悬移质采样器：水文现代化与新技术

悬移质采样器是采集江河水体中含有悬浮泥沙水样的仪器。江河水体中的悬浮泥沙的分布，存在明显的不均匀性。在通常情况下，江河中悬移质泥沙分布有一定规律，在河流中泓处含沙量较大，从水面到河底含沙量逐渐增大。但江河水体中含沙量不管是横向或纵向分布都是很不均匀的，随时间的脉动变化也很大。为此，能否采集到有代表性的水样，就成为衡量悬移质采样器性能优劣的标准。

悬移质采样器分为瞬时式和积时式两大类。理想的悬移质采样器必须达到悬移质采样器行业标准要求：能采集到流态不受扰动，进口流速与天然流速一致，并克服泥沙脉动影响的水样；仪器能适用于各种水文测验设施，并具有综合测验功能，最好能一次性完成输沙率测验任务。

1.瞬时式采样器

瞬时式采样器是在极短时间内采集江河水体中含有悬移质泥沙水样的仪器。它以承水筒放置位置不同分为竖式和横式两种，现在使用的都是横式放置，又称横式采样器。瞬时式采样器采集水样的时间短，不能克服泥沙脉动的影响，所取水样的代表性差。

按控制筒盖关闭的方式分类，横式采样器分为拉式采样器和锤击式采样器两种产品，还有缆道遥控横式采样器。前两种方式使用很普遍，但都要用人工控制，不能用于缆道。用于缆道的缆道遥控横式采样器可以在岸上用电信号控制缆道用的横式采样器的筒盖关闭，取得水样。

（1）拉式横式采样器。拉式横式采样器如图2.81所示，全套仪器结构简单，操作方便，容积为1L。

拉式横式采样器的金属承水筒身口门外型有斜口式与直筒式两种。不论是斜口还是直筒，采样器筒盖对口门处的水样流态扰动都很大，相比之下，斜口式的扰动略小些。

使用前，要在两夹板之间安装适当长度的自制测杆。使用时，用手拉筒盖拉杆打开两个筒盖，用夹板中间的钩形装置钩住筒盖拉杆的一端，使两个筒盖保持打开状态。由人工手持测杆将仪器放到预定测点后，目估测杆方位使采样器承水筒轴线与水流平行，靠人工拉绳同步关闭两端筒盖，取得水样。这种仪器只适用于浅水和含沙量较大的河流。

图2.81　拉式横式采样器

图2.82　锤击式横式采样器

（2）锤击式横式采样器。锤击式横式采样器如图2.82所示。仪器的性能、结构与拉式横式采样器相同，主要区别在于锤击式横式采样器是当仪器到达预定测点位置后，人工施放击锤，击锤沿钢丝绳滑下击中钩形开关装置，使筒盖关闭。另一个区别是锤击式横式采样器容积较大，为2L。锤击式横式采样器适用于水深、流速较大或含沙量较小的江河。这种仪器使用时，常要在仪器下方悬挂铅鱼，采样器距离河底有一定距离，采不到接近河底的水样，而悬移质含沙量恰恰是越接近河底越大，所以测得的底沙代表性不好，所测含沙量偏小。除此之外，在水深、流速较大时，锤击不易使筒盖关闭，操作可靠性不高。

（3）缆道遥控横式采样器。为了在水文缆道上使用横式采样器，曾在水文缆道上做过多种用电信号控制筒盖关闭的研究，也有一些产品。这里以推广使用较好的LAH—2型缆道遥控横式采样器为例进行介绍。

1）LAH—2型缆道遥控横式采样器简介。LAH—2型缆道遥控横式采样器是一种通过缆道工作索和水体传递信号以实现遥控采样的采样装置，该装置的最大特点是操作人员在缆道操作房内即可知道采样器水下工作系统的工作状态并能对其进行遥控关闭横式采样器筒盖。该装置适用于任何形式的水文缆道。

LAH—2型缆道遥控横式采样器是在横式采样器的基础上改装而成的，在横式采样器上增加了电磁驱动控制筒盖关闭装置、还配有带水下电源动力的水下信号装置以及水上控制器，用电磁驱动装置控制筒盖关闭。LAH—2型缆道遥控横式采样器如图2.83所示。

