本發(fā)明涉及一種淺水海域含沙水體原位自動(dòng)采集裝置及方法，用于淺水海域正常海況或風(fēng)暴作用下與海洋懸浮泥沙、海洋沉積動(dòng)力相關(guān)的含沙水體原位、連續(xù)、自動(dòng)取樣。

背景技術(shù)：

海洋環(huán)境污染監(jiān)測(cè)、海洋水文觀測(cè)、海洋化學(xué)、地質(zhì)調(diào)查和沉積物再懸浮過(guò)程研究等，均需要現(xiàn)場(chǎng)采取一定條件下、一定體積的水樣，進(jìn)而在船上或?qū)嶒?yàn)室內(nèi)通過(guò)相應(yīng)設(shè)備進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。

根據(jù)研究目的的不同，采集海水水樣時(shí)所用的采水器、采水方法、采水要求差別較大。目前，采水器的類型主要有南森采水器、多瓶采水器和球蓋式采水器等，此外還有專門(mén)的海洋微生物采水器，如佐貝爾采水器、復(fù)背式采水器和無(wú)菌采水袋等。以上這些采水器主要是針對(duì)海洋化學(xué)、海洋生物研究而設(shè)計(jì)的，考慮了采水器的材質(zhì)化學(xué)穩(wěn)定性、生物無(wú)菌性等特殊要求，滿足化學(xué)、生物研究所需海水樣品的采集，而未考慮采水器與海水流向、流速等力學(xué)性質(zhì)的關(guān)系，及其對(duì)海水流向、流速的影響。

海洋懸浮泥沙研究是海洋沉積環(huán)境及海洋動(dòng)力環(huán)境研究中的一個(gè)重要方面，關(guān)系到泥沙的起動(dòng)與沉降、沉積物輸運(yùn)、海底沖淤等諸多方面，海水懸浮泥沙濃度是表征海洋環(huán)境的一個(gè)重要參數(shù)。但海水中懸浮泥沙濃度這一指標(biāo)有著不同于其它海水物理、化學(xué)、生物指標(biāo)的特點(diǎn)，就是其與海洋水動(dòng)力條件密切相關(guān)，海水的流向、流速條件顯著地制約著懸沙濃度。所以對(duì)海洋含沙水體取樣所需的采水器需要考慮海水流速、流向的影響，順著海水流向方向采樣，采水器對(duì)海水流速的影響最小，不會(huì)造成水中懸浮泥沙的沉降，才能更準(zhǔn)確的采集到真正代表海水挾沙量的代表性樣品。而目前存在的各式采水器均無(wú)法識(shí)別海水流向并在海流方向上采樣，所以無(wú)法滿足海洋學(xué)研究中對(duì)于海水懸浮泥沙含量的更精確要求。因此，發(fā)明一個(gè)適用于海水懸浮泥沙取樣要求的、可以控制采水方向?qū)崿F(xiàn)順海水流向方向采樣的采水裝置是非常有必要的。

同時(shí)，在對(duì)海水中懸浮泥沙的含量、沉積與再懸浮等沉積動(dòng)力學(xué)問(wèn)題進(jìn)行研究時(shí)，往往需要多個(gè)站位同步采集一個(gè)潮周期內(nèi)各時(shí)刻(通常為25h)的海水水樣，目前海水取樣方法主要是通過(guò)將多條船舶準(zhǔn)確定位在不同的取樣點(diǎn)處，船舶上的人員同步利用采水器以一定時(shí)間間隔對(duì)特定站位、特定離底高度的含沙水體進(jìn)行取樣。這種傳統(tǒng)的取樣方式工作量大，花費(fèi)高、時(shí)間長(zhǎng)，消耗大量的人力、物力。在出現(xiàn)水體流速較大、尤其是研究暴風(fēng)沉積作用時(shí)，采水器往往偏離預(yù)定采樣點(diǎn)，采樣深度也會(huì)出現(xiàn)偏差，取樣結(jié)果受人為因素影響較大。另外，利用船只和人力在暴風(fēng)天氣下對(duì)研究區(qū)海域進(jìn)行一個(gè)潮周期的海水取樣具有較高的危險(xiǎn)性。

因此，提出一種能夠準(zhǔn)確控制采樣方向、采樣深度、采樣時(shí)間，操作方便、實(shí)用性強(qiáng)、人為因素影響小的一種淺水海域含沙水體原位自動(dòng)采集裝置，是亟待解決的技術(shù)問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種淺水海域含沙水體原位自動(dòng)采集裝置及方法，以填補(bǔ)目前沒(méi)有適用于海洋懸浮泥沙取樣的含沙水體原位自動(dòng)采集裝置的空白，滿足海洋學(xué)研究中對(duì)于海洋含沙水體的取樣要求。

