一种悬浮颗粒物连续采集装置及采集方法与流程

本发明涉及水环境监测，具体涉及一种悬浮颗粒物连续采集装置及采集方法。

背景技术：

1、悬浮颗粒物是河流、河口及近海水域生态环境监测的重要指标，悬浮颗粒物携带有污染物、营养盐及环境dna等遗传物质，广泛应用于新污染物筛查、生态风险评估及生物多样性分析等领域。准确、高效地采集具有代表性的悬浮颗粒物样本，是开展上述研究的必要前提。

2、目前悬浮颗粒物采集装置主要分为主动式与被动式两大类。主动式装置依赖外接泵体与真空系统，可实现定量过滤与连续采样，但结构复杂、能耗高，无法适用于偏远无供电的河口、湿地等长期监测点位，且微孔滤膜易堵塞并损伤生物样本完整性。被动式装置无需外接动力，依靠水流自然流入完成采样，结构简单、成本低，适合长期部署。

3、相关技术中，被动式采集装置普遍存在样本量不足与代表性差的缺陷，传统被动式装置单次采样量通常不超过5g，远不能满足污染物筛查、环境dna分析等多参数检测对样本量的需求，一般需20g以上；装置内部所采集的样本易受潮汐、径流等水力扰动影响，导致样本波动大、时空代表性差，无法真实反映水体的长期平均状况，大部分细小悬浮颗粒会随水流直接穿过滤网而流失，降低了捕获效率与样本量。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供了一种悬浮颗粒物连续采集装置及采集方法，以解决上述背景技术提出的问题。

2、第一方面，本发明提供了一种悬浮颗粒物连续采集装置，包括：

3、采集主体，包括栅格罩和筒体，所述栅格罩可拆卸连接在所述筒体的顶端，所述栅格罩和所述筒体围成形成有适于流通水流通的采集空间；

4、过滤组件，包括从上至下间隔设置的第一滤网和第二滤网，所述第一滤网设置在所述采集空间内，以对水流进行初步截留及引导水流扩散；所述第二滤网设置在所述筒体内，所述第二滤网的网眼孔径小于所述第一滤网的网眼孔径，所述第二滤网用于二次截留悬浮颗粒物；

5、所述筒体的底部空间、位于所述第二滤网下方的区域共同构成有一个悬浮颗粒物积聚区。

6、有益效果：本技术通过栅格罩与筒体组合的采集主体以及第一滤网与第二滤网组合的过滤组件，形成了半密闭的分级捕获系统。栅格罩与筒体围成的采集空间作为水流进出的通道，在被动采样模式下，既能保证水体的自然流入，又能有效缓冲外部潮汐、径流对装置内部的直接水力冲击，为颗粒物的自然沉降提供稳定的微环境，解决了传统装置因内部流场紊乱导致样本被二次冲走、代表性差的问题。从上至下间隔设置的第一滤网和第二滤网形成了双重颗粒物捕获通道，第一滤网具备初步截留与水流扩散引导功能，一方面拦截大于其网眼的大粒径杂物，防止下游滤网堵塞；另一方面，第一滤网能将进水水流的集中冲击力分散为均匀的降速流场，为后续细颗粒的沉降提供理想的水力条件；第二滤网网眼小于第一滤网，以达到分级截留的目的；设置的悬浮颗粒物积聚区利用水流穿过第二滤网后动能进一步衰减，使逃逸第二滤网的更细小悬浮颗粒在重力作用下自然沉降至筒底并稳定地富集。此种截留、降速和沉降渐进采集设计，解决了细小悬浮颗粒随水流失的问题，使得单次采样量充分可靠；通过长周期连续累积，提升样本的代表性，便于后续参数分析。装置无任何运动设施和外接动力需求，适配于偏远河口等无供电场景的长期部署。

7、在一些实施例中，所述栅格罩的内壁设有至少一条轴向导流棱，所述轴向导流棱从所述栅格罩的顶端内壁沿轴向延伸至所述栅格罩的底部开口边缘，所述轴向导流棱的侧表面与所述第一滤网的外表面贴合，以在所述栅格罩内壁与所述第一滤网外表面之间形成导流通道。

