一种冰盖分层采样设备和方法
【专利摘要】本发明涉及一种冰盖分层采样设备和方法，包括取样部分和施力部分；其中所述取样部分包括至少一个冰体取样盒，所述冰体取样盒包括内部中空的储冰盒和导冰槽；所述导冰槽的第一端开口与所述储冰盒连通，所述导冰槽的第二端开口位于所述储冰盒的外侧，在所述导冰槽的第二端开口上设置有凸出于所述导冰槽的破冰齿；在所述储冰盒上还设置有贯通所述储冰盒的旋转孔；所述施力部分包括旋转杆，所述旋转杆穿过所述旋转孔带动所述冰体取样盒旋转；所述旋转杆的形状与所述旋转孔的形状相匹配；在所述旋转杆的端部还设置有锁止块。整个设备操作简单容易，使用方便，且整个设备体积较小，可以现场组装，方便运输。
【专利说明】
一种冰盖分层采样设备和方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种冰盖分层采样设备和方法，是一种水文观测设备和方法，是一种用于冰盖研究领域的设备和方法，特别涉及一种冰盖分层采样设备以及使用该设备的采样方法。
【背景技术】
[0002]冰情现象是寒区河流特有的一种自然现象，我国西南高原寒区的雅鲁藏布江、长江源区、黄河源区等普遍存在。入冬以后，伴随气温降低，河流水体失热，当水温降至0° C以下时，水体发生相变，部分水体转化为固体流冰浮于水面，并随水流流动。寒区河流冰凌生消、发展及演变过程受气温、河道流量迅速增大、河流走向、太阳辐射差异、河道形态和岸线条件、槽蓄量等多重因素影响，当河道水流流速较小时，初生冰盖厚度主要受单一流冰厚度控制，流冰顺序排列互相冻结，此过程为“平封”；当水流流速大或逆流向风速强时，流冰回旋或潜入冰盖前缘以下形成厚度较大的冰盖，导致冰面极不平整，该过程为“立封”。随着气温的回升、径流流量加大，在热力因素和水力因素的相互作用下，冰体会逐渐解冻，恢复明流状态。
[0003]在上述冻融循环过程中，河流水体中的磷、氮、笨等污染物在冬季也会随着水体被冻结在冰体里，到了春季再向水体释放。当河流中的冰体以流冰形式存在时，环境物质的迀移转化将伴随水流运动，当流冰堆积形成冰盖，冰盖中污染物将不再移动，直接影响了环境物质的迀移和演变。冰盖对河流环境质量的影响主要体现在封冻期和开河期。封冻期，冰盖形成后显著增加了河道断面湿周和流动的阻力，进而改变的流速分布(图1a为明流下的流速分布，图1b为冰盖下的流速分布)将对河流水体中污染物及其它环境物质的扩散和输移造成影响。冰盖还隔绝了水体和空气的物质交换，使有机毒物失去了挥发和光解的途径，因冬季河流复氧能力差，水中的污染物如同在管道中流动，只能向下游迀移。春季开河期，温度升高，冰盖融化，冰盖中的污染物向水体和空气中释放，同时河流的湿周和流动阻力减小，再次对河流的环境质量造成影响。此外，河流中冬季枯水期流量一般仅为丰水期的十几分之一到几十分之一，与丰水期相比，冰封期河水中有机污染物稀释倍数小得多，浓度也要高得多，因此开河期冰盖中的污染物释放对河流环境质量的影响也不容忽视。
[0004]在冰盖内污染物的监测上，目前的采样设备还停留在上世纪50年代的“冰凿”和“冰穿子”阶段，无法满足新时期复杂条件下快速、准确采样的要求，特别是针对突发性水污染事件，现有设备更难以胜任。
