許祥生，龐甘露，郭蓮華，陳進年，劉慶華

（長江中游水文水資源勘測局，武漢 430012）

1 引 言

以纜道為測驗載體的水文站進行懸移質(zhì)輸沙率測驗時，采用流速儀測流、調(diào)壓積時式采樣器取水樣，流量測驗與懸移質(zhì)取樣分先、后兩步進行。全斷面各測點懸移質(zhì)取樣歷時根據(jù)斷面平均流速確定的總?cè)託v時按取樣垂線間部分面積權(quán)重進行分配、控制取樣。

由于流量測驗與懸移質(zhì)取樣不同步進行，且受斷面平均流速與測點實際流速的差異影響，用時間控制的測點懸移質(zhì)取樣容積不準確、全斷面混合水樣不符合技術(shù)規(guī)范要求。由此所測懸移質(zhì)輸沙成果精度有一定誤差，影響成果質(zhì)量精度。

筆者在長江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報2008年第4期發(fā)表的《懸移質(zhì)積時式采樣器取樣方法初探》一文中，對以水文纜道為測驗載體的懸移質(zhì)輸沙率測驗，提出了“以垂線等容積積時取樣”的測驗方案。據(jù)此進行懸移質(zhì)輸沙率測驗所取全斷面混合水樣，符合《河流懸移質(zhì)泥沙測驗規(guī)范》的技術(shù)要求。

“以垂線等容積積時取樣”的測驗方案的核心問題是進行懸移質(zhì)取樣時，用取樣點的測點流速取代斷面平均流速，即根據(jù)測點流速確定懸移質(zhì)取樣歷時，解決了由斷面平均流速確定懸移質(zhì)取樣歷時而使所取測點水樣容積不準確、全斷面混合水樣缺乏代表性的部分問題。

由于“以垂線等容積積時取樣”方案所需測點流速必須先進行流速測驗后才能得到。所以，該方案中所述懸移質(zhì)取樣與流量測驗同步，只是將原測驗方案中先進行全斷面測流，然后再進行全斷面懸移質(zhì)“積時”式取樣的大時距，縮短到測點流速測驗與測點懸移質(zhì)取樣之間的小間隔。雖然這兩項工作的時間間隔已經(jīng)大大縮小，測點流速與取樣器進口流速的差異對取樣容積的影響已經(jīng)很小，但實際上兩項工作仍是分步進行，是準同步而已。

另外，由于“以垂線等容積積時取樣”的懸移質(zhì)輸沙率測驗方案，沒有突破用時間控制積時式采樣器取樣的框框，即便解決了由斷面平均流速確定取樣歷時造成的懸移質(zhì)取樣容積不準確的問題，卻無法消除在取樣期間各測點流速脈動對測點取樣容積的潛在影響?！胺e時”式取樣是影響取樣容積準確的關(guān)鍵問題。

因此，要使測流與懸移質(zhì)取樣同步進行并消除流速脈動對取樣容積的影響，如果不將控制取樣容積的時間改為其他控制要素，便難以達到完善用積時式采樣器進行懸移質(zhì)輸沙率測驗的技術(shù)方案的目的。

研究、改進采用積時式采樣器“以垂線等容積積時取樣”進行懸移質(zhì)輸沙率測驗的技術(shù)方案，既使懸移質(zhì)取樣與流量測驗同步進行，保證懸移質(zhì)取樣時儀器進水口流速與流速儀所測流速一致，又能消除流速脈動對懸移質(zhì)取樣容積的影響，是確保提高懸移質(zhì)輸沙率測驗成果精度和質(zhì)量的重要工作內(nèi)容之一。突破“積時”概念的框框影響是關(guān)鍵。

2 改進懸移質(zhì)輸沙測驗技術(shù)方案的可行性分析

2.1 流量測驗與懸移質(zhì)取樣同步進行的可行性分析

在按“以垂線等容積積時取樣”技術(shù)方案進行懸移質(zhì)輸沙率測驗中，要求流量測驗與懸移質(zhì)取樣同步進行的目的是確保積時式取樣器進水口流速與流量測驗的測點流速一致。

