CN112068141A - 一种深海多金属结核开采沉积物环境监测装置 - Google Patents

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Abstract

本发明属于深海表层矿物开采沉积物扰动长期原位监测技术领域，涉及一种深海多金属结核开采沉积物环境监测装置。监测系统设置有多普勒流速剖面仪，自然电位探杆，浊度计，水下相机。本发明可实现沉积物扰动的长期原位观测，可实现探杆类设备的机械回收，无需大型机械装置，减少了回收设备的整体重量，增加了设备回收成功的概率。相较于现有的海底长期原位观测设备，其更环保、高效、节能、可靠。

Description

一种深海多金属结核开采沉积物环境监测装置
技术领域
本发明属于深海表层矿物开采沉积物扰动长期原位监测技术领域，涉及一种深海多金属结核开采沉积物环境监测装置。
背景技术
随着陆地资源的消耗，人们将目光逐渐转向了海洋。地球70%的面积被海洋所覆盖，而海洋中有15%的面积覆盖有多金属结核。多金属结核赋存于海底沉积物的表面，水深多超过4500米。资源储量丰富，被认为是未来最具有商业开采价值的深海矿产资源。
目前还未进行商业化开采的主要原因有两点：一是开采技术，二是环境影响。对于多金属结核开采环境影响监测方面，就多金属结核的赋存状态而言，开采对于其表层沉积物扰动的监测无疑是非常重要的。但目前的环境监测多聚焦在水体环境的监测上，目前对于沉积物的长期原位监测装置较少，且目前的监测装置还不足以满足这种深海长期原位观测的需求。
发明内容
本发明针对传统沉积物的长期原位监测装置较少的问题提出一种新型的深海多金属结核开采沉积物环境监测装置。
为了达到上述目的，本发明是采用下述的技术方案实现的：
原位监测装置，包括监测系统、回收系统和支撑系统。所述监测系统包括声学多普勒剖面仪、自然电位探杆、浊度计、水下相机，所述的声学多普勒流速剖面仪有两台通过螺丝固定于回收架的左侧，一台高频的向下测底层水体流速，一台低频的向上测上层水体流速，从而覆盖整个海床上部50米范围内的所有水体流速。所述的自然电位探杆高1.8米通过抱箍固定于回收架的右侧，底部有10厘米高金属底锥，顶部有20厘米高采集舱，所述采集舱顶部有吊环下部有2厘米高的凹槽，中间为电极间距2厘米的杆体，电极均匀分布有多个，所述的电极为固态环形参比电极（与申请号2019108263949中的固态环形参比电极材料相同）；所述回收系统包括回收架、浮球、信标、声学释放器、发条，所述的支撑系统包括支撑架、止位盘。所述的浮球通过螺丝固定于回收架的顶部，每个浮球提供浮力约25 kg，具体浮球数量根据搭载设备总重量可适当调整。所述的信标通过螺丝固定于回收架的顶部，顶部高度超过浮球且保证无其它物体遮挡。所述的声学释放器有两台通过螺丝固定在回收架的中部左右两边各一台，所述声学释放器的顶部要避免有其它物体遮挡，保证通讯畅通。所述的发条为316材质可提供20-50 kg的拉力，拉力大小可根据发条拉出的长短进行调整。
监测系统中的监测设备都通过抱箍和螺丝固定在回收系统的回收架上，所述的回收架放置于支撑系统的支撑架上，由铁链连接，铁链穿过支撑架顶部螺栓，两端固定于回收系统中声学释放器的钩上。
声学多普勒流速剖面仪用于测量监测装置上方海流剖面数据，所述的自然电位探杆用于测量监测装置下方水体中固体悬浮颗粒浓度、海床界面位置、沉积物孔隙度及氧化还原电位，所述的浊度计用于测量单点的海水浊度用以校正自然电位探杆测试结果，所述的水下相机自带灯光可记录水体中固体悬浮颗粒的真实情况。
进一步地，所述的浮球用于为回收系统提供浮力，所述的信标用于回收后装置在海面上的定位，所述的声学释放器用于回收系统与支撑系统间链条的释放，及自然电位探杆回收处卡扣的释放，所述的卡扣释放后，自然电位探杆不再受其他力的约束，此时只受到发条产生的拉力，所述的发条产生的拉力通过滑轮改变方向为自然电位探杆的提拔提供拉力。
进一步地，所述的支撑架底部装有止位盘，不仅提供配重效果还能减缓设备的沉降。止位盘中部挖有孔洞（通孔），作用是装置下降时减少阻力。
深海多金属结核开采表层沉积物扰动长期原位监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）将观测系统所需监测设备安装至预定位置并进行以下三步操作：一.通过链条将回收系统与支撑系统连接（铁链穿过支撑架顶部螺栓，两端固定在声学释放器上）；二.拉紧发条至卡扣位置销紧，使用线缆连接销栓至声学释放器；三.提升自然电位探杆并通过线缆连接至科考船吊机吊钩。
