CN109030110A - 一种混合均匀河水采样器及其采样方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种混合均匀河水采样器，包括若干采集装置，用于采集不同地段的河水水样；混合装置，用于均匀混合由若干采集装置输送过来的水样；取样装置，用于采取均匀混合后的水样；单片机；电源。采集到混合均匀的河水水样具有很好的代表性，同时减少了野外实验人员的安全隐患，对于同位素实验具有重要的意义。

Description

一种混合均匀河水采样器及其采样方法

技术领域

本发明涉及一种水样采集装置，尤其涉及一种混合均匀河水采样器及其采样方法。

背景技术

水是生命的源泉，是人类社会和经济发展不可或缺的资源。但是随着世界经济的发展，人口的增长，人类对水资源需求量越来越大。城市化的推进，农业用地的开垦，养殖业的发展在挤占湿地的同时也加剧了对下游水源的污染。这些情况都使得水资源短缺以及不合理利用问题愈来愈严重，最终可能会进入恶性循环模式。而解决水资源问题需要我们对流域的产汇流机理有更深入的认知，这样才能因地制宜采取不同措施合理规划水资源的利用。

同位素示踪剂在20世纪50年代开始应用于水文学，随着同位素分析技术的发展，同位素逐渐成为一种不可替代的工具用以研究流域产汇流机制。稳定同位素氘和氧-18由于是水分子的组成部分，并且环境温度和湿度轻微变化都会改变降水同位素相对丰度。降水进入流域后，同位素变化主要由于不同水源混合和与周围围岩交换引起，并且以不同水源混合为主。流域出口断面的河水是不同水源，不同滞留时间水体组成的混合体，传统的水文方法无法进行定量的分析，而同位素示踪剂从原子层面揭示水源和滞时分布的信息，这对于理解流域对降水的响应机制具有重要的意义。流域平均滞时的概念是降水进入流域，运移到流域出口，井或者某观测断面所经历的时间。通过计算得到流域平均滞时可以推导出流域蓄水总量，运移路径，水体来源，这对于研究流域水循环以及污染物运移具有重要意义。

研究流域滞时需要对河水和降水进行长期取样，一般均为两星期取一次降水水样和一次河水水样，但是在进行人工野外取样时面临很大缺陷，主要包括以下几点：1.水样代表性差。在研究流域滞时，降水水样是14天内降水混合水样，而河水水样为某一时刻的流域出口断面的河水。流域出口断面的河水同位素相对丰度是随时程变化的，即使在一天内，由于气温、湿度的变化，河水的同位素相对丰度也具有很明显的变化。因此用某一时刻河水水样同位素相对丰度代表时段内河水平均相对丰度是不合理的。2.野外试验人员的人身安全问题。在研究流域滞时时，经常选择人类活动对环境影响小的流域进行实验，这样的流域经常远离城市，位于深山之中。取样的位置一般设置有流量数据的河道中，但是在降雨时候进行取样，一方面河道流量较大，另一方面地面湿滑，很容易威胁到人身安全。当在晴天取样时候，又不可避免蚊虫，毒蛇的威胁。3.试验费用大。在进行野外实验时，经费的花销也应该考虑在内，如果进行多个取样点同一时刻取样，需要很多实验人员，无疑加重了经费花销的负担。结合上述人工取样缺点，研究一种自动采集时段内混合均匀的河水水样装置势在必行。

发明内容

本发明为了解决现有实验仪器存在的取样代表性差，野外试验的安全隐患以及取样费用等问题，提供了一种自动采集时段内混合均匀的河水水样装置。本发明设置多个采集装置，各装置循环工作收集不同时段不同地段的水样，并将水样均匀混合后进行试验，提高了水样的代表性。

本发明为实现上述目的，所采取的技术方案为：一种混合均匀河水采样器，包括

若干采集装置，用于采集不同地段的河水水样，每个采集装置包括第一进水管、第一蓄水池和第一水泵，所述第一进水管连通河流和第一蓄水池，所述第一水泵设置在所述第一进水管上，河流中的水在所述第一水泵的作用下经所述第一进水管流入所述第一蓄水池；

混合装置，用于均匀混合由若干采集装置输送过来的水样，所述混合装置包括第二进水管、第二蓄水池和第二水泵，所述第二进水管连接所述第一蓄水池和第二蓄水池，所述第二水泵设置在所述第二进水管上，所述第一蓄水池内的水在所述第二水泵的作用下经所述第二进水管进入所述第二蓄水池；

