CN104849102B - 一种层理性振动柱状采泥器 - Google Patents
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Abstract
一种层理性振动柱状采泥器，属于环境监测、环境治理及沉积物样本采集技术领域。该装置主要由振动机构、排水头、自平衡密封器、采样管、自密封采样头、稳定支架、电线、带刻度缆绳、振动器缆绳、稳定支架缆绳组成。通过振动机构带动采样管振动，使得采样头和采样管周围沉积物“液化”，采样器均匀下沉，实现深层理的沉积物采集。其中稳定支架保证了垂直采样，自平衡密封器和采样头上封下堵，减少了样品流失，采样管可根据需要组合加长。本发明的有益效果是实现了内陆水域层理性沉积物样本采集，提高了样品的代表性和保真性，具有样品代表性强、设备轻便、操作简单、造价低等特点。
Description
技术领域
本发明属于环境监测、环境治理及沉积物样本采集技术领域，涉及到水库、湖泊、河流等内陆的沉积物样本采集，特别涉及到内陆水域的深层理沉积物样本采集。
背景技术
沉积物样本的采集是研究水体污染蓄积过程和污染风险水平的基础。内陆水域沉积物表层主要是软弱的水饱和淤泥，难以支撑采样设备，而下层随着重力沉积逐渐密实，不容易采集到深层次样品；此外，沉积物的形成又具有明显的时序性，不同深度的沉积物指示了区域不同年份的污染特征、水文事件、发展方式等。因此，层理性沉积样本的采集是一个关键技术问题。随着时间推移，各种污染物蓄积在水底，以沉积物形式存在，厚度深达数米，逐年积累的环境问题越来越突出。《水环境监测规范》指出沉积物使用挖式、抓式、柱状采泥器等采集设备采集沉积物样本。目前沉积物采集方式主要有以下几种：1.浅水区域可以使用铲子等工具来获取沉积物样本；2.深水区域常使用抓斗式采泥器或柱状采泥器；3.适用于海洋沉积物采集的地质学采集方式。显然，铲子等工具使用条件有限，仅仅适用于枯水年裸露出来的沉积物，无法获得水下的沉积物；对于抓斗式采泥器一般仅能采集到表层十几厘米的沉积物，适用于沉积物的综合调查研究，无法获得更深层次的沉积物；柱状采泥器是当前内陆水域的沉积物分层采集的主要设备，常用的柱状采泥器依赖于采泥器自身的重力砸向沉积物，这种采集方式存在以下不足：第一，沉积物样品在采泥器往下砸的过程中干扰较大，尤其是破坏了表层沉积物原有的物理结构；第二，采集深度依赖于自身重量，样品采集深度受到设备重量的限制，不能采集深层次的样品，导致采样管空间利用不充分，而且如果采样器重量过大不仅操作更加困难，对采样环境和条件的要求也会更高(需要大船)，这就对产品应用的普适性也造成了影响；第三，受到重心过高和水域流速影响采样器可能倾斜，导致采样器中的样本不一定能够代表实际的沉积物分布情况。在后来的研究中，HYDRO-BIOS公司研发了带有稳定支架的柱状采泥器，改善了倾斜的影响，但是其采样深度依赖于采集器自身重量下砸的缺陷仍然存在；丹麦KC-Denmark公司研发的HAPS振动柱状沉积物取样器，在海洋沉积物分层采集中得到了较好的应用，但该设备重量大且价格昂贵，需要配备专门的绞车操作，内陆水域采集所用船只往往无法提供这样的工作条件。此外，海洋沉积物受到潮汐冲刷，底部沉积物较为密实，能够承受住采集器的重量，而内陆水域的沉积物较为疏松，也不具备设备所需的采样条件。
显然，前述设备均不具备内陆水域层理性沉积物样品采集功能，尤其是内陆水域深层次的分层沉积物样本采集。需要研发适用于内陆水域的层理性沉积物采样器。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种层理性振动柱状采泥器，使其适用于内陆水域层理性沉积物的采集。
本发明的技术方案是：
一种层理性振动柱状采泥器，主要由振动机构、排水头、自平衡密封器、采样管、采样头、稳定支架、电缆、带刻度缆绳、振动器缆绳、稳定支架缆绳组成。通过振动机构带动采样管振动，使得沉积物“液化”，从而实现层理性沉积物采集的功能。
带刻度缆绳承载整个仪器的重量，下面有绳扣与振动器缆绳、稳定支架缆绳连接，电缆提供电力供应，不受力，电力来源可用便携式汽油发电机或者采样船只提供。
