一种水样与悬浮物原位联合采样装置及采样方法

1.本发明涉及水样及悬浮物采样技术领域，具体涉及一种水样与悬浮物原位联合采样装置及采样方法。


背景技术：

2.水体中的污染物常以溶解态、悬浮态和沉积态的形式存在，其中，悬浮物为悬浮在水中的固体物质，是水体中污染浓度较高、感觉嗅觉影响突出的复合污染物。在水源地水库的运行过程中，水库的水体多是以大流量形式输入，小流量均匀地从上层取水输出，导致了大量悬浮物累积于水库中。
3.目前，用于悬浮物样本采集的方法主要分为两种，第一种方法为：先利用潜水泵等方式将大量的水体抽到船上或岸上，再在岸上将样本转移至实验室中，对抽取上来的含有悬浮物的水体进行富集过滤。这种方式的缺点在于利用水泵将水体抽上岸后，对原位的悬浮物样本造成扰动，导致水体中细小的悬浮物无规则扩散、悬浮颗粒相互吸附沉降等现象发生，破坏水体样本原有物质形态，影响样本数据分析。现有技术中存在第二种方法，利用过滤装置直接放入水体中进行过滤、富集，虽然避免了对悬浮物样本造成扰动，但其工作一段时间后，悬浮物附着于过滤装置表面，造成过滤网的堵塞，采样过程难以持续进行，影响采样效率和采样结果。尽管有相关技术通过在滤膜表面设置搅拌器减少堵塞，但对悬浮物状态及原有的水体条件产生一定影响。
4.目前，用于水样采样的装置一般包括采样器与绳索，绳索一端连接在采样器上，另一端由操作人员握持，通过将采样器放入水中进行采样，但是目前在进行水样采样以及悬浮物采样时，是采用两套不同的装置分别进行采样，因此导致采样效率低，难以确保取得同一层次的水样与悬浮物样品，不利于化学成分的对比分析。


技术实现要素：

5.本发明的目的是针对现有技术存在的缺陷，提供一种水样与悬浮物原位联合采样装置及采样方法，解决悬浮物采集过程中的堵塞问题，同时提高采样效率。
6.本发明的第一目的是提供一种水样与悬浮物原位联合采样装置，采用以下方案：
7.包括采样筒，所述的采样筒内部被分隔成上下分布的水样采集腔和悬浮物富集腔，在水样采集腔的顶部设有水样入口，在水样入口位置安装第一电磁阀；在悬浮物富集腔的侧壁上设有水流入口和水流出口，在悬浮物富集腔内安装有弧形的过滤组件，且水流入口和水流出口位于过滤组件的两侧，过滤组件的外凸弧面为工作面，所述的工作面朝向悬浮物富集腔的水流入口侧；在悬浮物富集腔的水流入口位置安装第二电磁阀，悬浮物富集腔的水流出口位置安装潜水泵，所述的第一电磁阀、第二电磁阀和潜水泵均与控制系统相连。
8.作为进一步的技术方案，所述悬浮物富集腔为圆柱腔，且水流入口和水流出口的中心线为同一条直线。
9.作为进一步的技术方案，所述采样筒的底部采用旋盖密封，在采样筒内安装有水平设置的隔板，所述的隔板将采样筒的内腔体分隔为上下分布的水样采集腔和悬浮物富集腔。
10.作为进一步的技术方案，所述过滤组件包括弧形滤网和滤膜，所述的弧形滤网可拆卸地安装在悬浮物富集腔内，滤膜固定在弧形滤网的凸面。
11.作为进一步的技术方案，所述悬浮物富集腔的水流出口位置还安装有流量计，所述的流量计与前面所述的控制系统相连。
12.作为进一步的技术方案，所述水样采集腔内还安装有水位水温传感器，所述的水位水温传感器与前面所述的控制系统相连。
13.作为进一步的技术方案，所述采样筒顶部还安装有光源和影像采集元件，所述的光源、影像采集元件均与前面所述的控制系统相连。
14.作为进一步的技术方案，所述采样筒通过线缆连接吊运组件，吊运组件包括底座、吊臂和收卷装置，线缆一端连接采样筒的吊环，另一端卷绕于收卷装置，收卷装置安装于吊臂，吊臂安装于底座。
15.本发明还提出了利用所述的水样与悬浮物采样装置进行水样和悬浮物采样的方法，如下：
