CN116609124A - 一种水下取柱状泥样的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种水下取柱状泥样的装置及方法，属于取样装置技术领域，所述装置包括：钻机，所述钻机连接有取样管，且所述取样管上安装有三脚支撑设备；声呐，用于获取取样位置水深信息，根据所述取样位置水深信息控制所述取样管进行定位取样；张力检测仪，用于获取下吊钢索的张力信息，与下放钻机的钢索相连接。本发明在钻机取样的基础上配置了声呐测深系统和张力检测仪，可以准确地了解取样管到达水底的时间，提高取样效率；本发明可以精准地了解所取泥样深度及位置信息，提高对水下污染物传播路径分析的准确性；本发明为取样管配置了三脚支撑设备，可以有效避免水下取样管倾斜导致取不到样品的现象发生。

Description

一种水下取柱状泥样的装置及方法

技术领域

本发明涉及取样技术领域，尤其涉及一种水下取柱状泥样的装置及方法。

背景技术

水体和底泥之间存在着吸收和释放的动态平衡，当水体发生污染时，其中的污染物会通过这种动态平衡进入到底泥中，并根据底泥成分和结构以不同的速率向下传播，为了研究污染物在水中的分布区域、存在时间及传播路径，需要对水下底泥进行取样化验。

目前应用的水底取泥样装置大多是抓斗式、重力式和钻机取泥。抓斗采泥样的方法只能采集到比较表层的泥样，而且在取样的过程中对泥样的扰动较大，可能会破坏污染物在底泥中的分布情况；重力式采泥样的方法也是只能取到上层样品，如需获取更下层样品，则需要加大重力，装置携带不方便，无法精确控制取样深度，而且受水下地质条件约束较大；钻机式取泥可以控制取样深度和取样形状，并且对泥样的扰动较小，装置携带方便，但水深较深时，难以精确判断取样管底部是否接触水底，并且取样管容易发生倾斜现象，导致难以取到合适的样品。

发明内容

本发明克服了现有技术的不足，提供了一种水下取柱状泥样的装置及方法。

为达上述目的，本发明采用的技术方案为：

本发明第一方面提供了一种水下取柱状泥样的装置，所述装置包括：

钻机，所述钻机连接有取样管，且所述取样管上安装有三脚支撑设备；

声呐，用于获取取样位置水深信息，根据所述取样位置水深信息控制所述取样管进行定位取样；

张力检测仪，用于获取下吊钢索的张力信息，与下放钻机的钢索相连接。

进一步地，本发明的一个较佳实施例中，所述钻机于绞盘通过钢索上的封闭钩连接，且所述钢索上刻有刻度。

进一步地，本发明的一个较佳实施例中，所述取样管距底部10cm距离位置，内径逐渐增大，外径逐渐减小，整体底部呈削尖状态。

进一步地，本发明的一个较佳实施例中，所述取样管内部含有直径大于取样管内径的橡胶塞。

进一步地，本发明的一个较佳实施例中，所述取样管上设有三脚支撑设备，所述三脚支撑设备上安装有方圆盘，所述方圆盘的内部设置有若干均匀分布第二橡胶块，将所述三脚支撑设备卡在取样管上，并固定水下取样管。

进一步地，本发明的一个较佳实施例中，所述三脚支撑设备上还包括第一橡胶块以及支撑脚，所述支撑脚呈预设角度设置于所述方圆盘上，且所述支撑脚的底部上设置有第一橡胶块。

进一步地，本发明的一个较佳实施例中，所述支撑脚内部均安装有定滑轮，第一橡胶块的内部以及方圆盘内均安装有定滑轮，且所述第一橡胶块的外部下方位置设有凸起的按钮，按钮通过绳子连接三脚支撑设备内部的定滑轮，进而连接到方圆盘内的定滑轮，最终连接到第二橡胶块。

进一步地，本发明的一个较佳实施例中，所述支撑脚的尾部为尖端部。

进一步地，本发明的一个较佳实施例中，所述三脚支撑设备的设备尺度的选择根据取样水域的水深确定，其关系式满足一下公式：

；

其中，cf为设备材料抗弯折强度，ρ为水的密度，g为重力加速度，H为目标水深，为三脚支撑设备每只脚与竖直方向的夹角，h为三脚支撑设备每只脚的长度，其中/>的取值范围为/>。

