CN101608982A - 原位沉积物-水界面水质采样器及其采样方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及原位沉积物－水界面水质采样器及其采样方法；采样器采用一组采样板和保护板夹住渗透膜通过螺丝固定在一起；采样板纵向分为沉积物间隙水采样段和界面上覆水采样段，在沉积物间隙水采样段和界面上覆水采样段设置有多个纵向间距是2mm－3mm的横置凹槽，凹槽容积在2000微升至4000微升之间，在沉积物间隙水采样段和界面上覆水采样段间设置有分界限位板；本发明实现了沉积物－水界面水质样品的原位采集；采用界面限位装置，能准确确定沉积物－水界面；且本采样器配有重锤和回收绳，能够在水生较深的湖泊中使用，可操作性强，现场投放和回收方便；每一层水质采样室的容积达到4000微升，可以同时完成更多指标的分析。

Description

原位沉积物-水界面水质采样器及其采样方法

技术领域

本发明涉及湖泊沉积物中与沉积物界面上覆水水中污染物的分析，特别涉及一种原位沉积物-水界面水质采样器及其采样方法。

背景技术

目前，我国浅水湖泊污染严重，沉积物是其重要的污染源。特别是随着流域的城市化进程与工农业发展，过量的污染物蓄积在沉积物中，累积在沉积物中的大量污染物在一定条件下，通过形态变化、界面特性改变与释放等途径严重影响湖泊上覆水的质量，造成湖泊持续的高污染。如浅水湖泊沉积物的氮磷释放，可造成湖泊持续的富营养化，严重影响治理效果，威胁湖泊生态系统安全和水质安全。沉积物-水界面是湖泊生态系统物质循环的重要环节与界面，特别是界面pH、氧化还原电位和生物组成等的变化，对湖泊水环境质量与生态系统有着极为重要的影响。因此，沉积物-水界面始终是国内外湖沼学家关注的热点与研究重点。准确获取原位沉积物-水界面的水质样品以及不同深度沉积物间隙水样品是定量研究沉积物污染通量、评价沉积物污染特征以及研究湖泊沉积物-水界面的微环境特征等的关键。

对沉积物-水界面过程的研究，通常先从湖泊中取出沉积物，而后采用破坏性的离心或压榨方法，间接从沉积物中得到间隙水样品，而界面上覆水的水质样品则通过采水器直接获得，利用得到的间隙水样品和界面上覆水样品用于沉积物-水界面过程的研究。这样采样的主要问题是样品不是原位获取，其中沉积物长期处于还原环境，从水底取出后，直接与空气接触，环境特征发生较大变化，影响间隙水中污染物的含量分布，而且利用采水器也不能准确获得界面上覆水样品。因此，采用传统方法得到的沉积物-水界面水质样品有很大的不确定性，原位采集才是获得沉积物-水界面水质样品的可靠方法。

平衡式扩散采样技术是一种应用较多的原位水质采样方法。该方法的原理是利用渗透膜将采样室与沉积物或上覆水隔开，采样室溶液与间隙水或上覆水中的离子通过渗透膜扩散达到平衡后，分析采样室溶液样品即可获得间隙水和上覆水的信息。基于平衡式扩散采样技术，已发展了原位采样装置，以有机玻璃板为材料，通过渗透膜与玻璃板上的孔洞构成两端相对封闭的采样小室。装置放入沉积物后，两端间隙水离子向采样小室进行双向扩散，扩散达到平衡的时间取决于采样小室的厚度，垂直分辨率则由采样小室高度和间距控制。现有装置仅仅是原位获得了沉积物间隙水的样品，而并没有真正得到沉积物-水界面的水质样品，既包括不同深度的沉积物间隙水样品，也应包括界面上覆水样品，这样才构成了完整的沉积物水界面水质样品。要想达到这一目的，必须要能准确确定湖泊的沉积物-水界面位置，而且还需要方便回收。另外，现有装置采样室的体积较小，样品量一般在150-300礚，不能满足多指标的分析。因此，获取完整的沉积物-水界面水质样品，而且需要操作简单，方便回收采样器，且能获得足够的样品量用于研究，是沉积物-水界面过程研究必须解决的关键问题。