[0005]在冬季高原寒区河流的冰体环境上，需考虑到冰盖的发展演变是随着气温、时间发展的动态过程，冰盖的生长速度受到气温日照等热力学条件、河流水力学条件、边界条件等影响而不断变化，河流水体中污染物的浓度也随时间变化，因此冰盖中污染物浓度并非均匀分布，其与冰层的发展速度和河流中水体的污染物浓度等有关，在垂向上呈梯度分布，已有的研究数据证实了这一变化规律，如英瑜雯等在松花江19个断面上实测的冰盖中硝基苯浓度在垂向上都出现了变化，其中上层和下层的硝基苯浓度最大相差8倍以上。目前，河流冰盖中污染物的变化规律，以及冰体污染物的溶解、扩散、输移等研究还处于起步阶段，其中一个很重要的原因是缺乏相应的分层采样设备。前已述及，现有的冰盖采样设备相当原始，如2007年大连理工大学许士国等在松花江上开展的冰样采集仍在使用链锯、冰穿子等工具，将冰捣成碎末取出。2013年，内蒙古农业大学曹伟娟等在分析黄河头道拐断面冰封期PCBs和HCHs的分布特征时采用的冰样采集工具为冰凿。国外对冰盖中污染物的研究主要集中在海冰上，尤其是研究海冰的排盐效应及其对海洋环境质量的影响，但也未见有关冰盖分层采样设备的文献。
[0006]在河流水质取样设备研究和应用方面，传统用于明流时的单层采样器、积深式采样器、封闭管式采样器等显然不适用于冰层的取样。此外，应用于河床的保真采样器先后研发了保压采样筒(PCB)、活塞采样器(APC)、保压取芯器(PCS)、冲击式采样器(FPC)和旋转式采样器(HRC)、保温保压采样器(PTCS)，浙江大学设计的保真采样器等，多采用重力或震动作用采样，适用于较为大型化的设备运输和使用，而内陆河流冰盖的厚度选小于海冰和极地冰，上述设备并不适用于内陆河流的冰情现状，且冰面与大气直接接触，亦不需要保压功能，同时上述设备也不具备分层取样的能力，因此并不适合于高原寒区野外河流冰盖分层采样的需求。鉴于此，迫切需要研究开发一种高效、准确的冰盖分层采样设备和方法。
【发明内容】
[0007]为了克服现有技术的问题，本发明提出了一种冰盖分层采样设备和方法。所述的冰盖分层采样设备和方法通过旋转和挤推实现了冰盖分层采样。
[0008]本发明的目的是这样实现的:一种冰盖分层采样设备，其包括取样部分和施力部分;其中所述取样部分包括至少一个冰体取样盒，所述冰体取样盒包括内部中空的储冰盒和导冰槽;所述导冰槽的第一端开口与所述储冰盒连通，所述导冰槽的第二端开口位于所述储冰盒的外侧，在所述导冰槽的第二端开口上设置有凸出于所述导冰槽的破冰齿;在所述储冰盒上还设置有贯通所述储冰盒的旋转孔；
所述施力部分包括旋转杆，所述旋转杆穿过所述旋转孔带动所述冰体取样盒旋转;所述旋转杆的形状与所述旋转孔的形状相匹配;在所述旋转杆的端部还设置有锁止块。
[0009]其中，所述取样部分包括两个以上冰体取样盒，两个以上的所述冰体取样盒层叠放置，每个所述冰体取样盒的破冰齿的相对位置不同。
[0010]其中，两个以上所述冰体取样盒从上到下依次层叠，两个以上所述冰体取样盒的破冰齿从上往下依次向着远离所述冰体取样盒的中心的方向间隔一定角度。
[0011]其中，相邻两个所述破冰齿之间的间隔角度为3度至7度。
[0012]其中，所述导冰槽为弧形槽。
[0013]进一步的，所述旋转孔的截面形状为凸型，所述旋转杆的截面形状为凸型。
[0014]进一步的，所述旋转杆的截面形状包括相互连接的圆形部分和矩形凸出部分；
所述锁止块整体呈“门”形，所述旋转杆的矩形凸出部分卡入所述锁止块。
[0015]进一步的，所述施力部分还包括设置在旋转杆的端部的操作手柄。
[0016]进一步的，所述施力部分还包括驱动电机，所述驱动电机与所述旋转杆连接并带动所述旋转杆转动。
[0017]进一步的，所述施力部分还包括变速齿轮，所述变速齿轮与所述驱动电机相啮合，所述旋转杆安装在所述变速齿轮上。
