CN111397968B - 一种原位采集沉积物和湿地土壤中孔隙水与气体的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种原位采集沉积物和湿地土壤中孔隙水与气体的装置，包括若干采集管、硅胶管、液体采样装置、锥形头和圆柱连接件；采集管包括管体、间隔平台、内螺纹、采样孔以及外螺纹；管体顶部的内侧壁设有内螺纹，管体顶部的外侧壁固定设有间隔平台，管体底部设有与内螺纹匹配的外螺纹，间隔平台的一侧设有贯穿的采样孔；硅胶管固定设于相邻采集管的间隔平台之间；圆柱连接件设置采集管的上部；锥形头设置在采集管的下部；液体采样装置设置在圆柱连接件的上部。本发明是集原位采集、液体采集、气体采集于一体的多功能装置，该装置简单易组装，各组装单元重量轻，携带方便，能良好适用于室内及野外采样工作，操作简单高效。

Description

一种原位采集沉积物和湿地土壤中孔隙水与气体的装置

技术领域

本发明属于孔隙水体采样技术领域，具体涉及一种原位采集沉积物和湿地土壤中孔隙水与气体的装置。

背景技术

通过侵蚀、风化、搬运作用，水体中的物质沉降下来形成的物质，称为沉积物。沉积物可视为湖泊水体污染程度的“指示剂”。在湖泊的一些突发性污染事件中，沉积物并不总是污染源，可能扮演着“汇”或在沉积物—水界面上对污染物承担着“源—汇转换”的功能，用于缓冲湖泊污染程度和调剂污染物在介质中量的分配。近年来，湖泊重金属污染问题越来越受到重视，沉积物中重金属浓度远高于水体，严重影响湖泊水体质量。当前湖泊或水库局部水域的富营养化和水华现象仍然是我国水环境的突出问题之一，沉积物高营养盐是湖泊富营养化和蓝藻水华爆发愈加频繁产生的主要原因。多环芳烃等有机污染物易于吸附到富含有机质的沉积物中，而沉积物中的多环芳烃会通过再悬浮等作用迁移到水体中。

孔隙水是沉积物和水体之间进行物质交换的主要媒介，对沉积物孔隙水的获取是否精细、有效和是否形成新技术，一定程度上决定着沉积物一水界面的理论研究和测定水平，甚至关系到开拓研究领域新的方向，未石化的湖床沉积物可以用来测定以前的气候环境。因此，对湖泊等水体污染状况的研究及对其进行有效修复具有重要意义。

湿地是水陆相互作用形成的自然综合体，作为一个功能完善的生态系统,在调节气候,净化水质等方面起到非常良好的作用。湿地生态系统是影响气候变化的活性气体的重要“源”或“汇”。随着人类活动的增加和气候变化的加剧,湿地生态系统活性气体对全球气候变化的影响越来越受到关注。已开展的研究主要集中于二氧化碳（CO₂）、甲烷（CH₄）、氧化亚氮（N₂O）和二甲基硫（DMS）等活性气体。

目前，孔隙水的采样方式主要分为主动和被动两类，主动式主要为离心和抽吸，被动式主要包括膜渗析平衡技术，薄膜扩散技术、半透膜技术等。被动采样所需时间较长，使用主动采样可缩短其采集周期。已有的土壤气体采样方法分为主动采样法和被动采样法两种，主动采样法又分为主动抽取法和主动浓集法。主动式抽取法是将一定量的包气带土壤气体通过采样气泵或其它抽气装置直接抽入采样器中或直接抽入气密性注射器用于检测，而主动式浓集法是令一定体积量的气体以恒速通过一种捕集器，从而选择吸收指定成分的气体。被动采样法亦称累积吸附法，不需要任何抽气装置，但要将有吸附材料的捕集器放在采样点上而且要放置一段时间，让气态污染物可以随着土壤气体流动被吸附到吸附材料中，然后将采样器从地下取出后回实验室进行脱气分析所吸附到的挥发性污染物。被动采样法可用于污染调查，探明污染源的分布情况，能够规避掉主动采样法不能用于确定半挥发性有机物或低挥发性污染物，以及在低渗透性和饱和土壤中作业比较困难的局限性。

