一种多功能海底通量及沉积物原位采样装置制造方法
【专利摘要】本发明涉及海洋监测【技术领域】，具体地说是一种多功能海底通量及沉积物原位采样装置。包括外部支架系统、无扰动沉积物原位采样装置、沉积物通量培养装置、多参数传感器测量装置、海水定时采样装置、挂钩及回收系统，其中沉积物通量培养装置通过液压杆I悬挂于外部支架系统上，所述无扰动沉积物原位采样装置设置于沉积物通量培养装置的底部，并上端与沉积物通量培养装置铰接、通过液压杆II与外部支架系统连接，所述海水定时采样装置和回收系统设置于外部支架系统上，所述多参数传感器测量装置固定在沉积物通量培养装置的上部，所述挂钩设置于外部支架系统的顶部。本发明结构简单、应用广泛，同时获得无扰动的监测原位沉积物。
【专利说明】一种多功能海底通量及沉积物原位采样装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及海洋监测【技术领域】，具体地说是一种多功能海底通量及沉积物原位采样装置，可适用于实验室内沉积物-海水界面交换过程的模拟研究，也可用于海洋调查时原位测量沉积物-海水界面敏感参数的变化，估算沉积物-海水界面的物质交换通量，并同时获得无扰动的监测原位沉积物。
【背景技术】
[0002]沉积物-水界面间的物质交换是海洋物质循环的关键过程之一。近年来，海洋沉积物-水界面间物质的交换正日益引起科学家的关注，了解沉积物-水界面间的物质交换特征对了解海洋中物质(特别是污染物)的迁移转化有重要的现实意义。利用海底通量培养器现场直接测量沉积物-水界面间物质交换是当前国际上最常用的方法，已被广泛用于营养盐和重金属等多种元素的底部交换研究。
[0003]各种相互作用的物理的、化学的和生物的过程可导致在沉积物-水界面附近形成垂直的化学浓度梯度，从而导致底部通量是正的(物质移出沉积物)或负的(物质移入沉积物)，大型无脊椎动物的活动对底部通量有重大的影响。化学物质在沉积物-水界面间的扩散通量可以通过测量沉积物间隙水中浓度梯度的变化，并根据Fick第一定律计算，但由于影响沉积物-水界面间物质交换通量的因素很多，特别是底部生物扰动将使通量计算非常复杂，而且计算获得的通量可能和实际相差很大，因而在研究中的应用受到限制。现在，国际上通常用海底 通量培养器直接测量。使用海底通量培养器直接测量通量的优点是可以忽略大部分的生物、物理及化学因素的影响。但国内有关沉积物-水界面间物质交换的研究基本上是空白，其中一个最主要的原因是缺乏有效的工具。因此，开发具有自主知识产权的海底通量培养器对研究沉积物-水界面间物质交换过程、提高我国在海洋物质循环研究中的国际地位具有重要的理论和现实意义。
[0004]海底通量培养器是将确定体积的海水和确定面积的沉积物封闭在由合适材料做成的小室内，通过测量水体内所研究项目在一定时间内的变化来估算底部通量(F)。
[0005]即单位时间(Λ t)单位面积⑷上物质的变化(AM)。
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[0006]当前，国外经常使用的海底通量培养器有十几个型号。为了保证培养器内密闭水体的充分混合，同时也为了使培养器内水动力条件和外部尽可能一致，所有培养器都有水混合系统，如螺旋桨、搅拌棒或泵等。培养器的形状、大小和搅拌系统都不相同，培养器内水的运动与搅拌系统及其位置有关。通常情况下，海底通量培养器都是海洋研究者自行设计制造，以保证在不同的水动力条件下使用不同设计特征的的培养器。
【发明内容】
[0007]针对上述问题，本发明的目的在于提供一种多功能海底通量及沉积物原位采样装置，它不仅可以监测沉积物-海水界面间物质交换通量及其环境参数，还可以在监测原位采集无扰动的表层沉积物。可适用于实验室内沉积物-海水界面交换过程的模拟研究，也可用于海洋调查时原位测量沉积物-海水界面敏感参数的变化，估算沉积物-海水界面的物质交换通量，并同时获得无扰动的监测原位沉积物。
[0008]为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案:
[0009]一种多功能海底通量及沉积物原位采样装置，包括外部支架系统、无扰动沉积物原位采样装置、沉积物通量培养装置、多参数传感器测量装置、海水定时采样装置、挂钩及回收系统，其中沉积物通量培养装置通过液压杆I悬挂于外部支架系统上，所述无扰动沉积物原位采样装置设置于沉积物通量培养装置的底部，所述无扰动沉积物原位采样装置的上端与沉积物通量培养装置铰接、并通过液压杆II与外部支架系统连接，所述海水定时采样装置和回收系统设置于外部支架系统上，所述海水定时采样装置通过采样管与沉积物通量培养装置相连，所述多参数传感器测量装置固定在沉积物通量培养装置的上部，所述挂钩设置于外部支架系统的顶部。
[0010]所述沉积物通量培养装置包括海水隔离器、搅拌装置及单向出水阀，其中海水隔离器为底部开口的容器，所述海水隔离器的上端两侧分别通过一个液压杆I悬挂在外部支架系统上，所述搅拌装置和单向出水阀均设置于海水隔离器的上端，所述单向出水阀设置于海水隔离器上端设有的通孔上。所述搅拌装置为多出口水泵，所述多出口水泵的多出口泵进水口和多出口泵出水口均设置于海水隔离器内。
[0011]所述无扰动沉积物原位采样装置包括两个挖泥铲，两个挖泥铲分别对称设置于海水隔离器的底部，各挖泥铲的上端通过液压杆II与外部支架系统连接、并通过连杆与海水隔离器铰接，所述两个挖泥铲分别通过各自连接的液压杆II驱动封闭或打开海水隔离器的底部。所述海水隔离器的下部两侧对称设有支撑连杆，所述连杆与支撑连杆铰接。
[0012]所述多参数传感器测量装置包括传感器、数据读取与存储设备，所述传感器由海水隔离器的上端设有的通孔插入海水隔离器内、并与设置于海水隔离器上端的数据读取与存储设备连接。
[0013]所述海水定时采样装置包括密闭箱体及设置于密闭箱体内的采样瓶、定时转动盘及定时采水器，其中定时转动盘转动安装在密闭箱体内，所述采样瓶设置于定时转动盘上、并位于定时采样器的注水管下方。
[0014]所述回收系统包括深海声学释放器、超强聚乙烯纤维绳及浮球，其中深海声学释放器设置于外部支架系统上、并通过超强聚乙烯纤维绳与浮球连接。所述挂钩通过深海声学释放器控制。
[0015]本发明的优点及有益效果是:
[0016]1.本发明可以在海底直接测量沉积物-海水界面间物质交换通量，使测定结果更接近真实的沉积物-海水界面间的物质交换通量。
[0017]2.本发明还可以在沉积物-海水界面间物质交换通量监测结束后在监测原位获得无扰动的表层沉积物样品。
[0018]3.本发明应用广泛，即可以应用于沉积物中污染物活化、迁移的日常监测工作，也可应用于沉积物-海水界面间物质交换的理论研究。
【专利附图】
【附图说明】[0019]图1是本发明的结构示意图。
[0020]其中:1为海水隔离器，2为搅拌装置，3为多出口泵进水口，4为多出口泵出水口，5为单向出水阀，6为多参数传感器测量装置，7为传感器，8为数据读取与存储设备，9为海水定时采样装置，10为采样瓶定时转动盘，11为定时采水器出水口，12为定时采水器进水口，13为挖泥铲，14为液压杆II，15为支撑连杆，16液压杆I，17为外支架，18为深海声学释放器，19为超强聚乙烯纤维绳，20为浮球，21为挂钩，22为高能电池。
【具体实施方式】
[0021]下面结合附图对本发明作进一步描述。
[0022]如图1所示，本发明包括外部支架系统、无扰动沉积物原位采样装置、沉积物通量培养装置、多参数传感器测量装置6、海水定时采样装置9、挂钩21及回收系统，其中外部支架系统为不锈钢制成的圆柱形支架，所述沉积物通量培养装置通过液压杆116悬挂于外部支架系统上，所述无扰动沉积物原位采样装置设置于沉积物通量培养装置的底部，所述无扰动沉积物原位采样装置的上端与沉积物通量培养装置铰接、并通过液压杆Π14与外部支架系统连接。所述海水定时采样装置9和回收系统设置于外部支架系统上，所述海水定时采样装置9通过采样管与沉积物通量培养装置相连，所述多参数传感器测量装置6固定在沉积物通量培养装置的上部。所述挂钩21设置于外部支架系统的顶部、并通过深海声学释放器控制。当整个多功能海底通量及沉积物原位采样装置到达海底时，深海声学释放器可打开挂钩21，使整个装置可单独留在海底。
