1 引言

水质在线监测系统凭借实时、连续获取水质数据的能力，在水环境监测与保护、水资源管理及污染防控等领域，成为科学决策的重要依据。自动采水系统作为其核心组件，是水质分析仪器的水样来源，其运行稳定性与采样准确性直接关乎整个监测系统的可靠性。在实际建设过程中，自动采水方式的选择面临诸多挑战。不同的采水方式、采水管道和水泵类型，对采水系统的稳定性影响显著。例如，潜水泵在野外复杂水体环境中，存在被冲走、丢失风险，采水管道易因水中摩擦、腐蚀漏水，供电线路易与管道缠绕，出现断裂、漏电等故障，导致采水失败且维修困难；自吸泵则存在吸程和扬程短、取水间隔后持续性不稳定、易堵塞且无法反冲洗管道等问题。因此，深入研究自动采水方式的选择与优化，解决现有采水系统的问题，对实现自动采水系统全天候稳定运行意义重大。

2 自动采水系统的重要性及现有问题分析

2.1 自动采水系统的重要性

水质在线监测系统通过分析水样获取水质参数，自动采水系统负责从江河湖泊库塘等地表水采样点采集具有代表性的水样，并输送至水质分析仪器。其采集的水样质量直接决定水质分析结果的准确性，进而影响水环境质量的评估与决策。若采水系统故障或采样不准确，可能导致水质状况误判，延误污染治理时机，引发严重环境后果。因此，自动采水系统是水质在线监测系统不可或缺的基础环节，其稳定运行是保障整个监测系统发挥作用的前提。

2.2 现有采水方式存在的问题

在泵吸采水方式中，潜水泵和自吸泵是常用设备，但在实际应用中均存在一定局限性。

潜水泵凭借优异性能，成为国家地表水监测常用采水方式，对江河湖泊复杂水文情况适应性强。它通过潜入水体，依靠叶轮高速旋转产生的离心力提升输送水，具有高扬程特点，能应对深水域和远距离输水，在水流湍急、风浪较大环境下，也可依靠稳定动力输出保证采水连续性。目前普遍采用的双泵双管、一备一用模式，进一步提高了系统可靠性。

但在复杂的野外环境下，潜水泵存在设备丢失，管道损坏等问题。如某山区河流监测点，因突发洪水，水流冲击将3台潜水泵冲走，造成该监测点连续一周不能正常采水;采水管道长期在水中摩擦、腐蚀，易发生漏水，水泵供电线路也易缠绕在管道上，受水中杂物影响造成断裂、漏电等故障，不但导致采水失败，而且维修花费人力、物力和时间。

自吸泵是利用大气压力，通过叶轮旋转形成真空将水吸入升高，具有结构相对简单、安装维护方便的优势，在特定场景有一定的应用价值。但其不足之处明显，吸程和扬程有限，限制了在水位差较大或距离较远采样点的应用;取水持续性差，长时间停运后，若不补水，泵内真空被破坏，重新启动时会出现吸水困难的情况。如某水库监测点，由于自吸泵停运 3 天后未补水，再次启动抽不出水，造成该时段水质监测数据缺失;同时自吸泵容易堵塞，水中悬浮物、杂质易进入泵体，造成叶轮卡死或管道堵塞，而且无法反冲洗管道，清理工作繁琐。

3 不同地表水采样点水体情况分析国标采样规范要求

3.1 国标采样规范要求

在采样位置确定上，应综合考虑水体水流状态、水深和水质均匀性等因素，确保采集的水样能准确反映监测区域水质情况。例如，江河采样时，需在主流道、支流入口等重要部位布设采样点；湖泊、水库采样，则要依据其形状、水流方向与水深分布合理布设采样断面与点。在采样深度方面，国标明确规定，为获取具有代表性的水样，应采集水体表面 1～1.5 米深范围的表层水样，此深度区间的水样能较好综合反映水体表层水质状况，避免因过浅受水面漂浮物干扰，或过深受底层沉积物影响。

不同功能区及水质状况的地表水，采样频率存在差异。重点流域、饮用水源地等与民生密切相关、水质动态变化频繁的区域，采样频率较高；一般水体采样频率较低。此外，国标对采样器具清洁、水样保存与运输等环节也有明确要求，为保证水样代表性及分析结果准确性提供保障。

