王正銳

(雅安水文局瀘定水文站,四川瀘定,626100)

目前我省水文站測(cè)驗(yàn)河流輸沙率,基本上都是將采集的流體懸移質(zhì)樣本,通過(guò)干燥、稱重后計(jì)算得出,依靠的采樣器有橫式、瓶式和調(diào)壓積時(shí)式三類。瀘定水文站所處大渡河斷面控制良好,測(cè)量的外部環(huán)境很好,但屬于一類精度站,對(duì)資料要求很高,因此對(duì)采樣器的要求比較嚴(yán)格。

調(diào)壓積時(shí)式適用于小于30kg/m3的各種測(cè)驗(yàn)環(huán)境,可用于選點(diǎn)(積點(diǎn))法、積深法、垂線混合法、全斷面混合法的懸移質(zhì)泥沙測(cè)驗(yàn),其進(jìn)口流速與天然流速基本一致,因而采集的流體懸移質(zhì)樣本具有較高的精度,含有調(diào)壓倉(cāng)的設(shè)計(jì)也能防止突然灌注。瀘定站多年的最大含沙量在10kg/m3左右,所以最適合采用此類采樣器進(jìn)行測(cè)驗(yàn)。本文介紹如下。

1 調(diào)壓積時(shí)式采樣器的原理

瀘定站引進(jìn)AYX2-1型調(diào)壓積時(shí)式懸移質(zhì)采樣器,內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,由20多個(gè)部件構(gòu)成,主要有采樣倉(cāng)、調(diào)壓倉(cāng)、控制倉(cāng)等。采樣器頭倉(cāng)的四通開(kāi)關(guān)控制采樣中調(diào)壓、排水、進(jìn)水、排氣的轉(zhuǎn)換,入水后進(jìn)入自動(dòng)調(diào)壓狀態(tài),開(kāi)關(guān)閥打開(kāi)頭倉(cāng)與調(diào)壓倉(cāng)、水樣桶之間的連通管,使采樣倉(cāng)容器內(nèi)壓力和容器外水下的壓力保持一致,并使進(jìn)水管道和出水管道連通,讓水流自然地通過(guò)采樣器管道,防止水中的沉積物堵塞。

采樣時(shí)開(kāi)關(guān)閥關(guān)閉調(diào)壓倉(cāng)與水樣桶的連接,打開(kāi)進(jìn)水管、排氣管和水樣桶的開(kāi)關(guān),水流就經(jīng)管嘴、管道、開(kāi)關(guān)閥進(jìn)入水樣筒,使水樣筒內(nèi)的氣體經(jīng)開(kāi)關(guān)閥、排氣連通管排出,完成二次調(diào)壓,從而使進(jìn)水管口處的壓力與水樣筒內(nèi)的壓力始終保持平衡狀態(tài),確保測(cè)驗(yàn)精度。

AYX2-1型調(diào)壓積時(shí)式懸移質(zhì)采樣器,進(jìn)水管嘴是固定的直徑為4mm的圓形管嘴,面積約為12.6mm2,可以通過(guò)已知流速和欲取樣容積計(jì)算采樣歷時(shí):

式中,T為需要的歷時(shí);W為采樣容積;V為測(cè)點(diǎn)流速。

單沙采樣時(shí),測(cè)點(diǎn)的流速可以用兩種方法取得:一種是實(shí)時(shí)實(shí)測(cè)。這種方法耗時(shí)耗力,如遇沙量變化快時(shí),測(cè)得數(shù)據(jù)不夠準(zhǔn)確;另一種是在單沙測(cè)點(diǎn)流速比較穩(wěn)定的情況下,通過(guò)以前測(cè)點(diǎn)流速的資料,點(diǎn)繪流速水位圖,繪制流速水位的關(guān)系線,就可以很方便地知道不同水位測(cè)點(diǎn)的流速。瀘定水文站的一次采樣容量要求的是2000ml,經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行證明,這種方式最簡(jiǎn)便,而且取得水樣誤差在要求的10%范圍內(nèi)。

2 等歷時(shí)、等面積采樣的計(jì)算原理

采用不同的懸移質(zhì)輸沙率測(cè)驗(yàn)方法測(cè)定斷面平均含沙量,必須符合部分流量加權(quán)法原理和精度要求。即應(yīng)符合式(1)及式(2)的要求:

式中:Csi——測(cè)點(diǎn)含沙量;

Csj、Cs——分別為垂線及斷面平均含沙量;

Vi、Vj——分別為測(cè)點(diǎn)流速及垂線平均流速;

⊿Qj——垂線平均含沙量相應(yīng)代表的部分流量;

