CN107560889B - 一种大通量底泥柱状采样装置及采样方法 - Google Patents

Abstract

一种大通量底泥柱状采样装置及采样方法，该采用装置主要包括悬挂架(1)、上连杆(2)、腔体(4)、配重连杆(6)、配重(7)、挡板(8)、插销(9)、滑轮(10)、控销绳(11)、拽板绳(12)、缆绳(14)、铅锤(15)以及采样管(19)。本发明的大通量底泥柱状采样装置是一套可同时实现大通量底泥样品的精确分层，利用它可以避免底泥柱状采样的不足，实现了样品采集领域的一次技术突破。

Description

一种大通量底泥柱状采样装置及采样方法

技术领域

本发明涉及湖泊底泥柱状样品采集装置研发领域，具体地说，是一种较大通量的底泥柱状采样装置及其使用方法。

背景技术

底泥是流域湖泊系统物质和能量的“源”和“汇”，连续记载着区域乃至全球环境变化的信息。湖泊泥/水界面的相互作用是影响湖泊水质的重要原因。在一定条件下，累积到湖泊沉积物中的各种污染物，又会重新释放到湖泊水体，对水体构成二次污染。因此，如何取到未受扰动的泥/水界面附近的样品，是研究湖泊污染过程机理的关键和基础。

目前研制开发的底泥柱芯采样装置种类繁多，主要包括重力采样器、活塞式采样器、连杆式采样器、冷冻式采样器以及钻进式采样器等。其中便携式重力采样器在湖泊沉积物研究中应用普遍，具有便于携带、操作简单的特点。适应用于研究底泥中污染物的时空分布特征研究，如重金属、PAHs等传统有机污染物。随着污染物的更新演替，以及污染治理的需求，研究工作逐步转向含量极低的激素、抗生素、人为放射性核素等污染物的研究。由于以上污染物的环境浓度极低。开展此类研究时，一方面需要提高仪器分析精度；另一方面，还需要加大样品量。目前常规采样器的采样管内径一般为55mm，有的甚至更小。以采样管内径为55mm的计算，该类采样器能收集到的样品量约为17g/cm，所得的样品量难以满足单一污染物分析，更不能实现多污染物同时分析。

目前解决样品量不足的方式主要有以下几种：

(1)采用抓斗式采样器，该类型采样器可采底泥重量可达1kg以上，能满足各类污染物的分析检测工作，但是该类型采样器的问题是采样过程中，样品全部混合，不能实现剖面分层，其研究结果不能有效反映污染历史。

(2)在同一采样点采集多根底泥柱芯，每根柱芯分样后，将同一层的样品混合，以增加样品量。然而湖泊底部一般不是平整的，不同底泥柱芯不同步，导致误差出现。且不精确的分样还会使得误差增大。因此，要保证同一性，必须采用加大管径的方法。

(3)一些生产厂家均尝试加大采样管管径，以获取更多样品，但目前采样器均为顶吸式的，当管径超过75mm时，负压顶吸会失去作用，导致管内的底泥从底部脱落。

基于以上考虑，本发明的较大通量底泥柱状采样装置及方法克服了当前技术的缺点，采集样品重量可达60g/cm以上，可为同时分析多类超低浓度污染物提供保障。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种大通量底泥柱状采样装置及采样方法。

根据本发明的第一方面，提供一种大通量底泥柱状采样装置(采样器)，该采用装置包括悬挂架(1)、上连杆(2)、腔体(4)、配重连杆(6)、配重(7)、挡板(8)、插销(9)、滑轮(10)、控销绳(11)、拽板绳(12)、缆绳(14)、铅锤(15)、采样管(19)；其中：

悬挂架(1)上端与缆绳(14)固定连接，缆绳(14)穿过铅锤(15)的中央穿孔，悬挂架(1)上固定设置有横杆(20)，横杆(20)与上连杆(2)可上下活动地连接；在位于横杆(20)下方的悬挂架(1)侧壁上设置有一对挂杆扣(16)，挂杆扣(16)为装有弹簧的斜体扣；