[0023]所述沉积物通量培养装置包括海水隔离器1、搅拌装置2及单向出水阀5，其中海水隔离器I为底部开口的容器，所述海水隔离器I的上端两侧分别通过一个液压杆116悬挂在外部支架系统上，所述搅拌装置2和单向出水阀5均设置于海水隔离器I的上端，所述单向出水阀5设置于海水隔离器I上端设有的通孔上。所述搅拌装置2为多出口水泵，所述多出口水泵的多出口泵进水口 3和多出口泵出水口 4均设置于海水隔离器I内。
[0024]所述沉积物通量培养装置可密封一定面积的表层沉积物及其上覆水，其内部搅拌装置2可将所密封的上覆水实时混匀，该搅拌装置2为一多出口水泵，通过多出口水泵在不同方向上的出水水流，推动沉积物通量培养装置内的水体流动，并最终实现混合均匀；在沉积物通量培养装置的上部开有可放置各种传感器和采样管的孔，这些孔在插入传感器或采样管后都采取密封措施，保证沉积物培养装置密封的海水不与外部海水进行交换。
[0025]所述无扰动沉积物原位采样装置包括两个有不锈钢制成的弧形挖泥铲13，两个挖泥铲13对称设置于海水隔离器I的底部。各挖泥铲13的上端通过液压杆1114与外部支架系统连接，海水隔离器I的两侧对称设有支撑连杆15，支撑连杆15与挖泥铲13上端设有的连杆铰接。两个挖泥铲13分别通过各自连接的液压杆1114驱动闭合或打开，当两个挖泥铲13完全闭合时可以将沉积物通量培养装置的底部完全密封，而液压杆1114的运动由设定的程序控制。
[0026]所述多参数传感器测量装置6包括传感器7、数据读取与存储设备8，所述传感器7由海水隔离器I的上端设有的通孔插入海水隔离器I内、并与设置于海水隔离器I上端的数据读取与存储设备8相连，以控制监测数据的读取与存储。所述传感器7包括pH、溶解氧、氧化还原电位、电导率、温度、盐度等传感器，这些传感器均通过沉积物通量培养装置上部的开孔插入沉积物通量培养装置的内部并浸入上覆水中，以保证可实时监测沉积物-界面附近上覆水中上述参数的变化。
[0027]所述海水定时采样装置9包括密闭箱体及设置于密闭箱体内的采样瓶、采样瓶定时转动盘10及定时采水器，其中采样瓶定时转动盘10转动安装在密闭箱体上，所述采样瓶设置于采样瓶定时转动盘10上、并位于定时采样器的注水管下方，所述采样瓶为普通玻璃瓶(或塑料瓶)。采样瓶定时转动盘10的转动速率可任意设定，定时采水器(现有技术)可任意设定采水的时间和两次采样间的时间间隔，匹配二者的时间间隔，当采样瓶定时转动盘10将其上的采样瓶转动到定时采水器的注水管下方，采水器在设定的时间开始采水。采水结束后，下一个采样瓶转到采水器的注水管下方。
[0028]所述回收系统包括深海声学释放器18、超强聚乙烯纤维绳19及浮球20，其中深海声学释放器18设置于外部支架系统上、并通过超强聚乙烯纤维绳19与浮球20连接。
[0029]本发明的工作过程及原理是:
[0030]在正常工作时，通过外部支架上的深海声学释放器控制的挂钩21，用调查船上的绞车将多功能海底通量及沉积物原位采样装置运送到海底，然后打开声学释放器控制的挂钩21，收回缆绳，将多功能海底通量及沉积物原位采样装置留在海底并工作一段时间。当多功能海底通量及沉积物原位采样装置到达海底后，在液压杆116的驱动下将海水隔离器I插入表层沉积物中，在海水隔离器I插入沉积物的过程中，海水隔离器内I的水从单向阀5向外溢出，而不会扰动隔离器I所圈闭的表层沉积物。单向阀5只允许海水从海水隔离器I中流出，而不允许外部海水流入海水隔离器I内，这样海水隔离器I将会封闭一定体积的海水，这部分海水只能通过沉积物-海水界面与表层沉积物之间隙水进行物质交换，而不会与外部海水进行物质交换。因此，这部分海水中物质含量的变化可被用来研究沉积物-海水界面物质交换通量。另外，在海水隔离器I的内部有一多出口泵，通过多出口泵进水口 3和多出口泵出水4推动隔离器I内的水缓慢运动，即能使海水隔离器I内的海水混合均匀，又不扰动其内部的表层沉积物，这样使所取得样品很有代表性。
