雙筒式河流懸移質(zhì)及水質(zhì)樣品采集器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

（長(zhǎng)江水利委員會(huì)水文局荊江水文水資源勘測(cè)局，湖北荊州 434000）

1 研究背景

懸移質(zhì)采樣器是用以采集河流懸移質(zhì)水樣的儀器，常用的有瞬時(shí)式和積時(shí)式兩類。瞬時(shí)式采樣器主要是橫式采樣器，取樣筒由薄壁鋼管制成，容積一般為500～2 000 mL，兩端有蓋，蓋緣裝有拉力彈簧（見圖1）。采樣時(shí)，張開筒蓋，水流從筒中流過，然后通過錘式擊打方式操控開關(guān)，借彈簧拉力將筒蓋關(guān)閉，采集水樣。該儀器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適用范圍廣，但缺點(diǎn)是關(guān)門設(shè)計(jì)不靈活，在較高流速或較大水深河流條件下獲得水樣成功率低，同時(shí)儀器易受河流泥沙擾動(dòng)影響，單點(diǎn)取樣成果的代表性差[1-3]。

積時(shí)式采樣器分為積點(diǎn)式和積深式。積點(diǎn)式采樣器是在測(cè)點(diǎn)上吸取水樣，測(cè)定某一時(shí)段內(nèi)平均含沙量的儀器。采樣器內(nèi)有水樣倉和調(diào)壓倉，兩者用連通管連接，儀器入水后，調(diào)壓倉內(nèi)進(jìn)水，空氣受壓縮使采樣器內(nèi)外靜水壓力平衡，以保持儀器取樣時(shí)進(jìn)水管內(nèi)流速與天然流速一致。積深式采樣器是一種沿垂線連續(xù)吸取水樣，測(cè)定垂線平均含沙量的儀器。該采樣器適用于淺水河流取樣，且取樣時(shí)要求儀器提放速度均勻并小于垂線平均流速的1/3。無論何種積時(shí)式采樣器，獲取樣品容量均較小，測(cè)點(diǎn)或垂線代表性不強(qiáng)[4-6]。

圖1 懸移質(zhì)橫式采樣器結(jié)構(gòu)示意

近年來，隨著我國(guó)眾多河流干支流受水電梯級(jí)開發(fā)運(yùn)行以及生態(tài)環(huán)境保護(hù)措施等影響，上游河流水位不斷抬升，水流放緩，水體泥沙沿程落淤；而隨著清水下泄，壩下游河流泥沙大幅減少，近庫下游河段河床長(zhǎng)時(shí)間、長(zhǎng)距離受到不同程度沖刷，致使河道岸坡變陡，崩岸險(xiǎn)情頻發(fā)、航道受阻等，引起社會(huì)廣泛關(guān)注。新水沙條件下，深入研究庫區(qū)及壩下游水文泥沙變化規(guī)律及開展水質(zhì)監(jiān)測(cè)工作十分重要[7-9]。由于河流含沙量?。ㄐ∮?.2 kg/m3），為滿足水文泥沙測(cè)驗(yàn)規(guī)范分析要求，需加倍采集懸移質(zhì)樣品容量；當(dāng)含沙量較小時(shí)（接近于清水），最大取樣容量至8 000 mL。為滿足水利工程建設(shè)及科研分析需要，測(cè)驗(yàn)斷面同一垂線，同一測(cè)點(diǎn)上至少需提取2套樣品，需反復(fù)10余次操作，工作效率極低、勞動(dòng)成本高，且作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)測(cè)船及作業(yè)人員安全造成一定威脅。因此，研制新型的懸移質(zhì)泥沙及水質(zhì)水樣采集器十分必要。

2 新型采集器產(chǎn)品設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)