懸移質(zhì)調(diào)壓積時式采樣器的基本工作原理是：采樣器處于測點位置后先行自動調(diào)整采樣器水樣倉的壓力，以保證儀器進水管口流速與天然流速一致。當采樣器內(nèi)、外壓力相平衡時，封閉的水樣倉進水管口打開，水流成自然狀態(tài)流入水樣倉，達到設(shè)定取樣時限后關(guān)閉進水管。由此可知，采樣器的進口流速是確保懸移質(zhì)水樣取樣容積準確的重要因素。

由流速儀與采樣器的安裝位置及相隔距離可以認定：流速儀測流和懸移質(zhì)取樣同步進行時，測點位置的取樣器進水管口的流速即是流速儀所測水流速度，采樣器取樣期間的進水口水流速度與流速儀測得的速度一致。因此，按“以垂線等容積積時取樣”技術(shù)方案進行懸移質(zhì)輸沙率測驗時，流量測驗與懸移質(zhì)取樣同步進行具有可行性。關(guān)鍵問題是確定取樣容積的控制要素。

2.2 采用其它測驗要素控制懸移質(zhì)取樣容積的可行性分析

天然河流中的水流是非均勻流，流速是脈動的。在懸移質(zhì)輸沙率測驗中，流量測驗與懸移質(zhì)取樣同步進行時，雖然采樣器的進水流速度與流速儀測得的速度一致，但由測點流速確定的取樣歷時控制采樣器取樣期間，不論流速如何脈動變化，設(shè)定取樣時間一到，便關(guān)閉進水管口。這種用時間控制取樣的方法忽視了水流脈動對取樣容積的潛在影響。即這種根據(jù)測點流速確定取樣歷時、用時間控制取樣的方法不能保證取樣容積的準確。

取樣容積是水流流速的函數(shù)，流速儀測驗信號是水流速度的反映。如果將根據(jù)測點流速確定取樣歷時、用時間控制取樣的測驗方法變成用流速儀信號控制采樣器取樣，便可完善并解決“以垂線等容積積時取樣”方案中的懸移質(zhì)取樣與流速儀測速同步進行且不受水流脈動影響的問題。

3 懸移質(zhì)積時式取樣器取樣容積與流速儀信號數(shù)關(guān)系表達式推導(dǎo)

調(diào)壓積時式采樣器取樣容積計算公式：

式中，A為取樣容積；D為采樣器進水管口直徑；V為水流流速，T為取樣歷時，π為圓周率。

式（1）表明，取樣容積是水流速度V及取樣歷時T的函數(shù)，因變量與自變量成正比。

流速儀流速計算公式：

式中，V為水流流速；n為流速儀轉(zhuǎn)速；k為流速轉(zhuǎn)換系數(shù)，流速儀的轉(zhuǎn)換系數(shù)在流速儀鑒定周期內(nèi)為一個固定值；T為測速歷時；C為流速改正值，流速改正值在流速儀計算公式率定周期內(nèi)為一個固定值；N為流速儀轉(zhuǎn)數(shù)或信號數(shù)，當流速儀信號數(shù)與其轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)數(shù)比為1∶1時，流速儀信號數(shù)等于轉(zhuǎn)數(shù)，一般設(shè)為1∶20，一個流速儀信號代表20轉(zhuǎn)。

由式（2）可知：流速V是流速儀轉(zhuǎn)速n或信號數(shù)N的函數(shù)。流速與流速儀轉(zhuǎn)速或者信號數(shù)成正比。由于式中的流速改正值C是一個非常小的常數(shù)，可以忽略不計。故式（2）可簡化為

推導(dǎo)測點流速儀信號數(shù)Ni與取樣容積Ai的關(guān)系表達式。

將式（3）代入式（1）化簡得：

由于（4）式中無流速變量V，除流速儀信號數(shù)N外，其它均為常數(shù)，因此，取樣容積A便只與流速儀信號數(shù)N一個變量有關(guān)，是流速儀信號數(shù)N的函數(shù)。取樣容積A與流速儀信號數(shù)N成正比。式（4）表明，在流量測驗與懸移質(zhì)取樣同步進行時，可用流速儀信號數(shù)作為取樣容積的控制因數(shù)。由此可知，懸移質(zhì)取樣容積不受流速脈動影響。將式（4）變形，得取樣容積A與流速儀信號數(shù)N的關(guān)系表達式：

