黃河流域三門峽水文測(cè)區(qū)泥沙密度試驗(yàn)分析

劉亞奇，谷碩，郭菲，袁娜，盧洋

（1．黃河水利委員會(huì)水文局，河南鄭州450004；2．黃河口水文水資源勘測(cè)局，山東東營(yíng)257000；3．黃河水利委員會(huì)三門峽庫(kù)區(qū)水文水資源局，河南三門峽472000）

黃河流域三門峽水文測(cè)區(qū)泥沙密度試驗(yàn)分析

劉亞奇1，谷碩1，郭菲2，袁娜3，盧洋3

（1．黃河水利委員會(huì)水文局，河南鄭州450004；2．黃河口水文水資源勘測(cè)局，山東東營(yíng)257000；3．黃河水利委員會(huì)三門峽庫(kù)區(qū)水文水資源局，河南三門峽472000）

黃河流域三門峽水文測(cè)區(qū)地處黃河中下游，測(cè)區(qū)所轄水文站分布在晉、陜、甘、豫區(qū)間，是黃河流域多沙、粗沙區(qū)，也是治理黃河泥沙的重點(diǎn)區(qū)域。多年來(lái)，測(cè)區(qū)各水文站大多采用置換法推求泥沙水樣的沙重，泥沙密度值均取經(jīng)驗(yàn)值2．70 g／cm3。為了驗(yàn)證這一數(shù)值的準(zhǔn)確性，在1990～1995年試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，于2007年和2013年，在本測(cè)區(qū)黃河干流和重要支流的12個(gè)水文站和庫(kù)區(qū)取樣，進(jìn)行密度試驗(yàn)。通過統(tǒng)計(jì)分析，求出本測(cè)區(qū)黃河干流各站的泥沙密度值為2．71g／cm3、支流各站的泥沙密度為2．73g／cm3。

黃河流域；三門峽水文測(cè)區(qū)；泥沙密度；試驗(yàn)分析；測(cè)定方法

0 引言

多年來(lái)，黃河流域處理泥沙水樣均采用置換法。泥沙密度經(jīng)驗(yàn)值是該方法的基礎(chǔ)計(jì)算數(shù)據(jù)，其選用得是否合理，直接影響到泥沙顆粒分析資料和含沙量計(jì)算成果的可靠性。因此，了解本測(cè)區(qū)泥沙密度在年際間的變化情況、開展泥沙密度試驗(yàn)分析、驗(yàn)證多年來(lái)泥沙密度經(jīng)驗(yàn)值的準(zhǔn)確性至關(guān)重要。黃河水利委員會(huì)三門峽庫(kù)區(qū)水文水資源局為了求出三門峽水文測(cè)區(qū)的泥沙密度值，組織開展了該測(cè)區(qū)的泥沙密度值試驗(yàn)，累計(jì)試驗(yàn)數(shù)百次。筆者試對(duì)該測(cè)區(qū)泥沙密度試驗(yàn)的取樣、測(cè)定方法和結(jié)果進(jìn)行分析，以期供相關(guān)技術(shù)人員參考。

1 泥沙密度試驗(yàn)樣品的取樣及測(cè)定方法

1．1 取樣

泥沙密度是河流泥沙的主要物理特性之一。為了保證試驗(yàn)樣品具有廣泛的代表性，試驗(yàn)人員在1990～1995年試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，2007年先后在黃河干、支流12個(gè)水文站進(jìn)行取樣。這些樣品基本覆蓋了三門峽水文測(cè)區(qū)黃河干流河段及主要支流泥沙來(lái)源區(qū)。2013年，試驗(yàn)人員還在三門峽庫(kù)區(qū)和小浪底庫(kù)區(qū)深層取樣，進(jìn)行不同深度、不同方法泥沙密度測(cè)定。為了研究泥沙密度值的時(shí)空變化和年際間變化規(guī)律，在汛期和非汛期、洪水期和平水期以及斷面不同垂線位置進(jìn)行了不同年份、不同含沙量、不同粒度的取樣。這些措施保證了樣品的代表性［1］。