本发明第二方面提供了一种水下取柱状泥样的方法，应用于任一项所述的一种水下取柱状泥样的装置，具体包括：

先利用声获得取样位置水深信息，根据水深信息转动绞盘，下放连接有取样管和三脚支撑设备的钻机；

对比绞盘上钢索上的刻度和声呐测深系统获得的水深信息，在取样管将要到达水底时，将张力检测仪安装到钢索上并放慢下放速度，张力检测仪数值发生突变时，停止下放，启动机器进行取样；

取样时拿下张力检测仪，待钢索刻度变化数值和所需样品深度接近时，停止钻机，并利用绞盘拉起取样器，获得柱状泥样。

本发明解决了背景技术中存在的缺陷，本发明具备以下有益效果：

本发明在钻机取样的基础上配置了声呐测深系统和张力检测仪，可以准确地了解取样管到达水底的时间，提高取样效率；

本发明可以精准地了解所取泥样深度及位置信息，提高对水下污染物传播路径分析的准确性；

本发明为取样管配置了三脚支撑设备，可以有效避免水下取样管倾斜导致取不到样品的现象发生；

本发明设置了不同尺度的三脚支撑设备，应用于不同深度的水域，最大程度确定取样装置不被破坏；

（5）本发明在取样管内部配置了橡胶塞子，保证了取样管的密封性，避免泥样在出水时因密封问题掉落。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他实施例的附图。

图1是本发明根据一个或多个实施方式的取样装置整体示意图；

图2是本发明根据一个或多个实施方式的取样器结构示意图；

图3是本发明根据一个或多个实施方式的张力检测仪及声呐示意图；

图4是本发明根据一个或多个实施方式的取样管结构示意图；

图5是本发明根据一个或多个实施方式的三脚支撑结构示意图；

图6是本发明根据一个或多个实施方式的钻机工作示意图。

图中：

1-钢索；2-封闭钩；3-绞盘；4-支架；5-钻机；6-钻机上圆环；7-三脚支撑设备；8-张力检测仪；9-把手；10-声呐；11-声呐显示器；12-取样管；13-橡胶塞；14-钻机下部分；15-孔洞；16-尖端部；17-方圆盘；18-支撑脚；19-第一橡胶块；20-尖角；21-按钮；22-定滑轮；23-第二橡胶块；24-钻机开关；25-钻机连接线。

具体实施方式

为了能够更加清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述，这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成，需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或隐含指明所指示的技术特征的数量。因此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明创造的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施方式。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。

实施例一，本实施例提供了一种水下取柱状泥样的装置，如图1到图6所示，包括支架4，钻机5，取样管12，三脚支撑设备7，首先将支架4固定在取泥样所需的水上移动设备上，通过封闭钩2与钻机5上的圆环6相连接，取样管12固定在钻机5上，三脚支撑设备7通过橡胶块17卡在取样管上，取得水下柱状泥样；

本实施例中，固定在取泥样所使用水上移动设备上的支架4上配有绞盘3，绞盘3通过螺丝钉固定在支架4的主体部分，绞盘3上缠有钢索1，钢索1上带有刻度，方便比较取样器下放深度与水深关系，钢索1最开始的位置配置有封闭钩2，封闭钩2连接取样器的钻机5上的圆环6；

本实施例中，支架4通过螺丝钉将底座与船底板相连，保证在取样过程中支架4保持不动；

本实施例中，取样器部分包括钻机5、取样管12和三脚支撑设备7。其中，取样管12距顶部2~3cm的位置打有三个孔洞15，孔洞15的位置三等分取样管12的外径，与钻机下半部分14上的孔洞15相吻合，取样前用三个螺丝深入孔洞15，固定好取样管12和钻机15的相对位置，并用胶带缠好，保证密封性；

