CN203894084U - 扩展式土壤水批量采样装置 - Google Patents

Abstract

一种扩展式土壤水批量采样装置，包括采样器、水样瓶、缓冲瓶和真空泵，其特征在于，所述的装置包括若干组采样器和水样瓶，还包括批量处理器和集中排气开关；所述的批量处理器通过缓冲瓶与真空泵相连通，批量处理器内设置若干溢流管；所述的采样器由陶土头、腔体、取样管和排气管构成，取样管分别连接各自的水样瓶，水样瓶分别与批量处理器的溢流管相连通，排气管分别连接集中排气开关。本实用新型的扩展式土壤水批量采样装置，结构设计合理，可实现土壤水批量采样操作，具有批量、同步、原位、长期定位采集特点，采样器数量可根据实际情况扩展，在采样点多而分散的实际工作中具有便利、高效的显著优势。

Description

扩展式土壤水批量采样装置

技术领域

本发明属于水样采集技术领域，涉及一种土壤水样的采集装置，特别是涉及一种扩展式土壤水批量采样装置，以真空维持手段采集土壤水样，完成土壤水水样批量、同步、原位、长期定位采集。 

背景技术

土壤水是土壤物质迁移和运动的载体，是土壤学、水文学、植物学以及生态环境学等领域的研究重点，对其研究和应用涉及非饱和带化学元素迁移规律研究、非饱和带水污染机理与防治研究、作物养分吸收和高效利用研究等一系列工作内容。

土壤水采样是开展上述研究工作的基础和前提。《土壤溶液采样技术进展》（宋静等，土壤:2000年）、《原位土壤溶液采样技术的应用》（孙明德等，北京农业科学:2001年）和《土壤溶液取样技术及土壤溶液取样器在分层定深水中取样应用》（韩双平等，地球学报:2006年）等分别对目前常用的土壤水采样方法进行了归纳总结，将其分为以下几种类型：（1）直接取土样法：将土壤样品从原位取出，在实验室内通过离心法、提取法、置换柱法和压榨法等将土壤水从土壤中分离出来；（2）自流法：原位安装土壤水采样器，依靠重力让土壤水自流至水样瓶中；（3）负压法：原位安装土壤水采样器，抽负压后通过内外压力差吸取土壤水。

直接取土样法属于破坏性采样法，会导致土壤理化性状的改变，最大缺点是不利于长期定位研究；自流法可满足长期定位研究的需求，但仅适用于含水量丰富的土壤；负压法不仅能够满足长期定位研究的需求，而且对于除土壤水特别贫乏以外的土壤均为适用，因此该方法得到了广泛应用，业已成为土壤水采样技术中最常用的一种方法。然而，负压法也有其局限性：由于土壤是一个非均质体系，其物理、化学性质存在时空差异，与其它方法类似，负压法采集到的单一土壤水样品也存在代表性不强的问题。如何提高土壤水样品的代表性一直是土壤水采样技术开发与发展研究中所关注的焦点问题。

显而易见，采样点越多，所采集到的样品代表性越高，而采样的难度相应也就越大。负压法可以通过增加采样器的方式，采集不同位置、不同深度的土壤水样，从而有利于提高样品的代表性。然而，在实际采样过程中，国内外现有技术均是通过一个真空泵与各采样器分别相连，对各采样器逐一进行抽真空操作。该工作方式费时费力，且在采样点较多的情况下无法保证样品采集的同步性。研发土壤水批量采样技术成为土壤水研究领域的迫切需求，而目前为止国内外学术界对此鲜有报道。 

发明内容

针对土壤水批量采样技术缺乏的现状，本发明提供了一种具有批量、同步、原位、长期定位采集特点的扩展式土壤水批量采样装置。

为实现发明目的，本发明采用的技术方案是：

本发明所述的扩展式土壤水批量采样装置，包括采样器、水样瓶、缓冲瓶和真空泵，其特征在于，所述的装置包括若干组采样器和水样瓶，还包括批量处理器和集中排气开关；所述的批量处理器通过缓冲瓶与真空泵相连通，批量处理器内设置若干溢流管；所述的采样器由陶土头、腔体、取样管和排气管构成，采样器的取样管分别连接各自的水样瓶，水样瓶分别与批量处理器的溢流管相连通，采样器的排气管分别连接集中排气开关。