8、有益效果：本方案中，轴向导流棱从栅格罩顶端延伸至底部开口边缘，并与第一滤网外表面贴合，此种设计，在栅格罩内壁与第一滤网之间形成了有序的导流通道。当水流从栅格罩的各个方向孔眼涌入时，导流棱能够强制约束水流沿着预设的轴向路径向第一滤网的中心区域汇聚，从而有效规避水流在半球形滤网表面形成旋转冲刷的边缘效应，防止已截留的颗粒物被水流卷起带走；而且，通过引导水流集中作用于滤网中心，利用半球形中心区域表面积大的优势，使水流更均匀地透过滤网向下扩散，从而降低局部流速过高导致滤网堵塞的风险，保证了装置在长周期连续采样过程中水流通量的稳定性、以及可靠的捕获效率。

9、在一些实施例中，所述第一滤网设置为半球形滤网，所述第一滤网的开口边缘设有向外翻卷的环形支撑边，所述环形支撑边与所述筒体的内壁上对应于所述第一滤网的安装位置卡接配合。

10、有益效果：第一滤网采取半球形滤网，采取半球形的外形设计，其流线型的迎水面能够有效分散正面水流的冲击应力，相比平面滤网，半球形结构能引导水流沿弧面平滑过渡，避免因硬性阻挡造成的水流紊动和样本机械损伤；而且，增大了有效过滤面积，延长因截留物累积而导致通量下降的周期。第一滤网通过卡接配合连接在筒体内，第一滤网开口边缘的环形支撑边可设置弹性卡扣，与筒体内壁形成快速拆装机构，提升了现场操作拆装效率，也有利于实现第一滤网在装置内部的精准水平定位和稳固安装，确保导流功能有效。

11、在一些实施例中，所述第二滤网设置为平面圆形滤网，所述第二滤网的外边缘固定嵌设在一环形框架内；所述第二滤网通过螺纹配合可拆卸设置在所述筒体内部。

12、有益效果：第二滤网采取平面圆形滤网，并通过环形框架与环形螺纹台的螺纹配合实现可拆卸连接；环形框架可为柔软的滤网边缘提供了刚性支撑，确保了第二滤网在安装后保持平面水平状态，避免了因水流冲击导致的滤网下垂或变形，从而保证了过滤面积的有效性以及截留粒径的精准性。此外，此种可拆卸的设计，由于污染物筛查和环境dna分析对目标悬浮颗粒物的粒径需求不同；操作人员通过选取不同网眼孔径的第二滤网装配至筒体内，即可实现分级孔径的灵活切换，无需更换整个装置，一套装置即可适配多种采集粒径需求，其实用性好。

13、在一些实施例中，所述筒体底部设有密封底盖，所述密封底盖内壁的内螺纹与所述筒体底部端面的外螺纹旋合连接，所述密封底盖、所述第二滤网和所述筒体内部空间共同形成所述悬浮颗粒物积聚区；所述密封底盖与所述筒体的接触面之间嵌设有密封圈。

14、有益效果：密封底盖与筒体底部采取螺纹连接，两者接触面设置密封圈，使装置可提供稳定的封闭区域作为悬浮颗粒物积聚区；当悬浮颗粒物沉降至此区域后，由于远离上方滤网的主流通路径，几乎不受筒内对流干扰，能够实现样本的长期富集。而且，密封圈确保了积聚区的密封性，防止在起吊回收过程中因外部水压变化导致富含样本的筒内水体渗漏，造成采集样本的流失或外部水体的混入污染。在回收样本时，操作人员通过旋开密封底盖，即可将积聚区内的样本完整地转移至外设样品瓶中，相比需要倾倒或刮擦的传统采集器，本设计样本回收率更高，且还避免了器具接触导致的交叉污染。

15、在一些实施例中，装置还包括辅助固定组件，所述辅助固定组件包括设置在所述栅格罩顶部和/或所述筒体底部的吊环，以及连接所述吊环的缆绳，所述缆绳用于连接岸上或船上的固定点。

16、有益效果：栅格罩顶部、筒体底部的吊环为装置提供连接点；在实际实施时，将缆绳一端连接吊环，另一端固定于岸上、锚系浮标或船体上。当水位变化或水流冲击时，柔软的缆绳允许装置在一定范围内随水流摆动，而不是刚性抵抗，其有效释放了水力应力，避免了装置结构受损或连接点断裂。此种设计，使装置在应对潮汐涨落和径流冲击时具有良好的自适应能力。

17、在一些实施例中，装置还包括浮力组件，所述浮力组件包括至少一个浮力件，所述浮力件套设固定在所述筒体中部的外壁上；所述浮力组件所提供的浮力适于作用所述悬浮颗粒物连续采集装置在自然水体中悬浮，以保持所述采集主体竖直朝上。

