黄河流域三门峡水文测区泥沙密度试验分析

刘亚奇，谷硕，郭菲，袁娜，卢洋

（1．黄河水利委员会水文局，河南郑州450004；2．黄河口水文水资源勘测局，山东东营257000；3．黄河水利委员会三门峡库区水文水资源局，河南三门峡472000）

黄河流域三门峡水文测区泥沙密度试验分析

刘亚奇1，谷硕1，郭菲2，袁娜3，卢洋3

（1．黄河水利委员会水文局，河南郑州450004；2．黄河口水文水资源勘测局，山东东营257000；3．黄河水利委员会三门峡库区水文水资源局，河南三门峡472000）

黄河流域三门峡水文测区地处黄河中下游，测区所辖水文站分布在晋、陕、甘、豫区间，是黄河流域多沙、粗沙区，也是治理黄河泥沙的重点区域。多年来，测区各水文站大多采用置换法推求泥沙水样的沙重，泥沙密度值均取经验值2．70 g／cm3。为了验证这一数值的准确性，在1990～1995年试验的基础上，于2007年和2013年，在本测区黄河干流和重要支流的12个水文站和库区取样，进行密度试验。通过统计分析，求出本测区黄河干流各站的泥沙密度值为2．71g／cm3、支流各站的泥沙密度为2．73g／cm3。

黄河流域；三门峡水文测区；泥沙密度；试验分析；测定方法

0 引言

多年来，黄河流域处理泥沙水样均采用置换法。泥沙密度经验值是该方法的基础计算数据，其选用得是否合理，直接影响到泥沙颗粒分析资料和含沙量计算成果的可靠性。因此，了解本测区泥沙密度在年际间的变化情况、开展泥沙密度试验分析、验证多年来泥沙密度经验值的准确性至关重要。黄河水利委员会三门峡库区水文水资源局为了求出三门峡水文测区的泥沙密度值，组织开展了该测区的泥沙密度值试验，累计试验数百次。笔者试对该测区泥沙密度试验的取样、测定方法和结果进行分析，以期供相关技术人员参考。

1 泥沙密度试验样品的取样及测定方法

1．1 取样

泥沙密度是河流泥沙的主要物理特性之一。为了保证试验样品具有广泛的代表性，试验人员在1990～1995年试验的基础上，2007年先后在黄河干、支流12个水文站进行取样。这些样品基本覆盖了三门峡水文测区黄河干流河段及主要支流泥沙来源区。2013年，试验人员还在三门峡库区和小浪底库区深层取样，进行不同深度、不同方法泥沙密度测定。为了研究泥沙密度值的时空变化和年际间变化规律，在汛期和非汛期、洪水期和平水期以及断面不同垂线位置进行了不同年份、不同含沙量、不同粒度的取样。这些措施保证了样品的代表性［1］。

1．2 测定方法［2～3］

（1）所有试验样品按照《河流泥沙颗粒分析规程》（SL 42－2010）中泥沙密度测定要求进行测定，容器或量具选用50ml或100ml比重瓶和已知质量的烧杯。

（2）将经沉淀浓缩后的样品分成2份以上，用加压纯水经小漏斗将每份样品注入比重瓶内。瓶内浑浊液不宜超过容积的2／3。样品中沙量为15～20 g。

（3）将装好样品的比重瓶放在铺着一层沙子的铁板上。然后，放在电炉上煮沸，并不时转动比重瓶，经15 min后，冷却至室温。

（4）将经煮沸并冷却至室温的纯水缓慢注入比重瓶中，水面达到适当高度时，插上瓶塞，瓶内不得有气泡存在。然后，用手指抹去塞顶水分，用毛巾擦干瓶身，称瓶加浑水重后，拔去瓶塞，测定瓶内水温。

（5）将称重后的浑水倒入已知质量的烧杯内，放在铺着一层沙子的铁板上，蒸至无流动水后，移入烘箱，在100～105℃的温度下烘4～8 h。然后，在干燥器内冷却至室温，并称重（记至0．001 g）。称得的质量减去烧杯质量，即得出干沙质量。

（6）按公式（1）计算泥沙密度。

式中：ρs为泥沙密度，g／cm3；ρw为纯水密度，g／cm3；ws为泥沙质量，g；wws为瓶加浑水质量，g；ww为与所测浑水同温度下瓶加清水质量，g。

（7）每个沉淀浓缩后的样品均需分成2份以上进行平行测定，取其相差不大于0．02 g／cm3的密度平均值作为密度测定成果。

2 试验结果分析

2．1 泥沙密度实测结果

按照上述测定方法，通过对所取样品进行整理、统计、分析，得到相关泥沙密度结果，即三门峡水文测区各水文站实测泥沙密度变化范围，如表1所示。

表1 三门峡测区各水文站实测泥沙密度变化范围Tab．1 Variation range of actual measured sediment density in each hydrological station of Sanmenxia measurement area

由表1可知，测定的三门峡水文测区的泥沙密度变化范围为2．62～2．80 g／cm3。经统计计算，黄河干流平均泥沙密度为2．71 g／cm3，支流平均泥沙密度为2．73 g／cm3，密度值在2．71～2．74 g／cm3之间的泥沙样品占总样品数的79．2%。初步认为，本测区黄河干流的泥沙密度值为2．71 g／cm3、支流的泥沙密度值为2．73 g／cm3，接近实际［4］。

