泥沙蒸发水质墒情(南京水利水文自动化研究所姚永熙)

三、泥沙测验仪器蒸发观测仪器水质自动监测仪器墒情自动测量仪器泥沙测验仪器泥沙测验仪器的分类•悬移质泥沙测验仪器悬移质采样器——采取含沙水样自动悬移质测沙仪——在水中直接测得含沙量•推移质采样器•河床质采样器•室内用的泥沙分析仪器悬移质采样器悬移质采样器分为瞬时式和积时式两大类。理想的悬移质采样器必须达到悬移质采样器标准要求。主要关键是：•能采集到流态不受扰动，进口流速与天然流速一致，并克服泥沙脉动影响的水样；•仪器能适用于各种水文测验设施，并具有综合测验功能，最好能一次性完成输沙率测验任务。•应该优先使用积时式采样器。积时式采样器简介•积时式采样器是采集江河水体中某一时段内悬移质泥沙水样的仪器。都具有一个小口径的进水管口，采样时进水管正对水流，水流入采样器内。由于进水管径很小（只有几毫米），所以采样历时要经过几十秒至几分钟。采得的水样克服了泥沙脉动的影响。•积时式采样器按工作原理分为瓶式、调压式、皮囊式；按测验方法分为积点式、双程积深式，单程积深式；按结构形式分为单舱式、多舱式、转盘式；按仪器重量分可从手持式3kg重到能适用于深水、高流速大江大河的近1000kg重；按控制进水口门开关的方式有机械控制阀门与电控阀门，电控阀门又分为有线控制与缆道无线控制等。•已有各类产品。但调压式、皮囊式采样器没有普遍应用。调压式采样器•由于瓶式采样器只能用双程积深法取样，不能采集到任意测点的水样，这种采样器与理想采样器的要求差距较大。因此，一直在研究较为理想的积时式采样器。•调压式采样器是在瓶式采样器的基础上，增设自动调压设备和阀门控制的一种积时式采样器。•我国从20世纪50年代末开始试验研究调压式和皮囊式采样器（皮囊式采样器也是调压式的一种），70年代末研制成功几种调压式采样器，到80年代逐步完成系列产品，至今仍在不断发展，但发展较慢。皮囊式采样器也是一种调压积时式采样器。具有结构简单、无需设置专门的调压装置、操作方便、可靠性高、现场可以更换取样舱(皮囊）、进口流速系数稳定等优点，容易得到应用。皮囊式采样器采用软性乳胶皮囊作取样容器。皮囊内是取样舱，皮囊外与水体直接相通的仪器舱是调压舱。在仪器入水前，将乳胶皮囊内空气排净。入水后，利用柔软乳胶皮囊具有弹性变形和良好的压力传导作用的特点，乳胶皮囊自动调节取样容积，始终保持皮囊内外压力平衡，达到瞬时调压的目的。皮囊式采样器关于水样进口流速与天然流速比值系数问题（进口流速系数）•采样器进水管内的水样进口流速与天然流速之比称为进口流速系数，用K表示，K应等于1。•进口流速系数误差在流速为0.5～5.0m/s，含沙量在30kg/m3条件下，应有75%的累计频率，达到±10%，即K=0.9～1.1；•当含沙量在30～100kg/m3时，应有75%的累计频率达到±20%，即K=0.8～1.2左右。（k更易偏小）•用实测方法计算进口流速系数K。将采样器放到某一测点，用进水开关控制采样时间。用采样器采得的水样（体积）、采样历时、进水管口径计算进水管内的水样进口流速。用流速仪测量采样器处的天然流速。从而计算进口流速系数K。自动悬移质测沙仪简介•自动悬移质测沙仪都能自动测得水中的悬移质含沙量，可以在水中工作较长时期，它们的输出数据或信号能自动转换为水中的悬移质含沙量，能够接入专用仪器、计算机、遥测终端机，可以远距离传输。这样的仪器有：——光电测沙仪——振动测沙仪——同位素测沙仪——超声波测沙仪•这些仪器处在不同的发展阶段，有各自可能的适用范围和特点，但均未在国内水文测验中正式使用。在国外，这些仪器用于水文测验的正式产品也不多。•利用各种遥感方法也可以估测水中的含沙量，如利用光谱反射法测量海面、湖面较大范围的水域表层含沙量。还有悬沙图像分析仪，可以在水下拍摄图像，分析得到含沙量和粒径级配。光电测沙仪的工作原理•光线通过浑浊的液体时，因浑浊度不同，光强度会有不同程度的减弱。测出光线减弱量，再根据传输距离等影响因素，就可以计算出液体的浊度。