2）装置由科考船吊机吊放至海底，此时探杆处于拉紧提升状态，装置脱钩时连接自然电位探杆的线缆随之脱下，此时探杆在自身重力作用下向下贯入沉积物中。
3）探杆上部带有凹槽，回收装置底部带有卡扣，卡扣由弹簧拉紧，当探杆下落至卡扣与凹槽重合时，卡扣塞入凹槽中探杆停止下落，完成贯入过程，贯入深度约50厘米。
4）此时监测系统各项设备开启，进行监测工作。监测工作完成后，由甲板单元向声学释放器发布释放命令，为了避免一台释放器出现故障无法完成释放工作，声学释放器设置有两台，两台并联，均固定在回收架中部。此时回收系统与支撑系统断开连接，拉紧发条的销栓断开，发条产生的拉力将探杆从沉积物中拔出提升，提升至上部带有卡扣的位置再次将探杆固定；此时所有的观测装置在浮力的作用下上浮至海面，信标发出定位信息完成装置的回收。
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：
本发明所述的深海多金属结核开采表层沉积物扰动长期原位监测装置与方法，可实现沉积物扰动的长期原位观测，从海床面以下50厘米以浅沉积物孔隙度、氧化还原电位、侵蚀淤积过程，到海床面以上水体流速剖面、水体中固体悬浮颗粒浓度、浊度，再悬浮颗粒在水体中的运移状态等参数。并可实现探杆类设备的机械回收，无需大型机械装置，减少了回收设备的整体重量，增加了设备回收成功的概率。相较于现有的海底长期原位观测设备，其更环保、高效、节能、可靠。
附图说明
图1为本发明装置布放前整体示意图；
图2为本发明布放到海底时自然电位探杆贯入流程示意图；
图3为本发明装置完成布放在海底工作时的示意图；
图4为装置在海底回收时探杆拔出回收系统脱钩示意图；
图5为监测装置上浮到海面时的示意图。
各附图标记为：101为向上的声学多普勒剖面仪，1012为向下的声学多普勒剖面仪，102为单点浊度计，103为水下摄像机，104为自然电位探杆，1041为探杆凹槽；201为回收架，202为浮球，203为声学释放器，204为信标，205为发条；3为支撑架，4为科考船吊机吊钩，5为铁链，6为螺栓，7为卡扣，8为缆绳，9为滑轮，10为橡胶套筒。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合具体实施例对本发明做进一步说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明并不限于下面公开说明书的具体实施例的限制。
实施例1
1）参考图1所示为监测装置整体示意图。将监测系统所需监测设备向上的声学多普勒流速剖面仪101、向下的声学多普勒流速剖面仪1012、浊度计102、水下摄像机103、自然电位探杆104等安装至回收架下部位置，各设备自带存储功能将所有监测数据存储到自带的SD卡中，装置回收后进行数据处理。另安装前需对各设备按监测需求进行常规参数设置，安装过程中平均分配重量，使回收系统重心保持在回收架中心，安装监测设备需保证其上下无其它物体遮挡影响监测效果，各设备的位置排序无特殊要求。除自然电位探杆外，其余各监测设备均用抱箍及螺栓固定锁紧，探杆则是用5厘米高的橡胶套筒10进行限制，探杆穿越套筒，套筒直径大于杆体直径小于采集舱直径可使探杆自上而下运动但不会掉出，且橡胶材料具有一定的减震效果。橡胶套筒上部为卡扣7，卡扣7张开状态收橡胶套筒的限制无法移动，扣紧状态时不受橡胶套筒位移限制。
2）安装回收系统的各设备，将声学释放器203使用螺丝固定到回收架的中部，左右两边各一台，释放钩处于打开状态；将浮球202使用螺丝固定到回收架的上部及侧壁，注意固定的过程中不能影响监测的正常使用，另将信标204固定于回收架的顶部，高度超出浮球，并保证无其它物体遮挡；最后将发条205固定于回收架的底部横杆上，滑轮9固定于回收架的中部横杆上，且与探杆连接线缆从发条205绕过滑轮9连接至回收架下部横杆上的卡扣7处，发条拉距的长短可根据预计布放区海底沉积物的力学性质、探杆重量进行估算，拉距越大产生的拉力越大，发条估算拉力可按下述公式计算：
估算发条拉力=探杆水中重量+探杆插入沉积物中的测摩阻力，其中探杆水中的重量采用计算得到，探杆插入沉积物中的摩擦阻力通过预先测量得到。
