CN111678737B - 人工湿地基质中水质取样和溶解氧测量仪器及取样测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种人工湿地基质中水质取样和溶解氧测量仪器，它包括取样装置和测量装置，所述取样装置包括两端敞口的取样管和活塞式真空取样器，取样管的内腔中螺纹装配有支杆，取样管的外壁上套装有定位卡环；测量装置包括水样检测管，水样检测管的两端分别与进样管和进气管相连接，进样管的底部通过L型下三通阀分别与注样管和排样管相连通，注样管通过注样针与取样器相连接；水样检测管内腔中放置有与数据采集仪相连接的氧电极；进气管的顶端通过L型上三通阀分别与压缩氮气存储罐和油封装置相连接。本发明通过采样装置精准采集基质中的水样，并将水样注入检测装置进行检测，全程为无氧环境，样品不与大气接触，保证了检测数据的精确度。

Description

人工湿地基质中水质取样和溶解氧测量仪器及取样测量方法

技术领域

本发明涉及环境监测技术领域，具体的说是一种人工湿地基质中水质取样和溶解氧测量仪器及取样测量方法。

背景技术

基质是污水人工湿地生态净化系统中微生物及其种群栖息、生存、繁衍、代谢的物质载体。研究表明：在人工湿地基质床环境中显著存在着缺氧区、厌氧区、好氧区。其中缺氧区、厌氧区、好氧区各分区大小和分区比例对人工湿地净化效果有一定的影响。因此优化人工湿地结构设计，合理设计缺氧区、厌氧区、好氧区分区大小并充分培育与之相适应的微生物种群（缺氧区以兼性微生物为优势种属，厌氧区以厌氧微生物为优势种属，好氧区以好氧微生物为优势种属）可以看做是人工湿地系统利用A²O（即缺氧—厌氧—好氧）污水处理技术原理对其净化功能的工程强化措施，改善了湿地系统对COD（化学需氧量）、TN（总氮）、TP（总磷）的去除效果。

在人工湿地结构设计相关科学研究中，充分认识湿地系统中缺氧区、厌氧区、好氧区的主体功能及其与设计、运行参数之间的内在规律，并通过设计、运行优化对系统有益功能施加强化是目前研究探索的方向之一。因此测定人工湿地基质床环境中氧浓度分布特征与进水水质、渗透速率，目标污染物去除率、植物根系发育程度之间的协同关系是进行此类研究必不可少的一个重要环节。

为了测绘人工湿地基质床环境中氧浓度分布图，需要在基质床中布设大量的测量点矩并检测各点矩处的氧浓度。研究实践中常采用两种方法来实现，一种为原位检测法，即在检测点矩处埋设氧传感器，氧传感器通过信息数据线与基质外部的数据采集器相连，实时动态地检测该点的氧浓度。原位检测法在实际操作中存在诸多困难。（1）由于测绘氧浓度分布图需要相当数量级的测量数据，因此测量点矩布设相对密集，这样造成需要埋设的氧传感器数量庞大，初期投入费用高昂；（2）氧传感器之间距离较近，相互不便容错；（3）成束的信息数据线在引出时穿透基质床，干扰湿地系统原生的渗流形态；（4）氧传感器没有自动清洗功能，粘附在传感器上的污物会导致检测数据不准；（5）氧传感器长期埋置在基质床中，传导膜容易损坏，不容易保养，维修，更换。如果采用取出传感器，维护后再植入的方法，则湿地系统的生态，动力学联系被破坏，使前后研究之间的关联性无法得到体现。另一种为异地检测法，即通过水质取样器提取测量点矩处的水样并移样到异地（相对于原位而言）一个相对独立的检测环境中进行氧浓度检测。异地检测法在目前实践中存在以下困难：（1）湿地系统渗流环境为基质所填充，并不能采取常用的河湖水质取样器取样，水样提取不方便；（2）水样在提取，移样，倒样、检测等操作过程中不易规避水样与周围大气环境的接触而造成氧传递。因为在人工湿地里除去进水端大部分都是厌氧环境，水样的溶解氧浓度都比较低，如果与大气接触，大气中的氧气就会通过复氧过程进入到水样中，这样水样的溶氧检测值就不能反应真实值。

发明内容

本发明的目的是提供一种人工湿地基质中水质取样和溶解氧测量仪器及取样测量方法，在封闭、无触氧环境下完成基质水质取样和溶解氧的检测，水样全程不与大气接触，能够准确地反应基质中水样的溶氧检测指标。

