CN113049313B - 一种适用于滩浅海的水土联合取样器及方法 - Google Patents

Abstract

一种适用于滩浅海的水土联合取样器及方法，包括框架中央的采水控制装置，步进电机的传动轴穿过上支撑板，并带动传动板及其下表面的挡块；控制杆穿过支撑板的穿孔，并通过挂钩挂在支撑板表面，挡块与控制杆上端的挂钩处于同一圆环内，在不同水深度下拨动控制杆，以达采水目的；采水瓶设有上下两个瓶盖，由穿过采水瓶内部的橡皮筋连接在一起；三叉渔线其中两端分别系于两个瓶盖顶部，剩余一端扣在控制杆上；采泥装置包括支撑杆、活塞、采泥管。方法包括根据海水压力，当到达规定采水层位时，步进电机使控制杆滑脱，进而使采水瓶封闭以取水；依靠重力将采泥管压入海床表面进行土壤采样。本发明创新性的将卡盖式采水器与采泥管配套使用，原理结构简单，操作方便快捷。本发明集成了采水和采泥两个功能，实现采水过程中同步采取海底表层柱状样，节约船时。

Description

一种适用于滩浅海的水土联合取样器及方法

技术领域

本发明涉及一种取样器，具体涉及一种适用于滩浅海的水土联合取样器及方法。

背景技术

随着我国海洋事业飞速发展，近海海洋工程活动越发频繁，研究河海口泥沙运移、海底沉积物性质等尤其重要。研究河海口泥沙运移方法有现场采水、原位观测等诸多方法，最简单、最直接方法为原位采水，目前国内外近海采水方法多样，如美国早期的Niskin采样器，主要分为卡盖式采水器和球阀式采水器，适用于湖泊和较为平静的海域，对水流要求较为苛刻，难以在黄河口水动力强烈海域使用，并且以缆绳测距易受潮流影响难以获取固定水层的水样；而结合大型CTD玫瑰型采水器的船载CTD采水器，体积庞大、价格昂贵对水深要求较为严格，不适用于滩浅海取样。

另一方面，海底沉积物性质的研究方法有原位静力触探、柱状样分析等。原位静力触探设备受诸如海况、水深等方面的巨大影响，同时设备昂贵、结构复杂，运用范围较为狭窄；而柱状样分析成为目前分析海底沉积物性质最为广泛、适用的方法，但柱状样也有其局限性，针对黄河口存在“铁板砂”现象，表层0-1m的沉积物柱状样含黏量较少，其与钻探杆内壁摩擦力难以支撑其下降的重力，从而使传统的钻探取样难以获取表层0-1m的沉积物样品，因此急需解决该类工程及科学问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种适用于滩浅海的水土联合取样器及方法，以克服现有技术的不足。

一种适用于滩浅海的水土联合取样器，其特征是包括由多个竖向支撑管支撑的圆柱形框架，支撑管底部带支撑底座、上部有垂直导轨，所述框架侧面设有多对固定杆，每对固定杆自上而下分别是上固定杆和下固定杆，上、下固定杆向外一侧为球形端，所述球形端嵌入垂直导轨内部，并可带动框架沿垂直导轨上下移动；该框架中央设有采水控制装置，其包括控制杆、用于检测采水深度的压力传感器、固定于上支撑板上方的步进电机；所述上支撑板通过多个支撑架而安装在框架的中央；步进电机的传动轴穿过上支撑板而与上支撑板下方的传动板相连，并带动传动板及其下表面的挡块转动；传动板下方依次有支撑板和下支撑板，支撑板和下支撑板上均设有多个穿孔；所述控制杆上端设有挂钩、下部套有弹簧、底端设有弹簧的挡台；