图2.83　LAH—2型缆道遥控横式采样器

水下信号装置和水上控制器应用“无线”方式通信。采样器入水时，水下信号装置发出水面信号，由此可以控制采样器入水深度。电磁驱动装置可以通过电磁铁的吸合动作使横式采样器的钩形装置脱开筒盖拉杆，同步关闭两端筒盖。

2）LAH—2型缆道遥控横式采样器的应用。使用时，在铅鱼上安装水下信号装置，其中带有可充电电池。按要求与缆道遥控横式采样器连好接线，将横式采样器的筒盖打开，用钩形装置钩住筒盖拉杆。

采样器入水后发出入水信号，水上控制器接收此信号并由缆道控制台控制采样器到达预定深度的测点。水上控制器发出充电命令，当水下控制器接收到此充电命令后，其控制直流升压电路对采样控制电路进行充电，同时对充电状态进行检测，当充足电后，水下控制器向水上控制器发送充电结束信号。随后，若接收到关闭筒盖命令，水下控制器的采样控制电路即驱动采样器电磁线圈动作，吸合电磁铁，使钩形装置脱开筒盖拉杆，采样器筒盖关闭。筒盖关闭后，水下控制器会产生筒盖关闭信号，并向水上控制器发送采样完成信号，由此采得一个水样。

3）主要技术指标。采样容积：1000m L或2000m L；适用水深：＞0.2m；遥控范围：水深小于40m；采样间隔：取样间隔大于70s；电源：水下DC7.2V/630m AH可充电镍氢电池，水上DC12V；工作电流：水下储能＜60m A，其他＜11m A；水上＜20m A。

2.积时式采样器

积时式采样器是采集江河水体中某一时段内悬移质泥沙水样的仪器。积时式采样器有很多品种，但它们都具有一个小口径的进水管口，采样时进水管正对水流，水流入采样器内。由于进水管径很小（只有几毫米），所以采样历时要经过几十秒至几分钟，使采得的水样克服了泥沙脉动的影响。

根据积时式采样器的设计原理和实践结果分析，只要有关仪器各种水力特性的机构设计合理，积时式采样器就能采集到有代表性的水样，由于江河水情变化较大，为了能适用于各种测验方法和测验设备的需要，已先后研制了多种型式的积时式采样器。

积时式采样器按工作原理分为瓶式、调压式、皮囊式；按测验方法分为积点式、双层积深式，单层积深式；按结构形式分为单舱式、多舱式、转盘式；按仪器重量分可从手持式3kg重到能适用于深水、高流速大江大河的近1000kg重；按控制进水口门开关的方式有机械控制阀门与电控阀门，电控阀门又分为有线控制与缆道无线控制等。已形成比较完整的系列产品。

（1）瓶式采样器。瓶式采样器是积时式采样器中最简单的型式，有较长的使用历史，且目前应用最为普遍。

图2.84　瓶式采样器

1—进水管；2—排气管；3—采样瓶

1）主要结构。瓶式采样器如图2.84所示。用测杆双程积深法取样，适用水深在2m左右。深水取样时，将取样瓶固定在铅鱼上方或安置在铅鱼腹腔内。我国有很多水文站使用双程积深瓶式采样器。这种仪器虽属于积时式取样，但仪器从水面到河底，再从河底返回水面，由于在河底附近停留时间较长，使接近河底含沙量较大的水样采集偏多，导致实测含沙量可能偏大。因此，宜推广单程积深采样器。

2）工作原理。瓶式采样器在仪器入水时就由进水管向瓶内进水，在进水的同时又通过排气管排出瓶内的空气，整个工作过程是瓶内空气压力和体积与测点静水压力随着水深不断变化又不断平衡的过程。正确地掌握这一过程就能采集到符合下列条件的水样：流态不受扰动；消除含沙量脉动影响；克服取样初期水样突然灌注；进口流速与天然流速，保持一致的积时式水样。但是由于瓶式采样器自身条件的限制，实际上难以达到理想的目的。

瓶式采样器与其他类型积时式采样器一样，只有一根很细的进水管伸出器身外，排气管设置在器壁，如装在铅鱼鱼身内，鱼身呈流线型，阻力很小，流态基本不受扰动。但实际应用时，多直接将采样瓶放入水中，加上安装采样瓶的装置，阻力加大。