目前，沉积物或湿地土壤中孔隙水/气体的采集装置有多种，但可以同时进行原位采集的较少。如公开号为CN108152082A提出的一种沉积物孔隙水及溶解气体采集装置能够稳定的定量的抽取孔隙水，在同一柱状沉积物中能同时插入多个孔隙水采集器，可同步获取较高精度的垂直分层孔隙水，但是它们的应用对象单一，一般只是针对柱状沉积物，无法满足对原位沉积物和湿地土壤中孔隙水/气体的采集，并且采集的孔隙水中的气体需要用试剂进行分离固定，在进行实验分析时还需要进一步进行提取，操作较为复杂，而满足原位采集的，一般又难以满足同时采集不同深度的气体和液体样本。如公开号为CN102788717A提出的一种多功能原位土壤及土壤溶液采集器，虽然该装置组装方便，操作易行，能够保证土壤溶液样品的高质量性，但无法对气样进行采集；又如公开号为CN209894540U提出的采集河口湿地土壤原位孔隙水的便携装置，虽然该装置能够弥补河口湿地原位土壤孔隙水采集难题，提高研究质量以及减少使用者在河口湿地作业时间，提高野外工作安全性，但它只能采集湿地近地面的孔隙水样品，无法同时实现对不同深度的土壤进行液体的分层采样。

发明内容

本发明的目的在于针对现有装置功能单一、设备复杂、无法原位操作的问题，提供一种原位采集沉积物和湿地土壤中孔隙水与气体的装置。

本发明通过以下技术方案实现：

一种原位采集沉积物和湿地土壤中孔隙水与气体的装置，包括若干采集管、硅胶管、液体采样装置、锥形头和圆柱连接件；采集管包括管体、间隔平台、内螺纹、采样孔以及外螺纹；所述管体内部为中空结构，管体顶部的内侧壁设有内螺纹，管体顶部的外侧壁固定设有间隔平台，管体底部设有与内螺纹匹配的外螺纹，所述间隔平台的一侧设有贯穿的采样孔，采样孔的一端位于管体的侧壁上，采样孔的另一端位于间隔平台的外侧壁上，所述的若干采集管之间通过内螺纹与外螺纹的连接进行固连；所述的硅胶管固定设于相邻采集管的间隔平台之间，缠绕于所述管体的外壁上；所述的圆柱连接件设置在多组固连的采集管的上部，与最上侧的采集管之间通过螺纹固定连接；所述的锥形头设置在多组固连的采集管的下部，与最下侧的采集管之间通过螺纹固定连接；所述的液体采样装置设置在圆柱连接件的上部，液体采样装置的一端穿过圆柱连接件并伸入采集管中，与采样孔固定连接，液体采样装置的另一端外接注射器；采集管通过锥形头插入至沉积物或土壤中时，所述的液体采样装置位于沉积物或土壤的上部，通过注射器将孔隙水吸出。

优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：

上述的液体采样装置包括T型三通阀、阴性鲁尔接头、液体采样PU管、阳性鲁尔接头、土壤水分采样器以及中空橡胶塞；所述的T型三通阀、阴性鲁尔接头、液体采样PU管、阳性鲁尔接头和土壤水分采样器依次连接，土壤水分采样器的端部穿入所述中空橡胶塞中与其紧密连接，所述中空橡胶塞固定设于采样孔内并通过玻璃胶密封；所述T型三通阀的一端与注射器固定连接。

上述的采样孔的两端分别为齿轮形通孔和圆形通孔；其中，所述齿轮形通孔位于间隔平台的外侧壁上，所述圆形通孔位于管体的侧壁上。

上述的圆柱连接件的底部设有与内螺纹匹配的第一外螺纹。

上述的锥形头的顶部设有与外螺纹匹配的第一内螺纹。

上述液体采样装置的个数与采集管的个数一致。

上述圆柱连接件顶部设有PVC片，所述的PVC片上设有与液体采样PU管数量相匹配的穿出孔，液体采样PU管通过穿出孔伸入采集管内；所述的PVC片与圆柱连接件顶部、以及液体采样PU管与穿出孔的连接处均通过玻璃胶密封。

