CN105424562B - 一种水体颗粒物沉降与沉积过程的原位试验装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种水体颗粒物沉降与沉积过程的原位试验装置及方法，包括支撑机构以及安装在支撑机构上的沉降颗粒物捕集器，沉降颗粒物捕集器为上端敞口下端封闭的桶状结构，沉降颗粒物捕集器包括由上至下形成的入口区、沉降区和沉积区，沉积区的侧壁上设置有多个高度不同的取样孔，入口区和沉积区内设置有多种监测探头。本发明能够满足对水体中颗粒物沉积过程的长期跟踪观测和实时信息采集，保证沉降与沉积过程稳定，可避免外部水动力或其他因素扰动对沉积过程的干扰，防止已捕获的沉降颗粒因其他条件再次悬浮。能够形成不同时期颗粒物的沉积分层效果，能够在不破坏沉积分层结构的前提下，获得沉降颗粒物捕集器中不同沉积层的颗粒物。

Description

一种水体颗粒物沉降与沉积过程的原位试验装置与方法

技术领域

本发明属于生态环境领域，具体涉及一种水体颗粒物沉降与沉积过程的原位试验装置与方法，应用于水库、湖泊、海洋等水体的环境地球化学与生物地球化学的野外采样与原位试验研究。

背景技术

水体的颗粒物主要来自水体自身产生的颗粒物(浮游生物及其排泄物和残骸)、大气颗粒物的沉降、陆源及上游颗粒物的输入以及沉积物的再悬浮等。

在水库、湖泊、海洋等水体中，水体颗粒物将因水体流速减缓在重力作用下逐渐沉降并在水库库底或湖泊底部沉积下来。经年累月，带有重要环境信息不同时期沉降物将逐渐下沉积累，形成了具有分层特征的水库库底或湖泊底部的底泥沉积层。掌握水体中颗粒物沉降与沉积过程，是掌握水体C、N、P等元素以及其他环境污染物质迁移转化过程的重要方面，对研究水库、湖泊等的生态环境变化等具有重要意义。

传统研究通常采集一定长度的底泥垂直泥柱，获得底泥垂向剖面上的分层环境特征，并通过各种指标的测试分析工作(如稳定同位素、生物残体等)反演分析不同沉降年代的环境信息。而在对颗粒物沉降观测中，则通常在水柱不同深度设置沉降桶，原位收集一定时间内的沉降物，并对沉降物进行物质分析。

但目前的研究存在4个方面的具体问题：

1)水动力扰动条件下，对底泥的泥柱采样和剖面分析并不能真实反映水体颗粒物的沉积过程。在水库、浅水湖泊等水体中，水动力扰动容易引起底泥再悬浮，尤其是在一些河道型水库中，较大的纵向流速将导致底部沉积物逐渐推移(推移质)，上述过程存在使得对底泥泥柱采样与分析结果难以真实反映水体颗粒物沉降与沉积过程，也难以反映相关环境信息。

2)对水体颗粒物沉降物捕集的时间通常为7～10天左右。因捕集时间过短，仅能反映特定时段沉降物的颗粒信息，无法反映不同时段(如不同季节)颗粒物沉降过程的分层环境信息。

3)若延长时间(半年或一年)或沉降颗粒含量相对较多，尽管沉降桶内能够形成特定实际的沉积层特征，但目前对捕集沉降物的处理通常为混合、滤水后开展物质检测分析，故显著破坏了不同时期颗粒物的分层沉积特征。

4)在沉降桶内的颗粒物沉积、压实过程中，环境理化性质改变(水温、溶解氧、pH值等)将促使不同沉积层颗粒物将发生明显的生物、化学转化过程，改变沉降颗粒物的物质组成特征。这对掌握颗粒物沉降与沉积过程的形态变化及其生物地球化学过程具有重要意义，但目前的沉降桶及其原位试验设计中并未能够实现对上述过程的观测。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种水体颗粒物沉降与沉积过程的原位试验装置，满足长时间沉降物收集需要。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明技术方案如下：

一种水体颗粒物沉降与沉积过程的原位试验装置，包括支撑机构以及安装在支撑机构上的沉降颗粒物捕集器，所述沉降颗粒物捕集器为上端敞口下端封闭的桶状结构，所述沉降颗粒物捕集器包括由上至下形成的入口区、沉降区和沉积区。

