雙筒式河流懸移質及水質樣品采集器的設計與應用

（長江水利委員會水文局荊江水文水資源勘測局，湖北荊州 434000）

1 研究背景

懸移質采樣器是用以采集河流懸移質水樣的儀器，常用的有瞬時式和積時式兩類。瞬時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，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，借彈簧拉力將筒蓋關閉，采集水樣。該儀器結構簡單，適用范圍廣，但缺點是關門設計不靈活，在較高流速或較大水深河流條件下獲得水樣成功率低，同時儀器易受河流泥沙擾動影響，單點取樣成果的代表性差[1-3]。

積時式采樣器分為積點式和積深式。積點式采樣器是在測點上吸取水樣，測定某一時段內平均含沙量的儀器。采樣器內有水樣倉和調壓倉，兩者用連通管連接，儀器入水后，調壓倉內進水，空氣受壓縮使采樣器內外靜水壓力平衡，以保持儀器取樣時進水管內流速與天然流速一致。積深式采樣器是一種沿垂線連續吸取水樣，測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。無論何種積時式采樣器，獲取樣品容量均較小，測點或垂線代表性不強[4-6]。

圖1 懸移質橫式采樣器結構示意

近年來，隨著我國眾多河流干支流受水電梯級開發運行以及生態環境保護措施等影響，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時間、長距離受到不同程度沖刷，致使河道岸坡變陡，崩岸險情頻發、航道受阻等，引起社會廣泛關注。新水沙條件下，深入研究庫區及壩下游水文泥沙變化規律及開展水質監測工作十分重要[7-9]。由于河流含沙量小（小于0.2 kg/m3），為滿足水文泥沙測驗規范分析要求，需加倍采集懸移質樣品容量；當含沙量較小時（接近于清水），最大取樣容量至8 000 mL。為滿足水利工程建設及科研分析需要，測驗斷面同一垂線，同一測點上至少需提取2套樣品，需反復10余次操作，工作效率極低、勞動成本高，且作業時間長，對測船及作業人員安全造成一定威脅。因此，研制新型的懸移質泥沙及水質水樣采集器十分必要。

2 新型采集器產品設計

2.1 總體設計

采集器包括安裝體、蓋板、關門體、關門插銷、第一彈簧、定向塊、鋼絲繩、采樣筒、筒蓋及第二彈簧（見圖2（a））。采集器共設置兩個采樣筒，安裝在安裝體兩側，采樣筒兩端安裝有兩個筒蓋，每個采樣筒的兩個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，關門體的橫向塊滑動設置在安裝體滑動腔中，豎向塊滑動插設在安裝體的滑動孔中，定向塊活動設置在豎向塊的頂端，第一彈簧的兩端分別連接在定向塊底部和滑動孔上。關門插銷滑動插設在安裝體的導向孔中，且突出導向孔；鋼絲繩的兩端分別連接采樣筒兩個筒蓋的外側，鋼絲繩的中部套在關門插銷上；采樣筒內掛設有呈倒T形布置的連接塊，豎向部位掛設在采樣筒的頂部；第二彈簧套裝在連接塊的橫向部位上[10-11]。

圖2 采集器結構示意

2.2 核心部件及作用

2.2.1 關門體

圖3為關門體結構示意圖。關門體呈T形設置為橫向塊和豎向塊，橫向塊沿豎向滑動設置在滑動腔中，豎向塊滑動插設在滑動孔中，且豎向塊的頂端突出滑動孔。第一彈簧套裝在豎向塊上，可增加第一彈簧的強度及使用壽命。在豎向塊的頂部設置有螺桿孔，與船舶之間設置有繩索，在繩索上套裝有一個擊打錘。在取樣完畢后，通過外力擊打定向塊，使定向塊向關門體的豎向塊底部滑動；同時第一彈簧被壓縮，迫使關門體的橫向塊在滑動腔中向下滑動，進而帶動關門插銷向下運動至導向孔中；掛設在關門插銷上的鋼絲繩從關門插銷上脫離，在第二彈簧的作用下，采樣筒軸向兩端的兩個蓋板閉合，即關閉了雙采樣筒。

圖3 關門體結構示意

關門體采用了下滑式插銷組件（即活塞式觸發連動式機關），憑借較小外力即可完成雙筒的窗門關閉。關門插銷（見圖4）設置有兩個，對應滑動插設在兩個導向孔中，關門插銷的頂端突出對應的導向孔，關門插銷的底端固定連接在橫向塊上。

