CN111189673A - 一种水沙界面水样取样系统及其取样方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水沙界面水样取样系统及其取样方法，包括地表水体取样装置和浅层孔隙水取样装置。所述地表水体取样装置包括收集地表水样的真空取样管，取样管头部有过滤杂质的滤网，连接取样管的可伸缩针头，针头连接固定在直立铁杆上，铁杆的顶部和中部连接高强度的橡皮筋和压缩的弹簧，取样管尾部带有封闭和稳定垂向分布真空取样管的塞子和木棒，地表水体取样装置底座和顶部有一对焊接的电磁铁，电磁铁旁边有橡胶材质的两端开口的圆柱形模具。本发明结合机械自动化原理，通过合理的结构设计实现水沙界面水样(地表水、浅层孔隙水)的同时取样，其应用广泛、高度自动化，经济，可以大幅节约人力取样成本。

Description

一种水沙界面水样取样系统及其取样方法

技术领域

本发明涉及水体监测领域，特别涉及一种水沙界面水样取样系统及其取样方法。

背景技术

长期以来，我国河流水污染问题十分严重，每年大量工业废水和生活污水未经处理就直接排入地表水中，致使水质恶化速度非常快。除了地表水，浅层地下水(孔隙水)因其特殊分布特性也是社会重要水源之一，通过近些年各个机构公布的调查数据来看，越来越多地下水也受到了不同程度的污染。然而河流现有治理还仅停留在地表水中，不能从根本上修复河流生态健康。泥沙沉积物作为河流生态系统一员，具有很强的环境效应。地表水中污染物会通过紊动，扩散以及对流作用进入河床浅层孔隙水中，污染物在河床孔隙水中停留一段时间后又会释放到地表水中去。二者交换的区域(水沙界面)里面进行着复杂的生物化学反应，是很多底栖生物繁殖和栖息的地方。同时它也是污染物短期储存的场所，而污染物在里面短暂停留再到释放，会对河流造成严重的二次污染，给河流治理带了很大挑战。

水沙界面的地表水体和浅层孔隙水交换对整个河流的水生态环境具有重要的意义。地表水体中的污染物从地表水通过各种形式进入到浅层地下水中去(分布在底泥或者砾石层中)。两种水体中污染物在界面上的交换量对于我们了解这个生态过程是非常有必要的。而目前对于水沙界面附近水体的取样方式，受技术上的困难一直难以捕捉到，对水深的精度(很难精确到厘米级别)要求很高，很难定位到这一位置。捕捉这种污染物浓度垂向梯度需要专门设计高分辨率传感器和采样器，成本较高。因此，用于原位分析的水样仍然必须以足够的垂直精度进行收集，来加深我们对于地表水体和浅层孔隙水界面交换过程的认识。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种服务于实验室和野外，在河流、湖泊等开放水体进行水沙界面水样(地表水体、浅层孔隙水)的水沙界面水样取样系统及其取样方法。

技术方案：为实现以上目的，本发明所述的一种水沙界面水样取样系统，包括地表水体取样装置和浅层孔隙水取样装置，所述地表水体取样装置包括若干收集地表水样的真空取样管，所述真空取样管一端连接固定在直立铁杆上，铁杆的顶部连接有高强度的橡皮筋，铁杆的中部连接有压缩的弹簧，高强度橡皮筋连接在另一端焊接的铁块；所述浅层孔隙水取样装置底部设置有底座，底座上设置有若干个活塞取样管，每个取样管尾部通过、柔性绳连接，柔性绳另一端连接有内部动力控制装置，所述内部动力控制装置连接有电磁铁。

