CN105352765B - 一种用于收集农业面源污染径流样品的采样器及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于收集农业面源污染径流样品的采样器及其方法，包括进水口、外壳、底板、弹簧和隔板，进水口设置与外壳上，外壳底部设有底板，用于使外壳内部形成不透水的密闭空间；底板由凸形密封板和延伸片组成，凸形密封板上固定有多片延伸片，延伸片插入隔板内，延伸片与隔板的接触面密闭不透水的配合；外壳内部设有多条中空的隔板隔板将外壳平均分割成多个等体积的空间。弹簧在装置内没有水的情况下，使装置保持密闭，而装置内水位上升到一定高度时，打开装置进行排水，并将进水均分为若干等份，由此达到既减少径流体积，又能保证获取正常降雨的径流混合样本的目的，从而大大减少了径流收集过程中需要建造的径流收集池大小，降低了成本和占地面积。

Description

一种用于收集农业面源污染径流样品的采样器及其方法

技术领域

本发明属于水土保持监测领域，具体涉及一种用于收集农业面源污染径流样品的采样器及其方法。

背景技术

径流是指降雨及冰雪融水或者在浇地的时候在重力作用下沿地表或地下流动的水流。径流有不同的类型，按水流来源可有降雨径流和融水径流以及浇水径流；按流动方式可分地表径流和地下径流，地表径流又分坡面流和河槽流。地表径流，特别是农业地表径流在产流过程中会携带大量营养物质、泥沙及其他悬浮物进入周边水体，造成严重的富营养化危害。降雨所导致的径流流失是稻田氮、磷流失的主要形式，特别是化肥施用后较短时间内发生的降雨径流会携带大量营养物质进入周边河道。因此，在水土流失监测过程中，需要对径流的流失进行长期定点监测。然而目前，径流监测过程中，最主要的困难是径流的收集不便，因为径流通常发生在暴雨时期，监测条件较为恶劣，且径流收集通常水量较大，对径流收集装置的容积要求较高。

传统的径流收集通常采用径流试验场的方式进行，一般在径流试验场周边地势较低处开挖径流收集池，将试验场的径流引流进入收集池，进行统一收集。然而，径流试验场通常占地几百平米甚至数公顷，而暴雨期产生的径流流量也相当可观，由此导致径流池的容积要很大，否则会出现溢流，使该场降雨的径流样品失效。而建造一个大容积的径流收集池，不仅在造价成本上使一般的科学研究难以承受，也会占用大片农田面积，不符合可持续发展理念。

发明内容

本发明的目的是解决现有技术存在的不足，并提供一种用于收集农业面源污染径流样品的采样器及其方法，具体技术方案如下：

一种用于收集农业面源污染径流样品的采样器，包括进水口、外壳、底板、弹簧、隔板、凸形密封板和延伸片，进水口设置于外壳上，外壳底部一侧与底板铰接，底板上设有与外壳底部相契合的凸形密封板，用于与外壳配合使采样器内部形成不透水的密闭空间；外壳内部均匀设有N条中空的隔板，其中N≥1；当底板与外壳合拢时，隔板的上下两端分别连接外壳内顶部和凸形密封板内表面，将外壳平均分割成N+1个等体积的独立空间；凸形密封板上固定有N片延伸片，延伸片对应地插入隔板内，延伸片与隔板的内面之间填充有隔水层；外壳内顶部和凸形密封板内表面之间通过弹簧相连；隔板与延伸片底部均设有通孔，以连通两侧密闭空间；延伸片与隔板之间设有用于限制底板与外壳开合角度的限位装置。

作为优选方案，所述的延伸片的高度设置标准为：当外壳与隔板间的开合角度最大时，延伸片仍处于隔板内。

作为延伸片的优选方案，所述的延伸片包括扇形部和延伸部两部分，扇形部的扇形圆心为底板及外壳的铰接线与延伸片所在平面的交点，半径为该圆心到对面外壳侧壁的最短距离，延伸部位于隔板内部。

