水文现代化：推移质、河床质以及跃移质泥沙测试设备

除了悬移质泥沙测验仪器外，还有跃移质泥沙测验仪器、推移质采样器、河床质采样器。这些泥沙要素的测验也很重要，有些还非常重要。但是由于使用环境复杂，测验难度大，还没有能普遍应用的成熟产品，实际需要的应用也很少。

1.跃移质泥沙测验仪器

跃移质泥沙是介于悬移质泥沙与推移质之间的一种输沙，也被称为临底沙、底沙。随着流速的变化，临近河底0.1～0.3m的泥沙在流速大时成为悬移质。流速小时，沉降到河底成为推移质。而如果以推移质的形式存在，在垂线悬移质含沙总量中，这部分临底沙所占比重不可忽视。往往通过悬移质含沙量的测得值修正考虑临底沙的存在。

还没有专门的跃移质泥沙测验仪器。可以用横式采样器制成临底沙采样器，在贴近河底处采样。但在采样器关上口门时对水体扰动太大，尤其是在河底处，不能保证采集到有代表性的临底沙水样。积时式采样器的进水管口能采集到离河底0.1～0.15m处的水样，故可以用积时式采样器采集临底沙水样，但其体积较大，对水流状态影响较大，影响采集到临底沙水样的代表性。临底沙粒径较大，所用的积时式采样器要能适应这一情况，尤其是采样器的进水管径。

2.推移质泥沙采样器

推移质是一种沿河床运动的输移泥沙，它的运动呈间歇性，呈沙波、波纹或窄带状运动。很难通过精确采样来测定河流断面推移质的运动速度。也很难确定和校核估算推移质的理论方法。这使得推移质采样器的性能难以准确评估。

按推移质的组成，可以分为沙质、砾石、卵石推移质，也会有混合型的沙砾石、砾卵石推移质。相应的推移质采样器分为沙质（沙砾质）和卵石推移质采样器。

测量推移质的方法分为器测法和其他方法两大类。器测法使用推移质采样器，它分框式采样器、差压式采样器、槽式或坑式采样器三类。

（1）推移质泥沙采样器的工作原理和技术要求。

1）推移质泥沙采样器的工作原理。推移质泥沙测验的目的是要测量断面（河底）上的推移质泥沙的输沙率。输沙率的测量，可以测量单位时间通过断面的推移质泥沙质量，也可以测量单位时间通过断面的推移质体积，然而再转换为质量。

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和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。

2）推移质泥沙采样器的技术要求。为了满足在河道某点取得的样品能真实的反映该点推移质的情况，理想的推移质采样器必须满足下列14项技术要求：①采样效率应经过校准；②其设计应能将对正常推移质运动的扰动降至最低。特别是采样口处要避免局部冲刷而引起的冲沙坑；③采样口较低的一边应与河床持久的接触；④不管河水流速是多少，采样口处的进水流速都应和该采样点周围的水流速近似相等，这是避免产生较大采样误差的非常重要的问题；⑤采样口应一直正对水流方向，所采的样品以平行于采样点流速的方向流入专门设计的采样容器；⑥采样器口不能处于由于提升采样器和操作传动设备而引起的水流紊动范围。尽量减少流线的紊动，尤其是在采样口处；⑦采样器应只采集以推移质运动的颗粒而不应有悬移泥沙的混合；⑧采样器既要轻便，又要有足够的重量以减少由于水流对悬索的冲击而造成的各种影响；⑨采样器设计要简单、结构坚固，维护少，并且要操作方便；⑩在不同的河床构造上，都能方便地采集到代表性好的样品；容易将采样器中的样品放进容器中带回实验室；采集的样品量能满足确定泥沙质量和颗粒级配的需要；采样器的采样效率和合理时间段内的采样时间无关；采样器的采样效率和推移质颗粒的大小和流速无关。

（2）框式推移质采样器。这种采样器有一扁平形长方体的金属框架，其一面是敞开的采样口门，其余五面用金属丝网围住，底面可以是一金属板也可以是金属网。具有纵尾翼和一定重量，使采样器能稳定地放在河底，采样口门的一面正对水流。