发明内容

本发明的目的是提出一种原位沉积物-水界面水质采样器及其采样方法技术方案，该方案提供了一种原位沉积物-水界面水质同时采样的采样器，解决了传统方法得到的沉积物-水界面水质样品有很大的不确定性的问题，采用充氮的方法将水质采样室中的溶解氧置换掉，提高了采样的准确性。

基于水中物质平衡扩散原理本发明的技术方案是：

原位沉积物-水界面水质采样器，包括两块长条形平板和渗透膜；一块平板为采样板，另一块平板为保护板，采样板和保护板夹住渗透膜通过螺丝固定在一起；所述采样板纵向顺序分为沉积物间隙水采样段和界面上覆水采样段，沿采样板纵向，在沉积物间隙水采样段和界面上覆水采样段设置有多个水质采样室，该水质采样室为纵向间距是2mm-3mm的横置凹槽；所述凹槽容积在2000微升至4000微升之间，渗透膜盖住凹槽，所述保护板对应采样板凹槽位置设有尺寸相同的透孔，在所述凹槽中放有蒸馏水；所述渗透膜是聚醚砜膜，在沉积物间隙水采样段和界面上覆水采样段间设置有分界限位板。

原位沉积物-水界面水质采样器采样方法，取原位沉积物-水界面水质采样器，所述采样器包括两块长条形平板和渗透膜；一块平板为采样板，另一块平板为保护板，采样板和保护板夹住渗透膜通过螺丝固定在一起；所述采样板纵向顺序分为沉积物间隙水采样段和界面上覆水采样段，沿采样板纵向，在沉积物间隙水采样段和界面上覆水采样段设置有多个水质采样室，该水质采样室为纵向间距是2mm-3mm的横置凹槽；所述凹槽容积在2000微升至4000微升之间，渗透膜盖住凹槽，所述保护板对应采样板凹槽位置设有尺寸相同的透孔，在所述凹槽中放有蒸馏水；所述渗透膜是聚醚砜膜，在沉积物间隙水采样段和界面上覆水采样段间设置有分界限位板；其采样方法步骤包括：

a.去除水质采样室蒸馏水中的溶解氧，将原位沉积物-水界面水质采样器放入一个盛水的封闭容器中，采样板上的采样室向上，采样器完全浸在水中，保持水温在20度±2度，在水中持续加入氮气，测量水中的溶解氧的浓度，控制水中溶解氧浓度低于1毫克/升，持续30分钟；

b.采样，通过重锤将原位沉积物-水界面水质采样器的沉积物间隙水采样段插入湖泊沉积物中，利用分界限位板将采样器界面上覆水采样段留在沉积物界面以上的上覆水中，放置7至15天；

c.回收，通过回收绳将原位沉积物-水界面水质采样器从湖中取出，清洗表面污物，采样板在下，保护板在上放在平台上，取下保护板和渗透膜，用移液器将采样室中的溶液移出分析；

d.样品分析，用微量比色方法测定样品中的磷、硝酸盐、氮、氨氮、硝态氮含量，用仪器直接测定样品中的有机碳、硫酸盐含量。

本发明的优点及有益效果：

(1)实现了沉积物-水界面水质样品的原位采集：可原位获得沉积物-水界面水质样品，即同时获得界面上覆水样品和不同深度沉积物间隙水样品，进而原位获得上覆水和沉积物间隙水中不同元素和离子含量以及垂向分布信息，可真正揭示沉积物-水界面物质交换过程；

(2)科学确定沉积物-水界面：本水质采样器有界面确定装置，克服了以前采样器不能准确确定沉积物-水界面的不足，能准确确定沉积物-水界面；且本采样器配有重锤和回收绳，可在水生较深的湖泊中使用，可操作性强，现场投放和回收方便；

(3)样品量增加明显：该发明装置布置两排水质采样室，而且采样板较厚，每一层水质采样室的容积达到4000礚，而远超过目前多数取样器150-300礚的容积，可以同时完成更多指标的分析；