[0031]在多功能海底通量及沉积物原位采样装置在海底工作期间，多参数传感器测量装置6所携带的pH、溶解氧、氧化还原电位、电导率、温度、盐度等传感器7将定时采集海水参数，并将所采集的参数储存到数据读取与存储设备8中，这样可以获得沉积物-海水界面附近海水物理、化学环境参数的变化。在获得这些参数的同时，根据事先设定的时间间隔，海水定时采集装置9将定时采集水样。即在开始采样前，采样瓶定时转动盘10将其上的采样瓶转动到定时采水器的注水管的下方，定时采水器在设定的时间开始采水。采水结束后，下一个采样瓶转到采水器的下方。在所设定的所有海水样品采集工作结束后，液压杆Π14驱动两个挖泥铲13并使其完全闭合，这样就在监测点的原位获得无扰动的表层沉积物样品。
[0032]根据设定的工作时间，在所有的采样、数据采集工作结束后，深海声学释放器18在接到甲板控制单元所发出的释放信号后释放出浮球20，浮球20将携带超强聚乙烯纤维绳19浮出海面，由调查船将整个装置收回。
【权利要求】
1.一种多功能海底通量及沉积物原位采样装置，其特征在于:包括外部支架系统、无扰动沉积物原位采样装置、沉积物通量培养装置、多参数传感器测量装置(6)、海水定时采样装置(9)、挂钩(21)及回收系统，其中沉积物通量培养装置通过液压杆I (16)悬挂于外部支架系统上，所述无扰动沉积物原位采样装置设置于沉积物通量培养装置的底部，所述无扰动沉积物原位采样装置的上端与沉积物通量培养装置铰接、并通过液压杆I 1(14)与外部支架系统连接，所述海水定时采样装置(9)和回收系统设置于外部支架系统上，所述海水定时采样装置(9)通过采样管与沉积物通量培养装置相连，所述多参数传感器测量装置(6)固定在沉积物通量培养装置的上部，所述挂钩(21)设置于外部支架系统的顶部。
2.按权利要求1所述的多功能海底通量及沉积物原位采样装置，其特征在于:所述沉积物通量培养装置包括海水隔离器(I)、搅拌装置(2)及单向出水阀(5)，其中海水隔离器(I)为底部开口的容器，所述海水隔离器(I)的上端两侧分别通过一个液压杆I (16)悬挂在外部支架系统上，所述搅拌装置(2)和单向出水阀(5)均设置于海水隔离器(I)的上端，所述单向出水阀(5)设置于海水隔离器(I)上端设有的通孔上。
3.按权利要求2所述的多功能海底通量及沉积物原位采样装置，其特征在于:所述搅拌装置(2)为多出口水泵，所述多出口水泵的多出口泵进水口(3)和多出口泵出水口(4)均设置于海水隔离器(I)内。
4.按权利要求2所述的多功能海底通量及沉积物原位采样装置，其特征在于:所述无扰动沉积物原位采样装置包括两个挖泥铲(13)，两个挖泥铲(13)分别对称设置于海水隔离器(I)的底部，各挖泥铲(13)的上端通过液压杆II (14)与外部支架系统连接、并通过连杆与海水隔离器(I)铰接，所述两个挖泥铲(13)分别通过各自连接的液压杆11(14)驱动封闭或打开海水隔离器(I)的底部。
5.按权利要求4所述的多功能海底通量及沉积物原位采样装置，其特征在于:所述海水隔离器(I)的下部两侧对称设有支撑连杆(15)，所述连杆与支撑连杆(15)铰接。
6.按权利要求2所述的多功能海底通量及沉积物原位采样装置，其特征在于:所述多参数传感器测量装置(6)包括传感器(7)、数据读取与存储设备(8)，所述传感器(7)由海水隔离器(I)的上端设有的通孔插入海水隔离器(I)内、并与设置于海水隔离器(I)上端的数据读取与存储设备(8)连接。
7.按权利要求2所述的多功能海底通量及沉积物原位采样装置，其特征在于:所述海水定时采样装置(9)包括密闭箱体及设置于密闭箱体内的采样瓶、定时转动盘(10)及定时采水器，其中定时转动盘(10)转动安装在密闭箱体内，所述采样瓶设置于定时转动盘(10)上、并位于定时采样器的注水管下方。
8.按权利要求1所述的多功能海底通量及沉积物原位采样装置，其特征在于:所述回收系统包括深海声学释放器(18)、超强聚乙烯纤维绳(19)及浮球(20)，其中深海声学释放器(18)设置于外部支架系统上、并通过超强聚乙烯纤维绳(19)与浮球(20)连接。
9.按权利要求1所述的多功能海底通量及沉积物原位采样装置，其特征在于:所述挂钩(21)通过深海声学释放器控制。
【文档编号】G01N1/12GK103969402SQ201410181903
【公开日】2014年8月6日 申请日期:2014年4月28日 优先权日:2014年4月28日
【发明者】李学刚, 宋金明, 袁华茂, 李宁, 段丽琴 申请人:中国科学院海洋研究所