为实现上述目的，本发明所采取的技术方案为：

一种人工湿地基质中水质取样和溶解氧测量仪器，它包括取样装置和测量装置，所述取样装置包括两端敞口的取样管和活塞式真空取样器，取样管内壁上下两端均开设有内螺纹，取样管下端内螺纹的上部侧壁上开设有进液孔，取样管上端内螺纹的下方侧壁上设置有导流管，导流管通过软管与取样器相连接，软管的两端分别通过管卡固定在导流管和取样器上；取样管的内腔中装配有支杆，支杆的顶部和底部均设置有与取样管端部内螺纹相适配的外螺纹，支杆的中部外径小于取样管的内径；取样管的外壁上套装有定位卡环；

所述测量装置包括两端敞口的水样检测管，水样检测管的两端安装有橡胶塞，进样管贯穿下部的橡胶塞伸入水样检测管中，进样管的底部通过L型下三通阀分别与注样管和排样管相连通，注样管内填塞有软木塞，注样管通过注样针与取样器相连接；水样检测管内腔中放置有与数据采集仪相连接的氧电极；进气管贯穿上部的橡胶塞伸入水样检测管中，进气管的顶端通过L型上三通阀分别与压缩氮气存储罐和油封装置相连接。

优选的，所述油封装置包括与上三通阀相连通的密闭膨胀罐，密闭膨胀罐的底部通过U型管与平衡罐的底部相连通，密闭膨胀罐与平衡罐的高度相同，密闭膨胀罐和平衡罐中盛装有油封，平衡罐的顶端敞口；注样前油封的液位必须低于进气管顶端高程，密闭膨胀罐和U型管中油封的总体积以及平衡罐油封上部罐体预留体积应大于取样器的体积，即应大于水样的最大注样体积。

优选的，所述油封装置包括一端与上三通阀相连通的U型管，U型管的另一端与平衡罐的底部相连通，顶端敞口的平衡罐中盛装有油封；注样前油封的液位必须低于进气管顶端高程，U型管中油封的总体积以及平衡罐油封上部罐体预留体积应大于取样器的体积，即应大于水样的最大注样体积。

优选的，所述油封装置包括左侧与上三通阀相连通的U型管，U型管的右侧支管高为左侧支管高的2-4倍；U型管中盛装有油封；注样前油封的液位必须低于进气管顶端高程，U型管右侧支管油封上部预留体积应大于取样器的体积，即应大于水样的最大注样体积。

优选的，所述定位卡环包括环体，环体的侧壁上安装有卡紧螺栓，环体的底部焊接有圆环形底盘，底盘的外径为环体直径的2-3倍。

优选的，所述进液孔距离取样管内壁下部的内螺纹顶端1-2mm。

优选的，所述支杆顶部和底部的外螺纹长度分别与取样管内壁上端和下端的内螺纹的长度相等。

优选的，所述支杆的顶端安装有螺帽，底端设置有锥形的刃脚。

优选的，所述支杆和取样管均由硬质材料制备而成，软管的中部安装有锁止阀。

一种人工湿地基质中水质取样和溶解氧测量方法，该方法利用上述的人工湿地基质中水质取样和溶解氧测量仪器来完成，它包括以下步骤：

步骤一、组装取样装置：将定位卡环套在取样管的外壁上，调整至定位卡环底部的圆盘的下表面至进液孔的高度与待取样深度相同，调整卡紧螺栓将定位卡环固定牢固；在支杆外螺纹部位涂抹凡士林后，将支杆与取样管进行装配，支杆下部的外螺纹与取样管下部的内螺纹旋转装配至支杆下部的外螺纹封堵住进液孔后停止旋转；将取样器和导流管用软管连接好，软管的两端用管卡固定牢靠；

步骤二、取样：将取样管垂直插入人工湿地基质床中，直至定位卡环底部圆盘的下表面与基质床表面相贴敷，此时取样管下部的进液孔对正取样位置，拉动取样器的活塞，将取样管腔体内的空气排出并锁紧软管上的锁止阀；再次旋转支杆继续下转，直至进液孔暴露于基质床水环境中，形成了从基质床水环境→进液孔→取样管腔体→导流管→软管→取样器的封闭水流通道，避免了取样过程中水样与大气氧环境的接触；打开锁止阀并匀速拉动取样器的活塞，将水样吸入取样器中；取样结束后，关闭锁止阀，将软管与导流管连接处的管卡打开，软管从导流管上取下，同时将软管安装至注样针的尾端；

步骤三、水样注入测量装置：将注样针的前端插入至注样管中，调整下三通阀使注样管与进样管相连通，调整上三通阀使进气管与油封装置相连通，打开锁止阀，匀速缓慢推动取样器的活塞，使取样器中的水样进入水样检测管内；注样结束后，拔出注样针；