这类国外早期发展的采样器结构简单，很少考虑水力学特性，刚性的口门框架又只能用于沙质河床，使用得很少，国内没有直接使用过。

我国的卵石推移质采样器是一种改进的框式采样器，适用于卵石推移质采样，主要在长江上游山区河流中使用。这种框式卵石推移质采样器的口门为矩形，前后口门宽度一致。采样器底部是小铁环编成的软形铁网兜，口门下框没有刚性横梁，使得口门下部的铁网兜可以自然地紧贴卵石河床。采样器后部有纵尾翼，采样器上有配重。山区河流的卵石推移质直径可达数十厘米，不能使用其他采样器。

（3）压差式推移质采样器。包括工作原理和结构的介绍。

1）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挡板、固定在出口处的网兜、或者是专门设计的收集室。

2）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。

（4）推移质采样器产品。包括沙推移质、卵石推移质和砾、卵石推移质采样器介绍。

1）Y901型沙推移质采样器。这是一种压差式沙推移质样本采集器，其特点是利用进口面积和出口面积的水动压力差，增大器口流速，使器口流速和天然流速接近，达到能采集到有代表性的天然样本的目的。其技术性能是。适用范围：流速≤3m/s、水深≤30m、床沙粒径≤2mm的冲积性河流；进口面积：100mm×100mm；出口面积：200mm×90mm；有效最大积沙量：15kg；采样器质量：200kg。Y901型沙推移质采样器外形如图2.93所示。

图2.93　Y901型沙推移质采样器

图2.94　Y64型卵石推移质采样器

2）Y64型卵石推移质采样器。这是一种用于采集卵石推移质的专用采样器，适用于山区较大河流。其口门较大，宽为500mm，没有口门开关。为了能较好地贴紧河床，采样器底部是一金属环编成的软兜，采样时自动“铺”在河底。卵石推移质可能体积很大，该采样器仅以采得推移质为主要目的，不考虑其他因素，所以也比较简单。Y64型卵石推移质采样器如图2.94所示。这种推移质采样器已使用很多年，适用于高流速，较大水深的河流，可采集10mm以上的卵石推移质，曾采集到300mm以上的卵石推移质。

3）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。

AYT—300型砾、卵石推移质采样器的技术指标是。适用范围：流速≤5m/s、水深≤40m、推移质粒径2～250mm的卵石夹沙及砾、卵石；口门宽：300mm，软底网；承样袋：2mm孔径尼龙网袋；仪器尺寸：总长1800mm、总高438mm、器身长900mm；采样器质量：350kg。

这种采样器是用来采集粒径2mm以上推移质的，以填补以上两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。

4）国际标准中列举的压差式采样器。国际标准列举了阿纳姆（Avnhem）、海尔—史密斯（Helle y-Smith）推移质采样器。

a.阿纳姆（Avnhem）推移质采样器（图2.95）。

阿纳姆（Avnhem）或称为荷兰（Dutch）采样器有一刚性的矩形入口，由一橡胶颈状接头连接孔径为0.2～0.3mm的网兜。虽然采样效率也会有变化，但是一般都在70%左右。

b.海尔—史密斯（Helle y-Smith）推移质采样器（图2.96）。

该推移质采样器是一种压差式采样器，适用于粒径范围为0.5～16mm的推移质。但实验表明其采样效率随粒径大小和输沙率的不同变化很大。

图2.95　阿纳姆（Avnhem）推移质采样器

图2.96　海尔—史密斯（Helley-Smith）推移质采样器（单位：mm）

（5）槽式或坑式推移质采样器。这种类型的采样器是一种敞口的长方槽，按一定间隔埋在断面的河底，敞口和河底相平。也可以在河底建筑固定的坑槽，用作测验。推移质物质经过它们时会落入槽或坑中。定期（或者连续）地将沉积物取出，分析以确定输沙量和颗粒级配。我国基本不使用这种方法，国外也主要用于试验性测量。

（6）测量推移质的其他方法。国际标准中还列举了差测法、沉淀法、沙丘追踪法、遥测法、示踪法等方法。这些方法应用极少，测量的准确性较差，测量难度大，也不会在水文站上推广应用。

3.河床质采样器

河床质采样器用来采集河床表层河床质，最终目的是确定河床质的颗粒级配分布。故应能采集到河床质的完整沙样，采集过程中不应造成细粒的损失，更不应造成结构成分的损失。但河床质采样器一般只应用于沙质、淤泥和小砾石河床，不适用于较大卵石的河床。

河床质采样器应用很少，几乎没有正式产品。实际测验中，都因地制宜地采用简单方法采集河床质。但河床质采样器的种类很多，这里按国际标准的内容简要介绍主要类型。(www.xing528.com)