[0018]进一步的，所述驱动电机和变速齿轮安装在施力基座中；
所述冰盖分层采样设备还包括支撑部分;所述支撑部分包括用于放置所述施力基座的支撑基座和安装在所述支撑基座下方的支撑杆;在所述支撑杆的一端上设置有支撑孔。
[0019]进一步的，所述施力基座整体呈矩形，所述支撑基座整体呈矩形。
[0020]—种采用上述冰盖分层采样设备的冰层采样方法，其包括如下步骤:
SlOO:在冰盖上开孔；
S200:将冰盖分层采样设备插入孔中，同时使冰体取样盒的一侧紧贴冰体；
S300:手动或启动驱动电机使旋转杆旋转即可完成分层采样。
[0021 ]本发明产生的有益效果是:
(1)本发明的冰盖分层采样设备中的冰体取样盒用于破碎和存储冰体样本，在旋转杆的带动下破冰齿破碎冰体，然后通过导冰槽将碎冰导入储冰盒中储存。整个设备操作简单容易，使用方便，且整个设备体积较小，可以现场组装，方便运输；
(2)本发明的冰盖分层采样设备设置了多个冰体取样盒，可以实现分层破冰和分层取样，不会破坏冰盖结构，从而为冰盖分层研究提供可靠保证。
【附图说明】
[0022]下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
[0023]图1a是明流下的流速分布图；
图1b为冰盖下的流速分布图；
图2为实施例一的冰盖分层采样设备中的冰体取样盒的整体示意图；
图3是实施例一的冰盖分层采样设备中的旋转杆的整体示意图；
图4是图3中的A-A剖视图；
图5是实施例二中的冰盖分层采样设备的整体示意图；
图6为实施例五中的锁止块的整体示意图；
图7为实施例六中的旋转杆示意图；
图8为实施例七中的施力部分的整体示意图；
图9为实施例八中的支撑部分的整体示意图；
图10为图9中的B-B剖视图；
图11为实施例九中取样示意图。
【具体实施方式】
[0024]实施例一:
一种冰盖分层米样设备，其包括取样部分和施力部分。
[0025]所述取样部分包括至少一个冰体取样盒。冰体取样盒的具体结构参见图2，所述冰体取样盒100包括内部中空的储冰盒110和导冰槽120;所述导冰槽的第一端开口与所述储冰盒110连通，所述导冰槽120的第二端开口位于所述储冰盒110的外侧。在所述导冰槽120的第二端开口上设置有凸出于所述导冰槽120的破冰齿130。破冰齿130即齿状采样头，单个破冰齿的整体形状为三角形或者梯形，多个齿状采样头分散设置在导冰槽的第二端开口上从而达到碎冰的目的。冰体取样盒的主要目的是碎冰和存储采集冰体样本，碎冰通过导冰槽的第二端开口进入导冰槽，然后通过导冰槽的第一端开口进入储冰盒储存。
[0026]参见图3，所述施力部分包括旋转杆200，在所述储冰盒110上还设置有贯通所述储冰盒110的旋转孔111;所述旋转杆200穿过所述旋转孔111带动所述冰体取样盒100旋转;所述旋转杆200的形状应当与所述旋转孔111的形状相匹配。上述的冰体取样盒在旋转杆的带动下旋转，当破冰齿与冰体接触时即可碎冰从而完成采样。
[0027]本实施例中的储冰盒110至少具有底板，最好也设置有上盖，这样能够保证采样得到的碎冰被完全分隔开。另外储冰盒的形状不限，最好为圆形。储冰盒的高度和容积可以根据实际需要确定。
[0028]另外，破冰齿的延伸方向最好朝向储冰盒的中心，也就是说破冰齿的朝向最好与冰体取样盒的旋转方向一致。
[0029]进一步的，当设置多个冰体取样盒时，为了避免冰体取样盒之间发生相对运动，在储冰盒的上盖和底板上设置有卡扣结构。
