黃孝明，周 穎，吳 文

（1.江西省水文監(jiān)測中心，江西 南昌，330002；2.撫河水文水資源監(jiān)測中心，江西 撫州，344000）

1 概況

1.1 站點概況

萬家埠水文站是鄱陽湖流域修水水系潦河的重要控制站，1952年1月設(shè)立，地理位置為東經(jīng)115°38′54″，北緯 28°51′23"，集水面積 3 548km2，距河口距離33km。該站測驗河段大致順直，上下游均有彎道，主槽呈W形，中高水主槽寬度330m左右，河床由礫石、細(xì)砂組成，有沖淤現(xiàn)象，測驗斷面上游3km是南潦水和北潦水的匯合口[1]。

懸移質(zhì)是萬家埠水文站的重要測驗項目之一，自1956年以來，該站多年平均含沙量為0.099kg/m3，最大含沙量為1.62kg/m3。因為該站洪水暴漲暴落，懸移質(zhì)測驗一直是困擾該站的一個難題，目前懸移質(zhì)取樣主要利用下游萬埠大橋進(jìn)行人工取樣，取樣難度高、搬運強(qiáng)度大，為了優(yōu)化懸移質(zhì)測驗方案，2018年萬家埠水文站引進(jìn)了AYX2-1型懸移質(zhì)采樣器，擬解決該站長期存在的懸移質(zhì)測驗難題。

1.2 AYX2-1型懸移質(zhì)采樣器工作原理

長江AYX2-1型測流取沙儀是一種在水文纜道、測船平臺上采集流體懸移質(zhì)樣本和測量測點流速的水文測驗儀器，該采樣器主要由機(jī)械系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)兩個部分組成。其最大的優(yōu)點是通過采集系統(tǒng)的兩次調(diào)壓達(dá)到進(jìn)口流速與天然流速基本一致，滿足積時式采樣器應(yīng)用條件[2]，采集的流體懸移質(zhì)樣本具有較高的精度，可用于選點（積點）法、積深法、垂線混合法、全段面混合法的懸移質(zhì)測驗[3]。

長江AYX2-1型測流取沙儀的工作原理：一是建立在波義耳-馬略特定律的基礎(chǔ)上，利用連通容器的自動調(diào)壓，使采樣器取樣艙的器內(nèi)壓力和采樣器所在測點處的器外靜水壓力平衡，達(dá)到消除取樣初期水樣突然灌注的目的；二是根據(jù)伯努利方程，解決水樣流經(jīng)進(jìn)水管時沿程阻力損失，保持能量平衡，達(dá)到水樣進(jìn)口流速接近天然流速的目的[3]，其工作原理見圖1。

圖1 工作原理圖

2 懸移質(zhì)取樣分析

2.1 進(jìn)口流速系數(shù)測試

進(jìn)口流速系數(shù)是積時式采樣器的一個重要測試項目，目的是檢測進(jìn)口流速在不同流速、含沙量情況下是否與天然流速一致，按《河流懸移質(zhì)泥沙測驗規(guī)范》（GB/T 50159-2015）規(guī)定，含沙量在30kg/m3以下時，K為0.9～1.1的保證率應(yīng)不小于75%；含沙量在30～100kg/m3時，K為0.7～1.3的保證率應(yīng)不小于75%[3]。進(jìn)口流速系數(shù)的公式為：

式中：K為進(jìn)口流速系數(shù)；V天、V進(jìn)分別為流速儀測的天然流速及采樣器進(jìn)水管內(nèi)的流速，m/s；W為采樣器取得的水樣體積，ml；a為進(jìn)水管嘴孔口面積，mm2；T為取樣歷時，s。

萬家埠水文站對AYX 2-1型采樣器進(jìn)口流速系數(shù)測試，2019年以來共進(jìn)行試驗123次，其中高水位級（＞25.7m）測試6次，中水位級（23.0m～25.7m）測試48次，低水位級（＜23.0m）測試69次，分別對各水位級的K值分布進(jìn)行統(tǒng)計分析見表1，K值分布圖見圖2。

