悬移质积时式取样方法再探

许祥生，庞甘露，郭莲华，陈进年，刘庆华

（长江中游水文水资源勘测局，武汉 430012）

1 引 言

以缆道为测验载体的水文站进行悬移质输沙率测验时，采用流速仪测流、调压积时式采样器取水样，流量测验与悬移质取样分先、后两步进行。全断面各测点悬移质取样历时根据断面平均流速确定的总取样历时按取样垂线间部分面积权重进行分配、控制取样。

由于流量测验与悬移质取样不同步进行，且受断面平均流速与测点实际流速的差异影响，用时间控制的测点悬移质取样容积不准确、全断面混合水样不符合技术规范要求。由此所测悬移质输沙成果精度有一定误差，影响成果质量精度。

笔者在长江工程职业技术学院学报2008年第4期发表的《悬移质积时式采样器取样方法初探》一文中，对以水文缆道为测验载体的悬移质输沙率测验，提出了“以垂线等容积积时取样”的测验方案。据此进行悬移质输沙率测验所取全断面混合水样，符合《河流悬移质泥沙测验规范》的技术要求。

“以垂线等容积积时取样”的测验方案的核心问题是进行悬移质取样时，用取样点的测点流速取代断面平均流速，即根据测点流速确定悬移质取样历时，解决了由断面平均流速确定悬移质取样历时而使所取测点水样容积不准确、全断面混合水样缺乏代表性的部分问题。

由于“以垂线等容积积时取样”方案所需测点流速必须先进行流速测验后才能得到。所以，该方案中所述悬移质取样与流量测验同步，只是将原测验方案中先进行全断面测流，然后再进行全断面悬移质“积时”式取样的大时距，缩短到测点流速测验与测点悬移质取样之间的小间隔。虽然这两项工作的时间间隔已经大大缩小，测点流速与取样器进口流速的差异对取样容积的影响已经很小，但实际上两项工作仍是分步进行，是准同步而已。

另外，由于“以垂线等容积积时取样”的悬移质输沙率测验方案，没有突破用时间控制积时式采样器取样的框框，即便解决了由断面平均流速确定取样历时造成的悬移质取样容积不准确的问题，却无法消除在取样期间各测点流速脉动对测点取样容积的潜在影响。“积时”式取样是影响取样容积准确的关键问题。

因此，要使测流与悬移质取样同步进行并消除流速脉动对取样容积的影响，如果不将控制取样容积的时间改为其他控制要素，便难以达到完善用积时式采样器进行悬移质输沙率测验的技术方案的目的。

研究、改进采用积时式采样器“以垂线等容积积时取样”进行悬移质输沙率测验的技术方案，既使悬移质取样与流量测验同步进行，保证悬移质取样时仪器进水口流速与流速仪所测流速一致，又能消除流速脉动对悬移质取样容积的影响，是确保提高悬移质输沙率测验成果精度和质量的重要工作内容之一。突破“积时”概念的框框影响是关键。

2 改进悬移质输沙测验技术方案的可行性分析

2.1 流量测验与悬移质取样同步进行的可行性分析

在按“以垂线等容积积时取样”技术方案进行悬移质输沙率测验中，要求流量测验与悬移质取样同步进行的目的是确保积时式取样器进水口流速与流量测验的测点流速一致。

悬移质调压积时式采样器的基本工作原理是：采样器处于测点位置后先行自动调整采样器水样仓的压力，以保证仪器进水管口流速与天然流速一致。当采样器内、外压力相平衡时，封闭的水样仓进水管口打开，水流成自然状态流入水样仓，达到设定取样时限后关闭进水管。由此可知，采样器的进口流速是确保悬移质水样取样容积准确的重要因素。

由流速仪与采样器的安装位置及相隔距离可以认定：流速仪测流和悬移质取样同步进行时，测点位置的取样器进水管口的流速即是流速仪所测水流速度，采样器取样期间的进水口水流速度与流速仪测得的速度一致。因此，按“以垂线等容积积时取样”技术方案进行悬移质输沙率测验时，流量测验与悬移质取样同步进行具有可行性。关键问题是确定取样容积的控制要素。

2.2 采用其它测验要素控制悬移质取样容积的可行性分析

天然河流中的水流是非均匀流，流速是脉动的。在悬移质输沙率测验中，流量测验与悬移质取样同步进行时，虽然采样器的进水流速度与流速仪测得的速度一致，但由测点流速确定的取样历时控制采样器取样期间，不论流速如何脉动变化，设定取样时间一到，便关闭进水管口。这种用时间控制取样的方法忽视了水流脉动对取样容积的潜在影响。即这种根据测点流速确定取样历时、用时间控制取样的方法不能保证取样容积的准确。