本发明的有益效果为：

本发明是集原位采集、液体采集、气体采集于一体的多功能装置，该采样装置简单易组装，各组装单元重量轻，携带方便，能良好适用于室内及野外采样工作，操作简单高效；本装置体积较小，采用土壤水分采样器进行原位提取，对土壤水力性质的破坏较小，样品准确度高；本装置设置采样间隔，将沉积物和湿地土壤中孔隙水和气体的采样与分层有机结合，分辨率较高；本发明的装置成一封闭系统，可有效减小空气对样品的污染，沉积物和湿地土壤中孔隙水直接使用注射器从土壤水分采样器中抽取，收集管顶部用PVC片进行密闭，最大程度地减少了空气以及雨水对样本的污染，样品具有较好的代表性。

附图说明

图1为本发明装置的结构示意图。

图2为本发明的液体采样装置的结构示意图。

图3为本发明的采集管结构示意图。

图4为本发明的锥形头结构示意图。

图5为本发明的圆柱连接体结构示意图。

图6为本发明的PVC片结构示意图。

图7为采样孔的齿轮形通孔截面示意图。

图8为本发明采集孔隙水的过程示意图。

图中序号，1-采集管、2-硅胶管、3-PVC片、4-液体采样装置、5-锥形头、6-圆柱连接件、7-注射器、11-管体、12-间隔平台、13-内螺纹、14-采样孔、15-外螺纹、31-穿出孔、41-T型三通阀、42-阴性鲁尔接头、43-液体采样PU管、44-阳性鲁尔接头、45-土壤水分采样器、46-中空橡胶塞、51-第一内螺纹、61-第一外螺纹。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。

参见图1所示的一种原位采集沉积物和湿地土壤中孔隙水与气体的装置，包括若干采集管1、硅胶管2、液体采样装置4、锥形头5和圆柱连接件6；参见图3，采集管1包括管体11、间隔平台12、内螺纹13、采样孔14以及外螺纹15；所述管体11内部为中空结构，管体11顶部的内侧壁设有内螺纹13，管体11顶部的外侧壁固定设有间隔平台12，管体11底部设有与内螺纹13匹配的外螺纹15，所述间隔平台12的一侧设有贯穿的采样孔14，采样孔14的一端位于管体11的侧壁上，采样孔14的另一端位于间隔平台12的外侧壁上，所述的若干采集管1之间通过内螺纹13与外螺纹15的连接进行固连，优选的，内螺纹13与外螺纹15的长度均为0.4m；收集管管体内径为28mm，外径为32mm，长为9cm；间隔装置内径为28mm，外径48mm，长为1cm；所述的硅胶管2固定设于相邻采集管1的间隔平台12之间，缠绕于所述管体11的外壁上，优选的，所述的硅胶管内径3 mm，外径5 mm，长度2m，硅胶管缠绕在管体上时，为了保证其不掉落，可以通过胶粘的方式粘贴在管体的外壁上，本实例中，硅胶管的作用是用于采集气体，其主要采用累积吸附法的原理，不需要任何抽气装置，通过将硅胶管放置在采样点上一段时间，让气态污染物可以随着土壤气体流动被吸附到硅胶管中从而获取气体；所述的圆柱连接件6设置在多组固连的采集管1的上部，与最上侧的采集管1之间通过螺纹固定连接；所述的锥形头5设置在多组固连的采集管1的下部，与最下侧的采集管1之间通过螺纹固定连接；所述的液体采样装置4设置在圆柱连接件6的上部，液体采样装置4的一端穿过圆柱连接件6并伸入采集管1中，与采样孔14固定连接，液体采样装置4的另一端外接注射器7；采集管1通过锥形头5插入至沉积物或土壤中时，所述的液体采样装置4位于沉积物或土壤的上部，通过注射器7将孔隙水吸出。根据研究需要的测量的深度，可选择合适的收集管的个数，将各个收集管按照上述的描述进行收尾连接，组合形成可以收集孔隙水与气体的装置。