由于瓶式采样器采用积深法采集一个时段的水样，所以与瞬时式采样器相比，明显地减少了泥沙脉动影响，而增加了水样的代表性。

瓶式采样器能否采集到消除突然灌注的水样，关键在于采样瓶的器内外压力随水深变化时，能时刻保持压力基本平衡。根据波义耳定律，一定质量的气体，在温度不变时（含沙量测验时，可以不考虑温度变化）体积与压力的乘积是一个常数：

式中：p0为大气压力；W0为瓶内气体在大气中的体积；p1为某一水深处压力；W1为某一水深处瓶内气体体积；C为常数。

根据式（2.26），瓶式采样器如使用双程积深法采集水样，仪器一入水，即因进水管口的动水压力而从进水管进水，排气管排气，不会发生明显的水样突然灌注现象。如果用积点法取样，假设事先将进水管和排气管用塞子塞紧，放到H水深处，然后拔开塞子，这时采样瓶的器内外压力不平衡，瓶内压力仍然为水上大气压p0，瓶外压力则为水深形成的内外压差形成突然灌注。

突然灌注量与水深、采样瓶的容积有关。突然灌注的速度可以达到很高的数值，并将远远超过天然流速。水深越大，瓶子体积越大，进水管径越小，则突然灌注的速度越大，所以瓶式采样器不能用于积点法取样。

瓶式采样器能否采集到进口流速与天然流速接近的水样，取决于仪器的提放速度和结构设计。其中采样瓶轴线与水流流向的夹角（进流角）的影响较大。根据有关部门多次试验，进流角为20°时最佳。

双程积深时，提放速度可用下式估算：

式中：Ru为提放速度；An为管嘴截面积；vcp为垂线平均流速；H为垂线水深；W0为容器体积。

由式（2.27）可知，双程积深式仪器取样的提放速率与管嘴截面积、水深、流速、容器体积有关。用此式估算提放速率时应留有充分余量，防止容器灌满。

（2）调压式采样器。由于瓶式采样器只能用双程积深法取样，不能采集到任意测点的水样，这种采样器与理想采样器的要求差距较大。因此，一直在研究较为理想的积时式采样器，它是在瓶式采样器的基础上，增设自动调压设备和阀门控制的一种积时式采样器。

1）工作原理。调压式采样器的工作原理主要建立在波义耳定律的基础上，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基本平衡。采样时，进水口与排气孔口存在的压差应能克服水样流经进水管时的沿程阻力损失，根据伯努利方程，保持能量平衡。达到消除取样初期水样突然灌注的目的，使水样进口流速接近天然流速。

图2.85　连通容器自动调压示意图(www.xing528.com)

1—调压舱；2—取样舱；3—调压连通管；4—进水管控制开关；5—调压舱进、放水口

将采样仪器内部分为两个舱，一个取样舱，一个调压舱，两舱之间用连通管或经过控制阀门互相连通，可以实现连通容器自动调压。它有三种型式：取样舱与调压舱前后设置；调压舱与取样舱上下设置，上部为调压舱，下部为取样舱；现在常用的方法是内层为取样舱，外层为调压舱。连通容器自动调压示意图如图2.85所示。仪器入水时，取样舱进水孔关闭，只有调压舱下部的进水孔敞开，并以很快的速度向调压舱灌水，灌进调压舱的水聚集在调压舱下部，将调压舱上部的空气压缩，被压缩的空气经调压连通管进入取样舱，直到取样舱的舱内压力和采样器外水压力平衡后，调压舱即不再进水。

这一过程是自动实现的，所以，将采样器放到水下某一测点后，在很短时间内，就能使取样舱的舱内压力和采样器外水压力平衡。这时打开进水控制开关，采样器进水采样，因内外压力平衡，不会发生突然灌注现象。设计完善的采样器在进水采样时，会切断调压连通管，停止调压，同时打开取样舱的排气管（图中未画出），排出取样舱内的多余空气。排气管的孔口高于进水管口，用此高差来克服采样水流流过进水管及控制开关的沿程、局部能量损失。

