CN105547735B - 一种浅水海域风暴沉积现场观测取样装置 - Google Patents

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Abstract

一种浅水海域风暴沉积现场观测取样装置，包括下部安装有固定桩的取样盘，且取样盘还设有支架；支架上固定顶盖，还安装有电机和螺旋推进杆，所述的电机通过螺旋推进杆实现顶盖沿竖向支撑杆的上下移动，支架上安装浊度仪、激光测距仪、压力传感器和海流计，分别对风暴沉积期间的水体浊度、沉积物厚度、波浪压力和海流流速变化特征进行现场观测，支架上还安装有单片机和电池仓。本发明结构合理，操作方便，适用于浅水海域风暴潮(或极端大风天气)作用下海底风暴沉积过程的现场观测及风暴沉积物原状样的取样工作，与传统风暴沉积的柱状或箱式取样方法相比，具有可同步观测风暴沉积过程、风暴沉积取样扰动小精度高、方便安全、自动化程度高等优点。

Description

一种浅水海域风暴沉积现场观测取样装置
技术领域
本发明涉及一种浅水海域风暴沉积现场观测取样装置，用于浅水海域一次风暴潮(或极端大风天气)作用下海底风暴沉积过程的现场观测及风暴沉积物原状样的取样工作。
背景技术
风暴潮作为自然界一种常见的极端突发事件，对海岸带地形地貌的发育演化有着重大的影响，对浅水海域沉积环境的改变非常明显，因此对浅水海域的风暴沉积进行观测与取样研究具有重要的科学意义。
由于风暴潮发生时，天气环境恶劣，海上风大浪大，风暴沉积的现场观测比较困难，所以目前对风暴沉积的研究主要是在风暴潮发生后用箱式取样器或柱状取样器取得沉积物样品后再送到实验室对其进行研究。但传统的风暴沉积取样方法存在诸多缺陷：首先，海洋沉积物松软、饱水，传统的箱式取样器或柱状取样器在取样过程中易对沉积物层理结构造成扰动并压缩沉积物样品；其次，由于是在风暴潮发生后取样，不易观察到风暴沉积体与下覆沉积物的分界面，更无法知晓风暴发生时海水对沉积物表面的扰动及冲刷深度。这些存在的问题很大程度上影响了风暴沉积取样的精度，无法满足后续研究的要求，给近岸风暴沉积的精细研究带来很大困难。
同时，风暴潮期间的沉积过程是非常复杂的，这种传统的研究方法缺少对风暴沉积过程的直接观测，只能从所得到的样品特征中对这一过程进行间接推测，造成人们目前对浅水海域风暴沉积过程的科学认识仍然不足。所以，若能在取样的同时对风暴潮作用下的近底层水流、波浪、悬沙量、海底冲刷与沉积过程进行现场观测，了解一次风暴过程中本地沉积物的起动、悬浮，风暴水体携带泥沙的沉降淤积，以及风暴潮过后水体对风暴沉积的冲刷等详细过程，对于我们研究风暴沉积有着非常重要的意义。
因此，设计一种操作简便的潮间带风暴沉积物原位取样装置，提高对风暴沉积体的取样精度并可实现对海底风暴沉积过程的现场观测，是亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种浅水海域风暴沉积现场观测取样装置，以填补目前浅水海域没有风暴沉积现场观测取样装置的空白。
一种浅水海域风暴沉积现场观测取样装置，其特征在于该装置包括取样盘，取样盘下部安装有将装置固定在海底的三根固定桩，取样盘上设置密封槽和支架，支架上通过固定圈固定顶盖，顶盖上方安装有电机和螺旋推进杆，支架两侧安装浊度仪、激光测距仪、压力传感器和海流计，分别对风暴沉积研究期间的水体浊度、沉积物厚度、波浪压力和海流流速变化特征进行现场观测，另外装置还安装有单片机和电池仓。
所述三根固定桩可以将装置牢固的***海底沉积物中，保证在观测和取样期间装置的稳定性，并可方便的与取样盘进行拆装，利于装置运输时的稳定。
所述取样盘为圆盘状结构，边缘设置密封槽，主要用于在风暴潮过程中接受风暴沉积。
所述顶盖有效高度10cm，取样结束后可以通过安装在上方的电机和螺旋推进杆自动向下运动直至与密封槽相接，将取样盘上收集的沉积物样品和其上覆水体进行封闭，并尽可能的保持风暴沉积的原始状态。
所述顶盖为透明有机玻璃材质，便于观察取样装置内的沉积物状态；其上方有一抽水孔，便于室内实验时将装置内的水体抽出。
所述浊度仪可根据实验目的和要求进行水平或竖直方向上水体浊度的测定，这一指标可用来表征水体悬浮泥沙的相对浓度。
所述激光测距仪的测量精度为1mm，可以对垂直方向上的沉积物厚度变化进行精准测量，记录风暴潮过程中海底沉积物冲蚀与淤积的变化。
所述压力传感器和海流计，可以对风暴潮过程中波浪压力和海流流速变化特征进行测量，得到的这两项水动力参数是分析风暴潮过程中沉积物起动、悬浮与沉降的重要指标。
所述单片机可以对浊度仪、激光测距仪、压力传感器和海流计测量的时间间隔进行设置。
利用上述装置进行浅水海域风暴潮(或极端大风天气)作用下海底风暴沉积过程的现场观测及风暴沉积物原状样的取样工作，其特征在于该装置在风暴潮发生前被固定在取样站位，风暴潮发生过程中对海底风暴沉积过程进行现场观测并接受风暴沉积，风暴潮过后可完整保存风暴沉积原状样品，研究人员将装置回收后可于实验室对所采集的样品及数据进行分析，研究海底风暴沉积过程。
显然，本发明结构合理，操作方便，适用于浅水海域风暴潮(或极端大风天气)作用下海底风暴沉积过程的现场观测及风暴沉积物原状样的取样工作，与传统风暴沉积的柱状或箱式取样方法相比，具有可同步观测风暴沉积过程、风暴沉积取样扰动小精度高、方便安全、自动化程度高等优点。