[0030]同时，为了固定冰体取样盒，在所述旋转杆200的端部还设置有锁止块。
[0031]本实施例的冰盖分层采样设备设置了多个冰体取样盒，每个冰体取样盒均可以对应相应的冰层，通过每个冰体取样盒的破冰齿可以粉碎相应的冰层然后通过各自的导冰槽导入各自的储冰盒中，实现了分层破冰和分层取样，不会破坏冰盖结构，不会使不同冰层的碎冰混合，从而为冰盖分层研究提供可靠保证。本实施例的冰盖分层采样设备可以分体运输，使用时组装即可，因此整个设备体积较小，非常适合于野外使用；通过手动或电动使旋转杆旋转即可完成采样，操作简单容易，使用方便。
[0032]实施例二
本实施例是在实施例一的基础上进行的改进，是对实施例一中的多个冰体取样盒的改进。本实施例中的取样部分设置了两个以上的冰体取样盒，两个以上的所述冰体取样盒层叠放置，每个所述冰体取样盒的破冰齿的相对位置不同。使用时旋转杆穿过所有的冰体取样盒的旋转孔，同时带动所有冰体取样盒旋转。由于每个冰体取样盒的破冰齿的相对位置不同，因此所有的破冰齿并不同时与冰盖接触，而是与冰盖接触的时间相互错开，这样设置能够降低对旋转杆施加的旋转力，从而更加容易操作。
[0033]较优的，两个以上所述冰体取样盒从上到下依次层叠，两个以上所述冰体取样盒的破冰齿从上往下依次向着远离所述冰体取样盒的中心的方向间隔一定角度。也就是说随着旋转杆的旋转，最上面的冰体取样盒的破冰齿最先与冰盖接触，其他冰体取样盒的破冰齿依次与冰盖接触，这样设置能够更好的对冰盖进行分层采样。参见图5，图5中设置了7个冰体取样盒，分别为第一冰体取样盒101、第二冰体取样盒102、第三冰体取样盒103、第四冰体取样盒104、第五冰体取样盒105、第六冰体取样盒106和第七冰体取样盒107，这7个冰体取样盒从上到下(图5所示方向)依次层叠，使用时第一冰体取样盒101的破冰齿最先与冰盖接触，、第二冰体取样盒102、第三冰体取样盒103、第四冰体取样盒104、第五冰体取样盒105、第六冰体取样盒106和第七冰体取样盒107的破冰齿依次与冰盖接触。
[0034]进一步的，相邻两个所述破冰齿之间的间隔角度为3度至7度，最好为5度。该间隔角度能够最大限度的达到节省作用力与采样效果的平衡。
[0035]更优的，参见图5，冰体取样盒的导冰槽的外缘线均为渐开线，所述破冰齿的延伸方向与所述导冰槽的外缘线的延伸方向一致，两个以上所述冰体取样盒的导冰槽的外缘线的渐开角度逐渐增大。这样设置能够保证破冰齿的碎冰能力，同时避免破冰齿损坏，延长破冰齿的使用寿命。
[0036]实施例三
本实施例是在实施例一的基础上进行的改进，是对实施例一中的导冰槽的改进。参见图1，本实施例中，所述导冰槽为弧形槽。也就是说导冰槽的外缘线为弧线，导冰槽的内缘线为储冰盒的外缘线，但是导冰槽的外缘线与导冰槽的内缘线的弧线的切角不同，外缘线的切角大于内缘线的切角。弧形的导冰槽在冰体取样盒旋转时同时也能产生推动力从而使碎冰沿着导冰槽迅速进入储冰盒。另外，弧形的导冰槽使得整个冰体取样盒的外缘均圆滑过渡，几乎不存在棱角。导冰槽的外缘线可以为渐开线，这样能够迅速的将该层碎冰导入，从而避免与其他冰层的碎冰混合。
[0037]另一方面，导冰槽的第一端开口的面积可以大于第二端开口的面积，或者导冰槽的第一端开口直接位于储冰盒的外壁上，这样能够使碎冰迅速进入储冰盒而不会堵塞在导冰槽中。
[0038]实施例四
本实施例是在实施例一的基础上进行的改进，是对实施例一中的旋转杆和旋转孔的形状的改进。