步骤四、溶解氧检测：开启氧电极，待检测数据跳跃显示稳定后，从数据采集仪读取溶氧量数值，并根据需要输出数据；

步骤五、排水吹脱：水样检测完成后，调整下三通阀使进样管与排样管相连通，在油封复位压差的作用下水样排出；排水结束后，调整上三通阀，使压缩氮气罐与水样检测管相连通，并释放压缩氮气对连接管路进行吹洗，将管壁上附着的水以及排水时逸入的空气吹脱干净；吹脱完成后调整下三通阀使注样管与水样检测管保持连通，同时调整上三通阀，使水样检测管与油封装置相连通，装置待机，以备再次进行水样的检测。

本发明在采样和样品的溶解氧测量过程中，全程为无氧环境，样品不与大气接触，样品保持了在基质中的原貌，保证了检测数据的精确度。

本发明中支杆的两端设置与取样管内壁上的内螺纹相适配的外螺纹，工作时与取样管两端的内螺纹丝扣连接，一方面对取样管的两端起到支撑作用，防止取样管插入基质床时取样管底端受力压扁，另一方面对取样管两端起到密封作用，使取样管与支杆的中部形成一个封闭的腔体；组装支杆和采样管前，在支杆外螺纹部位涂抹凡士林，能够增强连接处的气密性；支杆最前端带锥形刃脚，确保取样管可以顺利插入到基质床中。

支杆和取样管均由硬质材料制备而成。取样管的外壁上设有刻度。

本发明中定位卡环自由穿套在取样管上，卡环上有卡紧螺栓和面积较大的圆环形底盘，卡紧螺栓用作把环体紧固在取样管指定的位置上，阻止环体沿取样管上下滑动，进而限定取样管插入到人工湿地基质床指定深度的位置；圆环形底盘相对具有较大的平面面积，当其下表面与基质床表面贴敷时，较大面积能起到分散应力的作用，防止取样操作过程中不可预期的外力振动使业已插入到指定深度的取样管插入过深，超出取样位置。

本发明中氧电极是检测水样溶解氧的重要元件，其传导膜充分暴露于检测水样中。

本发明中L型三通阀为L型两向导通元件，工作机制为或L型左导通，或L型右导通，通过切换三通阀的导通方向，控制不同的管路连通。

本发明中压缩氮气储存罐中储有压缩氮气，一方面用以在注样前吹脱水样检测管中留存的前一次检测水样或者在检测水样从排样管自流排除时可能从排水口逸入的空气，另一方面用以在水样检测管中待测水样和密闭膨胀罐油封之间形成微正压气塞，防止空气中的氧气从装置各接合部处逸入，提高检测的精准度；同时由于氮气化学性质无毒无害且极难溶于水，其存在不会对水样中溶解氧产生干扰，也不会造成不安全的测试环境。

附图说明

图1是本发明中取样装置的结构示意图；

图2是本发明中测量装置的结构示意图；

图3是取样管的结构示意图；

图4是定位卡环的结构示意图；

图5是支杆的结构示意图；

图6是密闭膨胀罐、U型管和平衡罐组成的油封装置使用状态图；

图7是U型管和平衡罐组成的油封装置使用状态图；

图8是U型管组成的油封装置使用状态图；

图中：1、取样管，2、定位卡环，201、环体，202、圆环形底盘，203、卡紧螺栓，3、导流管，4、进液孔，5、支杆，6、刃脚，7、取样器，8、软管，9、锁止阀，10、注样针，11、水样检测管，12、下三通阀，13、上三通阀，14、氧电极，15、数据采集仪，16、压缩氮气存储罐，17、密闭膨胀罐，18、注样管，19、排样管，20、U型管，21、平衡罐，22、进气管，23、进样管。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明。

实施例1

如图1至图5所示的一种人工湿地基质中水质取样和溶解氧测量仪器，它包括取样装置和测量装置，取样装置包括两端敞口的取样管1和活塞式真空取样器7，取样管1的上下两端内壁上均开设有内螺纹，取样管1下部内螺纹的上部侧壁上开设有进液孔4，取样管1上部内螺纹的下方侧壁上设置有导流管3，导流管3通过软管8与取样器7相连接，软管8的两端分别通过管卡固定在导流管3和取样器7上；取样管1的内腔中装配有支杆5，支杆5的顶部和底部均设置有与取样管1内壁上的内螺纹相适配的外螺纹，支杆5的中部外径小于取样管1的内径；取样管1的外壁上套装有定位卡环2；

测量装置包括两端敞口的水样检测管11，水样检测管11的两端安装有橡胶塞，进样管23贯穿下部的橡胶塞伸入水样检测管11中，进样管23的底部通过L型下三通阀12分别与注样管18和排样管19相连通，注样管18内填塞有软木塞，注样管18通过注样针10与取样器7相连接；水样检测管11内腔中放置有与数据采集仪15相连接的氧电极14；进气管22贯穿上部的橡胶塞伸入水样检测管11中，进气管22的顶端通过L型上三通阀13分别与压缩氮气存储罐16和油封装置相连接。