有些仪器调压舱的进水孔兼作水样舱的排气，也就不能实现瞬时调压。水深越大，则调压历时越长。

水样进口流速与天然流速比值系数（简称进口流速系数）是衡量积时式采样器水力特性的一个重要指标。虽然采用连通容器自动调压，消除了取样初期水样的突然灌注，但水样进口流速仍然不可能等于天然流速。采样器进水管内的水样进口流速与天然流速之比称为进口流速系数，用K表示，K应等于1。进口流速系数误差会导致水样中水沙分离，引起含沙量测验误差。根据各方面试验结果，进口流速系数误差在流速为0.5～5.0m/s，含沙量在30kg/m3条件下，应有75%的累计频率，达到±10%，即K＝0.9～1.1；当含沙量在30～100kg/m3时，应有75%的累计频率达到±20%，即K＝0.8～1.2。也就是说，在上述误差范围内，水样具有代表性。

在实际使用采样器时，用实测方法计算进口流速系数K。将采样器放到某一测点，控制打开进水开关，进行采样。采样一段时间后，关上开关，停止采样。用采样器采得的水样（体积）、采样历时、进水管口径可计算进水管内的水样进口流速。用流速仪测量采样器所在处的天然流速。即可计算进口流速系数K。

进口流速系数误差主要是由水样在取样过程中的能量损失造成的。影响积时式仪器进口流速系数的因素，除了天然流速之外，还有进水管的长度、直径、光洁度，包括进水控制开关，以及排气孔与进水口的高差（即补充能量水头）、排气孔的位置、形状、大小等。为了达到能量平衡，弥补进水管沿程阻力带来的能量损失，一般都适当提高进水口和排气孔的高差，或采用倾斜安放进水管、降低进水管出水口的方法。具体的尺度可以用伯努利方程进行估算。

2）结构与组成。调压式采样器按结构分为单舱型与多舱型两个系列。单舱型只有一个取样舱，适用于单一垂线用单程积深法或多线多点全断面混合法取样；多舱型仪器由几个取样舱组成，适用于多线单程积深法取样和多点取样。

a.单舱型调压式采样器。是调压式采样器早期产品。单舱型调压式采样器如图2.86所示，它分为水下仪器与岸上控制部分。水下仪器由前舱、电磁阀、取样舱、调压舱、控制舱、尾翼等部件组成。在前舱的前端装有进水管，由开关控制。取样舱的周围及上部为调压舱。

图2.86　单舱型调压式采样器

1—管嘴及进水管道；2—头部；3—控制电机及开关阀；4—头部底盘；5—流速仪杆；6—调压管；7—调压舱；8—悬挂板；9—控制舱；10—尾翼；11—器体外壳；12—水样舱；13—头舱

b.对孔阀多舱型调压式采样器。多舱型调压式采样器的工作原理、仪器结构与单舱型调压式采样器基本相同，适用于垂线单程积深法取样和多点取样。在水文缆道一次行车过程中可以采集多条垂线水样或多点水样。水下仪器也是由前舱、电磁阀、取样舱、调压舱、控制舱等部件组成，不同的是取样舱由多个水样舱整齐排列组成，取样时由对孔电磁阀按顺序依次取样。该仪器的调压舱设在尾部，即用尾舱作调压舱。

水下控制部件由对孔阀与螺管式电磁铁组成，接收信号使分水盘连接不同的水样舱进水管、调压和采样。

c.调压式采样器的控制部分。用于水文缆道无线控制的调压式采样器，其控制部分由水下控制器与岸上控制器组成。岸上控制器的作用是为水下控制舱提供测沙触发信号，由于需要具有测流功能，所以岸上控制器往往也能接收水下信号器发出的水面、河底测深信号及流速仪信号。水下控制舱的作用主要是通过“无线”信号传输通道，接收脉冲信号，驱动采样器的电磁阀完成调压、进水和排气功能。

3）技术指标。以AYX—150型调压式采样器为例的技术指标如下。进水管直径：d＝4mm，A≈0.126cm2；取样舱有效容积：W＝2000m L；调压历时：控制时间间隔≤5s；瞬时调压；电磁阀开关寿命：10000次；进口流速误差：流速在0.5～5.0m/s之间，当含沙量≤30kg/m3时，进口流速与天然流速的比值系数K＝0.9～1.1的累计频率不低于75%，或当含沙量为30～100kg/m3时，K＝0.7～1.2的累计频率不低于75%。触发方式：负脉冲控制，脉冲后沿触发；触发灵敏度：水下输入端电压不小于0.7V（缆道对地绝缘电阻要求大于5Ω）；抗干扰性：当水文缆道上出现50Hz以上，幅度不大于3V的各种干扰脉冲信号时，控制电路不应出现误动作；电源：控制板工作电源用6～12V供电；电磁阀工作电源67.5V，工作电压不低于63V。

