一种用于近岸及河口沉积层孔隙水的监测仪器及监测方法

摘要

本发明公开了一种用于近岸及河口沉积层孔隙水的监测仪器，包括由下而上通过螺纹同轴连接的锥头段、进水腔室管、第一主管、第二主管、变径转接管、延长管、T型手柄，进水腔室管的管壁上设置有带过滤层的进水口，进水腔室管的内腔与第一主管的内腔之间设置有隔板，所述隔板上设置有腔室过水口；第一主管的内腔中自上而下地设置有监测探头和电磁阀，电磁阀的入口连接腔室过水口，出口连接探头进水口，探头出水口连接调速蠕动泵。本发明还提供一种用于近岸及河口沉积层孔隙水的监测方法。本发明适应河口海域不同水深的作业环境，对沉积层扰动小，能够快速、持续、高效以及精准地采集和监测不同时间或者不同沉积层深度的孔隙水，分层监测分辨率高。

说明书

技术领域

本发明涉及海上监测仪器领域，尤其涉及用于近岸、河口沉积层孔隙水监测仪器及监测方法。

背景技术

近岸及河口沉积层是物质交换频繁区域，动力机制复杂，而其物质组分变化过程对于研究近岸及河口物质输运机制具有重要意义。在已有的研究中，大部分学者们对近岸及河口物质组分的输运研究并没有考虑沉积层孔隙水中物质组分的变化过程，因此，本发明就是用于研究近岸及河口的沉积层孔隙水物质组分的输运过程。

孔隙水物质组分的测定方法众多，常采用离心、挤压、原位采集的方法进行孔隙水的采集和测定，基本以先采集、后检测的方法进行。其中离心和挤压的方法需要对沉积物样品进行孔隙水分离，离心法提取沉积物孔隙水方法复杂，工作量大，并且会造成样品水样的污染，采样信息滞后，不能进行持续采样监测；而原位采集方法则是不破坏沉积物结构被动采集间隙水的方法，主要有基于渗透平衡原理的原位渗析膜采样器（Peeper）、基于负压原理的抽吸技术与Rhizon技术、基于分子扩散原理的薄膜扩散平衡方法等，原位采集方法不会造成样品水样污染，操作简易，但是需要采样时间长，Peeper采样器和薄膜扩散平衡方法的孔隙水采样需要至少1天的时间进行分子、离子平衡。

1、Peeper采样器

多腔室渗析式采样器（Peeper）是1976年美国哥伦比亚大学Ray Hesslein博士发明的沉积物孔隙水采样器，由有机玻璃制作而成，主体由一系列装满去离子水的小空腔组成，小空腔外套有微米级孔径的渗析薄膜，通过薄膜两侧水体达到可溶离子和分子平衡进行采集。

Peeper采样器被广泛用于湖泊、河流的孔隙水采集。王建军等使用Peeper对太湖孔隙水金属离子进行采集。李宝等使用Peeper采集滇池福保湾内底泥孔隙水氮磷营养盐。但是传统的Peeper采样器空间分辨率低、平衡时间长（20天以上）。丁士明等为减小空腔尺寸，将Peeper采样器改装成由三块板体组成，在每块板体上沿垂向有间隔排列的孔洞，将三块板体叠合，孔洞小的板体置于外侧，三块板体的孔洞一一对应；在三块板体的两叠合面之间设置覆盖全部孔洞的渗透膜，两渗透膜与中间一块板体的孔洞构成采样小室，每个采样小室的容积100-300μL，将三块板体及两片渗透膜固定成一体；改进后的Peeper采样器能将平衡时间缩短到24h。

基于渗透平衡原理的Peeper采样器有如下缺点：采样时间长，不能够快速并且持续地对孔隙水进行采集，尤其不能有效地响应波浪、潮汐等短周期作用因子对孔隙水的影响。

2、用于河流或湖泊沉积物孔隙水采样的采样器

该采样器是北京建工环境修复有限责任公司提出的专利，是基于采样器内外水面压力差的原理对孔隙水进行采集。该采样器由锥头、多段采样管、不锈钢筛网、T型手柄构成。采样管下端和锥头固接，采样管上端设有内螺纹口，采样管的下部设有筛网区；筛网区内设有线切割缝，其缝宽为0.2mm，并在其外壁包覆不锈钢筛网，用于孔隙水进入取样器；T型手柄的下端与采样管的上端插接。该采样器进行采样时，用T型手柄将采样管向下压入底泥中进行采样，达到采样深度后，将取样管伸入延长杆中，通过使用蠕动泵，将采样器里面的孔隙水抽到水面上进行收集。该采样器可以利用延长杆进行河流或湖泊底泥不同深度孔隙水的采集，能够有效进行孔隙水原位采集分析，设备简单，操作方便。

