CN106768076B - 深海全剖面流体采集及环境监测装置 - Google Patents
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Abstract
深海全剖面流体采集及环境监测装置，涉及深海流体采集与环境监测。设有浮力系统、上下监测单元、上下采样单元、上下马达转子、通讯承重光缆、供电单元、声学释放器和重力基座；所述上监测单元和下监测单元设于浮力系统下方，上监测单元和下监测单元的各参数探头开口均设于上采样单元和下采样单元垂直方向的中部并配备数据存储装置，上监测单元、上采样单元、下监测单元和下采样单元通过通讯承重光缆相连接，上采样单元设在上马达转子上，下采样单元设在下马达转子上，上马达转子和下马达转子通过通讯承重光缆与供电单元连接，通讯承重光缆上设有通讯接口，供电单元设于下马达转子下方，声学释放器设于供电单元与重力基座之间。
Description
技术领域
本发明涉及深海流体采集与环境监测，尤其是涉及深海全剖面流体采集及环境监测装置。
背景技术
在现代海洋化学调查研究、海底极端环境探测和各种矿产资源的勘探开发过程中，常常需要对海水全剖面的多环境参数(例如温度、盐度、pH、Eh，以及不同气体，包括氧气、甲烷、硫化氢和二氧化碳的浓度等)进行连续监测和水体样品的定点、定时采集。传统上，可有如下几种方法：1)甲板采水测试，利用配备采水器的常规CTD(如Seabird911plus)，在甲板设置好层位后从接近海底位置以水文绞车带动采样仪器向上垂直运动，在设定的位置定点采水和进行CTD参数采集；2)利用深海锚系装置，在不同层位设置固定传感器(或传感器组合)进行参数采集；3)利用ROV或AUV等水下智能机器人进行分层定点采样和环境参数采集。
目前，上述方法各有其优缺点。概括而言，这些方法仍存在如下不足：1)不能解决采样时在水体剖面上的层间扰动或混合，因为利用CTD采水器和ROV与AUV等手段采样，无论上从上往下还是从下往上采集，都不可能用时过长，因此会不可避免地发生层间水体扰动和混合，导致所采取的水样及环境参数与实际失真；2)无法解决样品采集和环境参数监测的瞬时对比。除了深海锚系装置、CTD采样器打水采样、ROV以及AUV分层采集和测试均不能解决在某一精确时间点层间样品采集和环境参数的可对比性。而深海锚系装置可以解决环境参数在精确时间点的对比，但却不能进行某一时间同时采样；3)三种方法均不能解决在某一时间尺度(如一周内)海水全剖面上不同层位在不同时间的样品采集和多环境参数观测等更加复杂的调查目标；4)由于可能存在的海流、母船漂移以及智能机器人操作的原因，方法(1)和(3)无法精确保证所采集的样品和监测的参数处于一个垂直的剖面上。因此，当前急需研制一种能解决以上不足，并可适应于海水化学取样观测以及极端环境(海底冷泉和热液)羽状流分层取样和监测的仪器装备，以更好地进行海水化学领域的研究、热液金属硫化物矿床以及天然气水合物资源勘探和开发监测。
发明内容
本发明的目的在于提供深海全剖面流体采集及环境监测装置。
本发明设有浮力系统、上监测单元、下监测单元、上采样单元、下采样单元、上马达转子、下马达转子、通讯承重光缆、供电单元、声学释放器和重力基座；所述上监测单元和下监测单元设于浮力系统下方，上监测单元和下监测单元的各参数探头开口均设于上采样单元和下采样单元垂直方向的中部并配备数据存储装置，上监测单元、上采样单元、下监测单元和下采样单元通过通讯承重光缆相连接，上采样单元设在上马达转子上，下采样单元设在下马达转子上，上马达转子和下马达转子通过通讯承重光缆与供电单元连接，通讯承重光缆上设有通讯接口，供电单元设于下马达转子下方，声学释放器设于供电单元与重力基座之间。
所述浮力系统可采用浮球，所述上监测单元和下监测单元可采用多参数传感器组监测单元，所述多参数传感器组包括溶解氧探头、pH探头、Eh探头、CTD探头、气体浓度探头等，所述气体浓度探头包括甲烷浓度探头、硫化氢浓度探头和二氧化碳浓度探头等；所述上采样单元和下采样单元可采用采样瓶，所述采样瓶可采用12个8L Niskin采样瓶，12个8LNiskin采样瓶呈梅花状锚定于通讯承重光缆上；所述上采样单元和下采样单元可为两头开口，上采样单元和下采样单元可设有自动关闭装置，当上马达转子和下马达转子被触发时，自动关闭装置可立即关闭，将该层位的水体捕获于密闭仓体中；所述声学释放器可采用两台并联，以增加仪器回收的安全性。