取样装置，用于采取均匀混合后的水样，包括第三进水管、水样瓶和第三水泵，所述第三水泵设置在所述第三进水管上，所述第三进水管连接所述第二蓄水池和水样瓶，所述第二蓄水池内的水在所述第三水泵的作用下经所述第三进水管流至所述水样瓶；

单片机，用于控制所述第一水泵、第二水泵和第三水泵的开闭；

电源，用于向所述单片机供电。

进一步的，在所述第一蓄水池、第二蓄水池底端均设有排水口，所述排水口连接集水漏斗，所述集水漏斗连通废水管道24，经所述排水口流至所述集水漏斗内的水经所述废水管道24流出。

进一步的，所述排水口处设有用于封闭排水口的活塞，所述活塞连接有用于将其堵住排水口或移出排水口的驱动装置，所述驱动装置与所述单片机相连。

进一步的，所述驱动装置包括电磁继电器、与电磁继电器活动端连接的连接杆件，所述连接杆件端部固定有活塞，通过控制所述电磁继电器通断控制所述活塞堵住或移出所述排水口。

进一步的，所述水样瓶设有若干个。

进一步的，所述收集装置还包括用于将废水排出的集水盘和集水漏斗，所述集水盘水平设置在所述第三进水管的出口处，所述集水盘连接有控制所述集水盘靠近或远离所述第三进水管出口的电磁继电器，所述集水盘设有防止水流出盘外的凸缘，所述集水盘底侧设有排水口，所述排水口正对所述集水漏斗，所述第三进水管内的水流至所述集水盘后经所述排水口排至所述集水漏斗。

进一步的，所述集水盘背对所述第三进水管出口的一侧设有连通所述水样瓶的集水管，移开所述集水盘，所述第三进水管出口正对所述集水管入口，所述集水管出口通过排水管连接所述水样瓶。

进一步的，所述水样瓶设有若干个，均匀设置在所述集水管周侧，所述集水管底端连接有步进电机，所述步进电机带动所述集水管旋转。

进一步的，水泵选用蠕动泵。

本发明还提供了一种基于混合均匀河水采样器的采样方法，所述若干采集装置包括1号采集装置、2号采集装置……n号采集装置，包括以下步骤

步骤一、启动第一水泵，通过1号第一进水管向1号采集装置中的1号第一蓄水池内填充水，然后通过第二水泵和第二进水管取1号第一蓄水池内水至第二蓄水池；

步骤二、通过2号第一进水管向2号采集装置中的2号第一蓄水池内填充水，然后通过第二水泵和第二进水管取2号第一蓄水池内水至第二蓄水池；

步骤三、依次取3号、4号……n号采集装置的水至第二蓄水池；

步骤四、重复循环步骤1-步骤三的操作至所述第二蓄水池内水达到设定水量；

步骤五、启动第三水泵，将所述第二蓄水池内的水经第三进水管流入水样瓶。

本发明所产生的有益效果包括：本发明为一种自动采集时段内混合均匀的河水水样装置。其优点主要是：采集河水水样前对装置进行冲洗，减少管路残留杂质和水珠对水样的影响。采集到混合均匀的河水水样具有很好的代表性，同时减少了野外实验人员的安全隐患，对于同位素实验具有重要的意义。

附图说明

图1 为本发明装置的结构示意图；

图2 为本发明装置俯视图；

图中，1、第一进水管，101、1号第一进水管，102、2号第一进水管，2、第一蓄水池，201、1号第一蓄水池，202、2号第一蓄水池，3、第一蠕动泵，301、1号第一蠕动泵，302、2号第一蠕动泵，4、第一集水漏斗，5、第一继电器，6、螺丝，7、第二进水管，8、第二蓄水池，9、第二蠕动泵，10、第二集水漏斗，11、第二继电器，12、第三进水管，13、第三蠕动泵，14、第三集水漏斗，15、第三继电器，16、集水盘、161、排水口，17、集水管，18、排水管，19、水样瓶，20、单片机，21、连接杆件，22、电源，23、活塞，24、废水管道，25、步进电机，26、步进电机输出轴。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的解释说明，但应当理解为本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