1．2 測(cè)定方法［2～3］

（1）所有試驗(yàn)樣品按照《河流泥沙顆粒分析規(guī)程》（SL 42－2010）中泥沙密度測(cè)定要求進(jìn)行測(cè)定，容器或量具選用50ml或100ml比重瓶和已知質(zhì)量的燒杯。

（2）將經(jīng)沉淀濃縮后的樣品分成2份以上，用加壓純水經(jīng)小漏斗將每份樣品注入比重瓶?jī)?nèi)。瓶?jī)?nèi)渾濁液不宜超過容積的2／3。樣品中沙量為15～20 g。

（3）將裝好樣品的比重瓶放在鋪著一層沙子的鐵板上。然后，放在電爐上煮沸，并不時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)比重瓶，經(jīng)15 min后，冷卻至室溫。

（4）將經(jīng)煮沸并冷卻至室溫的純水緩慢注入比重瓶中，水面達(dá)到適當(dāng)高度時(shí)，插上瓶塞，瓶?jī)?nèi)不得有氣泡存在。然后，用手指抹去塞頂水分，用毛巾擦干瓶身，稱瓶加渾水重后，拔去瓶塞，測(cè)定瓶?jī)?nèi)水溫。

（5）將稱重后的渾水倒入已知質(zhì)量的燒杯內(nèi)，放在鋪著一層沙子的鐵板上，蒸至無(wú)流動(dòng)水后，移入烘箱，在100～105℃的溫度下烘4～8 h。然后，在干燥器內(nèi)冷卻至室溫，并稱重（記至0．001 g）。稱得的質(zhì)量減去燒杯質(zhì)量，即得出干沙質(zhì)量。

（6）按公式（1）計(jì)算泥沙密度。

式中：ρs為泥沙密度，g／cm3；ρw為純水密度，g／cm3；ws為泥沙質(zhì)量，g；wws為瓶加渾水質(zhì)量，g；ww為與所測(cè)渾水同溫度下瓶加清水質(zhì)量，g。

（7）每個(gè)沉淀濃縮后的樣品均需分成2份以上進(jìn)行平行測(cè)定，取其相差不大于0．02 g／cm3的密度平均值作為密度測(cè)定成果。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2．1 泥沙密度實(shí)測(cè)結(jié)果

按照上述測(cè)定方法，通過對(duì)所取樣品進(jìn)行整理、統(tǒng)計(jì)、分析，得到相關(guān)泥沙密度結(jié)果，即三門峽水文測(cè)區(qū)各水文站實(shí)測(cè)泥沙密度變化范圍，如表1所示。

表1 三門峽測(cè)區(qū)各水文站實(shí)測(cè)泥沙密度變化范圍Tab．1 Variation range of actual measured sediment density in each hydrological station of Sanmenxia measurement area

由表1可知，測(cè)定的三門峽水文測(cè)區(qū)的泥沙密度變化范圍為2．62～2．80 g／cm3。經(jīng)統(tǒng)計(jì)計(jì)算，黃河干流平均泥沙密度為2．71 g／cm3，支流平均泥沙密度為2．73 g／cm3，密度值在2．71～2．74 g／cm3之間的泥沙樣品占總樣品數(shù)的79．2%。初步認(rèn)為，本測(cè)區(qū)黃河干流的泥沙密度值為2．71 g／cm3、支流的泥沙密度值為2．73 g／cm3，接近實(shí)際［4］。