圖2 不同水位級下的進(jìn)口流速系數(shù)K值分布圖

表1 進(jìn)口流速系數(shù)試驗分析結(jié)果

根據(jù)試驗結(jié)果得出以下結(jié)論：萬家埠水文站引進(jìn)的AYX 2-1型采樣器經(jīng)過測試，其進(jìn)口流速系數(shù)K相對集中，其中K值最大為1.26，最小為0.74，進(jìn)口流速系數(shù)K為0.9～1.1點數(shù)為98次，保證率為79.7%，滿足規(guī)范要求，可以投入實際生產(chǎn)應(yīng)用。根據(jù)現(xiàn)場采樣分析，偏離原因主要表現(xiàn)在遙控開關(guān)故障導(dǎo)致進(jìn)水口打開延時、儀器密封不嚴(yán)實導(dǎo)致漏水以及漂浮物堵塞進(jìn)水口三個方面。

2.2 取樣一致性分析

鑒于AYX2-1型采樣器先后在長江水利委員會水文局北碚、羅渡溪、寸灘、朱沱、高場、耦池等水文站均得到成功應(yīng)用，且積時式采樣器是國家規(guī)范推薦應(yīng)用的采樣儀器，因此本次含沙量取樣精度分析主要由采樣人員在原取樣位置采用橫式采樣器與AYX2-1型采樣器同時取樣，對取樣的一致性進(jìn)行分析[5]，共計取樣30次，并對水樣進(jìn)行過濾烘干分析，分析成果相關(guān)關(guān)系見圖3。

圖3 原采樣方式與AYX2-1型采樣器采樣結(jié)果一致性對比分析

根據(jù)點對點取樣分析，原采樣方法與引進(jìn)AYX2-1型采樣器測取的含沙量數(shù)據(jù)相關(guān)度R2為0.97，各級含沙量不存在系統(tǒng)誤差，證明取樣精度能夠滿足要求，與原采樣方式一致性較好[4]。

2.3 穩(wěn)定性分析及運行維護(hù)

2.3.1 穩(wěn)定性分析

設(shè)備的穩(wěn)定性是水文測驗儀器評定的一項重要內(nèi)容，本次穩(wěn)定性分析采用穩(wěn)定率評價指標(biāo)，即AYX2-1型采樣器運行正常次數(shù)與實際采樣次數(shù)的比值，公式如下：

式中：G為穩(wěn)定率，%；Z為穩(wěn)定采樣次數(shù)；P為實際采樣次數(shù)。

2019年3月至2020年7月，萬家埠水文站共應(yīng)用儀器進(jìn)行沙樣采集176次，其中正常采水次數(shù)123次，故障次數(shù)53次，其中16次為流速儀測速故障，與AYX2-1型采樣器本身性能關(guān)聯(lián)不大。對其余37次故障進(jìn)行分析，主要類型詳見表2。

表2 常見故障統(tǒng)計表

2.3.2 運行與維護(hù)

根據(jù)萬家埠水文站的應(yīng)用經(jīng)驗，為了保障取樣設(shè)備正常運行，每次取樣前應(yīng)做好4項檢查。

（1）密封性檢查。重點對頭艙、進(jìn)水管路、氣路、電路、水樣筒、控制艙、尾艙等部位的漏水漏氣情況進(jìn)行檢查，并保證頭艙翻轉(zhuǎn)結(jié)合面對位準(zhǔn)確，搭扣偏心軸扣緊時壓力適當(dāng)，橡膠密封件受力均勻，從而保證取樣過程設(shè)備密封性良好，艙內(nèi)干燥。

（2）水路、氣路檢查。重點檢查進(jìn)水管路是否順直、光滑、通暢，無阻塞，進(jìn)水管嘴有無變形，排水管路、調(diào)壓氣路是否通暢，可用洗耳球或自來水管沖水判斷。