参见图2，本实施例中，所述的液体采样装置4包括T型三通阀41、阴性鲁尔接头42、液体采样PU管43、阳性鲁尔接头44、土壤水分采样器45以及中空橡胶塞46；其中，所述的土壤水分采样器45采用Rhizon土壤水分采样器，Rhizon土壤水分采样器采样前用注射器抽出真空；所述的T型三通阀41、阴性鲁尔接头42、液体采样PU管43、阳性鲁尔接头44和土壤水分采样器45依次连接，土壤水分采样器45的端部穿入所述中空橡胶塞46中与其紧密连接，所述中空橡胶塞46固定设于采样孔14内并通过玻璃胶密封；所述T型三通阀41的一端与注射器7固定连接。

本实施例中，为了减少了空气以及雨水对样本的污染，在圆柱连接件6顶部设有PVC片3，参见图6，优选的，所述PVC片厚度为5mm，直径为28mm；所述的PVC片3上设有与液体采样PU管43数量相匹配的穿出孔31，液体采样PU管43通过穿出孔31伸入采集管1内；所述的PVC片3与圆柱连接件6顶部、以及液体采样PU管43与穿出孔31的连接处均通过玻璃胶密封

参见图7，本实施例中，所述的采样孔14的两端分别为齿轮形通孔和圆形通孔；其中，所述齿轮形通孔位于间隔平台12的外侧壁上，所述圆形通孔位于管体11的侧壁上。其中，所述齿轮形通孔长度为0.6cm，内径为2mm，外径为4mm，齿数为8；圆形通孔长度为0.4cm，直径为2mm。采样孔位于间隔装置上采样孔中心距离间隔装置下平面0.3cm；采用孔一端采用圆形通孔是为了方便与中空橡胶塞46的形状匹配，可以保证中空橡胶塞46可以完全密封固定在采用孔中，避免孔隙水收集过程中的损失；另一端采用齿轮形通孔可以最大程度的吸收沉积物或土壤中的孔隙水，并且齿轮状的结构将孔隙水中的残留物进行截留，以减少孔隙水中的杂质。