2．2 干支流泥沙密度變化情況

從表1可知，黃河干流的泥沙密度變化范圍相對(duì)較小，為2．69～2．75 g／cm3。從黃河支流來(lái)看，馬蓮河自上游向下游的3個(gè)水文站（洪德、慶陽(yáng)、雨落坪）中，洪德站的泥沙密度為2．78 g／cm3，慶陽(yáng)站的泥沙密度為2．72g／cm3，雨落坪站的泥沙密度為2．71g／cm3，泥沙密度變化范圍為2．62～2．80 g／cm3；渭河自上游向下游的3個(gè)水文站（北道、咸陽(yáng)、華縣）中，北道站泥沙密度為2．76 g／cm3，咸陽(yáng)、華縣均為2．73 g／cm3，泥沙密度變化范圍為2．68～2．77 g／cm3。從馬蓮河和渭河兩條支流的泥沙密度變化情況可以看出，同一條河流，自上游向下游，泥沙密度值逐漸減?。煌粭l河流上不同位置的泥沙密度值變化較大。

總的看來(lái)，黃河支流的泥沙密度變化范圍為2．62～2．80 g／cm3。由于各條支流上各水文站的來(lái)沙范圍相對(duì)較小而集中，所以小區(qū)域范圍的泥沙密度代表性較強(qiáng)［5］。

2．3 泥沙密度年際變化

對(duì)龍門、華縣、雨落坪、楊家坪、潼關(guān)等站1990～2007年間不同年份的泥沙密度測(cè)定結(jié)果進(jìn)行整理分析，可以得出如下結(jié)論：黃河干流龍門、潼關(guān)及渭河華縣站1990～2007年間泥沙密度年際變化范圍較小，為2．70～2．73 g／cm3。這說(shuō)明，黃河干流及渭河泥沙密度值在年際間是比較穩(wěn)定的。支流涇河楊家坪和馬蓮河雨落坪等站的泥沙密度在年際間的變化范圍較大，為2．68～2．74 g／cm3。雨落坪、楊家坪站2007年的泥沙密度較以前有所增大，龍門、華縣等站基本持平。

2．2．3 泥沙密度與含沙量的關(guān)系

通過對(duì)潼關(guān)、龍門、三門峽、華縣、慶陽(yáng)、雨落坪等10個(gè)水文站取樣，進(jìn)行泥沙密度和含沙量的測(cè)定，結(jié)果如表2所示。

從表2可以看出，當(dāng)泥沙密度為2．72 g／cm3時(shí)，含沙量的變化范圍為4．53～775kg／cm3；當(dāng)泥沙密度為2．73g／cm3時(shí)，含沙量的變化范圍為4．85～359kg／cm3；當(dāng)泥沙密度為2．74 g／cm3時(shí)，含沙量的變化范圍為14．8～302 kg／cm3。可見，同一密度值，含沙量變化范圍很大，泥沙密度與含沙量之間沒有明顯的關(guān)系。河流泥沙變化規(guī)律還需進(jìn)一步探尋［6］。

表2 黃河部分水文站泥沙密度～含沙量測(cè)定結(jié)果表Tab．2 Sediment density and sediment concentration measurement results of partial Yellow River hydrological stations

2．4 泥沙密度與顆粒級(jí)配的關(guān)系

對(duì)龍門、潼關(guān)、洪德、賈橋、慶陽(yáng)、楊家坪、雨落坪、北道、三門峽、黃淤、華縣、秦安等12個(gè)水文站進(jìn)行泥沙密度和顆粒級(jí)配特征值的測(cè)定，結(jié)果如表3所示。

表3 泥沙密度～顆粒級(jí)配特征值（中數(shù)粒徑）測(cè)定成果表Tab．3 Sediment density and characteristic value of particle gradation(median particle size)measurement results

從多年泥沙密度與顆粒級(jí)配測(cè)定結(jié)果得出如下結(jié)論：一般情況下，較細(xì)泥沙樣品密度值偏大，較粗樣品泥沙密度值相對(duì)偏小一些。從表3可知，泥沙密度值最大的是馬連河洪德水文站，D50為4．0 um，泥沙密度為2．80 g／cm3；泥沙密度值最小的是黃河龍門水文站，D50為65．0um，泥沙密度為2．69g／cm3。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）黃河流域三門峽水文測(cè)區(qū)各水文站之間的泥沙平均密度值為2．62～2．80 g／cm3。經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析后，初步認(rèn)為，三門峽水文測(cè)區(qū)黃河干流的泥沙密度值為2．71 g／cm3，支流的泥沙密度值為2．73 g／cm3。

