CN106525492A - 悬移质泥沙在线浓缩采样装置 - Google Patents

Abstract

本发明悬移质泥沙在线浓缩采样装置，包括分离器、与分离器下部密封连通的收集过滤器，分离器中有分离锥段和带溢流导流锥的整流罩，分离锥段从上到下依次设置有第一倒圆锥形腔、第二倒圆锥形腔、第三倒圆锥形腔，整流罩位于第一倒圆锥形腔上部且溢流导流锥伸入第一倒圆锥形腔中并与分离锥段间装有密封，一端与水泵连接的进水压力管的另一端连接在分离器上相对第一倒圆锥形腔的位置并使水通过进水压力管沿第一倒圆锥形腔上部内壁圆周切线方向进入分离器。本发明装置可实现粒径小于63µm的水体低浓度悬移质泥沙的野外快速采集并浓缩制样，可用于水文及环境监测、水土保持及生态治理等泥沙研究相关领域的样品采集,可节省大量时间、人力、物力。

Description

悬移质泥沙在线浓缩采样装置

技术领域：

本发明涉及的是一种可实现水体低浓度悬移质泥沙(粒径小于63µm)的野外快速采集并可在现场浓缩制样，可同时满足积时采样和瞬时采样的双重需要的悬移质泥沙在线浓缩采样装置。

背景技术：

在河流中长期处于悬浮状态的悬移质泥沙(粒径小于63µm)既是污染物质迁移、转化的主要载体，又是泥沙不同来源区域的重要指示物。因而，悬移质泥沙的采集对于环境监测、水土保持等研究领域至关重要。

目前国内外泥沙采样装置可大致分为积时采样和瞬时采样两大类。

积时采样常用静置沉降的方法－在河流中放置体积足够大的容器（如塑料桶），沉入水底一段时间后取出。这种采样器结构简单，但泥沙采集效率很低，有时需要数月才能采集到足够样品。

瞬时采样常用离心沉降的方法－在河流中用泵抽取大量桶装水运到实验室后，用连续流离心机分离。连续流离心机不仅体积大、价格高昂，而且对动平衡条件要求很高，不能在野外使用。以三峡水库悬移质泥沙多年平均含量在0.5kg/m³～2.0kg/m³为例，若采集200g悬移质泥沙样品，则至少需要抽取100kg～400kg水，体积约合5～20桶装（容积20L）水。采集、运输、处理如此大量的水样，无疑是需要耗费大量人力、物力的。如果水体中悬移质泥沙浓度很低（如三峡库区清水期浓度低至100mg/L），对采水量估计不足，就不能取到足够的样品（如放射性核素测试要求样品质量在200g以上）以供研究。

发明内容：

本发明的目的是为了提供一种在粒径小于63µm的河流中悬移质泥沙样品的在线大流量采集，既满足积时采样的需要，又满足瞬时采样的需要的悬移质泥沙在线浓缩采样装置。

本发明的目的是这样来实现的：

本发明悬移质泥沙在线浓缩采集装置，包括分离器、与分离器下部密封连通的收集过滤器，分离器中有分离锥段和带溢流导流锥的整流罩，分离锥段从上到下依次设置有第一倒圆锥形腔、第二倒圆锥形腔、第三倒圆锥形腔，第三倒圆锥形腔的锥度大于第二倒圆锥形腔的锥度、第二倒圆锥形腔的锥度大于第一倒圆锥形腔的锥度，整流罩位于第一倒圆锥形腔上部且溢流导流锥伸入第一倒圆锥形腔中并与分离锥段间装有密封，一端与水泵连接的进水压力管的另一端连接在分离器上相对第一倒圆锥形腔的位置并使水通过进水压力管沿第一倒圆锥形腔上部内壁圆周切线方向进入分离器，溢流导流锥上连接有溢流管。

