一种动态调节的冰下分层水体样本采集器及使用方法

本发明属于环境样本采集、监测及环境治理，涉及到河流、湖泊、水库的水体样本的分层采集，特别涉及到冬季冰封期冰下水体的采集以及环境监测，提供一种动态调节的冰下分层水体样本采集器。

背景技术：

1、随着我国社会经济的发展，一方面水环境问题日益突出，另一方面环保意识也逐渐提高，环境保护已经成为我国长期发展的战略选择。对于环境保护最基本的工作就是要掌握和认识水环境状态。中高纬度地区，冬季低温条件促使水面结冰，给水质监测带来了挑战。我国北方地区也是如此，冬季冰封条件下的水质监测受限于采集、监测设备的不足，很少开展冬季水质监测，尤其是冰下的冰水界面处样本采集，尚没有较好的解决办法。研究发现结冰过程的“排盐效应”会促使表层水体污染升高，排盐效应通常在冰下1米范围内影响较大，尤其是冰-水界面处更为显著。现有的冰下采集、监测通常采用常规的水样采集器，如尼斯金瓶、卡盖式采水器、简易采水器进行，这些采集设备本身的高度在20-50cm左右，无论采用哪种进水方式，都难以采集到冰-水界面的水体样本，也无法有效采集到1米范围内的分层水体样本；还有部分人员设计了固定的等距柱状分层冰下采样器，难以对不同冰下环境进行分层调节。此外，传统的水体样本采集，多是依赖于经验判断或者等距法，进行分层样本采集，难以有效捕捉冰下敏感的水质变化。

2、冰下特殊条件下的分层水质状态成为冬季水环境管理的薄弱点。而现有设备难以满足冰下特殊条件下的样本采集。为了有效采集冰下特殊条件下的分层水体样本，有必要研发具有环境影响低、垂向动态调节、原位实时水质监测、变点捕捉功能的冰下分层水体样本采集器，为特殊条件下的水质监测提供技术支撑。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是提供一套适用于冬季冰封条件，河流、湖泊、水库等多种工况，基于水质原位监测的高精度动态调节冰下分层水体样本采集器。

2、为了达到上述目的，本发明的技术方案是：

3、一种动态调节的冰下分层水体样本采集器，包括伸入式取水装置、冰封环境下的动态调节机构、多参数水质变点监控系统三个部分。

4、所述的伸入式取水装置包括伸入式水管1、蠕动泵软管2、蠕动泵3、采样瓶4；所述伸入式水管1分为进水段1-1与出水段1-2，为t型结构，其中进水段1-1为伸入式设计，其水平横插固定在动态调节机构中，并利用电动滑块8-3实现在水体中垂向调节的功能，以实现进水口的动态调节与分层样本采集；出水段1-2通过蠕动泵软管2与采样瓶4连通，蠕动泵软管2上设有蠕动泵3；在采集水样时，出水段1-2与进水段1-1采用固定的垂向连接，提供稳定的水力环境，并通过蠕动泵软管2与蠕动泵3相连，利用蠕动泵3将水样缓缓抽出后注入采样瓶4内，并采用溢流法进行控制，最大程度上避免外界环境对采样过程的影响；

5、进一步的，所述的电子阀门1-3布置在进水段1-1与出水段1-2衔接处十厘米位置。所述的进水段1-1可沿着采样口向内延伸0.5米，从而有效减少采样口周围的环境影响，例如采样口破冰后水面溶解氧会与大气接触，改变了表层尤其是冰-水界面处的溶解氧浓度。

6、所述的冰封环境下的动态调节机构包括上冰面支架5、螺旋伸缩刻度尺6、下冰面支架7、折叠式遥控采样架8、支撑架9；所述的上冰面支架5、下冰面支架7一侧端部之间安装螺旋伸缩刻度尺6，通过螺旋伸缩刻度尺6调整冰面支架之间的高度，用于将采集器固定在冰层，形成采样工作面。所述下冰面支架7与其下方的支撑架9之间设有两个折叠式遥控采样架8，能够调整垂向高度，其中，支撑架9和下冰面支架7通过卡槽与两个折叠式遥控采样架8相连；以实现冰面固定、冰厚测量、调节采样位置、装配伸入式取水装置和多参数水质变点监控系统。所述的折叠式遥控采样架8包括折叠式遥控采样架上部8-1、折叠式遥控采样架下部8-2、中部设有通孔处用于穿过进水段1-1的电动滑块8-3、转动轴8-4、固定螺栓8-5；所述折叠式遥控采样架上部8-1与折叠式遥控采样架下部8-2为结构相同的u型结构，其两个端部均设有安装孔；在采集水样前，两个采样架8-1、8-2u型开口对齐后，其一端通过转动轴8-4连接，另一端通过固定螺栓8-5连接。折叠式遥控采样架上部8-1与折叠式遥控采样架下部8-2的两条内长边上各有一条滑轨，电动滑块8-3能够在滑轨上移动；所述电动滑块8-3通过马达齿轮传动，由电动滑块8-3内的蓄电池供电，并通过智能遥控板13控制其上下移动，进而调整伸入式水管1的位置，实现对伸入式取水装置采样位置的调节。下冰面支架7紧贴冰层底部，当电动滑块8-3移动到最上方时，其采集位置可到达冰水界面层；折叠式遥控采样架8下方通过卡槽与支撑架9相连；采集水样前，伸入式水管1的进水段1-1插入折叠式遥控采样架8中的电动滑块8-3中央的通孔中，通过卡槽将两者固定。进一步的，所述的上冰面支架5右端底部以焊接形式与螺旋伸缩刻度尺6相连，螺旋伸缩刻度尺6底方以焊接的方式与下冰面支架7相连。所述下冰面支架7下方以卡槽的形式与两个折叠式遥控采样架8相连，两个折叠式遥控采样架8下方均以卡槽的形式与支撑架9相连；所述的下冰面支架7下方与两个水平布置的折叠式遥控采样架8相连，两个折叠式遥控采样架8下方均以卡槽的形式与支撑架9相连。