所述的扩展式土壤水批量采样装置，采样器的数量可根据采样点数量、位置以及样品代表性要求等实际情况自行扩展。通过批量处理器将多而分散的采样器联系起来，对所有采样器进行集中抽真空操作，在采样点较多的情况下保证样品采集的同步性。

所述的采样器由陶土头、腔体、取样管和排气管构成。陶土头由微孔陶土材料制成，是采样器的关键部件；腔体是采样器的中空部分，采样时通过抽取腔体内的空气，使腔体呈现负压状态，当腔体内真空度足够高时，采样器周围的水分便会透过陶土头进入腔体；取样管深入腔体距底端3-5mm处，其作用是将进入腔体的水样吸入到水样瓶中；排气管深入腔体距上端3-5mm处，其作用是采样结束时卸去腔体内真空，将残留在腔体内的水样排入水样瓶内，以尽量减小对下次采集样品的污染。

所述的水样瓶采用橡胶塞封口棕色玻璃瓶，用于暂时储存采集到的土壤水样。橡胶塞上带有两根玻璃管，其一端深入玻璃瓶内3-5mm，另一端分别与采样器的取样管、批量处理器的溢流管相连。

所述的批量处理器可由有机玻璃制成，形状为圆柱形，底面直径为200mm，圆柱高度可根据待连接的采集器数量自行扩展。它的作用是将多而分散的采样器联系起来，达到对所有采样器集中抽真空操作的目的。位于批量处理器内部的溢流管采用规格为4×6mm（内径×外径，下同）、长180mm的有机玻璃管，沿批量处理器径向垂直设置。批量处理器的设计能够有效解决批量采样过程中的采样速度不同步的技术问题。同时依靠批量处理器体积大的优势提升采样器的负压维持能力。

所述的真空泵可根据工作条件选择电动式和人工式两种。

所述的集中排气开关采用硬质PVC材料制成，包括腔体，腔体上设有排气口和一组进气口。其作用是将各采样器的排气管连接在一起，从而实现采样结束时对各采样器集中排气，将残留在采样器腔体内的水样全部排入水样瓶内，以尽量减小对下次采集样品污染的目的。对各采样器进行集中放气处理，可提高采样工作的便利性。

本实用新型的有益效果是：

（1）扩展式土壤水批量采样装置可实现土壤水批量采样操作，改变了该技术领域对各采样器逐一进行抽真空操作的现状；

（2）扩展式土壤水批量采样装置所连接的采样器的数量可根据采样点数量、位置以及样品代表性要求等实际情况自行扩展，在采样点多而分散的实际工作中具有便利、高效的显著优势；

（3）扩展式土壤水批量采样装置所连接的采样器的真空状态、真空起止时间完全一致，保证了样品采集的同步性；

（4）扩展式土壤水批量采样装置结构设计合理，有效应对了批量采样过程中的采样速度不同步问题，使得该装置在采样器埋藏位置和深度不同、所处土体的含水量水平差异较大时均为适用；

（5）扩展式土壤水批量采样装置增强了采样器的负压维持能力，使得采样器的负压维持时间更加持久，从而进一步提升了采样器的工作性能；

（6）扩展式土壤水批量采样装置利用集中排气开关可在采样结束时对各采样器进行集中放气处理，增强了采样工作的便利性；

（7）扩展式土壤水批量采样装置所选用的采样器原位安装，可满足长期定位研究的需求，且能够在采样结束时将残留在腔体内的水样排出，尽量减小了对下次采集样品的污染。

附图说明

图1为本实用新型的扩展式土壤水批量采样装置的结构示意图。

其中：1为采样器；2为水样瓶；3为批量处理器；4为缓冲瓶；5为真空泵；6为集中排气开关；7为连接管；8为陶土头；9为腔体；10为采样器的取样管；11为采样器的排气管；12为批量处理器的溢流管；13为批量处理器的排气口。

具体实施方式

如图1所示，本实用新型的扩展式土壤水批量采样装置由采样器1、水样瓶2、批量处理器3、缓冲瓶4、真空泵5、集中排气开关6和连接管7组成。

所述的采样器1可选用ZL 200520110649.5所述的采样器，由陶土头8、腔体9、取样管10和排气管11构成。陶土头8由微孔陶土材料制成，是采样器的关键部件；腔体9是采样器1的中空部分，采样时通过抽取腔体9内的空气，使腔体9呈现负压状态，当腔体9内真空度足够高时，采样器1周围的水分便会透过陶土头8进入腔体9；取样管10规格为4×6mm（内径×外径，下同），深入腔体9距底端3-5mm处，其作用是将进入腔体9的水样吸入到水样瓶2中；排气管11规格为4×6mm，深入腔体9距上端3-5mm处，其作用是采样结束时卸去腔体9内真空，将残留在腔体9内的水样排入水样瓶2内，以尽量减小对下次采集样品的污染。

