以在变化范围很大的水流、泥沙条件下采样。由于采样器的设计原理不同和缺乏现场比测资料,这些采样器采样结果的可比性不明确。本文给出了五种采样器的输沙率及其它性能的现场比测结果。这五种采样器包括美国地质调查局设计的刚性框架的赫尔 斯密斯采样器(以下称HS-1型)和它的加大型(以下称HS-1a型)、沱特尔河TR-2型采样器以及中国长江水利委员会(长江委)研制的Y78-1型刚性框架采样器和Y80-2型软底网式采样器。

关键词：推移质 采样器 试验

1 参加比测的推移质采样器

1.1 Y78-1型沙推移质采样器

Y78-1型采样器是中国长江委研制的压差式推移质采样器[6,4],用来对流速2.5m/s条件下的沙推移质进行采样。在采样器口门下面有一护板,以防止口门附近的河床被淘刷。采样器由一个带有垂直尾翼的、用铅块加重的框架加以悬置。

1.2 Y80-2型软底网式推移质采样器

Y80-2型软底网式推移质采样器[4]是中国长江委研制的,用以对流速小于4.0m/s条件下的砾卵石推移质进行采样。它具有链网式的软底、筛网孔径为5mm,软底上铺设一层网眼孔径为1mm的尼龙布,整个设计可使采样器底紧贴河床。

1.3 HS型压差式推移质采样器

HS-1型压差式推移质采样器[3],系美国地质调查局研制,用以对粗沙和中等粒度的砾石推移质进行采样。它具有刚性框架和尼龙网眼布制成的样品收集袋。HS-1a型采样器由HS-1型采样器等比加大1倍而成[1]。两种采样器水槽试验测定的采样效率均大于100%,但适用的级配和输沙率则有所不同。HS-1型采样器经室外试验测定的采样效率在90～100%之间[2]。

1.4 TR-2型压差式推移质采样器

TR-2型压差式推移质采样器是美国地质调查局1986年在拉斯维拉斯火山观测所研制,用以对高能水流中富含泥沙的砾石粒度的推移质进行采样,它具有刚性框架、尼龙网布制成的样品收集袋和大的尾翼。TR-2采样器的口门段同HS-1a[5],后者经水槽试验测定其采样效率,效率随粒配和输沙率不同而有所不同;但对砾石粒度而言,其采样效率接近100%。本研究中的五种推移质采样器的特性见表1。

表1 五种推移质采样器的特性表

Characteristics of bed load samplers tested in the program

4.2 Y80-2型、HS-1a型、TR-2型采样器

Y80-2型、HS-1a型、TR-2型采样器的两组野外比测结果表明,采样比通常随粒径增大而减小,这说明HS-1a、TR-2型的较高水力效率对较大颗粒的影响可能减小了。此外,Y80-2型与HS-1a型的采样比大于Y80-2型与TR-2型的采样比,也很可能是HS-1a型的水力效率高于TR-2型采样器的缘故。

5 结论

推移质输沙率的准确计算需要推移质采样器采样效率的合理估计。由于各种采样器的采样效率不同,使之测得的输沙率也有很大的非偶然性的差别。采样效率可能是许多参数的函数,这些参数包括流速、推移质颗粒级配和输沙率。

野外试验结果表明,Y78-1型和HS-1型可以相互弥补。建议Y78-1型用于粒径小于2mm的沙质河床中采样,而HS-1型则用来在粒径约为1～16mm的粗沙河床中采样。

Y80-2型采样器看来能在砾石卵石河床中很好地工作,其可塑变的软底可使采样器较好地与河床伏贴,所采取的推移质粒径范围是从底网孔径到卵石粒度。和HS-1a型相比,TR-2型在湍流和高速流动的水流情况下较为稳定。

在试验过程中观察到一些与采样器设计有关的缺点。Y78-1型口门下面的护板可能使采样器在河床有砾石的地点不能很好伏贴河床。HS-1型和HS-1a型的高水力效率可能造成沙质河床的水力淘刷、导致采样偏多。TR-2型的刚性器底可能使它不能与卵石占优势的河床很好伏贴,导致采样偏少。Y80-2敞口顶端可能使较小砾石在采样器向水面高速提升时,从采样器中冲出来,导致采样偏少。

这些观察结果对下列想法提供了理论依据:推移质采样器必须按照它们的使用条件来设计。使用拉偏绳来稳定采样器,可减少采样器在采样过程中对河床的挖取,从而减小误差。

参 考 文 献

[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 76-752,63 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] 黄光华，高焕锦，王玉成。长江推移质器测法研究。第二次河流泥沙国际学术讨论会文集P1008～1016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.

[6] Zhou Dejia,Liu Daorong, and Gao Haochuan,1981,The development of a sand bedload sampler for the Yangtze River :Symposium of Erosion and Sediment Transport Measurement ,International Association of Hydrological Sciences ,Florence ,P 35-46.