上述的分离器内的分离锥段中的第一倒圆锥形腔、第二倒圆锥形腔、第三倒圆锥形腔的锥度分别为3～7度、8～16度、20～28度。

上述的整流罩为上口直径16～33mm、下口直径10～22mm的中空圆柱形腔。

上述的溢流导流锥伸入第一倒圆锥形腔中的长度为第一倒圆锥形腔高度的50～70%。

上述的装置中与分离器上部密封相通的溢流导流锥与第一倒圆锥形腔内壁间成上大下小的环形腔。

上述的分离锥段体上相对第三倒圆锥形腔的位置有不同方向的切口。

上述的分离锥段体上相对第三倒圆锥形腔的位置有第一对水平切口、第二对斜切口、第三对斜切口。

上述的收集过滤器中有与分离器下部密封连接相通且位于水线以下的收集器、位于收集器底部的过滤装置，过滤装置中有与收集器连接的过滤桶、装于过滤桶内的滤筒，收集桶顶盖上装有法兰而底部装有带出水孔和中心孔的底盖，螺杆一端与螺母配合而另一端穿过底盖上的中心孔伸入过滤桶内螺纹固定在顶盖法兰上，便于拆装，清洗。

上述的滤筒中的滤芯采用工业滤芯，采用工业滤芯和大流量横式排水的方法，对浓缩后的含沙流体进行过滤，过滤多余的水通收集过滤桶的出水孔排出。

上述的进水压力管内有相通的入口锥段、入口直段。

本发明悬移质泥沙采样装置，应用水力旋流分离和过滤排水相结合的方法实现对水体中悬移质泥沙的高效收集浓缩。其工作原理是利用水沙两相存在密度差异，在作高速圆周运动时连续相（水）与间断相（泥沙颗粒）所受到的力（包括离心力、浮力、阻尼力、重力）不相同，在环形腔内出现间断相（泥沙颗粒）相对连续相（水）沿环形腔半径方向向外运动的现象，从而在环形腔内出现水沙的分层。这样就会形成两种基本的旋转液流： 一种是向下的外旋流，间断相颗粒随水流作圆周运动时一边做切线运动，同时沿径向向外运动到金属壁附近形成外旋流，相对高浓度的含沙水流逐渐进入到收集器中，再由过滤筒进一步分离，而收集在滤筒外壁上；另一种是向上的内旋流，密度相对小的水在径向内侧，在压差的作用下连续相水向上运动，由溢流导流锥及溢流管排出。

进水压力管的入口锥段与第一倒圆锥形腔组成第一锥段，它是水沙两相流初始条件设置段，入口锥段初步提高泵出口水流压力与速度，使泵输出功率达到泵的额定功率。而后在入口直段与第一倒圆锥与整流罩间环形腔共同作用下水流速度进一步提高，使水沙两相流在做圆周运动前达到最大速度，整流罩伸入第一倒圆锥形腔中的长度为分离器中第一倒圆锥形腔高度的50～70%，整流罩设计为可现场更换型号，尺寸可以调整，以提高对不同区域不同泥沙粒径的适应性，根据所采泥沙样品粒度分布范围(0—50μm，50—100μm)可选择使用不同规格的整流罩，进水压力管入口锥段水流速度分布情况有明显的加速过程。

第二倒圆锥形腔是第二锥段，是连续流水流分离段。因为水粘度形成的水分子之间的摩擦力导致的能量损失，设计时第二锥段锥体与第一锥段锥体相比锥度加大、旋转半径减少，使得流体流线上的切向速度基本不变，压力有减小的趋势。当旋转半径降低至某个数值时，在分离段内连续相流体形成负压区，此时，水在压力梯度作用下旋转上升至溢流倒流锥流体出口排出。同时，含沙水流中的泥沙颗粒在水流的带动下速度基本不变，旋转半径减少使泥沙颗粒受到更大的离心力，第二倒圆锥形腔的纵向长度设置使泥沙颗粒在第二倒圆锥形腔径向方向有足够的运动时长，水沙分离趋势更加明显，泥沙颗粒撞到锥体内壁而顺壁滑下，呈显著的旋转轨迹，表明通过该分离器悬移质泥沙与水实现了有效的分离。

第三倒圆锥形腔是第三锥段，是间断流固体颗粒分离段，经过第二锥段的水流在大的（约9600米/秒²）的加速度的推动下，固体颗粒已基本运动到靠近第三倒圆锥形腔壁的附近，因此第三锥段设计了不同方向上的切口，即用于改善和调整第三锥段内的压力分布，又使泥沙颗粒能更快地通过这些切口脱离向上的内旋流进入收集过滤器内，最大可能的避免细颗粒泥沙因压力扰动而出现逃逸。