16.将采样筒下放至水体的目标位置，控制系统开启第一电磁阀使水样进入水样采集腔；同时，控制系统开启第二电磁阀并启动潜水泵，悬浮物富集腔采样位置的水体通过水流入口进入悬浮物富集腔内，过滤组件拦截悬浮物，悬浮物在过滤组件上富集，流经过滤组件的水流进入悬浮物富集腔并由水流出口排出；悬浮物和水样采样后，控制系统关闭第一电磁阀、第二电磁阀和潜水泵。
17.作为进一步的技术方案，夹带悬浮物的水流经水流入口进入悬浮物富集腔内，位于过滤组件工作面上的悬浮物在水流引导下向过滤组件中心位置的两侧富集。
18.与现有技术相比，本发明具有的优点和积极效果是：
19.(1)针对目前悬浮物采样过程中存在的堵塞问题，本发明将设置在悬浮物富集腔内的过滤组件设置成弧形，且将过滤组件的外凸弧面作为工作面，工作面设置在悬浮物富集腔的水流入口侧，该过滤组件配合潜水泵，在增大有效过滤面积的同时使得悬浮物富集于过滤组件的中心位置两侧，可以解决水流通道主要工作区域的堵塞问题，提高过滤效率，进一步保证采样效率。
20.(2)本发明的水样采集腔和悬浮物富集腔布置在同一采样筒内，使得水样采集和悬浮物富集在同一位置同时实现，水样能够表征悬浮物富集区域的水体污染情况，满足后续处理时的对比分析需求，同时水样采集腔的水样入口与悬浮物富集腔的水流入口、水流出口位于采样筒的不同面上，因此避免了水样采集与悬浮物采集的相互影响。
21.(3)本发明的悬浮物通过在原位过滤，实现了尽量在不添加搅拌器的情况下达到微扰动效果，减少对絮状悬浮物的扰动，既能避免改变污染物的状态，又能提高采样的有效性。
附图说明
22.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示
意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
23.图1为本发明实施例1或实施例2中吊运组件的示意图；
24.图2为本发明实施例1或实施例2中采样筒的结构示意图；
25.图3为本发明实施例1或实施例2中过滤组件的示意图；
26.图中，1-磁吸组件，2-底座，3-手柄，4-绞盘，5-线缆，6-滑轮，7-光源，8-影像采集元件，9-第一电磁阀，10-水位传感器，11-潜水泵，12-流量计，13-过滤组件，14-导线，15-水样采集腔，16-隔板，17-第二电磁阀，18-悬浮物富集腔，19-密封端盖，20-卡口，21-配重，22-水样入口，23-水流入口，24-水流出口，25-滤网，26-滤膜。
具体实施方式
27.实施例1
28.本发明的一个典型实施例中，公开了一种水样与悬浮物原位联合采样装置，用于水体中水样采集和悬浮物富集，尤其适应于需要同时采集水样和原位富集悬浮物的工况。该装置将采集水样的水样采集腔和富集悬浮物的悬浮物富集腔布置在同一个采样筒内，采样筒在缓慢放入水体后，对同一范围内的水体进行水样采样和悬浮物富集，解决因水体采样区域与富集悬浮物区域不一致导致的误差问题，保证富集悬浮物水体与采集的水样的一致性，提高数据可靠性，减少因采样过程造成的偏差。
29.结合图1、图2，本实施例公开的水样与悬浮物原位联合采样装置主要包括吊运组件、采样筒、电磁阀、潜水泵、过滤组件以及控制系统等，吊运组件连接采样筒，能够调整采样筒在高度方向上的位置；隔板将采样筒内部分隔为两个腔体，每个腔体的侧壁上均安装有电磁阀，以阻断或开启腔体与外部水体的连通，富集悬浮物的腔体连接有潜水泵，通过潜水泵能够扰动富集区域的水体，使水体夹带着悬浮物能够进入悬浮物富集腔内，悬浮物在过滤组件的工作面上富集后，水体排出悬浮物富集腔，实现原位过滤，本发明中的原位过滤过程实现了尽量在不添加搅拌器等情况下达到微扰动效果，减少絮状悬浮物的扰动，避免改变污染物的状态，提高采样的有效性。在悬浮物富集腔内安装有弧形的过滤组件，利用水体流动过程引导悬浮物向过滤组件的中心位置两侧富集，解决水流通道中主要工作区域的堵塞问题，以保证采样效率。