进一步的，取样管12的内径要与钻机下部分14的外径大小一致，保证取样管12可以插到钻机下部分14上；

进一步的，取样管12打孔时要注意上部留白距离要与钻机下部分14上孔洞15距顶部位置保持一致，保证在将取样管12安装到钻机5上时，其孔洞位置可以对齐；

进一步的，取样管12中放有直径略大于取样管12内径的圆形橡胶塞13，橡胶塞13的厚度约1cm，平行放入取样管12中，为取样装置出水后的密封性作二次保证；

进一步的，用于取样管12与钻机下部分14连接的螺丝为单向螺丝，保证螺丝尺寸与孔洞尺寸一致，避免在取样过程中滑落；

进一步的，取样管12最底部10cm位置做成尖端部16（如图4所示），内径逐渐均匀增大，外径逐渐均匀减小，增加取样管12进入土层中的压强，提高取样效率；

本实施例中，通过声呐显示器11背后的插口，用相应的数据线分别连接声呐10和电池，打开声呐10的探头，将声呐10的竖杆通过绳子固定在水上移动设备的一侧，探头伸入水面下；

本实施例中，在取样器即将下放到水底时，停止下放取样器，将张力检测仪8卡在钢索1上，并旋紧把手9，保证检测仪可以紧紧卡在连接取样器的钢索上，并准确测出钢索1张力变化；

进一步的，张力检测仪8卡在钢索1上的位置为距支架4顶端定滑轮的位置，此时定滑轮距水面位置有2m左右，保证张力检测仪8在取样器继续下放过程中不会沉入水面。

其次，在本实施例中，三脚支撑设备7由顶部的方圆盘17和三只与方圆盘17呈一定角度的支撑脚18组成，在取样器下放之前，将取样管12放入方圆盘17内部，并依靠圆盘上的橡胶块23固定取样管12和三脚支撑设备7；

进一步的，三脚支撑设备7每只脚18的最底部10cm位置开始，向下越来越尖，呈现一种尖角20形状；

进一步的，三脚支撑设备7的每只支撑脚18距底部15cm位置有第一橡胶块19，第一橡胶块19的尺寸为长10cm，宽7.5cm，高5cm，与三脚支撑设备的每只支撑脚18紧密固定在一起，更好地稳定取样器；

进一步的，将取样管12放到三脚支撑设备上方圆盘17中时，取样管12的最底端位于低于三脚支撑设备底部的第一橡胶块19底部3cm的位置，保证三脚支撑设备7插入水底泥层中后，取样管12也进入泥层，避免取样管12在水下倾斜；

进一步的，三脚支撑装置底部的第一橡胶块19底部装有按钮21，在尖角20插入泥中后，按钮21受到推力，通过第一橡胶块19、三脚支撑设备每只支撑脚18及设备方圆盘17内部的连接拉扯，拉动方圆盘17内部的第二橡胶块23向外运动，使取样管12脱离三脚支撑设备的圆盘17，方便开始工作；

进一步的，第一橡胶块19、三脚支撑设备的每只支撑脚18及设备方圆盘17内部均固定有定滑轮22，共三个，定滑轮22通过钢条连接在设备内部；

进一步的，三脚支撑设备底部的第一橡胶块19内部的定滑轮22与按钮21相连接；

进一步的，三脚支撑设备底部的第一橡胶块19内部的定滑轮22远离三脚支撑设备的支撑脚18一侧固定有无弹性绳索，绳索一端固定在三脚支撑设备底部的第一橡胶块19上，依次绕过连接按钮21的定滑轮22、三脚支撑设备每只脚18上的定滑轮22及三脚支撑设备顶部圆盘17内部的定滑轮22，最终连接到圆盘上的第二橡胶块23上（如图5所示），当按钮21受到挤压时，连带着定滑轮22向上运动，绳索通过一系列定滑轮22作用，向外拉动圆盘上的第二橡胶块23，使取样管12和方圆盘17脱离；