沉降颗粒物捕集器固定于支撑机构上，使用时，整个支撑机构固定于水柱中，并能够依靠自身重力和特定的安装方式维持垂直状态。一个支撑机构上可设置有多个沉降颗粒物捕集器。

作为优选：所述沉积区的侧壁上设置有多个高度不同的取样孔。

因沉降物捕获收集后通常为泥水混合物，即便是通过长时间重力压实，含水率依然较高，流动性也相对较好。基于此，对不同沉积区泥水混合物采样，采用连接蠕动泵的取样管连接至取样孔，在不破坏其他沉积层的下，自上而下吸取不同高度泥水混合物。

作为优选：所述沉积区直径小于入口区直径，入口区直径小于沉降区直径；所述入口区长度小于沉降区长度，沉降区长度小于沉积区长度。入口区、沉降区、沉积区容积比例关系约为：1∶1.5∶1.5～1∶3.5∶3.5；沉降区和沉积区容积基本相等。并保证沉降颗粒物捕集器主体部分高度同入口区直径比例关系不小于10。

上述关系反映了三个区段的不同功能，即入口区仅沉降沉降物捕获功能，其直径小于沉降区，而沉降区采用较大直径，有利于在沉降区形成相对稳定的水利条件，确保具有较高的沉降速率。沉积区直径相对较小，但高度较大，容积相对较高，有利于在储存水体颗粒物的同时实现更清晰的沉积分层特征。

作为优选：所述沉降颗粒物捕集器由透明有机玻璃制成，所述沉降区和沉积区侧面均设有标尺。可以用以观测水体颗粒物沉降和沉积高度，估算总量，也可以用以设置不同高度的实时监测探头。

作为优选：还包括原位数据采集系统，所述原位数据采集系统包括设置于入口区和沉积区内对多种环境指标进行实时监测的监测探头。监测探头通常为水温、溶解氧、pH值等进行监测的多种。

作为优选：还包括密封安装在所述支撑机构上的数据储存装置和供电装置，所述数据储存装置与原位数据采集系统连接，供电装置为数据储存装置和原位数据采集系统供电。

所述的的数据储存装置，连同供电装置(如电池)固定于支撑机构下部，可作为原位试验装置的配重部分。全套供电装置与数据储存装置做好全防水密封，满足100m水深的防水要求，并能够保证1年以上的长期原位跟踪观测与数据存储。待完成全部原位试验后，采用计算机软件程序导出。

作为优选：所述入口区的监测探头位于沉降颗粒物捕集器入口处，低于沉降颗粒物捕集器入口1cm～2cm；避免水体中其他大颗粒物对探头造成的冲击损伤。所述沉积区的上层、中层、下层均设置有监测探头。

位于沉积区的监测探头固定于沉降颗粒物捕集器内部安装槽上，可在原位试验开始时设置不同的测试水层深度，也可以根据需求配置更多类型的实时监测探头(如电导率、ORP、浊度等)以捕获其他环境指标变化，或在沉积区设置更多的测试水层深度，反映沉降过程理化要素的改变。

作为优选：所述支撑机构包括上支撑板、下支撑板以及连接在上支撑板和下支撑板之间的支撑架，所述沉降颗粒物捕集器上部固定在上支撑板上，下部固定在下支撑板上，且沉降颗粒物捕集器为多个。多个沉降颗粒物捕集器可以并排设置于支撑机构上，便于同时采集多组数据。

作为优选：所述上支撑板、下支撑板上均设置有穿绳孔，便于使用时通过绳索固定在水面航标船或浮台上，所述支撑机构下部设置有配重结构。

本发明同时提供一种水体颗粒物沉降与沉积过程的原位试验方法，包括以下步骤：

(1)、制作原位试验装置并设置观测指标参数；(2)、将原位试验装置投放固定于水下指定水层深度，开始持续的颗粒物沉降捕集和沉积过程跟踪观测；(3)、回收原位试验装置，观测颗粒物沉降捕集器中沉积区的分层情况，自上而而下打开取样孔，根据研究需要，吸取不同沉积区的颗粒物样品进行分析；(4)、导出数据储存装置中的实时样品采集信息，根据数据序列变化和样品理化性质，对水体颗粒物沉降与沉积过程进行分析。