切口位置的压力比较均匀地延续到整流罩边缘，负压在溢流导流锥内大面积出现，负压区延伸到第三锥段第三对斜切口附近且负压范围逐步减小，溢流导流锥内压力梯度变化不大，第二锥段内压力分布比较均匀，对泥沙颗粒的径向运动扰动不大。第三锥段切口外与下出口有正压分布，使含高浓度沙的水有足够的动力进入到下部的收集过滤器中。

收集过滤器（体积约1.5L）安装在分离器下部并设置有滤筒，用户可根据需要选取不同孔径的滤筒。滤筒的径向排水设计最大化了过滤面积，滤水量大，有利于悬移质泥沙的高效收集。此外，收集过滤器密封于水线以下，便于滤水后泥沙样品的浓缩及储存。

本发明装置不仅可满足河流中悬移质泥沙(粒径小于63µm)积时采样和瞬时采样的双重需要，且可野外在线收集、浓缩制样一次完成，采样量大可满足各类研究监测工作需要。本发明装置克服了现有采样技术的不足，不需要价格高昂的连续流离心机，现场即可处理大流量水样，且水沙分离率高达99%以上。本发明结构合理、无动力部件、安全高效，体积小、重量轻、便于携带，成本低、使用寿命长。可适用于应用于水体悬移质泥沙的快速在线采集并浓缩，降低采样难度及工作量，节省大量时间及人力。

附图说明：

图1为采样器整体剖面结构示意图。

图2为分离器剖面结构示意图。

图3为第一倒圆锥形腔与整流罩和进水压力管间的位置关系示意图。

图4为第三倒圆锥形腔上的切口位置示意图。

图5为收集过滤器剖面结构示意图。

图6为实验用泥沙粒度分布图。

图7为经采集装置采集的泥沙粒度分布图。

具体实施方式：

参见图1～图5，本实施例悬移质泥沙在线浓缩采集装置，包括带水泵的分离器1、与分离器下部密封连接连通的收集过滤器2。分离器中有分离锥段3和带溢流导流锥4的整流罩5。分离锥段从上到下依次设置有第一倒圆锥形腔6、第二倒圆锥形腔7、第三倒圆锥形腔8。整流罩位于第一倒圆锥形腔上部且溢流导流锥伸入第一倒圆锥形腔中并与分离锥段间有密封。一端与水泵连接的有入口锥段9—1和入口直段9—2的进水压力管9的另一端连接在分离器上相对第一倒圆锥形腔的位置并使水通过进水压力管沿第一倒圆锥形腔上部内壁圆周切线方向进入分离器。图1、图2中序号4—1为出水法兰。

参见图2，分离器内的分离锥段中的第一倒圆锥形腔、第二倒圆锥形腔、第三倒圆锥形腔的锥度A、B、C分别为7度、12度、24度。

参见图1、图2，整流罩为上口直径33m、下口直径22mm的中空圆柱形腔（或为上口直径16mm、下口直径10mm的中空圆柱形腔）。溢流导流锥伸入第一倒圆锥形腔中的长度为第一倒圆锥形腔高度的60%。与分离器上部密封相通的溢流导流锥与第一倒圆锥形腔内壁间成上大下小的环形腔。

参见图1、图2、图4，分离锥段体上相对第三倒圆锥形腔的位置有第一对水平切口8—1、第二对斜切口8—2、第三对斜切口8—3。

参见图1、图5，收集过滤器中有与分离器下部密封连接相通且位于水线以下的收集器10、位于收集器底部的过滤装置11。过滤装置中有与收集器连接的过滤桶12、装于过滤桶内的工业滤芯制成的滤筒13。过滤桶顶盖14上装有法兰15而底部装有密封圈12、带出水孔16—1和中心孔16—2的底盖16。位于过滤桶内的螺杆17的下端穿过底盖上的中心孔伸出底盖外后与螺母18螺纹连接而上端螺纹连接在顶盖法兰上，顶盖上有进水口14—1。

使用本发明装置时，参见图1，启动泵，进行采样并计时。根据进水浊度，选择适当取样时间。取样装置工作时，水通过连接在进水压力管上的软管进入分离器。含沙流体经分离锥段后泥沙向下旋转，沿切口进入到收集器中；而排出泥沙后的水在分离器中形成内旋向上通过溢流导流锥，最终由外接溢流软管排回河道。计时结束关闭泵，取出滤筒刮取滤筒外层的样品，并保留过滤桶内的浓缩液（注意不要倾倒浓缩液，否则会造成小微径泥沙样品损失），收集合并称重以减少样品损失。