进一步的，所述真空取样管头部设置有过滤杂质的滤网，所述真空取样管头端设置有可伸缩针头，所述真空取样管尾部带有封闭和稳定垂向分布真空取样管的塞子和木棒。

进一步的，所述地表水体取样装置底座和顶部设置有一对焊接的电磁铁。

进一步的，所述铁块旁边设置有橡胶材质的两端开口的圆柱形模具。

进一步的，所述内部动力控制装置由铰链、不锈钢杆和伸缩千斤顶，所述光滑不锈钢杆连接铰链和伸缩千斤顶。

进一步的，所述圆柱形模具内部设置有若干个小孔。

进一步的，所述底座内设置有若干个小孔。

进一步的，所述铰链中部设置有T字型连接的橡皮筋，所述T字型连接的橡皮筋另一端连接有铁片。

一种如上述所述的水沙界面水样取样系统的取样方法，包括如下步骤：

步骤一：在准备野外实验的河岸布置基本的监测系统，对于地表水体取样装置布置真空取样管，组装真空取样管、可伸缩针管以及连接垂向分布真空取样管的塞子和木棒；

步骤二：真空取样管的针管穿过铁杆、压缩弹簧、铁杆顶部的橡皮筋拴在焊接在装置的铁柱上，此时电磁铁处于断电转态，保证电磁铁不具有吸引力；

步骤三：紧接着布置浅层孔隙水取样装置，电磁铁断电，此时保证磁铁外侧不具有吸引能力，所有活塞注射剂尾部用柔性绳连接，保证取样的同步性；通过铰链，不锈钢杆和千斤顶使得千斤顶处于压缩状态，千斤顶铰链处连接橡皮筋和铁片，这时浅层孔隙水取样装置内部动力处于触发前的状态；

步骤四：将整个装置放置在河流水沙界面上，保证整个装置处于较为水平的状态，同时观察此时橡胶材质的圆柱形模具内部充满地表水体；

步骤五：电磁铁开始通电，剪断橡皮筋，此时铁杆被上下的电磁铁吸引，真空取样管的针头刺进橡胶圆柱的取样孔，真空取样管自动匀速取样，此时获得地表水水沙界面上的地表水体水样；

步骤六：电磁铁开始通电，此时系在铰链上的橡皮筋和铁片被磁铁吸引，压缩的千斤顶被触发，取样管内的活塞被上拉，浅层孔隙水的水样进入取样管中，完成浅层孔隙水的水样抽取，带回实验室，完成水样各个指标的分析。

其中地表水体取样装置包含橡胶材质的圆柱形模具，上面布有厘米间隔精度的取样孔。取样管头部包含过滤杂质的滤网和稳定所有垂向排列取样管的塞子和木棍。

其中，所述地表水体取样装置可自动取样，该自动取样装置包括真空取样管，连接取样管的可伸缩针头。

进一步，所述地表水体取样装置由带有连接直立铁杆中部的弹簧和顶部的高强度橡皮筋以及底座和顶部焊接的电磁铁驱动。

优选的，所述浅层孔隙水取样装置包含带有小孔的地板和三角形底座。

其中，所述浅层孔隙水取样装置带有可变换角度的铰链、连接铰链远端与移动板的光滑不锈钢杆，可伸缩的千斤顶来控制取样管活塞取样。

进一步，所述浅层孔隙水取样装置中铰链角度的变换通过T字型连接的橡皮筋和铁片被通电后的电磁铁吸引来实现。

再者，所述浅层孔隙水取样装置中所述浅层孔隙水取样装置中所有普通活塞取样管尾部通过柔性绳连接，保证活塞外拉时，整体取样的同步性。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下显著优点：

(1)对水沙界面水质指标的监测往往是通过取水样来实施，现有的技术都是通过原位放置探头监测。这些传统的方法可以看出一些基本缺点：a.很难捕捉到水沙界面附近(厘米)的精度。b.缺乏高自动的取样仪器对地表水和浅层孔隙水进行同时取样监测，来分析地表水和浅层地下水的界面交换量。

(2)本发明中的地表水体取样装置带有连接铁杆的弹簧、高强度橡皮筋、连接固定取样针的直立铁杆，底座和顶部焊接的电磁铁，它们组合搭配使用，满足了取样的基本动力要求，实现了地表水体高度自动化取样，并且垂向上的精度可以达到厘米级别。

