CN108801107A - 一种重力式防倾沉积物测深装置及使用方法 - Google Patents

一种重力式防倾沉积物测深装置及使用方法 Download PDF

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Abstract

一种重力式防倾沉积物测深装置及使用方法，属于测量与控制技术及水下沉积物探测领域，包括装置最下端的探测头、中部多个组合机构及最上端的缆绳连接头，组合机构的个数根据需要设定，每个组合机构包括样品保护外管、探测杆、探测杆内芯、定位管箍、复位弹簧和连接套管；两个组合机构之间，连接套管顶端与探测杆下端通过螺纹连接。装置通过探测杆上取样孔内保留沉积物样品，作为沉积物厚度测量的依据，装置的沉积物保护机构为套管结构，避免沉积物样品受到冲刷的同时避免水阻力对仪器下放过程中的竖直姿态产生干扰，同时探测杆内芯为下重上轻结构，防止仪器下放过程中倾倒。本发明装置操作简便，测量高效直观、防倾倒效果好，而且结构简单、成本低廉。

Description

一种重力式防倾沉积物测深装置及使用方法
技术领域
本发明属于测量与控制技术及水下沉积物探测领域，涉及到一种用于水底沉积物厚度探测，特别涉及到水深较大、采样船只规模较小的内陆水域水底沉积物厚度的测量装置及使用方法。
背景技术
水底沉积物是水域的重要组成部分，经过多年的累积，流域输入的污染物长期蓄积到沉积物中，一定条件下，沉积物内污染物会释放进入上覆水体，对水体及其水环境构成威胁。因此，需要深入研究沉积物的分布特性，为沉积物的治理提供基本依据，其中的关键工作就是获取水下沉积物厚度分布信息。
目前，广泛用于水底沉积物厚度探测的设备主要是水底浅地层刨面仪，水底浅地层刨面仪通过垂直向下发射声脉冲，并通过换能器接收经水底反射后返回的声脉冲，通过接收和分析反射回来的声脉，实现对水底沉积物的探测。在不同的污染输入、水体流态等环境条件影响下，即使同一水域内，沉积物在污染物浓度、物理性质等方面具有显著的差异，这些差异直观的反应在颜色、气味、松软程度等方面。但是水底浅地层刨面仪测量结果只有水深和沉积物厚度等数据，无法反应水下沉积物的真实状态差异，无法满足沉积物状态分析和治理的需求。而且水底浅地层刨面仪体积较大，操作复杂，操作人员需经过系统的专业培训，而且仪器价格昂贵。例如，美国SDI公司开发的BSS+系统通过接收反射的声脉冲信号实现沉积物厚度的探测，无法直观显示水下沉积物的实际赋存状态，系统还需要SDIPEPTH软件进行数据采集和实时分析以及DEPTHPIC软件进行后期的数据分析和编辑，操作复杂，仪器采购价格也高达数十万元。
综上所述，前述设备不具备简便高效、结果直观的沉积物厚度测量功能。需要研发具有探测结果直观可靠、操作简便、造价低廉等特点的沉积物厚度探测装置。
发明内容
本发明要解决的问题是提供一种重力式防倾沉积物测深装置，适用于水库、河流、湖泊等采样条件受限的内陆水域的沉积物厚度探测。解决当前沉积物测深装置器存在的价格高昂、无法直观探测等问题。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种重力式防倾沉积物测深装置，包括装置最下端的探测头1、中部多个组合机构及最上端的缆绳连接头8，缆绳固定在缆绳连接头8上作为提升装置。所述组合机构的个数根据需要设定，每个组合机构包括样品保护外管2、探测杆3、探测杆内芯4、定位管箍5、复位弹簧6和连接套管7；两个组合机构之间，连接套管7顶端与探测杆3下端通过螺纹连接。
所述的探测头1主体为圆柱形，下端为圆台结构，上端设有凹槽，与探测杆3下端通过螺纹连接。