一種淺水海域含沙水體原位自動(dòng)采集裝置，其特征在于包括三角支架，該三腳支架頂端設(shè)有用于調(diào)節(jié)三角支架夾角的角度控制器，角度控制器上方設(shè)有進(jìn)水控制盤(pán)、正下方設(shè)有豎直的固定桿，由電池倉(cāng)、單片機(jī)、密封蓋和壓力傳感器組成的采水裝置控制系統(tǒng)安裝在所述的固定桿上，固定桿下端通過(guò)旋轉(zhuǎn)式固定座連接管狀的采水器，使采水器在水平方向上旋轉(zhuǎn)，采水器后側(cè)設(shè)有四個(gè)控制采水器隨海流方向變化旋轉(zhuǎn)的姿態(tài)控制翼，內(nèi)部設(shè)有電機(jī)和擋流板；采水器通過(guò)設(shè)置在固定桿內(nèi)部的連通管與所述進(jìn)水控制盤(pán)內(nèi)的抽氣孔相連，抽氣孔下部由密封螺栓進(jìn)行密封，進(jìn)水控制盤(pán)中部設(shè)有通孔，通孔下半部為不可旋轉(zhuǎn)固定孔，上半部為可旋轉(zhuǎn)固定孔，進(jìn)水控制盤(pán)通過(guò)不可旋轉(zhuǎn)固定孔固定在固定桿上，真空瓶固定盤(pán)通過(guò)可旋轉(zhuǎn)固定孔內(nèi)的轉(zhuǎn)軸安裝在進(jìn)水控制盤(pán)上方，進(jìn)水控制盤(pán)和真空瓶固定盤(pán)之間通過(guò)固定桿上的緊固螺絲和多個(gè)均勻分布在外側(cè)的密封卡扣實(shí)現(xiàn)二者的緊密貼合與密封，進(jìn)水控制盤(pán)側(cè)面安裝有步進(jìn)電機(jī)以控制真空瓶固定盤(pán)的步進(jìn)式旋轉(zhuǎn)，所述真空瓶固定盤(pán)邊緣位置設(shè)有一圈采水瓶進(jìn)水孔和排水孔，且采水瓶進(jìn)水孔和排水孔相互間隔且均勻排列，采水瓶進(jìn)水孔上安裝有真空采水瓶。

所述該三腳支架底部設(shè)有可加荷載的底座。

所述角度控制器可以控制三角支架的打開(kāi)程度，進(jìn)而可以調(diào)節(jié)采水器的離底高度，滿足不同離底高度水體的采樣要求。

所述裝置的采水控制系統(tǒng)由電池倉(cāng)、單片機(jī)、密封蓋和壓力傳感器組成，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備采水開(kāi)始時(shí)間、采樣間隔和采樣數(shù)量的設(shè)定，其中采水開(kāi)始時(shí)間的設(shè)定方式有兩種：一種是設(shè)定固定的開(kāi)始時(shí)間，另一種是設(shè)定當(dāng)壓力傳感器測(cè)取的波浪壓力大于某一數(shù)值時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)。

所述固定桿下端通過(guò)旋轉(zhuǎn)式固定座連接采水器，采水器外部后側(cè)設(shè)有四個(gè)姿態(tài)控制翼，可以實(shí)現(xiàn)采水器在水平方向上隨海流方向的變化而旋轉(zhuǎn)，并與海流流向保持一致。

所述進(jìn)水控制盤(pán)和真空瓶固定盤(pán)均是由具有密封性的光滑陶瓷閥芯材料制成的陶瓷片，兩者之間的密封通過(guò)固定桿上的緊固螺絲和多個(gè)均勻分布在外側(cè)的密封卡扣實(shí)現(xiàn)。

所述真空瓶固定盤(pán)上分別設(shè)有24個(gè)采水瓶進(jìn)水孔和排水孔，兩者均勻分布、相間排列。

所述步進(jìn)電機(jī)每次啟動(dòng)時(shí)，可使真空瓶固定盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)7.5°，控制設(shè)備水樣采集的開(kāi)始和結(jié)束。

利用上述裝置進(jìn)行淺水海域含沙水體原位自動(dòng)采集的方法，其特征在于包括以下步驟：

①、將真空采水瓶固定于真空瓶固定盤(pán)的采水瓶進(jìn)水孔上，轉(zhuǎn)動(dòng)真空瓶固定盤(pán)以通過(guò)抽氣孔依次將采水瓶抽成真空狀態(tài)后，利用密封螺栓進(jìn)行密封；