(3)本发明中的地表水体取样装置带有真空取样管，保证取样更加匀速，稳定。

(4)所述浅层孔隙水取样装置带有连接铰链远端与移动板的光滑不锈钢杆，可伸缩的千斤顶和电磁铁，利用基本的机械原理，高效率完成单个断面浅层孔隙水的取样。

(5)本发明中所述浅层孔隙水取样装置包含带有小孔的地板和三角形底座，增加了整个装置放置在水沙界面上的稳定性，实验结束后可随时拆卸，可方便携带。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为图1中内部动力控制装置的触发前的状态图；

图3为图1中内部动力控制装置的触发后的状态图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。

本发明的一种水沙界面水样的取样系统，包括地表水体取样装置1和浅层孔隙水取样装置2。

如图1所示，上述地表水体取样装置1包括收集地表水样的真空取样管100，取样管头部有过滤杂质的滤网101，连接取样管的可伸缩针头102，针头连接固定在直立铁杆上103，铁杆的顶部和中部连接高强度的橡皮筋104和压缩的弹簧105，高强度橡皮筋连接在另一端焊接的铁块106，取样管尾部带有封闭和稳定垂向分布真空取样管的塞子和木棒107，地表水体取样装置底座和顶部有一对焊接的电磁铁108，电磁铁旁边有橡胶材质的两端开口的圆柱形模具109；上述浅层孔隙水取样装置2包括带有小孔的地板和三角形底座200，普通活塞取样管201，连接所有取样管尾部活塞的柔性绳202，焊接的电磁铁203，内部动力控制装置的铰链204，连接铰链205和伸缩千斤顶206的光滑不锈钢杆205，T字型连接的橡皮筋207和铁片208。

本发明的一种水沙界面水样的取样系统的取样方法，包括如下步骤：

A、在准备野外实验的河岸布置基本的监测系统，对于地表水体取样装置1将真空取样管沿如图1所示布置，组装真空取样管100，可伸缩针管102，以及连接垂向分布真空取样管的塞子和木棒107；

B、真空取样管的针管穿过铁杆103，压缩弹簧105，铁杆顶部的橡皮筋104拴在焊接在装置的铁柱106上，此时电磁铁108处于断电转态，保证电磁铁不具有吸引力；

C、紧接着布置浅层孔隙水取样装置2，电磁铁203断电，此时保证磁铁203外侧不具有吸引能力，所有活塞注射剂尾部用柔性绳202连接，保证取样的同步性。通过铰链204，不锈钢杆205和千斤顶206使得千斤顶处于压缩状态，千斤顶铰链处连接橡皮筋207和铁片208，这时浅层孔隙水取样装置2内部动力处于触发前的状态如图2；

D、将整个装置放置在河流水沙界面上，保证整个装置处于较为水平的状态，同时观察此时橡胶材质的圆柱形模具109内部充满地表水体；

E、电磁铁108开始通电，剪断橡皮筋104，此时铁杆103被上下的电磁铁108吸引，真空取样管的针头刺进橡胶圆柱的取样孔，真空取样管自动匀速取样，此时获得地表水水沙界面上的地表水体水样；

F、电磁铁203开始通电，此时系在铰链205上的橡皮筋和铁片被磁铁203吸引，压缩的千斤顶被触发(如图3)，取样管201内的活塞被上拉，浅层孔隙水的水样进入取样管中，完成浅层孔隙水的水样抽取，带回实验室，完成水样各个指标的分析。

Claims (9)