如图1和图2，本发明中混合均匀河水采样器包括，若干采集装置、混合装置、取样装置、单片机20和电源22，采集装置用于采集不同地段的河水水样，每个采集装置包括第一进水管1、第一蓄水池2和第一水泵，所述第一进水管1连通河流和第一蓄水池2，所述第一水泵设置在所述第一进水管1上，河流中的水在所述第一水泵的作用下经所述第一进水管1流入所述第一蓄水池2；混合装置，用于均匀混合由若干采集装置输送过来的水样，所述混合装置包括第二进水管7、第二蓄水池8和第二水泵，所述第二进水管7连接所述第一蓄水池2和第二蓄水池8，所述第二水泵设置在所述第二进水管7上，所述第一蓄水池2内的水在所述第二水泵的作用下经所述第二进水管7进入所述第二蓄水池8；取样装置，用于采取均匀混合后的水样，包括第三进水管12、水样瓶19和第三水泵，所述第三水泵设置在所述第三进水管12上，所述第三进水管12连接所述第二蓄水池8和水样瓶19，所述第二蓄水池8内的水在所述第三水泵的作用下经所述第三进水管12流至所述水样瓶19；单片机20，用于控制所述第一水泵、第二水泵和第三水泵的开闭；电源22，用于向所述单片机20供电。

为了便于在需要时排出蓄水池内的水，在所述第一蓄水池2、第二蓄水池8底端均设有排水口，所述排水口连接集水漏斗，所述集水漏斗连通废水管道24，经所述排水口流至所述集水漏斗内的水经所述废水管道24流出。所述排水口处设有用于封闭排水口的活塞23，所述活塞23连接有用于将其堵住排水口或移出排水口的驱动装置，所述驱动装置与所述单片机20相连。所述驱动装置包括电磁继电器、与电磁继电器活动端连接的连接杆件21，所述连接杆件21端部固定有活塞23，通过控制所述电磁继电器通断控制所述活塞23堵住或移出所述排水口。

为了便于冲洗取样装置，所述收集装置还包括用于将废水排出的集水盘16和集水漏斗，所述集水盘16水平设置在所述第三进水管12的出口处，所述集水盘16连接有控制所述集水盘16靠近或远离所述第三进水管12出口的第三电磁继电器，所述集水盘16设有防止水流出盘外的凸缘，所述集水盘16底侧设有排水口161，所述排水口161正对所述集水漏斗，所述第三进水管12内的水流至所述集水盘16后经所述排水口161排至所述集水漏斗。所述集水盘16背对所述第三进水管12出口的一侧设有连通所述水样瓶19的集水管17，移开所述集水盘16，所述第三进水管12出口正对所述集水管17入口，所述集水管17出口通过排水管18连接所述水样瓶19。所述水样瓶19设有若干个，均匀设置在所述集水管17周侧，所述集水管17底端连接有步进电机25，所述步进电机25带动所述集水管17旋转。

若干采集装置包括1号采集装置、2号采集装置，1号采集装置包括1号第一进水管101、1号第一蓄水池201和1号第一水泵，2号采集装置包括2号第一进水管102、2号第一蓄水池202和2号第一水泵，各采集装置分布在河流的不同位置，用于采集不同地段的水样。

自动采集时段内混合均匀的河水水样装置具体步骤如下：

（1）装置的连接与安装

（a）1号第一蓄水池201安置方式同2号第一蓄水池202，下方安置第一电磁继电器5以及第一集水漏斗4。

（b）1号第一蠕动泵301和2号第一蠕动泵302进水管均选用不透明的PVC管，装置内部的管路均采用不锈钢管进行连接，此外，装置中的各蓄水池、集水管17、排水管18均采用不锈钢材质。

（c）步进电机输出轴26与集水管17焊接，这样在步进电机25旋转时候，可以带动集水管17转动。

（d）蠕动泵流速可以自动调节，根据蓄水池容积来调节蠕动泵流速。

（e）第三电磁继电器15固定在装置侧壁上，第三集水漏斗14也固定在装置侧壁上，同时满足集水盘16的出水口在实验过程中收集的废液能排入第三集水漏斗14中。

（f）第一集水漏斗4，第二集水漏斗1016，第三集水漏斗14均连接下方废水管，使得收集的废水可以通过废水管排出到装置外。

（g）第三电磁继电器15的输出轴通过连接螺丝6固定连接杆件21，连接杆件21与集水盘16焊接，使得第三电磁继电器15水平拉力可以传递到集水盘16。同理，第一电磁继电器5，第二电磁继电器11通过连接螺丝6固定连接杆件21，连接杆件21上方有橡胶活塞23。橡胶活塞23能将蓄水池下方的出水口密封，防止水样流出。

