CN107478458A - 三维时序矢量沉积物捕获器 - Google Patents

三维时序矢量沉积物捕获器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及三维时序矢量沉积物捕获器，包括基座，基座上设有捕获管，所述捕获管包括水流管与沉降管，所述水流管前端具有水平进水口，后端具有竖直向下的出水口，水流管内部设有向进水口倾斜的滤网，所述滤网内切于水流管；所述沉降管竖直固定在水流管下方，所述沉降管底部密封，顶端具有开口，所述开口与水流管连通、与滤网正对，滤网将流经水流管内大于滤网孔径的物质拦截，沉积堆叠到沉降管内。本发明可以随着海流动态收集海水中沉降颗粒，对海底环境的变化监测反应敏锐，准确。

Description

三维时序矢量沉积物捕获器
技术领域
本发明涉及海底沉降物采集捕获装置，具体涉及一种时序、矢量的沉积物捕获器。
背景技术
深海海底的沉降物对海洋生态学研究和深化采矿环境影响评价具有十分重要的意义。深海沉积物是海洋沉积作用形成的海底物质，包含大量的地质、生物信息，开展深海沉积物的类型与分布、搬运与动力过程、土工特性、微生物群落等调查研究，对于深海矿产资源环境评估和后期资源开采具有重要意义。传统的沉积物获取主要通过船舶地质绞车释放取样装置，在重力作用下触底后，放置一段时间，然后回收至海面，整个过程无法监控且结构笨重，一般只能获取大时间尺度内的十几个样品，通过搭载深海运载器进行海底采样，能够让科学家通过高清镜头或观察窗身临其境地对取样区域和数量进行选择，提高样品获取效率。但是科学家无法实时在取样地选择，而且也无法直观的获得实时的样品，这对于科研就存在断档、数据不连续的情况发生，会造成分析的偏差，偏差严重的话会造成研究无意义，浪费科研投入。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的之一是提供一种具有可以实现实时动态捕捉的海底任意方向沉积物采集捕获装置，目的之二是可以计算出任意时刻进入沉降管内的对应沉降管内沉降物的准确位置。最终可以获得不同方向、不同深度的海水中，沉积物含量随时间的动态变化过程，及其在各个时刻对应的沉积物样品。
本发明所采取的技术方案如下：
三维时序矢量沉积物捕获器，包括基座，基座上设有捕获管，所述捕获管包括水流管与沉降管，所述水流管前端具有水平进水口，后端具有竖直向下的出水口，水流管内部设有向进水口倾斜的滤网，所述滤网内切于水流管；所述沉降管竖直固定在水流管下方，所述沉降管底部密封，顶端具有开口，所述开口与水流管连通、与滤网正对，滤网将流经水流管内大于滤网孔径的物质拦截，沉积堆叠到沉降管内。
进一步的，所述沉降管开口处设有锥形导向面。
进一步的，所述沉降管外设有护管。
进一步的，所述出水口处设有第二过滤网。
进一步的，所述基座上设有挂环。
进一步的，所述基座上设有可拆卸的配重块，所述配重块均匀的分布在基座上。
进一步的，所述基座下部设有插针，所述插针均匀的分布在基座底部。
进一步的，所述进水口前端具有喇叭导向口。
进一步的，所述水流管内设有设有海流计、浊度计、高度计，所述高度计与沉降管开口正对。
一种任意时刻矢量沉积物计算方法，包括如下步骤：
(1)根据浊度计、流速计采集数据计算水流管内的沉积物含量：
①令捕获管进水口的截面积为S，沉降管的截面积为S’；
②设流速为V(d，D，t)、浊度为Tur(d，D，t)；则水流管内每一时刻流过的沉积物总量为：
Q(d，D，i)＝V(d，D，i)×S×Tur(d，D，i) (1)
其中：d为方向；D为深度；i为0到t内的任意时刻；