采集器包括安裝體、蓋板、關(guān)門體、關(guān)門插銷、第一彈簧、定向塊、鋼絲繩、采樣筒、筒蓋及第二彈簧（見圖2（a））。采集器共設(shè)置兩個(gè)采樣筒，安裝在安裝體兩側(cè)，采樣筒兩端安裝有兩個(gè)筒蓋，每個(gè)采樣筒的兩個(gè)筒蓋之間通過第二彈簧連接（見圖2（b））。蓋板固定安裝在安裝體的頂部，關(guān)門體的橫向塊滑動(dòng)設(shè)置在安裝體滑動(dòng)腔中，豎向塊滑動(dòng)插設(shè)在安裝體的滑動(dòng)孔中，定向塊活動(dòng)設(shè)置在豎向塊的頂端，第一彈簧的兩端分別連接在定向塊底部和滑動(dòng)孔上。關(guān)門插銷滑動(dòng)插設(shè)在安裝體的導(dǎo)向孔中，且突出導(dǎo)向孔；鋼絲繩的兩端分別連接采樣筒兩個(gè)筒蓋的外側(cè)，鋼絲繩的中部套在關(guān)門插銷上；采樣筒內(nèi)掛設(shè)有呈倒T形布置的連接塊，豎向部位掛設(shè)在采樣筒的頂部；第二彈簧套裝在連接塊的橫向部位上[10-11]。

圖2 采集器結(jié)構(gòu)示意

2.2 核心部件及作用

2.2.1 關(guān)門體

圖3為關(guān)門體結(jié)構(gòu)示意圖。關(guān)門體呈T形設(shè)置為橫向塊和豎向塊，橫向塊沿豎向滑動(dòng)設(shè)置在滑動(dòng)腔中，豎向塊滑動(dòng)插設(shè)在滑動(dòng)孔中，且豎向塊的頂端突出滑動(dòng)孔。第一彈簧套裝在豎向塊上，可增加第一彈簧的強(qiáng)度及使用壽命。在豎向塊的頂部設(shè)置有螺桿孔，與船舶之間設(shè)置有繩索，在繩索上套裝有一個(gè)擊打錘。在取樣完畢后，通過外力擊打定向塊，使定向塊向關(guān)門體的豎向塊底部滑動(dòng)；同時(shí)第一彈簧被壓縮，迫使關(guān)門體的橫向塊在滑動(dòng)腔中向下滑動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)關(guān)門插銷向下運(yùn)動(dòng)至導(dǎo)向孔中；掛設(shè)在關(guān)門插銷上的鋼絲繩從關(guān)門插銷上脫離，在第二彈簧的作用下，采樣筒軸向兩端的兩個(gè)蓋板閉合，即關(guān)閉了雙采樣筒。

圖3 關(guān)門體結(jié)構(gòu)示意

關(guān)門體采用了下滑式插銷組件（即活塞式觸發(fā)連動(dòng)式機(jī)關(guān)），憑借較小外力即可完成雙筒的窗門關(guān)閉。關(guān)門插銷（見圖4）設(shè)置有兩個(gè)，對(duì)應(yīng)滑動(dòng)插設(shè)在兩個(gè)導(dǎo)向孔中，關(guān)門插銷的頂端突出對(duì)應(yīng)的導(dǎo)向孔，關(guān)門插銷的底端固定連接在橫向塊上。

圖4 關(guān)門插銷示意

當(dāng)插銷任務(wù)完成后，在復(fù)位彈簧的作用下自動(dòng)復(fù)位，等待下個(gè)環(huán)節(jié)任務(wù)命令。

2.2.2 安裝體

圖5為安裝體結(jié)構(gòu)示意圖。安裝體整體呈柱狀，頂部設(shè)置有安裝板，橫截面大于安裝體自身的橫截面，便于安裝。在沿豎向設(shè)置有多個(gè)用于與船舶連接的掛鉤，掛鉤可通過繩索連接在船舶上。

圖5 安裝體結(jié)構(gòu)示意

安裝體的底部設(shè)置有橫桿，兩個(gè)采樣筒安裝在橫桿的兩端，橫桿沿水平向穿過安裝體的底部，并在安裝體兩側(cè)的橫桿上設(shè)置有兩個(gè)定位螺栓，以固定橫桿。

