吳德波，陳濤

(黃河水利委員會水文局，河南 鄭州 450004)

0 引言

水質(zhì)監(jiān)測可以及時、全面地掌握水環(huán)境的質(zhì)量狀況和水系中污染物的動態(tài)變化，為水環(huán)境管理提供科學依據(jù)。取得具有代表性的水樣是水質(zhì)監(jiān)測的重要環(huán)節(jié)，是獲取準確水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)的基礎。文章僅針對開闊河流和湖泊、水庫的水質(zhì)監(jiān)測，不涉及管道、地下水、降水等。由于水質(zhì)是動態(tài)的，且人工取樣受人為因素影響大，如取樣不規(guī)范或操作不正確都會影響水樣的代表性，從而導致水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)的準確性。

1 水質(zhì)取樣器的現(xiàn)狀及存在問題

當前，水質(zhì)取樣主要采用聚乙烯塑料桶、單層采水瓶、直立式采水器和自動采樣器。采集的水樣通常分為瞬時水樣、周期水樣、混合水樣、綜合水樣等。其中，瞬時水樣指隨機采集某一特定位置的水樣，取樣方式簡單簡便多樣、快速，但樣品只代表采集時取樣點的水質(zhì)，不能說明整個水體的水質(zhì)。實際工作中，要連續(xù)采取多個位置的瞬時水樣。周期水樣是指在固定時期內(nèi)采取一定體積的水樣，受偶然因素影響小，因此代表性稍好于瞬時水樣?；旌先釉谕徊蓸狱c上以流量、時間、體積或是以流量為基礎，按照已知比例(間歇的或連續(xù)的)混合在一起的樣品，具有更好的代表性，還可以減少工作量和試劑損耗，節(jié)約時間，但是采集操作更為復雜。綜合水樣是指把從不同采樣點同時采集的瞬時水樣混合為一個樣品，便于快速監(jiān)測分析，對水體水質(zhì)做出定性判斷，其本質(zhì)還是瞬時水樣。

目前市面上的水質(zhì)采樣器種類繁多，主要可分為非自動采樣器和自動采樣器。非自動采樣器主要包括廣口瓶、吊桶、排空式取樣器等。采集水體表層樣品時，一般直接將廣口瓶或吊桶沉入水中，待注滿水后提出。采集特定深度樣品時，可用配有重物的采樣瓶，或者排空式取樣器。非自動采樣器可用于采集瞬時水樣、周期水樣、綜合水樣，但不適合采集混合水樣。自動水質(zhì)取樣器產(chǎn)品眾多，功能豐富，主流技術已經(jīng)實現(xiàn)了定時或按預設時間比例、預設流量比例自動采樣，也可以根據(jù)流速自動調(diào)整采樣速度，取樣代表性非常好。不過，自動水質(zhì)取樣器基本都需要依靠電源和電子元器件才能完成取樣工作，對于野外工作特別是水樣應急取樣來說，有著一定的局限性。

2 無動力自動水質(zhì)取樣器的研制

2.1 設計目標

根據(jù)黃委水文局水質(zhì)監(jiān)測取樣的實際需求和存在問題，以彌補現(xiàn)有自動水質(zhì)取樣器的不足為出發(fā)點，研制一種無動力自動水質(zhì)取樣器。主要實現(xiàn)幾個目標：能夠進行流量或流速比例樣品的混合水樣采集；沒有電子元器件，不需要電源；設計相對簡單，樣品容器很容易進行拆卸、清洗和安裝，易于操作和維護；儀器為封閉式，且重量較輕，便于攜帶和野外作業(yè)；不容易被水草、漂浮物或水中的其他固體物質(zhì)堵塞；具有抗腐蝕性。

2.2 設計結構

無動力自動水質(zhì)取樣器主要由主體結構、引水單元、控制單元、聯(lián)結單元、儲水囊等部分組成。主體結構包括殼體和滑槽，引水單元包括扇葉、引流槽和迎水板，控制單元包括限制槽、扭轉彈簧、活塞、導向桿、蓄力箱，聯(lián)結單元包括齒輪、棘輪、螺桿、嚙合輪、伸縮桿。殼體采用亞克力材質(zhì)，引水單元、控制單元、聯(lián)結單元采用PP塑料、金屬和硅膠材質(zhì)，堅固耐用，且較為輕便。儲水囊采用聚氨酯材料和PVC涂層，密封性好，可折疊，安全可靠，易于運輸和保存。其結構如圖1、圖2所示。

圖1 主視剖視圖

圖2 左視圖

殼體內(nèi)部開設有滑槽，滑槽的表面滑動連接有齒輪，齒輪的表面活動連接有棘輪，齒輪的內(nèi)部活動連接有螺桿，螺桿的表面活動連接有嚙合輪，嚙合輪的表面活動連接有扇葉，螺桿遠離齒輪的一端活動連接有引流槽，引流槽的表面固定連接有迎水板，引流槽的內(nèi)部開設有限制槽，限制槽的內(nèi)部活動連接有扭轉彈簧。活塞的表面活動連接有伸縮桿，伸縮桿的下端活動連接有蓄力箱，蓄力箱的內(nèi)部填充有彈性物質(zhì)，且具有一定的伸縮能力。殼體內(nèi)部位于齒輪的兩側均固定連接有儲水囊，進入儲水囊中的水只會在儲水囊受到外力作用下才會釋放出來，不會在殼體下移時因活塞移動而流出。