（3）電氣控制信號線路檢查。重點檢查電機(jī)轉(zhuǎn)動后各孔位能否準(zhǔn)確對正，開或關(guān)狀態(tài)指示信號是否正確，各接觸點、彈簧活動件是否靈活，彈簧銷是否有彈力，接觸簧片有無氧化物。

（4）控制信號線路插件檢查。儀器長時間未用應(yīng)在采樣前檢查七芯插頭上的密封圈有無老化變質(zhì)，七芯插座內(nèi)有無積水潮濕，插針有無銹蝕等。

針對萬家埠水文站在使用過程中常見的故障類型，分別提出日常維護(hù)建議：

（1）蓄電池的維護(hù)。應(yīng)定期檢測水下控制器的蓄電池電壓，電壓應(yīng)保持在11.5V～12.5V之間，低于11V時應(yīng)立即進(jìn)行充電，一個月以上不使用時，應(yīng)取回電瓶放置在環(huán)境干燥的室內(nèi)保存，長期不用則應(yīng)6個月充放電一次，正常使用2～3年后按要求更換。

（2）采樣器控制儀的維護(hù)。每次使用完畢后，必須將交流電源線插頭拔出，將控制信號輸入線插頭與懸索、極板線斷開，避免遭受雷擊。

（3）水下控制器的維護(hù)。每次測量完畢后，必須關(guān)斷電源。采樣器在長期不使用時，應(yīng)將水下控制器取出，存放在干燥并通風(fēng)良好的地方，為了防止控制艙內(nèi)過于潮濕造成電路腐蝕，最好在控制艙內(nèi)存放干燥劑并定期取出烘干再用。

（4）開關(guān)閥的維護(hù)。頭艙進(jìn)水易造成集成開關(guān)閥中的微電機(jī)軸心和鐵芯銹死導(dǎo)致電機(jī)轉(zhuǎn)動異常，線圈嚴(yán)重受潮甚至引起電機(jī)燒毀。因此應(yīng)定期對采樣器開關(guān)閥進(jìn)行通電保養(yǎng)，在正常采樣狀態(tài)下開關(guān)10次以上，避免電機(jī)線圈、鐵芯和軸心等受潮銹蝕。因開關(guān)閥裝配精度要求較高，建議聯(lián)系專業(yè)人員進(jìn)行維修。

（5）管嘴的維護(hù)。長江AYX2-1型采樣器進(jìn)水管嘴防止碰撞和變形，要經(jīng)常檢查管嘴的完好程度，如受自然或人為因素造成損傷，發(fā)現(xiàn)管嘴口門面積縮小或變形應(yīng)即時維修更換。

3 取沙模型的建立

AYX2-1型采樣器應(yīng)用的關(guān)鍵是建立天然流速與采樣歷時的模型[6]，萬家埠水文站單沙取樣垂線兩根（80m、300m），斷沙取樣垂線10根，取樣方法均采用垂線混合法，基于以上采樣方案，本節(jié)分別建立不同情形下的懸移質(zhì)取樣模型。

3.1 基于水位—流速關(guān)系的單沙取樣模型

3.1.1 水位～流速模型建立

選取2019-2020年萬家埠纜道流速儀法實測流量數(shù)據(jù)，分別選定取樣垂線80m、300m的水位和流速的相關(guān)關(guān)系，80m垂線相關(guān)關(guān)系見圖4，300m相關(guān)關(guān)系見圖5。

根據(jù)圖4圖5，對水位～流速關(guān)系進(jìn)行擬合，擬合采用對數(shù)方程，80m垂線擬合曲線為：v=2.725 1*ln（Z）-7.997 5，相關(guān)度R2=0.848 6，擬合程度較好，300m垂線擬合曲線為：v=3.090 3*ln（Z）-9.172 2，擬合程度為R2=0.861 5。擬合程度較好。