•在很多场合，天然水体中的泥沙含量是决定浊度的唯一因素。如果泥沙含量和浊度之间有稳定的关系，就可以用测量浊度的方法来测得含沙量。•光线在水中的衰减与下列因素有关：•L——光程，光线在液体介质中通过的路程；•K——吸收系数，某种介质相对于光线的特性；•C——含沙量，水中悬移质含沙量；•d——悬移质平均粒径；•r——悬移质容重。•可以用下式估算光的衰减：•式中：透过介质后的光通量；•透过介质前的原光通量。•由上式，可以在测得光通量后，根据已知的L、r，再根据率定所得的K和d，计算得出含沙量C。•实际生产的仪器多数使用红外光或激光。•大量仪器还是通过实际率定来确定含沙量和测得光通量之间的关系的。rdKLCe2/30rdKLCe2/300光电测沙仪的性能和应用•准确性分析•由公式可知，泥沙容重r、泥沙直径d、吸收系数k都不是定值，泥沙直径的影响不可忽视。此类仪器可以用来测量泥沙平均直径就是一很好的说明。所以光电测沙仪的准确度较差。不适用于较大泥沙含量。•上述典型产品原来只用于1kg/m3的含沙量，并限于在30μm的泥沙的粒径时。由于陆地水文测验的需要，已有这类仪器的改进型，可以测较大含沙量，可以适用于较低含沙量的江河。原仪器的含沙量测量误差可达±20%。•特点和应用•光电测沙仪能自动长期工作，自动测量含沙量，测量速度很快，测得数据可以很方便地长期存贮和供自动传输。•一般讲，只能应用于低含沙量、较稳定的泥沙粒径、较大的允许误差时。长期使用时，一定要保持光学传感器表面的洁净。超声波测沙仪的工作原理•超声波在水中传播时，能量将不断衰减。可以用下式表示其衰减规律：•式中：为原振幅；•为超声波传输到距离声源x处的振幅；•x为超声波传输的距离；a为声波衰减系数；•声波衰减系数是由纯水和水中含沙量二部分衰减系数组成的。由含沙量决定的声波衰减系数还受泥沙粒径、容重、泥沙粘性等因素影响。泥沙容重、粘性变化较小，如果粒径较稳定，就可以找出泥沙含量和声波衰减的关系。测得超声波衰减量和水中的泥沙含量。•可以应用声学多普勒原理测量水中的含沙量。应用ADCP测量流速剖面的同时，接收的声学回波也提供了水中含沙量的定性分布信息。•已有对国外仪器的试验试用。•由于它适用于高含沙量测量，在工业上有相应的测量泥浆浓度的产品。axoxePPPxP同位素测沙仪的工作原理•同位素测沙仪利用γ射线通过物质时的能量衰减原理测量被测物质的密度，从而测得含沙量。•放射性物质能放射出α、β、γ射线，γ射线波长短、穿透能力强。它通过物质时与其它光通过物质时的衰减情况类似，衰减情况可按指数规律计算。如入射γ射线强度为I0，穿过水体厚度为L，透过水体后的射线强度为I，则：••式中：R——γ射线在水体中的质量衰减系数；•ρ——水体密度。•此式与超声波测沙的计算公式类似，说明这二类仪器的工作原理是相近的。•质量衰减系数R受光电效应、康普顿散射和电子偶效应影响，由此三部分影响分别形成的三种质量衰减系数R1、R2、R3组成。此三种质量衰减系数相互独立、互不影响，且R=R1+R2+R3。仪器相应的R值可以经测试后确定。测得γ射线通过水体后的强度I，由已知的I0和R，就可以由下式计算水体密度：•)(10IILnRLLReII0同位素测沙仪的性能和应用1．技术性能•同位素测沙仪能适应0.5～1000kg/m3的大含沙量范围，也能适应较大的流速。但在水文测验中尚无典型产品。工业应用多。•2．准确性分析•同位素测沙仪计算公式中的三个分量并不相互影响，也较稳定。更重要的是它们受泥沙颗粒大小、容重、粘性的影响很小。所以由测得的γ射线强度I计算得到的含沙量较稳定准确。•国内在上世纪六十年代有过成功的实际应用，能够达到泥沙测验的要求。•3．特点和应用•同位素测沙仪工作性能较稳定，测量准确度也较好，这是一种较好的自动测沙仪器。含沙量太低时，测量误差较大。•同位素测沙仪必须使用放射源。在放射源对人体保护、环境影响方面，在放射源的保管、应用、处理方面有很多问题。