CN107389384B - 一种海洋单管时间序列沉积物捕获器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种海洋单管时间序列沉积物捕获器，包括样品收集筒、样品接收管、用于定时分隔位于样品接收管内不同时段内所收集的沉积物的时间序列层片分离器、以及能够使得样品收集筒和样品接收管在海水中保持竖直状沉浮的浮力装置；所述样品收集筒是由圆柱状筒体和圆锥状筒体上下连接一体而成；以减少海洋潮流和湍流带出已进入的颗粒物。本发明有效采集海洋垂直沉降沉积物，更接近真实垂直通量；采用层片分隔时间序列沉积物样品，并根据需求通过增加层片来提高采集时间分辨率，可高效采集大量时间序列沉积物样品，同时成本较现有商业化沉积物捕获器有显著降低；采用电机驱动旋转轴控制触发特制层片，可显著降低功耗，减轻设备体积和重量。
Description
技术领域
本发明属于海水化学沉积颗粒物样品采集领域，适用于潮汐变动较大的近海河口海洋中按时间间隔原位采集沉降颗粒物而设计的单管捕获器，具体涉及一种海洋单管时间序列沉积物捕获器。
背景技术
海水中缓慢沉降的大于0.45μm的有机无机颗粒物统称为沉积物，主要来自海洋浮游植物颗粒，浮游动物尸体和排泄物、陆源碎屑等。海水中沉积物是鱼类和底栖生物的主要食物来源，是反映上层海洋输出生产力和效率的重要材料，也是研究气候变化和近海生态系统耦合响应的关键载体。如何在海洋中有效采集时间序列沉积物样品是开展海洋渔业和生态科学研究的基础。
在海洋中，传统沉积物捕获器设计是利用一定体积和开口的高密度聚合物材料的漏斗形或圆柱形收集筒，配合时间序列采样瓶采集特定深度的沉降颗粒物。具体方案是：收集筒下方安装一个与筒中心线垂直的圆形转盘，转盘下方一圈旋紧固定一系列开口向上采样瓶，瓶中充满固定剂。漏斗下方开口对准某个起始采样瓶，设置一定时间间隔，则该间隔内沉降的沉积物将经漏斗收集于特定采样瓶中，下一瓶旋转至开口处，继续收集下一时间间隔内沉降沉积物。整个沉积物捕获器系统常被连接在锚系上，固定至特定位置和深度。而随潮汐往复会发生摆动使开口倾斜，影响沉积物通量计算；另一方面，近海潮流会使底部泥沙产生再悬浮，卷入收集筒内造成垂直通量和来源的偏差；此外，在漏斗形收集筒上方的湍流易将沉积物带出，从而影响沉降通量。因此，对沉积物样品有效、准确、无干扰的采集，是沉积物捕获器应用所必须攻克的难题之一，而沉积物捕获器结构设计和采集方式，将大大影响样品采集代表性和效率，进而影响通量计算的准确性。是亟待解决的两个关键环节。
目前国内外商业化沉积物捕获器基本为转盘式，造价昂贵(如Mclane、Hydrobios、NGK等品牌)，且多用于长时间固定锚系中，采样准确性存有争议。尤其在近海潮汐复杂、渔业活动频繁的环境，并未有合适的漂浮沉积物捕获器使用报道。
发明内容
为了解决上述的技术问题，克服现有沉积物捕获器结构和采样技术不足，本发明提供一种可以定水层采集沉降颗粒物、结构简易、有效间隔不同时间序列样品的海洋单管时间序列沉积物捕获器。垂直沉降沉积物可有效进入该捕获器，不受潮汐和湍流的干扰，达到长期收集时间序列沉积物的目的。它可以定时封存已采集的样品，可结合浮球、定位装置以易于系统回收，并且样品易于取出处理，操作方便。
为了达到上述的目的，本发明采用了以下的技术方案：
本发明提供一种海洋单管时间序列沉积物捕获器，包括样品收集筒、样品接收管、用于定时分隔位于样品接收管内不同时段内所收集的沉积物的时间序列层片分离器、以及能够使得样品收集筒和样品接收管在海水中保持竖直状沉浮的浮力装置；所述样品收集筒是由圆柱状筒体和圆锥状筒体上下连接一体而成；圆柱状筒体内部直径为25cm，其内径和筒高比例为1：4，这样以减少海洋潮流和湍流带出已进入的颗粒物。