2．2 干支流泥沙密度变化情况

从表1可知，黄河干流的泥沙密度变化范围相对较小，为2．69～2．75 g／cm3。从黄河支流来看，马莲河自上游向下游的3个水文站（洪德、庆阳、雨落坪）中，洪德站的泥沙密度为2．78 g／cm3，庆阳站的泥沙密度为2．72g／cm3，雨落坪站的泥沙密度为2．71g／cm3，泥沙密度变化范围为2．62～2．80 g／cm3；渭河自上游向下游的3个水文站（北道、咸阳、华县）中，北道站泥沙密度为2．76 g／cm3，咸阳、华县均为2．73 g／cm3，泥沙密度变化范围为2．68～2．77 g／cm3。从马莲河和渭河两条支流的泥沙密度变化情况可以看出，同一条河流，自上游向下游，泥沙密度值逐渐减小；同一条河流上不同位置的泥沙密度值变化较大。

总的看来，黄河支流的泥沙密度变化范围为2．62～2．80 g／cm3。由于各条支流上各水文站的来沙范围相对较小而集中，所以小区域范围的泥沙密度代表性较强［5］。

2．3 泥沙密度年际变化

对龙门、华县、雨落坪、杨家坪、潼关等站1990～2007年间不同年份的泥沙密度测定结果进行整理分析，可以得出如下结论：黄河干流龙门、潼关及渭河华县站1990～2007年间泥沙密度年际变化范围较小，为2．70～2．73 g／cm3。这说明，黄河干流及渭河泥沙密度值在年际间是比较稳定的。支流泾河杨家坪和马莲河雨落坪等站的泥沙密度在年际间的变化范围较大，为2．68～2．74 g／cm3。雨落坪、杨家坪站2007年的泥沙密度较以前有所增大，龙门、华县等站基本持平。

2．2．3 泥沙密度与含沙量的关系

通过对潼关、龙门、三门峡、华县、庆阳、雨落坪等10个水文站取样，进行泥沙密度和含沙量的测定，结果如表2所示。

从表2可以看出，当泥沙密度为2．72 g／cm3时，含沙量的变化范围为4．53～775kg／cm3；当泥沙密度为2．73g／cm3时，含沙量的变化范围为4．85～359kg／cm3；当泥沙密度为2．74 g／cm3时，含沙量的变化范围为14．8～302 kg／cm3。可见，同一密度值，含沙量变化范围很大，泥沙密度与含沙量之间没有明显的关系。河流泥沙变化规律还需进一步探寻［6］。

表2 黄河部分水文站泥沙密度～含沙量测定结果表Tab．2 Sediment density and sediment concentration measurement results of partial Yellow River hydrological stations

2．4 泥沙密度与颗粒级配的关系

对龙门、潼关、洪德、贾桥、庆阳、杨家坪、雨落坪、北道、三门峡、黄淤、华县、秦安等12个水文站进行泥沙密度和颗粒级配特征值的测定，结果如表3所示。

表3 泥沙密度～颗粒级配特征值（中数粒径）测定成果表Tab．3 Sediment density and characteristic value of particle gradation(median particle size)measurement results

从多年泥沙密度与颗粒级配测定结果得出如下结论：一般情况下，较细泥沙样品密度值偏大，较粗样品泥沙密度值相对偏小一些。从表3可知，泥沙密度值最大的是马连河洪德水文站，D50为4．0 um，泥沙密度为2．80 g／cm3；泥沙密度值最小的是黄河龙门水文站，D50为65．0um，泥沙密度为2．69g／cm3。

3 结语

（1）黄河流域三门峡水文测区各水文站之间的泥沙平均密度值为2．62～2．80 g／cm3。经统计分析后，初步认为，三门峡水文测区黄河干流的泥沙密度值为2．71 g／cm3，支流的泥沙密度值为2．73 g／cm3。

（2）泥沙密度值与含沙量大小没有明显的关系。

（3）各站同一垂线上不同测点的泥沙密度值大致相同。

（4）黄河干流泥沙密度年际间的变化不大，支流泥沙密度年际的变化相对较大一些。

（5）较细泥沙样品密度偏大，较粗泥沙样品泥沙密度相对偏小，对比测定结果均符合客观分析规律。

（6）测定值不仅适用于黄河流域三门峡水文测区，而且有更广泛的应用价值，已在水利部《激光法与传统法泥沙粒度分析相关关系研究及应用》等项目中投入使用。

［1］王光谦．中国泥沙研究述评［J］．水科学进展，1999（3）：337－344．

［2］SL42－2010，河流泥沙颗粒分析规程［S］．

［3］GB50159－92，河流悬移质泥沙测验规范［S］．

［4］王爱霞．激光法与移液管法所测泥沙粒度及特征值的对比分析［C］／／陈五一．全国水文泥沙文选．成都：四川科学技术出版社，2007：102-105．

［5］和瑞莉，李静，张石娃．黄河流域泥沙密度试验研究［J］．人民黄河，1999（3）：8－10．

［6］慕明清，李文平，董福新．黄河中游测区泥沙密度值试验研究［C］／／陈五一．全国水文泥沙文选．成都：四川科学技术出版社，2007：88-90．

[责任编辑 杨明庆]

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

刘亚奇（1984-），男，陕西佳县人，工程师，硕士，主要从事水利规划计划、水文水资源研究等工作。