雨水管道沉积物原状取样器及其取样方法与流程

本发明涉及水环境修复技术领域，特别是涉及一种雨水管道沉积物原状取样器及其取样方法。

背景技术：

近年来，城市内涝频繁发生，除了极端天气的外部原因之外，也与雨水管道淤积造成管道容积及过流能力下降有关，而城市雨水管道沉积物的存在是导致管道淤积、输水能力下降的主要原因。遇到暴雨天气时，雨水管道沉积物又会被径流冲刷而进入水体，形成冲击性污染负荷，沉积物中赋存的污染物会重新释放入水体，对河道生态系统产生威胁。此外，雨水管网沉积物在微生物作用下，产生的h2s等有毒有害气体会腐蚀管道以及威胁相关从业人员的安全。因此，开展雨水管道沉积物的研究对提升雨水管道系统自身功能以及削减沉积物污染等方面具有重要意义。

相关研究将管道沉积物构成分为三部分：近底层固体(nearbedsolid)、有机层(organiclayer)和生物膜(biofilm)。管道沉积物三个部分之间的理化特性(颗粒粒径、含水率、污染物赋存量等)以及抗水力冲刷特性等各方面具有较大差异。而关于管道沉积物的报道还不全面，且大部分来源于国外学者，国内对管道沉积物的研究报道较少。国内雨水管道系统中，除检查井中设有一定维修空间外，其余管道部分基本没有预留空间，这使得国内研究者采集管道沉积物变得十分困难。

而采集管道沉积物的样品是研究管道沉积物的理化性质、生物多样性以及污染负荷等方面的必备环节，因此，提出一种雨水管道沉积物的原状采样方法是十分必要且具有重要意义的。目前，关于雨水管道沉积物的采样方法较少，较多的方法是应用于河道、湖泊或海洋沉积物的采样方法。

专利号为cn10445833a发明专利公开了一种天然河道柱状底泥采集装置，包括支架、主架、配重机构、取样杆、转动机构、取样头和击打机构，主架设置在支架上，配重机构设置在主架上，取样杆安装在主架上，转动机构连接在取样杆的上，击打机构和取样头连接在转动机构上，击打机构位于取样头的上方。将上述装置运至采集地点的堤岸后，首先将主架连接在支架上，支架固定在地面上。调节好取样杆的长度，将取样杆穿过主架中的套筒，取样头顶部连接在取样杆的最前端。到达制定采样点位进行垂直下放，使取样头伸入底泥，在击打机构打击下进行取样。本发明实现了远距离柱状底泥采集，使采样定位准确、省时省力、携带方便，适于不同水深的河道柱状底泥采集。

专利号为cn203259363u实用新型公开了一种用于不同水深湖泊沉积物的湖芯采样装置，其包括从上至下依次固定连接的手柄杆、钻杆和旋转捕芯器旋转捕芯器包括样品管和旋转刀片，样品管本体为一半圆形槽体半圆形槽体的顶端设有用于与钻杆相连接的连接杆，半圆形槽体的底端外侧面上固设有钻头旋转刀片的两端分别可转动地连接在所述半圆形槽体的顶端和底端上。本实用新型克服了现有机械沉积物采样器的缺点，提高了取样成功率和样品完整性，并通过可延长钻杆、加设重锤实现了不同深度水体和沼泽岩芯取样，大大简化了拆装环节，既有效的节约了时间，也满足了研究的需求。

专利号为cn108020442a的发明公开了一种液压驱动机械手持海底沉积物保真取样器及取样方法，取样器包括液压源、保压筒、取样管、翻板密封机构及开启阀翻板密封机构安装在保压筒底部开口处，翻板密封机构包括翻板阀座及翻板阀，翻板阀座与保压筒密封连接翻板阀靠近阀孔铰接在翻板阀座上，翻板阀与翻板阀座之间设有扭簧取样管插装在保压筒内，取样管上设有与保压筒内孔配合的取样管活塞，取样管与翻板阀座上的阀孔同轴所述液压源与开启阀的进油口通过管道连接，开启阀的出油口通过管道与保压筒侧壁的通孔连接，保压筒顶部设有回流孔，回流孔与翻板阀安装处的内腔之间通过管道连通。本发明结构简单、紧凑、操作方便，本发明设有保压筒，确保了采样保真效果。