所述时间序列层片分离器设置在样品收集筒内，样品收集筒的圆锥状筒体向下与样品接收管相连通；在样品收集筒的圆锥状筒体侧壁上设置有用于释放充满在样品收集筒内海水的泄水阀；便于在回收时，可旋开泄水阀释放样品收集筒内海水，减少操作重量。
用于采集沉降物并使得沉降物流入样品收集筒内的蜂窝盖板封盖在样品收集筒的圆柱状筒体顶端口；在样品收集筒外部靠顶端位置上设置有用于配合连接缆绳、浮球等连接装置的连接扣环；这样根据水深需要选取一定长度绳索，以保持样品收集筒呈竖直状并漂浮于海水特定层位中，同时有利于整体装置在海上布放和回收。
所述蜂窝盖板是由多个六边形网格沿着纵向以及横向依次并排连接而成的蜂窝网状盖板，其中：蜂窝盖板中的每个六边形结构边长为2cm，边厚度为0.1cm，蜂窝网状盖板整体为可拆卸设计，完全覆盖于圆柱状筒体顶端筒口，这样能大幅减少湍流对沉降通量的影响，同时防止较大体积的海洋游泳动物或垃圾进入。
浮力装置设置在样品收集筒外部位上，用于将本发明一种海洋单管时间序列沉积物捕获器整体呈竖直状漂浮于海水中；浮力装置采用包环状耐压浮力材料，所需体积经浮力和重力权衡计算后可得。
所述样品接收管包括样品接收内衬管、样品接收外套管和锥形底盖，所述样品接收内衬管和样品接收外套管依次从内到外封装一体，锥形底盖位于样品接收管的底端且分别与样品接收内衬管、样品接收外套管连接成一体；
样品接收外套管为不锈钢圆柱体状，内径7.3cm，高度为100cm；其上端与样品收集筒的圆锥状筒体连接，其下端开放且设有内螺纹，与锥形底盖之间通过螺纹旋紧连接。
所述样品接收内衬管的内径6.7cm、外径7.1cm，高度为105cm，其下端被锥形底盖托底和固定，取出存有样品的内衬管时先旋松锥形底盖，并连同样品接收内衬管一起缓慢抽出。
所述锥形底盖是由不锈钢圆柱体和锥体结合，内径7.3cm，总高度8cm；其上端圆柱体开放，高度4cm，设有外螺纹可与样品接收外套管的内螺纹配合相连；锥形底盖底部密封，高度4cm，以阻挡和固定样品接收内衬管和样品。
其中：位于本发明整体装置下部的样品接收管采用聚碳酸酯材料，锥形底盖采用不锈钢材料；这样可保持位于本发明整体装置上部的样品收集筒竖直向上，漂浮在海洋特定水层采样。也可以垂直固定在大型支架上，布放在海底特定位置收集样品。
作为优选的：所述浮力材料是采用密度0.25～0.4g cm-3的固体中空玻璃微珠聚合而成，根据整体重量和海水密度计算，选取一定体积，以维持捕获器整体浮力和重力平衡，垂直漂浮于水中。
作为优选的：时间序列层片分离器通过三个不锈钢制支撑板固定安装在样品收集筒的圆柱状筒体内；其中：不锈钢制支撑板的厚度为0.2cm；圆柱状筒体内部直径为25cm，高100cm，圆锥状筒体的高度为50cm；圆锥状筒体下端部与样品接收套管相连接；时间序列层片分离器的外径为8cm，其顶端采用锥形的圆柱体设计；这样以防止颗粒物积累在时间序列层片分离器上，影响收集效率。
作为优选的：所述层片分离器上下划为用于封装定时器和电机的电机仓以及用于存储并定时间隔释放层片的层片仓，在层片仓内设置有旋转轴、压缩弹簧、两排止动导轨、多块层片A、多块层片B，其中：层片A与层片B沿着旋转轴上下相互间隔排列；在旋转轴末端设置有能够根据需要间隔性地抵挡以及间隔性地向下释放层片A/层片B的挡块；