国际标准将河床质采样器分为手持式采样器、轻型远距离操纵采样器、远距离机械操纵采样器。它们都包括床面采样器和芯式采样器两类。另外还有表层采样器、泥浆采样器。

（1）手持式采样器。手持式采样器属于轻型设备，主要由一个人涉水操作。手持式采样器包括手持床面采样器和手持芯式采样器两类。

1）手持床面采样器。手持床面采样器包括圆柱采样器、管式戽斗采样器、袋式戽斗采样器。

a.圆柱采样器。圆柱采样器由一个金属圆筒组成。采样时，圆筒插入河床表层，围住被采面积，凭借自身的重量抵住水流。使用挖掘工具来取出带有沙样的采样器，圆筒有助于减少沙样中的细粒受到的冲刷。本方法采到的是扰动沙样，采集深度约为河床的0.1m。

图2.97　装有铰链盖板的管式戽斗采样器

b.管式戽斗采样器。管式戽斗采样器由一段管子组成，管子的一端封闭，另一端斜截成切削口，在管顶安装一涉水持杆。一个带铰链的盖板装在戽斗切削口的上面，盖板用绳子开启，利用弹簧关闭。装有铰链盖板的管式戽斗采样器如图2.97所示。将管式戽斗放入水中沿着河床推进，拉开盖板进行采样，而后立即关闭，以减少对沙样的冲刷。本方法采到的是扰动沙样，一次采集量达3kg，采集深度约为河床的0.05m。

c.袋式戽斗采样器。袋式戽斗采样器由一个带有帆布口袋的金属圈和一根拉杆组成，拉杆与戽顶（金属圈）相连。使用时，将金属圈用力放插入河床并向上游拖曳，直到口袋装满为止。当采样器提起时，袋口会自动封闭。本方法采到的是扰动沙样，一次采集量达3kg，采集深度约为河床的0.05m。

2）手持芯式采样器。手持芯式采样器由人工手持操作，可以取得较深处的河床床芯。包括插入型或锤入型取样器和取样盒、冰冻芯式采样器。

a.插入型或锤入型取样器和取样盒。整套设备包括直径达150mm的金属或塑料取样器和边长达0.25m的取样盒。使用时，将圆柱式或盒式取芯器用力插入或锤入河床，然后掘取并提出沙样。可采用下列一种或多种方法来确保沙样采集成功：在取样器或取样盒下面插入一块板后再提出。在沙样上面制造一个“真空”状态：可以在取样器或取样盒插入河床后，沙样上面被水充满的空间可通过旋紧盖帽来封死，这样，在提出收回时就形成了一个真空，插入型或锤入型芯式采样器如图2.98所示。

图2.98　插入型或锤入型芯式采样器

还有的产品在圆筒内加上一个活塞，这样在活塞之下就能形成一个“真空”，在采样器提出河床时有助于保持圆筒内的沙样；在圆柱形取样器的圆筒底部安装一组灵活的不锈钢花瓣状薄片组成的取芯捕集器，构成一个简单的机械单向控制装置，使得沙样只能进入圆筒，不能退出，有利于沙样采集。

使用本方法虽然颗粒总量不会受损，但沙样的组成和结构受到干扰。其最大穿透深度大约可达0.5m。

b.冰冻芯式采样器。冰冻芯式采样器用人工强制冷冻方法冻结圆筒内的沙样，以利整体取出。一般很难应用这种设备。

（2）轻型远距离操纵采样器。这些采样器既可用手操作，又可在测船上使用。它们也包括床面采样器和芯式采样器。

1）床面采样器。包括管式戽斗和袋式戽斗采样器、拖拉铲斗式采样器、轻型90°闭角抓斗式采样器、轻型180°闭角抓斗式采样器。

a.管式戽斗和袋式戽斗采样器。管式戽斗和袋式戽斗的构造分别与手持式中描述的一样。不过可能大一些、杆子长些，戽斗上的拉杆可长达4m。

本方法采到的是扰动沙样，一次采集量达3kg，采集深度大约可达河床的0.05m。只适用于水深小于4m和流速小于1.0m/s的河道。在使用中，必须将测船抛锚停泊。

b.拖拉铲斗式采样器。拖拉铲斗式采样器如图2.99所示。采样器由一个重型铲斗或一个圆筒组成，圆筒的一端带喇叭形切边，另一端是一个存样容器。拖拉绳索连接在圆筒切边端的枢轴中心点。