3.2 地表水不同采样点水体情况分析

江河水流流速大，水体流量受季节、降雨等因素影响变化显著。洪水期江河流量湍急，携带大量泥沙、杂物；枯水期流量较小，水质相对稳定。同时，江河沿岸工业排污口、生活污水排放等污染源，导致水质成分复杂多变。以长江某段为例，洪水期水中悬浮物含量可达枯水期的 5 倍，水质监测数据波动明显。湖泊水体流动性差，流速小，层性较强。夏季高温时，湖泊表层水温高，溶解氧含量相对较低，底层水温低，溶解氧含量高。此外，湖泊水质受周边农业面源污染、生活污水排放及湖内水生生物活动等因素影响大，易出现富营养化等问题。如太湖部分区域，因周边农业化肥使用量大，湖内蓝藻爆发频繁，水质恶化严重。

库塘主要用于灌溉、养殖等，水质受农业用水、养殖废水排放等因素影响显著，部分库塘存在水体富营养化、重金属污染等问题。某养殖库塘，因长期排放养殖废水，水中氨氮、磷含量超标，水体出现富营养化现象。由于地表水采样点水体情况差异大，自动采水方式的选择需结合国标采样规范，选用适宜的采水方式和设备，以满足水质在线监测需求。

4 泵吸采水方式对比分析

泵吸采水通过机械动力设备驱动水流，主要分为潜水泵（QSP 系列）和自吸泵（ZW 系列）两类，适用于复杂水体环境。

表1两种泵型核心性能对比

 泵吸式系统可使动态水体在水位日变幅≥2m，流速 > 1m/s 的条件下稳定工作。在某大江监测点洪水期（流速 2.5m/s），潜水泵采样成功率达到 98%，展现出较强的适应性；潜水泵通过变频器可实现 10～100L/min 无级变速，满足色谱仪（5L/min）、质谱仪（80L/min）等不同设备的配水要求；配合 DN50 管道，采样距离可达 500m，成功解决某跨流域调水工程中 350m 距离的实时采样难题。在实际应用中，潜水泵在长江某监测断面 5 分钟内完成 200m 距离、15m 扬程采样，流量稳定在 60L/min；自吸泵在含沙量 30kg/m³ 的黄河某河段，配 50 目滤网可连续工作 100 小时不堵塞，对复杂水体也有一定适应性。

然而，如前文所述，潜水泵在复杂水体环境下存在设备丢失、线路缠绕等安全隐患；自吸泵吸程、扬程有限，取水持续性不稳定，易堵塞且不能反冲洗管道，这些问题限制了它们在部分场合的单独应用。

5 潜水泵、自吸泵及混合取水优化策略

5.1 混合取水方式的设计思路

针对潜水泵和自吸泵单一采水方式的不足，提出潜水泵与自吸泵混合取水方式。它可根据水体情况和采样要求，灵活变换潜水泵和自吸泵采水模式。当水体水位稳定，采样点距离监测站与水位差等条件适合自吸泵工作，并且对采水流量要求不高时，选用自吸泵采水，这样可降低运行成本和设备故障风险;当水体水位变化大，自吸泵工作条件不能满足，或需要快速采集大量水样、进行深水采样时，开启潜水泵采水模式，确保采水工作正常进行。

5.2 设备选型与系统配置优化

由于潜水泵在复杂水体环境中的安全隐患，可视实际情况采用自吸泵或配置防冲刷、固定装置的潜水泵。自吸泵选型时要综合考虑采样点与监测站之间的距离、水位差、采水流量等参数。例如，某监测点采样点与监测站垂直高度为7米，若选用最大吸程为6米的自吸泵，则吸不到水;如果要求采水流量为40L/min，而选用的自吸泵流量范围为10--30L/min，会影响采水效率和质量。对潜水泵可采用锚、绳索等固定，减少水流冲走的危害。同时，在选型时充分考虑水体深度、流速、水质等因素，选择功率、扬程和流量适宜的潜水泵，保证在复杂环境下稳定运行。