基于采样器内外水面压力差原理的现有采样器具有以下缺点：（a）以采样器外河流或者湖泊的水面和采样器内收集孔隙水的水面之间的压力差作为动力，促使孔隙水进入采样器中，再将取样管伸入将采样器中的孔隙水抽到水面上进行采集，对孔隙水采集的控制功能不足；（b）这样的采集方式需要采样器中储蓄一定量的孔隙水，所要采集的沉积层范围大，采样的分层分辨率低；（c）虽然能够对不同深度的孔隙水进行采集，但是从上层到下层沉积层时，容易引起采样初期进入采样器的孔隙水和原有的上层孔隙水混合，降低采样的效率；（d）在波浪等动力因子作用下，河口海域水流往复运动频繁，现有的采样器抗波浪影响能力不足；（e）对孔隙水中组分监测有滞后性。

针对近岸与河口区域复杂的水动力条件，现有沉积层孔隙水采样和监测仪器具有以下不足：（a）现有孔隙水采样器虽然有蠕动泵的存在，只是用取样管伸入将采样器中的孔隙水抽到水面上进行采集，孔隙水进入采样器主要依赖于采样器内外水面压力差，并且内外水面相差越大，压力差越大，孔隙水进入越快，并不能控制孔隙水进入的速度和时间；（b）现有孔隙水采样器采集不同深度孔隙水时，分层分辨率低，采集效率低；（c）在水深大的地方进行采样，水压大，不可避免的有海水进入，这在采样前期中测定的准确性会受到影响；（d）现有采样器是通过蠕动泵抽出采样器中孔隙水，在水面以上进行采集和测定，长距离管道的采样输运，会造成孔隙水样品元素组分的衰减与掺杂，影响测定结果，并且测定具有一定滞后性，会影响各要素数据的同步性；（e）河口海床沉积层多为粉砂质粘土、粘土质粉砂、砂质粘土等粒径较小的泥沙和淤泥，单纯用筛网和细切割缝难以将泥沙和淤泥隔绝于采样入口之外；（f）河口水动力环境复杂，特别是波浪的往复作用，会使采样管造成扰动移位，间接造成对沉积物的扰动。因此，现有的孔隙水采样器在构造及采样方法上还不足以满足在河口海域进行孔隙水监测的要求。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供了一种结构简单、操作方便、控制灵活、适应面广的用于近岸、河口沉积层孔隙水监测仪器。

本发明具体由以下技术方案实现：

一种用于近岸及河口沉积层孔隙水的监测仪器，包括由下而上通过螺纹同轴连接的锥头段、进水腔室管、第一主管、第二主管、变径转接管、延长管、T型手柄，

所述进水腔室管的管壁上对称设置有带过滤层的进水口，所述进水腔室管的内腔中靠近第一主管一侧焊接有一密封隔板，所述隔板上设置有连通进水腔室管的内腔的腔室过水口；

所述第一主管的内腔中自上而下地固定设置有监测探头和电磁阀，所述电磁阀的入口通过一段第一硅胶管连接腔室过水口，出口通过尺寸转换塑料接口及另一段第一硅胶管连接监测探头的探头进水口，所述监测探头出水口通过依次穿过第一主管、第二主管、延长管、T型手柄的通孔的第二硅胶管连接调速蠕动泵。

进一步地，所述第一主管内设置有用于固定监测探头和电磁阀的配件安装架，所述配件安装架包括竖直对称设置的横截面为弧形的铁片、依次固定在所述铁片顶端、中间和底部的C形上固定板及中固定板、圆形底盘，所述圆形底盘上设置有用于固定电磁阀的底层螺丝孔及供腔室过水口穿过的底层孔。