⊿Aj——垂線平均含沙量相應(yīng)代表的部分面積;

m、n——分別為取樣測(cè)點(diǎn)數(shù)及垂線數(shù);

ki——測(cè)點(diǎn)含沙量相應(yīng)的水深權(quán)重。

當(dāng)ki、⊿Aj為定值時(shí),即各測(cè)點(diǎn)含沙量相應(yīng)的水深權(quán)重相等及垂線平均含沙量相應(yīng)代表的部分面積相等時(shí),式(1)及式(2)可分別表示為式(3)及式(4):

當(dāng)使用同一管嘴的采樣器進(jìn)行一次斷面懸移質(zhì)測(cè)驗(yàn)時(shí),即管嘴進(jìn)口斷面面積a相等,且在各測(cè)點(diǎn)取樣歷時(shí)⊿t相等的條件下,式(3)可變換為式(5):

式中:⊿Wi——測(cè)點(diǎn)水樣體積;

⊿Gi——測(cè)點(diǎn)水樣中的沙重。

從式(5)的推導(dǎo)表明,測(cè)點(diǎn)流速的不同完全反映在水樣體積中,產(chǎn)生了自然流速加權(quán)的效果,從而使垂線平均含沙量的測(cè)驗(yàn)與計(jì)算簡(jiǎn)單化。

當(dāng)各垂線測(cè)點(diǎn)數(shù)均為m時(shí),n條垂線則有r=m×n個(gè)測(cè)點(diǎn),在各測(cè)點(diǎn)含沙量相應(yīng)的水深權(quán)重相等、垂線平均含沙量相應(yīng)代表的部分面積相等、管嘴進(jìn)口斷面面積相等及各測(cè)點(diǎn)取樣歷時(shí)相等時(shí),式(4)可變換為式(6):

式(5)及式(6)分別為等歷時(shí)等面積混合取樣法的垂線及斷面平均含沙量應(yīng)用的理論依據(jù)式。

從以上推導(dǎo)可知,采用該法應(yīng)滿足以下四個(gè)條件:(1)采用積點(diǎn)法的測(cè)點(diǎn)水深權(quán)重應(yīng)相等,且各垂線測(cè)點(diǎn)數(shù)應(yīng)相等;(2)各垂線各測(cè)點(diǎn)應(yīng)使用同一管嘴的儀器;(3)各垂線各測(cè)點(diǎn)取樣歷時(shí)應(yīng)相等;(4)各垂線所代表的部分過(guò)水?dāng)嗝婷娣e應(yīng)相等。

3 等面積的計(jì)算方法

等歷時(shí)等面積全斷面混合法取樣垂線的布設(shè),應(yīng)滿足各垂線所代表的部分過(guò)水?dāng)嗝婷娣e應(yīng)相等的條件,根據(jù)大斷面資料按以下步驟繪制垂線布設(shè)圖。

3.1 取樣水位級(jí)的劃分

在歷年施測(cè)水位的變幅內(nèi),將水位分為若干級(jí),分級(jí)原則為:一般斷面8～10級(jí),接近于矩形的U型斷面5～7級(jí)。分級(jí)時(shí),首先確定施測(cè)的最高最低水位級(jí),之間的級(jí)根據(jù)斷面變化確定,一般低水級(jí)差小一點(diǎn),高水級(jí)差大一點(diǎn)。

瀘定水文站歷年采樣的水位變幅在1305.70m～1308.50m之間,按以上規(guī)定將水位劃分為十級(jí)(如表1所示)。

表1 瀘定站全斷面混合法取沙水位級(jí)

3.2 方案(取樣垂線位置)圖的繪制

根據(jù)某級(jí)水位的過(guò)水?dāng)嗝鎴D,沿垂直方向?qū)嗝鎰澐譃槿舾蓧K(一般根據(jù)河底高程劃分計(jì)算比較方便),計(jì)算出各塊的面積,并從左至右逐塊面積累計(jì)后分別除以該級(jí)水位下的總面積,分別求得各塊面積的累計(jì)面積百分?jǐn)?shù)。圖1為瀘定站測(cè)深垂線所占斷面面積的百分比。

圖1 瀘定站河底高程所占百分比

先確定取樣垂線數(shù)n,根據(jù)規(guī)范要求,瀘定水文站屬于一類站不應(yīng)少于10條。根據(jù)垂線數(shù)計(jì)算出每條垂線代表的面積百分?jǐn)?shù)及各條垂線位置的面積百分?jǐn)?shù),即每條垂線代表的面積百分?jǐn)?shù)為100/n,第一條垂線取樣位置的面積百分?jǐn)?shù)為(100/n)/2,第二條垂線取樣位置的面積百分?jǐn)?shù)為(100/n)/2+100/n,第三條垂線取樣位置的面積百分?jǐn)?shù)為(100/n)/2+100/n+100/n,依此類推,計(jì)算出各條垂線取樣位置的面積百分?jǐn)?shù)。采用10條垂線,每條垂線代表的面積百分?jǐn)?shù)即為10%,第一條垂線取樣位置的面積百分?jǐn)?shù)為5%,第二條垂線取樣位置的面積百分?jǐn)?shù)為15%,第三條垂線取樣位置的面積百分?jǐn)?shù)為25%,……,到第十條垂線取樣位置的面積百分?jǐn)?shù)為95%,由此可以用插值法求出取樣垂線所在的起點(diǎn)距(如圖2所示)。

