CN118150253A - 一种湖泊生态环境监测采样装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种湖泊生态环境监测采样装置，其包括：水文监测模块、生态监测模块、通讯模块、控制系统以及采水机构；其中，水文监测模块包括多个均匀分布的水质监测传感器以及水位计，所述水质监测传感器以及水位计分别获取对应监测区域内湖泊水水质特征数据以及水位特征数据；所述水文监测模块外设有数据存储模块，用于采集并存储各区域处水质特征数据以及水位特征数据，所述数据存储模块通过通讯模块与控制系统相联通，所述控制系统根据获取的水质特征数据对比预设的水质参数，从而初步判断各监测区域水质是否异常；所述采水机构安装在浮动船上，并通过所述浮动船移动至湖泊各监测区域处。

Description

一种湖泊生态环境监测采样装置

技术领域

本发明属于水质取样技术领域，具体是一种湖泊生态环境监测采样装置。

背景技术

随着工业化进程和农业生产活动的加剧，河水和湖泊水质受到了包括工业废水排放、农药化肥流失、生活污水排放等各种源头的污染，因此水质检测成为环保工作中较为重要的组成部分。目前采样工具可以是采水瓶、采水桶、电动取样泵等，上述均采用的人工采样方式，成本较高且耗费人力，难以实现高频次、连续不断的采样；而如专利号为CN110514480A的发明专利，利用遥控船控制驱动，采用多个不同直径的绞盘控制多个采样瓶沉入不同深度的水中，实现不同深度水样的同时采集，避免人工介入，虽然能够对湖泊不同深入进行采样，但由于湖泊水体中存在显著的横向和纵向异质性，采用单一取样方式无法准确获取监测区域内水质变化，从而影响湖泊整体的水质监测精准度，局限性较高，且数据可靠性低；因此，有必要提供一种湖泊生态环境监测采样装置，以解决上述背景技术中提出的问题。

发明内容

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种湖泊生态环境监测采样装置，其包括：水文监测模块、生态监测模块、通讯模块、控制系统以及采水机构；其中，水文监测模块包括多个均匀分布的水质监测传感器以及水位计，所述水质监测传感器以及水位计分别获取对应监测区域内湖泊水水质特征数据以及水位特征数据；所述水文监测模块外设有数据存储模块，用于采集并存储各区域处水质特征数据以及水位特征数据，所述数据存储模块通过通讯模块与控制系统相联通，所述控制系统根据获取的水质特征数据对比预设的水质参数，从而初步判断各监测区域水质是否异常；

所述采水机构安装在浮动船上，并通过所述浮动船移动至湖泊各监测区域处，所述控制系统中预设有分析数据库模型，所述控制系统采用分析数据库模型对水质特征数据综合处理和可视化，形成统一的数据集，从而通过数据集预测水质变化趋势以及异常情况，所述浮动船上设有无线定位模块，所述采水机构在移动至湖泊各监测区域内时基于该区域中水质情况采用特定采样动作对湖泊水进行取样，并将其送检至外设检测机构。