（h）电源22通过导线连接单片机20，第一电磁继电器5、第二电磁继电器11、第三电磁继电器15、第一蠕动泵3、第二蠕动泵9、第三蠕动泵26以及步进电机25均连接单片机20，由单片机20控制其工作状态。

（2）均匀河水水样采样过程：

（a）首先使用R语言对单片机20编程，设置其参数。使用导线连接电源22和单片机20，再由单片机20连接蠕动泵，电磁继电器以及步进电机25。

（b）由单片机20控制1号第一蠕动泵301开始工作，抽水流量为1ml/min，第一电磁继电器5处于不工作状态，因此1号第一蓄水池201开始蓄水。1号第一蠕动泵301工作时间为4h，然后由单片机20控制1号第一蠕动泵301停止工作，同时，控制2号第一蠕动泵302开始工作，抽水流量为1ml/min，2号第一蠕动泵302工作时间也同样为4h。1号第一蠕动泵301工作4h使得1号第一蓄水池201蓄水240ml。

（c）在2号第一蠕动泵302开始工作后2min，即4h2min时，由单片机20控制第二蠕动泵9开始从1号第一蓄水池201抽水，流量为10ml/min，这时第二电磁继电器11工作，使得第二蓄水池8出水口处于开启状态。由第二蠕动泵9抽到的水对管壁进行冲洗，冲洗1min后，即4h3min时，第二电磁继电器11停止工作，第二蓄水池8的橡胶活塞23使得第二蓄水池8出水口处于关闭状态，第二蠕动泵9工作1min，即4h4min时，即从1号第一蓄水池201抽取10ml水样到第二蓄水池8中，这时停止第二蠕动泵9工作。

（d）在装置开始工作7h50min时，单片机20控制第一电磁继电器5和1号第一蠕动泵301工作，使得1号第一蓄水池201出口处于开启状态，将1号第一蓄水池201中的水通过1号第一集水漏斗4排出，沿着废水管流出装置。然后1号第一电磁继电器5工作时间持续10min，即在装置开始工作8h时，1号第一电磁继电器5停止工作，1号第一蓄水池201再一次开始重新蓄水。

（e）同样的，在2号第一蠕动泵302工作4h时，由单片机20控制其停止工作，同时在1号第一蠕动泵301开始工作2min后，即8h2min时，由单片机20控制第二蠕动泵9开始从2号第一蓄水池202抽水1min，抽水流量为10ml/min，即从2号第一蓄水池202抽取10ml水样到第二蓄水池8中，这时停止第二蠕动泵9工作。在12h50min时，单片机20控制2号第一蓄水池202下方第一电磁继电器5和2号第一蠕动泵302工作，使得1号第一蓄水池201出口处于开启状态，将2号第一蓄水池202中的水通过集水漏斗排出，沿着废水管流出装置。然后2号第一蓄水池202下方第一电磁继电器5工作时间持续10min，即在12h时候，第一电磁继电器5停止工作，2号第一蓄水池202再一次开始重新蓄水。

（f）1号第一蠕动泵301和2号第一蠕动泵302交替工作，电磁继电器以及第二蠕动泵9重复上述工作336小时1min后，即14天1min时蓄水池25蓄水840ml。

（g）336h2min时，第三蠕动泵26开始工作，流速为10ml/min，水流沿着出流管到达集水盘16，沿着集水盘16出水口到达第三集水漏斗14，沿着废水管流出装置。336h3min，由单片机20控制第三电磁继电器15工作，使得集水盘16向左移动，第三蠕动泵26出水管水流能够到达集水管17，顺着不锈钢出流管到达取样瓶，336h6min时，第三蠕动泵26停止工作，步进电机25开始工作，旋转30度，同时第二电磁继电器11开始工作，使得第二蓄水池8中水沿着第二集水漏斗10进入废水管排出装置。第二电磁继电器11工作时间由排尽蓄水池水时间决定。

（h）一次采集时段内混合均匀河水水样结束，后续采样均按照此方法进行。取样瓶全部采满水后，由人工进行水样瓶19更换。

其中：第一进水管1的进水口在河水水面之下，进水口处有滤网保护，避免杂物对实验装置的影响。

其中：在第三电磁继电器15不工作时，第三蠕动泵26出水管的水均落到集水盘16上，当第三电磁继电器15工作时，第三蠕动泵26出水管的水均到达集水管17。

本发明通过步进电机25，蠕动泵，以及电磁继电器精确控制采样时间间隔和采集水样的体积。同时，采样前对仪器的冲洗对于提高水样代表性，减少实验误差具有重要的意义。自动化实验仪器的应用对于野外安全实验以及控制实验开销具有重要的作用。