上连杆(2)下端与腔体(4)固定连接，上连杆(2)上固定设置有挂杆(3)；

腔体(4)下端与配重连杆(6)连接，腔体(4)底部中央具有开口，开口端与采样管(19)上端连接，开口上部设置有密封单向阀(17)；

配重连杆(6)共有四根，两两相对设置在采样管(19)外周，配重(7)设置在配重连杆(6)的下部；

配重连杆(6)下端设置有一对挡板(8)，每个挡板(8)可枢转地连接在两根配重连杆(6)之间；相应的两根配重连杆(6)之间设置有连接横杆(21)，在连接横杆(21)和挡板(8)顶部分别设置有销孔，插销(9)从上而下插入到连接横杆(21)和挡板(8)的销孔中；

插销(19)上端连接控销绳(11)，控销绳(11)与挂杆(3)连接；

挡板(8)末端连接拽板绳(12)，拽板绳(12)与挂杆(3)连接。

优选情况下，其中在腔体(4)和配重(7)上各设置4个滑轮(10)，用来与控销绳(11)和拽板绳(12)配合。

具体情况下，采样管(19)顶部通过法兰(5)与腔体(4)连接，法兰(5)上部有外螺纹，腔体(4)的开口端设置有密封圈(18)和内螺纹，通过旋紧法兰(5)挤压密封圈(18)，使得密封圈(18)受到纵向挤压后横向膨胀，以达到卡紧采样管(19)并密封的效果。

根据本发明的第二方面，提供一种大通量柱状底泥采样方法，包括以下步骤：

(1)采样管装填

采样管(19)由采样装置下端配重口装入；与腔体(4)的开口端卡紧；

(2)采样装置下水

采样管(19)装好后，将铅锤(15)至于采样船上，将采样装置主体放入水体，并缓慢下行，此时缆绳(14)用力挂住悬挂架(1)，上连杆(2)通过横杆(20)挂住；

(3)采样管装入底泥

采样装置主体缓慢下行，至其距离湖底一定距离时，放松缆绳(14)，采样装置主体加速冲击，插入底泥中，采样管(19)装填底泥；此时缆绳(14)由垂直状态变成松弛状态；密封单向阀(17)落下，封闭采样管(19)顶部；悬挂架(1)下行，使得挂杆扣(16)底部顶住挂杆(3)顶部；

(4)铅锤激发

采样管(19)装入底泥后，将缆绳(14)拉直，铅锤(15)沿缆绳(14)落下，砸下悬挂架(1)，使得挂杆扣(16)上的斜体扣(162)受外力下压时，扣顶部的弹簧(165)收缩，扣顺利通过挂杆(3)，到达挂杆(3)底部后，弹簧(165)撑开，扣住挂杆(3)；

(5)提升插销拔出

铅锤(15)激发后，开启采样船上的缆绳收提器，缆绳(14)拉着悬挂架(1)上行；此时悬挂架(1)的受力点在挂杆(3)上，挂杆(3)上的控销绳(11)和拽板绳(12)同时往上提升；由于拽板绳(12)有富余，当缆绳(14)上提时，先拔出插销(9)，松开挡板(8)；

(6)挡板闭合

此后拽板绳(12)继续受力，逐步拉紧并关闭挡板(8)，此后采样器继续提升直至出水，此过程均有拽板绳(12)受力，因此，挡板(8)始终紧闭，防止采样管(19)中的底泥样品泄露；

(7)样品分层

采样装置出水后，松开挡板(8)，用橡皮塞塞住采样管(19)下端，防止底泥漏出，取出采样管(19)；移除橡皮塞，将顶杆从采样管(19)底部插入，顶杆从下往上将底泥从采样管(19)顶部挤出，以预定高度间隔，分割底泥柱状样品。

本发明的大通量底泥柱状采样装置是一套可同时实现大通量底泥样品的精确分层，利用它可以避免底泥柱状采样的不足，实现了样品采集领域的一次技术突破。

本发明通过同时顶部负压自吸和底部封堵两种方法，实现大通量底泥柱状样品的采集，其中挡板的垂直固定采用插销，插销拔出后，可利用向上提拔采样的方式，将底部挡泥板关闭，以实现底泥封堵的效果。克服了当前大通量底泥柱状采样存在底部漏泥的问题。