12个8L Niskin采样瓶放置在连接马达转子上，马达转子按时间间隔不同(如1小时、12小时或1天、1周不等)可设置12个时间点，到达设定时间时，自动触发关闭装置，然后采集水体，然后电机转子进入下一个时间点的待采状态，依次类推，最多可采相同层位的不同时间点的12瓶。为保证在同一时间点不同层位的水体特征的监测，每一层的转子的起始时间点和采样步长都统一设置。
对可选配置的多种探头(包括溶解氧、pH计、Eh计、CTD以及各种气体探头)都做小型化和模块化插拔处理，并且实现统一供电，数据由同一面板显示。实时监测数据按统一时间步长采集，采集好的数据存储于通信电缆上的储存单元中。通讯承重光缆的长度根据研究目的和观测位置的水深设置，如离底100m、200m或者全剖面等不同层级。整个系统的供电电池按6～12个月的工作周期配置。
本发明可应用于现代海洋化学调查、海底金属硫化物资源勘探、常规油气泄漏以及海域天然气水合物勘探与监测。
本发明具体可应用于现代热液硫化物区热液羽状流、冷泉甲烷羽状流以及海底油气泄漏的全剖面分层采样，水体温度、盐度、pH、Eh和气体浓度等多环境参数的原位监测和不同层位水体样品的定点、定时采样。
本发明利用改进的锚系装置，分层集成了常规CTD采水器以及各种传感器，实现了海水化学调查和各种羽状流的分层瞬时采集和多环境参数监测；同时，利用每一层位配备马达转子的方法，来保证每一层位实现了不同时间海水样品的连续、同步采集。有效避免了传统方式在深海观测和采样上不能同时进行且环境参数单一的弊端，且可对一定时间尺度内的水体时空变化情况精确观测，降低了对母船的依赖。这种装置对于海底各种羽状流(含常规油气泄漏)的水体样品的采集、海底矿产资源的勘探与开发以及海洋化学的综合研究具有重要的创新意义和实用价值。
附图说明
图1为本发明实施例的结构组成示意图。
具体实施方式
以下实施例将结合附图对本发明作详细的说明。
参见图1，本发明实施例设有浮力系统1、上监测单元21、下监测单元22、上采样单元31、下采样单元32、上马达转子41、下马达转子42、通讯承重光缆5、供电单元6、声学释放器7和重力基座8；所述上监测单元21和下监测单元22设于浮力系统1下方，上监测单元21和下监测单元22的各参数探头开口均设于上采样单元31和下采样单元32垂直方向的中部并配备数据存储装置，上监测单元21、上采样单元31、下监测单元22和下采样单元32通过通讯承重光缆5相连接，上采样单元31设在上马达转子41上，下采样单元32设在下马达转子42上，上马达转子41和下马达转子42通过通讯承重光缆5与供电单元6连接，通讯承重光缆5上设有通讯接口，供电单元6设于下马达转子42下方，声学释放器7设于供电单元6与重力基座8之间。
所述浮力系统1可采用浮球，所述上监测单元21和下监测单元22可采用多参数传感器组监测单元，所述多参数传感器组包括溶解氧探头、pH探头、Eh探头、CTD探头、气体浓度探头等，所述气体浓度探头包括甲烷浓度探头、硫化氢浓度探头和二氧化碳浓度探头等；所述上采样单元31和下采样单元32可采用采样瓶，所述采样瓶可采用12个8L Niskin采样瓶，12个8L Niskin采样瓶呈梅花状锚定于通讯承重光缆5上；所述上采样单元31和下采样单元32可为两头开口，上采样单元31和下采样单元32可设有自动关闭装置，当上马达转子41和下马达转子42被触发时，自动关闭装置可立即关闭，将该层位的水体捕获于密闭仓体中；所述声学释放器7可采用两台并联，以增加仪器回收的安全性。
对可选配置的多种探头(包括溶解氧、pH计、Eh计、CTD以及各种气体探头)都做小型化和模块化插拔处理，并且实现统一供电，数据由同一面板显示。实时监测数据按统一时间步长采集，采集好的数据存储于通信电缆上的储存单元中。通讯承重光缆的长度根据研究目的和观测位置的水深设置，如离底100m、200m或者全剖面等不同层级。整个系统的供电电池按6～12个月的工作周期配置。
本发明是一种锚定式海水全剖面流体采集及环境装置，通过在不同位置预留接口处加挂Niskin采样单元和各种原位监测传感器，可实现定点、定时、长期、持续的采样与观测。在母船甲板装配好各层位的采水和监测单元，设置采水器的采样时间间隔，和各传感器的数据采集时间间隔后，利用吊机将投放，重力基座首先进入目标海底，然后按安全投放速度使各组成单元在剖面上依次展开。按预先计算好的重量配置浮球，使整个锚定装置在剖面上位于垂直方向，系统正式开始工作。