2.3 工作原理

無動力自動水質(zhì)取樣器通過扇葉旋轉產(chǎn)生抽吸風力，可將水引流進儲水囊中，與此同時，螺桿旋轉會嚙合齒輪旋轉，殼體移動扇葉旋轉會將不同深度的水引流進入儲水囊中，達到利用水流力抽吸不同深度水樣的效果。通過扭轉彈簧失去限制力而釋放之前被壓縮的力，故扭轉彈簧反轉帶動螺桿反轉，殼體失去支撐力，后在水浮力以及導向桿的導向作用下緩慢又落在水池底部，從而達到了定時定量完成水樣檢測的效果。取樣器利用水流力抽吸不同深度水樣，自動定量完成水樣檢測。

2.4 工作過程

在使用時，將無動力自動水質(zhì)取樣器放置在待檢測水體底部，水會推動弧形迎水板進而擠壓扭轉彈簧。扭轉彈簧被擠壓后邊旋轉邊收縮，帶動螺桿同步旋轉。螺桿轉動又經(jīng)嚙合輪帶動扇葉旋轉，產(chǎn)生抽吸風力，通過抽吸風力將水從引流槽引流進儲水囊中。與此同時，螺桿旋轉會嚙合齒輪旋轉，此時齒輪的旋轉方向會嚙合棘輪與卡圈接觸，進而使殼體被帶動向上移動，殼體移動扇葉旋轉會將不同深度的水引流進入儲水囊中。

因扇葉旋轉使螺桿穩(wěn)定旋轉，使齒輪與棘輪嚙合帶動殼體向上移動，殼體向上移動時與齒輪之間的距離逐漸變大，使蓄力箱被拉動進而使伸縮桿遠離活塞表面，活塞被拉動在儲水囊中產(chǎn)生抽吸風力，此抽吸風力可將水抽吸至其內(nèi)部。當取樣器接近水面時，扭轉彈簧失去限制力而釋放之前被壓縮的力，使扭轉彈簧反轉帶動螺桿反轉。齒輪反轉使棘輪不再與卡圈嚙合，殼體失去支撐力，后在水浮力以及導向桿的導向作用下緩慢又落在水體底部，取樣過程結束。

3 技術特點

3.1 水樣取樣代表性好

水樣采集位置占采樣點水深垂線的多少以及水樣按流量(流速)進行比例分配的情況，直接影響著水樣的代表性。文章所研制的無動力自動水質(zhì)取樣器，是由迎水板所受水的壓力擠壓扭轉彈簧，經(jīng)螺桿轉動，再經(jīng)嚙合輪，進而帶動扇葉旋轉，產(chǎn)生抽吸風力將水引入儲水囊，引水的多少與水的壓力呈正相關。不同深度、不同流速的位置水樣占比也不相同，水深越深、水流速度越大，迎水板受到的水壓越大，最終進入儲水囊的水也就越多。雖然水樣無法做到與流量等比例，但一份水樣包含了連續(xù)不同水深的水樣，而且不同水深的水樣占比與水深、流速(流量)呈正相關，完全能夠滿足野外水質(zhì)應急監(jiān)測的是技術要求，代表性明顯好于采樣位置采集一系列水深的水樣混合形成的水樣。

3.2 儀器操作簡便，可靠性好

利用常規(guī)的非自動采樣器，一次只能采集某一采樣點水面或某一特定水深的水樣，需要通過多次采集才能獲取不同位置、不同水深的水樣，實際操作中還需要配重、船只等輔助設備，工作量大，野外作業(yè)十分不便。文章所研制的無動力自動水質(zhì)取樣器不需要預設配重以控制水深，也不需要對不同水深的水樣進行量測和混合。儀器不需要率定和調(diào)整參數(shù)，操作十分簡單，而且儲水囊拆裝方便。儀器沒有電子元器件，不需要額外維護，故障率低。

3.3 適用性好

文章所研制的無動力自動水質(zhì)取樣器不需要配置電源，可單獨使用，便于野外作業(yè)；材料堅固、輕便，可防碰撞，方便運輸；密封嚴實，不易被水草堵塞進水口。儀器有較好的適用性，可用于開闊河流、封閉管道、水庫和湖泊的水質(zhì)應急取樣。

4 結論

水質(zhì)取樣器是水質(zhì)監(jiān)測的重要工具。針對日常水質(zhì)取樣工作中發(fā)現(xiàn)的問題和不足，按照《自動采樣器技術要求及檢測方法》的要求，設計了一套無動力自動水質(zhì)取樣器，力求在一定程度上解決人工取樣器取樣代表性較差、自動取樣器依賴電源和電子芯片的問題。經(jīng)在黃河水質(zhì)應急監(jiān)測取樣中使用驗證，儀器的可靠性和適用性較好，所取水樣具有良好代表性。