AYX2-1型悬移质采样器在万家埠水文站的应用

黄孝明，周 颖，吴 文

（1.江西省水文监测中心，江西 南昌，330002；2.抚河水文水资源监测中心，江西 抚州，344000）

1 概况

1.1 站点概况

万家埠水文站是鄱阳湖流域修水水系潦河的重要控制站，1952年1月设立，地理位置为东经115°38′54″，北纬 28°51′23"，集水面积 3 548km2，距河口距离33km。该站测验河段大致顺直，上下游均有弯道，主槽呈W形，中高水主槽宽度330m左右，河床由砾石、细砂组成，有冲淤现象，测验断面上游3km是南潦水和北潦水的汇合口[1]。

悬移质是万家埠水文站的重要测验项目之一，自1956年以来，该站多年平均含沙量为0.099kg/m3，最大含沙量为1.62kg/m3。因为该站洪水暴涨暴落，悬移质测验一直是困扰该站的一个难题，目前悬移质取样主要利用下游万埠大桥进行人工取样，取样难度高、搬运强度大，为了优化悬移质测验方案，2018年万家埠水文站引进了AYX2-1型悬移质采样器，拟解决该站长期存在的悬移质测验难题。

1.2 AYX2-1型悬移质采样器工作原理

长江AYX2-1型测流取沙仪是一种在水文缆道、测船平台上采集流体悬移质样本和测量测点流速的水文测验仪器，该采样器主要由机械系统和电气控制系统两个部分组成。其最大的优点是通过采集系统的两次调压达到进口流速与天然流速基本一致，满足积时式采样器应用条件[2]，采集的流体悬移质样本具有较高的精度，可用于选点（积点）法、积深法、垂线混合法、全段面混合法的悬移质测验[3]。

长江AYX2-1型测流取沙仪的工作原理：一是建立在波义耳-马略特定律的基础上，利用连通容器的自动调压，使采样器取样舱的器内压力和采样器所在测点处的器外静水压力平衡，达到消除取样初期水样突然灌注的目的；二是根据伯努利方程，解决水样流经进水管时沿程阻力损失，保持能量平衡，达到水样进口流速接近天然流速的目的[3]，其工作原理见图1。

图1 工作原理图

2 悬移质取样分析

2.1 进口流速系数测试

进口流速系数是积时式采样器的一个重要测试项目，目的是检测进口流速在不同流速、含沙量情况下是否与天然流速一致，按《河流悬移质泥沙测验规范》（GB/T 50159-2015）规定，含沙量在30kg/m3以下时，K为0.9～1.1的保证率应不小于75%；含沙量在30～100kg/m3时，K为0.7～1.3的保证率应不小于75%[3]。进口流速系数的公式为：

式中：K为进口流速系数；V天、V进分别为流速仪测的天然流速及采样器进水管内的流速，m/s；W为采样器取得的水样体积，ml；a为进水管嘴孔口面积，mm2；T为取样历时，s。

万家埠水文站对AYX 2-1型采样器进口流速系数测试，2019年以来共进行试验123次，其中高水位级（＞25.7m）测试6次，中水位级（23.0m～25.7m）测试48次，低水位级（＜23.0m）测试69次，分别对各水位级的K值分布进行统计分析见表1，K值分布图见图2。

图2 不同水位级下的进口流速系数K值分布图

表1 进口流速系数试验分析结果

根据试验结果得出以下结论：万家埠水文站引进的AYX 2-1型采样器经过测试，其进口流速系数K相对集中，其中K值最大为1.26，最小为0.74，进口流速系数K为0.9～1.1点数为98次，保证率为79.7%，满足规范要求，可以投入实际生产应用。根据现场采样分析，偏离原因主要表现在遥控开关故障导致进水口打开延时、仪器密封不严实导致漏水以及漂浮物堵塞进水口三个方面。