②、根據(jù)設(shè)備電池電量決定是否進(jìn)行更換；對(duì)采水開(kāi)始時(shí)間、采樣間隔和采樣數(shù)量進(jìn)行設(shè)定；

③、根據(jù)海域水動(dòng)力環(huán)境強(qiáng)弱，在裝置的可加荷載底座上進(jìn)行配重，以防止設(shè)備傾倒或被水流帶走的情況發(fā)生；

④、通過(guò)三角支架的角度控制器對(duì)采水器的離底高度進(jìn)行調(diào)節(jié)設(shè)定，完成后利用船舶將裝置下放到預(yù)定海域海底進(jìn)行水樣采集；

⑤、水樣采集完成后，將裝置提至船舶甲板，并將真空采水瓶?jī)?nèi)的水樣進(jìn)行收集轉(zhuǎn)移；

⑥、利用淡水對(duì)裝置進(jìn)行徹底清洗，防止設(shè)備腐蝕。

顯然，本發(fā)明結(jié)構(gòu)合理，操作方便，可以控制采水方向，實(shí)現(xiàn)順海流方向采樣，適用于淺水海域含沙水體的原位自動(dòng)采集，較以往水樣采集裝置和方法具有采樣深度準(zhǔn)確、方便安全、自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明使用時(shí)，通過(guò)設(shè)定采樣開(kāi)始時(shí)間、采樣間隔、采樣數(shù)量，可以實(shí)現(xiàn)在特定海域、特定時(shí)間間隔、特定離底高度、沿海流流向上的含沙水體原位自動(dòng)取樣工作。可有效解決目前已有技術(shù)方法進(jìn)行淺水海域潮周期內(nèi)含沙水體連續(xù)取樣存在的取樣位置、離底高度、取樣間隔誤差大等問(wèn)題；另外，設(shè)備自動(dòng)化程度高，在大風(fēng)天氣、惡劣海況條件下可以實(shí)現(xiàn)原位自動(dòng)過(guò)程水體取樣工作，有效避免人和船舶在惡劣條件下海上連續(xù)取樣存在的危險(xiǎn)性，大大減少了多站位同步含沙水體取樣過(guò)程中的人力、物力消耗。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明的總體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明的進(jìn)水控制盤(pán)的仰視圖。

圖3是本發(fā)明的真空瓶固定盤(pán)的俯視圖。

其中，1、三角支架，2、可加荷載底座，3、角度控制器，4、固定桿，5、電池倉(cāng)，6、單片機(jī)，7、密封蓋，8、壓力傳感器，9、旋轉(zhuǎn)式固定座，10、采水器，11、姿態(tài)控制翼，12、電機(jī)，13、擋流板，14、連通管，15、進(jìn)水控制盤(pán)，16、真空瓶固定盤(pán)，17、采水瓶進(jìn)水孔，18、排水孔，19、步進(jìn)電機(jī)，20、真空采水瓶，21、不可旋轉(zhuǎn)固定孔，22、可旋轉(zhuǎn)固定孔，23、密封卡扣，24、抽氣孔，25、密封螺栓。

具體實(shí)施方式

如圖1-3所示，一種淺水海域含沙水體原位自動(dòng)采集裝置，其特征在于該裝置包括三角支架1，該三腳支架下部設(shè)有可加荷載底座2，頂端設(shè)有可以調(diào)節(jié)三角支架打開(kāi)程度的角度控制器3，由電池倉(cāng)5、單片機(jī)6、密封蓋7和壓力傳感器8組成的采水裝置控制系統(tǒng)由固定桿4固定于三角支架上，固定桿4下端通過(guò)旋轉(zhuǎn)式固定座9連接采水器10，采水器外部后側(cè)設(shè)有四個(gè)控制采水器隨海流方向變化旋轉(zhuǎn)的姿態(tài)控制翼11，內(nèi)部設(shè)有電機(jī)12和擋流板13，采水器通過(guò)設(shè)置在固定桿內(nèi)部的連通管14與進(jìn)水控制盤(pán)15內(nèi)的抽氣孔24相連，抽氣孔下部由密封螺栓25進(jìn)行密封，進(jìn)水控制盤(pán)上部安裝有真空瓶固定盤(pán)16，進(jìn)水控制盤(pán)側(cè)面安裝有步進(jìn)電機(jī)19以控制真空瓶固定盤(pán)的旋轉(zhuǎn)，真空瓶固定盤(pán)上的采水瓶進(jìn)水孔17和排水孔18相間排列，采水瓶進(jìn)水孔上安裝有真空采水瓶20。