所述的样品保护外管2为套管结构，避免沉积物样品受到冲刷的同时避免水的阻力对仪器下放过程中的竖直姿态产生干扰；样品保护外管2布置于组合机构最外侧，其长度短于探测杆3，底端与探测杆3下部有外露部分；所述样品保护外管2两侧等间距设有开孔，孔径大于探测杆3两侧开孔孔径；当样品保护外管2上端与连接套管7接触时，样品保护外管2各开孔的下端高于探测杆3两侧开孔的上端。所述的样品保护外管2顶端外侧设有定位管箍5和用于固定复位弹簧6的挂钩。
所述的探测杆3为套管结构，上下两端外侧设有螺纹，与探测头1上端、连接套管7下端通过螺纹连接；所述的探测杆3两侧等间距设置多个斜向下的取样孔，取样孔斜向下结构能够减小装置上提过程中水流对样品的冲刷，配合样品保护外管2保留沉积物样品；每个取样孔的位置均位于对侧相邻两个取样孔的中间。探测杆3上设有一凸块，凸块位于样品保护外管2底端豁口处，豁口长度为：当样品保护外管2下端与探测头1接触时，豁口顶端与凸块上端接触，用于限制样品保护外管2转动，保证装置上提过程中样品保护外管2和探测杆3两侧开孔重合。
所述的探测杆内芯4为管状下重上轻结构，防止仪器下放过程中倾倒，探测杆内芯4接于探测杆3内部，其长度与探测杆3相同。
所述的连接套管7为“H形结构”，其上下两端设有内螺纹，上端螺纹与缆绳连接头8和探测杆3下端螺纹对应，下端螺纹与探测杆3上端螺纹对应。所述连接套管7下端外侧分别有两个用于固定复位弹簧6的挂钩。
所述的复位弹簧6固定在样品保护外管2和连接套管7外侧的挂钩之间，复位弹簧6拉力满足条件为：正常状态下拉力等于样品保护外管2重力，保持样品保护外管2底端处于探测杆3外露部分上端；当测深装置在沉积物中上提时，拉力小于沉积物提供的摩擦力，使样品保护外管2在其作用下底端处于探测杆3外露部分下端，与探测头1上端面接触，此时样品保护外管2和探测杆3开孔重合进行采样。
所述的缆绳连接头8与连接套管7通过螺纹连接。
上述重力式防倾沉积物测深装置的使用方法，包括以下步骤：
步骤1：预估采样点沉积物厚度，选择组合机构的数量，依次将各构件组装，将复位弹簧6两端分别固定在定位管箍5和连接套管7的挂钩上，缆绳固定在缆绳连接头8上将装置放入水中。
步骤2：装置匀速下降，在装置底部距离沉积物表层一定高度时，释放装置，装置自由落体进入沉积物中并依靠自重到达沉积物底层。装置进入沉积物过程中，在复位弹簧6和沉积物摩擦力的作用下，样品保护外管2始终处于探测杆3外露部分上端，样品保护外管2保持探测杆3上取样孔处于封闭状态。
步骤3：上提装置，在沉积物摩擦力作用下，样品保护外管2相对于探测杆3向下运动至探测杆3外露部分下端，与探测头1上端面接触，样品保护外管2开孔与探测杆3上取样孔重合，对应深度沉积物进入取样孔。
步骤4：继续上提装置，直至离开水面，将装置竖直放置在采样船上，根据探测杆3上取样孔内保留的样品，确定沉积物下边界，通过取样孔内沉积物样品确定沉积物在探测杆3上最高滞留位置，并通过技术取样孔数量确定沉积物上下边界的距离，即为测量点沉积物厚度。
步骤5：取下连接套管7，取出探测杆内芯4，冲洗装置。
本发明的有益效果为：本发明相比于现有用于沉积物厚度探测的水底浅地层刨面仪探测结果不够直观、操作复杂等不足，测量结果直观可靠、入水阻力小、重心低不易倾倒的重力式沉积物测深装置，同时还具有结构简单、操作简便、造价低等优点。
附图说明
图1是一种重力式防倾沉积物测深装置下放时结构剖面图。
图2是一种重力式防倾沉积物测深装置沉积物在沉积物中上提时结构剖面图。
图中：探测头1；样品保护外管2；探测杆3；探测杆内芯4；定位管箍5；复位弹簧6；连接套管7；缆绳连接头8。
具体实施方式
以下结合技术方案(和附图)详细叙述本发明的具体实施方式。