上述仅为本发明的优选实施例，本发明并不仅限于实施例的内容。对于本领域中的技术人员来说，在本发明的技术方案范围内可以有各种变化和更改，所作的任何变化和更改，均在本发明保护范围之内。

Claims (9)

1.一种混合均匀河水采样器，其特征在于：包括

若干采集装置，用于采集不同地段的河水水样，每个采集装置包括第一进水管、第一蓄水池和第一水泵，所述第一进水管连通河流和第一蓄水池，所述第一水泵设置在所述第一进水管上，河流中的水在所述第一水泵的作用下经所述第一进水管流入所述第一蓄水池；

混合装置，用于均匀混合由若干采集装置输送过来的水样，所述混合装置包括第二进水管、第二蓄水池和第二水泵，所述第二进水管连接所述第一蓄水池和第二蓄水池，所述第二水泵设置在所述第二进水管上，所述第一蓄水池内的水在所述第二水泵的作用下经所述第二进水管进入所述第二蓄水池；

取样装置，用于采取均匀混合后的水样，包括第三进水管、水样瓶和第三水泵，所述第三水泵设置在所述第三进水管上，所述第三进水管连接所述第二蓄水池和水样瓶，所述第二蓄水池内的水在所述第三水泵的作用下经所述第三进水管流至所述水样瓶；

单片机，用于控制所述第一水泵、第二水泵和第三水泵的开闭；

电源，用于向所述单片机供电。

2.根据权利要求1所述的混合均匀河水采样器，其特征在于：在所述第一蓄水池、第二蓄水池底端均设有排水口，所述排水口连接集水漏斗，所述集水漏斗连通废水管道，经所述排水口流至所述集水漏斗内的水经所述废水管道流出。

3.根据权利要求2所述的混合均匀河水采样器，其特征在于：所述排水口处设有用于封闭排水口的活塞，所述活塞连接有用于将其堵住排水口或移出排水口的驱动装置，所述驱动装置与所述单片机相连。

4.根据权利要求3所述的混合均匀河水采样器，其特征在于：所述驱动装置包括电磁继电器、与电磁继电器活动端连接的连接杆件，所述连接杆件端部固定有活塞，通过控制所述电磁继电器通断控制所述活塞堵住或移出所述排水口。

5.根据权利要求1所述的混合均匀河水采样器，其特征在于：所述水样瓶设有若干个。

6.根据权利要求1所述的混合均匀河水采样器，其特征在于：所述收集装置还包括用于将废水排出的集水盘和集水漏斗，所述集水盘水平设置在所述第三进水管的出口处，所述集水盘连接有控制所述集水盘靠近或远离所述第三排水管出口的电磁继电器，所述集水盘设有防止水流出盘外的凸缘，所述集水盘底侧设有排水口，所述排水口正对所述集水漏斗，所述第三进水管内的水流至所述集水盘后经所述排水口排至所述集水漏斗。

7.根据权利要求6所述的混合均匀河水采样器，其特征在于：所述集水盘背对所述第三进水管出口的一侧设有连通所述水样瓶的集水管，移开所述集水盘，所述第三进水管出口正对所述集水管入口，所述集水管出口通过排水管连接所述水样瓶。

8.根据权利要求7所述的混合均匀河水采样器，其特征在于：所述水样瓶设有若干个，均匀设置在所述集水管周侧，所述集水管底端连接有步进电机，所述步进电机带动所述集水管旋转。

9.一种基于权利要求1所述的混合均匀河水采样器的采样方法，其特征在于：所述若干采集装置包括1号采集装置、2号采集装置……n号采集装置，包括以下步骤

步骤一、启动第一水泵，通过1号第一进水管向1号采集装置中的1号第一蓄水池内填充水，然后通过第二水泵和第二进水管取1号第一蓄水池内水至第二蓄水池；

步骤二、通过2号第一进水管向2号采集装置中的2号第一蓄水池内填充水，然后通过第二水泵和第二进水管取2号第一蓄水池内水至第二蓄水池；

步骤三、依次取3号、4号……n号采集装置的水至第二蓄水池；

步骤四、重复循环步骤1-步骤三的操作至所述第二蓄水池内水达到设定水量；

步骤五、启动第三水泵，将所述第二蓄水池内的水经第三进水管流入水样瓶。