目前放射源的剂量很小，仪器的保护越来越完善，对人体健康、环境很安全。同位素测沙仪应该有较好的应用前景。振动测沙仪测沙原理振动测沙仪是一种密度传感器，其核心部分是一根利用特种材料制成的空心振动管。它的固有振动频率随着流经振动管内水体密度的变化而变化。充满水体的振动管的固有振动频率可用下式计算：••式中：an——振动管二端紧固梁的固有频率系数；•E——振动管材料的弹性模量；I——振动管惯性距；•L——振动管的有效长度；AS——振动管材截面积；•ps——振动管材密度；•A——流经振动管内被测液体的截面积；•p——被测液体（水体）的密度。•仪器设计制作定型后，除水体密度外，上述各量均为定值，水体密度和振动管固有振动频率为单值函数，可以由振动管振动频率推求水体密度以及含沙量。4)(2LAAEIafSSnnaS振动测沙仪的特点和应用——振动测沙仪没有可动部件，也没有与水体接触的发送接收传感器，与水体接触的振动管只是一个水流通道，所以它能长时期自动工作。测量速度也很快。使得这种测沙仪可以作为一种自动监测仪器应用。•——影响仪器测沙性能和稳定性的因素较多。使用前要确定并置入泥沙密度值；长期应用时要注意定期调整，以保证测沙准确性。•——振动管内腔是一细长型管道，含沙水流流经时很可能产生泥沙残留淤积。一旦发生泥沙淤积，将严重影响测沙准确性。在长期使用时，在不同测量环境下，很有可能发生淤积问题。这是影响振动测沙仪能否长期自动工作的主要因素。•——在工业上用来测量管道（或抽入仪器）中的泥浆、粉浆的密度，浓度都比较大。更多地用于各种溶液密度的测量。。•——水文上还没有较广泛地应用。该类仪器可以用于中高含沙量的直接测量，能否用于定点的长期自动测沙要视所用产品的性能而定。推移质、河床质采样器和跃移质泥沙测验仪器推移质泥沙采样器•器测法－差压式推移质采样器框式推移质采样器坑式采样器•其它方法－国际标准中列举了差测法、沉淀法、沙丘追踪法、遥测法、示踪法等方法推移质泥沙采样器的工作原理•推移质泥沙采样器都具有一固定宽度的口门，放到河底后，能稳定地紧贴河底。推移质泥沙通过口门进入采样器的泥沙收集器，经过一预定的时间后，提起采样器，根据采集到的推移质质量，口门宽度、采样历时计算出断面上该点的河底单位宽度、单位时间的推移质输沙率。然而再根据采样器效率（如果知道的话）、断面上各测量点推移质输沙率推求整个断面推移质输沙率。•压差式推移质采样器压差式推移质采样器的工作原理•压差式采样器适用于沙质、小砾石河床。从进口口门向后，采样器的横断面逐步扩张，后部形成负压，使流速减慢，有利于进入采样器的推移质泥沙滞留在采样器的泥沙收集器内。泥沙收集器的结构可能是底部的一些档板、固定在出口处的网兜、或者是专门设计的收集室。压差式推移质采样器的结构•压差式推移质采样器由口门、泥沙收集器、带配重和尾翼的器身组成。•国外的采样器对口门不加控制，一直敞开。我国的一些压差式推移质采样器增加了口门开关板，对采样器内部横断面的逐步扩张也有所研究，采用一些弧形顶板等，使采样器内水流平顺。有利于采样效率的稳定。AYT-300型砾、卵石推移质采样器•AYT-300型采样器是一种压差式砾、卵石推移质样本采集器，其特点是利用进口面积与出口面积的水动压力差，增大器口流速，使器口流速与天然流速接近，达到采集天然样本的目的。•技术指标•（1）适用范围：流速≤5m/s、水深≤40m、推移质粒径2mm～250mm的卵石夹沙及砾、卵石；•（2）口门宽：300mm；软底网•（3）承样袋：2mm孔径尼龙网袋；•（4）仪器尺寸：总长1800mm、总高438mm、器身长900mm；•（5）采样器质量：350㎏。•这种采样器是用来采集粒径2mm以上推移质的，以填补上二种采样器的适用范围空档。使用软底网以贴紧河床，用尼龙网袋承集所采推移质样品。室内泥沙颗粒分析仪器•人工分析方法：•筛分法、沉降法、吸管法。•自动分析方法（光电颗粒分析技术）。•——浑匀沉降消光法。•