CN111307533A - 基于水动力变化的自适应浮岛式采样系统及采样方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于水动力变化的自适应浮岛板式采样系统，包括浮子、浮岛板、采样管、控制器、流速传感器、无线传感器、锂电池、真空泵、安全阀和安全扣，所述浮岛板下方设有浮子，浮岛板上方安装有进水管路，进水管路下方安装有若干个采样管，采样管与进水管路之间安装有电磁阀，进水管路通过安全阀与真空泵连接，在浮岛板上还安装有锂电池、无线传感器和控制器，在浮岛板下方通过安全扣安装有流速传感器。本发明的装置能够实现不同水动力条件下的水样自动采集，并根据水动力条件变化自动调整采样次数，实现了水动力变化小少采样、水动力变化大多采样的功能，克服了因水动力变化的不确定性而导致样本采集与水动力变化过程难以准确匹配的问题，具有自动化作业、效率高、低成本的特点。

Description

基于水动力变化的自适应浮岛式采样系统及采样方法
技术领域
本发明涉及基于水动力变化的自适应浮岛式采样系统及采样方法，属于水生态环境领域。
背景技术
随着社会的进步和经济的发展，水体污染的问题日益严峻，准确地获取水质指标能够为水环境评价及水污染预警提供可靠的依据。作为其中重要的一环，如何精确地采集具有代表性的水质指标的水样是水环境污染研究的重要课题之一。
我国高度重视水污染防控工作，当前河流点源污染已逐渐得到控制，但河道沉积物内源污染的危害性逐渐凸显。研究表明，河流水动力条件的改变能够影响沉积污染物的释放及其归趋行为。对于天然河流水体，其水动力条件的变化是非恒定的，且往往具有一定程度的不确定性和时效性，传统的人工采样方法无法做到长时间连续不断的监测和采样，并难以准确地采集到与上覆水动力变化过程相匹配的代表性水样，无法有效捕捉河流水动力变化下所对应的水质过程
现有的技术中，如申请号：201811228221.9的发明专利，实现了自动定时采样，但是其无法准确的把握河流水动力变化，往往需设定大量且密集的采样区间实现精确和连续采样，操作繁琐，且会大大增加水样采集与分析的工作量，增加工作成本；申请号：201810736383.7的发明专利，实现了不同频率自动采集的功能，但其仅适用于降雨过程产生的径流变化的水样采集，忽视了河流水动力变化的不确定性与时效性，难以实现样本采集与水动力变化过程的准确匹配。因此，本发明开发了一种基于水动力变化的自适应浮岛式采样系统及采样方法，为河流内源污染防控方面的研究工作提供了基础。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于水动力变化的自适应浮岛式采样系统及采样方法，该装置能够实现不同水动力条件下的水样自动采集，并根据水动力条件变化自动调整采样次数，实现了水动力变化小少采样、水动力变化大多采样的功能，克服了因水动力变化不确定性和时效性，而导致的样本采集与水动力变化过程难以准确匹配的问题，具有自动化作业、效率高、低成本的特点，为研究水动力变化下沉积物污染内源释放研究提供了技术支持。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明的基于水动力变化的自适应浮岛板式采样系统，包括浮子、浮岛板、采样管、控制器、流速传感器、无线传感器、锂电池、真空泵、安全阀和安全扣，所述浮岛板下方设有浮子，浮岛板上方安装有进水管路，进水管路下方安装有若干个采样管，采样管与进水管路之间安装有电磁阀，进水管路通过安全阀与真空泵连接，在浮岛板上还安装有锂电池、无线传感器和控制器，在浮岛板下方通过安全扣安装有流速传感器，所述电磁阀、无线传感器均与控制器信号连接。
作为优选，所述浮岛板为聚乙烯材质，浮岛板下方安装有4个浮子。
作为优选，所述采样管有32个。
作为优选，所述进水管设有连接管，连接管的端部安装有过滤网。
一种上述的基于水动力变化的自适应浮岛式采样系统的采样方法，包括以下步骤：
(1)将本装置通过安全扣用绳索连接固定，布设于研究区域水体水面上；
(2)调试采样系统，设定流速传感器采样频率为1秒2次，将采样管依次编号，为Mp，p为1、2、3…n-1、n，n为采样管的个数；
(3)控制器分析第i时刻的流速传感器传输的数据，初始p＝1；
(4)计算第i时刻采集的2次流速数据的标准偏差Δ，若Δ≤0.15，则不启动控制器计算K值程序，i＝i+1，重复步骤(3)；若Δ>0.15，则进行步骤(5)；
(5)控制器进一步计算K值，
Figure BDA0002449714990000021
vi1和vi2为第i时刻采集的2次连续的流速数据，若K＞2.0，则不进行采样，i＝i+1，重复步骤(3)；若K≤2.0，则控制第Mn个采样管的电磁阀打开采样管的进水口，同时打开真空泵，利用真空泵产生的负压进行采样，采样结束后关闭采样管进水口和真空泵，并记录采样时间；
(6)控制器判断第Mp个采样管是否已满，若没有满，进入步骤(3)；若已满，采样管是否为第Mn个采样管，若是，采样结束；若不是，则p＝p+1，进入步骤(3)；
(7)采样结束后，通过内置的无线传感器发送采样结束指令，提醒采样人员回收采样器；
(8)回收采样器后，分别取出采样器各个采样管，冷藏运至实验室，分析水质参数。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明能够实现不同水动力条件下的水样自动采集，并根据水动力条件变化自动调整采样次数，实现了水动力变化小少采样、水动力变化大多采样的功能，克服了因水动力变化的不确定性和时效性，而导致样本采集与水动力变化过程难以准确匹配的问题，具有自动化作业、效率高、低成本的特点。