30.具体的，如图1所示，上述的采样筒通过线缆5连接吊运组件，吊运组件包括底座2、吊臂和收卷装置，线缆5一端连接采样筒，另一端卷绕于收卷装置，收卷装置安装于吊臂，吊臂安装于底座2。
31.进一步的，在本实施例中，收卷装置采用现有的卷扬机，卷扬机包括绞盘4、手柄3，绞盘4转动安装于吊臂，手柄3连接绞盘4，通过手柄3驱动绞盘4转动，线缆5一端卷绕于绞盘4上，在绞盘4转动时实现对线缆5的收放，线缆5另一端绕过滑轮6后连接采样筒，通过滑轮6改变线缆5的走向，卷扬机通过线缆5带动采样筒上下升降。
32.在本实施例中，底座2能够安装于船体上，并在底座2上设置磁吸组件1，通过磁吸组件1将底座2安装于船体上，吊臂安装于底座2上，吊臂端部安装有滑轮6。进一步的，磁吸组件1可以选用电磁铁、永磁体等磁性元件，且底座2除了采用磁吸组件1固定外，还可以通过螺栓连接件辅助固定。
33.如图2、图3所示，本实施例中的采样筒内部被隔板分隔成了水样采集腔15和悬浮
物富集腔18，水样采集腔15用于采集富集位置的水样，方便后续水样分析；悬浮物富集腔18能够使水体流过并在过滤组件13上富集悬浮物，实现悬浮物的原位富集；将水样采集腔15和悬浮物富集腔18布置在同一采样筒内，实现水样采集和悬浮物富集同一位置采集，使得水样能够表征悬浮物富集区域的水体情况，同时水样采集腔15的水样入口22与悬浮物富集腔18的水流入口23、水平出口24位于采样筒的不同面上，水样入口22位于采样筒的顶面，水流入口23和水流出口24位于采样筒侧面下部，因此避免了水样采集与悬浮物采集的相互影响。
34.具体的，水样采集腔15的水样入口位置安装第一电磁阀9，悬浮物富集腔18的水流入口位置安装第二电磁阀17，悬浮物富集腔18的水流出口位置安装有潜水泵11，控制系统控制第一电磁阀9、第二电磁阀17和潜水泵11的开启与关闭，潜水泵11的设置使得水体只能从悬浮物富集腔18的水流入口位置流向悬浮物富集腔18的水流出口位置，实现水体的单向流动。
35.进一步的，上述的悬浮物富集腔18呈圆柱状，悬浮物富集腔18的水流入口23和水流出口24的中心线为同一条直线，采样位置的水体通过水流入口23进入悬浮物富集腔18，在经过滤组件13后通过水流出口24排出悬浮物富集腔18，完成悬浮物在过滤组件13上的富集。
36.进一步的，悬浮物富集腔18内设有过滤组件13，过滤组件13为弧形，且过滤组件13的外凸弧面为工作面，工作面朝向悬浮物富集腔的入口侧；过滤组件13包括弧形滤网25和滤膜26，滤网25可拆卸地安装在悬浮物富集腔18内，滤膜26固定在弧形滤网25的凸面上；该滤网不仅增大了过滤面积提高效率；同样在悬浮物富集过程中达到防堵塞的目的，且滤网25还起到对滤膜26的支撑作用，避免过滤过程中水流压力造成滤膜26变形而致过滤效率降低的问题。
37.需要特别指出的是，本实施例中的过滤组件13设置成弧形，相较于平面滤网具有更大的过滤面积，且过滤组件13的外凸弧面朝向悬浮物富集腔18的水流入口侧，抽水泵12作用于悬浮物富集腔18使得水体经水流入口23进入悬浮物富集腔18内，水流入口23正对过滤组件13的外弧形面，使得滤网截面的中间水流速度最大，对应富集在过滤组件13中心位置的悬浮物达到一定量时，在水流的引导下往中心位置的两侧富集，使得滤网不易堵塞。