7、进一步的，所述的上冰面支架5包括长条状的转杆5-1，固定托槽5-2，固定插销5-3；其中转杆5-1嵌在固定托槽5-2上可180°转动，从而优化采样器的空间形态，减少采样口尺寸，方便采样；在采集器入水后，转动转杆5-1使其与固定托槽5-2横向对齐，将固定插销5-3插入圆形小孔中固定好转杆5-1，并根据冰厚调整螺旋伸缩刻度尺6，上冰面支架5与下冰面支架7共同将采集器固定在冰层，形成采样工作面；上冰面支架5的固定托槽5-2下方以焊接的形式连接螺旋伸缩刻度尺6。

8、进一步的，所述的螺旋伸缩刻度尺6包括中空的刻度杆套6-2、旋入刻度杆套6-2内的刻度螺旋杆6-1、、刻度螺旋杆6-1顶部的握柄6-3、轴承衬6-4、滚珠6-5；螺旋伸缩刻度尺6分为内外两组刻度线，外层的刻度线印制在刻度杆套6-2上，其量程为0-50cm，为方便测量冰厚，刻度杆套6-2的四个对称的面上均有一排0-50cm量程的刻度线，避免在测量时刻度线被旋转至不易观测的方位；内层的刻度线印制在刻度螺旋杆6-1上，其量程为51-100cm，当冰厚超过50cm时，顺时针旋转握柄6-3可将刻度螺旋杆6-1缓缓升起，露出内层的刻度线；为避免测量时刻度线被旋转至不易观测的方位，刻度螺旋杆6-1的四个对称面上均有一排51-100cm量程的刻度线；刻度螺旋杆6-1的上端放入轴承衬6-4内，下方用滚珠6-5填充，避免旋转握柄6-3调节刻度时导致上冰面支架5在冰面上的移动；刻度杆套6-2下方连接下冰面支架7，采集水样时刻度杆套6-2承受采集器重量，为避免受力导致结构断裂，采用焊接的方式将两者连接。

9、所述的多参数水质变点监控系统包括集成盒10、压力传感器11、多参数传感器12、智能遥控板13，以实现监测冰下水体各项参数，控制采集器整体协作；所述集成盒10以铆接的方式装配在靠近进水口处的折叠式遥控采样架8与支撑架9的交汇处，压力传感器11紧贴集成盒10，装配在支撑架9上，多参数传感器12装配在折叠式遥控采样架8的电动滑块8-3的卡槽中；通过智能遥控板13对采集器整体进行控制，实现垂向动态调节、原位实时水质监测、变点捕捉功能的冰下分层水体样本。