振动机构由振动器、桶型密封箱、连接管、水密接头、固定支座、电缆插口、受力钢板、穿绳孔、连接螺栓A构成。桶型密封箱上下盖板由螺栓和密封圈连接，为可拆卸式；桶型密封箱由硬质塑料制成，以减轻设备重量，上部开有小孔放置水密接头，电缆通过水密接头与电缆插口连接，实现振动器供电。振动器装载在固定支座上，并通过连接螺栓A和桶型密封箱下部以及受力钢板连接；受力钢板为圆形，周围留有四个穿绳孔和振动器缆绳连接，下部有连接管和排水头连接。
排水头为不锈钢材质，上部为凹螺纹，下部为凸螺纹；排水管壁上布设有10个排水格栅，使得在泥样采集时能够充分排水以保证泥样进入采样管；出水口为采样管和排水头的排水出口，其剖面形状与自平衡密封器底部形状一致。
自平衡密封器由自平衡偏心块和调重螺栓构成。自平衡偏心块由轻质塑料制成，表面覆盖软硅胶，通过与调重螺栓搭配使其密度比水大，进而将其重心集中在下部中心线上，从而实现自动调节平衡；同时调重螺栓还可保证出水和密封效果，在采样时排水的冲力将其顶开，出水口处于出水状态，在采样结束后靠自身重力下降至出水口形成气封。
采样管由一体式采样管和分离式采样内管组成，其材料均为亚克力有机玻璃。一体式采样管上下都有外螺纹分别和排水头和采样头连接，也可以数根连接在一起对采样管进行加长优化。其中，为了防止沉积物样本受到自身重力沉积，便于现场处理沉积物分层样本，分离式采样内管可以套入一体式采样管使用，采集结束后推出分离式采样内管，打开一半便可及时分离保存不同深度的样品。
稳定支架为轻质塑料制成，为一体式结构，包括稳定管、连接杆、支撑板、环形连接杆、绳扣B和配重块。其中环形连接杆直径大于振动机构，使其能够安全下落；稳定管用以约束采样管的平面自由度，使其垂直往下振动，且稳定管长度和排水头一致，可以配合带刻度缆绳以判断采样管是否填满，并保证振动机构不没入沉积物中；支撑板用以增大受力面积；配重块与支撑板形状相似，通过调节配重块使得稳定支架密度和水相近，在水下呈半漂浮状态，从而解决内陆水域无法支撑重力的问题，支撑采集设备垂直采样。
本发明的效果和益处是相比于现有的抓斗采泥器和柱状采泥器，设计了一款轻便高效的，采用振动“液化”垂直采集内陆水域的层理性沉积物样本的设备。弥补了当前采集设备在采样工况、设备重量、采样环境的限制，发明了适用于内陆水域沉积物深层理、微扰动、原状保真采集的设备，具有代表性强、操作便捷、造价低等特点。
附图说明
图1是层理性振动柱状采泥器整体结构示意图。
图2是振动机构示意图。
图3是排水头示意图。
图4是自平衡密封器示意图。
图5是采样管示意图。
图6是稳定支架示意图。
图中：1振动机构；2排水头；3自平衡密封器；4采样管；5采样头；6稳定支架；7电缆；8带刻度缆绳；9振动器缆绳；10稳定支架缆绳；1-1振动器；1-2桶型密封箱；1-3连接管；1-4水密接头；1-5固定支座；1-6电缆插口；1-7受力钢板；1-8穿绳孔；1-9连接螺栓A；2-1排水管壁；2-2排水格栅；2-3出水口；3-1自平衡偏心块；3-2调重螺栓；4-1一体式采样管；4-2分离式采样内管；6-1稳定管；6-2连接杆；6-3支撑板；6-4环形连接杆；6-5绳扣B；6-6配重块。
具体实施方式
以下结合技术方案(和附图)详细叙述本发明的具体实施方式。
层理性振动柱状采泥器具体实施步骤如下：
步骤1：将自平衡密封器3放入排水头2中。
步骤2：利用螺纹连接将振动机构1、排水头2、采样管4、采样头5连接，其中采样管4两头都有螺纹可以根据需要组合接长，也可以选择分离式采样内管4-2联合使用，并将连接的整体套入至稳定支架6中。
步骤3：将振动器缆绳9和稳定支架缆绳10分别绑在穿绳孔1-8和绳扣B6-5上，并与带刻度缆绳8通过其自带的绳扣A连接，形成采集设备拉力***。
步骤4：通过采样船只或者汽油发电机等电源，接通电源检测仪器工作状态，检测无故障后，关闭电源，释放带刻度缆绳8和电缆7，下放采集设备，下放时电缆7先多释放20厘米左右，然后同步匀速释放带刻度缆绳8以确保电缆7不受力。
步骤5：接触至水底沉积物时，待仪器稳定后接通电源，振动机构1工作，通过振动将采样头5和采样管4周围沉积物“液化”，采样管4逐渐匀速钻进，采集泥样，此时采样管4中的水将由出水口2-3经排水格栅2-2排出，保障采样管内外没有压差，采样头5下面的密封片受到泥样冲击，自动打开，如图1采样头5下部直线所示，泥样顺利进入采样管。