(4)携带方便：该发明装置的不同部件，包括采样板、保护板、分界限位板、放置回收杆以及回收绳等均可以拆装，因此，运输、携带、使用以及安装等均极为便捷；

(5)操作方便，适用范围广：该发明是通过重锤把采样器放置在采样位置，利用回收绳完成回收。因此，操作方便，可以适用不同深度的湖泊；

(6)尺寸设计科学：该装置尺寸的设计综合考虑了有机玻璃板制作工艺、沉积物界面起伏特性、水质采样室内溶液采集、样品微量分析等多方面因素，在保证工艺质量和样品分析基础上，尽可能缩短扩散时间、提高垂向分辨率。

下面结合附图和实施例对本发明作一详细描述。

附图说明

图1为原位沉积物-水界面水质采样器结构示意图；

图2为采样器纵向剖视示意图。

具体实施方式

实施例1，

原位沉积物-水界面水质采样器实施例，参见图1和图2，所述采样器包括两块长条形平板和渗透膜2；一块平板为采样板1，另一块平板为保护板3，采样板和保护板夹住渗透膜通过螺丝固定在一起；所述采样板纵向顺序分为沉积物间隙水采样段2-1和界面上覆水采样段2-2，沿采样板纵向在沉积物间隙水采样段和界面上覆水采样段设置有多个纵向间距是2mm-3mm的横置凹槽2-3作为水质采样室，所述凹槽的容积在2000微升至4000微升之间，渗透膜覆盖住凹槽，所述保护板对应采样板凹槽位置设有尺寸相同的透孔3-1，在所述凹槽中放有蒸馏水，所述渗透膜是聚醚砜膜，该膜具有非常好的生物惰性，渗透膜孔径为0.2微米至0.45微米，在沉积物间隙水采样段和界面上覆水采样段之间设置有分界限位板4，分界限位板的宽度大于25厘米。

实施例中所述采样板采用亚克力(PMMA聚甲基丙烯酸甲酯)板，保护板采用厚15mm普通有机玻璃板，采样板长度为600mm，厚15mm，所述凹槽为矩形凹槽，凹槽的开口宽度和深度相同，凹槽在采样板上横向并排设置两排，纵向凹槽与凹槽间距为2mm，间距过小，采集的样品区别太小浪费资源，间距过大分析又过于粗糙，精度不够，因此间距在2mm至3mm为合适间距，本实施例采用2mm。

由于界面上覆水采样段采集的样品只是界面处的上覆水样品，为了得到不同深度沉积物间隙水中的信息，所述沉积物间隙水采样段长度大于界面上覆水采样段长度，大于比例在3∶1至4∶1之间。

为了便于采样器的放置与回收，在采样板和保护板的顶部设置有捶击板5和漂浮回收绳6。

实施例2，

原位沉积物-水界面水质采样器优选实施例，参见实施例1，与实施例1不同的是，所述的纵向凹槽与凹槽间距为2.5mm，所述凹槽的容积是3000微升。

实施例3，

原位沉积物-水界面水质采样器采样方法，取原位沉积物-水界面水质采样器，所述采样器是实施例1所述原位沉积物-水界面水质采样器；其采样方法步骤包括：

a.去除水质采样室蒸馏水中的溶解氧，将原位沉积物-水界面水质采样器放入一个盛水的封闭容器中，采样板上的采样室向上，采样器完全浸在水中，保持水温在20度±2度，在水中持续加入氮气，测量水中的溶解氧的浓度，控制水中溶解氧浓度低于1毫克/升，持续30分钟；

b.采样，通过重锤将原位沉积物-水界面水质采样器的沉积物间隙水采样段插入湖泊沉积物中，利用分界限位板将采样器界面上覆水采样段留在沉积物界面以上的上覆水中，放置7至15天；

c.回收，通过回收绳将原位沉积物-水界面水质采样器从湖中取出，清洗表面污物，采样板在下，保护板在上放在平台上，取下保护板和渗透膜，用移液器将采样室中的溶液移出分析；