所述步骤(1)包括：1)根据现场条件，确定开展原位试验的持续时间，并初步估算持续时间内的颗粒物沉降总量，在此基础上确定沉积区高度和容积，并制作沉降颗粒物捕集器；2)将沉降颗粒物捕集器安装于支撑机构上，固定后，连接数据储存装置和供电装置，设置沉积区实时监测探头采集的深度范围，入口区实时监测探头位置位于入口处；设置实时观测指标的数据采集频次。

如上所述，本发明的有益效果是：

1、能够确保沉降与沉积过程稳定，可避免外部水动力或其他因素(如鱼类等)扰动对沉积过程的干扰。也能够防止已捕获的沉降颗粒因其他条件再次悬浮。

2、能够通过实时监测捕获沉积过程中的环境理化性质改变，进而支撑对颗粒物沉积过程理化条件发生变化的。

3、能够形成不同时期颗粒物的沉积分层效果，能够在不破坏沉积分层结构的前提下，获得沉降颗粒物捕集器中不同沉积层的颗粒物，获得更多的环境信息，满足研究需求。

4、装置的可操作性好；体积小、耐腐蚀能力强、质轻、便于携带、结构简单、安装方便，便于野外多点位多时段沉降物变化的实时测定；成本低廉，便于加工。

附图说明

图1为本发明原位试验装置的结构示意图；

图2为本发明沉降颗粒物捕集器的结构示意图；

图3为本发明入口区监测探头安装示意图；

图4为本发明入口区的俯视图；

图5为本发明沉积区监测探头安装示意图；

图6为本发明沉积区另一侧的示意图；

图7为本发明沉积区的俯视图；

图8为本发明原位试验装置的俯视图；

图9为本发明原位试验装置的仰视图；

图10为本发明中入口区与沉积区底部溶解氧变化过程示意图。

零件标号说明

1 入口区

2 沉降区

3 沉积区

4 过渡区

5 上支撑板

6 下支撑板

7 数据储存装置和供电装置

8 水温监测探头

9 溶解氧监测探头

10 pH值监测探头

11 探头电缆线

12 标尺

13 取样孔

14 穿绳孔

15 配重结构

16 绳索

17 支撑架

18 航标船

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

如图1和图2所示，一种水体颗粒物沉降与沉积过程的原位试验装置，包括支撑机构以及安装在支撑机构上的沉降颗粒物捕集器，本例中为3个沉降颗粒物捕集器，其他实施例中可以为1个或多个；沉降颗粒物捕集器为上端敞口下端封闭的桶状结构，沉降颗粒物捕集器包括由上至下形成的入口区1、沉降区2和沉积区3共三个区段。三个区段之间通过变口径的过渡区4相连接。

所述沉积区3直径小于入口区1直径，入口区1直径小于沉降区2直径；所述入口区1长度小于沉降区2长度，沉降区2长度小于沉积区3长度。入口区1、沉降区2、沉积区3容积比例关系约为：1∶1.5∶1.5～1∶3.5∶3.5；沉降区2和沉积区3容积基本相等。并保证沉降颗粒物捕集器主体部分高度同入口区1直径比例关系不小于10。入口区1仅沉降沉降物捕获功能，其直径小于沉降区2，而沉降区2采用较大直径，有利于在沉降区2形成相对稳定的水利条件，确保具有较高的沉降速率。沉积区3直径相对较小，但高度较大，容积相对较高，有利于在储存水体颗粒物的同时实现更清晰的沉积分层特征。

本例中整个沉降颗粒物捕集器主体部分总高度约1.5～2m。其中，入口区1直径约0.15～0.2m，高度为0.15～0.2m；沉降区2直径约为0.2～0.3m，高度约为0.3m，沉积区3直径约为0.1m，高度约为1.2～1.5m。三个区段间过渡段长度约为5cm。

如图3和图4所示，位于入口区1入口处，设置有用于监测水温、溶解氧、pH值三个指标的水温监测探头8、溶解氧监测探头9、pH值监测探头10。其探测头部设置在入口位置略低于沉降颗粒物捕集器桶口1～2cm处，避免水体中其他大颗粒物对探头造成的冲击损伤。探头电缆线11从入口区1一侧穿出并同位于装置底部的数据储存装置和供电装置7相互连接。