(2)假设流经水流管每一时刻的沉积物Q(d，D，i)全部进入沉降管累积；因此其沉积物在沉降管内所对应部分为从Hi-1到Hi，结合步骤(1)得到的沉积物总量，得到沉降管内沉积物的总量即：
(3)根据步骤一中的式(1)、步骤二中的式(2)、式(3)结合高程计采集的沉降管内沉积物高度的变化数据，即可得任意方向沉降管内的任意深度、任意时刻的沉积物样品，进行物理化学分析。
有益效果
本发明可以随着海流动态收集流经过水流管内海水中的沉降颗粒，对海底环境的变化监测反应敏锐，准确；并且无扰动，取样结果更加准确可靠。同时在本发明中还提供了矢量沉积物计算方法，可以实现任意方向、任意深度、任意时刻，流经水流管内的海水中的沉积物含量，进而可得该部分沉积物在捕获器中的对应所在的位置，以便可以针对性的获取样品，进行物理化学分析，利于试验分析。
附图说明
图1本发明捕获器的结构示意图一；
图2多个方向、多级深度的捕获器示意图；
图3本发明捕获器的结构示意图二；
图中：基座1，配重块11，插针12，喇叭导向口13，海流计14，浊度计15，高度计16；捕获管2，水流管21，进水口210，出水口211，滤网212，第二过滤网213；沉降管22，锥形导向面220，护管221。
具体实施方式
下面结合具体实施例及附图对本发明做进一步详细说明。
三维时序矢量沉积物捕获器，包括基座，基座上设有捕获管，所述捕获管包括水流管与沉降管，所述水流管前端具有水平进水口，后端具有竖直向下的出水口，水流管内部设有向进水口倾斜的滤网，所述滤网内切于水流管；所述沉降管竖直固定在水流管下方，所述沉降管底部密封，顶端具有开口，所述开口与水流管连通、与滤网正对，滤网将流经水流管内大于滤网孔径的物质拦截，沉积堆叠到沉降管内。
如图1所示，三维时序矢量沉积物捕获器，包括基座，基座上设有捕获管，捕获管包括水流管与沉降管，水流管前端具有水平进水口，后端具有竖直向下的出水口，水流管内部设有向进水口倾斜的滤网，滤网内切于水流管；沉降管竖直固定在水流管下方，沉降管底部密封，顶端具有开口，开口与水流管连通、与滤网正对，滤网将流经水流管内大于滤网孔径的物质拦截，沉积堆叠到沉降管内。
本发明的采集过程是：海水流动穿过水流管，海水中带有的颗粒物被滤网拦住，下落进入沉降管，沉降管内的沉降物随着时间累积，直至沉降管装满。本发明水流通道的进水口水平，出水口垂直指向地面，有效的保证了水流的方向，保证沉降管内的沉降物都是来自一个方向，并且不会有来自滤网后方水流干扰沉降物下落至沉降管内，数据采集准确率高。
在本发明中并不限定捕获管的数量，进水口的进水方向，通常都是根据需要采集的数据而而进行设定的；并且对于不同深度的海水沉降物采样，可以在一个方向设置多组高度不同的捕获管，如图2所示，在同一方向采集多组不同高度的沉降物样品，分析在不同海层中的的沉降物组成，利于分析海底环境，或是环境变迁的影响。
捕获器的水流管与沉降管的截面形状并不限定，在同一方向设置多个高低不同的捕获器时通常选择将水流管沉降管设定为方形(如图2所示)，在排列安装定位方面可以更加迅速。
在本发明中捕获器与基座之间的连接方式并不限定，可以是固定连接，回收的时候连带基座一同回收。但是有的时候在海底基座本身会沉降，因此回收困难，此时将捕获器与基座做成便于拆卸的形式，至于如何的连接方式在此不做限定，以便于固定和拆分为主。
在此提供一种捕获器与基座可拆卸的连接方式，在捕获器的的外壁底端设有横向轴孔，同样在基座上设有与之同轴的配合轴孔，通过固定销将捕获器固定到基座上，在回收时，如果基座沉降过多无法顺利收回，抽出固定销，将捕获器单独收回，至于轴孔与配合轴孔的数量在此不限定，以有效固定、利于拆洗为准。