本发明的优点还在于：

1、样品采集通量较传统采样器的大2‐3倍。

2、实施效果好，大幅提高样品分层的精度。

3、采样器的插销和挂杆扣等控件统一采用击锤激发，使用方法简单、过程规范，便于推广使用。

附图说明

图1a是根据本发明的采样装置的主视结构示意图；

图1b是根据本发明的采样装置的侧视结构示意图；

图1c是图1b沿A‐A方向剖视结构示意图；

图2a是悬挂架的主视结构示意图；

图2b是悬挂架的侧视结构示意图；

图2c是图2b沿A‐A方向剖视结构示意图；

图3是挂杆扣的主视结构示意图；

图4是悬挂架与挂杆扣组装结构剖视示意图；

图5是腔体部的剖视示意图；

图6a是采样装置的下部放大示意图；

图6b是图6a沿A‐A方向剖视示意图；

图7a是采样装置下水时主要部件所处位置侧视剖视示意图；

图7b是采样装置下水时主要部件所处位置主视剖视示意图；

图8a是采样管收集底泥后主要部件所处位置侧视剖视示意图；

图8b是采样管收集底泥后主要部件所处位置主视剖视示意图；

图9a是铅锤激发后采样装置主要部件所处位置侧视剖视示意图；

图9b是铅锤激发后采样装置主要部件所处位置主视剖视示意图；

图10a是插销拔出时采样装置主要部件所处位置主视示意图；

图10b是图10a沿A‐A方向剖视示意图；

图11a是挡板闭合后采样装置主要部件所处位置主视示意图；

图11b是图11a沿A‐A方向剖视示意图。

其中标记分别代表：1‐悬挂架、2‐上连杆、3‐挂杆、4‐腔体、5‐法兰、6‐配重连杆、7‐配重、8‐挡板、9‐插销、10‐滑轮、11‐控销绳、12‐拽板绳、13‐连接螺丝、14‐缆绳、15‐铅锤、16‐挂杆扣、17‐密封单向阀、18‐密封圈、19‐采样管、20‐横杆、21‐连接横杆、22‐安装孔、161‐安装板、162‐斜体扣、164‐安装螺丝、165‐弹簧。

具体实施方式

下面通过具体实施例并结合附图详细描述本发明的大通量底泥柱状采样装置及采样方法，本领域技术人员应该理解，下文的描述仅为了更好地理解本发明，并非用于对本发明作出任何限制。

参见图1a‐1c，根据本发明的大通量底泥柱状采样装置主要包括悬挂架1、上连杆2、腔体4、配重连杆6、配重7、挡板8、插销9、滑轮10、控销绳11、拽板绳12、缆绳14、铅锤15以及采样管19。

悬挂架1上端与缆绳14固定连接，缆绳14穿过铅锤15的中央穿孔。悬挂架1上固定设置有横杆20，横杆20与上连杆2可上下活动地连接。在位于横杆20下方的悬挂架1侧壁上设置有一对挂杆扣16。上连杆(2)下端与腔体(4)固定连接，上连杆2上固定设置有挂杆3；

参见图2a‐2c以及图3‐4，挂杆扣16包括安装板161，安装板161的外侧通过安装螺丝164与悬挂架1的侧壁固定。安装板161的内侧设置有斜体扣162，斜体扣162的上端通过弹簧165与安装板161连接；斜体扣162的下端与安装板161可枢转地连接。在弹簧165自然状态下，一对斜体扣162之间的间隙小于挂杆3的直径或宽度，使得挂杆3位于斜体扣162下方。

腔体4上部通过连接螺丝13与上连杆2固定，腔体4下端与配重连杆6连接，腔体4底部中央具有开口，开口端与采样管19上端连接。在图5示出的实施例中，采样管19顶部通过法兰5与腔体4连接，法兰5上部有外螺纹，腔体4的开口端设置有密封圈18和内螺纹，通过旋紧法兰5挤压密封圈18，使得密封圈18受到纵向挤压后横向膨胀，以达到卡紧采样管19并密封的效果。另外腔体4开口上部设置有密封单向阀17，用来在采样过程中密封采样管19的顶端。