如图5至图7所示，沉积区3的上层、中层、下层设置均有对水温、溶解氧、pH值进行监测的水温监测探头8、溶解氧监测探头9、pH值监测探头10，三个监测探头固定在沉积区3内壁的安装槽上。探头电缆线11从入口区1一侧穿出并并同位于装置底部的数据储存装置(图中未示出)和供电装置7相互连接。其他实施例中，可以根据需求配置更多的实时监测探头，如电导率、ORP、浊度等，以捕获其他环境指标变化，或在沉积区3设置更多的测试水层深度，反映沉降过程理化要素的改变。

全套供电装置7与数据储存装置做好全防水密封，满足100m水深的防水要求，并能够保证1年以上的长期原位跟踪观测与数据存储。待完成全部原位试验后，采用计算机软件程序导出。

沉积区3另一侧，设置有标尺12，并在不同深度处设置有取样孔13，待样品收集完毕后，可自上而下通过插入取样管并用蠕动泵收集不同沉积层的样品。

如图8和图9所示，所述支撑机构包括上支撑板5、下支撑板6，上支撑板5、下支撑板6之间中心处焊接有等高的、有一定机械强度的不锈钢支撑架17，三个相同的沉降颗粒物捕集器固定集成在上支撑板5和下支撑板6之间。支撑机构下部设置有配重结构15，连同数据储存装置和供电装置7共同形成装置底部的配重。所述上支撑板5和下支撑板6上均设置有穿绳孔14。绳索16通过上支撑板5、下支撑板6的穿绳孔14，固定于水面航标船18或浮台等，实现对水下的沉降颗粒的捕集。其中的配重结构15为配重块等。

本发明同时提供一种基于上述原位试验装置的原位试验方法，具体实施步骤包括：

1)根据现场条件，确定开展原位试验的持续时间(通常为半年至一年)，并初步估算持续时间内的颗粒物沉降总量(根据前期经验观测结果推算)，在此基础上确定沉积区3高度和容积，以满足试验要求。加工沉降颗粒物捕集器。

2)将沉降物捕集装置安装于支架上，固定后，连接数据储存装置和供电装置7。设置沉积区3实时监测探头采集的深度范围，一般可位于沉积区3底层、中层、上层各2个。入口区1实时监测探头位置位于入口处，略低于沉降物收集桶桶口约1cm～2cm。设置实时观测指标的数据采集频次，如每2小时一次，或更高的采集频率。

3)现场调试无误后，将整个原位试验装置投放固定于水下特定水层深度，开始持续的颗粒物沉降捕集和沉积过程跟踪观测。若有特定试验需求，则可以考虑将整个沉降颗粒物捕集器中灌满去离子水后，平稳放到特定水层进行颗粒物捕集。

4)回收原位试验装置，观测沉降颗粒物捕集器中沉积层的分层情况，根据不同分层情况，自上而下打开取样孔13，根据研究需要，吸取不同沉积层的颗粒物样品进行分析。

5)导出数据储存装置中的实时样品采集信息，根据数据序列变化和样品理化性质，对水体颗粒物沉降与沉积过程进行分析。

本发明不仅能够满足长时间沉降物收集需要，而且能够对不同时期沉降物沉积过程的理化参数(水温、溶解氧、pH值等)进行实时跟踪观测，并对不同沉积层颗粒物进行沉积物样品捕集与分析。

实施例

根据上述发明，采用一套原位试验装置在长江三峡库区某水域开展了原位试验观测。其中，三组沉降颗粒物捕集器高度均为2.0m，集成固定于支撑机构形成一套完整的沉降颗粒物捕集装置。其中，入口区1直径为0.15m，高度为0.2m；沉降区2直径为0.3m，高度为0.3m；沉积区直径为0.1m，高度为1.5m。

沉降颗粒物捕集器内入口区段和沉降区段设置有水温、溶解氧两种实时监测探头，沉降区的探头设置1套，位于装置底部。采集数据采集频率为每24小时一次，装置释放时间为3个月(6月～8月)，共90天时间，期间为汛期，水体中悬浮颗粒物为全年最高水平。

试验结果发现：

1)试验期间，沉降颗粒物捕集器内沉积区收集沉降颗粒总高度约为28.6cm，体积约为2246cm³(沉积区截面积约为78.5cm²)，烘干后干重约为2898g，计算后总悬浮颗粒物(TSS)沉降通量约为1822g/m²·d。