步骤6：根据下放带刻度缆绳8的长度和稳定管6-1判断是否达到采样深度，达到所需采样深度后，在通电情况下提拉带刻度缆绳8，此时，受到采样管内泥样重量作用采样头下面的密封片自动闭合，如图1采样头5下部曲线所示，自平衡密封器3也将出水口堵住形成气封，实现上封下堵，保证样品在提拉时不流失，继续提拉带刻度缆绳8判断是否出了沉积物层，如果出了沉积物层则断电，匀速提拉出水面，完成采样，若选用分离式采样内管4-2，出水后还需将分离式采样内管4-2推出，完成样品分离。
步骤7：下一个样品采集需更换采样管，其余步骤如前所述。
Claims (3)
1.一种层理性振动柱状采泥器，主要由振动机构（1）、排水管（2）、自平衡密封器（3）、采样管（4）、采样头（5）、稳定支架（6）、电缆（7）、带刻度缆绳（8）、振动器缆绳（9）和稳定支架缆绳（10）组成，通过振动机构（1）带动采样管（4）振动，使得沉积物“液化”实现层理性沉积物采集的功能；其特征在于：
带刻度缆绳（8）承载整个仪器的重量，下面有绳扣与振动器缆绳（9）、稳定支架缆绳（10）连接，电缆（7）提供电力供应，不受力，电力来源用便携式汽油发电机或者采样船只提供；
振动机构（1）由振动器（1-1）、桶型密封箱（1-2）、连接管（1-3）、水密接头（1-4）、固定支座（1-5）、电缆插口（1-6）、受力钢板（1-7）、穿绳孔（1-8）、连接螺栓A（1-9）构成；桶型密封箱（1-2）上下盖板由螺栓和密封圈连接，为可拆卸式；桶型密封箱（1-2）由硬质塑料制成，上部开有小孔放置水密接头（1-4），电缆（7）通过水密接头（1-4）与电缆插口（1-6）连接，实现振动器供电；振动器（1-1）装载在固定支座（1-5）上，并通过连接螺栓A（1-9）和桶型密封箱（1-2）下部以及受力钢板（1-7）连接；受力钢板（1-7）为圆形，周围留有4个穿绳孔（1-8）和振动器缆绳（9）连接，下部有连接管（1-3）和排水头（2）连接；
排水头（2）为不锈钢材质，上部为凹螺纹，下部为凸螺纹；排水管壁（2-1）上布设有10个排水格栅（2-2），使得在泥样采集时能够充分排水以保证泥样进入采样管；出水口（2-3）为采样管（4）和排水头（2）的排水出口，其剖面形状与自平衡密封器（3）底部形状一致；
自平衡密封器（3）由自平衡偏心块（3-1）和调重螺栓（3-2）构成；自平衡偏心块（3-1）由轻质塑料制成，表面覆盖软硅胶，通过与调重螺栓（3-2）搭配使其密度比水大，进而将其重心集中在下部中心线上，从而实现自动调节平衡；调重螺栓（3-2）保证出水和密封效果，在采样时排水的冲力将其顶开，出水口（2-3）处于出水状态，在采样结束后靠自身重力下降至出水口（2-3）形成气封；
采样管（4）由一体式采样管（4-1）和分离式采样内管（4-2）组成，其材料均为亚克力有机玻璃；一体式采样管（4-1）上下都有外螺纹分别和排水头（2）和采样头（5）连接或数根连接在一起；其中，分离式采样内管（4-2）套入一体式采样管（4-1）使用，采集结束后推出分离式采样内管（4-2）；
稳定支架（6）为轻质塑料制成，为一体式结构，包括稳定管（6-1）、连接杆（6-2）、支撑板（6-3）、环形连接杆（6-4）、绳扣B（6-5）和配重块（6-6）；其中环形连接杆（6-4）直径大于振动机构（1）；稳定管（6-1）用以约束采样管（4）的平面自由度，使其垂直往下振动，且稳定管（6-1）长度和排水头（2）一致，配合带刻度缆绳（8）以判断采样管是否填满，并保证振动机构（1）不没入沉积物中；支撑板（6-3）用以增大受力面积；配重块（6-6）与支撑板（6-3）形状相似，通过调节配重块（6-6）使得稳定支架（6）密度和水相近，在水下呈半漂浮状态，解决内陆水域无法支撑重力的问题，支撑采集设备垂直采样。
2.根据权利要求1所述的一种层理性振动柱状采泥器，其特征是，所述的自平衡密封器（3）配合排水管（2）实现排水和气封。
3.根据权利要求1或2所述的一种层理性振动柱状采泥器，其特征是，所述的一体式采样管（4-1）和分离式采样内管（4-2）组合使用。
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