以上三种沉积物采样器均能在各自对应的环境中进行采样，然而相比于河湖海沉积物，雨水管道沉积物所在环境以及沉积物自身性质(厚度、密度、构成)等方面有着很大差异，这使得上述实用新型或发明专利难以实现对管道沉积物的原状保真取样。而管道沉积物样品的原状保真对于研究管道沉积物具有十分重要意义，因此，公开一种雨水管道沉积物原状取样器及其取样方法是十分必要的。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有技术中存在的不能实现原状保真取样的缺陷，而提供一种雨水管道沉积物原状取样器及其取样方法，能够实现完整、保真的采样，从而为研究雨水管道沉积物的特性提供支撑。

为实现本发明的目的所采用的技术方案是：

一种雨水管道沉积物原状取样器，包括取样槽和通过连接组件与所述取样槽的一端相连接的辅助推拉杆，其中：

所述取样槽包括截面为圆弧形的槽体、形成在所述槽体外壁上的取样凹槽和固定设置在所述槽体内壁上的倒勾，所述槽体的外径与所述雨水管道的内径相同，所述取样凹槽的槽底突出于所述槽体的内壁；

所述辅助推拉杆包括通过所述连接组件与所述取样槽底部相连接的直杆和一端铰接在所述直杆中下部的受力杆。

利用所述雨水管道沉积物原状取样器进行取样的方法，包括以下步骤：

步骤1，提取将选定取样点的检查井井盖打开，放置20～30分钟，排放有毒有害气体。保证检查井内有毒有害气体不至于危害到取样操作人员；

步骤2，取样操作人员下井，观察雨水管道内沉积物位置及厚度；

步骤3，将取样槽外壁与管道内壁贴紧，将辅助推拉杆的底部安装在所述取样槽一端的底部位置，反复的向外摆动直杆的顶部，在受力杆的作用下，取样槽向管道内移动(杠杆原理)；

步骤4，沉积物样品采集完毕后，将取样设备带回地面，从所述槽体内取出沉积物样品，从所述凹槽内取出生物膜，用专门的容器存放生物膜及沉积物样品。

作为优选方式，所述取样凹槽对称设置在所述槽体左右两侧，每一侧设有二-六条相互平行的取样凹槽，优选为四条，所述取样凹槽为直线形结构或弧形结构，所述取样凹槽的两端分别位于所述槽体的两端。

作为优选方式，所述取样凹槽向所述槽体内部倾斜45°

作为优选方式，所述倒勾向所述槽体外部倾斜，倾斜角度小于或等于15°，所述倒勾为呈短杆状并呈矩阵固定在所述槽体内壁上。

作为优选方式，所述直杆和受力杆的长度可调。

作为优选方式，所述取样槽通过串联机构相连接，所述串联结构包括固定设置在所述槽体内壁上的卡槽和通过所述卡槽将两个所述槽体连接在一起的衔接卡扣。衔接卡扣的两端分别连接两个取样槽上的卡槽，将两个取样槽连接在一起。

作为优选方式，所述卡槽由两个相邻的工形桩构成，所述衔接卡扣包括连接杆和固定在所述连接杆两端的圆球，两所述工形桩之间的间隙大于所述连接杆的直径小于所述圆球的直径。连接杆位于工形桩的间隙内，两个圆球分别位于两个卡槽的两侧，将两个取样槽连接在一起。

作为优选方式，每一取样槽的两端均设有三个卡槽，三个卡槽包括一个底部卡槽和两个侧部卡槽，所述底部卡槽位于所述取样槽内壁的最底端，两所述侧部卡槽以所述取样槽的中轴线为轴对称设置。

作为优选方式，所述连接组件包括固定设置在所述直杆底端的连接桩和所述底部卡槽，所述连接桩可适配插入两所述工形桩形成的间隙内。通过连接桩和底部卡槽形成固定，将取样槽和辅助推拉杆连接在一起。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.可根据实际采样需要连接多个取样槽，使用灵活方便；