参见图5，本实施例中，所述的圆柱连接件6的底部设有与内螺纹13匹配的第一外螺纹61。

参见图4，本实施例中，所述锥形头5的顶部设有与外螺纹15匹配的第一内螺纹51。

本实施例中，所述液体采样装置4的个数与采集管1的个数一致，收集管和锥形头均为PVC材质。

本发明的具体工作过程：

参见图8，根据研究需要的测量深度，选择合适的收集管的个数，本实施例中选择3个收集管；各个收集管之间通过内螺纹和外螺纹进行固连；然后取锥形头与最下侧的收集管连接，取圆柱连接件与最上侧的采集管连接，并在圆柱连接件的顶部设置PVC片上，PVC片上平面与圆柱连接件的端面持平，PVC片与圆柱连接件的连接处设置玻璃胶；取连接好的三组液体采样装置，将液体采样PU管通过PVC片的穿出孔并伸入采集管内，液体采样PU管与穿出孔的连接处设置玻璃胶；采样前，取 Rhizon土壤水分采样器的头部穿入中空橡胶塞中使其紧密连接，然后将中空橡胶塞插入采样孔中，直至中空橡胶塞紧塞液体采样装置的采样孔，所有的中空橡胶塞与采用孔处均设有玻璃胶密封。保证每一个T型三通阀均保持关闭状态， T型三通阀上均设有注射器，注射器抽真空；取硅胶管缠绕在相邻的采集管的管体上，硅胶管与管体表面通过胶粘的方式固定；采样时，将安装好的装置沿锥形头方向垂直插入在适当的采样点，通过注射器抽取采样点的孔隙水；可同时进行多组重复试验或对照实验，以提高实验数据结果的可靠性。采样完成后，从采样点取出采样装置，从各收集管上取下硅胶管，硅胶管中所采集到的气体即为所测量深度的气体样本。将组装好的采样装置通过螺纹以及刀片去除玻璃胶的方式进行拆分，收集管、锥形头和PVC片可以进行重复使用。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种原位采集沉积物和湿地土壤中孔隙水与气体的装置，其特征在于：包括若干采集管(1)、硅胶管(2)、液体采样装置(4)、锥形头(5)和圆柱连接件(6)；采集管(1)包括管体(11)、间隔平台(12)、内螺纹(13)、采样孔(14)以及外螺纹(15)；所述管体(11)内部为中空结构，管体(11)顶部的内侧壁设有内螺纹(13)，管体(11)顶部的外侧壁固定设有间隔平台(12)，管体(11)底部设有与内螺纹(13)匹配的外螺纹(15)，所述间隔平台(12)的一侧设有贯穿的采样孔(14)，采样孔(14)的一端位于管体(11)的侧壁上，采样孔(14)的另一端位于间隔平台(12)的外侧壁上，所述的若干采集管(1)之间通过内螺纹(13)与外螺纹(15)的连接进行固连；所述的硅胶管(2)固定设于相邻采集管(1)的间隔平台(12)之间，缠绕于所述管体(11)的外壁上；所述的圆柱连接件(6)设置在多组固连的采集管(1)的上部，与最上侧的采集管(1)之间通过螺纹固定连接；所述的锥形头(5)设置在多组固连的采集管(1)的下部，与最下侧的采集管(1)之间通过螺纹固定连接；所述的液体采样装置(4)设置在圆柱连接件(6)的上部，液体采样装置(4)的一端穿过圆柱连接件(6)并伸入采集管(1)中，与采样孔(14)固定连接，液体采样装置(4)的另一端外接注射器(7)；采集管(1)通过锥形头(5)插入至沉积物或土壤中时，所述的液体采样装置(4)位于沉积物或土壤的上部，通过注射器(7)将孔隙水吸出。

2.根据权利要求1所述的一种原位采集沉积物和湿地土壤中孔隙水与气体的装置，其特征在于：所述的液体采样装置(4)包括T型三通阀(41)、阴性鲁尔接头(42)、液体采样PU管(43)、阳性鲁尔接头(44)、土壤水分采样器(45)以及中空橡胶塞(46)；所述的T型三通阀(41)、阴性鲁尔接头(42)、液体采样PU管(43)、阳性鲁尔接头(44)和土壤水分采样器(45)依次连接，土壤水分采样器(45)的端部穿入所述中空橡胶塞(46)中与其紧密连接，所述中空橡胶塞(46)固定设于采样孔(14)内并通过玻璃胶密封；所述T型三通阀(41)的一端与注射器(7)固定连接。

3.根据权利要求2所述的一种原位采集沉积物和湿地土壤中孔隙水与气体的装置，其特征在于：所述的采样孔(14)的两端分别为齿轮形通孔和圆形通孔；其中，所述齿轮形通孔位于间隔平台(12)的外侧壁上，所述圆形通孔位于管体(11)的侧壁上。

4.根据权利要求1所述的一种原位采集沉积物和湿地土壤中孔隙水与气体的装置，其特征在于：所述的圆柱连接件(6)的底部设有与内螺纹(13)匹配的第一外螺纹(61)。

5.根据权利要求1所述的一种原位采集沉积物和湿地土壤中孔隙水与气体的装置，其特征在于：所述锥形头(5)的顶部设有与外螺纹(15)匹配的第一内螺纹(51)。

6.根据权利要求2所述的一种原位采集沉积物和湿地土壤中孔隙水与气体的装置，其特征在于：所述液体采样装置(4)的个数与采集管(1)的个数一致。

7.根据权利要求2所述的一种原位采集沉积物和湿地土壤中孔隙水与气体的装置，其特征在于：圆柱连接件(6)顶部设有PVC片(3)，所述的PVC片(3)上设有与液体采样PU管(43)数量相匹配的穿出孔(31)，液体采样PU管(43)通过穿出孔(31)伸入采集管(1)内；所述的PVC片(3)与圆柱连接件(6)顶部、以及液体采样PU管(43)与穿出孔(31)的连接处均通过玻璃胶密封。

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