油封装置包括与上三通阀13相连通的密闭膨胀罐17，密闭膨胀罐17的底部通过U型管20与平衡罐21的底部相连通，密闭膨胀罐17与平衡罐21的高度相同，密闭膨胀罐17和平衡罐21中盛装有油封，平衡罐21的顶端敞口；注样前油封的液位必须低于进气管22顶端高程，密闭膨胀罐17和U型管20中油封的总体积以及平衡罐21油封上部罐体预留体积应大于取样器7的体积，即应大于水样的最大注样体积。

定位卡环2包括环体201，环体201的侧壁上安装有卡紧螺栓203，环体201的底部焊接有圆环形底盘202，底盘202的外径为环体201直径的2-3倍。

进液孔4距离取样管1内壁下部的内螺纹顶端1-2mm。

支杆5顶部和底部的外螺纹长度分别与取样管1内壁上端和下端内螺纹的长度相等。

支杆5的顶端安装有螺帽，底端设置有锥形的刃脚6。

支杆5和取样管1均由硬质材料制备而成，软管8的中部安装有锁止阀9。

一种人工湿地基质中水质取样和溶解氧测量方法，该方法利用上述的人工湿地基质中水质取样和溶解氧测量仪器来完成，它包括以下步骤：

步骤一、组装取样装置：将定位卡环2套在取样管1的外壁上，调整至定位卡环2底部圆盘202的下表面至进液孔4的高度与待取样深度相同，调整卡紧螺栓203将定位卡环2固定牢固；在支杆5外螺纹部位涂抹凡士林后，将支杆5与取样管1进行装配，支杆5下部的外螺纹与取样管1下部的内螺纹旋转装配至支杆5下部的外螺纹封堵住进液孔4后停止旋转；将取样器7和导流管3用软管8连接好，软管8的两端用管卡固定牢靠；

步骤二、取样：将取样管1垂直插入人工湿地基质床中，直至定位卡环2底部圆盘202的下表面与基质床表面相贴敷，此时取样管1下部的进液孔4对正取样位置，拉动取样器7的活塞，将取样管1腔体内的空气排出并锁紧软管8上的锁止阀9；再次旋转支杆5继续下转，直至进液孔4暴露于基质床水环境中，形成了从基质床水环境→进液孔4→取样管1腔体→导流管3→软管8→取样器7的封闭水流通道，避免了取样过程中水样与大气氧环境的接触；打开锁止阀9并匀速拉动取样器7的活塞，将水样吸入取样器7中；取样结束后，关闭锁止阀9，将软管8与导流管3连接处的管卡打开，软管8从导流管3上取下，同时将软管8安装至注样针10的尾端；

步骤三、水样注入测量装置：将注样针10的前端插入至注样管18中，调整下三通阀12使注样管18与进样管23相连通，调整上三通阀13使进气管22与油封装置相连通，打开锁止阀9，匀速缓慢推动取样器7的活塞，使取样器7中的水样进入水样检测管11内；注样结束后，拔出注样针10；

水样注入水样检测管11前，水样检测管11和油封之间连同部分全部为常压氮气（Pa=1atm）所填充。注样检测时，由于一定体积水样注入水样检测管11，油封之前的气体总体积发生膨胀，必然推动氮气气塞体向油封方向移动，进而推高平衡罐21内油封液面高度，平衡罐21内的液面与密闭膨胀罐17内的液面高度差为h₁。

步骤四、溶解氧检测：开启氧电极14，待检测数据跳跃显示稳定后，从数据采集仪15读取溶氧量数值，并根据需要输出数据；

步骤五、排水吹脱：水样检测完成后，调整下三通阀12使进样管23与排样管19相连通，在油封复位压差的作用下水样排出；排水结束后，调整上三通阀13，使压缩氮气罐16与水样检测管11相连通，并释放压缩氮气对连接管路进行吹洗，将管壁上附着的水以及排水时逸入的空气吹脱干净；吹脱完成后调整下三通阀12使注样管18与水样检测管11保持连通，同时调整上三通阀13，使水样检测管11与油封装置相连通，装置待机，以备再次进行水样的检测。

如果注样前油封的液位不低于进气管顶端高程，则在步骤五油封复位时，油封液会吸入水样检测管造成污染以及油封体积减量；如果密闭膨胀罐和U型管中设计油封的总体积小于最大注样体积，则气塞体会进入平衡罐造成逸气以及气塞体体积减量，不利于步骤五水样自流排出；如果设计平衡罐油封上部罐体预留体积小于最大注样体积，则造成步骤三水样注样时平衡罐油封液发生外溢。