所述的水样瓶2采用500ml橡胶塞封口棕色玻璃瓶，用于暂时储存采集到的土壤水样。橡胶塞上带有两根4×6mm规格的玻璃管，其一端深入玻璃瓶内3-5mm，另一端分别与采样器1的取样管10、批量处理器3的溢流管12相连。

所述的批量处理器3可由有机玻璃制成，形状为圆柱形，底面直径为200mm，圆柱高度可根据待连接的采集器1数量自行扩展。它的作用是将多而分散的采样器1联系起来，达到对所有采样器1集中抽真空操作的目的。位于批量处理器3内部的溢流管12采用规格为4×6mm、长180mm的有机玻璃管，沿批量处理器3径向垂直设置。由于采样器1埋藏的位置和深度不同，其所处土体的含水量水平差异较大，因此各水样瓶2的进样速度会有快有慢，当水样瓶2的进样量超过自身容积时，水样便会流入批量处理器3内。溢流管12的作用是保证各水样瓶2内的水样相互独立，互不掺杂。批量处理器3的设计能够有效解决批量采样过程中的采样速度不同步的技术问题。同时依靠批量处理器3体积大的优势提升采样器1的负压维持能力。

所述的缓冲瓶4采用5000ml橡胶塞封口透明玻璃瓶，用于暂时储存从批量处理器3流出的水体，起到保护真空泵5的目的。橡胶塞上带有两根4×6mm规格的玻璃管，其一端深入玻璃瓶内3-5mm，另一端分别与批量处理器3的排气口13、真空泵5的进气管相连。

所述的真空泵5可根据工作条件选择电动式和人工式两种。在供电便利的条件下选择电动式真空泵相对省时省力，电动式真空泵可固定安装于室内，用较长的连接管将其与缓冲瓶4连接起来即可。在供电不便的条件下可选择手持式或脚踏式真空泵，因其抽真空能力相对较弱但携带方便，可选用较短的连接管进行抽真空操作。

所述的集中排气开关6采用硬质PVC材料制成，包括腔体，腔体上设有排气口和一组进气口。其作用是将各采样器1的排气管11连接在一起，从而实现采样结束时对各采样器1集中排气，将残留在采样器腔体9内的水样全部排入水样瓶2内，以尽量减小对下次采集样品污染的目的。对各采样器1进行集中放气处理，可提高采样工作的便利性。

申请人在某综合水文实验基地安装了上述扩展式土壤水批量采样装置，2013年汛期采样工作中，该装置在降雨期和退水期取得了很好的应用效果。具体实施步骤如下：

步骤1：根据采样目的确定合适的采样器1安装位置和数量。例如，综合水文实验基地的水文山人工实验流域面积约500m²，土体深度约100cm，设有0、30、60、100cm分层径流观测设施。基于提高土壤水样品的代表性和尽量减少对流域的破坏两方面的考虑，最终安装了深度分别为15cm（对应0-30cm土体）、45cm（对应30-60cm土体）、80cm（对应60-100cm土体）的采样器1各14个。

步骤2：安装采样器1。选取一根内径两倍于采样器1外径的钢管，采用外力施压的方式垂向分层取出采样器1待安装位置的土壤，并将取出的土壤晒干、研碎。将采样器1放入待安装深度处，并保证采样器1处于竖直状态。将晒干、研碎后的土壤分层回填、捣实。

步骤3：安装批量处理器3。调整批量处理器3姿势，安装时保证其排气口13位于下方。批量处理器3与采样器1之间的相对位置可根据操作方便原则加以确定，其对采样效果影响不大。

步骤4：安装水样瓶2。利用连接管7将水样瓶2橡胶塞上的两根玻璃管分别与采样器1的取样管10、批量处理器3的溢流管12相连。由于土壤水采样量一般不大，在其它条件允许的情况下采样器1与水样瓶2之间的连接管7以短为宜，水样瓶2与批量处理器3之间的连接管7可根据实际情况适当调整。

