长江泥沙测验新进展

长江河流泥沙测验技术新进展

陈松生

（长江水利委员会水文局 湖北武汉430010）

摘要 本文主要介绍长江委水文局近年来在河流泥沙测验与泥沙颗粒级配分析方面所开展的工作情况，

包括新仪器、新技术的应用和研究，指出当前水沙条件出现变化时泥沙测验中存在的问题，并提出加强泥沙测验方法研究、推广应用新仪器新技术的有关建议，以期促进泥沙测验水平、能力与成果质量的提升。

关键词 长江 泥沙测验 仪器 方法

1 概述

众所周知，河流泥沙资料是为防治水土流失、减轻泥沙灾害、合理开发水土资源、维护生态平衡等方面的宏观分析与决策研究，以及流域水利水电工程建设规划、设计和水库运用、调度管理等提供科学依据的重要基础工作。泥沙测验作为获取泥沙信息的基础工作，受到了业界的重视。多年来，长江委水文局致力于长江河流泥沙测验手段和方法的研究，取得了一些成绩，也有过不少教训。2007年在金沙江三堆子水文站结束了金沙江无实测推移质的历史，连续三年测得卵石推移质最大粒径分别为223mm、234mm、250mm。 2 长江泥沙测验与研究工作

2.1 调压式悬移质采样器研究开发

水电部曾在七十年代到八十年代组织了大量的人力、财力进行悬沙采样器的研究，形成了LSS、FS、JL-I、JL-II、JL-III、JX、全皮囊等采样器产品，并于1986年与美国的USP61型采样器进行了比测，结果长办设计的JL型以其合理的结构原理赢得国内好评并在长江上游得到应用，但其滑阀卡沙的问题随之而来。在以后的十几年中，国内停止了采样器的研究，国外也转向研究浊度仪、泥沙在线监测仪。

我局从 2002年开始研制新型的调压式悬移质采样器——长江AYX2 - 1型，2004年研制了一款新型采样器，其各项指标均达到要求，但其使用水深范围只有40m。2005年针对调压积时式采样器存在的问题，经过多次设计修改和测试，分别在嘉陵江干流北碚水文站、长江干流朱沱水文站、黄河干流潼关水文站对长江AYX2 - 1型采样器进行了深水密封、进口流速系数、电气控制电路、含沙量、阻力系数、连通管隔水性能、调压历时等测试工作。经野外比测试验，在实测最大流速 4. 92 m/s、最大含沙量 12. 4 kg/m3 范围内，各项技术指标均达到设计标准。AYX2 - 1型采样器具有操作简单、性能可靠、适应能力强、测量精度高、水力特性好等优点，特别是解决了滑阀卡沙的问题。目前已在长江流域推广应用。

2.2 泥沙在线监测试验研究

近10年来，利用直接测量仪器的技术发展非常迅速，这类仪器不需要采集水样，将仪器或测量探头直接放入水中测点位置，实时测量样品含沙量。同时，利用先进的软件技术，对原始测量结果进行分析计算，并通过计算机通信网络，实现测量信息的实时远传，提高泥沙测量的现代化水平。2003年开展了含沙量（悬移质）实时测量仪器比测工作，分别在汉口、沙市、宜昌、庙河断面等河段开展比测试验。

通过比测试验成果分析，LISST-100X的含沙量测验精度能满足规范的要求，其测量范围能满足长江干流多数测站的测验要求。LISST-100X与横式采样器测量的颗粒级配相比，由于采用的分析基准不同，分析结果存在差异，但通过开发的《泥沙颗粒级配转换软件》转换，精度均能满足国家现行规范指标规定和要求。通过对河流泥沙实时在线监测仪器性能的

适应性、稳定性以及测验精度分析研究及数据后处理软件的研发，形成河流泥沙在线动态监测业务软件的支撑平台，能实现我国河流悬移质泥沙测验在现场进行数据处理、计算和图表绘制，填补我国水文至今无河流泥沙测验实时监测及数据处理软件的空白。并可接入自动化系统在线检测。

目前，我局备置了LISST-100X 10多套，为长江流域的泥沙快速监测实现泥沙报汛提供基础。此外，长江口局、下游局研究应用OBS实现泥沙在线监测的试验工作也取得初步进展。

2.3 应用ADCP进行悬移质含沙量测验研究

近年来，声学多普勒流速剖面仪（ADCP）在流量测量方面的广泛应用，引起了人们利用声反向散射强度（ABS）计算悬移质浓度（SSC）的兴趣。声学仪器测量方式为非侵入式的，受生物污垢的影响小，而且是以剖面的形式提供测量数据，与传统方法相比，具有不可比拟的优越性。然而，将ABS转换成SSC的计算较为复杂，原理的局限性也需要在实践中测试其影响。经过在长江口徐六泾断面大规模的跨越不同水情的现场试验，认为利用ADCP信号测算悬移质浓度的垂线平均含沙量，在采用六点法标定时，与传统值相比，计算值的平均相对误差小于5%，采用两小时连时序法标定时，小于13%，且误差均呈正态分布。因此，升级现有的徐六泾浮标测流系统（以ADCP取代现有的ADP），结合物理测沙仪，可以实现徐六泾断面的在线实时输沙率监测，填补长江口泥沙站网的空白，为长江口相关规划、设计、科研等提供基础资料。

2.4 激光粒度分布仪比测试验

为探讨激光粒度仪在长江泥沙颗粒分析的适宜性和成果精度，提高长江水文在泥沙颗粒分析手段的技术水平，2003年组织开展了“激光粒度分布仪应用于长江泥沙颗粒分析试验”。采用传统粒吸结合法与英国马尔文MS2000型、丹东BT2002型激光粒度分布仪进行的悬沙颗分对比试验成果分析，结果表明，激光粒度分布仪具有分析粒径范围宽、精度高、自动化程度高、分析效率高等特点，是较先进的室内泥沙颗粒分析设备。