实施例2

一种人工湿地基质中水质取样和溶解氧测量仪器，它包括取样装置和测量装置，取样装置包括两端敞口的取样管1和活塞式真空取样器7，取样管1的上下两端内壁上均开设有内螺纹，取样管1下部内螺纹的上部侧壁上开设有进液孔4，取样管1上部内螺纹的下方侧壁上设置有导流管3，导流管3通过软管8与取样器7相连接，软管8的两端分别通过管卡固定在导流管3和取样器7上；取样管1的内腔中装配有支杆5，支杆5的顶部和底部均设置有与取样管1内壁上的内螺纹相适配的外螺纹，支杆5的中部外径小于取样管1的内径；取样管1的外壁上套装有定位卡环2；

测量装置包括两端敞口的水样检测管11，水样检测管11的两端安装有橡胶塞，进样管23贯穿下部的橡胶塞伸入水样检测管11中，进样管23的底部通过L型下三通阀12分别与注样管18和排样管19相连通，注样管18内填塞有软木塞，注样管18通过注样针10与取样器7相连接；水样检测管11内腔中放置有与数据采集仪15相连接的氧电极14；进气管22贯穿上部的橡胶塞伸入水样检测管11中，进气管22的顶端通过L型上三通阀13分别与压缩氮气存储罐16和油封装置相连接。

如图7所示的油封装置包括一端与上三通阀13相连通的U型管20，U型管20的另一端与平衡罐21的底部相连通，顶端敞口的平衡罐21中盛装有油封；注样前油封的液位必须低于进气管22顶端高程，U型管20中油封的总体积以及平衡罐21油封上部罐体预留体积应大于取样器7的体积，即应大于水样的最大注样体积。

定位卡环2包括环体201，环体201的侧壁上安装有卡紧螺栓203，环体201的底部焊接有圆环形底盘202，底盘202的外径为环体201直径的2-3倍。

进液孔4距离取样管1内壁下部的内螺纹顶端1-2mm。

支杆5顶部和底部的外螺纹长度分别与取样管1内壁上端和下端内螺纹的长度相等。

支杆5的顶端安装有螺帽，底端设置有锥形的刃脚6。

软管8的中部安装有锁止阀9。

一种人工湿地基质中水质取样和溶解氧测量方法，该方法利用上述的人工湿地基质中水质取样和溶解氧测量仪器来完成，它包括以下步骤：

步骤一、组装取样装置：将定位卡环2套在取样管1的外壁上，调整至定位卡环2底部圆盘202的下表面至进液孔4的高度与待取样深度相同，调整卡紧螺栓203将定位卡环2固定牢固；在支杆5外螺纹部位涂抹凡士林后，将支杆5与取样管1进行装配，支杆5下部的外螺纹与取样管1下部的内螺纹旋转装配至支杆5下部的外螺纹封堵住进液孔4后停止旋转；将取样器7和导流管3用软管8连接好，软管8的两端用管卡固定牢靠；

步骤二、取样：将取样管1垂直插入人工湿地基质床中，直至定位卡环2底部圆盘202的下表面与基质床表面相贴敷，此时取样管1下部的进液孔4对正取样位置，拉动取样器7的活塞，将取样管1腔体内的空气排出并锁紧软管8上的锁止阀9；再次旋转支杆5继续下转，进液孔4暴露于基质床水环境中，形成了从基质床水环境→进液孔4→取样管1腔体→导流管3→软管8→取样器7的封闭水流通道，避免了取样过程中水样与大气氧环境的接触；打开锁止阀9并匀速拉动取样器7的活塞，将水样吸入取样器7中；取样结束后，关闭锁止阀9，将软管8与导流管3连接处的管卡打开，软管8从导流管3上取下，同时将软管8安装至注样针10的尾端；

步骤三、水样注入测量装置：将注样针10的前端插入至注样管18中，调整下三通阀12使注样管18与进样管23相连通，调整上三通阀13使进气管22与油封装置相连通，打开锁止阀9，匀速缓慢推动取样器7的活塞，使取样器7中的水样进入水样检测管11内；注样结束后，拔出注样针10；

水样注入水样检测管11前，水样检测管11和油封之间连同部分全部为常压氮气（Pa=1atm）所填充。注样检测时，由于一定体积水样注入水样检测管11，油封之前的气体总体积发生膨胀，必然推动氮气气塞体向油封方向移动，进而推高平衡罐21中油封液面高度，平衡罐21内的液面与U型管内的液面高度差为h₂；

步骤四、溶解氧检测：开启氧电极14，待检测数据跳跃显示稳定后，从数据采集仪15读取溶氧量数值，并根据需要输出数据；

步骤五、排水吹脱：水样检测完成后，调整下三通阀12使进样管23与排样管19相连通，在油封复位压差的作用下水样排出，水样排出；排水结束后，调整上三通阀13，使压缩氮气罐16与水样检测管11相连通，并排放压缩氮气对连接管路进行吹洗，将管壁上附着的水以及排水时逸入的空气吹脱干净；吹脱完成后调整下三通阀12使注样管18与水样检测管11保持连通，同时调整上三通阀13，使水样检测管11与油封装置相连通，以备再次进行水样的检测。