作为限位装置的优选方案，所述的限位装置采用无弹性的限位绳，延伸片与外壳内顶部通过限位绳相连，限位绳长度大于外壳内顶部到凸形密封板内表面的垂直距离，但其伸展到最大长度时，需保证延伸片与隔板不完全分离但外壳底部与凸形密封板之间出现能使径流流出的空隙。

作为限位装置的另一种优选方案，所述的限位装置采用T型凸块，T型凸块设置于延伸片顶部，隔板内的隔水层位于T型凸块下方两侧，用于同时起密闭隔水和限制T型凸块下滑位移的作用，T型凸块下方的延伸片长度应满足：当T型凸块被隔水层卡住时，外壳底部与凸形密封板之间出现能使径流流出的空隙。

作为优选方案，所述的弹簧的弹力设置标准为：采样器内部没有径流水时，弹簧的弹力能使该状态下外壳底部与凸形密封板契合并呈不透水密闭状态；且当采样器内部注入高度为H的水时，使外壳底部与凸形密封板呈打开状态，供径流水流出，其中H介于所述的密闭空间高度的1/5~2/3之间。

作为优选方案，可开合一侧的底板上设有N块与所述的隔板相对应的引流片，引流片设置于外壳外部，且当外壳底部与凸形密封板闭合时，引流片一侧与外壳贴合，引流片与延伸片设置于同一平面上，用于将不同的密闭空间内流出的水流隔开，防止相互混合。

作为进一步的优选方案，所述的隔板上部与引流片的上部通过弹性绳相连，在由隔板、引流片和弹性绳三者围成的多边形上设置防水膜，使水流无法通过该多边形。

作为优选方案，每个所述的密闭空间顶部的外壳上均设有排气孔；设置于隔板与延伸片底部的通孔仅在外壳底部与凸形密封板密闭契合时连通，其余时间均处于错位状态。

一种使用所述的采样器采集农业面源污染径流样品的方法，具体步骤如下：

首先，将目标径流收集口与本采样器的进水口相连，将采样器水平放置并使进水口低于目标径流收集口；当径流未发生时，利用弹簧的弹力使外壳底部与凸形密封板密闭契合，且通孔连通左右密闭空间；当径流通过进水口输入采样器时，利用通孔将径流平均分布至各个密闭空间中；当采样器中径流累积至弹簧的弹力无法维持外壳底部与凸形密封板密闭契合时，底板与凸形密封板沿铰接轴转动，使设置于隔板与凸形密封板底部的通孔处于错位状态，阻止各密闭空间内的水流相互流动；同时利用延伸片的扇形部和延伸部保证延伸片始终处于隔板内部，径流通过外壳底部与凸形密封板间的缝隙流出；流出过程中，利用弹性绳的弹力始终使防水膜贴紧外壳底部，从而隔离引流片两侧的径流；最终，利用引流片将采样器中不同密闭空间内的径流样品引流至目标位置进行收集，实现径流均分的目的。

与现有技术相比，本发明通过独特的设计，使装置在没有电源供给的野外依然能够实现径流的均分；大大减小了径流收集装置的占地面积，且可以根据研究需要，改变混合径流的收集比例，既能减少径流体积，又能保证获取正常降雨的径流混合样本的目的；同时具有制造成本低、搬运方便、可自动采样。另外本发明还具有其他的技术效果，将在具体实施方式中进行详细阐述。

附图说明

图1 为一种用于收集农业面源污染径流样品的采样器整体结构示意图；

图2为一种用于收集农业面源污染径流样品的采样器的内部剖面图；

图3为图2中装置的A-A剖面示意图；

图4为图2中装置的B-B剖面示意图；

图5为本发明中带有引流片的底板示意图；

图6为本发明中隔板内部结构示意图；

图7为本发明中延伸片结构示意图；

图8为本发明中限位装置的一种结构示意图；

图9为本发明中限位装置的另一种结构示意图；

图10为本发明中带有引流片与防水膜的连接示意图；

图中：进水口1、外壳2、底板3、弹簧4、隔板5、凸形密封板6、延伸片7、固定绳8、引流片9、隔水层11、弹性绳12和防水膜13。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的解释，以便更好地理解本发明。同时，本发明中的各实施方式中的技术特征，在不相互冲突的前提下，均可进行组合使用，不构成对本发明保护范围的限制。