2.工形的连接卡槽设计使得取样槽之间的连接十分稳固，不会轻易脱落；

3.利用辅助推拉杆使得取样过程省力省时，且可调节长度的辅助推拉杆在不同的检查井环境下都能很好的架设。

4.取样槽外壁的取样凹槽可采集管道内壁生物膜，而生物膜对研究雨水管道沉积物的微生物组成及多样性具有重要研究意义；

5.取样槽内壁倒勾可防止外拉取样槽时沉积物脱落，避免重复操作；

6.圆弧形取样槽使得采集的沉积物原状保真效果好，可用于实验室管道沉积物的模拟研究。

附图说明

图1所示为取样槽的前视图。

图2所示为取样槽的主视图(取样凹槽为直线形)。

图3所示为取样槽的主视图(取样凹槽为曲线形)。

图4为取样凹槽的前视图。

图5所示为取样槽使用状态的前视图。

图6所示为取样槽的侧视图。

图7所示为卡槽的结构示意图。

图8所示为卡槽与衔接卡扣的俯视图。

图9所示为卡槽与衔接卡扣的前视图。

图10所示为辅助推拉杆的结构示意图。

图11所示为多个取样槽相连接的机构示意图。

图12所示本取样器的使用状态图。

图中：

1-槽体，2-雨水管道，3-取样凹槽，4-倒勾，5-直杆，6-受力杆，7-连接桩，8-铰链，9-工形桩，10-连接杆，11-圆球。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

一种雨水管道沉积物原状取样器，包括取样槽和通过连接组件与所述取样槽的一端相连接的辅助推拉杆，其中：

所述取样槽包括截面为圆弧形的槽体1、形成在所述槽体1外壁上的取样凹槽3和固定设置在所述槽体1内壁上的倒勾4，所述槽体1的外径与所述雨水管道2的内径相同，所述取样凹槽3的槽底突出于所述槽体1的内壁；

所述辅助推拉杆包括通过所述连接组件与所述取样槽底部相连接的直杆5和一端铰接在所述直杆5中下部的受力杆6。

利用所述雨水管道沉积物原状取样器进行取样的方法，包括以下步骤：

步骤1，提取将选定取样点的检查井井盖打开，放置20～30分钟，排放有毒有害气体。保证检查井内有毒有害气体不至于危害到取样操作人员；

步骤2，取样操作人员下井，观察雨水管道内沉积物位置及厚度；

步骤3，将取样槽外壁与管道内壁贴紧，将辅助推拉杆的底部安装在所述取样槽一端的底部位置，反复的向外摆动直杆5的顶部，在受力杆6的作用下，取样槽向管道内移动(杠杆原理)；

步骤4，沉积物样品采集完毕后，将取样设备带回地面，从所述槽体1内取出沉积物样品，从所述凹槽3内取出生物膜，用专门的容器存放生物膜及沉积物样品。

使用本装置时，将直杆5的底部装在所述槽体1一端的底部，所述槽体1外径等于管道内径d，槽体1外壁半径以达到采样过程中取样槽外壁紧贴雨水管道内壁的目的。取样凹槽3的作用是收集管道内壁附着的生物膜。倒勾4的作用是防止采集泥样脱落。

实施例2

本实施例在实施例1的基础上对取样槽和辅助推拉杆的结构进行进一步的优化。

作为优选方式，所述取样凹槽3对称设置在所述槽体1左右两侧，每一侧设有二-六条相互平行的取样凹槽3，优选为四条，所述取样凹槽3为弧形结构，所述取样凹槽3的两端分别位于所述槽体1的两端。