圖2 瀘定站垂線取樣位置

以水位為縱坐標(biāo)、起點(diǎn)距為橫坐標(biāo),按各條垂線取樣位置的面積百分?jǐn)?shù),在各水位級(jí)相應(yīng)的累積面積百分?jǐn)?shù)與起點(diǎn)距的關(guān)系線上,分別查得各條垂線的起點(diǎn)距,并在方案圖中分別在各條垂線點(diǎn)繪各水位級(jí)與起點(diǎn)距的關(guān)系點(diǎn),再順勢(shì)繪成光滑曲線或折線(如圖3所示)。使用時(shí),根據(jù)圖3可查得任意水位各取樣位置及相應(yīng)水深。依此類推可繪制出各級(jí)水位下的累積面積百分?jǐn)?shù)與起點(diǎn)距的關(guān)系線(水位分多少級(jí)就有多少條關(guān)系線)。

圖3 瀘定站取樣垂線位置示意

3.3 測(cè)點(diǎn)深的計(jì)算

瀘定水文站歷年斷面變化在±5%以內(nèi),編制方案選用大斷面的方案確定后,按照規(guī)定,根據(jù)斷面變化5～10年修編一次。因此為了測(cè)量時(shí)方便,可以預(yù)先在使用斷面上根據(jù)不同水位級(jí)對(duì)應(yīng)的起點(diǎn)距計(jì)算取樣垂線的位置,便于在水位變化迅速時(shí)能立即使用,提高水文測(cè)驗(yàn)的反應(yīng)速度。

計(jì)算等面積起點(diǎn)距的河底高程,采用兩個(gè)相似三角形邊長(zhǎng)之比相等的原理進(jìn)行,這與計(jì)算水邊的方法類似。區(qū)別是:計(jì)算水邊用水位得到河底高程,用高程差乘以系數(shù)來(lái)計(jì)算起點(diǎn)距差;計(jì)算已知起點(diǎn)距的河底高程,用起點(diǎn)距的差除以系數(shù)來(lái)確定高程差。

表2 瀘定站測(cè)深垂線位置計(jì)算

例如,1308.50的水邊=6.7+(1309.14-1308.50)×4.29=9.4(m);計(jì)算已知起點(diǎn)距9.4m的河底高程=1309.14-(9.4-6.7)/4.29=1308.51(m)

在使用新斷面時(shí),由此方法可以計(jì)算出十個(gè)不同水位級(jí)對(duì)應(yīng)的十個(gè)起點(diǎn)距的河底高程。

4 等歷時(shí)的計(jì)算方法

求等歷時(shí)就要知道輸沙的采樣總共需要多少時(shí)間,根據(jù)T=W/(12.6V)的公式,需要知道所有測(cè)點(diǎn)的平均流速,由于這些測(cè)點(diǎn)也代表了垂線平均的流速,進(jìn)而就是斷面的平均流速,可以同樣用分析單沙測(cè)點(diǎn)流速的方法,取上一年的全部流量資料中的斷面平均流速,點(diǎn)繪水位和斷面平均流速的關(guān)系圖(如圖4),畫(huà)出關(guān)系線后計(jì)算每一個(gè)水位級(jí)的總的采樣時(shí)間,平均到每個(gè)取樣垂線就是等歷時(shí)的計(jì)算方法。

圖4 瀘定站流速曲線

例如水位級(jí)1308.50m的斷面平均流速約為2.55m/s,根據(jù)采樣器公式T=W/(12.6×V),總采樣時(shí)間T=2000/(12.6×2.55)≈62s,0.6一點(diǎn)法采樣每個(gè)測(cè)點(diǎn)時(shí)間T=62/10≈6s,0.2、0.6、0.8三點(diǎn)法采樣每個(gè)測(cè)點(diǎn)時(shí)間T=62/30≈2s。

5 結(jié)語(yǔ)

瀘定水文站使用調(diào)壓積時(shí)式采樣器采集流體懸移質(zhì)樣本,采用等歷時(shí)等面積測(cè)全斷面混合法進(jìn)行懸移質(zhì)泥沙測(cè)驗(yàn),已經(jīng)通過(guò)了一年的試運(yùn)行,情況良好、安全可靠、數(shù)據(jù)可靠,達(dá)到了水文采集資料的技術(shù)要求。