10、进一步的，所述的集成盒10包括数据处理单元10-1、蓄电池10-2、传输线a10-3、传输线b10-4。

11、所述智能遥控板13是由电量显示区13-1、采集器状态显示区13-2、分层水体参数显示区13-3、智能遥控板开关13-4、光标上方向键13-5、光标下方向键13-6、光标确定键13-7、滑块复位键13-8、阀门开键13-9、阀门关键13-10组成；多参数传感器12通过卡槽固定在电动滑块8-3上，并能够随着电动滑块8-3的移动，监测对应采集深度上的温度、溶解氧、电导率，采集数据通过传输线a10-3将信息输送至数据处理单元10-1；压力传感器11用以测定水深，通过传输线b10-4将信息传递至数据处理单元10-1；所述数据处理单元10-1对多参数传感器12监测的多参数水质数据进行分析，计算各参数的变化速率，当变化速率大于设置值时，认为存在水质变点，并结合压力传感器11确定变点区间；数据处理单元10-1将处理后的多参数水质信息、变点信息、变点区间等传递给智能遥控板13，控制智能遥控板13，更新电动滑块8-3运行轨迹，从而加密分层样本采集；短按智能遥控板开关13-4可控制智能遥控板13的开启与关闭，长按智能遥控板开关13-4，折叠式遥控采样架8上的电动滑块8-3带动伸入式水管1与多参数传感器12从上到下缓慢移动，监测环境参数；光标上方向键13-5与光标下方向键13-6移动分层水体参数显示区13-3的光标，根据采集目标与多参数水质监测获得的突变点，设定的采样位置，按动光标确定键13-7即可采集样品；阀门开键13-9与阀门关键13-10控制伸入式水管1中电子阀门1-3的打开与闭合；滑块复位键13-8控制电动滑块8-3移动到折叠式遥控采样架8内框最顶部；电量显示区13-1左侧的标志代表集成盒电量，右侧的标志代表智能遥控板电量。

12、一种动态调节的冰下分层水体样本采集器水样采集具体实施步骤如下：

13、步骤1：到达现场后，组装采集器。

14、电动滑块8-3的装配后，将折叠式遥控采样架上部8-1通过转动轴8-4旋转至与折叠式遥控采样架下部8-2对齐贴合，拧紧固定螺栓8-5，使折叠式遥控采样架8由折叠形态转化为采样形态。打开智能遥控板13，使电动滑块8-3在滑轨中上下移动一周，校核电动滑块8-3使用功能。将折叠式遥控采样架8的顶端与尾端分别插入下冰面支架7与支撑架9的卡槽中进行安装。将出水段1-2管口垂直向上并插入蠕动泵软管2，进水段1-1横向插入电动滑块8-3至其末端，将多参数传感器12和压力传感器11分别装配在折叠式遥控采样架8的电动滑块8-3与支撑架9的卡槽处，最后将传输线a10-3插入多参数传感器12末端，传输线b10-4插入压力传感器11末端，完成采集器的组装。

15、步骤2：破冰后，将采集器与冰层固定。

16、通过目视法转动螺旋伸缩刻度尺6的握柄6-3至适宜量程，将上冰面支架5的转杆5-1旋转至90°并将转杆5-1握在手中，垂直提起采集器后放入水中并保持下冰面支架7与冰层底部贴合，然后移动采集器至伸入式水管1完全处于冰下，随后握住握柄6-3防止采集器沉入水下，将转杆5-1旋至0°使其与固定托槽5-2横向对齐，并用固定插销5-3插进固定托槽5-2中，松开双手，此时转杆5-1与上层冰面水平贴合，随后，逆时针转动握柄6-3使得刻度螺旋杆6-1完全旋入刻度杆套6-2中，配合下冰面支架7，将采集器固定在冰层，并测定冰厚。

17、步骤3：监测冰下水体分层情况，收集各项水质参数，分析水质变点。

18、电动滑块8-3在滑轮的传动下带动伸入式水管1从上至下缓慢移动，多参数传感器12将持续监测水体各项参数，通过集成盒10将原位监测的多项水质参数与变点监测信息传递给智能遥控板13，为分层水样采集提供依据。

19、步骤4：采集冰下分层水样。

20、结合变点监测与采样目标，设定分层水样采集的水深，电动滑块8-3挪动到采样点位置等待分层水体稳定后，打开电子阀门1-3、蠕动泵3，采集每层水体之前持续抽水1min至外界，确保伸入式水管1中吸取的水体均为所需分层水体，将蠕动泵软管2插入采样瓶4内，将水样缓缓抽入至采样瓶4中，并使水样溢流出采样瓶4容积的五分之一，迅速将采样瓶4密封，此时单层水体样品采集结束。样本采集时为减少扰动，遵从从表层冰-水界面层到底层的采集方式依次进行。

21、步骤5：取出采集器并完成封装。

22、关闭电子阀门1-3，并使电动滑块8-3自动移动至初始位置。拔出上冰面支架5的固定插销5-3，将采集器伸入式水管1由冰层下方移至水面下方，随后将转杆5-1转至90°，将采集器整体拉出水面。将多参数传感器12和压力传感器11分别从折叠式遥控采样架8的电动滑块8-3与支撑架9的卡槽处取出。将伸入式水管1与折叠式遥控采样架8分离。将折叠式遥控采样架8的两端从下冰面支架7和支撑架9的卡槽中取出。打开折叠式遥控采样架8上的固定螺栓8-5，将折叠式遥控采样架8折叠，将电动滑块8-3从折叠式遥控采样架8内部延滑轨取出，完成采集器的封装。至此，采样结束。

23、本发明的有益效果为：本发明的有益效果是实现了低环境影响下对冰下1m范围内分层水体的精准采集，具有环境影响低、垂向动态调节、原位实时水质监测、变点捕捉功能等特点。