作为优选方式，所述取样凹槽3向所述槽体1内部倾斜45°(所述取样凹槽3的侧壁与经过该侧壁一点的法线之间的夹角为45°，所述取样凹槽3的截面为平行四边形)，所述取样凹槽3的槽宽为0.04-0.08d，优选为0.06d，槽深为0.04-0.08d，优选为0.06d，最上层的取样凹槽3的端部与所述槽体1的顶部的距离为0.02-0.04d，优选为0.03d。最下层的取样凹槽3的中部与所述槽体1的底部的距离为0.15-0.20d，优选为0.18d。相邻两条取样凹槽3之间的间隔为0.02-0.04d，优选为0.03d。凹槽对0.18d至0.97d高度之间的管道内壁生物膜均有一定的采集效果。凹槽位置设置是根据管道沉积物中生物膜通常附着的位置而确定的，所设计的凹槽形状和角度是为了更有效率的收集生物膜且收集的生物膜在取样槽拖动过程中不轻易掉落，提升生物膜的采集效率。

作为优选方式，所述倒勾4的长度小于等于0.06d，所述倒勾向所述槽体1外部倾斜，倾斜角度(与水平面的夹角)小于或等于15°。

作为优选方式，所述倒勾4为呈短杆状并呈矩阵固定在所述槽体1内壁上，倒勾4的作用是防止采集泥样脱落。倒勾长度不易过长(优选长度小于或等于0.06d)，雨水管道内径越大，设置的倒勾长度可适当增加。倒勾呈一定角度(优选角度小于或等于15°)往管道外倾斜。倒勾长度和角度设置是为了减少对管道沉积物底层的扰动，同时防止往外拉动取样槽时沉积物样品轻易脱落，提升沉积物的采集效率。

作为优选方式，所述直杆5和受力杆6的长度可调，所述直杆5由三根管套接而成，三根管总长度为l，直杆上有三个调接点，可根据实际需要调节直杆长度，受力杆由三个短管套接而成，受力杆上有三个调接点，可根据实际需要调节受力杆长度以便于施力，受力杆通过铰链8与直杆连接，所述铰链位置距所述直杆5底部的距离为所述直杆5长度的

实施例3

本实施例在实施例1的基础上取样槽的结构进行进一步的优化。可根据需要选用多个取样槽，多个取样槽串接在一起增大采样量。

在本实施例中，所述雨水管道沉积物原状取样器包括至少两个取样槽，所述取样槽通过串联机构相连接，所述串联结构包括固定设置在所述槽体1内壁上的卡槽和通过所述卡槽将两个所述槽体1连接在一起的衔接卡扣。衔接卡扣的两端分别连接两个取样槽上的卡槽，将两个取样槽连接在一起。

作为优选方式，所述卡槽由两个相邻的工形桩9构成，所述衔接卡扣包括连接杆10和固定在所述连接杆两端的圆球11，两所述工形桩9之间的间隙大于所述连接杆10的直径小于所述圆球11的直径。连接杆10位于工形桩9的间隙内，两个圆球11分别位于两个卡槽的两侧，将两个取样槽连接在一起。

作为优选方式，每一取样槽的两端均设有三个卡槽，三个卡槽包括一个底部卡槽和两个侧部卡槽，所述底部卡槽位于所述取样槽内壁的最底端，两所述侧部卡槽以所述取样槽的中轴线为轴对称设置。侧部卡槽位于取样槽两侧且与管道圆心的连线呈120°，侧部卡槽距取样槽底部的高度为0.5d。底部卡槽、管道圆心和一个侧部卡槽三者构成等边三角形。

采样过程中，通过三个衔接卡扣可将两个同规格的取样槽连接起来，可根据采样需要利用衔接卡扣连接多个取样槽。若采样量较大时，可连接多个取样槽；若需分段采集不同管道深度的沉积物时，可连接多个取样槽。

更具体的，所述工形桩9高0.03d，长0.02d，宽0.03d，工形桩中部厚度0.007d，两个工形桩之间相距0.02d。所述衔接卡扣由一根长度为0.063d而直径略小于0.007d的细杆以及细杆两端连接的两个直径为0.03d的圆球组成。衔接卡扣的细杆刚好能放入两个工形桩之间，两个工形桩组成的连接卡槽能卡住衔接卡扣的圆球，从而将两个连接卡槽固定住。

作为优选方式，所述连接组件包括固定设置在所述直杆5底端的连接桩7和所述底部卡槽，所述连接桩7可适配插入两所述工形桩9形成的间隙内。通过连接桩7和底部卡槽形成固定，将取样槽和辅助推拉杆连接在一起。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。