（2）泥沙密度值與含沙量大小沒有明顯的關(guān)系。

（3）各站同一垂線上不同測(cè)點(diǎn)的泥沙密度值大致相同。

（4）黃河干流泥沙密度年際間的變化不大，支流泥沙密度年際的變化相對(duì)較大一些。

（5）較細(xì)泥沙樣品密度偏大，較粗泥沙樣品泥沙密度相對(duì)偏小，對(duì)比測(cè)定結(jié)果均符合客觀分析規(guī)律。

（6）測(cè)定值不僅適用于黃河流域三門峽水文測(cè)區(qū)，而且有更廣泛的應(yīng)用價(jià)值，已在水利部《激光法與傳統(tǒng)法泥沙粒度分析相關(guān)關(guān)系研究及應(yīng)用》等項(xiàng)目中投入使用。

［1］王光謙．中國(guó)泥沙研究述評(píng)［J］．水科學(xué)進(jìn)展，1999（3）：337－344．

［2］SL42－2010，河流泥沙顆粒分析規(guī)程［S］．

［3］GB50159－92，河流懸移質(zhì)泥沙測(cè)驗(yàn)規(guī)范［S］．

［4］王愛霞．激光法與移液管法所測(cè)泥沙粒度及特征值的對(duì)比分析［C］／／陳五一．全國(guó)水文泥沙文選．成都：四川科學(xué)技術(shù)出版社，2007：102-105．

［5］和瑞莉，李靜，張石娃．黃河流域泥沙密度試驗(yàn)研究［J］．人民黃河，1999（3）：8－10．

［6］慕明清，李文平，董福新．黃河中游測(cè)區(qū)泥沙密度值試驗(yàn)研究［C］／／陳五一．全國(guó)水文泥沙文選．成都：四川科學(xué)技術(shù)出版社，2007：88-90．

[責(zé)任編輯 楊明慶]

Analysis on Sanmenxia Measurement Area Sediment Density Test of Yellow River Basin

Liu Yaqi1，Gu Shuo1，Guo Fei2，Yuan Na3，Lu Yang3
(1.Hydrographic Office of Yellow River Conservancy Commission，Zhengzhou 450004，Henan，China；2．Bureau of Hydrology and Water Resource of Yellow River Estuary，Dongying 257000，Shandong，China；3．Bureau of Hydrology and Water Resource of Sanmenxia Reservoir Area of Yellow River Conservancy Commission，Sanmenxia 472000，Henan，China）

Bureau of Hydrology and Water Resource of Sanmenxia reservoir area is located in the middle and lower reaches of Yellow River．The hydrologic stations of this area are distributed in Shanxi，Shaanxi，Gansu，Henan provinces．This area has much and coarse sand and is the key district to be treated．In many years，each hydrological station used the empirical value 2．70 g／cm3 as the sediment density and adopted the substitution method to get the sample water sand weight．In order to verify the value veracity，based on the tests from 1990 to 1995，it did several hundred density tests of sample sediment in reservoir and 12 hydrological stations of Yellow River main stream and important tributary in 2007 and 2013．According to the statistics analysis，it gets the sediment density value 2．71g／cm3 of Yellow River main streams and the sediment density value 2．73g／cm3 of Yellow River tributaries．

Yellow River basin；Sanmenxia measurement area；sediment density；test analysis；measurement method

TV14

A

10．13681／j．cnki．cn41－1282／tv．2017．03．002

2017-02-24

劉亞奇（1984-），男，陜西佳縣人，工程師，碩士，主要從事水利規(guī)劃計(jì)劃、水文水資源研究等工作。