配重连杆6共有四根，两两相对设置在采样管19外周，配重7设置在配重连杆6的下部。配重7的作用是增加采样器下端的重量，能增加采样深度，以及保证采样器下水后的垂直方向。

参见图6a‐6b，配重连杆6下端设置有一对可开闭的挡板8，每个挡板8可枢转地连接在两根配重连杆6之间；相应的两根配重连杆6之间设置有连接横杆21，在连接横杆21和挡板8顶部分别设置有销孔，插销9从上而下插入到连接横杆21和挡板8的销孔中。挡板8用于在采样结束后挡住采样管19下端出口，以防采样器上提过程中底泥从采样管19下端漏出。插销9用于采样时固定挡板8，使挡板8位于垂直方向，有利于底泥顺利进入采样管19。插销19上端连接控销绳11，控销绳11与挂杆3连接；挡板8末端连接拽板绳12，拽板绳12与挂杆3连接。控销绳11共有两根，分别用于拔出两个固定挡板8的插销9。拽板绳12共有两根，分别用于拉升关闭对应的挡板8。其中在腔体4和配重7上各设置4个滑轮10，用来与控销绳11和拽板绳12配合，从而利于控制控销绳11和拽板绳12的活动方向。拽板绳12比控销绳11有3cm富余长度，当挂杆3受外力提拽向上运动同时拖拽控销绳11和拽板绳12时，首先拖拽控销绳11拔出插销9，接着拖拽拽板绳12，闭合挡板8。

以上各部件的材质可以为：

(1)上连杆2和腔体4为铝材质。

(2)悬挂架1、挂杆3、法兰5、配重连杆6、配重7、挡板8、插销9、滑轮10、连接螺丝13、挂杆扣16、密封单向阀17为不锈钢材质，其中密封单向阀17下端有橡胶垫圈。

(3)铅锤15为铅材质。

(4)缆绳14、控销绳11和拽板绳12为钢丝材质。

(5)密封圈18为橡胶材质。

(6)采样管19为有机玻璃材质。

参见图7a‐11b(为清楚起见，图7a‐11b中未示出采样管)，采用本发明的大通量底泥柱状采样装置的采样过程如下：

(1)采样管装填

采样管19由采样器下端配重口装入；通过法兰5、密封圈18后，顶住法兰5底部；旋转法兰5扣紧密封圈18；用螺丝刀插入法兰5外的小孔，旋紧法兰5，纵向挤压密封圈18，使得橡胶密封圈受到到纵向挤压后横向膨胀，卡紧并密封采样管19顶部。

(2)采样装置下水

采样管19装好后，将铅锤15至于采样船上，缆绳14与采样船上的缆绳收提器连接。将采样装置主体放入水体，并缓慢下行，此时缆绳14用力挂住悬挂架1，上连杆2通过横杆20挂住。

(3)采样管装入底泥

采样装置主体缓慢下行，至其距离湖底5米左右时，放松缆绳14，采样装置主体加速冲击，插入底泥中，采样管19装填底泥；此时缆绳14由垂直状态变成松弛状态；密封单向阀17落下，封闭采样管19顶部；悬挂架1下行，使得挂杆扣16底部顶住挂杆3顶部。

(4)铅锤激发

采样管19装入底泥后，将缆绳14拉直，铅锤15沿缆绳14落下，砸下悬挂架1，使得挂杆扣16上的斜体扣161受外力下压时，扣顶部的弹簧165收缩，扣顺利通过挂杆3，到达挂杆3底部后，弹簧165撑开，扣住挂杆3；

(5)提升插销拔出

铅锤15激发后，开启采样船上的缆绳收提器，缆绳14拉着悬挂架1上行；此时悬挂架1的受力点在挂杆3上，挂杆3上的控销绳11和拽板绳12同时往上提升。由于拽板绳12有富余，当缆绳14上提3公分时，可拔出插销9，此时可松开挡板8。

(6)挡板闭合

此后拽板绳12继续受力，逐步拉紧并关闭挡板8，此后采样器继续提升直至出水，此过程均有拽板绳12受力，因此，挡板8始终紧闭，防止采样管19中的底泥样品泄露。

(7)样品分层

采样器出水后，松开挡板8，用橡皮塞塞住采样管19下端，防止底泥漏出，取出采样管19；移除橡皮塞，将顶杆从采样管19底部插入，顶杆从下往上将底泥从采样管19顶部挤出，以1cm高度间隔，分割底泥柱状样品。