2.2 取样一致性分析

鉴于AYX2-1型采样器先后在长江水利委员会水文局北碚、罗渡溪、寸滩、朱沱、高场、耦池等水文站均得到成功应用，且积时式采样器是国家规范推荐应用的采样仪器，因此本次含沙量取样精度分析主要由采样人员在原取样位置采用横式采样器与AYX2-1型采样器同时取样，对取样的一致性进行分析[5]，共计取样30次，并对水样进行过滤烘干分析，分析成果相关关系见图3。

图3 原采样方式与AYX2-1型采样器采样结果一致性对比分析

根据点对点取样分析，原采样方法与引进AYX2-1型采样器测取的含沙量数据相关度R2为0.97，各级含沙量不存在系统误差，证明取样精度能够满足要求，与原采样方式一致性较好[4]。

2.3 稳定性分析及运行维护

2.3.1 稳定性分析

设备的稳定性是水文测验仪器评定的一项重要内容，本次稳定性分析采用稳定率评价指标，即AYX2-1型采样器运行正常次数与实际采样次数的比值，公式如下：

式中：G为稳定率，%；Z为稳定采样次数；P为实际采样次数。

2019年3月至2020年7月，万家埠水文站共应用仪器进行沙样采集176次，其中正常采水次数123次，故障次数53次，其中16次为流速仪测速故障，与AYX2-1型采样器本身性能关联不大。对其余37次故障进行分析，主要类型详见表2。

表2 常见故障统计表

2.3.2 运行与维护

根据万家埠水文站的应用经验，为了保障取样设备正常运行，每次取样前应做好4项检查。

（1）密封性检查。重点对头舱、进水管路、气路、电路、水样筒、控制舱、尾舱等部位的漏水漏气情况进行检查，并保证头舱翻转结合面对位准确，搭扣偏心轴扣紧时压力适当，橡胶密封件受力均匀，从而保证取样过程设备密封性良好，舱内干燥。

（2）水路、气路检查。重点检查进水管路是否顺直、光滑、通畅，无阻塞，进水管嘴有无变形，排水管路、调压气路是否通畅，可用洗耳球或自来水管冲水判断。

（3）电气控制信号线路检查。重点检查电机转动后各孔位能否准确对正，开或关状态指示信号是否正确，各接触点、弹簧活动件是否灵活，弹簧销是否有弹力，接触簧片有无氧化物。

（4）控制信号线路插件检查。仪器长时间未用应在采样前检查七芯插头上的密封圈有无老化变质，七芯插座内有无积水潮湿，插针有无锈蚀等。

针对万家埠水文站在使用过程中常见的故障类型，分别提出日常维护建议：

（1）蓄电池的维护。应定期检测水下控制器的蓄电池电压，电压应保持在11.5V～12.5V之间，低于11V时应立即进行充电，一个月以上不使用时，应取回电瓶放置在环境干燥的室内保存，长期不用则应6个月充放电一次，正常使用2～3年后按要求更换。

（2）采样器控制仪的维护。每次使用完毕后，必须将交流电源线插头拔出，将控制信号输入线插头与悬索、极板线断开，避免遭受雷击。

（3）水下控制器的维护。每次测量完毕后，必须关断电源。采样器在长期不使用时，应将水下控制器取出，存放在干燥并通风良好的地方，为了防止控制舱内过于潮湿造成电路腐蚀，最好在控制舱内存放干燥剂并定期取出烘干再用。

（4）开关阀的维护。头舱进水易造成集成开关阀中的微电机轴心和铁芯锈死导致电机转动异常，线圈严重受潮甚至引起电机烧毁。因此应定期对采样器开关阀进行通电保养，在正常采样状态下开关10次以上，避免电机线圈、铁芯和轴心等受潮锈蚀。因开关阀装配精度要求较高，建议联系专业人员进行维修。

（5）管嘴的维护。长江AYX2-1型采样器进水管嘴防止碰撞和变形，要经常检查管嘴的完好程度，如受自然或人为因素造成损伤，发现管嘴口门面积缩小或变形应即时维修更换。