式（5）表明，取樣容積A可由流速儀信號數(shù)N體現(xiàn)。故測點流速儀信號數(shù)Ni與測點取樣容積Ai的關(guān)系表達式為：

式中，i為測點序號，取值1、2、3……m；m為測點總數(shù)，其它各字母代表意義與前述相同。

由以上公式推導(dǎo)可知，當流量測驗與懸移質(zhì)取樣同步進行時，用流速儀信號數(shù)N取代采樣歷時T而對積時式取樣器取樣實施控制的方法在理論上具有可行性。

采用積時式采樣器進行懸移質(zhì)輸沙率測驗時懸移質(zhì)水樣為全斷面混合取樣，各取樣垂線的取樣容積按總?cè)尤莘eA平均分配，各垂線測點取樣容積Ai按1∶1∶1或者2∶1∶1垂線定比混合的方法分配。不同測次因水位高低不同、測驗（取樣）垂線數(shù)不同，Ai隨取樣垂線數(shù)和垂線混合比而固定，僅是全斷面混合水樣總?cè)莘eA的一小部分。因此，每測點的取樣歷時都小于流速儀測速過程中為消除流速脈動影響所需的最短測驗時間。即在每測點流速測驗與懸移質(zhì)取樣同步進行中，不會發(fā)生測速計數(shù)器關(guān)閉而取樣工作沒完成的事件。

如果測點取樣容積Ai小，測點流速Vi小，通過改變流速儀信號轉(zhuǎn)數(shù)比，可以避免出現(xiàn)取樣容積Ai與流速儀信號數(shù)Ni不相應(yīng)的問題。因此，在以水文纜道為測驗載體的懸移質(zhì)輸沙率測驗中，當使用流速儀測流與用積時式采樣器取樣同步進行時，可用流速儀測速信號數(shù)控制懸移質(zhì)取樣。

4 結(jié) 論

根據(jù)以上分析、公式推導(dǎo)及實際工作情況證明，用流速儀信號數(shù)作為積時式采樣器取樣容積的控制信息，可以實現(xiàn)“以垂線等容積積時取樣”方案中的懸移質(zhì)取樣與流速儀測速同步，確保采樣器的進口流速與流量測驗流速的一致并消除流速脈動對取樣容積精度的影響。

懸移質(zhì)輸沙率測驗中流速儀測流與積時式采樣器取樣同步進行，簡化了懸移質(zhì)輸沙率測驗程序和步驟，大大縮短了整個測驗歷時。且由于流速儀測速計數(shù)器聲、像顯示直觀明了，對控制取樣器取樣比用時間作取樣控制信息（看秒表）的操作更具優(yōu)勢。

由于本文探索、改進的懸移質(zhì)輸沙測驗方法是以“垂線等容積積時取樣”方案為基礎(chǔ)進行的，每測線取樣或每線測點所取水樣為容積定比混合、由測點流速儀信號數(shù)控制取樣的方案中已沒有“積時”的概念，故不宜再用“以垂線等容積積時取樣”之名，應(yīng)簡稱為“垂線等容積取樣”為妥。

以水文纜道為測驗載體的測站進行懸移質(zhì)輸沙率測驗，用流速儀測流、積時式懸移質(zhì)采樣器按“垂線等容積取樣”的方法取樣，將傳統(tǒng)的取樣容積由取樣歷時（積時）控制改為用流速儀信號控制，不僅解決了流速儀測流與懸移質(zhì)取樣同步進行的問題，更重要的是解決了用測驗歷時控制取樣無法解決的流速脈動對取樣容積精度影響的潛在問題，為提高懸移質(zhì)輸沙率測驗成果精度及質(zhì)量進行了有益的探索。

［1］GB50159—92，河流懸移質(zhì)泥沙測驗規(guī)范［S］.