取样容积是水流流速的函数，流速仪测验信号是水流速度的反映。如果将根据测点流速确定取样历时、用时间控制取样的测验方法变成用流速仪信号控制采样器取样，便可完善并解决“以垂线等容积积时取样”方案中的悬移质取样与流速仪测速同步进行且不受水流脉动影响的问题。

3 悬移质积时式取样器取样容积与流速仪信号数关系表达式推导

调压积时式采样器取样容积计算公式：

式中，A为取样容积；D为采样器进水管口直径；V为水流流速，T为取样历时，π为圆周率。

式（1）表明，取样容积是水流速度V及取样历时T的函数，因变量与自变量成正比。

流速仪流速计算公式：

式中，V为水流流速；n为流速仪转速；k为流速转换系数，流速仪的转换系数在流速仪鉴定周期内为一个固定值；T为测速历时；C为流速改正值，流速改正值在流速仪计算公式率定周期内为一个固定值；N为流速仪转数或信号数，当流速仪信号数与其转子的转数比为1∶1时，流速仪信号数等于转数，一般设为1∶20，一个流速仪信号代表20转。

由式（2）可知：流速V是流速仪转速n或信号数N的函数。流速与流速仪转速或者信号数成正比。由于式中的流速改正值C是一个非常小的常数，可以忽略不计。故式（2）可简化为

推导测点流速仪信号数Ni与取样容积Ai的关系表达式。

将式（3）代入式（1）化简得：

由于（4）式中无流速变量V，除流速仪信号数N外，其它均为常数，因此，取样容积A便只与流速仪信号数N一个变量有关，是流速仪信号数N的函数。取样容积A与流速仪信号数N成正比。式（4）表明，在流量测验与悬移质取样同步进行时，可用流速仪信号数作为取样容积的控制因数。由此可知，悬移质取样容积不受流速脉动影响。将式（4）变形，得取样容积A与流速仪信号数N的关系表达式：

式（5）表明，取样容积A可由流速仪信号数N体现。故测点流速仪信号数Ni与测点取样容积Ai的关系表达式为：

式中，i为测点序号，取值1、2、3……m；m为测点总数，其它各字母代表意义与前述相同。

由以上公式推导可知，当流量测验与悬移质取样同步进行时，用流速仪信号数N取代采样历时T而对积时式取样器取样实施控制的方法在理论上具有可行性。

采用积时式采样器进行悬移质输沙率测验时悬移质水样为全断面混合取样，各取样垂线的取样容积按总取样容积A平均分配，各垂线测点取样容积Ai按1∶1∶1或者2∶1∶1垂线定比混合的方法分配。不同测次因水位高低不同、测验（取样）垂线数不同，Ai随取样垂线数和垂线混合比而固定，仅是全断面混合水样总容积A的一小部分。因此，每测点的取样历时都小于流速仪测速过程中为消除流速脉动影响所需的最短测验时间。即在每测点流速测验与悬移质取样同步进行中，不会发生测速计数器关闭而取样工作没完成的事件。

如果测点取样容积Ai小，测点流速Vi小，通过改变流速仪信号转数比，可以避免出现取样容积Ai与流速仪信号数Ni不相应的问题。因此，在以水文缆道为测验载体的悬移质输沙率测验中，当使用流速仪测流与用积时式采样器取样同步进行时，可用流速仪测速信号数控制悬移质取样。

4 结 论

根据以上分析、公式推导及实际工作情况证明，用流速仪信号数作为积时式采样器取样容积的控制信息，可以实现“以垂线等容积积时取样”方案中的悬移质取样与流速仪测速同步，确保采样器的进口流速与流量测验流速的一致并消除流速脉动对取样容积精度的影响。

悬移质输沙率测验中流速仪测流与积时式采样器取样同步进行，简化了悬移质输沙率测验程序和步骤，大大缩短了整个测验历时。且由于流速仪测速计数器声、像显示直观明了，对控制取样器取样比用时间作取样控制信息（看秒表）的操作更具优势。

由于本文探索、改进的悬移质输沙测验方法是以“垂线等容积积时取样”方案为基础进行的，每测线取样或每线测点所取水样为容积定比混合、由测点流速仪信号数控制取样的方案中已没有“积时”的概念，故不宜再用“以垂线等容积积时取样”之名，应简称为“垂线等容积取样”为妥。

以水文缆道为测验载体的测站进行悬移质输沙率测验，用流速仪测流、积时式悬移质采样器按“垂线等容积取样”的方法取样，将传统的取样容积由取样历时（积时）控制改为用流速仪信号控制，不仅解决了流速仪测流与悬移质取样同步进行的问题，更重要的是解决了用测验历时控制取样无法解决的流速脉动对取样容积精度影响的潜在问题，为提高悬移质输沙率测验成果精度及质量进行了有益的探索。

［1］GB50159—92，河流悬移质泥沙测验规范［S］.