采水管道的性能直接影响到水样的采集质量和系统的使用寿命，必须具有良好的耐磨性、耐腐蚀性和柔韧性。如江河等水流湍急、杂物多的地区，采用高强度钢丝增强橡胶管或内衬不锈钢的复合管，这些管道抗磨损、抗腐蚀能力强，可在恶劣环境下稳定输送水样。此外，规划合理的管道铺设路径，避免与供电线路缠绕，减少水中杂物对管道的损坏。例如，管道的铺设避开水流湍急、杂物聚集地段，选择相对平稳、开阔的路线，并对管道进行固定、支撑，防止管道在水中晃动、摩擦。在采水模式切换方面，利用现有在线监测系统的控制系统实现潜水泵与自吸泵的自动切换。采水过程中在线监测系统实时采集水样数据。当某采水方式不能正常采集水样时，系统自动切换至另一采水方式。如自吸泵因水位升高、吸程不足不能工作，在线监测系统监测到异常信号后，即刻切换到潜水泵采水模式，保证水样采集不间断;潜水泵因设备故障、供电异常不能工作时，系统也及时切换到自吸泵，如条件允许，或在两种模式间反复监测和切换，直至恢复正常采水状态。这种自动切换机制提高了采水系统的可靠性与适应性，为水质在线监测稳定运行提供了保障。

对于自吸泵长时间停运抽不走水的情况，可在自吸泵进水管上设置自动补水装置。该装置通过水位传感器实时监测泵内水位，当自吸泵停运且泵内水位下降到一定程度时，自动补水装置启动，向泵内补充适量的水，维持泵内真空状态，确保自吸泵再次启动时能正常抽水。同时，在系统设计中增加定期巡检功能，即使在无采样任务时，也定期启动自吸泵短时间运行，防止泵内水体干涸，进一步保障自吸泵的正常工作性能。

6 山区流域适应性方案

山区流域水体环境特殊，流速快、水位变化大、地形复杂，受降雨、山洪等自然灾害影响显著。针对这些特点，混合取水方式在山区流域应用时需进一步优化。在设备选型上，选择抗冲击能力强、稳定性高的潜水泵和自吸泵。对于潜水泵，除使用固定锚、绳索等固定件外，增加防护外壳，增强其抗水流冲击和杂物碰撞能力；对于自吸泵，选用吸程、扬程较高且性能稳定的型号，并配备高效过滤器，减少水中杂物对泵体的堵塞。在雨水管道铺设方面，充分考虑山区地形特点，避免在易发生滑坡、泥石流等地质灾害区域铺设管道。采用深埋、固定等方式，提高管道稳定性和抗破坏能力。同时，增加备用管道，主管道故障时及时切换，保证采水工作连续性。

在系统运行管理方面，建立完善的监测预警机制。通过传感器实时监测水位、水流速度、设备运行状态等参数，发现异常及时预警，采取措施处理。此外加强日常维护、检修，定期检查、清洁和保养设备，使之处于良好的运行状态。例如，某山区流域水质监测点采用该方案后，由于一次强降雨引发的山洪灾害，自动采水系统只有部分管道出现轻微损坏，通过备用管道及时进行切换，保证了采水工作的正常进行，没有出现数据缺失情况。

结论

本研究通过对水质在线监测系统中的自动采水方式的深入研究，分析自动采水系统的重要性以及现有泵吸采水方式存在的弊端，结合国标采样规范要求以及不同地表水采样点水体情况，对潜水泵和自吸泵采水方式进行了详细的对比分析，提出潜水泵、自吸泵及混合取水的优化策略，制定适合山区流域等复杂环境的适应性方案。研究表明，混合取水方式可以充分发挥潜水泵和自吸泵的优势，有效的解决单一采水方式的问题，使自动采水系统能全天候稳定运行。通过合理的设备选型、系统配置优化及特殊环境适应性方案，极大地提高了采水系统的可靠性与适应性。混合取水方式在山区流域等水体环境复杂的环境中有广阔的应用前景，能够满足水质在线监测的需要，为水环境监测与保护提供有力的技术支持。未来，随着技术不断发展，还需进一步研究和改进自动采水方式，以适应不断变化的水环境监测需求。

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