进一步的，三脚支撑设备方圆盘17通过足够长的绳索与钻机5顶部的圆环6相连接，在未取样时绳索保持松弛状态，待取样结束后上提取样器时，将三脚支撑设备7一同拉起；

进一步的，三脚支撑设备的每只支撑脚18与竖直方向的角度和脚的尺寸要根据所取位置的水深确定，根据改进的物体抗弯折强度公式：

；

其中，fcf为设备材料抗弯折强度，ρ为水的密度，g为重力加速度，H为目标水深，θ为三脚支撑设备每只脚与竖直方向的夹角，h为三脚支撑设备每只脚的长度，其中的取值范围为/>。在较深水域时，三脚支撑设备的每只支撑脚18与竖直方向的夹角θ取较小值，长度相应增加，在较浅水域时，三脚支撑设备是每只支撑脚18与竖直方向的夹角θ取较大值，长度相应减小。通过本设置能够进一步提高取样时的精准性。

本实施例中，钻机5通过连接线25与开关24相连接，在下放取样器时，需要同时下放相应长度的钻机连接线25；

进一步的，钻机连接线25的长度要超出水深至少3m，保证取样器正常工作。

本实施例提供了一种水下取柱状泥样的方法，包括实施例一中所包含的设备。

首先利用声呐10测深系统获得取样位置水深信息，转动绞盘3，下放连接有取样管12和三脚支撑设备7的钻机5，开始时以较快速度下放取样器，对比绞盘5的钢索1上的刻度和声呐10测深系统获得的水深信息，在取样管12将要到达水底时，将张力检测仪8安装到钢索1上并放慢下放速度，张力检测仪8数值发生突变（减小）时，停止下放，启动机器进行取样；取样时拿下张力检测仪8，待钢索1刻度变化数值和所需样品深度接近时，停止钻机5工作，并利用绞盘3拉起取样器，获得柱状泥样。

综上所述，本发明在钻机取样的基础上配置了声呐测深系统和张力检测仪，可以准确地了解取样管到达水底的时间，提高取样效率；本发明可以精准地了解所取泥样深度及位置信息，提高对水下污染物传播路径分析的准确性；本发明为取样管配置了三脚支撑设备，可以有效避免水下取样管倾斜导致取不到样品的现象发生；本发明设置了不同尺度的三脚支撑设备，应用于不同深度的水域，最大程度确定取样装置不被破坏；本发明在取样管内部配置了橡胶塞子，保证了取样管的密封性，避免泥样在出水时因密封问题掉落。

在所述取样管内部可以固定安装有定位仪，使得本方法还可以包括以下步骤：

通过所述定位仪实时获取取样管所在的位置信息，并通过大数据获取当前取样位置的数字高程模型数据信息，构建虚拟场景模型；

获取当前取样管的外形轮廓尺寸信息，并根据所述取样管的外形轮廓尺寸信息通过三维软件构建取样管三维模型，将所述当前取样位置的数字高程模型数据信息输入到所述虚拟场景模型；

根据所述取样管所在的位置信息将所述取样管三维模型映射到所述虚拟场景模型中，生成取样三维模型，并获取当前预定的取样位置信息；

当取样管所在的位置信息到达当前预定的取样位置信息时，根据所述取样三维模型对所述当前预定的取样位置信息进行提示，生成提示信息，同时，当取样管所在的位置信息未到达当前预定的取样位置信息时，根据取样三维模型对所述当前预定的取样位置信息进行纠正提示，生成提示信息。

需要说明的是，数字高程模型数据信息为是用一组有序数值阵列形式表示地面高程的一种实体地面模型，是数字地形模型的一个分支，其它各种地形特征值均可由此派生。一般认为，DTM是描述包括高程在内的各种地貌因子，如坡度、坡向、坡度变化率等因子在内的线性和非线性组合的空间分布，其中DEM是零阶单纯的单项数字地貌模型，其他如坡度、坡向及坡度变化率等地貌特性可在DEM的基础上派生。数字高程模型可以反映取样位置的地形情况以及地层情况，就会形成一个河流-地层的三维模型结构，三维软件可以包括SolidWorks、UG、Maya等软件。通过本方法能够结合数字高程模型数据信息以及取样管三维模型，将取样过程进行可视化处理，使得在取样时能够根据实际情况进行取样设定，提高取样时的准确度。

