王正銳

(雅安水文局瀘定水文站,四川瀘定,626100)

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

調(diào)壓積時式適用于小于30kg/m3的各種測驗環(huán)境,可用于選點(積點)法、積深法、垂線混合法、全斷面混合法的懸移質(zhì)泥沙測驗,其進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)壓倉的設(shè)計也能防止突然灌注。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行測驗。本文介紹如下。

1 調(diào)壓積時式采樣器的原理

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

采樣時開關(guān)閥關(guān)閉調(diào)壓倉與水樣桶的連接,打開進水管、排氣管和水樣桶的開關(guān),水流就經(jīng)管嘴、管道、開關(guān)閥進入水樣筒,使水樣筒內(nèi)的氣體經(jīng)開關(guān)閥、排氣連通管排出,完成二次調(diào)壓,從而使進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),確保測驗精度。

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

式中,T為需要的歷時;W為采樣容積;V為測點流速。

單沙采樣時,測點的流速可以用兩種方法取得:一種是實時實測。這種方法耗時耗力,如遇沙量變化快時,測得數(shù)據(jù)不夠準(zhǔn)確;另一種是在單沙測點流速比較穩(wěn)定的情況下,通過以前測點流速的資料,點繪流速水位圖,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點的流速。瀘定水文站的一次采樣容量要求的是2000ml,經(jīng)過長時間運行證明,這種方式最簡便,而且取得水樣誤差在要求的10%范圍內(nèi)。

2 等歷時、等面積采樣的計算原理

采用不同的懸移質(zhì)輸沙率測驗方法測定斷面平均含沙量,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——測點含沙量;

Csj、Cs——分別為垂線及斷面平均含沙量;

Vi、Vj——分別為測點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——分別為取樣測點數(shù)及垂線數(shù);

ki——測點含沙量相應(yīng)的水深權(quán)重。

當(dāng)ki、⊿Aj為定值時,即各測點含沙量相應(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,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行一次斷面懸移質(zhì)測驗時,即管嘴進口斷面面積a相等,且在各測點取樣歷時⊿t相等的條件下,式(3)可變換為式(5):

式中:⊿Wi——測點水樣體積;

⊿Gi——測點水樣中的沙重。

從式(5)的推導(dǎo)表明,測點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驗與計算簡單化。

當(dāng)各垂線測點數(shù)均為m時,n條垂線則有r=m×n個測點,在各測點含沙量相應(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、管嘴進口斷面面積相等及各測點取樣歷時相等時,式(4)可變換為式(6):

式(5)及式(6)分別為等歷時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)滿足以下四個條件:(1)采用積點法的測點水深權(quán)重應(yīng)相等,且各垂線測點數(shù)應(yīng)相等;(2)各垂線各測點應(yīng)使用同一管嘴的儀器;(3)各垂線各測點取樣歷時應(yīng)相等;(4)各垂線所代表的部分過水?dāng)嗝婷娣e應(yīng)相等。

3 等面積的計算方法

等歷時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 取樣水位級的劃分

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

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(如表1所示)。

表1 瀘定站全斷面混合法取沙水位級

3.2 方案(取樣垂線位置)圖的繪制

根據(jù)某級水位的過水?dāng)嗝鎴D,沿垂直方向?qū)嗝鎰澐譃槿舾蓧K(一般根據(jù)河底高程劃分計算比較方便),計算出各塊的面積,并從左至右逐塊面積累計后分別除以該級水位下的總面積,分別求得各塊面積的累計面積百分?jǐn)?shù)。圖1為瀘定站測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),在各水位級相應(yīng)的累積面積百分?jǐn)?shù)與起點距的關(guān)系線上,分別查得各條垂線的起點距,并在方案圖中分別在各條垂線點繪各水位級與起點距的關(guān)系點,再順勢繪成光滑曲線或折線(如圖3所示)。使用時,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水位下的累積面積百分?jǐn)?shù)與起點距的關(guān)系線(水位分多少級就有多少條關(guān)系線)。

圖3 瀘定站取樣垂線位置示意

3.3 測點深的計算

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。因此為了測量時方便,可以預(yù)先在使用斷面上根據(jù)不同水位級對應(yīng)的起點距計算取樣垂線的位置,便于在水位變化迅速時能立即使用,提高水文測驗的反應(yīng)速度。

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

表2 瀘定站測深垂線位置計算

例如,1308.50的水邊=6.7+(1309.14-1308.50)×4.29=9.4(m);計算已知起點距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,由此方法可以計算出十個不同水位級對應(yīng)的十個起點距的河底高程。

4 等歷時的計算方法

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

圖4 瀘定站流速曲線

例如水位級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),總采樣時間T=2000/(12.6×2.55)≈62s,0.6一點法采樣每個測點時間T=62/10≈6s,0.2、0.6、0.8三點法采樣每個測點時間T=62/30≈2s。

5 結(jié)語

瀘定水文站使用調(diào)壓積時式采樣器采集流體懸移質(zhì)樣本,采用等歷時等面積測全斷面混合法進行懸移質(zhì)泥沙測驗,已經(jīng)通過了一年的試運行,情況良好、安全可靠、數(shù)據(jù)可靠,達到了水文采集資料的技術(shù)要求。