如图1和2所示，一种用于收集农业面源污染径流样品的采样器，包括进水口1、外壳2、底板3、弹簧4、隔板5、凸形密封板6和延伸片7，进水口1设置于外壳2上，外壳2底部一侧与底板3铰接，底板3上设有与外壳2底部相契合的凸形密封板6，用于与外壳2配合使采样器内部形成不透水的密闭空间。底板3用于为凸形密封板6提供支撑及保护。外壳2内部均匀设有N条中空的隔板5，其中N≥1。当底板3与外壳2合拢时，隔板5的上下两端分别连接外壳2内顶部和凸形密封板6内表面，将外壳2平均分割成N+1个等体积的独立空间。如图3和图6所示，凸形密封板6上固定有N片延伸片7，延伸片7对应地插入隔板5内，延伸片7与隔板5的内面之间填充有隔水层11。如图4所示，外壳2内顶部和凸形密封板6内表面之间通过弹簧4相连；隔板5与延伸片7底部均设有通孔，以连通两侧密闭空间；延伸片7与隔板5之间设有用于限制底板3与外壳2开合角度的限位装置。外壳2顶部设有排气孔，每个被隔板5分割形成的密闭空间至少有一个排气孔，使径流流入时，保持内外气压平衡。进水口1通常设与外壳上部。为了保持密闭性能，凸形密封板6和隔水层11可采用硅胶等略带弹性的隔水材料。

装置的工作流程为：工作开始前，外壳2内被N条中空的隔板5分割为N+1个等体积的分割空间，底板3由于弹簧4的拉力，由凸形密封板6与外壳2形成密闭空间，水流通过进水口1进入装置后，由于隔板5下部和延伸片7上存在通孔，外壳2顶部存在排气孔，因此平均分布到各个由隔板5形成的分割空间中，随着水位高度的不断升高，弹簧4的弹力不再足以支撑密闭空间内所有水的重力及底板3自身重力的总和反作用于弹簧4的力，底板3一侧的凸形密封板6下沉，与外壳2之间出现缝隙，当开合到一定程度，固定绳8伸直，无法继续开合，但延伸片7仍处于隔板5内。由此，装置内不同分割空间中的水分别流出，并通过利用外部装置或管路引流，使其分别流向不同区域，此时可用收集装置分别进行收集。每个收集装置内的径流体积分别是流出的总体积的1/N。当水流溢出一定量后，弹簧4的弹力大于空间内所有水的重力及底板3自身重力的总和反作用于弹簧4的力，底板3重新密闭，水流不再溢出。装置内的水位重新升高，升高至一定高度，底板3重新打开，进入下一个循环。由此周而复始，进入装置的水流被分为N分进行收集，但单个收集装置收集到的仍为整场水流的混合水样，大大减少了径流收集装置的大小。

由于在水流出的过程中，可能由于震动使水流不稳定地跳跃，因此设定延伸片7的高度设置标准为：当外壳2与隔板5间的开合角度最大时，延伸片7仍处于隔板5内。此时，使水在流出过程中，不同密闭空间内被完全阻隔。

作为延伸片7的一种优选方式，如图7所示，延伸片7包括扇形部701和延伸部702两部分，扇形部701的扇形圆心为底板3及外壳2的铰接线与延伸片7所在平面的交点，半径为该圆心到对面外壳2侧壁的最短距离，延伸部702位于隔板5内部。此时，在底板3开合过程中，延伸片7能够始终保持在隔板5内部，并且可以根据实际需要，设定延伸部702的面积大小或形状，尽量减少或增大其与隔水层11间的摩擦，调整使底板能产生开合的内部水位高度。