d.样品分析，用微量比色方法测定样品中的磷、硝酸盐、氮、氨氮、硝态氮等含量，用仪器直接测定样品中的有机碳、硫酸盐等含量。

水质采样室蒸馏水中过多的溶解氧将影响采样的结果，本实施例控制水中溶解氧浓度为0.6至0.8毫克/升。

微量比色方法是已知的通用方法，仪器为公知仪器。

本发明的原理是：通过溶解氧去除工艺，保证水质采样室中的蒸馏水的氧浓度低于1毫克/升，通过0.45祄孔径的渗透膜将水质采样室与外界隔离，使得上覆水和沉积物间隙水中的离子通过扩散作用进入水质采样室，当扩散达到平衡后，采集水质采样室的中溶液，可原位获得沉积物-水界面水质样品，包括界面上覆水样品和不同深度沉积物间隙水样品，通过微量比色法或仪器法分析水质采样室中的溶液，根据研究目的，可原位获得界面上覆水和沉积物间隙水中不同元素和离子含量以及垂向分布信息。

Claims (8)

1.原位沉积物-水界面水质采样器，其特征在于，包括两块长条形平板和渗透膜；一块平板为采样板，另一块平板为保护板，采样板和保护板夹住渗透膜通过螺丝固定在一起；所述采样板纵向顺序分为沉积物间隙水采样段和界面上覆水采样段，沿采样板纵向，在沉积物间隙水采样段和界面上覆水采样段设置有多个水质采样室，该水质采样室为纵向间距是2mm-3mm的横置凹槽；所述凹槽容积在2000微升至4000微升之间，渗透膜盖住凹槽，所述保护板对应采样板凹槽位置设有尺寸相同的透孔，在所述凹槽中放有蒸馏水；所述渗透膜是聚醚砜膜，在沉积物间隙水采样段和界面上覆水采样段间设置有分界限位板。

2.根据权利要求1所述原位沉积物-水界面水质采样器，其特征在于，所述采样板采用亚克力板，采样板长度为600mm，厚15mm；保护板采用厚15mm的普通有机玻璃板；在采样板和保护板的顶部设置有捶击板和漂浮回收绳。

3.根据权利要求1所述原位沉积物-水界面水质采样器，其特征在于，所述凹槽为矩形凹槽，凹槽的开口宽度和深度相同，凹槽在采样板上横向并排设置两排，沿纵向，凹槽与凹槽间距为2mm。

4.根据权利要求1所述原位沉积物-水界面水质采样器，其特征在于，所述沉积物间隙水采样段的长度大于界面上覆水采样段的长度。

5.根据权利要求4所述原位沉积物-水界面水质采样器，其特征在于，所述沉积物间隙水采样段的长度与界面上覆水采样段的长度比例在3∶1至4∶1之间。

6.根据权利要求1所述原位沉积物-水界面水质采样器，其特征在于，所述渗透膜孔径为0.45微米。

7.根据权利要求1所述原位沉积物-水界面水质采样器，其特征在于，所述的纵向凹槽与凹槽间距为2.5mm，所述凹槽的容积是3000微升。

8.原位沉积物-水界面水质采样器采样方法，其特征在于，取原位沉积物-水界面水质采样器，所述采样器是权利要求1所述原位沉积物-水界面水质采样器，其采样方法步骤包括：

a.去除水质采样室蒸馏水中的溶解氧，将原位沉积物-水界面水质采样器放入一个盛水的封闭容器中，采样板上的采样室向上，采样器完全浸在水中，保持水温在20度±2度，在水中持续加入氮气，测量水中的溶解氧的浓度，控制水中溶解氧浓度低于1毫克/升，持续30分钟；

b.采样，通过重锤将原位沉积物-水界面水质采样器的沉积物间隙水采样段插入湖泊沉积物中，利用分界限位板将采样器界面上覆水采样段留在沉积物界面以上的上覆水中，放置7至15天；

c.回收，通过回收绳将原位沉积物-水界面水质采样器从湖中取出，清洗表面污物，采样板在下，保护板在上放在平台上，取下保护板和渗透膜，用移液器将采样室中的溶液移出分析；

d.样品分析，用微量比色方法测定样品中的磷、硝酸盐、氮、氨氮、硝态氮含量，用仪器直接测定样品中的有机碳、硫酸盐含量。

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