所述采水机构的采样动作包括流动面采样、深度采样以及动态采样。

进一步，作为优选，所述采水机构包括：

基准板，其中部开设有贯通口，所述基准板的下方浸入在湖水表面；

支架杆，左右对称固定在基准板上并位于贯通口两侧，所述支架杆上安装有上机架；

驱动座，滑动连接在所述支架杆上，所述上机架内设置有液压杆，所述液压杆的伸缩端与所述驱动座相连接；

取样组件，竖向设置在所述驱动座的一侧，所述取样组件的下端穿设在所述贯通口内；

负压泵机，安装在所述基准板上，所述负压泵机与所述取样组件相接通，用于对取样组件提供负压抽吸；

储存箱，其内部分为多个存储腔，所述存储腔对采集的湖水样本存储收集。

进一步，作为优选，所述取样组件包括：

固定架，其中部平行设置有螺纹杆，所述螺纹杆的两端通过轴承转动连接在固定架上；

连接座，上下滑动安装在所述固定架上，所述连接座通过螺纹啮合作用与所述螺纹杆相滑动连接，所述固定架的上端安装有减速电机，所述减速电机的输出端与所述螺纹杆相固定；

环架，固定在所述连接座上；

取样管，为圆周分布的多个，各所述取样管的一端通过铰轴与所述环架相转动连接；

上滑轨，与所述取样管一一对应设置，所述上滑轨上均滑动安装有活动座，所述取样管的另一端转动连接在所述活动座上。

进一步，作为优选，各所述取样管随所述连接座竖向滑动调节下呈水平、竖直或倾斜分布。

进一步，作为优选，所述取样管包括：

管体，其内部等距设置有多个隔离板，所述隔离板将管体内划分为多个液仓；

流动孔，开设在所述管体上位于各所述液仓处，所述管体上还设置有通孔，所述通孔与流动孔被分别设置为单向进孔与单向出孔；

中心管，横向固定在所述管体内，所述中心管内位于各所述液仓处均设置有L型通道。

进一步，作为优选，所述中心管中的各所述L型通道之间相互独立且互不相通。

进一步，作为优选，所述液仓内均滑动连接有柱盘，所述柱盘外通过密封圈与液仓的内部相密封接触，相邻所述柱盘之间通过横向设置的导杆相连接，所述导杆滑动穿接在隔离板上；

所述管体的一侧同轴设置有气压腔，所述气压腔通过管套与所述管体相连接固定，所述气压腔内密封滑动设置有柱塞，所述柱塞的一端与管体端部的所述柱盘相固定，所述柱塞上套设有支撑弹簧。

进一步，作为优选，所述柱塞与中心管相滑动连接，所述气压腔外连接有气流管，所述气流管的一端与外设气压泵相接通。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明中能够基于水文监测模块初步获取的水质特征数据针对不同监测区域中的湖泊水采用特定的采样动作进行取样，从而一方面能够根据水质数据反映出的湖泊上下层水质差异，调节不同深度的采样点，确保从表层至底层各个水层都得到有效采样，以全面了解湖泊水质的垂直分布特征，另一方面能够获取特定区域处湖泊水体的表层水样，反映水体表层的水质状况；自适应效果强，提高湖泊水采样代表性，从而更科学、高效地进行湖泊水质监测。

附图说明

图1为本发明中采水机构的结构示意图；

图2为本发明中取样组件的结构示意图；

图3为本发明中取样管的结构示意图；

图4为本发明中气压腔的结构示意图；

图中：1、采水机构；11、基准板；12、支架杆；13、上机架；14、驱动座；15、负压泵机；16、储存箱；2、取样组件；21、固定架；22、螺纹杆；23、连接座；24、减速电机；25、环架；26、铰轴；3、取样管；31、管体；32、隔离板；33、流动孔；34、通孔；35、中心管；36、柱盘；37、导杆；4、上滑轨；41、活动座；5、气压腔；51、柱塞；52、支撑弹簧；53、气流管；54、外设气压泵。

具体实施方式

请参阅图1-4，本发明实施例中，一种湖泊生态环境监测采样装置，其特征在于：其包括：水文监测模块、生态监测模块、通讯模块、控制系统以及采水机构1；其中，水文监测模块（图中未示出）包括多个均匀分布的水质监测传感器以及水位计，所述水质监测传感器以及水位计分别获取对应监测区域内湖泊水水质特征数据以及水位特征数据；所述水文监测模块外设有数据存储模块，用于采集并存储各区域处水质特征数据以及水位特征数据，所述数据存储模块通过通讯模块（无线传输模块：如GPRS、4G/5G、卫星通讯等，将现场采集的数据实时传输到数据中心）与控制系统相联通，所述控制系统根据获取的水质特征数据对比预设的水质参数，从而初步判断各监测区域水质是否异常；