控制杆穿过下支撑板的穿孔，使弹簧位于下支撑板底面与挡台之间，控制杆上端穿过支撑板的穿孔，并通过挂钩挂在支撑板表面，所述挡块与控制杆上端的挂钩处于同一圆环内，在不同水深度下拨动控制杆，以达采水目的；框架内还固定有多个采水瓶，采水瓶设有上下两个瓶盖、侧面自上而下设有泄压阀和取水阀，两个瓶盖的盖底中心处由穿过采水瓶内部的橡皮筋连接在一起；并有一三叉渔线，其中的两端分别系于两个瓶盖顶部，剩余一端为圆环状，并扣在控制杆位于支撑板和下支撑板之间的部分上；泄压阀位于采水瓶上部，用于采水后取水过程中保持采水瓶内外大气压平衡，以保证下部取水阀的海水快速流出；取水阀位于采水瓶下部，用于取海水样品；所述采水控制装置底部还设有采泥装置，其包括安装在所述下支撑板下表面中心位置处的采泥支撑杆，采泥支撑杆下端设有带轴向排水孔的圆柱形活塞，所述活塞位于采泥管内部，采泥管上部侧壁设有径向排水孔，轴向排水孔和径向排水孔相互连通时用于采沉积物样品时排除采泥管内部的海水；有一内径小于活塞直径的上限位环设置在采泥管内部高于活塞的位置，以阻挡采样过程中由于海底沉积物对采泥管的摩擦力导致活塞从采泥管上端脱落；还有一内径小于活塞直径的下限位环设置在采泥管内部低于活塞的位置，采样时所述活塞给予下限位环向下的作用力，以使采泥管被压入海底沉积物中。

发明优点

本发明创新性的将卡盖式采水器与采泥管配套使用，原理结构简单，操作方便快捷。

本发明集成了采水和采泥两个功能，实现采水过程中同步采取海底表层柱状样，节约船时，同时联合取样器步进电机上所携带的压力计可精确定位所采水水样的层位，为准确测定海面至海底的海水悬浮泥沙浓度垂直剖面提供可能；带孔采泥管与活塞在取样前后的特殊位置关系提供负压而保证表层沉积物柱状样不发生漏样等现象；特殊的垂直导轨结构可获取的沉积物柱状样垂直于海床表面而不发生倾斜，以保证沉积物样品的代表性

在针对黄河口滩浅海水土取样的实践过程中，本发明实现了以下效果：

1、在黄河口滩浅海水文地质调查中，实现采水和采泥过程同步完成，减少出海船时占用；

2、本发明设计的特殊采泥管和活塞结构，可解决黄河口滩浅海海底表层沉积物在采柱状样过程中漏样问题；

3、本发明设计的特殊垂直轨道和支撑底座，可获得垂直于海底表层沉积物柱状样，同时可保证采水、采泥装置不发生倾覆。

附图说明

图1本发明的主视图。

图2本发明的俯视图。

图3本发明的采泥管与其中一个采水瓶的示意图。

图4本发明的采泥机构的剖面立体图。

图5本发明的传动机构示意图。

图6本发明的挡块、弹簧、挂钩关系示意图。

图7本发明的立体图。

图8本发明的支撑底座与固定杆关系图。

图9本发明的采水瓶简易图。

图10本发明的控制杆、挂钩、弹簧组成的卡梢示意图。

其中，101上环形支撑架， 102支撑架， 103垂直支撑杆，104上固定杆，105采水瓶卡箍，106下环形支撑架，107垂直导轨，108支撑底座，109下固定杆，支撑管110；

201瓶盖，202橡皮筋，203渔线，204泄压阀，205采水瓶，206取水阀；

301步进电机，302压力传感器，303上支撑板，304传动轴，305传动板，306挡块，307控制杆，308穿孔，309支撑板，310下支撑板，311弹簧，312支撑杆，313上限位环，314活塞，315径向排水孔，316下限位环，317采泥管，318挂钩。