在仪器工作过程中，所有采样和原位监测单元通过承重通讯光纤相连接，电池统一供电，按设定好的时间间隔，在每一层的马达转子的激发下，该层位的Niskin采样单元按同一时刻定时采样，由于采样单元两端开口，采样瓶内外水体很容易达到平衡，这可保证每个层位的Niskin采样单元在瞬时获得全剖面每一层位的水样。然后马达转子进入下一个采样瓶的待采状态，如此反复。根据采样周期和研究目标的不同，可在Niskin采样单元上设置一个试剂仓，预装稀酸、氯化汞或者其它水体处理试剂，当转子触发采样关闭开关时，同时触发试剂仓释放装置，使按采样瓶容量计算后预留的试剂释放到采样瓶体内，以达到杀菌或酸化的目的，使水样得到有效保存。
监测单元为成熟的CTD、pH值和Eh值以及各种气体(溶解氧、甲烷、硫化氢与二氧化碳)等传感器的集成，并做到模块化插拔，以求达到自由组合。其监测探头设置于Niskin采样瓶在垂向的中心处，保证采样瓶中水样的深度能和多环境参数监测指标在深度上匹配。监测过程中，传感器的采样频率要小于采水器的采样频率，但应该将采水器的采样频率设置为传感器采样频率的整数倍数，以保证数据使用过程中的可匹配性。采集到的数据存储在监测模块自带的存储单元里。
一个工作周期结束后，声学释放器接受甲板上的指令，自动脱钩，抛弃重力基座，上部整套装置上浮到预定位置，以母船回收。按不同层位采集Niskin采样瓶中的水，采样瓶盖上预留硅胶接口，以保证利用注射器穿刺式获取采样单元内气体样品。然后，从存储器中读取采集的监测数据。一个目标区海水全剖面的样品采集和监测周期即告完成。
Claims (6)
1.深海全剖面流体采集及环境监测装置，其特征在于设有浮力系统、上监测单元、下监测单元、上层采样单元、下层采样单元、上马达转子、下马达转子、通讯承重光缆、供电单元、声学释放器和重力基座；所述上监测单元和下监测单元设于浮力系统下方，上监测单元和下监测单元的各参数探头开口均设于上层采样单元和下层采样单元垂直方向的中部并配备数据存储装置，上监测单元、上层采样单元、下监测单元和下层采样单元通过通讯承重光缆相连接，上层采样单元设在上马达转子上，下层采样单元设在下马达转子上，上马达转子和下马达转子通过通讯承重光缆与供电单元连接，通讯承重光缆上设有通讯接口，供电单元设于下马达转子下方，声学释放器设于供电单元与重力基座之间；所述上层采样单元和下层采样单元为两头开口；
所述上层采样单元和下层采样单元采用采样瓶，并设有自动关闭装置；当上马达转子和下马达转子被触发时，自动关闭装置可立即关闭，将该层位的水体捕获于密闭仓体中；
所述采样瓶采用12个8L Niskin采样瓶，12个8L Niskin采样瓶呈梅花状锚定于通讯承重光缆上；12个8L Niskin采样瓶放置在连接马达转子上，马达转子按时间间隔不同可设置12个时间点，到达设定时间时，自动触发关闭装置，然后采集水体，然后电机转子进入下一个时间点的待采状态，最多可采相同层位的不同时间点的12瓶；为保证在同一时间点不同层位的水体特征的监测，每一层的转子的起始时间点和采样步长都统一设置；利用每一层位配备马达转子的方法，实现了不同时间海水样品的连续、同步采集；
在Niskin采样瓶上设置一个试剂仓，预装水体处理试剂，当转子触发采样关闭开关时，同时触发试剂仓释放装置。
2.如权利要求1所述深海全剖面流体采集及环境监测装置，其特征在于所述浮力系统采用浮球。
3.如权利要求1所述深海全剖面流体采集及环境监测装置，其特征在于所述上监测单元和下监测单元采用多参数传感器组监测单元。
4.如权利要求3所述深海全剖面流体采集及环境监测装置，其特征在于所述多参数传感器组包括溶解氧探头、pH探头、Eh探头、CTD探头、气体浓度探头。
5.如权利要求4所述深海全剖面流体采集及环境监测装置，其特征在于所述气体浓度探头包括甲烷浓度探头、硫化氢浓度探头、二氧化碳浓度探头。
6.如权利要求1所述深海全剖面流体采集及环境监测装置，其特征在于所述声学释放器采用两台并联。
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