本发明使用时，通过设定装置工作的起止时间、各设备观测的时间间隔等参数，可以实现在特定海域、特定时间段内对风暴潮作用下的近底层水流、波浪、悬沙量、海底冲刷与沉积过程进行现场观测及沉积物原状样的取样工作，可有效解决传统研究方法缺少现场观测、沉积物原状样扰动等问题；另外，该装置自动化程度高，在大风天气、恶劣海况条件下可以实现大风过程下的现场观测和取样工作，有效避免人和船舶在恶劣条件下海上连续观测、取样存在的危险。本发明对于浅水海域风暴沉积过程研究有着非常重要的意义。
附图说明
图1是本发明的总体结构示意图。
其中，1、固定桩，2、取样盘，3、密封槽，4、支架，5、顶盖，6、顶盖固定管，7、浊度仪，8、激光测距仪，9、电机，10、螺旋推进杆，11、压力传感器，12、海流计，13、单片机，14、电池仓，15、抽水孔。
具体实施方式
如图1，一种浅水海域风暴沉积现场观测取样装置，其特征在于该装置包括取样盘2，取样盘2下部安装有将该装置固定在海底的三根固定桩1，取样盘2上表面边缘处设置密封槽3，且取样盘2上还设有支架4，所述的支架4包括两根设置在取样盘2上表面两侧的竖向支撑杆，以及由所述竖向支撑杆进行支撑的一根横向支撑杆；竖向支撑杆上通过固定圈6固定顶盖5，横向支撑杆上安装有电机9和螺旋推进杆10，所述的电机9通过螺旋推进杆10实现顶盖5沿竖向支撑杆的上下移动，所述支架4上安装浊度仪7、激光测距仪8、压力传感器11和海流计12，分别对风暴沉积期间的水体浊度、沉积物厚度、波浪压力和海流流速变化特征进行现场观测，另外支架4上还安装有单片机13和电池仓14。
所述顶盖5上还开设有抽水孔15。
所述浊度仪7安装在横向支撑杆上以进行水平方向上水体悬浮泥沙浓度的测定；或者所述浊度仪7安装在竖向支撑杆上以进行竖直方向上水体悬浮泥沙浓度的测定。
所述激光测距仪8的测量精度为1mm，以进行垂直方向上的沉积物厚度变化测量。
利用上述的浅水海域风暴沉积现场观测取样装置进行取样的方法，其特征在于包括以下步骤：首先通过所述单片机13对浊度仪7、激光测距仪8、压力传感器11和海流计12测量的时间间隔、起止时间进行设置；在风暴潮发生前，通过电机将顶盖5打开，通过固定桩1将该装置固定在取样站位，风暴潮发生过程中上述仪器对海底风暴沉积过程进行现场观测并由取样盘2接受风暴沉积；风暴潮过后通过电机关闭顶盖5并将装置取回，从而得到完整保存的风暴沉积样品及相关数据。
固定时，在取样观测点挖去部分海底表层沉积物，将装置垂直压入海底沉积物中，使取样盘低于海底2～3cm，在取样盘上覆盖挖去的沉积物，恢复观测点本来底质面貌。
实施例
如图1所示，一种浅水海域风暴沉积现场观测取样装置，包括取样盘2，取样盘2下部安装有将装置固定在海底的三根固定桩1，取样盘2上设置密封槽3和支架4，支架4上通过固定圈6固定顶盖5，顶盖5上方安装有电机9和螺旋推进杆10，支架两侧安装浊度仪7、激光测距仪8、压力传感器11和海流计12，分别对风暴沉积研究期间的水体浊度、沉积物厚度、波浪压力和海流流速变化特征进行现场观测，另外装置还安装有单片机13和电池仓14。
所述三根固定桩1可以方便的与取样盘2进行拆装，利于装置运输时的稳定。
所述顶盖5有效高度10cm，可以通过安装在上方的电机9和螺旋推进杆10自动将取样盘2上收集的沉积物样品和其上覆水体进行封闭，并尽可能的保持风暴沉积物的原始状态。
所述顶盖5为透明有机玻璃材质，便于观察取样装置内的沉积物状态；其上方有一抽水孔15，便于室内实验时将装置内的水体抽出。
所述浊度仪7可根据实验目的和要求进行水平或竖直方向上水体悬浮泥沙浓度的测定。
所述激光测距仪8的测量精度为1mm，可以对垂直方向上的沉积物厚度变化进行精准测量。
所述单片机13可以对浊度仪7、激光测距仪8、压力传感器11和海流计12测量的时间间隔进行设置。
利用上述装置进行浅水海域风暴潮(或极端大风天气)作用下海底风暴沉积过程的现场观测及风暴沉积物原状样的取样的实施步骤为：
①、风暴潮来临前做好该装置的前期准备工作，将三根固定桩与取样盘连接，将全新电池放入电池仓，打开设备，检查各仪器的工作状态及数据采集情况。
②、通过单片机设定装置工作的起止时间、各设备观测的时间间隔等参数。
③、在取样观测点挖去部分海底表层沉积物，将装置垂直压入海底沉积物中，以取样盘低于海底2～3cm为宜，在取样盘上覆盖挖去的沉积物，恢复观测点本来底质面貌。在取样盘上保留2～3cm海底表层沉积物主要是为了便于对风暴发生时海水对沉积物表面的扰动及冲刷深度进行研究。
④、风暴潮期间取样盘上接受风暴沉积，同时设备通过浊度仪、激光测距仪、压力传感器和海流计分别对风暴沉积观测期间的水体浊度、沉积物厚度、波浪压力和海流流速变化特征进行现场观测、记录。
⑤、到达观测取样完成时间后，电机驱动螺旋推进杆使顶盖向下运动直至与密封槽相接，自动将取样盘上收集的沉积物样品和其上覆水体进行封闭，以尽可能保持风暴沉积的原始状态。
⑥、观测取样完成后，通过向上提拉支架将设备提到岸上，拆掉固定桩，利用淡水对装置进行彻底清洗，防止设备腐蚀。保持装置水平，运送至实验室，研究人员即可对样品和数据进行分析研究。