步骤5：安装缓冲瓶4和真空泵5。利用连接管7将缓冲瓶4橡胶塞上的两根玻璃管分别与批量处理器3的排气口13、真空泵5相连。缓冲瓶4与批量处理器3、真空泵5之间的相对位置对采样效果影响不大，其作用是暂时储存批量处理器3流出的水体，以防止抽真空操作时水体进入真空泵5，从而起到保护真空泵5的目的。因此，缓冲瓶4可安装在真空泵5附近，以方便抽真空前及时观察缓冲瓶4内的水量状况。

步骤6：安装集中排气开关6。将各采样器1的排气管11分别与集中排气开关6相连，实现采样结束时对各采样器1集中排气，将残留在采样器腔体9内的水样全部排入水样瓶2内，以尽量减小对下次采集样品污染的目的。因此，集中排气开关6安装在水样瓶2附近，可为水样储存工作提供便利。

步骤7：编号。根据采样器1的安装位置、深度、采样目的等信息，对采样器1依次编号。在水样瓶2、连接管7、批量处理器3上张贴与采样器1相对应的标签，并用透明胶带粘牢。

步骤8：前期检查。确保扩展式土壤水批量采样装置的各部件连接正确，确保装置的未利用通道、集中排气开关6处于关闭状态。

步骤9：采样开始。打开真空泵5开关，开始抽负压操作。待真空表显示装置内负压达到约-80kPa时，关闭批量处理器排气口13的开关，然后关闭真空泵5，此时装置处于正式工作状态。

步骤10：采样结束。土壤水采样速度取决于采样器1所处的土壤含水率状况，实际应用经验表明反复抽负压有助于提升采样速度及增加采样量。待水样瓶2内水样量满足采样需求时，打开集中排气开关6，将残留在采样器腔体9内的水样全部排入水样瓶2内。之后，关闭集中排气开关6。

步骤11：样品储存。将水样瓶2内的水样依次储存到事先准备好、并已编号的水样储存瓶中。

步骤12：后期处理。将水样瓶2采用超纯水洗净，采用烘干机烘干，然后安装回装置中。排掉批量处理器3和缓冲瓶4内的无效水体，至此本次采样工作全部结束。 

Claims (6)

1.一种扩展式土壤水批量采样装置，包括采样器（1）、水样瓶（2）、缓冲瓶（4）和真空泵（5），其特征在于，所述的装置包括若干组采样器（1）和水样瓶（2），还包括批量处理器（3）和集中排气开关（6）；所述的批量处理器（3）通过缓冲瓶（4）与真空泵（5）相连通，批量处理器（3）内设置若干溢流管（12）；所述的采样器（1）由陶土头（8）、腔体（9）、取样管（10）和排气管（11）构成；采样器（1）的取样管（10）分别连接各自的水样瓶（2），水样瓶（2）分别与批量处理器（3）的溢流管（12）相连通，采样器的排气管（11）分别连接集中排气开关（6）。

2.根据权利要求1所述的扩展式土壤水批量采样装置，其特征在于：所述采样器（1）的陶土头（8）由微孔陶土材料制成，取样管（10）深入腔体（9）距底端3-5mm处，排气管（11）深入腔体（9）距上端3-5mm处。

3.根据权利要求1所述的扩展式土壤水批量采样装置，其特征在于：所述的水样瓶（2）采用500ml橡胶塞封口棕色玻璃瓶；橡胶塞上带有两根玻璃管，其一端深入玻璃瓶内3-5mm，另一端分别与采样器（1）的取样管（10）、批量处理器（3）的溢流管（12）相连接。

4.根据权利要求1所述的扩展式土壤水批量采样装置，其特征在于：所述的批量处理器（3）由有机玻璃制成，形状为圆柱形，底面直径为200mm；批量处理器（3）内的溢流管（12）采用内径×外径规格为4×6mm、长180mm的有机玻璃管，沿批量处理器（3）径向垂直设置。

5.根据权利要求1所述的扩展式土壤水批量采样装置，其特征在于：所述的批量处理器（3）底部设置排气口（13），排气口（13）与缓冲瓶（4）连接；批量处理器（3）的溢流管（12）与水样瓶（2）连接。

6.根据权利要求1所述的扩展式土壤水批量采样装置，其特征在于：所述的集中排气开关（6）采用硬质PVC材料制成；包括腔体，腔体上设有排气口和一组进气口。