[0039]参见图1和图4，储冰盒110的所述旋转孔的截面形状为凸型，所述旋转杆的截面形状为凸型。在野外河道冰体现场，河道中的冰厚并不是均匀的，有时能相差数倍，因此每个采样点所需的分层数量不同，且冰期野外工作条件差，操作的设备要简单易行才能提高工作效率。采用凸型设计能够很好的解决上述问题，根据现场需要便捷地增加或减少冰体取样盒以达到适应不同冰厚的目的。更优的，参见图4，所述旋转杆200的截面形状包括相互连接的圆形部分210和矩形凸出部分220，圆形部分210能够减小旋转杆与冰体取样盒之间的摩擦，矩形凸出部分220能够使旋转杆卡住冰体取样盒从而带动冰体取样盒旋转。
[0040]实施例五
本实施例是在实施例四的基础上进行的改进，是对实施例四中的锁止块的改进。参见图6，本实施例中的所述锁止块230整体呈“门”形，所述旋转杆的矩形凸出部分220卡入锁止块230的中间空档部分。参见图6，锁止块230上设置有锁止螺丝孔231，采用螺丝即可锁止，螺丝旋紧后直接顶在凸形旋转杆上固定，操作简单便捷。设置锁止块能够防止冰体取样盒掉落，同时能够更好的控制冰体取样盒的采样高度。
[0041 ]实施例六
本实施例是在以上任一实施例的基础上进行的改进，是对施力部分的改进。旋转杆可以手动施力也可以电动施力。本实施例中米用手动施力，参见图7，在旋转杆200的?而部设置有操作手柄240。这是为了某些野外没有电源只能手动操作设置的。
[0042]实施例七
本实施例是在以上任一实施例的基础上进行的改进，是对施力部分的改进。本实施例中采用驱动电机驱动旋转杆转动。
[0043]参见图8，所述施力部分还包括驱动电机310，所述驱动电机310与所述旋转杆200连接并带动所述旋转杆转动。采用电动驱动能够很方便的驱动冰体取样盒从而完成分层采样，同时能够保证采样的准确性。
[0044]进一步的，参见图8，所述施力部分还包括变速齿轮320，所述变速齿轮320与所述驱动电机310相啮合，所述旋转杆200安装在所述变速齿轮320上。设置变速齿轮可以减少电机功率和减轻重量，并同时增加驱动力，使得冰体取样盒能够顺利破碎并收集冰体。
[0045]更优的，还可以将所述驱动电机310和变速齿轮320安装在施力基座330中，从而使整个施力部分成为一个整体，方便安装和搬运。
[0046]实施例八
本实施例是在实施例七的基础上进行的改进。本实施例进一步设置了支撑部分。支撑部分用于固定施力部分，从而使得旋转杆能够带动冰体取样盒旋转。
[0047]参见图9和图10，所述支撑部分包括用于放置所述施力基座的支撑基座410和安装在所述支撑基座410下方的支撑杆420;在所述支撑杆420的一端上设置有支撑孔421。支撑杆至少为两根，本实施例中优选设置4根支撑杆，支撑杆包括倾斜段和水平段，倾斜段与支撑基座连接，水平段上设置有支撑孔。使用时将水平段放置在冰盖上，然后将支撑钉430打入支撑孔即可将支撑部分固定，然后将施力部分的施力基座等放入支撑基座即可将施力部分固定。施力基座的形状和支撑基座的形状最好相匹配。
[0048]参见图10，所述支撑基座整体呈矩形，所述施力基座整体也呈矩形。
[0049]本实施例中的冰盖分层采样设备使用时，首先固定支撑部分，然后将驱动部分放入支撑部分的支撑基座中固定好，接下来将冰体取样盒依次固定在旋转杆上，最后卡入锁止块固定。冰体取样盒的数量根据实际需要确定。
[0050]实施例九
本实施例提供一种使用冰盖分层采样设备的冰层采样方法，当其不包括支撑部分时，其包括如下步骤:
SlOO:在冰盖上开孔；