圖4 關門插銷示意

當插銷任務完成后，在復位彈簧的作用下自動復位，等待下個環節任務命令。

2.2.2 安裝體

圖5為安裝體結構示意圖。安裝體整體呈柱狀，頂部設置有安裝板，橫截面大于安裝體自身的橫截面，便于安裝。在沿豎向設置有多個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 安裝體結構示意

安裝體的底部設置有橫桿，兩個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，并在安裝體兩側的橫桿上設置有兩個定位螺栓，以固定橫桿。

2.2.3 雙采樣筒

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

圖6 采樣筒結構示意

采樣筒頂部兩端分別設置有限位座，沿水平向設置有限位孔，限位孔背向筒蓋的一端設置有限位螺栓，限位孔內設置有限位塊，限位螺栓及限位塊被活動桿活動穿過，活動桿的一端和限位塊之間設置有第三彈簧，活動桿的另一端與筒蓋的頂部可轉動連接。在筒蓋處于關閉狀態時，第三彈簧處于壓縮狀態。當筒蓋打開時，第三彈簧復位的作用力作用至活動桿上，迫使活動桿向背離筒蓋的方向移動，直至第三彈簧完全復位，此時筒蓋維持打開狀態，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之間設置有安全繩。開啟采集器的兩個門主要依靠安裝在門上的鋼絲繩，鋼絲繩掛在關門機構插銷上（見圖7）。

圖7 采樣筒放大示意

筒蓋的內壁設置有壓板，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，使筒蓋關閉時，保持密封狀態，壓板內壁粘接有橡膠墊，可進一步保證密封效果。筒蓋的下邊緣設置有向采樣筒內部延伸的斜面，減少了對水沙的擾動作用，保證水樣的真實性。同時采樣筒的上口面與下口面還可設計為45°的夾角，即橫切面為45°的等腰梯形，減少了關閉時間，可更好地保證原樣質量。

另外，采樣筒可根據容量進行選擇更換，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格的取樣需求，且由于是平衡對稱設計，可增強其在水體中的穩定性；同時為克服水流擾動作用影響水樣質量，設計時將筒蓋下邊沿與筒體上邊沿平行。

2.2.4 蓋板

圖8為蓋板結構示意圖。蓋板固定安裝在安裝體的頂部，內設置有滑動腔，沿豎向設置有一個滑動孔和兩個導向孔。滑動孔接通在滑動腔的頂端中部，且滑動孔的內徑小于滑動腔的內徑，兩個導向孔分別相對接通在滑動腔的頂端兩側。蓋板上設置有擋板，擋板位于關門插銷的正上方，有供兩個關門插銷穿過的通孔，關門插銷只能沿豎向運動，可防止其偏移，保證取樣的正常進行。

圖8 蓋板結構示意

2.3 主要技術參數與制作材料

2.3.1 主要技術參數

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

（2）采集器設計自重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。

設備不受船舶部位限制，各型測船根據自身動力選配安裝。

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。在設計時考慮不同水流、水深情況，配置不同重量的擊錘。設備整體結構連貫、緊湊、靈敏、美觀且實用，安裝拆卸和維護保養較為便捷。

3 應用實例

國家自然科學基金項目“三峽工程運用后壩下游彎曲河道演變規律研究”主要研究嚴重次飽和含沙水流作用下彎曲河段的水沙運動規律、邊灘沖刷機理及縱橫向演變的耦合機制等科學問題，開展對調關彎曲河道系統的原型觀測與實體模型試驗。在20 km范圍內布設10個一級水文測驗斷面，具體測驗內容包括水位、流量、斷面流速分布、床沙取樣、懸移質含沙量、懸移質顆粒級配及推移質等，并于汛前、高水期及汛后各施測一次，各測驗斷面基本同步施測[12-13]。

為滿足此次懸移質含沙量及顆粒級配測驗，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點法、水深小于8 m采用3點法取樣。以汛前測次（含沙量小）為例，單點采集樣品容量為4 000 mL，采樣總數為320點×2套。

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

4 結語

隨著水利工作重心轉移到“水利工程補短板、水利行業強監管”上來，河流泥沙規律研究工作越來越緊迫，必須加強水文科技創新工作。大容量雙筒式懸移質泥沙及水質樣品采集器，能較好地適用于含沙量小的壩下游河段、庫區、深水湖泊的懸移質泥沙取樣或水質樣品采集，可有效解決新水沙條件下懸移質泥沙測驗效能低的難題，既保障樣品質量，又節約勞動成本、降低安全作業風險，具有一定的推廣價值。