如果注样前油封的液位不低于进气管22顶端高程，则在步骤五油封复位时，油封液会吸入水样检测管11造成污染以及油封体积减量；如果设计U型管20中油封的总体积小于最大注样体积，则气塞体会进入平衡罐21造成逸气以及气塞体体积减量，不利于步骤五水样自流排出；如果设计平衡罐21油封上部罐体预留体积小于最大注样体积，则造成步骤三水样注样时平衡罐21油封液发生外溢。

实施例3

一种人工湿地基质中水质取样和溶解氧测量仪器，它包括取样装置和测量装置，取样装置包括两端敞口的取样管1和活塞式真空取样器7，取样管1的上下两端内壁上均开设有内螺纹，取样管1下部内螺纹的上部侧壁上开设有进液孔4，取样管1上部内螺纹的下方侧壁上设置有导流管3，导流管3通过软管8与取样器7相连接，软管8的两端分别通过管卡固定在导流管3和取样器7上；取样管1的内腔中装配有支杆5，支杆5的顶部和底部均设置有与取样管1内壁上的内螺纹相适配的外螺纹，支杆5的中部外径小于取样管1的内径；取样管1的外壁上套装有定位卡环2。

测量装置包括两端敞口的水样检测管11，水样检测管11的两端安装有橡胶塞，进样管23贯穿下部的橡胶塞伸入水样检测管11中，进样管23的底部通过L型下三通阀12分别与注样管18和排样管19相连通，注样管18内填塞有软木塞，注样管18通过注样针10与取样器7相连接；水样检测管11内腔中放置有与数据采集仪15相连接的氧电极14；进气管22贯穿上部的橡胶塞伸入水样检测管11中，进气管22的顶端通过L型上三通阀13分别与压缩氮气存储罐16和油封装置相连接。

油封装置包括左侧与上三通阀13相连通的U型管20，U型管20的右侧支管高为左侧支管高的2-4倍；U型管20中盛装有油封，注样前油封的液位必须低于进气管（22）顶端高程，U型管（20）右侧支管油封上部预留体积应大于取样器（7）的体积。

定位卡环2包括环体201，环体201的侧壁上安装有卡紧螺栓203，环体201的底部焊接有圆环形底盘202，底盘202的外径为环体201直径的2-3倍。

进液孔4距离取样管1内壁下部的内螺纹顶端1-2mm。

支杆5顶部和底部的外螺纹长度分别与取样管1内壁上端和下端的内螺纹的长度相等。

支杆5的顶端安装有螺帽，底端设置有锥形的刃脚6。

软管8的中部安装有锁止阀9。

一种人工湿地基质中水质取样和溶解氧测量方法，该方法利用上述的人工湿地基质中水质取样和溶解氧测量仪器来完成，它包括以下步骤：

步骤一、组装取样装置：将定位卡环2套在取样管1的外壁上，调整至定位卡环2底部圆盘202的下表面至进液孔4的高度与待取样深度相同，调整卡紧螺栓203将定位卡环2固定牢固；在支杆5外螺纹部位涂抹凡士林后，将支杆5与取样管1进行装配，支杆5下部的外螺纹与取样管1下部的内螺纹旋转装配至支杆5下部的外螺纹封堵住进液孔4后停止旋转；将取样器7和导流管3用软管8连接好，软管8的两端用管卡固定牢靠；

步骤二、取样：将取样管1垂直插入人工湿地基质床中，直至定位卡环2底部的圆盘202的下表面与基质床表面相贴敷，此时取样管1下部的进液孔4对正取样位置，拉动取样器7的活塞，将取样管1腔体内的空气排出并锁紧软管8上的锁止阀9；再次旋转支杆5继续下转，直至进液孔4暴露于基质床水环境中，形成了从基质床水环境→进液孔4→取样管1腔体→导流管3→软管8→取样器7的封闭水流通道，避免了取样过程中水样与大气氧环境的接触；打开锁止阀9并匀速拉动取样器7的活塞，将水样吸入取样器7中；取样结束后，关闭锁止阀9，将软管8与导流管3连接处的管卡打开，软管8从导流管3上取下，同时将软管8安装至注样针10的尾端；

步骤三、水样注入测量装置：将注样针10的前端插入至注样管18中，调整下三通阀12使注样管18与进样管23相连通，调整上三通阀13使进气管22与油封装置相连通，打开锁止阀9，匀速缓慢推动取样器7的活塞，使取样器7中的水样进入水样检测管11内；注样结束后，拔出注样针10。