具体实施方式

如图1-10所示，一种适用于滩浅海的水土联合取样器，其特征是包括由多个竖向支撑管110支撑的圆柱形框架（可由上环形支撑架101、垂直支撑杆103、下环形支撑架106构成），支撑管110底部带支撑底座108、上部有垂直导轨107；所述框架侧面设有多对固定杆，每对固定杆自上而下分别是上固定杆104和下固定杆109，上、下固定杆104、109向外一侧为球形端，所述球形端嵌入垂直导轨107内部，并可带动框架沿垂直导轨107上下移动；该框架中央设有采水控制装置，其包括控制杆307、用于检测采水深度的压力传感器302、固定于上支撑板303上方的步进电机301；所述上支撑板303通过多个支撑架102而安装在框架的中央；步进电机301的传动轴304穿过上支撑板303而与上支撑板303下方的传动板305相连，并带动传动板305及其下表面的挡块306转动；传动板305下方依次有支撑板309和下支撑板310，支撑板309和下支撑板310上均设有多个穿孔308；所述控制杆307上端设有挂钩318、下部套有弹簧311、底端设有弹簧311的挡台；控制杆307穿过下支撑板310的穿孔308，使弹簧311位于下支撑板310底面与挡台之间，控制杆307上端穿过支撑板309的穿孔308，并通过挂钩318挂在支撑板309表面，所述挡块306与控制杆307上端的挂钩318处于同一圆环内，在不同水深度下拨动控制杆307，以达采水目的；框架内还固定有多个采水瓶205（可由采水瓶卡箍105固定），采水瓶205设有上下两个瓶盖201、侧面自上而下设有泄压阀204和取水阀206，两个瓶盖201的盖底中心处由穿过采水瓶205内部的橡皮筋202连接在一起；并有一三叉渔线203，其中的两端分别系于两个瓶盖201顶部，剩余一端为圆环状，并扣在控制杆307位于支撑板309和下支撑板310之间的部分上；泄压阀204位于采水瓶201上部，用于采水后取水过程中保持采水瓶201内外大气压平衡，以保证下部取水阀206的海水快速流出；取水阀206位于采水瓶205下部，用于取海水样品；所述采水控制装置底部还设有采泥装置，其包括安装在所述下支撑板310下表面中心位置处的采泥支撑杆312，采泥支撑杆312下端设有带轴向排水孔的圆柱形活塞314，所述活塞314位于采泥管317内部，采泥管317上部侧壁设有径向排水孔315，轴向排水孔和径向排水孔315相互连通时用于采沉积物样品时排除采泥管317内部的海水；有一内径小于活塞314直径的上限位环313设置在采泥管内部高于活塞314的位置，以阻挡采样过程中由于海底沉积物对采泥管的摩擦力导致活塞314从采泥管317上端脱落；还有一内径小于活塞314直径的下限位环316设置在采泥管内部低于活塞314的位置，采样时所述活塞314给予下限位环316向下的作用力，以使采泥管317被压入海底沉积物中。

本发明的水土联合取样器进行联合取样的方法如下：

1）在框架两端绑上两条凯夫拉缆，并连接于船载绞车钢缆之上；

2）将采水瓶205两端的采水瓶瓶盖201打开，将渔线203圆环状一端环扣在位于支撑板309和下支撑板310之间的控制杆307上，使渔线203绷紧，并将控制杆307上端的挂钩318通过弹簧311的弹力卡在支撑板309上表面（弹簧311在采水瓶打开时是受到压缩的，弹簧压缩的弹力作用在控制杆307底部上表面，从而使控制杆307受到向下的拉力，而控制杆307上端焊接有挂钩318，并钩挂在支撑板309上表面）；

3）调节步进电机301带动传动轴304、传动板305及挡块306转动，使挡块306转动到与支撑板309上表面控制杆307的挂钩318紧密接触；

4）入水前打开压力传感器302，根据海水压力确定采水层位，下放联合取样器，当到达规定采水层位时，压力传感器302将压力数据反馈给步进电机301；

5）步进电机301接受指令并开始转动（以附图的六组采水瓶205为例，步进电机301每次旋转60°），转动过程中，与其一同转动的挡块306会拨动控制杆307，控制杆307上部的挂钩318在挡块306和弹簧311的作用下从支撑板309的穿孔308中滑脱；滑脱的控制杆307不再提供给绷紧的渔线203拉力，从而不再使渔线203环扣在控制杆307上；