所述角度控制器3可以控制三角支架1中三根支撐腿的打開(kāi)程度，進(jìn)而可以控制采水器10的離底高度，滿足不同深度采水要求。

所述單片機(jī)6可以對(duì)采水開(kāi)始模式和時(shí)間、時(shí)間間隔和采樣數(shù)量等進(jìn)行設(shè)定，壓力傳感器8可以對(duì)波浪產(chǎn)生的壓力進(jìn)行測(cè)定。

所述固定桿4下端通過(guò)旋轉(zhuǎn)式固定座9連接采水器10，采水器10外部后側(cè)設(shè)有四個(gè)姿態(tài)控制翼11，可以實(shí)現(xiàn)采水器10在水平方向上隨海流方向的變化而旋轉(zhuǎn)，并使采水器10的進(jìn)水口與海流流向保持一致。有效避免由于采樣設(shè)備進(jìn)水口與海流流向不一致導(dǎo)致的懸浮體沉降等問(wèn)題，保證采集水樣內(nèi)的懸浮泥沙含量與實(shí)際情況相符。

所述進(jìn)水控制盤(pán)15和真空瓶固定盤(pán)16之間的密封通過(guò)固定桿4上的緊固螺絲和5個(gè)均勻分布在外側(cè)的密封卡扣23實(shí)現(xiàn)。

所述真空瓶固定盤(pán)16上分別設(shè)有24個(gè)采水瓶進(jìn)水孔17和排水孔18，兩者均勻分布、相間排列。

所述步進(jìn)電機(jī)19每次啟動(dòng)時(shí)，可使真空瓶固定盤(pán)16轉(zhuǎn)動(dòng)7.5°。

淺水海域含沙水體原位自動(dòng)采集裝置的工作過(guò)程如下：

①、將真空采水瓶20固定于真空瓶固定盤(pán)16的采水瓶進(jìn)水孔17上，通過(guò)抽氣孔24依次將采水瓶抽成真空狀態(tài)后，利用密封螺栓25對(duì)抽氣孔進(jìn)行密封；

②、根據(jù)采水目的及要求，對(duì)設(shè)備采水開(kāi)始時(shí)間進(jìn)行設(shè)定，設(shè)定方式有兩種，一種是人為設(shè)定固定的開(kāi)始時(shí)間，另一種是設(shè)定當(dāng)壓力傳感器8測(cè)取的波浪壓力大于某一數(shù)值時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)，同時(shí)對(duì)采水過(guò)程的時(shí)間間隔和數(shù)量進(jìn)行設(shè)定；

③、根據(jù)采樣海域水動(dòng)力強(qiáng)弱，在裝置的可加荷載底座2上進(jìn)行合理配重，防止設(shè)備傾倒或被水流帶走等情況的發(fā)生；

④、根據(jù)要求對(duì)采水器10的離底高度進(jìn)行調(diào)節(jié)，完成后利用船舶將裝置下放到預(yù)定海域海底進(jìn)行水樣采集；

⑤、采水過(guò)程中，采水器10的進(jìn)水口與海流流向保持一致，在采水間隙，連通管14與排水孔18連通，每次采水開(kāi)始前1分鐘，電機(jī)12驅(qū)動(dòng)擋流板13封閉采水器10的出水口，使水體沿連通管14、排水孔18對(duì)管道內(nèi)的懸浮體等進(jìn)行沖洗；到達(dá)采水時(shí)間時(shí)，步進(jìn)電機(jī)19驅(qū)動(dòng)真空瓶固定盤(pán)16轉(zhuǎn)動(dòng)7.5°，使得水體沿連通管14、采水瓶進(jìn)水孔17進(jìn)入真空采水瓶20，水樣采集完成后，電機(jī)12驅(qū)動(dòng)擋流板13打開(kāi)采水器10的出水口，步進(jìn)電機(jī)19驅(qū)動(dòng)真空瓶固定盤(pán)16繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)7.5°，使得連通管14與排水孔18連通。到達(dá)下一采水時(shí)刻時(shí)，重復(fù)上述步驟。

⑥、水樣采集完成后，將裝置提至船舶甲板，并將真空采水瓶20內(nèi)的水樣進(jìn)行收集轉(zhuǎn)移；

⑦、利用淡水對(duì)裝置進(jìn)行徹底清洗，防止設(shè)備腐蝕。