S200:将冰盖分层采样设备插入孔中，同时使冰体取样盒的一侧紧贴冰体；
S300:手动或启动驱动电机使旋转杆旋转即可完成分层采样。
[0051]而当冰盖分层采样设备包括支撑部分时，冰层采样方法包括如下步骤:
SlOO:在冰盖上开孔；
SI 10:将冰盖分层采样设备的支撑部分固定在冰盖上；
S200:参见图11，将冰盖分层采样设备插入孔中，同时使冰体取样盒的一侧紧贴冰体； S300:手动或启动驱动电机使旋转杆旋转即可完成分层采样。
[0052]最后应说明的是，以上仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳布置方案对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案(比如整个装置的连接方式、各个连接关系等)进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。
【主权项】
1.一种冰盖分层米样设备，其特征在于:包括取样部分和施力部分； 其中所述取样部分包括至少一个冰体取样盒，所述冰体取样盒包括内部中空的储冰盒和导冰槽;所述导冰槽的第一端开口与所述储冰盒连通，所述导冰槽的第二端开口位于所述储冰盒的外侧，在所述导冰槽的第二端开口上设置有凸出于所述导冰槽的破冰齿;在所述储冰盒上还设置有贯通所述储冰盒的旋转孔； 所述施力部分包括旋转杆，所述旋转杆穿过所述旋转孔带动所述冰体取样盒旋转;所述旋转杆的形状与所述旋转孔的形状相匹配;在所述旋转杆的端部还设置有锁止块。2.根据权利要求1所述的冰盖分层采样设备，其特征在于:所述取样部分包括两个以上冰体取样盒，两个以上的所述冰体取样盒层叠放置，每个所述冰体取样盒的破冰齿的相对位置不同。3.根据权利要求2所述的冰盖分层采样设备，其特征在于:两个以上所述冰体取样盒从上到下依次层叠，两个以上所述冰体取样盒的破冰齿从上往下依次向着远离所述冰体取样盒的中心的方向间隔一定角度。4.根据权利要求3所述的冰盖分层采样设备，其特征在于:相邻两个所述破冰齿之间的间隔角度为3度至7度。5.根据权利要求1所述的冰盖分层采样设备，其特征在于:所述导冰槽为弧形槽。6.根据权利要求1所述的冰盖分层采样设备，其特征在于:所述旋转孔的截面形状为凸型，所述旋转杆的截面形状为凸型。7.根据权利要求7所述的冰盖分层采样设备，其特征在于:所述旋转杆的截面形状包括相互连接的圆形部分和矩形凸出部分； 所述锁止块整体呈“门”形，所述旋转杆的矩形凸出部分卡入所述锁止块。8.根据权利要求1至7任意一项所述的冰盖分层采样设备，其特征在于:所述施力部分还包括设置在旋转杆的端部的操作手柄。9.根据权利要求1至7任意一项所述的冰盖分层采样设备，其特征在于:所述施力部分还包括驱动电机，所述驱动电机与所述旋转杆连接并带动所述旋转杆转动。10.—种采用权利要求1至12任意一项所述的冰盖分层采样设备的冰层采样方法，其特征在于:包括如下步骤: SlOO:在冰盖上开孔； S200:将冰盖分层采样设备插入孔中，同时使冰体取样盒的一侧紧贴冰体； S300:手动或启动驱动电机使旋转杆旋转即可完成分层采样。
【文档编号】G01N1/08GK105928738SQ201610257651
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年4月22日
【发明人】付辉, 郭新蕾, 郭永鑫, 王涛, 李甲振, 徐海卿, 李匡, 黄伟
【申请人】中国水利水电科学研究院