6）渔线203滑落后 ，两瓶盖201顶端失去向外的拉力，两瓶盖201在底部的橡皮筋202的作用下导致瓶盖合上，使预定层位的海水封存与采水瓶205中；

7）每到一个设定的深度时，步进电机301重复步骤5），下一个采水瓶205以步骤6）的方式取水（根据附图所示可设定6个层位的取样工作），直至所有采水瓶205取水完成，之后继续下放联合取样器；

8）当支撑底座108着陆海床时，上固定杆104的球形端沿垂直导轨107向下运动，依靠联合取样器自生重力通过活塞314将采泥管317压入海床表面进行土壤采样，同时海水通过径向排水孔315与活塞的轴向排水孔排出；

9）采样完成后，船载绞车通过凯夫拉缆将联合取样器提升，此时由于海底沉积物的摩擦力会导致采泥管317滞留在土层中；当活塞314上升至其上表面接触到上限位环313下表面时，会给上限位环313一个向上的力，同时由于活塞314的向上移动，径向排水孔315与轴向排水孔发生错位而使采泥管上部密封形成真空，紧紧吸住采泥管下部的沉积物柱状样，带动柱状样与采泥管一同向上提升；

10）通过船载绞车将联合采样器提升至甲板后，先将采泥管314取下，并用活塞314将沉积物柱状样挤出；柱状样品取出后，打开采水瓶205上部泄压阀204，以保证采水瓶内部大气压与大气大气压相同，同时打开取水阀206并采集水样。

Claims (2)

1.一种适用于滩浅海的水土联合取样器，其特征是包括由多个竖向支撑管（110）支撑的圆柱形框架，支撑管（110）底部带支撑底座（108）、上部有垂直导轨（107），

所述框架侧面设有多对固定杆，每对固定杆自上而下分别是上固定杆（104）和下固定杆（109），上、下固定杆（104、109）向外一侧为球形端，

所述球形端嵌入垂直导轨（107）内部，并可带动框架沿垂直导轨（107）上下移动；

该框架中央设有采水控制装置，其包括控制杆（307）、用于检测采水深度的压力传感器（302）、固定于上支撑板（303）上方的步进电机（301）；所述上支撑板（303）通过多个支撑架（102）而安装在框架的中央；步进电机（301）的传动轴（304）穿过上支撑板（303）而与上支撑板（303）下方的传动板（305）相连，并带动传动板（305）及其下表面的挡块（306）转动；

传动板（305）下方依次有支撑板（309）和下支撑板（310），支撑板（309）和下支撑板（310）上均设有多个穿孔（308）；

所述控制杆（307）上端设有挂钩（318）、下部套有弹簧（311）、底端设有弹簧（311）的挡台；

控制杆（307）穿过下支撑板（310）的穿孔（308），使弹簧（311）位于下支撑板（310）底面与挡台之间，控制杆（307）上端穿过支撑板（309）的穿孔（308），并通过挂钩（318）挂在支撑板（309）表面，

所述挡块（306）与控制杆（307）上端的挂钩（318）处于同一圆环内，在不同水深度下拨动控制杆（307），以达采水目的；

框架内还固定有多个采水瓶（205），采水瓶（205）设有上下两个瓶盖（201）、侧面自上而下设有泄压阀（204）和取水阀（206），两个瓶盖（201）的盖底中心处由穿过采水瓶（205）内部的橡皮筋（202）连接在一起；并有一三叉渔线（203），其中的两端分别系于两个瓶盖（201）顶部，剩余一端为圆环状，并扣在控制杆（307）位于支撑板（309）和下支撑板（310）之间的部分上；