一种重力式防倾沉积物测深装置，包括装置最下端的探测头1、中部多个组合机构及最上端的缆绳连接头8，缆绳固定在缆绳连接头8上作为提升装置。所述组合机构的个数根据需要设定，每个组合机构包括样品保护外管2、探测杆3、探测杆内芯4、定位管箍5、复位弹簧6和连接套管7。
所述的探测头1由不锈钢加工而成，主体为圆柱形，下端为圆台结构用于减小测深装置进入沉积物时阻力，上端内部设有螺纹与探测杆3下端螺纹对应。
所述的样品保护外管2是经过加工的亚克力管，位于组合机构最外侧；其长度短于探测杆3，样品保护外管2底端与探测杆3下部有一外露部分；所述样品保护外管2两侧等间距设有开孔，开孔略大于探测杆3两侧开孔；当样品保护外管2上端与连接套管7接触时，样品保护外管2各开孔的下端稍高于探测杆3两侧开孔的上端。所述的样品保护外管2为套管结构，能够避免水阻力对仪器下放过程中的竖直姿态产生干扰。
所述的探测杆3为经过加工的不锈钢管，上下两端外侧设有螺纹，与探测头1上端、连接套管7下端通过螺纹连接；所述的探测杆3两侧等间距设置多个斜向下的取样孔，取样孔斜向下的结构能够有效减小装置上提过程中水流对样品的冲刷，配合样品保护外管2能够有效保留沉积物样品，从而作为沉积物厚度测量的依据；每个取样孔的位置均位于对侧相邻两个取样孔的中间。探测杆3上设有一凸块，凸块位于样品保护外管2底端豁口处，且豁口长度恰好使得样品保护外管2下端与探测头1接触时，豁口顶端与凸块上端接触，用于限制样品保护外管2转动，即样品保护外管2只能垂直方向移动，保证装置上提过程中样品保护外管2和探测杆3两侧开孔重合，从而保证了取样孔内样品为对应深度的沉积物样品，避免表层沉积物对样品的干扰。
所述的探测杆内芯4为不锈钢管灌注其它材料的实心圆柱，位于探测杆3内部，其长度与探测杆3相同，外径与探测杆3内径相同；所述的探测杆内芯4下端一段距离内部灌注铅，铅以上灌注PVC，使其为下重上轻结构，降低装置整体重心，防止仪器下放过程中的倾倒问题。
所述的定位管箍5设于样品保护外管2顶端外侧，并在样品保护外管2顶端外侧设有两个挂钩用于固定复位弹簧6。
所述的连接套管7为“H形结构”的不锈钢套管，其上下两端设有内凹螺纹，且上下两端螺纹间设有间隔，上端螺纹与缆绳连接头8和探测杆3下端螺纹对应，下端螺纹与探测杆3上端螺纹对应。所述连接套管7下端外侧分别有两个挂钩用于固定复位弹簧6。
所述的复位弹簧6为钢制弹簧，固定在样品保护外管2顶端外侧和连接套管7下端外侧的挂钩之间。所述的复位弹簧6拉力满足条件为：正常状态下拉力等于样品保护外管2重力，能够保持样品保护外管2底端处于探测杆3外露部分上端；当测深装置在沉积物中上提时，拉力小于沉积物提供的摩擦力，从而使得样品保护外管2在其作用下，其底端处于探测杆3外露部分下端，与探测头1上端面接触。
所述的缆绳连接头8主体为不锈钢圆柱，其下端与连接套管7上端通过螺纹连接，上端有一钢环用于固定缆绳。
使用时，该重力式防倾沉积物测深装置进入沉积物中并依靠自重到达沉积物底层，在这一过程中，在复位弹簧6和沉积物摩擦力的作用下，样品保护外管2始终处于探测杆3外露部分上端，样品保护外管2保持探测杆3上取样孔处于封闭状态。装置上提过程中，在沉积物摩擦力作用下，样品保护外管2相对于探测杆3向下运动至探测杆3外露部分下端，样品保护外管2开孔与探测杆3上取样孔重合，对应深度沉积物进入取样孔，从而保证了取样孔内样品为对应深度的沉积物样品，避免表层沉积物对样品的干扰。
以上所述实施例仅表达本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种重力式防倾沉积物测深装置，其特征在于，所述的重力式防倾沉积物测深装置包括最下端的探测头(1)、中部多个组合机构及最上端的缆绳连接头(8)，缆绳固定在缆绳连接头(8)上作为提升装置；所述组合机构的个数根据需要设定，每个组合机构包括样品保护外管(2)、探测杆(3)、探测杆内芯(4)、定位管箍(5)、复位弹簧(6)和连接套管(7)；两个组合机构之间，连接套管(7)顶端与探测杆(3)下端通过螺纹连接；