如图9所示，作为限位装置的一种优选方式，限位装置采用无弹性的限位绳8，延伸片7与外壳2内顶部通过限位绳8相连，限位绳8长度大于外壳2内顶部到凸形密封板6内表面的垂直距离，但其伸展到最大长度时，需保证延伸片7与隔板5不完全分离但外壳2底部与凸形密封板6之间出现能使径流流出的空隙。

如图8所示，作为限位装置的另一种优选方式，限位装置采用T型凸块，T型凸块设置于延伸片7顶部，隔板5内的隔水层11位于T型凸块下方两侧并夹紧T型凸块下部，用于同时起密闭隔水和限制T型凸块下滑位移的作用。T型凸块下方的延伸片7长度应满足：当T型凸块被隔水层11卡住时，外壳2底部与凸形密封板6之间出现能使径流流出的空隙。

弹簧4的作用是在装置内没有水的情况下，使装置保持密闭，而装置内水位上升到一定高度时，打开装置进行排水。弹簧的一端固定于底板3上，由于底板3一侧铰接固定，因此底板、弹簧形成了一个可半开合的结构。弹簧的弹力、底板3自身重力、水的重力形成了一个杠杆形式的受力体系。因此弹簧4的弹力设置标准为：外壳2与底板3形成的密闭空间内没有水时，该状态下弹簧4的弹力大于等于底板3自身重力反作用于弹簧4上的力，使该状态下底板3与外壳2呈密闭状态。即采样器内部没有径流水时，弹簧4的弹力能使该状态下外壳2底部与凸形密封板6契合并呈不透水密闭状态。而当外壳2与底板3形成的密闭空间内注入高度为H的水时，该状态下弹簧4的弹力小于密闭空间内所有水的重力及底板3自身重力的总和反作用于弹簧4的力，使底板3与外壳2呈打开状态，其中H>0，即装置中有一定的水位高度。即当采样器内部注入高度为H的水时，使外壳2底部与凸形密封板6呈打开状态，供径流水流出。事实上，由于延伸片7与隔板5之间由于隔水层的紧密接触，还存在摩擦力。但是在径流量大时，由于这样的摩擦力相对于水的重力及底板3自身重力来说很小，因此几乎可以忽略不计。H大于0即可，但实际使用过程中，H接近于0会导致外壳2底部与凸形密封板6一直处于开合的临界状态，难以保证径流的分离效果。作为优选实施方式，H介于密闭空间高度的1/5~2/3之间时，该装置方才运行较为流畅，且径流的分隔更加准确。

在实际使用时，尽管上述装置已经能够实现径流分隔。但径流流出后直接用管道进行相接并不容易，很有可能使其重新混合。因此如图5所示，可以再可开合一侧的底板3上设有N块与所述的隔板5相对应的引流片9。引流片9设置于延伸片7的延长面上，用于将不同的密闭空间内流出的水流隔开，防止相互混合。引流片9设置于外壳2外部，且当外壳2底部与凸形密封板6闭合时，引流片9一侧与外壳2贴合。当底板打开时，相邻密闭空间之间仅剩下外壳2的壳体厚度所占的缝隙和通孔，尽量减少两者空间内的水样混合的可能性。此时，可在引流片9所围成的区域内进行径流收集工作。

但在上述的引流片9设置下，外壳2的壳体厚度所占的缝隙实际上还是可能有微量的径流混合，在径流总量较大时，该误差较小；但当径流总量不大时，该误差会导致较大的影响。因此在此基础上，如图10所示，本发明设计了一种隔断措施：在所述的隔板5上部与引流片9的上部通过弹性绳12相连，在由隔板5、引流片9和弹性绳12三者围成的多边形上设置防水膜13，使水流无法通过该多边形。弹性绳12可采用皮筋等，防水膜13可采用HDPE膜。防水膜13的边界为隔板5、引流片9和弹性绳12三者围成的多边形，但实际面积可大于该多边形，使其收缩较为容易。