在每块层片A上设置有与旋转轴末端挡块间隙配合的通孔A，以及在层片A侧边沿上开设有能够沿着止动导轨上下滑动配合的止动槽A；这样在将旋转轴末端上的挡块旋转到适当角度，位于挡块上面的层片A能够向下通过旋转轴末端挡块的通孔A并落入样品收集筒的圆锥状筒体，最终到达样品接收管以间隔样品；
在每块层片B上设置有与旋转轴末端挡块间隙配合的通孔B，以及在其侧边沿上开设有能够沿着止动导轨上下滑动配合的止动槽B；这样在将旋转轴末端上的挡块旋转到适当角度，位于挡块上面的层片B能够向下通过旋转轴末端挡块的通孔B并落入样品收集筒的圆锥状筒体；层片A上的通孔A与层片B上的通孔B之间上下并排并形成90°的夹角。
具体地：所述层片(层片A或者层片B)为圆环形状，为不锈钢材料外包聚碳酸酯涂层，其外径为6.5cm、平均厚度为0.2cm、边缘一圈厚度为0.5cm，以增加进入样品接收内衬管内后的稳定性，利于分隔不同样品。层片A上的通孔A、层片B上的通孔B均为矩形孔；层片A上的通孔A与其止动槽A所在的延长线处于同一条中轴线上，层片B上的通孔B与其止动槽B所在的延长线相互垂直；在层片仓内壁设计有两条对称竖直的宽0.3cm、厚0.2cm的止动导轨，与每块层片A上的止动槽A、层片B上的止动槽B相咬合；这样以防止在层片(层片A或者层片B)释放前在层片仓内随着旋转轴转动。
作为优选，样品接收管内可预先存满NaCl和HgCl2溶液，其浓度分别达到68g/L和6.6g/L，一方面使溶液密度比环境海水大，保持垂直姿态，另一方面阻止样品微生物和浮游生物生长，达到一年以上长期采集和保存样品目的。
作为优选，所述挡块采用条形杆或者一字形杆。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明由于采用了以上的技术方案，可以有效采集海洋垂直沉降沉积物，更接近真实垂直通量；采用层片分隔时间序列沉积物样品，并根据需求通过增加层片来提高采集时间分辨率，可高效采集大量时间序列沉积物样品，同时成本较现有商业化沉积物捕获器有显著降低；采用电机驱动旋转轴控制触发特制层片，可显著降低功耗，仅需几节电池即可满足长时间工作，同时减轻设备体积和重量。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的俯视图；
图3是本发明的仰视图；
图4是本发明中时间序列层片分离器结构示意图；
图5A和图5B分别是本发明中层片结构俯视、纵切面示意图；
图6是本发明中底部锥形旋盖俯视和纵切面图；
附图标注：1、连接环；2、蜂窝盖板；3、浮力装置；4、时间序列层片分离器；5、分离器支撑架；6、样品收集筒；61、圆柱状筒体；62、圆锥状筒体；7、泄水阀；8、样品接收外套管；9、样品接收内衬管；10a、层片A；10b、层片B；11、锥形底盖；12、电机仓；13、定时器和步进电机；14、旋转轴；15、压缩弹簧；16、止动导轨；17、挡块；18、层片仓；19a、止动槽A；19b、止动槽B；20a、通孔A；20b、通孔B。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做一个详细的说明。