1.一种水沙界面水样取样系统，其特征在于：包括地表水体取样装置(1)和浅层孔隙水取样装置(2)，所述地表水体取样装置(1)包括若干收集地表水样的真空取样管(100)，所述真空取样管(100)一端连接固定在直立铁杆(103)上，铁杆(103)的顶部连接有高强度的橡皮筋(104)，铁杆(103)的中部连接有压缩的弹簧(105)，高强度橡皮筋(104)连接在另一端焊接的铁块(106)；所述浅层孔隙水取样装置(2)底部设置有底座(200)，底座(200)上设置有若干个活塞取样管(201)，每个取样管(201)尾部通过、柔性绳(202)连接，柔性绳(202)另一端连接有内部动力控制装置，所述内部动力控制装置连接有电磁铁(203)。

2.根据权利要求1所述的一种水沙界面水样取样系统，其特征在于：所述真空取样管(100)头部设置有过滤杂质的滤网(101)，所述真空取样管(100)头端设置有可伸缩针头(102)，所述真空取样管(100)尾部带有封闭和稳定垂向分布真空取样管的塞子和木棒(107)。

3.根据权利要求1所述的一种水沙界面水样取样系统，其特征在于：所述地表水体取样装置(1)底座和顶部设置有一对焊接的电磁铁(108)。

4.根据权利要求1所述的一种水沙界面水样取样系统，其特征在于：所述铁块(106)旁边设置有橡胶材质的两端开口的圆柱形模具(109)。

5.根据权利要求1所述的一种水沙界面水样取样系统，其特征在于：所述内部动力控制装置由铰链(204)、不锈钢杆(205)和伸缩千斤顶(206)，所述光滑不锈钢杆(205)连接铰链(204)和伸缩千斤顶(206)。

6.根据权利要求1所述的一种水沙界面水样取样系统，其特征在于：所述圆柱形模具(109)内部设置有若干个小孔。

7.根据权利要求1所述的一种水沙界面水样取样系统，其特征在于：所述底座(200)内设置有若干个小孔。

8.根据权利要求1所述的一种水沙界面水样取样系统，其特征在于：所述铰链(204)中部设置有T字型连接的橡皮筋(207)，所述T字型连接的橡皮筋(207)另一端连接有铁片(208)。

9.一种如权利要求1至8之一所述的水沙界面水样取样系统的取样方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：在准备野外实验的河岸布置基本的监测系统，对于地表水体取样装置(1)布置真空取样管(100)，组装真空取样管(100)、可伸缩针管(102)以及连接垂向分布真空取样管的塞子和木棒(107)；

步骤二：真空取样管(100)的针管穿过铁杆(103)、压缩弹簧(105)、铁杆顶部的橡皮筋(104)拴在焊接在装置的铁柱(106)上，此时电磁铁(108)处于断电转态，保证电磁铁不具有吸引力；

步骤三：紧接着布置浅层孔隙水取样装置(2)，电磁铁(203)断电，此时保证磁铁(203)外侧不具有吸引能力，所有活塞注射剂尾部用柔性绳(202)连接，保证取样的同步性；通过铰链(204)，不锈钢杆(205)和千斤顶(206)使得千斤顶处于压缩状态，千斤顶铰链处连接橡皮筋(207)和铁片(208)，这时浅层孔隙水取样装置(2)内部动力处于触发前的状态；

步骤四：将整个装置放置在河流水沙界面上，保证整个装置处于较为水平的状态，同时观察此时橡胶材质的圆柱形模具(109)内部充满地表水体；

步骤五：电磁铁(108)开始通电，剪断橡皮筋(104)，此时铁杆(103)被上下的电磁铁(108)吸引，真空取样管(100)的针头刺进橡胶圆柱的取样孔，真空取样管(100)自动匀速取样，此时获得地表水水沙界面上的地表水体水样；

步骤六：电磁铁(203)开始通电，此时系在铰链(205)上的橡皮筋和铁片被磁铁(203)吸引，压缩的千斤顶被触发，取样管(201)内的活塞被上拉，浅层孔隙水的水样进入取样管中，完成浅层孔隙水的水样抽取，带回实验室，完成水样各个指标的分析。

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