38.在一次采样完成后，还可以通过更换滤膜26、清理滤网25进行重复采样，本实施例为了方便滤膜26更换、滤网25清理，采样筒的底部通过密封端盖19密封，在需要更换过滤组件13时，旋下密封端盖19即可，通过旋下密封端盖19使悬浮物富集腔18底部敞开，方便进行过滤组件13的更换，同时，为了提高其过滤面积，滤网两侧抵接于悬浮物富集腔18直径的两端，提高其滤网25、滤膜26的覆盖范围。
39.进一步的，悬浮物富集腔18的水流出口24位置依次连通潜水泵11和流量计12，潜水泵11用于在悬浮物富集腔18内形成负压，通过流量计12获取潜水泵11驱动水体的流量，方便对潜水泵11进行反馈调节，使其形成微扰动作用。
40.进一步的，水样采集腔15内安装有水位传感器10，用于监测水样采集腔内的水位。
41.进一步的，采样筒的顶部还安装有光源7和影像采集元件8，影像采集元件8跟随采样筒一起放入水中，对水下采样过程进行实时观察。
42.进一步的，上述的光源7、影像采集元件8、第一电磁阀9、第二电磁阀17、流量计12、
水位传感器10和潜水泵11均分别通过导线14接入控制系统，控制系统控制光源7开启、关闭以及亮度，控制系统控制潜水泵11的启停以及功率，控制系统控制第一电磁阀9、第二电磁阀17的开闭及开度，控制系统获取流量计12采集的水流流量数据，控制系统获取影像采集单元获取的采样筒位置的视频图像，控制系统获取水位传感器10采集的水样采集腔15水位数据。控制系统连接移动电源获取电能驱动，当水样与悬浮物采样装置到达指定位置后，开启第一电磁阀9、第二电磁阀17和潜水泵11，进行水样采样和悬浮物富集。在采样完成之后，提升采样筒并将水样采集腔15内水样和悬浮物富集腔18内的悬浮物样品分别取出，密封后依据需求贴上标签，并能够在清理采样筒后再次进行采样工作。
43.进一步的，在采样筒底部还设有配重21，通过配重增加采样筒的重量，保证采样筒在水中的稳定性。
44.实施例2
45.本发明的另一典型实施方式中，如图1-图3所示，给出一种水样与悬浮物采样装置的采样方法，利用实施例1中的水样与悬浮物采样装置进行采样的方法，包括以下步骤：
46.将采样筒下放至水体目标位置，开启第一电磁阀9使水体进入水样采集腔15采集水样；开启第二电磁阀17并启动潜水泵11，采样筒采样位置的水体通过水体入口进入悬浮物富集腔18内，过滤组件13拦截悬浮物，过滤后的水体流过过滤组件13通过水流出口24排出悬浮物富集腔18；
47.悬浮物于过滤组件13上富集，悬浮物采样后关闭第一电磁阀9、第二电磁阀17和潜水泵11。
48.同时，夹带悬浮物的水体经水流入口进入悬浮物富集腔18内，位于过滤组件13上的悬浮物在水流引导下向过滤组件13中心位置两侧移动。
49.另外，还可以水样采集腔15采样完毕后，先关闭第一电磁阀9使采集的水样封存，减少后续富集悬浮过程中水体扰动对采集水样的影响。
50.结合实施例1，对其采样具体过程中描述如下：
51.(1)通过底座2将吊臂固定在船上；
52.(2)将采样筒连接线缆5远离收卷装置的自由端，同时将温压变送器固定在采样筒中间位置；
53.(3)旋转绞盘4，将采样筒置于水中，同时打开光源7进行照明。
54.(4)当采样筒所处位置水位数据稳定后，读取此时温度值，并打开第一电磁阀9和第二电磁阀17，观察水样采集腔15采集的水样和悬浮物富集腔18采集的悬浮物，待水样采集完毕和悬浮物富集滤膜26吸附饱和之后关闭第一电磁阀9和第二电磁阀17；
55.(5)旋转绞盘4，将采样筒提升至船上后开启采样筒，取出水样采集腔15内的水样贴上标签标记；
56.(6)打开悬浮物富集腔18底部的密封端盖19，取出富集于滤膜26上的悬浮物并盛放于事先贴好标签的器皿中，随后更换滤膜26准备下一次富集采样。
57.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。