3 取沙模型的建立

AYX2-1型采样器应用的关键是建立天然流速与采样历时的模型[6]，万家埠水文站单沙取样垂线两根（80m、300m），断沙取样垂线10根，取样方法均采用垂线混合法，基于以上采样方案，本节分别建立不同情形下的悬移质取样模型。

3.1 基于水位—流速关系的单沙取样模型

3.1.1 水位～流速模型建立

选取2019-2020年万家埠缆道流速仪法实测流量数据，分别选定取样垂线80m、300m的水位和流速的相关关系，80m垂线相关关系见图4，300m相关关系见图5。

根据图4图5，对水位～流速关系进行拟合，拟合采用对数方程，80m垂线拟合曲线为：v=2.725 1*ln（Z）-7.997 5，相关度R2=0.848 6，拟合程度较好，300m垂线拟合曲线为：v=3.090 3*ln（Z）-9.172 2，拟合程度为R2=0.861 5。拟合程度较好。

图4 80m垂线水位流速相关关系

图5 300m垂线水位流速相关关系

3.1.2 单沙取样模型的建立

根据3.1.1节建立的水位流速模型建立万家埠水文站的单沙取样模型，万家埠现行的单沙取样垂线为80m、300m两线混合，采用等体积法进行取样。按照AYX2-1型调压积时式采样器取样容积1 800ml进行计算，两根垂线分别取样900ml，建立取样方案见表3。

表3 单沙水位～流速～历时取样方案

3.2 基于实测流速的断沙取样模型的建立

万家埠现行的断沙取样垂线为10根，采用等体积法进行取样。按照AYX2-1型调压积时式采样器取样容积1800ml进行计算，采用全断面混合法，10根垂线分别取样180ml，建立实测流速与垂线取样历时模型如图6，实际操作中根据实测垂线平均流速计算相应的取样历时，并在相应测点或垂线进行取样[4]。

图6 全断面混合法输沙取样模型

3.3 特殊情况下的取样模型

因考虑到低水或者超标准洪水期间，悬移质取样垂线可能无法按照原定计划布设，针对特殊情况建立特殊情况下的取样模型，可按照实测流速和所需取样容积情况查算表4，并以实测流速为参变数，建立了取样容积～实测流速～取样历时模型，实际应用中可直接查图7。

表4 不同取样容积、实测流速输沙取样历时 s

图7 取样容积～流速～取样历时相关图

4 结语

（1）进口流速系数K值测试。长江AYX2-1型采样器在万家埠水文站共进行进口流速系数实验123次，通过实验可知K相对集中，进口流速系K值在0.9～1.1之间的有98次，达标率为79.7%，符合《河流悬移质泥沙测验规范》（GB/T 50159-2015）中对于积时式采样器的技术要求。

（2）通过原采样方法和长江AYX2-1型采样器采集悬移质样品进行一致性对比分析，共同步取样30次，经烘干法处理后，两种方法在同一垂线采集水样测取的含沙量数据相关度R2为0.97，相关关系密切，证明长江AYX2-1型采样器所采集的水样与原采样方法具有较好的一致性。

（3）提出了取样前检查和日常维护建议。实验过程中，万家埠水文站共利用仪器进行沙样采集176次，其中正常采水次数123次，正常率为69.9%，故障率30.1%，故障率偏高，本文针对应用中的主要故障类型进行了分析，并根据万家埠水文站的应用经验提出了取样前检查和日常维护建议。

（4）根据长江AYX2-1型采样器工作原理，建立了万家埠水文站单、断沙取样模型，通过建立的取沙模型，可直接根据水位或者实测流速查算取样历时，可操作性强，极大地提高了采样精度和采样效率。

（5）长江AYX2-1型采样器基本能够满足万家埠水文站的悬移质常规测验要求，具备向水沙特性相似水文站推广的意义，测验人员应加强检查和维护，及时发现和处理发生的故障，提升仪器的使用效率。