3）在设备的固定过程中涉及到的线缆连接，主要包括三个方面：一是通过链条5将回收系统与支撑系统连接，链条5穿过支撑架顶部的螺栓6，两端钩在回收架中声学释放器203上；与此同时，用线缆通过滑轮一端拉紧卡扣7的端部，一端连接至声学释放器203，再将声学释放器锁紧调整至工作待机状态，如图2中所示，当探杆贯入沉积物中卡扣处于卡紧状态时，橡胶套筒将不限制其位移，卡扣此时仅在线缆拉力作用下保持拉紧状态；最后用线缆绕过滑轮9一端连接至探杆顶部吊环，一端连接至科考船吊机吊钩4，提升自然电位探杆至采集舱位于回收架上部横杆位置停止，并使连接线缆处于拉紧状态，从而完成连接。
4）将安装连接好的装置由科考船吊机吊放至海底，此时探杆104处于拉紧提升状态，装置脱钩时连接自然电位探杆的线缆8随之脱下，此时探杆在自身重力作用下向下贯入沉积物中，卡扣7的双轮起到限制其位置又能减缓其向下的冲力。
5）探杆104上部带有凹槽1041，回收装置底部带有卡扣7，卡扣由弹簧拉紧，当探杆104下落至卡扣7与凹槽1041重合时，卡扣7塞入凹槽1041中探杆104停止下落，完成贯入过程，贯入深度约50厘米。
6）此时监测系统各项设备开启，进行监测工作；监测工作完成后，由甲板单元向声学释放器203发布释放命令，此时回收系统与支撑系统间的铁链5断开连接，拉紧卡扣7的线缆断开连接，发条205产生的拉力直接作用到104探杆上产生向上的拉力，该拉力将探杆从沉积物中拔出提升，提升至上部带有卡扣的位置再次将探杆104固定；此时所有的观测装置在浮力的作用下上浮至海面，信标204发出定位信息完成装置的回收。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种深海多金属结核开采沉积物环境监测装置,包括装置本体，其特征在于，所述装置本体包括监测系统，所述监测系统设置有
多普勒流速剖面仪：用于测量监测装置上方海流剖面数据；
自然电位探杆：用于测量监测装置下方水体中固体悬浮颗粒浓度、海床界面位置、沉积物孔隙度及氧化还原电位；
浊度计：用于测量单点的海水浊度用以校正自然电位探杆测试结果；
水下相机：自带灯光用于记录水体中固体悬浮颗粒的真实情况。
2.根据权利要求1所述深海多金属结核开采沉积物环境监测装置,其特征在于，所述装置本体还包括回收系统和支撑系统，所述回收系统包括回收架、声学释放器；所述支撑系统包括支撑架，回收架放置于支撑架上，由铁链连接，铁链穿过支撑架顶部螺栓，两端固定在声学释放器上。
3.根据权利要求2所述深海多金属结核开采沉积物环境监测装置,其特征在于，所述回收系统还包括浮球、发条和信标，所述浮球和信标固定在回收架顶部，信标高度高于浮球，所述发条为提供20-50kg拉力的316不锈钢材质，发条伸出的一端连接到自然电位探杆上并处于拉紧状态，另一端固定在回收架的横杆上。
4.根据权利要求1所述深海多金属结核开采沉积物环境监测装置,其特征在于，所述支撑系统还包括止位盘，所述止位盘为圆形316材质的圆盘，中部挖有通孔。
5.根据权利要求1所述深海多金属结核开采沉积物环境监测装置,其特征在于，所述自然电位探杆底部设置有金属底锥，顶部设置有采集舱，中部设置间距2厘米的多个固态环形参比电极。
6.根据权利要求1所述深海多金属结核开采沉积物环境监测装置,其特征在于，所述固态环形参比电极以钛合金为骨架，表面均匀涂抹厚度0.1-1mm的石墨烯，涂抹后置于烤箱中150℃下保持30分钟制得。
7.根据权利要求1所述深海多金属结核开采沉积物环境监测装置,其特征在于，所述多普勒剖面仪设置有两台，其中一台为高频用于向下测底层水体流速，另一台低频用于向上测上层水体流速。
8.根据权利要求1所述深海多金属结核开采沉积物环境监测装置,其特征在于，所述声学释放器有两台，均固定在回收架中部。
9.根据权利要求1所述深海多金属结核开采沉积物环境监测装置,其特征在于，所述探杆上部设置有凹槽，回收架下部对应凹槽设置有弹簧拉紧的卡扣，卡扣连接线缆并通过滑轮连接至声学释放器的挂钩上。
10.根据权利要求1所述深海多金属结核开采沉积物环境监测装置,其特征在于，所述探杆外部设置有直径介于自然电位探杆和采集舱之间的橡胶套筒。
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