2)三组试验入口区的水温、溶解氧变化趋势均相同，90天的变化过程见图10。三组试验沉积区的水文、溶解氧变化趋势均相同。但同入口区相比，水温变化不大，但溶解氧呈显著下降趋势。说明在沉积过程中，将可能出现有机质降解而在底部呈现显著的氧消耗状态。

3)对28.6cm的沉积区进行分为2层取样，一组样品距离底部5cm，另一组样品距离底部20cm，取样后进行测试分析发现，两个沉积层的颗粒物理化指标出现显著变化，位于底层的颗粒物有机氮含量(PN)显著低于上层颗粒物，但底层颗粒物有机碳含量(POC)则高于上层颗粒物。沉积的颗粒物在沉降桶底部呈现出逐渐降解、矿化的过程，同溶解氧变化趋势一致。

任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (8)

1.一种水体颗粒物沉降与沉积过程的原位试验装置，其特征在于：包括支撑机构以及安装在支撑机构上的沉降颗粒物捕集器，所述沉降颗粒物捕集器为上端敞口下端封闭的桶状结构，所述沉降颗粒物捕集器包括由上至下形成的入口区、沉降区和沉积区；所述沉积区直径小于入口区直径，入口区直径小于沉降区直径；所述入口区长度小于沉降区长度，沉降区长度小于沉积区长度；所述沉积区的侧壁上设置有多个高度不同的取样孔。

2.根据权利要求1所述的一种水体颗粒物沉降与沉积过程的原位试验装置，其特征在于：所述沉降颗粒物捕集器由透明有机玻璃制成，所述沉降区和沉积区侧面均设有标尺。

3.根据权利要求1所述的一种水体颗粒物沉降与沉积过程的原位试验装置，其特征在于：还包括原位数据采集系统以及密封安装在所述支撑机构上的数据储存装置和供电装置，所述原位数据采集系统包括设置于入口区和沉积区内对多种环境指标进行实时监测的监测探头，所述数据储存装置与原位数据采集系统连接，供电装置为数据储存装置和原位数据采集系统供电。

4.根据权利要求3所述的一种水体颗粒物沉降与沉积过程的原位试验装置，其特征在于：所述入口区的监测探头位于沉降颗粒物捕集器入口处，低于沉降颗粒物捕集器入口1cm～2cm；所述沉积区的上层、中层、下层均设置有监测探头。

5.根据权利要求1所述的一种水体颗粒物沉降与沉积过程的原位试验装置，其特征在于：所述支撑机构包括上支撑板、下支撑板以及连接在上支撑板和下支撑板之间的支撑架，所述沉降颗粒物捕集器上部固定在上支撑板上，下部固定在下支撑板上，且沉降颗粒物捕集器为多个。

6.根据权利要求5所述的一种水体颗粒物沉降与沉积过程的原位试验装置，其特征在于：所述上支撑板、下支撑板上均设置有穿绳孔，所述支撑机构下部设置有配重结构。

7.一种水体颗粒物沉降与沉积过程的原位试验方法，其特征在于：

包括以下步骤：

(1)、制作如权利要求1-6任意一项所述的原位试验装置并设置观测指标参数；

(2)、将原位试验装置投放固定于水下指定水层深度，开始持续的颗粒物沉降捕集和沉积过程跟踪观测；(3)、回收原位试验装置，观测颗粒物沉降捕集器中沉积区的分层情况，自上而下打开取样孔，根据研究需要，吸取不同沉积区的颗粒物样品进行分析；

(4)、导出数据储存装置中的实时样品采集信息，根据数据序列变化和样品理化性质，对水体颗粒物沉降与沉积过程进行分析。

8.根据权利要求7所述的一种水体颗粒物沉降与沉积过程的原位试验方法，其特征在于：所述步骤(1)包括：1)根据现场条件，确定开展原位试验的持续时间，并初步估算持续时间内的颗粒物沉降总量，在此基础上确定沉积区高度和容积，并制作沉降颗粒物捕集器；2)将沉降颗粒物捕集器安装于支撑机构上，固定后，连接数据储存装置和供电装置，设置沉积区实时监测探头采集的深度范围，入口区实时监测探头位置位于入口处；设置实时观测指标的数据采集频次。