本发明性能测试结果：

实验目的：

室内模拟长江上游三峡库区清水期、浑水期泥沙浓度，测量采样器的水沙分离率及采样速率(即单位时间内采集泥沙样质量)，验证采样器在低浓度悬移质泥沙条件下的收集效率。

实验原理：

1、采集三峡库区消落带新鲜落淤泥沙在40℃条件下风干过筛至63μm以下所得到的泥沙样品和所在区域的长江水样，室内模拟实验还原野外采样条件，向水中逐量添加泥沙样品量以控制水中的泥沙浓度（0.1 kg/m³－2.0kg/m³）来模拟清水期和浊水期情况。

2、配制不同泥沙浓度以(以kg/m³表示）溶液，分别测试泥沙溶液的浊度(NTU)，绘制浊度—浓度标准工作曲线，得到泥沙浊度与浓度的换算公式。

3、采样器采样速率测定：分别测试进水压力管的进水浊度、过滤桶出水孔处的的出水浊度，根浊度-浓度标准工作曲线将测试的浊度换算为泥沙浓度，计算采样器收集速率或采样速率（以g/h表示）。

采样速率（以g/h表示）＝(进水泥沙浓度-出水泥沙浓度) ×水样体积/采样时间。

4、采样器水沙分离率测定：分别测试进水压力管处的进水浊度、过滤桶出水孔处的的出水浊度，根据进水样、出水样浊度变化，计算水沙分离率（%）。

水沙分离率(%)＝(进水浊度-出水浊度)/进水浊度。

实验步骤：

（一）浊度—浓度标准曲线绘制实验：

配制浓度为0.01 kg/m³、0.05 kg/m³、0.1 kg/m³、0.2 kg/m³、0.3 kg/m³、0.5 kg/m³、1.0 kg/m³、2.0 kg/m³的溶液，用WGZ-1A(上海昕瑞仪表仪器有限公司生产)浊度仪测定其浊度，绘制浊度-浓度标准曲线。

（二）采样器性能测试：

1、取三峡库区消落带淤积泥沙样品研磨、过筛(粒径<63μm)。

2、分别称量15g、22.5g、37.5g、75g、150g泥沙样品倒入75L水槽中，加水稀释至泥沙浓度为0.2 kg/m³、0.3 kg/m³、0.5 kg/m³、1.0 kg/m³、2.0 kg/m³，搅拌均匀成悬浊液。

3、按上述具体实施方式安装采样器，启动泵并开始计时，分别在20min、40min、1h、2h时同时在采样器进水口、下出水孔取水样并测量浊度。

4、根据浊度-浓度标准曲线，将测量的浊度换算为泥沙浓度，分别计算，得到水沙分离率(%)、采集速率（g/h）。

实验结果：

室内模拟实验结果表示，本发明采样装置水沙分离率介于80%-100%间，平均值94%，最高可达99.9%。本发明采样装置采样速率介于20g/h-40g/h，平均值37g/h。上述室内模拟实验是在固定体积的水槽内用泵进行的内循环实验，在采样时段内水中泥沙浓度呈迅速降低的状态，随着水样中可供采集的泥沙质量锐减，采样速率呈降低趋势。而在野外采样时，水体悬移质泥沙的浓度是相对恒定的，所以实际野外采样效率高于本室内模拟实验结果。根据中国科学院成都山地灾害与环境研究所的试用结果：在三峡库区浊水期，泥沙浓度在2.0kg/m³-3.0 kg/m³间，野外采样速率高达50g/h以上。

图6为实验用泥沙粒度分布图。图7为经本采集装置采集的泥沙粒度分布图。从图中可看出：经本采集装置采集的实验用泥沙符合正态分布、粒度分布基本一致，说明本采集装置的泥沙样品具有代表性。