Claims (6)

1.一种浅水海域风暴沉积现场观测取样装置，其特征在于该装置包括取样盘(2)，取样盘(2)下部安装有将该装置固定在海底的三根固定桩(1)，取样盘(2)上表面边缘处设置密封槽(3)，且取样盘(2)上还设有支架(4)，所述的支架(4)包括两根设置在取样盘(2)上表面两侧的竖向支撑杆，以及由所述竖向支撑杆进行支撑的一根横向支撑杆；竖向支撑杆上通过固定圈(6)固定顶盖(5)，横向支撑杆上安装有电机(9)和螺旋推进杆(10)，所述的电机(9)通过螺旋推进杆(10)实现顶盖(5)沿竖向支撑杆的上下移动，所述支架(4)上安装浊度仪(7)、激光测距仪(8)、压力传感器(11)和海流计(12)，分别对风暴沉积期间的水体浊度、沉积物厚度、波浪压力和海流流速变化特征进行现场观测，另外支架(4)上还安装有单片机(13)和电池仓(14)。
2.如权利要求1所述的浅水海域风暴沉积现场观测取样装置，其特征在于所述顶盖(5)上还开设有抽水孔(15)。
3.如权利要求1所述的浅水海域风暴沉积现场观测取样装置，其特征在于所述浊度仪(7)安装在横向支撑杆上以进行水平方向上水体悬浮泥沙浓度的测定；或者所述浊度仪(7)安装在竖向支撑杆上以进行竖直方向上水体悬浮泥沙浓度的测定。
4.如权利要求1所述的浅水海域风暴沉积现场观测取样装置，其特征在于所述激光测距仪(8)的测量精度为1mm，以进行垂直方向上的沉积物厚度变化测量。
5.利用权利要求1所述的浅水海域风暴沉积现场观测取样装置进行取样的方法，其特征在于包括以下步骤：首先通过所述单片机(13)对浊度仪(7)、激光测距仪(8)、压力传感器(11)和海流计(12)测量的时间间隔、起止时间进行设置；在风暴潮发生前，通过电机将顶盖(5)打开，通过固定桩(1)将该装置固定在取样站位，风暴潮发生过程中上述仪器对海底风暴沉积过程进行现场观测并由取样盘(2)接受风暴沉积；风暴潮过后通过电机关闭顶盖(5)并将装置取回，从而得到完整保存的风暴沉积样品及相关数据。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于固定时，在取样观测点挖去部分海底表层沉积物，将装置垂直压入海底沉积物中，使取样盘低于海底2～3cm，在取样盘上覆盖挖去的沉积物，恢复观测点本来底质面貌。
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