(2)减少了野外工作安全隐患，有效的解决了野外采样人工成本，减少了劳动强度，无须人员值守，采样完毕后，自动发送采样结束指令。
附图说明
图1为本发明的采样器第i时刻采样程序示意图。
图2为本发明的结构示意图。
图中：1-浮子；2-浮岛板；3-采样管；4-电磁阀；5-进水管路；6-过滤网；7-连接管；8-控制器；9-无线传感器；10-锂电池；11-安全阀；12-真空泵；13-流速传感器；14-安全扣。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图1至图2所示，包括采样器主体、外置于浮岛板上方的、控制器8和无线传感器9和下方的流速传感器13；所述采样器主体包括浮子1和浮岛板2；所述采样器主体包括32根采样管3和真空泵12；所述采样管3由聚乙烯材质制作而成，置于浮岛板2上方，可自由取出，采样管管口设有电磁阀4组成的进水系统；所述流速传感器14布设于浮岛板2下方，采样频率可根据要求自行设定，本实例中采样频率设定为1秒2次；所述无线传感器包括通讯器和GPS，布设于控制器上方；所述流速传感器2、控制器4和无线传感器3均由锂电池进行供电。
在本发明中，K值公式如下:
Figure BDA0002449714990000031
式中：vi1和vi2为第i时刻采集的2次连续的流速数据。
一种基于水动力变化的自适应浮岛式采样系统的使用方法，包括以下步骤：
(1)将本装置通过安全扣用绳索连接固定，布设于研究区域水体水面上；
(2)调试采样系统，设定流速传感器14采样频率为1秒2次，将采样管6依次编号，依次为M1、M2、M3…M31、M32，初始为M1；
(3)控制器8分析第i时刻的流速传感器传输的数据；
(4)计算第i时刻采集的2次流速数据的标准偏差Δ，若Δ≤0.15，则不启动控制器计算K值程序，实现控制器节能效果，i＝i+1，重复步骤(3)；若Δ>0.15，则进行步骤(5)；
(5)控制器进一步计算K值，
Figure BDA0002449714990000032
i1和vi2为第i时刻采集的2次连续的流速数据，若K＞2.0，则不进行采样，i＝i+1，重复步骤(3)；若K≤2.0，则控制第Mn个采样管的电磁阀打开采样管的进水口和真空泵12，进行采样，采样结束后关闭采样管进水口，并记录采样时间；
(6)控制器8判断第Mp个采样管3是否已满，若没有满，i＝i+1，进入步骤(3)；若已满，采样管3是否为第M32个采样管3，若是，采样结束，进入步骤(7)；若不是，i＝i+1，p＝p+1，进入步骤(3)；
(7)采样结束后，通过内置的无线传感器9发送采样结束指令，提醒采样人员回收采样器；
(8)回收采样器后，分别取出采样器各个采样管3，冷藏运至实验室，分析水质参数。
采用本发明上述的方法，能够快速有效精准的采集具有代表性水体样品，可以根据水动力变化条件变化自动调整采样次数，实现了水动力变化小少采样、水动力变化大多采样的功能，克服了因水动力变化不确定性和时效性，而导致的样本采集与水动力变化过程难以准确匹配的问题；并减少了野外工作安全隐患，有效的解决了野外采样人工成本，减少了劳动强度，无须人员值守。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于水动力变化的自适应浮岛板式采样系统，其特征在于：包括浮子、浮岛板、采样管、控制器、流速传感器、无线传感器、锂电池、真空泵、安全阀和安全扣，所述浮岛板下方设有浮子，浮岛板上方安装有进水管路，进水管路下方安装有若干个采样管，采样管与进水管路之间安装有电磁阀，进水管路通过安全阀与真空泵连接，在浮岛板上还安装有锂电池、无线传感器和控制器，在浮岛板下方通过安全扣安装有流速传感器，所述电磁阀、无线传感器均与控制器信号连接。
2.根据权利要求1所述的基于水动力变化的自适应浮岛板式采样系统，其特征在于：所述浮岛板为聚乙烯材质，浮岛板下方安装有4个浮子。
3.根据权利要求1所述的基于水动力变化的自适应浮岛板式采样系统，其特征在于：所述采样管有32个。
4.根据权利要求1所述的基于水动力变化的自适应浮岛板式采样系统，其特征在于：所述进水管设有连接管，连接管的端部安装有过滤网。
5.一种如权利要求1至4所述的基于水动力变化的自适应浮岛式采样系统的采样方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将本装置通过安全扣用绳索连接固定，布设于研究区域水体水面上；
(2)调试采样系统，设定流速传感器采样频率为1秒2次，将采样管依次编号，为Mp，p为1、2、3…n-1、n，n为采样管的个数，初始为M1；
(3)控制器分析第i时刻的流速传感器传输的数据；
(4)计算第i时刻采集的2次流速数据的标准偏差Δ，若Δ≤0.15，则不启动控制器计算K值程序，i＝i+1，重复步骤(3)；若Δ>0.15，则进行步骤(5)；
(5)控制器进一步计算K值，
Figure FDA0002449714980000011
vi1和vi2为第i时刻采集的2次连续的流速数据，若K＞2.0，则不进行采样，i＝i+1，重复步骤(3)；若K≤2.0，则控制第Mn个采样管的电磁阀打开采样管的进水口，同时打开真空泵，利用真空泵产生的负压进行采样，采样结束后关闭采样管进水口和真空泵，并记录采样时间；
(6)控制器判断第Mp个采样管是否已满，若没有满，进入步骤(3)；若已满，采样管是否为第Mn个采样管，若是，采样结束；若不是，则p＝p+1，进入步骤(3)；
(7)采样结束后，通过内置的无线传感器发送采样结束指令，提醒采样人员回收采样器；
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