所述的探测头(1)主体为圆柱形，下端为圆台结构，上端凹槽与探测杆(3)下端通过螺纹连接；
所述的样品保护外管(2)为套管结构，布置于组合机构最外侧，其长度短于探测杆(3)，底端与探测杆(3)下部有外露部分；所述样品保护外管(2)两侧等间距设有开孔，孔径大于探测杆(3)两侧开孔孔径；当样品保护外管(2)上端与连接套管(7)接触时，样品保护外管(2)各开孔的下端高于探测杆(3)两侧开孔的上端；所述的样品保护外管(2)顶端外侧设有定位管箍(5)和用于固定复位弹簧(6)的挂钩；
所述的探测杆(3)为套管结构，上下两端外侧设有螺纹，与探测头(1)上端、连接套管(7)下端通过螺纹连接；所述的探测杆(3)两侧等间距设置多个斜向下的取样孔，取样孔斜向下结构能够减小装置上提过程中水流对样品的冲刷，配合样品保护外管(2)保留沉积物样品；每个取样孔的位置均位于对侧相邻两个取样孔的中间；探测杆(3)上设有凸块，凸块位于样品保护外管(2)底端豁口处，豁口长度为：当样品保护外管(2)下端与探测头(1)接触时，豁口顶端与凸块上端接触，用于限制样品保护外管(2)转动，保证装置上提过程中样品保护外管(2)和探测杆(3)两侧开孔重合；
所述的探测杆内芯(4)为管状下重上轻结构，防止仪器下放过程中倾倒，探测杆内芯(4)接于探测杆(3)内部，其长度与探测杆(3)相同；
所述的连接套管(7)为“H形结构”，其上下两端设有内螺纹，上端螺纹与缆绳连接头(8)和探测杆(3)下端螺纹对应，下端螺纹与探测杆(3)上端螺纹对应；所述连接套管(7)下端外侧分别有两个用于固定复位弹簧(6)的挂钩；
所述的复位弹簧(6)固定在样品保护外管(2)和连接套管(7)外侧的挂钩之间，复位弹簧(6)拉力满足条件为：正常状态下拉力等于样品保护外管(2)重力，保持样品保护外管(2)底端处于探测杆(3)外露部分上端；当测深装置在沉积物中上提时，拉力小于沉积物提供的摩擦力，使样品保护外管(2)在其作用下底端处于探测杆(3)外露部分下端，与探测头(1)上端面接触，此时样品保护外管(2)和探测杆(3)开孔重合进行采样；
所述的缆绳连接头(8)与连接套管(7)通过螺纹连接。
2.权利要求1所述的一种重力式防倾沉积物测深装置，其特征在于以下步骤：
步骤1：预估采样点沉积物厚度，选择组合机构的数量，依次将各构件组装，将复位弹簧(6)两端分别固定在定位管箍(5)和连接套管(7)的挂钩上，缆绳固定在缆绳连接头(8)上将装置放入水中；
步骤2：装置匀速下降，在装置底部距离沉积物表层一定高度时，释放装置，装置自由落体进入沉积物中并依靠自重到达沉积物底层；装置进入沉积物过程中，在复位弹簧(6)和沉积物摩擦力的作用下，样品保护外管(2)始终处于探测杆(3)外露部分上端，样品保护外管(2)保持探测杆(3)上取样孔处于封闭状态；
步骤3：上提装置，在沉积物摩擦力作用下，样品保护外管(2)相对于探测杆(3)向下运动至探测杆(3)外露部分下端，与探测头(1)上端面接触，样品保护外管(2)开孔与探测杆(3)上取样孔重合，对应深度沉积物进入取样孔；
步骤4：继续上提装置，直至离开水面，将装置竖直放置在采样船上，根据探测杆(3)上取样孔内保留的样品，确定沉积物下边界，通过取样孔内沉积物样品确定沉积物在探测杆(3)上最高滞留位置，并通过技术取样孔数量确定沉积物上下边界的距离，即为测量点沉积物厚度；
步骤5：取下连接套管(7)，取出探测杆内芯(4)，冲洗装置。
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