2.5 三峡水库初期淤积物干容重观测 水库淤积物干容重，是研究水库淤积的一项重要参数。早在三峡水利枢纽工程建设之初，国家自然科学基金委员会和中国长江三峡工程开发总公司就将“淤积物的密实度及干容重变化研究”列入了《三峡水利枢纽工程几个关键问题的应用基础研究》，在理论上对库区淤积物干容重问题进行了研究，取得了一定的成果。目前，三峡水库已按试验性蓄水175m运用，开展三峡水库淤积物干容重观测试验研究的目的和意义主要表现在以下几个方面：

1）三峡水库冲淤量体积法（由断面法或地形法测得）与输沙量（由进出库水文测站输沙率法测得）法匹配的需要，是两种方法的相互换算和验证的重要参数。

2）建立三峡水库特有的淤积物干容重观测系列的需要，为物理模型试验、数学模型计算以及水库长期使用等方面的研究提供基础资料。

3）获得研究三峡工程库区泥沙起动与输移和计算闸坝承受压力等方面的重要基础数据。 4）分析研究三峡水库初期干容重的时空分布规律，从而对水库整体淤积形态得出准确合理的判断，计算出水库的有效库容。

5）模型验证及预测的需要，为科学研究和其他工程项目提供可借鉴的成果和验证资料。 2.6 临底悬移质输沙

就常规悬移质泥沙测验而言，按照测验规范要求，测量范围多是在距河底0.2倍水深以上，而距河底0.2倍水深以下至河床的泥沙却没有实测。三峡水库蓄水后，库区平均水深接近50m，那就意味着采用常规测验方法将有近10m深的临底悬沙没能实测。这没能实测的部分很可能会影响到断面输沙量测验精度。因此，2006年首先在三峡水库进出库水文站（清溪场、万县、宜昌、沙市、监利5个水文断面）开展了临底悬沙试验研究，对临底层输沙情

况进行了监测，分析常规测验和临底悬沙测验成果的差异，为研究含沙量测验精度及采用输沙量法计算的冲淤量与同期体积法计算河道泥沙冲淤量不匹配的影响因素分析提供基础。

3 存在问题

（1）测验手段仍然落后，效率低下。 采样器的改进进展缓慢，在推广积时式采样器的同时，横式采样器由于简单仍在大量使用。特别是在三峡库区大水深情况下，采用横式采样器单点取样的方式费时费力。

（2）新仪器的使用存在一定的局限性。

泥沙在线监测技术还有待进一步研究。如美、英等国的振动式测沙仪的传感器是放在船上不入水，靠水泵和管道抽吸浑水来测量含沙量，定位测量困难，沙样代表性差，不适合在天然河流中应用。

再如LISST-100X测量级配为体积分布级配，而传统法为沙重分布级配。由于两者分析方法原理不同，故分析结果存在差异。须对两者级配进行转换，其结果才具有可比性。每台仪器的“体积转换常数”需要在野外与传统法进行比测率定。直接采用假设的“体积转换常数”进行含沙量换算，可能会出现系统偏大或偏小的结果。振动式测沙仪适用对高、中泥沙的检测，对适用于低含沙量的光电式测沙仪研究不够。

LISST-100X （C型）测量粒径范围为0.0025mm~0.5mm，长江主要控制站悬沙粒径分布范围为0.004mm~0.5mm，能满足大部分测站的粒径分布范围；部分测站下限为0.002mm，采用LISST-100X （C型）可能不合适。

在现行《规范》允许范围内，研究LISST-100X仪器与传统法历史资料保持连续性、一致性、完整性的问题。

（3）新情况下泥沙测验出现了新的问题。

4-6多仓无线遥控采样器试制成功并得到了应用，但由于所处深水环境，传统电缆“无线” 通信方式已无法使用。

此外，工程蓄水运用后，下游清水导致单点分析水样的增加，同时对于垂线含沙量分布曲线的变化需分析调整测验方法。

4 努力方向

目前，能直接快速测沙的直读式测沙仪器还不成熟，且应用附加条件较多。如OBS可以测量非常高的浓度（达到320g/L）的能力，但对这些仪器的高浓度测量的限制取决于颗粒粒径分布，在粘粒和粉砂浓度约为2g/L以下，砂粒浓度10g/L以下。再如声学方法后处理算式很复杂，需要对水体环境的水文特性如温度、盐度和压力进行补偿，以及对仪器特性如频率、功率和传感器设计进行补偿，故这一技术尚未投入常规使用，需要在多种条件下进行更多的测试。

尽管传统方法仍然是今后一段时期内使用且为比较可靠的方法，但泥沙巡测或在线监测需要探索新的技术和新的方法。数字光学照相成像技术可用于现场确定悬浮泥沙粒径和形状；压差式技术已经在美国实验室得到应用，在确定微小玻璃球形颗粒悬浮物的质量浓度时，给出了令人鼓舞的优于3%精度的结果。因此，要真正用于自动化在线监测的系统尚须总结经验，继续完善。要研究适合深水通信的数字传输方式以控制采样器。

此外，推移质泥沙测验项目的开展与研究相对较少，需加强资料短缺地区的勘测调查工作，包括方法和数量。

作者简介：陈松生（1963- ），男，教授级高级工程师，长江水利委员会水文局，联系地址：武汉市解放大道1863号，邮编：430010，电话：02782927530，E-mail：chenss@cjh.com.cn

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