在本发明中过滤网的目数不做限定，通常来说越细越好，这样采集的沉降物种类会比较丰富，但是过细的第一过滤网会容易堵塞不易水流通过，根据实际海域浑浊度以及采样分析的需要进行相应的调整。
同样的第一过滤网与捕获器口的倾斜角度并不限定，最好是与捕获器口形成锐角，可以有效保证收到第一过滤网阻拦的沉降物有效快速的落入沉降管内，提高采集效率。
进一步的，所述沉降管开口处设有锥形导向面。导向面的设定可以有效的保证沉积物顺利进入沉降管，而且导向面的设定可以增加滤网的尺寸，进而增加水流管的截面积，避免水流管与沉降管尺寸相差过大，避免了结构的不稳定。
进一步的，沉降管外设有护管。整体提高了捕获器的稳定性，护管的直径可以随意增减，形状与沉降管相同或是不同并不限定。如图1、图3所示，水流管与护管为一体结构，沉降管位于护管内部，沉降管与和水流管之间设有过渡的导向面。
进一步的，出水口处设有第二过滤网。出水口竖直向下，可以有效的阻止水流反向冲刷滤网，同时第二滤网可以阻止水流反向进入水流管后会进入沉降管的可能，进一步保证沉降管内的沉积物来自进水口方向的沉积物。
便于基座下潜，在基座上设有挂环。挂环是分安装在基座上的。
为了便于顺利安置基座，在基座上设有可拆卸的配重块，配重块均匀的分布在基座上。
配重块的重量、形状、数量在此不做限定，根据实际的使用情况进行设定。其均匀分布的位置根据捕获器的位置设定之后，进行再分配。
配重可以是与基座固定的连接方式，也可以是可拆卸的方式。通常来说如果海床本身质软容易发生沉降，将会吧基座与配重块设计为可拆卸的方式，在安置基座之后，将会将配重收回，防止增加配重块之后加速基座的沉降。
配重块的可拆卸方式在此不做限定，以便于安装、分离为主。如图**所示，提供了一种配重块与基座的安装分离的方式，在本实施例中在基座上设有竖直定位柱，在定位柱顶端设有销孔，相应的配重块上设有与定位柱配合的定位柱孔，配重块穿在定位柱上，长销轴穿过定位柱上的销孔，将配重块锁在基座上，当基座下降到固定位置后，抽离长销轴，通过配重块上的吊环将配重块与基座分离，将配重块收回，用于下次试样采集的投放用，节约资源。
利于基座的固定，在基座下部设有插针，插针均匀的分布在基座上。
插针的长度在此并不限定，根据实际的海床情况而进行相应的加长或是减短。插针可以设置为可伸缩结构或是不可伸缩结构在此不做限定。插针与基座的连接方式可以是焊接、螺栓连接或是卡接，在此不做限定。
比如，初步探测海床的沙石较多，沉降较少，基座回收会比较轻松，就可以选择插针与基座可拆卸的形式，如果初步探测基座在海床沉降的可能性较大，不利于回收，可拆卸的插针无意义，可以考虑直接焊接，降低工艺装配难度。
进水口前端具有喇叭导向口。喇叭导向口可以保证该高度的水流全部进入水流管，然后沉降到沉降管内。
水流管内设有设有海流计、浊度计、高度计，高度计与沉降管开口正对。
设置海流计、浊度计、高度计可以准确计算出进入沉降管内的沉积物数量，同时也可以对应沉积物在每一时刻位于沉降管内的位置，更加方便分析样品。
为了进一步校正沉积物的收集的准确度，可以在沉降管底部设置压力传感器，作为沉积物的校正使用。
一种任意时刻矢量沉积物计算方法，包括如下步骤：
(1)根据浊度计、流速计采集数据计算水流管内的沉积物含量：
①令捕获管进水口的截面积为S，沉降管的截面积为S’；
②设流速为V(d，D，t)、浊度为Tur(d，D，t)；则水流管内每一时刻流过的沉积物总量为：
Q(d，D，i)＝V(d，D，i)×S×Tur(d，D，i) (1)
其中：d为方向；D为深度；i为0到t任意时刻；
