瀘定水文站調(diào)壓積時式采樣器全斷面混合法輸沙測量計算

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)部結構比較復雜,由20多個部件構成,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。

采樣時開關閥關閉調(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,水流就經(jīng)管嘴、管道、開關閥進入水樣筒,使水樣筒內(nèi)的氣體經(jīng)開關閥、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法原理和精度要求。即應符合式(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代表的部分流量;

⊿Aj——垂線平均含沙量相應代表的部分面積;

m、n——分別為取樣測點數(shù)及垂線數(shù);

ki——測點含沙量相應的水深權重。

當ki、⊿Aj為定值時,即各測點含沙量相應的水深權重相等及垂線平均含沙量相應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)生了自然流速加權的效果,從而使垂線平均含沙量的測驗與計算簡單化。

當各垂線測點數(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的水深權重相等、垂線平均含沙量相應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用的理論依據(jù)式。

從以上推導可知,采用該法應滿足以下四個條件:(1)采用積點法的測點水深權重應相等,且各垂線測點數(shù)應相等;(2)各垂線各測點應使用同一管嘴的儀器;(3)各垂線各測點取樣歷時應相等;(4)各垂線所代表的部分過水斷面面積應相等。

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,應滿足各垂線所代表的部分過水斷面面積應相等的條件,根據(jù)大斷面資料按以下步驟繪制垂線布設圖。

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)某級水位的過水斷面圖,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數(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數(shù)及各條垂線位置的面積百分數(shù),即每條垂線代表的面積百分數(shù)為100/n,第一條垂線取樣位置的面積百分數(shù)為(100/n)/2,第二條垂線取樣位置的面積百分數(shù)為(100/n)/2+100/n,第三條垂線取樣位置的面積百分數(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數(shù)。采用10條垂線,每條垂線代表的面積百分數(shù)即為10%,第一條垂線取樣位置的面積百分數(shù)為5%,第二條垂線取樣位置的面積百分數(shù)為15%,第三條垂線取樣位置的面積百分數(shù)為25%,……,到第十條垂線取樣位置的面積百分數(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、起點距為橫坐標,按各條垂線取樣位置的面積百分數(shù),在各水位級相應的累積面積百分數(shù)與起點距的關系線上,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水深。依此類推可繪制出各級水位下的累積面積百分數(shù)與起點距的關系線(水位分多少級就有多少條關系線)。

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,可以預先在使用斷面上根據(jù)不同水位級對應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系圖(如圖4),畫出關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要求。