如图1～图6所示，本发明提供一种海洋单管时间序列沉积物捕获器的具体实施例，包括样品收集筒6、样品接收管9、用于定时分隔位于样品接收管内不同时段内所收集的沉积物的时间序列层片分离器4、以及能够使得样品收集筒6和样品接收管9在海水中保持竖直状的浮力装置3；所述样品收集筒6是由圆柱状筒体61和圆锥状筒体62上下连接一体而成；圆柱状筒体61内部直径为25cm，其内径和筒高比例为1：4，这样以减少海洋潮流和湍流带出已进入的颗粒物。所述时间序列层片分离器4设置在样品收集筒6内，样品收集筒6的圆锥状筒体62向下与样品接收管相连通；在样品收集筒6的圆锥状筒体62侧壁上设置有用于释放充满在样品收集筒6内海水的泄水阀7；便于在回收时，可旋开泄水阀7释放样品收集筒6内海水，减少操作重量。用于采集沉积物并使得沉积物穿过样品收集筒6内的蜂窝盖板2封盖在样品收集筒6的圆柱状筒体61顶端口；在样品收集筒6外部靠顶端位置上设置有用于配合连接缆绳、浮球等连接装置的连接扣环1；这样根据水深需要选取一定长度绳索，以保持样品收集筒6呈竖直状并漂浮于海水特定层位中，同时有利于整体装置在海上布放和回收。
如图2和图3所示：所述蜂窝盖板2是由多个六边形网格沿着纵向以及横向依次并排连接而成的蜂窝网状盖板，其中：蜂窝盖板2中的每个六边形结构边长为2cm，边厚度为0.1cm，蜂窝网状盖板整体为可拆卸设计，完全覆盖于圆柱状筒体61顶端筒口，这样能大幅减少湍流对沉降通量的影响，同时防止较大体积的海洋游泳动物或垃圾进入。
如图1所示：浮力装置3设置在样品收集筒6外部位上，用于将本发明一种海洋单管时间序列沉积物捕获器整体呈竖直状漂浮于海水中；浮力装置3采用包环状耐压浮力材料，所需体积经浮力和重力权衡计算后可得。所述样品接收管包括样品接收内衬管9、样品接收外套管8和锥形底盖11，所述样品接收内衬管9和样品接收外套管8依次从内到外封装一体，锥形底盖11位于样品接收管的底端且分别与样品接收内衬管9、样品接收外套管8连接成一体；其中：样品接收外套管8为不锈钢圆柱体状，内径7.3cm，高度为100cm；其上端与样品收集筒6的圆锥状筒体62连接，其下端开放且设有内螺纹，与锥形底盖11之间通过螺纹旋紧连接。所述样品接收内衬管9的内径6.7cm、外径7.1cm，高度为105cm，其下端被锥形底盖11托底和固定，取出存有样品的收集衬管时先旋松锥形底盖11，并连同样品接收内衬管9一起缓慢抽出。所述锥形底盖11是由不锈钢圆柱体和锥体结合，内径7.3cm，总高度8cm；其上端圆柱体开放，高度4cm，设有外螺纹可与样品接收外套管8的内螺纹配合相连；锥形底盖11底部密封，高度4cm，以阻挡和固定样品接收内衬管9和样品。位于本发明整体装置下部的样品接收管采用聚碳酸酯材料，锥形底盖11采用不锈钢材料；这样可保持位于本发明整体装置上部的样品收集筒竖直向上，漂浮在海洋特定水层采样。也可以垂直固定在大型支架上，布放在海底特定位置收集样品。
其中：所述浮力材料是采用密度0.25～0.4g cm-3的固体中空玻璃微珠聚合而成，根据整体重量和海水密度计算，选取一定体积，以维持捕获器浮力和重力平衡，垂直漂浮于水中。
如图2所示：时间序列层片分离器4通过三个不锈钢制支撑板5固定安装在样品收集筒6的圆柱状筒体61内；其中：不锈钢制支撑板5的厚度为0.2cm；时间序列层片分离器4的外径为8cm，其顶端采用锥形的圆柱体设计；这样以防止颗粒物积累在时间序列层片分离器4上，影响收集效率。圆柱状筒体61内部直径为25cm，高100cm，圆锥状筒体的高度为50cm；圆锥状筒体下端部与样品接收套管相连接；