所述采水机构1安装在浮动船（图中未示出）上，并通过所述浮动船移动至湖泊各监测区域处，所述控制系统中预设有分析数据库模型，所述控制系统采用分析数据库模型对水质特征数据综合处理和可视化，形成统一的数据集，从而通过数据集预测水质变化趋势以及异常情况（分析数据库模型能够通过对比正常水质参数范围和历史数据，及时发现水质的异常变化情况，为湖泊水质管理和保护提供预警信号），所述浮动船上设有无线定位模块，所述采水机构1在移动至湖泊各监测区域内时基于该区域中水质情况采用特定采样动作对湖泊水进行取样，并将其送检至外设检测机构，即采水机构1在执行湖泊监测任务时，会根据预先设定的监测计划和路线移动至湖泊的各个监测区域，若数据显示某区域的底层水质异常，采水机构1会采用深水采样技术获取底层水样；若表层水体出现明显污染迹象，则会优先对表层水进行取样。通过这种方式，采水机构1能够确保所采集的水样具有较高的代表性，能够真实反映该监测区域的水质状况。

所述采水机构1的采样动作包括流动面采样、深度采样以及动态采样，具体而言，

流动面采样即水平面采样，这种采样方式主要用于采集湖泊水体的表层水样，通常在水面以下一定深度（如0.5米或水面以下1米处）进行。流动面采样能够反映水体表层的水质状况，包括受大气、阳光、生物活动等因素影响较大的溶解氧、温度、pH值等参数；

深度采样即垂直面采样，其是按照水体的不同深度对各分层进行采集，可以揭示水体内部的垂直分布特征，包括溶解氧、温度、光透射深度、营养盐、重金属等参数随水深的变化规律；

动态采样即水循环流动采样，主要在水体循环流动状态下或随时间连续变化的条件下进行的采样，旨在捕捉水体在自然状态下的真实动态变化，以便更准确地反映水质的时空变异情况。

本实施例中，所述采水机构1包括：

基准板11，其中部开设有贯通口，所述基准板11的下方浸入在湖水表面；

支架杆12，左右对称固定在基准板11上并位于贯通口两侧，所述支架杆12上安装有上机架13；

驱动座14，滑动连接在所述支架杆12上，所述上机架13内设置有液压杆，所述液压杆的伸缩端与所述驱动座14相连接；

取样组件2，竖向设置在所述驱动座14的一侧，所述取样组件2的下端穿设在所述贯通口内；

负压泵机15，安装在所述基准板11上，所述负压泵机15与所述取样组件2相接通，用于对取样组件2提供负压抽吸；

储存箱16，其内部分为多个存储腔，所述存储腔对采集的湖水样本存储收集，每个存储腔用于分别存储从不同时间、不同深度或不同监测点采集到的湖水样本，保证样本的分类存放，避免样本间交叉污染，同时便于后续根据存储腔的标识对样本进行一一对应的分析检测。

作为较佳的实施例，所述取样组件2包括：

固定架21，其中部平行设置有螺纹杆22，所述螺纹杆22的两端通过轴承转动连接在固定架21上；

连接座23，上下滑动安装在所述固定架21上，所述连接座23通过螺纹啮合作用与所述螺纹杆22相滑动连接，所述固定架21的上端安装有减速电机24，所述减速电机24的输出端与所述螺纹杆22相固定；

环架25，固定在所述连接座23上；

取样管3，为圆周分布的多个，各所述取样管3的一端通过铰轴26与所述环架25相转动连接；

上滑轨4，与所述取样管3一一对应设置，所述上滑轨4上均滑动安装有活动座41，所述取样管3的另一端转动连接在所述活动座41上，也就是说，通过螺旋杆的旋转调节控制驱动连接座23进行竖向位移，此时各取样管3能够对应的进行姿态调整，而取样管3的上端能够通过活动座41灵活滑动在上滑轨4上，尤其，可优先通过液压杆对驱动座14进行初步调节，使得取样管3达到粗调位置校准，而后经过螺旋杆调节下进行精度控制。

本实施例中，各所述取样管3随所述连接座23竖向滑动调节下呈水平、竖直或倾斜分布，从而能针对不同监测区域进行特定取样方法进行取样，采用最合适的取样方式进行精细化采样，确保样本具有高度的代表性，为后续的湖泊水质分析和保护工作提供准确可靠的数据支持。