同理，由于在隔板5与延伸片7底部均设置了通孔，因此在径流流出过程中，通孔也会允许径流混合，其主要会对径流量较小时产生误差。因此，作为一种改进措施，隔板5与延伸片7上的通孔设置标准为：仅在外壳2底部与凸形密封板6密闭契合时连通，其余时间均处于错位状态。隔板5与延伸片7上的通孔应尽量设置于靠近凸形密封板6处，使在径流量较小时，不同密闭空间内的径流仍能充分平分，提高径流分隔的精度。

基于上述的装置，本发明还提出了一种使用该采样器采集农业面源污染径流样品的方法，具体步骤如下：

首先，将目标径流收集口与本采样器的进水口1相连，将采样器水平悬空架设并使进水口1低于目标径流收集口；当径流未发生时，利用弹簧4的弹力使外壳2底部与凸形密封板6密闭契合，且通孔连通左右密闭空间；当径流通过进水口1输入采样器时，利用通孔将径流平均分布至各个密闭空间中；当采样器中径流累积至弹簧4的弹力无法维持外壳2底部与凸形密封板6密闭契合时，底板3与凸形密封板6沿铰接轴转动，使设置于隔板5与凸形密封板6底部的通孔处于错位状态，阻止各密闭空间内的水流相互流动；同时利用延伸片7的扇形部701和延伸部702保证延伸片7始终处于隔板5内部，径流通过外壳2底部与凸形密封板6间的缝隙流出；流出过程中，利用弹性绳12的弹力始终使防水膜13贴紧外壳2底部，从而隔离引流片9两侧的径流；最终，利用引流片9将采样器中不同密闭空间内的径流样品引流至目标位置进行收集，实现径流均分的目的。

另外，值得注意的是，底板在第一次打开后，即使随着径流流出，弹簧弹力将底板重新拉向闭合状态，但由于开合时的惯性，内部径流有充足的时间流出。在实际测试过程中的结果表明：由于不同分割空间的底板的开合是统一的，因此其水流量基本保持一致。本发明为了测试该装置的径流分隔效果，将结合上述优选方案的装置用于实际的稻田径流收集工作。该径流试验场中设有大型径流收集池，在试验场一侧安装本装置。本装置限位装置采用限位绳，其余部分均同上述一致并结合了各个优选实施方式。内部空间采用9块隔板分隔为个独立的密闭空间，装置体积仅为普通纸箱大小。实际对12场降雨径流进行了监测，与大型径流收集池之间的误差在4.3%~14%之间。考虑到田间测量过程实际存在的误差，该精度已经完全能够满足试验所需。

Claims (8)

1. 一种用于收集农业面源污染径流样品的采样器，其特征在于，包括进水口（1）、外壳（2）、底板（3）、弹簧（4）、隔板（5）、凸形密封板（6）和延伸片（7），进水口（1）设置于外壳（2）上，外壳（2）底部一侧与底板（3）铰接，底板（3）上设有与外壳（2）底部相契合的凸形密封板（6），用于与外壳（2）配合使采样器内部形成不透水的密闭空间；外壳（2）内部均匀设有N条中空的隔板（5），其中N≥1；当底板（3）与外壳（2）合拢时，隔板（5）的上下两端分别连接外壳（2）内顶部和凸形密封板（6）内表面，将外壳（2）平均分割成N+1个等体积的独立空间；凸形密封板（6）上固定有N片延伸片（7），延伸片（7）对应地插入隔板（5）内，延伸片（7）与隔板（5）的内面之间填充有隔水层（11）；外壳（2）内顶部和凸形密封板（6）内表面之间通过弹簧（4）相连；隔板（5）与延伸片（7）底部均设有通孔，以连通两侧密闭空间；延伸片（7）与隔板（5）之间设有用于限制底板（3）与外壳（2）开合角度的限位装置；

所述的延伸片（7）的高度设置标准为：当外壳（2）与隔板（5）间的开合角度最大时，延伸片（7）仍处于隔板（5）内；

所述的弹簧（4）的弹力设置标准为：采样器内部没有径流水时，弹簧（4）的弹力能使该状态下外壳（2）底部与凸形密封板（6）契合并呈不透水密闭状态；且当采样器内部注入高度为H的水时，使外壳（2）底部与凸形密封板（6）呈打开状态，供径流水流出，其中H介于所述的密闭空间高度的1/5~2/3之间。