如图4和图5A、5B所示：所述层片分离器4上下划为用于封装定时器和电机13的电机仓12以及用于存储并定时间隔释放层片的层片仓18，在层片仓18内设置有旋转轴14、压缩弹簧15、两排止动导轨16、多块层片A10a、多块层片B10b，其中：层片A10a与层片B10b沿着旋转轴14上下相互间隔排列；在旋转轴14末端设置有能够根据需要间隔地抵挡以及向下释放层片A10a/层片B10b的挡块17；在每块层片A10a中心位置上设置能够向下通过旋转轴14末端挡块17的通孔A20a，以及在其侧边沿上开设有能够沿着止动导轨16上下滑动配合的两个止动槽A19a；在每块层片B10b中心位置上设置能够向下通过旋转轴14末端挡块17的通孔B20b，以及在其侧边沿上开设有能够沿着止动导轨16上下滑动配合的两个止动槽B19b；层片A10a上的通孔A20a与层片B10b上的通孔B20b之间呈上下相互垂直排列(即上下并排并形成90°的夹角)。其中：所述挡块17是采用条形杆或者一字形杆。
具体地：所述层片(层片A10a或者层片B10b)为圆环形状，为不锈钢材料外包聚碳酸酯涂层，其外径为6.5cm、平均厚度为0.2cm、边缘一圈厚度为0.5cm，以增加进入样品接收内衬管9内后的稳定性，利于分隔不同样品。层片A10a上的通孔A20a、层片B10b上的通孔B20b均为矩形孔；层片A10a上的通孔A20a与其止动槽A19a所在的延长线处于同一条中轴线上，层片B10b上的通孔B20b与其止动槽B19b所在的延长线相互垂直；在层片仓18内壁设计有两条对称竖直的宽0.3cm、厚0.2cm的止动导轨16，与每块层片A10a上的止动槽A19a、层片B10b上的止动槽B19b相咬合；这样以防止在层片(层片A10a或者层片B10b)释放前在层片仓18内随着旋转轴14转动。
所述样品接收管内可预先存满NaCl和HgCl2溶液，其浓度分别达到68g/L和6.6g/L，一方面使溶液密度比环境海水大，保持垂直姿态，另一方面阻止样品微生物和浮游生物生长，达到一年以上长期采集和保存样品目的。
具体使用过程中：起初，旋转轴14底端的挡块17和层片A10a中心通孔A20a方向互相垂直，层片A10a被挡块17挡住。当定时器触发步进电机驱动旋转轴14进行转动90°，使挡块17和通孔A20a重合时，此时层片A10a掉落，而层片B10b保持在层片仓18。当步进电机驱动旋转轴14再次转动90度，层片B10b掉落，而下一个层片A10a仍保持在层片仓18，如此重复。
其中：在层片A10a两侧止动槽A19a以及在层片B10b两侧止动槽B19b分别与层片仓18内的两根止动导轨16相咬合，防止层片A、层片B随同旋转轴14一起旋转。压缩弹簧15位于层片仓18顶部和位于最上层的层片(即层片A10a或者层片B10b)之间，以施加一定压力使层片易于释放。
沉积物样品不断沉降至所述收集筒6中，最终沉积在底部密封的样品接收内衬管9内，每隔一定时间，时间序列层片分离器4释放一个层片10a或层片10b，因重力作用掉落在所收集的沉积物上方并覆盖，此后接收内衬管9继续累积沉积物。如此重复，可得到不同时间间隔的样品，直至层片释放完毕，样品接收内衬管9中将有柱状且被层片(层片10a或层片10b)间隔的沉积物样品。甲板回收本发明海洋单管时间序列沉积物捕获器时，当垂直于船舷外时，打开泄水阀7，使上部海水流尽，以防倾倒而消耗样品或污染甲板。旋开位于整体装置底部的锥形底盖11，与样品接收外套管8分离，小心抽出样品接收内衬管9，即可得到沉积物样品。其中，样品收集筒6、样品接收内衬管9为聚碳酸酯材料，无生物毒性，锥形底盖11和样品接收外套管8为316号不锈钢材质，保持装置较低重心和较高耐海水腐蚀强度。
需要强调的是：以上仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (7)