此外，本方法还可以包括以下步骤：

通过数字高程模型获取待取样区域的地形结构信息，并获取当前取样水域的水流流向信息；

根据所述当前取样水域的水流流向信息以及待取样区域的地形结构信息预估泥样的沉积区域以及泥样的沉积深度信息；

根据所述泥样的沉积区域以及泥样的沉积深度信息构建泥样沉积的三维模型图，并根据所述泥样沉积的三维模型图获取泥样深度大于预设深度数据的泥样区域；

获取所述泥样深度大于预设深度数据的泥样区域的面积信息，判断所述面积信息是否大于取样器的横截面积，若所述面积信息大于取样器的横截面积，则选取该泥样的沉积区域作为取样区域进行推荐。

需要说明的是，通过本方法结合当前取样水域的水流流向信息以及待取样区域的地形结构信息预估泥样的沉积区域以及泥样的沉积深度信息，从而选择出最适合取样的区域，提高取样的成功率。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

以上依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定技术。

Claims (10)

1.一种水下取柱状泥样的装置，其特征在于，所述装置包括：

钻机，所述钻机连接有取样管，且所述取样管上安装有三脚支撑设备；

声呐，用于获取取样位置水深信息，根据所述取样位置水深信息控制所述取样管进行定位取样；

张力检测仪，用于获取下吊钢索的张力信息，与下放钻机的钢索相连接。

2.根据权利要求1所述的一种水下取柱状泥样的装置，其特征在于，所述钻机于绞盘通过钢索上的封闭钩连接，且所述钢索上刻有刻度。

3.根据权利要求1所述的一种水下取柱状泥样的装置，其特征在于，所述取样管距底部10cm距离位置，内径逐渐增大，外径逐渐减小，整体底部呈削尖状态。

4.根据权利要求1所述的一种水下取柱状泥样的装置，其特征在于，所述取样管内部含有直径略大于取样管内径的橡胶塞。

5.根据权利要求1所述的一种水下取柱状泥样的装置，其特征在于，所述取样管上设有三脚支撑设备，所述三脚支撑设备上安装有方圆盘，所述方圆盘的内部设置有若干均匀分布第二橡胶块，将所述三脚支撑设备卡在取样管上，并固定水下取样管。

6.根据权利要求5所述的一种水下取柱状泥样的装置，其特征在于，所述三脚支撑设备上还包括第一橡胶块以及支撑脚，所述支撑脚呈预设角度设置于所述方圆盘上，且所述支撑脚的底部上设置有第一橡胶块。

7.根据权利要求6所述的一种水下取柱状泥样的装置，其特征在于，所述支撑脚内部均安装有定滑轮，第一橡胶块的内部以及方圆盘内均安装有定滑轮，且所述第一橡胶块的外部下方位置设有凸起的按钮，按钮通过绳子连接三脚支撑设备内部的定滑轮，进而连接到方圆盘内的定滑轮，最终连接到第二橡胶块。

8.根据权利要求6所述的一种水下取柱状泥样的装置，其特征在于，所述支撑脚的尾部为尖端部。

9.根据权利要求1所述的一种水下取柱状泥样的装置，其特征在于，所述三脚支撑设备的设备尺度的选择根据取样水域的水深确定，其关系式满足一下公式：

；

其中，fcf为设备材料抗弯折强度，ρ为水的密度，g为重力加速度，H为目标水深，为三脚支撑设备每只脚与竖直方向的夹角，h为三脚支撑设备每只脚的长度，其中/>的取值范围为/>。

10.一种水下取柱状泥样的方法，其特征在于，应用于权利要求1-9任一项所述的一种水下取柱状泥样的装置，具体包括：

先利用声呐获得取样位置水深信息，根据水深信息转动绞盘，下放连接有取样管和三脚支撑设备的钻机；

对比绞盘上钢索上的刻度和声呐测深系统获得的水深信息，在取样管将要到达水底时，将张力检测仪安装到钢索上并放慢下放速度，张力检测仪数值发生突变时，停止下放，启动机器进行取样；

取样时拿下张力检测仪，待钢索刻度变化数值和所需样品深度接近时，停止钻机，并利用绞盘拉起取样器，获得柱状泥样。