使用时把设备放入河床，测船顺着水流缓慢移动而将其拖拉。一定的重量附加到拉绳上，以确保切边与河床接触。

图2.99　拖拉铲斗式采样器

本方法采到的是扰动沙样，一次采集量达1kg，采集深度约为河床的0.05m。

c.轻型90°闭角抓斗式采样器。这种采样器和装卸沙料的起重机抓斗一样，抓斗用绞车放下河底，抓斗在到达河底前始终打开。碰到河床后，抓斗合拢，抓采河床质。本方法采到的经常是相对不受扰动的沙样，一次采集量达3kg，采集深度约为河床的0.05m。

d.轻型180°闭角抓斗式采样器。这种采样器如图2.100所示。在流线型平底外罩舱内，安装能在枢轴上转动的半圆筒抓斗和弹簧。当抓斗转入舱内时，弹簧绷紧。触及河底后，绳索一松，弹簧使抓斗转动关闭，转动中挖取河床质采样。采样器重量约为15kg。本方法采到的是扰动沙样，一次采集量达1kg，采集深度约为河床的0.05m。

2）取芯式采样器。这类采样器与手持式大致相同，只是大一些、杆长些。采样器要在前后抛锚停泊的船上使用。对非黏性河床质没有扰动，但对黏性河床质会引起结构断裂。取芯器最大采集深度约为0.5m，每深入0.1m其采集量可达1.5kg。这类采样器很难用于流速大于1.5m/s的河道。

（3）远距离机械操纵采样器。为了要在河床表面或某一深度处采集较多沙样，或者要在大流速（＞1.5m/s）条件下采样，必须应用一些重型设备。在大小合适的船上（＞5m长）装上转臂起重机和绞车，通常无法在水深小于1.2m的河道上工作。

1）床面采样器。包括泊船挖掘器、重型90°闭角抓斗式采样器和重型180°闭角抓斗式采样器。

a.泊船挖掘器。泊船挖掘器是较大的袋式戽斗采样器，如图2.101所示，它由一段直通的圆筒或矩形盒组成，圆筒的直径或矩形盒的边长可达0.5m。一根牵引杆安装在开口处，用测船牵引在河底采样。本方法采到的是扰动沙样，一次采集量可达0.5t，采集深度约为河床的0.1m。

b.重型90°闭角抓斗式采样器。在结构上和轻型90°闭角抓斗式采样器一致，但稍大一些。相对而言，本方法经常采到的是无扰动沙样，这套设备采集深度约为0.15m，采集面积可达0.1m2。

图2.100　轻型180°闭角抓斗式采样器

图2.101　泊船挖掘器

c.重型180°闭角抓斗式采样器。这些采样器是轻型180°闭角抓斗式采样器的式样放大。本方法采到的是扰动沙样，这套设备采集深度约为0.1m，采集面积可达0.05m2。

2）芯式采样器。这类采样器分为自重式采样器和自重架式采样器，使用圆形取芯管、方形取芯盒，利用重力使圆形取芯管、方形取芯盒穿入河床，有铅砣加重系统。根据主要基质的坚硬程度和需要达到的穿透深度来确定所需铅砣重量，最大可到1.0t。一般安装取芯器帮助取样。

自重式采样器在较大测船上使用，使用时将采样器下降到距河床一定距离处，让它自由落下，穿入河床。然后，取芯器绞取河床质，采集量的多少依据取芯器和阀门下设定的“真空”量。在取回时必须垂直拉起，所以船也必须抛锚停泊。

自重架式采样器的基本构造与自重式采样器一样，只是添加了一个引导构架，它包括一个锥形垂直构架和一个环形水平构架。在采集前，构架支撑在河床上，可引导取芯管盒垂直地进入沉积层。

振动式采样器具有与架式采样器同样的结构，只是在取样管顶端多一个电子振动器，以便增加对沙石层的穿透力。需要一条电力控制缆将取样管连接到装在船上的电源和控制开关。在所有的采样技术中，这一方法在砂岩质和砂砾沙质河床上具有最好的穿透力。

（4）表层采样。如果有一层砂砾罩住了细小的河床质，那么就需要应用表层采样技术对这一保护层进行采样，再用常规的采样技术采集下面的河床质。

（5）泥浆采样器的选择。对泥浆采样要尽可能的快，并应保持样品结构的完整和它的孔隙含水率。

自重方形取芯盒和自重架式方形取芯盒可以提供最小的结构断裂和有效的闭合。