2.如权利要求1所述的用于收集农业面源污染径流样品的采样器，其特征在于所述的延伸片（7）包括扇形部（701）和延伸部（702）两部分，扇形部（701）的扇形圆心为底板（3）及外壳（2）的铰接线与延伸片（7）所在平面的交点，半径为该圆心到对面外壳（2）侧壁的最短距离，延伸部（702）位于隔板（5）内部。

3.如权利要求2所述的用于收集农业面源污染径流样品的采样器，其特征在于所述的限位装置采用无弹性的限位绳（8），延伸片（7）与外壳（2）内顶部通过限位绳（8）相连，限位绳（8）长度大于外壳（2）内顶部到凸形密封板（6）内表面的垂直距离，但其伸展到最大长度时，需保证延伸片（7）与隔板（5）不完全分离但外壳（2）底部与凸形密封板（6）之间出现能使径流流出的空隙。

4. 如权利要求2所述的用于收集农业面源污染径流样品的采样器，其特征在于所述的限位装置采用T型凸块，T型凸块设置于延伸片（7）顶部，隔板（5）内的隔水层（11）位于T型凸块下方两侧，用于同时起密闭隔水和限制T型凸块下滑位移的作用，T型凸块下方的延伸片（7）长度应满足：当T型凸块被隔水层（11）卡住时，外壳（2）底部与凸形密封板（6）之间出现能使径流流出的空隙。

5. 如权利要求1所述的用于收集农业面源污染径流样品的采样器，其特征在于，可开合一侧的底板（3）上设有N块与所述的隔板（5）相对应的引流片（9），引流片（9）设置于外壳（2）外部，且当外壳（2）底部与凸形密封板（6）闭合时，引流片（9）一侧与外壳（2）贴合，引流片（9）与延伸片（7）设置于同一平面上，用于将不同的密闭空间内流出的水流隔开，防止相互混合。

6. 如权利要求5所述的用于收集农业面源污染径流样品的采样器，其特征在于所述的隔板（5）上部与引流片（9）的上部通过弹性绳（12）相连，在由隔板（5）、引流片（9）和弹性绳（12）三者围成的多边形上设置防水膜（13），使水流无法通过该多边形。

7. 如权利要求1所述的用于收集农业面源污染径流样品的采样器，其特征在于，每个所述的密闭空间顶部的外壳（2）上均设有排气孔；设置于隔板（5）与延伸片（7）底部的通孔仅在外壳（2）底部与凸形密封板（6）密闭契合时连通，其余时间均处于错位状态。

8. 一种使用如权利要求1所述的采样器采集农业面源污染径流样品的方法，其特征在于，具体步骤如下：

首先，将目标径流收集口与本采样器的进水口（1）相连，将采样器水平放置并使进水口（1）低于目标径流收集口；当径流未发生时，利用弹簧（4）的弹力使外壳（2）底部与凸形密封板（6）密闭契合，且通孔连通左右密闭空间；当径流通过进水口（1）输入采样器时，利用通孔将径流平均分布至各个密闭空间中；当采样器中径流累积至弹簧（4）的弹力无法维持外壳（2）底部与凸形密封板（6）密闭契合时，底板（3）与凸形密封板（6）沿铰接轴转动，使设置于隔板（5）与凸形密封板（6）底部的通孔处于错位状态，阻止各密闭空间内的水流相互流动；同时利用延伸片（7）的扇形部（701）和延伸部（702）保证延伸片（7）始终处于隔板（5）内部，径流通过外壳（2）底部与凸形密封板（6）间的缝隙流出；流出过程中，利用弹性绳（12）的弹力始终使防水膜（13）贴紧外壳（2）底部，从而隔离引流片（9）两侧的径流；最终，利用引流片（9）将采样器中不同密闭空间内的径流样品引流至目标位置进行收集，实现径流均分的目的。