1.一种海洋单管时间序列沉积物捕获器，其特征在于，包括用于收集或采集时间序列沉积物样品的样品收集筒(6)、用于接收采集时间序列沉积物样品的样品接收外套管(8)和样品接收内衬管(9)、用于定时分隔位于样品接收内衬管(9)内在不同时段内所收集的沉积物的时间序列层片分离器(4)、以及能够使得样品收集筒(6)和样品接收管在海水中保持竖直状沉浮的浮力装置(3)；
所述时间序列层片分离器(4)设置在样品收集筒(6)内，样品收集筒(6)向下与样品接收管相连通；在样品收集筒(6)侧壁上设置有用于释放充满在样品收集筒(6)内海水的泄水阀(7)；
在样品收集筒(6)的圆柱状筒体(61)顶端口设置有用于采集沉降物样品并使得沉降物样品流入样品收集筒(6)内的蜂窝盖板(2)，浮力装置(3)设置在样品收集筒(6)外部位上，用于将所述一种海洋单管时间序列沉积物捕获器整体呈竖直状漂浮于海水中；
所述样品接收管包括样品接收内衬管(9)、样品接收外套管(8)和锥形底盖(11)，所述样品接收内衬管(9)和样品接收外套管(8)依次从内到外封装一体，锥形底盖(11)位于样品接收管的底端且分别与样品接收内衬管(9)、样品接收外套管(8)连接成一体；
所述层片分离器(4)上下划为用于封装定时器和步进电机(13)的电机仓(12)以及用于存储并定时间隔释放层片的层片仓(18)，在层片仓(18)内设置有旋转轴(14)、压缩弹簧(15)、止动导轨(16)、多块层片A(10a)、多块层片B(10b)，其中：层片A(10a)与层片B(10b)沿着旋转轴(14)上下相互间隔排列；
在旋转轴(14)末端设置有能够根据需要间隔性地抵挡以及间隔性地向下释放层片A(10a)/层片B(10b)的挡块(17)；
在每块层片A(10a)上设置有与旋转轴(14)末端挡块(17)间隙配合的通孔A(20a)，以及在层片A(10a)侧边沿上开设有能够沿着止动导轨(16)上下滑动配合的止动槽A(19a)；
在每块层片B(10b)上设置有与旋转轴(14)末端挡块(17)间隙配合的通孔B(20b)，以及在其侧边沿上开设有能够沿着止动导轨(16)上下滑动配合的止动槽B(19b)；
层片A(10a)上的通孔A(20a)与层片B(10b)上的通孔B(20b)之间上下并排并形成90°的夹角；
所述挡块(17)采用条形杆或者一字形杆。
2.根据权利要求1中所述的一种海洋单管时间序列沉积物捕获器，其特征在于，所述样品收集筒(6)是由圆柱状筒体(61)和圆锥状筒体(62)上下连接一体而成，样品收集筒(6)的圆锥状筒体(62)向下与样品接收外套管(8)相连通。
3.根据权利要求1中所述的一种海洋单管时间序列沉积物捕获器，其特征在于，所述样品接收内衬管(9)采用聚碳酸酯材料，样品接收外套管(8)采用不锈钢材料，锥形底盖(11)采用不锈钢材料。
4.根据权利要求2中所述的一种海洋单管时间序列沉积物捕获器，其特征在于，所述时间序列层片分离器(4)通过三个不锈钢制支撑板(5)固定安装在样品收集筒(6)的圆柱状筒体(61)内。
5.根据权利要求1或2中所述的一种海洋单管时间序列沉积物捕获器，其特征在于，在样品收集筒(6)外部靠顶端位置上设置有用于配合连接缆绳、浮球的连接扣环(1)。
6.根据权利要求1、2或4中所述的一种海洋单管时间序列沉积物捕获器，其特征在于，所述蜂窝盖板(2)是由多个六边形网格沿着纵向以及横向依次并排连接而成的蜂窝网状盖板。
7.根据权利要求1、2或4中所述的一种海洋单管时间序列沉积物捕获器，其特征在于，所述浮力装置(3)为包环状耐压的浮力材料，该浮力材料是采用密度0.25～0.4gcm-3的固体中空玻璃微珠聚合而成。
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