(2)假设流经水流管每一时刻的沉积物Q(d，D，i)全部进入沉降管累积；因此其沉积物在沉降管内所对应部分为从Hi-1到Hi，结合步骤(1)得到的沉积物总量，得到沉降管内沉积物的总量即：
(3)根据步骤一中的式(1)、步骤二中的式(2)、式(3)结合高程计采集的沉降管内沉积物高度的变化数据，即可得任意方向沉降管内的任意深度、任意时刻的沉积物样品，进行物理化学分析。
其中海流计、浊度计、高度计的采集频率均为1Hz或是其他频率；d∈{dE，dS，dW，dN，……}、D∈{D1，D2，D3，……}、t∈{0，1，2，……，tN}。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，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、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.三维时序矢量沉积物捕获器，包括基座，基座上设有捕获管，其特征在于：所述捕获管包括水流管与沉降管，所述水流管前端具有水平进水口，后端具有竖直向下的出水口，水流管内部设有向进水口倾斜的滤网，所述滤网内切于水流管；所述沉降管竖直固定在水流管下方，所述沉降管底部密封，顶端具有开口，所述开口与水流管连通、与滤网正对，滤网将流经水流管内大于滤网孔径的物质拦截，沉积堆叠到沉降管内。
2.根据权利要求1所述的时序矢量沉积物捕获器，其特征在于，所述沉降管开口处设有锥形导向面。
3.根据权利要求2所述的时序矢量沉积物捕获器，其特征在于，所述沉降管外设有护管。
4.根据权利要求3所述的时序矢量沉积物捕获器，其特征在于，所述出水口处设有第二过滤网。
5.根据权利要求4所述的时序矢量沉积物捕获器，其特征在于，所述基座上设有挂环。
6.根据权利要求5所述的时序矢量沉积物捕获器，其特征在于，所述基座上设有可拆卸的配重块，所述配重块均匀的分布在基座上。
7.根据权利要求6所述的时序矢量沉积物捕获器，其特征在于，所述基座下部设有插针，所述插针均匀的分布在基座底部。
8.根据权利要求7所述的时序矢量沉积物捕获器，其特征在于，所述进水口前端具有喇叭导向口。
9.根据权利要求8所述的时序矢量沉积物捕获器，其特征在于，所述水流管内设有设有海流计、浊度计、高度计，所述高度计与沉降管开口正对。
10.一种任意时刻矢量沉积物计算方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)根据浊度计、流速计采集数据计算水流管内的沉积物含量：
①令捕获管进水口的截面积为S，沉降管的截面积为S’；
②设流速为V(d，D，t)、浊度为Tur(d，D，t)；则水流管内每一时刻流过的沉积物总量为：
Q(d，D，i)＝V(d，D，i)×S×Tur(d，D，i) (1)
其中：d为方向；D为深度；i为0到t内的任意时刻；
(2)假设流经水流管每一时刻的沉积物Q(d，D，i)全部进入沉降管累积；因此其沉积物在沉降管内所对应部分为从Hi-1到Hi，结合步骤(1)得到的沉积物总量，得到沉降管内沉积物的总量即：
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(3)根据步骤一中的式(1)、步骤二中的式(2)、式(3)结合高程计采集的沉降管内沉积物高度的变化数据，即可得任意方向沉降管内的任意深度、任意时刻的沉积物样品，进行物理化学分析。
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