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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