2.2.3 雙采樣筒

圖6為采樣筒結(jié)構(gòu)示意圖。采樣筒頂部的中間設(shè)置有安裝座，橫桿的端部固定插設(shè)在安裝座中，其軸向兩端開口。兩個(gè)采樣筒相對(duì)安裝在安裝體底部水平向的兩側(cè)，兩個(gè)采樣筒可通過一次采集同時(shí)收集樣品，可增加樣品采集的容積和頻次，提高工作效率。

圖6 采樣筒結(jié)構(gòu)示意

采樣筒頂部?jī)啥朔謩e設(shè)置有限位座，沿水平向設(shè)置有限位孔，限位孔背向筒蓋的一端設(shè)置有限位螺栓，限位孔內(nèi)設(shè)置有限位塊，限位螺栓及限位塊被活動(dòng)桿活動(dòng)穿過，活動(dòng)桿的一端和限位塊之間設(shè)置有第三彈簧，活動(dòng)桿的另一端與筒蓋的頂部可轉(zhuǎn)動(dòng)連接。在筒蓋處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，第三彈簧處于壓縮狀態(tài)。當(dāng)筒蓋打開時(shí)，第三彈簧復(fù)位的作用力作用至活動(dòng)桿上，迫使活動(dòng)桿向背離筒蓋的方向移動(dòng)，直至第三彈簧完全復(fù)位，此時(shí)筒蓋維持打開狀態(tài)，以方便取樣。第二彈簧的每一端和與其位于同一端的筒蓋的兩側(cè)之間設(shè)置有安全繩。開啟采集器的兩個(gè)門主要依靠安裝在門上的鋼絲繩，鋼絲繩掛在關(guān)門機(jī)構(gòu)插銷上（見圖7）。

圖7 采樣筒放大示意

筒蓋的內(nèi)壁設(shè)置有壓板，其截面與采樣筒的徑向截面相一致。壓板嵌入在采樣筒的端部中，使筒蓋關(guān)閉時(shí)，保持密封狀態(tài)，壓板內(nèi)壁粘接有橡膠墊，可進(jìn)一步保證密封效果。筒蓋的下邊緣設(shè)置有向采樣筒內(nèi)部延伸的斜面，減少了對(duì)水沙的擾動(dòng)作用，保證水樣的真實(shí)性。同時(shí)采樣筒的上口面與下口面還可設(shè)計(jì)為45°的夾角，即橫切面為45°的等腰梯形，減少了關(guān)閉時(shí)間，可更好地保證原樣質(zhì)量。

另外，采樣筒可根據(jù)容量進(jìn)行選擇更換，如可采用4 000 mL×2或2 000 mL×2采樣筒，能一次性滿足多種規(guī)格的取樣需求，且由于是平衡對(duì)稱設(shè)計(jì)，可增強(qiáng)其在水體中的穩(wěn)定性；同時(shí)為克服水流擾動(dòng)作用影響水樣質(zhì)量，設(shè)計(jì)時(shí)將筒蓋下邊沿與筒體上邊沿平行。

2.2.4 蓋板

圖8為蓋板結(jié)構(gòu)示意圖。蓋板固定安裝在安裝體的頂部，內(nèi)設(shè)置有滑動(dòng)腔，沿豎向設(shè)置有一個(gè)滑動(dòng)孔和兩個(gè)導(dǎo)向孔?；瑒?dòng)孔接通在滑動(dòng)腔的頂端中部，且滑動(dòng)孔的內(nèi)徑小于滑動(dòng)腔的內(nèi)徑，兩個(gè)導(dǎo)向孔分別相對(duì)接通在滑動(dòng)腔的頂端兩側(cè)。蓋板上設(shè)置有擋板，擋板位于關(guān)門插銷的正上方，有供兩個(gè)關(guān)門插銷穿過的通孔，關(guān)門插銷只能沿豎向運(yùn)動(dòng)，可防止其偏移，保證取樣的正常進(jìn)行。