4）误差分析。造成调压式采样器测量误差的因素如下：

a.调压效果影响。对连通容器自动调压，虽然力图消除突然灌注，但仍不可避免存在一个微小的压力差，其值约在±0.1～±0.3m水柱高范围内，导致仪器进口流速与天然流速差异。若以器外压力为准，如果是负值，则进口流速将偏大；反之，则偏小。

b.进水口与排气口高差ΔH值不稳定的影响。这个高差是根据伯努利方程补充能量损失的一个措施。进水孔与排气孔有水平距离，当仪器在水下摇摆晃动时，ΔH值随时都在改变，影响进口流速。

c.水样舱放水后冲洗误差。水样舱中如有泥沙残留，将直接影响含沙量测验成果，所以每次使用后必须冲洗干净。

（3）皮囊式采样器。皮囊式采样器是积时式采样器的另一个品种，也是一种调压式采样器。皮囊式采样器以结构简单、无需设置专门的调压装置、操作方便、可靠性高、现场可以更换取样舱，尤其是进口流速系数稳定等优点，很快得到推广。

1）取样容器与调压。皮囊式采样器采用软性乳胶皮囊作取样容器。皮囊所在的采样器舱与外界（水体）相通，采样器下水后，皮囊直接感应水压力。皮囊内是取样舱，皮囊外与水体直接相通的采样器舱是调压舱。在仪器入水前，将乳胶皮囊内空气排净。仪器入水后，利用柔软乳胶皮囊具有弹性变形和良好的压力传导作用的特点，使仪器能自动调节乳胶皮囊的取样容积，始终保持器内外压力平衡，不需另设调压舱，即可达到瞬时调压的目的，并能采集到进口流速接近天然流速的水样。

皮囊式采样器要采用适合的柔软乳胶皮囊，仪器测验精度只与进水管沿程阻力损失有关，而这个损失可以从器壁负压孔加速乳胶皮囊胀开得到补偿。因此皮囊材料品质及皮囊厚度对仪器性能有明显影响。通过大量试验资料证明，乳胶皮囊的厚度应在0.6±0.1mm以内。

2）结构与组成。所有皮囊式采样器均由进水管、前舱、控制阀门、皮囊取样舱及器身（中舱）、尾舱等组成。为了配合流量测验，仪器前方配置流速仪悬杆，器身后部安装水面、河底信号发生器。

a.单程积深式皮囊采样器。单程积深式皮囊采样器如图2.87所示，仪器分前舱、中舱、尾舱三部分。

图2.87　单程积深式皮囊采样器

1—进水管；2—头舱；3—接管；4—转轴；5—阀杆；6—短管；7—悬杆；8—顶杆；9—接口座；10—底盘；11—接水口；12—阀杆；13—器身；14—托板；15—皮囊；16—支杆；17—转销；18—托板转轴；19—尾舱；20—尾柱；21—上纵尾；22—下纵尾；23—尾箱

在前舱后部安装浮子阀门，在浮子阀门的中心孔内有一根乳胶短管，前端与进水管相连，后端与皮囊进水口并帽相连。入水前，浮子处于下方，浮子阀门夹紧乳胶管。仪器入水，浮子浮起，松开了对乳胶管的夹紧装置，使乳胶短管通畅，开始取样进水。到达河底时，河底托板抬起，顶起浮子开关的顶板，浮子将脱开对乳胶管的控制，乳胶管被夹紧，取样停止。在浮子开关的自动控制下，采集到下降时的单程积深水样。

b.积点式皮囊采样器。如果将电磁阀、滑阀、夹断阀、陶瓷阀等阀门控制进水口的开关，就成为积点式皮囊采样器。仪器分有线和“无线”控制两种。图2.88是一种有线控制型皮囊采样器。