本发明应用情况：

与现有采样技术相比：1)采用静置沉降的方法用塑料桶或横式采样器在浊水期需要1—2月才能收集到样品，且不能保证收集到足量样品，甚至还有可能采不到样品，采样效率受河流水文变化影响大；2)采用离心沉降的方法，需要手工采样后回实验室用连续流离心机分离，手工采样工作量大，连续流离心机价格高昂、维护成本高，应用受限。静置沉降法只能应用于积时采样，手工采样、离心沉降的方法只能应用于瞬时采样。而本专利产品可满足积时采样和瞬时采样的双重需要。以长江上游三峡库区水体为例，悬移质泥沙多年平均含量在0.5～2.0kg/m³，若需取50g悬移质泥沙样品，则至少需要抽取25kg～100kg水。而使用本专利产品，现在仅需1h左右，降低了采样难度及工作量，大大节省了人力及时间。本装置不仅采集时间短、收集效率高，而且方便易携带、使用安全，结实耐用、价格低廉，有着良好的应用前景。

本发明悬移质泥沙在线浓缩采样装置高效安全，水沙分离率高达99%以上，采样器内部无动力构件安全、节能、环保；结构精巧耐用(全不锈钢或有机玻璃制，使用寿命长)，重量轻、便于携带(总重量不超过2kg，体积小、可手持) ；易操作、维护(全通透式设计，可直接用手拆装检查) ；价格低廉(成本控制在数千元) 。

上述实施例是对本发明的上述内容作进一步说明，但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于上述实施例。凡基于上述内容所实现的技术均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.悬移质泥沙在线浓缩采集装置，其特征在于包括分离器、与分离器下部密封连通的收集过滤器，分离器中有分离锥段和带溢流导流锥的整流罩，分离锥段从上到下依次设置有第一倒圆锥形腔、第二倒圆锥形腔、第三倒圆锥形腔，第三倒圆锥形腔的锥度大于第二倒圆锥形腔的锥度、第二倒圆锥形腔的锥度大于第一倒圆锥形腔的锥度，整流罩位于第一倒圆锥形腔上部且溢流导流锥伸入第一倒圆锥形腔中并与分离锥段间装有密封，一端与水泵连接的进水压力管的另一端连接在分离器上相对第一倒圆锥形腔的位置并使水通过进水压力管沿第一倒圆锥形腔上部内壁圆周切线方向进入分离器。

2.根据权利要求1所述的悬移质泥沙在线浓缩采集装置，其特征在于分离器内的分离锥段中的第一倒圆锥形腔、第二倒圆锥形腔、第三倒圆锥形腔的锥度分别为3～7度、8～16度、20～28度。

3.根据权利要求1或2所述的悬移质泥沙在线浓缩采集装置，其特征在于溢流导流锥为上口直径16～33mm、下口直径10～22mm的中空圆柱形腔。

4.根据权利要求1或2述的悬移质泥沙在线浓缩采集装置，其特征在于溢流导流锥伸入第一倒圆锥形腔中的长度为第一倒圆锥形腔高度的50～70%。

5.根据权利要求1或2所述的悬移质泥沙在线浓缩采集装置，其特征在于与分离器上部密封相通的溢流导流锥与第一倒圆锥形腔内壁间成上大下小的环形腔。

6.根据权利要求1或2所述的悬移质泥沙在线浓缩采集装置，其特征在于分离锥段体上相对第三倒圆锥形腔的位置有不同方向的切口。

7.根据权利要求6所述的悬移质泥沙在线浓缩采集装置，其特征在于分离锥段体上相对第三倒圆锥形腔的位置有第一对水平切口、第二对斜切口、第三对斜切口。

8.根据权利要求1或2所述的悬移质泥沙在线浓缩采集装置，其特征在于收集过滤器中有与分离器下部密封连接相通且位于水线以下的收集器、位于收集器底部的过滤装置，过滤装置中有与收集器连接的过滤桶、装于过滤桶内的滤筒，过滤桶顶盖上装有法兰而底部装有带出水孔和中心孔的底盖，螺杆一端与螺母配合而另一端穿过底盖上的中心孔伸入过滤桶内螺纹固定在顶盖法兰上。

9.如权利要求8所述的悬移质泥沙在线浓缩采集装置，其特征在于滤筒中的滤芯采用工业滤芯。

10.如权利要求1或2所述的悬移质泥沙在线浓缩采集装置，其特征在于进水压力管内有相通的入口锥段、入口直段。