圖4 80m垂線水位流速相關(guān)關(guān)系

圖5 300m垂線水位流速相關(guān)關(guān)系

3.1.2 單沙取樣模型的建立

根據(jù)3.1.1節(jié)建立的水位流速模型建立萬家埠水文站的單沙取樣模型，萬家埠現(xiàn)行的單沙取樣垂線為80m、300m兩線混合，采用等體積法進(jìn)行取樣。按照AYX2-1型調(diào)壓積時式采樣器取樣容積1 800ml進(jìn)行計算，兩根垂線分別取樣900ml，建立取樣方案見表3。

表3 單沙水位～流速～歷時取樣方案

3.2 基于實測流速的斷沙取樣模型的建立

萬家埠現(xiàn)行的斷沙取樣垂線為10根，采用等體積法進(jìn)行取樣。按照AYX2-1型調(diào)壓積時式采樣器取樣容積1800ml進(jìn)行計算，采用全斷面混合法，10根垂線分別取樣180ml，建立實測流速與垂線取樣歷時模型如圖6，實際操作中根據(jù)實測垂線平均流速計算相應(yīng)的取樣歷時，并在相應(yīng)測點或垂線進(jìn)行取樣[4]。

圖6 全斷面混合法輸沙取樣模型

3.3 特殊情況下的取樣模型

因考慮到低水或者超標(biāo)準(zhǔn)洪水期間，懸移質(zhì)取樣垂線可能無法按照原定計劃布設(shè)，針對特殊情況建立特殊情況下的取樣模型，可按照實測流速和所需取樣容積情況查算表4，并以實測流速為參變數(shù)，建立了取樣容積～實測流速～取樣歷時模型，實際應(yīng)用中可直接查圖7。

表4 不同取樣容積、實測流速輸沙取樣歷時 s

圖7 取樣容積～流速～取樣歷時相關(guān)圖

4 結(jié)語

（1）進(jìn)口流速系數(shù)K值測試。長江AYX2-1型采樣器在萬家埠水文站共進(jìn)行進(jìn)口流速系數(shù)實驗123次，通過實驗可知K相對集中，進(jìn)口流速系K值在0.9～1.1之間的有98次，達(dá)標(biāo)率為79.7%，符合《河流懸移質(zhì)泥沙測驗規(guī)范》（GB/T 50159-2015）中對于積時式采樣器的技術(shù)要求。

（2）通過原采樣方法和長江AYX2-1型采樣器采集懸移質(zhì)樣品進(jìn)行一致性對比分析，共同步取樣30次，經(jīng)烘干法處理后，兩種方法在同一垂線采集水樣測取的含沙量數(shù)據(jù)相關(guān)度R2為0.97，相關(guān)關(guān)系密切，證明長江AYX2-1型采樣器所采集的水樣與原采樣方法具有較好的一致性。

（3）提出了取樣前檢查和日常維護(hù)建議。實驗過程中，萬家埠水文站共利用儀器進(jìn)行沙樣采集176次，其中正常采水次數(shù)123次，正常率為69.9%，故障率30.1%，故障率偏高，本文針對應(yīng)用中的主要故障類型進(jìn)行了分析，并根據(jù)萬家埠水文站的應(yīng)用經(jīng)驗提出了取樣前檢查和日常維護(hù)建議。

（4）根據(jù)長江AYX2-1型采樣器工作原理，建立了萬家埠水文站單、斷沙取樣模型，通過建立的取沙模型，可直接根據(jù)水位或者實測流速查算取樣歷時，可操作性強(qiáng)，極大地提高了采樣精度和采樣效率。

（5）長江AYX2-1型采樣器基本能夠滿足萬家埠水文站的懸移質(zhì)常規(guī)測驗要求，具備向水沙特性相似水文站推廣的意義，測驗人員應(yīng)加強(qiáng)檢查和維護(hù)，及時發(fā)現(xiàn)和處理發(fā)生的故障，提升儀器的使用效率。