图2.88　有线控制型皮囊采样器

1—进水管；2—头舱；3—阀座；4—电磁阀；5—挂板；6—河底托板；7—器身；8—皮囊；9—河底信号船；10—尾舱；11—上纵尾；12—下纵尾；13—尾帽；14—横尾

3）技术性能与主要技术指标。仪器重量与水深、流速的适用范围，需根据水深H、流速v的实际值，参照经验公式G＝5－6Hv估算，式中G为铅鱼重量（kg），H为水深（m），v为流速（m/s），适用于悬移质含沙量≤100kg/m3的河道；可用于积点法、积深法、全断面混合法。

典型产品主要技术指标如下。进水口直径：ϕ5mm，ϕ7mm；水样容积：2000m L；水样进口流速误差：实测流速在0.5～5.0m/s之间，当含沙量≤30kg/m3时，水样进口流速与天然流速比值系数K＝0.9～1.1的累计频率不低于75%，当含沙量在30～100kg/m3时，K＝0.7～1.2的累计频率不低于75%；电磁阀吸合功率：150W；仪器重量：标准重量±5%～±10%。

4）误差分析。皮囊采样器测验精度较高。该仪器无需设置排气孔，因此不会由于进水孔和排气孔高差变化引起水样进口流速系数不稳定而导致仪器的测量误差。但悬挂位置是否水平仍然是测量误差来源之一。如头部向下，进水管尾部就向上倾斜，水样进口流速会明显偏小；如头部向上，进水管尾部就向下倾斜，水样进口流速会明显增大。所以仪器在安装时必须目测水平。

5）使用与维护。皮囊式采样器有浮子式阀门的单程积深采样器和有线控制夹断式电磁阀、有线无线控制滑动式电磁阀的积点混合法等系列。

浮子式阀门单程积深采样器使用方法与瓶式采样器基本相同，唯一区别是本仪器单程积深到河底后，自动关闭口门。无线控制采样器使用方法基本上与调压式采样器相同。

使用皮囊式采样器前，都应检查各种阀门的工作状态和信号控制是否正常。还应检查皮囊，并按操作要求安装皮囊。乳胶皮囊容易老化，保管时应注意。

现对积时式采样器的应用作以下简要讨论：

a.瓶式采样器结构简单、使用方便，应用普遍。但是，它的调压性能差，不能被认为是调压采样器。采得的水样代表性不如调压式采样器和皮囊式采样器。

b.调压式采样器的调压结构复杂，调压性能还不如皮囊式采样器。结构复杂带来了可靠性和使用性能问题。因此，使用者多选用皮囊式采样器。

c.皮囊式采样器是被优选的积时式调压采样器，它的皮囊调压结构、原理简单，应用方便，可以在缆道、测船、桥测车上应用。

图2.89　大型船用测流取沙综合仪

使用调压式采样器总不如横式采样器、瓶式采样器方便，调压式采样器的可靠性也比不上简单的横式采样器和瓶式采样器。所以，尽管调压式采样器的采样原理合理，仍然不易推广。应用调压式采样器和皮囊式采样器时，都需要进行测流。因此，都将测流、测沙仪器包括铅鱼制作成一个整体，常称为测流取沙综合仪，可以用于缆道、测船、桥测。图2.89是一种大型船用测流取沙综合仪，可用于水文缆道，且可用于选点（积点）法、积深法、垂线混合法、全段面混合法的悬移质泥沙测验。采用“四通”开关阀完成调压、排水、进水、排气四种功能的转换，控制仪利用水文缆道、水文测船的起重钢丝绳和地线构成“无线”通信线路，实现采样控制和流速测验。其应用范围：采样水体流速范围0.5～5.0m/s；采样流体水深范围1.0～40m；采样流体含沙量范围0～30kg/m3；缆道起重钢丝绳对大地电阻≥10Ω，测船起重钢丝绳对船体电阻≥5kΩ；输入信号灵敏度：≥20m V。采样器基本参数如下：重量：200kg、250kg、300kg、400kg、500kg、600kg；水样舱有效容积：2200m L、2600m L；调压舱容积：12000m L、21000m L；管嘴直径：4mm；器身总长：1300mm、1550mm。

在大型船用或缆道用的测流取沙综合仪上，还可能装有缆道用的超声波测深仪。