本实施例中，所述取样管3包括：

管体31，其内部等距设置有多个隔离板32，所述隔离板32将管体31内划分为多个液仓；

流动孔33，开设在所述管体31上位于各所述液仓处，所述管体31上还设置有通孔34，所述通孔34与流动孔33被分别设置为单向进孔与单向出孔；

中心管35，横向固定在所述管体31内，所述中心管35内位于各所述液仓处均设置有L型通道（图中未示出），也就是说，每个液仓内的湖水样本都可以通过独立的L型通道进行抽样，确保了样本分析的准确性；且可以根据科研或监测需求，对特定液仓内的样本进行多次或不同比例的抽样，满足多样化的检测和研究目的，也就是说，中心管35的端部能够与设置在基准板11上的负压泵机15相连通，从而由中心管35实现湖水样本输送，其中，当湖泊水通过通孔34进入管体31中的各液仓中时，中心管35内位于对应液仓处的L型通道能够在负压泵机15提供的负压抽吸作用下将湖水样本输送至储存箱16的存储腔中进行存储。

本实施例中，所述中心管35中的各所述L型通道之间相互独立且互不相通，一方面避免了样本之间的交叉污染，另一方面可适应湖水不同分层，根据分层情况适应性抽样（即处于统一分层处的液仓可按比例抽取）。

作为较佳的实施例，所述液仓内均滑动连接有柱盘36，所述柱盘36外通过密封圈与液仓的内部相密封接触，相邻所述柱盘36之间通过横向设置的导杆37相连接，所述导杆37滑动穿接在隔离板32上；

所述管体31的一侧同轴设置有气压腔5，所述气压腔5通过管套与所述管体31相连接固定，所述气压腔5内密封滑动设置有柱塞51，所述柱塞51的一端与管体31端部的所述柱盘36相固定，所述柱塞51上套设有支撑弹簧52。

本实施例中，所述柱塞51与中心管35相滑动连接，所述气压腔5外连接有气流管53，所述气流管53的一端与外设气压泵54相接通，而尤其在动态采样中，外设气压泵54对气压腔5多次供气增压，此时湖水能够动态流通进入各液仓内，由中心管35对其按比例采样，而取样管3根据采水深度调整采样姿态（如呈45°或60°倾斜，倾斜动作基于湖水水质分层情况具体调整），中心管35重复采样10次以上，消除偶然因素引起的误差，通过统计分析多次采样结果的平均值或变化趋势，可以更准确地了解湖泊水体的水质变化和动态特征，需要注意的是，外设气压泵54通过气流管53对气压腔5进行内部气压调节，从而驱动气压腔5中的柱塞51产生类活塞滑动作用（而负压泵机15与中心管35对应接通，因此负压泵机15与外设气压泵54相互独立且互不干扰），但在具体取样过程中，主要优先通过外设气压泵54驱动柱塞51进行轴向滑动，各液仓中的柱盘36产生联动作用，并在液仓内达到抽排效果，此时湖水能够通过管体31上的各通孔34单向流入各液仓中，而后由负压泵机15工作下通过中心管35内对应的L型通道对液仓内的湖水进行抽样（其中，当各液仓中的柱盘36在滑动过程中，中心管35内的L型通道均处于密闭状态）；此中的动态采样主要是通过外设气压泵54对柱塞51提供一定幅度、频率的动态位移，从而使得管体31中各液仓内的湖水进行动态流动更替，以便增大取样范围。

以上所述的，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种湖泊生态环境监测采样装置，其特征在于：其包括：水文监测模块、生态监测模块、通讯模块、控制系统以及采水机构（1）；其中，水文监测模块包括多个均匀分布的水质监测传感器以及水位计，水质监测传感器以及水位计分别获取对应监测区域内湖泊水水质特征数据以及水位特征数据；水文监测模块外设有数据存储模块，用于采集并存储各区域处水质特征数据以及水位特征数据，数据存储模块通过通讯模块与控制系统相联通，控制系统根据获取的水质特征数据对比预设的水质参数，从而初步判断各监测区域水质是否异常；

