黄河水文泥沙测验“进化记”

黄河之“黄”，实为泥沙。多年以来，黄河治理中最重要、最艰巨的任务之一，就是治沙。作为防汛抗旱的“耳目”“尖兵”，黄河水文科研工作者一直致力攻克泥沙要素监测这一难题，努力使传统人工取沙、测沙工作模式实现革新。

守正创新，泥沙取样方式得到有效改进

传统的悬移质泥沙测验一般采用横式采样器取样。横式采样器绑在测杆一端，测杆上标有刻度，长度一般短则3-5米，长则8-10米。取样时，测验人员将测杆入水，当横式采样器到达测点位置后，拉绳关闭两端的阀门将横式采样器提出水面，把水样倒入量筒后读取数值并记录。按照水文测验规范要求，一条测验垂线一般需要重复4次操作。在横式采样器入水操作时，测验人员要克服水流本身和因流速产生阻力的双重影响，待采样器到达测点位置后快速精准操作，以确保测取的沙样符合规范要求。泥沙取样劳动强度之大，危险程度之高，测验操作之难，堪称水文要素测验之最。

2016年，在黄委党组坚强领导下，黄委水文局测报能力提升工作正式启动。黄委河南水文局党委迅速落实上级决策部署，坚持“需求为导向、创新为引领、实用为目标”，将泥沙测验方式改革作为水文测报能力提升工作的重中之重。河南水文局机关服务中心副主任牛茂苍，是通信工程专业出身，熟悉电子电路及无线通信技术，在电气自动化方面颇有特长，且喜好钻研。河南水文局党委决定，泥沙测验新仪器研发任务由牛茂苍牵头实施。

在充分掌握水文测验规范基础上，结合高含沙量水体环境，牛茂苍初步构思了新型自动采样器雏形，攻克缆道遥控通信技术难点，研发了“遥控多仓采样器”。这款采样器采用在“山”型支架上搭载4个横式采样器的构造，安装固定在测验铅鱼上。测验时，通过水文自动化测验控制台控制铅鱼入水深度，一条垂线上的4个沙样只需铅鱼一次入水即可完成取样任务。不仅降低了劳动强度、保证了测验安全，还大大提高了测验精度。在实际应用中，牛茂苍认为每次测沙结束取下采样器、倒出沙样再安装上的过程重复且繁琐，决定对“遥控多仓采样器”升级改造。经过反复试验，“遥控四仓采样器”2.0版制成，这款仪器采用“旋臂式”采样器安装方式，实现了采样器可旋转。每次完成沙样测取后无需取下采样器，只需将采样器旋转，打开阀门，即可倒出沙样，完成取样，测验工作效率大大提高。

这款仪器在黄河河南测区各水文站得到广泛应用，尤其在历年小浪底库区异重流监测泥沙测验工作中，发挥了重要作用。小浪底库区水深达数十米，在“遥控多仓采样器”应用之前，测取沙样使用“锤击式”采样器，每测取一个沙样需进行入水、敲击、提起、倒出等步骤，劳动强度大、工作效率低。针对异重流监测特殊工作需求，牛茂苍再次升级了仪器版本，增强深水信号传输稳定性，集成清浑水界面探测、测流信号输出功能，入水一次，可完成一条异重流垂线上多个沙样测取，有效提高了异重流监测泥沙测验效率和精度。

天道酬勤，泥沙测验方式实现重大革新

根据水文泥沙测验规范要求，测取的沙样要经过不少于24小时沉淀，处理计算得出含沙量的数据才能用于整编。这意味着，每个含沙量数据相较于河道实时含沙量延迟至少24小时。随着治黄事业发展，水文泥沙监测数据时效性已不能满足防汛指挥决策需要。黄河水文要实现水文全要素实时在线监测，难点始终在于实现含沙量实时在线监测。

此前虽已有不同类型实时在线测沙仪器在各水文站比测试用，但因制作成本高、不适用高含沙河流等问题，一直无法推广应用。河南水文局党委组建研发团队，在国内具有领先水平的仪器制造单位开展广泛调研，试图引进一款适用于黄河泥沙测验的仪器，但最终没有成功。

黄河泥沙在线监测问题终究要靠黄河水文人自己来解决。牛茂苍与研发团队成员放弃了引进成熟仪器的想法，开启了自主研发历程。他凭借10余年水文一线工作经验和对黄河泥沙特性的了解，带领团队最终研发出了能够适应黄河高含沙、大流速的光电传感器，攻克了关键技术难题。随后，通过对终端数据算法进行深入研究，突破了传统意义上光学测沙对流速、量程要求的局限性,实现了常年在线连续监测，监测数据稳定且精度高。

HHSW•NUG-1型光电测沙仪于2020年研制成功。作为国内唯一一款超大量程的光电测沙仪，该仪器2021年获“实用新型专利证书”。仪器主要包括主机、数据采集终端、通信终端、测控软件系统四个部分，测得的含沙量数据可直接接入平台或系统，为防汛指挥决策提供参考依据。经过大量比测试验分析，光电测沙仪于2021年在小浪底水文站正式批复投产，应用于当年调水调沙泥沙监测，使用范围最高含沙量375公斤每立方米。小浪底水文站成为黄河干流首个水文全要素在线监测试点站。

百尺竿头，水文现代化建设蹄疾步稳

自2022年起，黄委水文局统一谋划、统一部署，在宁蒙、河南、山东等测区同步开展光电测沙仪比测分析，加快仪器在不同测验环境、不同河道水势下投产应用。通过汛前调水调沙高含沙水流验证，光电测沙仪反应及时、数据稳定，能实现沙峰全过程实时在线监测，体现了稳定可靠的仪器性能。

水利部、黄委领导高度重视光电测沙仪应用工作，2023年，汛前将承担调水调沙水文测报任务的各水文站光电测沙仪监测数据同步接入水利部会商系统和黄河水情信息查询及会商系统，有力支撑了水利部、黄委防汛调度会商。

短短数年，延续近百年的传统黄河水文泥沙测验方式迎来颠覆式革命，由取样方式的逐步改进到测验方式的彻底转变，由繁琐的人工操作转变为便捷的自动监测，黄河水文泥沙测验实现历史性突破。

下一步，黄委水文局将结合实际，进一步加大光电测沙仪升级改造和投产应用力度，同时推进各类水文测验新仪器新设备比测应用，着力提升黄河水文现代化水平，为新阶段黄河水利高质量发展提供坚实技术支撑。