圖8 蓋板結(jié)構(gòu)示意

2.3 主要技術(shù)參數(shù)與制作材料

2.3.1 主要技術(shù)參數(shù)

（1）一次性可獲取兩套容量4 000mL，最小獲取單個(gè)水樣容量為2 000 mL。

（2）采集器設(shè)計(jì)自重20～30 kg，擊錘0.5～ 2 kg。

（3）掛載鉛魚50～150 kg。

（4）允許最大流速5 m/s。

（5）最大水深200 m。

設(shè)備不受船舶部位限制，各型測(cè)船根據(jù)自身動(dòng)力選配安裝。

2.3.2 制作材料

采集器采用碳素鋼為主要制造用材，并有少量銅材、不銹鋼、連接法蘭等。在設(shè)計(jì)時(shí)考慮不同水流、水深情況，配置不同重量的擊錘。設(shè)備整體結(jié)構(gòu)連貫、緊湊、靈敏、美觀且實(shí)用，安裝拆卸和維護(hù)保養(yǎng)較為便捷。

3 應(yīng)用實(shí)例

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“三峽工程運(yùn)用后壩下游彎曲河道演變規(guī)律研究”主要研究嚴(yán)重次飽和含沙水流作用下彎曲河段的水沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律、邊灘沖刷機(jī)理及縱橫向演變的耦合機(jī)制等科學(xué)問題，開展對(duì)調(diào)關(guān)彎曲河道系統(tǒng)的原型觀測(cè)與實(shí)體模型試驗(yàn)。在20 km范圍內(nèi)布設(shè)10個(gè)一級(jí)水文測(cè)驗(yàn)斷面，具體測(cè)驗(yàn)內(nèi)容包括水位、流量、斷面流速分布、床沙取樣、懸移質(zhì)含沙量、懸移質(zhì)顆粒級(jí)配及推移質(zhì)等，并于汛前、高水期及汛后各施測(cè)一次，各測(cè)驗(yàn)斷面基本同步施測(cè)[12-13]。

為滿足此次懸移質(zhì)含沙量及顆粒級(jí)配測(cè)驗(yàn)，需采集兩套水樣，按要求每斷面布置6～8線，水深大于8 m采用5點(diǎn)法、水深小于8 m采用3點(diǎn)法取樣。以汛前測(cè)次（含沙量?。槔?，單點(diǎn)采集樣品容量為4 000 mL，采樣總數(shù)為320點(diǎn)×2套。

按傳統(tǒng)2 000 mL，橫式采樣器取樣，取樣次數(shù)為320點(diǎn)×2次（2 000 mL×2）×2套，兩條水文測(cè)船需2 d完成；而采用大容量雙筒式采集器4 000 mL×2，采樣次數(shù)僅為320次，且每次采集樣本成功率為100%，兩條水文測(cè)船1 d即可輕松完成，且有效保證了各斷面測(cè)驗(yàn)的同步性和測(cè)驗(yàn)成果質(zhì)量，工作效率至少提高了3倍，節(jié)約生產(chǎn)成本近20 000元。

4 結(jié)語

隨著水利工作重心轉(zhuǎn)移到“水利工程補(bǔ)短板、水利行業(yè)強(qiáng)監(jiān)管”上來，河流泥沙規(guī)律研究工作越來越緊迫，必須加強(qiáng)水文科技創(chuàng)新工作。大容量雙筒式懸移質(zhì)泥沙及水質(zhì)樣品采集器，能較好地適用于含沙量小的壩下游河段、庫區(qū)、深水湖泊的懸移質(zhì)泥沙取樣或水質(zhì)樣品采集，可有效解決新水沙條件下懸移質(zhì)泥沙測(cè)驗(yàn)效能低的難題，既保障樣品質(zhì)量，又節(jié)約勞動(dòng)成本、降低安全作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，具有一定的推廣價(jià)值。