Claims (2)

1.一种大通量底泥柱状采样装置，该采样装置包括悬挂架(1)、上连杆(2)、腔体(4)、配重连杆(6)、配重(7)、挡板(8)、插销(9)、滑轮(10)、控销绳(11)、拽板绳(12)、缆绳(14)、铅锤(15)以及采样管(19)；其中：

悬挂架(1)上端与缆绳(14)固定连接，缆绳(14)穿过铅锤(15)的中央穿孔，悬挂架(1)上固定设置有横杆(20)，横杆(20)与上连杆(2)可上下活动地连接；在位于横杆(20)下方的悬挂架(1)侧壁上设置有一对挂杆扣(16)，挂杆扣(16)为装有弹簧的斜体扣；

上连杆(2)下端与腔体(4)固定连接，上连杆(2)上固定设置有挂杆(3)；

腔体(4)下端与配重连杆(6)连接，腔体(4)底部中央具有开口，开口端与采样管(19)上端连接，开口上部设置有密封单向阀(17)；

配重连杆(6)共有四根，两两相对设置在采样管(19)外周，配重(7)设置在配重连杆(6)的下部；

配重连杆(6)下端设置有一对挡板(8)，每个挡板(8)可枢转地连接在两根配重连杆(6)之间；相应的两根配重连杆(6)之间设置有连接横杆(21)，在连接横杆(21)和挡板(8)顶部分别设置有销孔，插销(9)从上而下插入到连接横杆(21)和挡板(8)的销孔中；

插销(9)上端连接控销绳(11)，控销绳(11)与挂杆(3)连接；

挡板(8)末端连接拽板绳(12)，拽板绳(12)与挂杆(3)连接。

2.一种采用权利要求1所述的大通量底泥柱状采样装置的采样方法，包括以下步骤：

(1)采样管装填

采样管(19)由采样装置下端配重口装入；与腔体(4)的开口端卡紧；

(2)采样装置下水

采样管(19)装好后，将铅锤(15)置于采样船上，将采样装置主体放入水体，并缓慢下行，此时缆绳(14)用力挂住悬挂架(1)，上连杆(2)通过横杆(20)挂住；

(3)采样管装入底泥

采样装置主体缓慢下行，至其距离湖底一定距离时，放松缆绳(14)，采样装置主体加速冲击，插入底泥中，采样管(19)装填底泥；此时缆绳(14)由垂直状态变成松弛状态；密封单向阀(17)落下，封闭采样管(19)顶部；悬挂架(1)下行，使得挂杆扣(16)底部顶住挂杆(3)顶部；

(4)铅锤激发

采样管(19)装入底泥后，将缆绳(14)拉直，铅锤(15)沿缆绳(14)落下，砸下悬挂架(1)，使得挂杆扣(16)上的斜体扣(162)受外力下压时，扣顶部的弹簧(165)收缩，扣顺利通过挂杆(3)，到达挂杆(3)底部后，弹簧(165)撑开，扣住挂杆(3)；

(5)提升插销拔出

铅锤(15)激发后，开启采样船上的缆绳收提器，缆绳(14)拉着悬挂架(1)上行；此时悬挂架(1)的受力点在挂杆(3)上，挂杆(3)上的控销绳(11)和拽板绳(12)同时往上提升；由于拽板绳(12)有富余，当缆绳(14)上提时，先拔出插销(9)，松开挡板(8)；

(6)挡板闭合

此后拽板绳(12)继续受力，逐步拉紧并关闭挡板(8)，此后采样器继续提升直至出水，此过程均有拽板绳(12)受力，因此，挡板(8)始终紧闭，防止采样管(19)中的底泥样品泄露；

(7)样品分层

采样装置出水后，松开挡板(8)，用橡皮塞塞住采样管(19)下端，防止底泥漏出，取出采样管(19)；移除橡皮塞，将顶杆从采样管(19)底部插入，顶杆从下往上将底泥从采样管(19)顶部挤出，以预定高度间隔，分割底泥柱状样品。