18、有益效果：本技术增设有浮力组件，具体为套设固定在筒体外壁的浮力件，其可保证装置入水后的姿态控制。浮力件套设在筒体中部外壁，可提供向上的扶正力矩，使得装置能够自动保持栅格罩朝上、筒体竖直的采集作业姿态，使水流将沿期望设计路径通过栅格罩、第一滤网与第二滤网。此外，竖直悬浮状态使得栅格罩入口始终可正对来流方向，最大化被动进水的效率。

19、在一些实施例中，所述浮力组件的浮力值与所述悬浮颗粒物连续采集装置的总重量之比为1.2：1，所述栅格罩入水后其顶部距水面的距离设置为10-20cm。

20、有益效果：此种浮重比的设计，提供了足够的扶正余量，防止大浪将其压入水下过深，又避免因浮力过大，导致整体装置随波浪作用过度跳跃而脱离水面；栅格罩入水后其顶部距水面的距离设置为10-20cm，以避开水面漂浮的油膜、泡沫、大块植物残体以及波浪破碎产生的气泡，此类表层漂浮物不是水体内部真实的悬浮颗粒物代表，若进入装置将干扰后续的分析；入水保持在水下10-20cm的次表层，既能接收充足的光照以维持浮游生物的原始活性，又能获取到不受表层异常扰动影响的、最能反映水体断面平均状况的悬浮颗粒物样本，其有利于提升数据的代表性。

21、在一些实施例中，所述栅格罩的格栅孔呈正六边形均匀分布，单孔对边距离设置为0.5cm-2cm，所述栅格罩的开孔率为50%。

22、有益效果：正六边形结构具有良好的力学稳定性和流通面积比，0.5cm-2cm孔径能有效拦截树枝、水草等大型杂物，防止其堵塞下游精密滤网；50%的开孔率在保证了足够进水通量，还兼顾了栅格罩的结构强度，防止在水流冲击下变形。

23、在一些实施例中，所述栅格罩底部设有螺纹接口，所述栅格罩通过螺纹接口连接在所述筒体顶端。

24、有益效果：栅格罩与筒体之间采取螺纹连接，便于野外作业的快速拆装与维护；螺纹连接具有良好的自锁性，能够提供更强的轴向预紧力和更高的抗拉脱强度，有利于维护采集空间的形态稳定。

25、在一些实施例中，所述第一滤网的网眼孔径为0.5mm-2mm。

26、有益效果：此种孔径设计，可精准分离粗颗粒无机碎屑与生物体，截留了大部分浮游动物，又能让携带环境dna的浮游植物和有机碎屑顺利通过进入积聚区，实现了不同粒径组分的分离。

27、在一些实施例中，所述第二滤网的网眼孔径为100μm、300μm或500μm中的一种。

28、有益效果：100μm用于富集浮游植物，以进行藻类鉴定，300μm用于收集浮游动物，以进行生物量评估，500μm用于拦截微塑料，以进行污染物筛查；此种设置，可覆盖水域生态监测的主要需求，适配多场景任务。

29、在一些实施例中，所述悬浮颗粒物积聚区的容积大于≥0.5l。

30、有益效果：此种容积设计，可确保在悬浮物浓度较低的清水期，经过长周期的连续富集，也可收集到足够质量的干物质样本，以满足环境dna提取、微量污染物富集检测等对样本量的严苛要求。

31、第二方面，本发明还提供了一种悬浮颗粒物连续采集装置的采集方法，包括以下步骤：

32、将组装好的装置投放至目标水域；

33、依靠水体的自然流动，水流携带悬浮颗粒物经采集主体的栅格罩进入，依次流经所述第一滤网和所述第二滤网，不同粒径的颗粒物被分别截留或沉降至悬浮颗粒物积聚区，进行连续被动采集；

34、经过预定采样周期后，回收装置；

35、拆卸装置，收集悬浮颗粒物积聚区上的样本。

36、有益效果：本方法依赖于环境水体动能，无需电力、值守，适用于偏远环境下的长期生态监测。通过分层拆卸装置，即可获得分级、分类的悬浮颗粒物样本，为后续的污染物溯源、生物多样性分析提供了信息丰富、分级可靠的原始材料，有利于提升水生态环境监测的数据样本量和样本丰富度。