所述采水控制装置底部还设有采泥装置，其包括安装在所述下支撑板（310）下表面中心位置处的采泥支撑杆（312），采泥支撑杆（312）下端设有带轴向排水孔的圆柱形活塞（314），所述活塞（314）位于采泥管（317）内部，采泥管（317）上部侧壁设有径向排水孔（315）；有一内径小于活塞（314）直径的上限位环（313）设置在采泥管（317）内部高于活塞（314）的位置，以阻挡采样过程中由于海底沉积物对采泥管的摩擦力导致活塞（314）从采泥管（317）上端脱落；当活塞（314）上升至其上表面接触到上限位环（313）下表面时，给上限位环（313）一个向上的力，同时由于活塞（314）的向上移动，径向排水孔（315）与轴向排水孔发生错位而使采泥管（317）上部密封形成真空，紧紧吸住采泥管（317）下部的沉积物柱状样，带动柱状样与采泥管（317）一同向上提升；还有一内径小于活塞（314）直径的下限位环（316）设置在采泥管内部低于活塞（314）的位置，采样时所述活塞（314）给予下限位环（316）向下的作用力，以使采泥管（317）被压入海底沉积物中。

2.利用权利要求1所述的水土联合取样器进行联合取样的方法，其特征是包括以下步骤：

1）在框架两端绑上两条凯夫拉缆，并连接于船载绞车钢缆之上；

2）将采水瓶（205）两端的采水瓶瓶盖（201）打开，将渔线（203）圆环状一端环扣在位于支撑板（309）和下支撑板（310）之间的控制杆（307）上，使渔线（203）绷紧，并将控制杆（307）上端的挂钩（318）通过弹簧（311）的弹力卡在支撑板（309）上表面；

3）调节步进电机（301）带动传动轴（304）、传动板（305）及挡块（306）转动，使挡块（306）转动到与支撑板（309）上表面控制杆（307）的挂钩（318）紧密接触；

4）入水前打开压力传感器（302），根据海水压力确定采水层位，下放联合取样器，当到达规定采水层位时，压力传感器（302）将压力数据反馈给步进电机（301）；

5）步进电机（301）接受指令并开始转动，转动过程中，与其一同转动的挡块（306）会拨动控制杆（307），控制杆（307）上部的挂钩（318）在挡块（306）和弹簧（311）的作用下从支撑板（309）的穿孔（308）中滑脱；滑脱的控制杆（307）不再提供给绷紧的渔线（203）拉力，从而不再使渔线（203）环扣在控制杆（307）上；

6）渔线（203）滑落后 ，两瓶盖（201）顶端失去向外的拉力，两瓶盖（201）在底部的橡皮筋（202）的作用下导致瓶盖合上，使预定层位的海水封存与采水瓶（205）中；

7）每到一个设定的深度时，步进电机（301）重复步骤5），下一个采水瓶（205）以步骤6）的方式取水，直至所有采水瓶（205）取水完成，之后继续下放联合取样器；

8）当支撑底座（108）着陆海床时，上固定杆（104）的球形端沿垂直导轨（107）向下运动，依靠联合取样器自身重力通过活塞（314）将采泥管（317）压入海床表面进行土壤采样，同时海水通过径向排水孔（315）与活塞的轴向排水孔排出；

9）采样完成后，船载绞车通过凯夫拉缆将联合取样器提升，此时由于海底沉积物的摩擦力会导致采泥管（317）滞留在土层中；当活塞（314）上升至其上表面接触到上限位环（313）下表面时，会给上限位环（313）一个向上的力，同时由于活塞（314）的向上移动，径向排水孔（315）与轴向排水孔发生错位而使采泥管（317）上部密封形成真空，紧紧吸住采泥管（317）下部的沉积物柱状样，带动柱状样与采泥管（317）一同向上提升；

10）通过船载绞车将联合采样器提升至甲板后，先将采泥管（317）取下，并用活塞（314）将沉积物柱状样挤出；柱状样品取出后，打开采水瓶（205）上部泄压阀（204），以保证采水瓶内部大气压与大气大气压相同，同时打开取水阀（206）并采集水样。

Images