水样注入水样检测管11前，水样检测管11和油封之间连同部分全部为常压氮气（Pa=1atm）所填充。注样检测时，由于一定体积水样注入水样检测管11，油封之前的气体总体积发生膨胀，必然推动氮气气塞体向油封方向移动，进而推高U型管20右侧支管中油封液面高度，U型管右侧支管内的液面与U型管内左侧支管内的液面高度差为h₃；

步骤四、溶解氧检测：开启氧电极14，待检测数据跳跃显示稳定后，从数据采集仪15读取溶氧量数值，并根据需要输出数据；

步骤五、排水吹脱：水样检测完成后，调整下三通阀12使进样管23与排样管19相连通，在油封复位压差的作用下水样排出；排水结束后，调整上三通阀13，使压缩氮气罐16与水样检测管11相连通，并释放压缩氮气对连接管路进行吹洗，将管壁上附着的水以及排水时逸入的空气吹脱干净；吹脱完成后调整下三通阀12使注样管18与水样检测管11保持连通，同时调整上三通阀13，使水样检测管11与油封装置相连通，装置待机，以备再次进行水样的检测。

如果注样前油封的液位不低于进气管顶端高程，则在步骤五油封复位时，油封液会吸入水样检测管造成污染以及油封体积减量；如果U型管右支管油封上部预留体积小于最大注样体积，则造成步骤三水样注样时U型管油封液发生外溢。

假定上述三个实施例中U型管的截面积为s，膨胀罐和平衡罐的截面积为ns，水样最大注样体积为V。

经测算可知：

显然h₁＜h₂＜h₃。

因此实例1中油封装置相对于实例2、实例3可以大幅度减小油封装置的所需要的保安高度，油封装置的保安高度就是满足装置不发生逸气溢油的最小几何高度，使测试装置整体总成趋于扁平化，便于设备集成。

同时在注样检测过程中，实例1中的油封装置通过气塞体作用在检测管中水样液面的压力P₁为：

实例2中油封装置通过气塞体作用在检测管中水样液面的压力P₂为：

实例3中油封装置通过气塞体作用在检测管中水样液面的压力P₃为：

显然P₁＜P₂＜P₃。因此实例1测试装置的水样检测的压力环境更加接近于常压P_a，水样注样过程较为容易，也与氧电极常用的压力环境相一致。

Claims (9)

1.一种人工湿地基质中水质取样和溶解氧测量仪器，它包括取样装置和测量装置，其特征在于：所述取样装置包括两端敞口的取样管（1）和活塞式真空取样器（7），取样管（1）内壁的上下两端均开设有内螺纹，取样管（1）下端内螺纹的上部侧壁上开设有进液孔（4），取样管（1）上端内螺纹的下方侧壁上设置有导流管（3），导流管（3）通过软管（8）与取样器（7）相连接，软管（8）的两端分别通过管卡固定在导流管（3）和取样器（7）上；取样管（1）的内腔中装配有支杆（5），支杆（5）的顶部和底部均设置有与取样管（1）的端部内螺纹相适配的外螺纹，支杆（5）的中部外径小于取样管（1）的内径；取样管（1）的外壁上套装有定位卡环（2）；

所述测量装置包括两端敞口的水样检测管（11），水样检测管（11）的两端安装有橡胶塞，进样管（23）贯穿下部的橡胶塞伸入水样检测管（11）中，进样管（23）的底端通过L型下三通阀（12）分别与注样管（18）和排样管（19）相连通，注样管（18）内填塞有软木塞，注样管（18）通过注样针（10）与取样器（7）相连接；水样检测管（11）内腔中放置有与数据采集仪（15）相连接的氧电极（14）；进气管（22）贯穿上部的橡胶塞伸入水样检测管（11）中，进气管（22）的顶端通过L型上三通阀（13）分别与压缩氮气存储罐（16）和油封装置相连接；

所述定位卡环（2）包括环体（201），环体（201）的侧壁上安装有卡紧螺栓（203），环体（201）的底部焊接有圆环形底盘（202），底盘（202）的外径为环体（201）直径的2-3倍。

2.根据权利要求1所述的人工湿地基质中水质取样和溶解氧测量仪器，其特征在于：所述油封装置包括与上三通阀（13）相连通的密闭膨胀罐（17），密闭膨胀罐（17）的底部通过U型管（20）与平衡罐（21）的底部相连通，密闭膨胀罐（17）与平衡罐（21）的高度相同，密闭膨胀罐（17）和平衡罐（21）中盛装有油封，平衡罐（21）的顶端敞口；注样前油封的液位必须低于进气管（22）顶端高程，密闭膨胀罐（17）和U型管（20）中油封的总体积以及平衡罐（21）油封上部罐体预留体积应大于取样器（7）的体积。