采水机构（1）安装在浮动船上，并通过浮动船移动至湖泊各监测区域处，控制系统中预设有分析数据库模型，控制系统采用分析数据库模型对水质特征数据综合处理和可视化，形成统一的数据集，从而通过数据集预测水质变化趋势以及异常情况，浮动船上设有无线定位模块，采水机构（1）在移动至湖泊各监测区域内时基于该区域中水质情况采用特定采样动作对湖泊水进行取样，并将其送检至外设检测机构；

采水机构（1）的采样动作包括流动面采样、深度采样以及动态采样；

采水机构（1）包括：

基准板（11），其中部开设有贯通口，基准板（11）的下方浸入在湖水表面；

支架杆（12），左右对称固定在基准板（11）上并位于贯通口两侧，支架杆（12）上安装有上机架（13）；

驱动座（14），滑动连接在支架杆（12）上，上机架（13）内设置有液压杆，液压杆的伸缩端与驱动座（14）相连接；

取样组件（2），竖向设置在驱动座（14）的一侧，取样组件（2）的下端穿设在贯通口内；

负压泵机（15），安装在基准板（11）上，负压泵机（15）与取样组件（2）相接通，用于对取样组件（2）提供负压抽吸；

储存箱（16），其内部分为多个存储腔，存储腔对采集的湖水样本存储收集；

取样组件（2）包括：

固定架（21），其中部平行设置有螺纹杆（22），螺纹杆（22）的两端通过轴承转动连接在固定架（21）上；

连接座（23），上下滑动安装在固定架（21）上，连接座（23）通过螺纹啮合作用与螺纹杆（22）相滑动连接，固定架（21）的上端安装有减速电机（24），减速电机（24）的输出端与螺纹杆（22）相固定；

环架（25），固定在连接座（23）上；

取样管（3），为圆周分布的多个，各取样管（3）的一端通过铰轴（26）与环架（25）相转动连接；

上滑轨（4），与取样管（3）一一对应设置，上滑轨（4）上均滑动安装有活动座（41），取样管（3）的另一端转动连接在活动座（41）上。

2.根据权利要求1所述的一种湖泊生态环境监测采样装置，其特征在于：各取样管（3）随连接座（23）竖向滑动调节下呈水平、竖直或倾斜分布。

3.根据权利要求1所述的一种湖泊生态环境监测采样装置，其特征在于：取样管（3）包括：

管体（31），其内部等距设置有多个隔离板（32），隔离板（2）将管体（31）内划分为多个液仓；

流动孔（33），开设在管体（31）上位于各液仓处，管体（31）上还设置有通孔（34），通孔（34）与流动孔（33）被分别设置为单向进孔与单向出孔；

中心管（35），横向固定在管体（31）内，中心管（35）内位于各液仓处均设置有L型通道。

4.根据权利要求3所述的一种湖泊生态环境监测采样装置，其特征在于：中心管（35）中的各L型通道之间相互独立且互不相通。

5.根据权利要求3所述的一种湖泊生态环境监测采样装置，其特征在于：液仓内均滑动连接有柱盘（36），柱盘（36）外通过密封圈与液仓的内部相密封接触，相邻柱盘（36）之间通过横向设置的导杆（37）相连接，导杆（37）滑动穿接在隔离板（32）上；

管体（31）的一侧同轴设置有气压腔（5），气压腔（5）通过管套与管体（31）相连接固定，气压腔（5）内密封滑动设置有柱塞（51），柱塞（51）的一端与管体（31）端部的柱盘（36）相固定，柱塞（51）上套设有支撑弹簧（52）。

6.根据权利要求5所述的一种湖泊生态环境监测采样装置，其特征在于：柱塞（51）与中心管（35）相滑动连接，气压腔（5）外连接有气流管（53），气流管（53）的一端与外设气压泵（54）相接通。