3.根据权利要求1所述的人工湿地基质中水质取样和溶解氧测量仪器，其特征在于：所述油封装置包括一端与上三通阀（13）相连通的U型管（20），U型管（20）的另一端与平衡罐（21）的底部相连通，顶端敞口的平衡罐（21）中盛装有油封；注样前油封的液位必须低于进气管（22）顶端高程，U型管（20）中油封的总体积以及平衡罐（21）油封上部罐体预留体积应大于取样器（7）的体积。

4.根据权利要求1所述的人工湿地基质中水质取样和溶解氧测量仪器，其特征在于：所述油封装置包括左侧与上三通阀（13）相连通的U型管（20），U型管（20）的右侧支管高为左侧支管高的2-4倍；U型管（20）中盛装有油封；注样前油封的液位必须低于进气管（22）顶端高程，U型管（20）右侧支管油封上部预留体积应大于取样器（7）的体积。

5.根据权利要求1或2或3或4任一项所述的人工湿地基质中水质取样和溶解氧测量仪器，其特征在于：所述进液孔（4）距离取样管（1）内壁下部的内螺纹顶端1-2mm。

6.根据权利要求5所述的人工湿地基质中水质取样和溶解氧测量仪器，其特征在于：所述支杆（5）顶部和底部的外螺纹长度分别与取样管（1）内壁上端和下端的内螺纹的长度相等。

7.根据权利要求6所述的人工湿地基质中水质取样和溶解氧测量仪器，其特征在于：所述支杆（5）的顶端安装有螺帽，底端设置有锥形的刃脚（6）。

8.根据权利要求7所述的人工湿地基质中水质取样和溶解氧测量仪器，其特征在于：所述支杆（5）和取样管（1）均由硬质材料制备而成，软管（8）的中部安装有锁止阀（9）。

9.一种人工湿地基质中水质取样和溶解氧测量方法，该方法利用权利要求1至8任一项所述的人工湿地基质中水质取样和溶解氧测量仪器来完成，其特征在于：它包括以下步骤：

步骤一、组装取样装置：将定位卡环（2）套在取样管（1）的外壁上，调整至定位卡环（2）底部圆盘（202）的下表面至进液孔（4）的高度与待取样深度相同，调整卡紧螺栓（203）将定位卡环（2）固定牢固；在支杆（5）外螺纹部位涂抹凡士林后，将支杆（5）与取样管（1）进行装配，支杆（5）下部的外螺纹与取样管（1）下部的内螺纹旋转装配至支杆（5）下部的外螺纹封堵住进液孔（4）后停止旋转；将取样器（7）和导流管（3）用软管（8）连接好，软管（8）的两端用管卡固定牢靠；

步骤二、取样：将取样管（1）垂直插入人工湿地基质床中，直至定位卡环（2）底部圆盘（202）的下表面与基质床表面相贴敷，此时取样管（1）下部的进液孔（4）对正取样位置，拉动取样器（7）的活塞，将取样管（1）腔体内的空气排出并锁紧软管（8）上的锁止阀（9）；再次旋转支杆（5）继续下转，直至进液孔（4）暴露于基质床水环境中，形成了从基质床水环境→进液孔（4）→取样管（1）腔体→导流管（3）→软管（8）→取样器（7）的封闭水流通道，避免了取样过程中水样与大气氧环境的接触；打开锁止阀（9）并匀速拉动取样器（7）的活塞，将水样吸入取样器（7）中；取样结束后，关闭锁止阀（9），将软管（8）与导流管（3）连接处的管卡打开，软管（8）从导流管（3）上取下，同时将软管（8）安装至注样针（10）的尾端；

步骤三、水样注入测量装置：将注样针（10）的前端插入至注样管（18）中，调整下三通阀（12）使注样管（18）与进样管（23）相连通，调整上三通阀（13）使进气管（22）与油封装置相连通，打开锁止阀（9），匀速缓慢推动取样器（7）的活塞，使取样器（7）中的水样进入水样检测管（11）内；注样结束后，拔出注样针（10）；

步骤四、溶解氧检测：开启氧电极（14），待检测数据跳跃显示稳定后，从数据采集仪（15）读取溶氧量数值，并根据需要输出数据；

步骤五、排水吹脱：水样检测完成后，调整下三通阀（12）使进样管（23）与排样管（19）相连通，在油封复位压差的作用下水样排出；排水结束后，调整上三通阀（13），使压缩氮气罐（16）与水样检测管（11）相连通，并释放压缩氮气对连接管路进行吹洗，将管壁上附着的水以及排水时逸入的空气吹脱干净；吹脱完成后调整下三通阀（12）使注样管（18）与水样检测管（11）保持连通，同时调整上三通阀（13），使水样检测管（11）与油封装置相连通，装置待机，以备再次进行水样的检测。

Images