进一步地，所述锥头段包括同轴的实心锥头和阶梯实心圆柱，所述阶梯实心圆柱粗端设置有外螺纹，所述阶梯实心圆柱细端设置有穿杆孔，穿杆孔用来拧紧或者拧开锥头，以防在水压力作用下锥头无法旋开，锥头段上有实心锥头和一个阶梯实心圆柱连为一体，凭借仪器自重，实心锥头使监测仪器更容易插入沉积层中，实心圆柱起到减小进水腔室容积的作用。

进一步地，所述进水腔室管两端的内壁设置有内螺纹，所述进水腔室管的管壁上相对进水口出设置有用于安装过滤层的凹槽，所述凹槽的底部设置有用于固定过滤层的螺丝孔。

进一步地，所述过滤层从外到内由四层过滤层组成：3mm孔径圆孔网、0.5mm~0.063mm细孔径不锈钢过滤网、2微米孔径的聚丙烯微孔滤膜、3mm孔径圆孔网。

进一步地，所述变径转接管的上端内壁设置有连接 延长管的内螺纹，下端设置有连接第二主管的外螺纹，所述变径转接管的中部固定设置有仪器拉吊圆盘，所述仪器拉吊圆盘上设置有沿其同心圆均匀分布的圆孔。

此外，本发明还提供了一种用于近岸及河口沉积层孔隙水的监测方法，包括以下步骤：

（a）在预定的采样检测地点，测量水深以及确定仪器插入沉积层深度，确定所述第一主管、第二主管和延长管的数量；

（b）将锥头段、进水腔室管、过滤层、配件安装架、所述第一主管、相应数量的所述第二主管、变径转接管组装在一起，并涂上密封的真空硅脂，再用缆绳绑入仪器拉吊圆盘的圆孔中，缓慢吊入海水中，到达相应水深并且仪器达到稳定后，再增加延长管的数量，直至仪器放到海床；

（c）在延长管上套入T型手柄，靠自重将监测仪器压入沉积层中，若沉积层较硬，则用锤子锤击T型手柄，使仪器插入沉积层中预定深度；

（d）将电缆的火线和零线以及电池阀电源线与电源连接，电缆的其他接线接入探头显示器，以及通过RS485通讯接口连接笔记本电脑中；将第二硅胶管接入调速蠕动泵中；

（e）若监测位置离岸较近，水深浅，并且风浪小，则靠自身的重量固定；若监测位置上波浪对仪器产生较大扰动时，将系在圆孔上的缆绳固定在海床上，以增强仪器的抗波浪能力；

（f）开始监测：让电磁阀接电打开，并且让蠕动泵开始工作，使孔隙水按照一定速度缓慢进入进水腔室管，等笔记本电脑中物质组分数据有所变化，开始自动记录监测探头所测量数据，实现连续快速的孔隙水物质组分数据监测；

（g）若需要进行多层监测，则需要将仪器从上层深入到下层的顺序进行监测，深入前将电磁阀关闭，利用蠕动泵抽出仪器过水通道中的孔隙水，进入下层后重复上一步骤进行孔隙水监测或者采集；

（h）在监测完成后，将连接电子设备的缆线及硅胶管断开，利用缆绳将仪器往上拉离沉积层，回收仪器。

本发明相比现有技术，具有如下有益效果：

本发明能够抵御河口复杂的水动力作用，适应河口海域不同水深的作业环境，对沉积层扰动小，能够快速、持续、高效以及精准地采集和监测不同时间或者不同沉积层深度的孔隙水，分层监测分辨率高，并能够将实时监测数据进行记录以及处理，具体包括：

（1）基于传统的负压抽吸理论，使用硅胶管作为过水通道，改进孔隙水单纯依靠采样器内外水面压力差进入监测仪器的动力特点，使用调速蠕动泵和电磁阀控制孔隙水抽吸速度，能够在不同的水深，避免孔隙水进入过快，既能快速监测孔隙水物质组分的变化，又能减小所需孔隙水的用量，减小孔隙水汇集的范围，提高分层分辨率；

（2）在监测仪器从上层深入到下层进行监测初期，电磁阀和蠕动泵的使用能有效限制新进入的下层孔隙水与原有的上层孔隙水混合，提高在不同深度位置监测孔隙水的工作效率；

（3）使用配件安装架将监测探头放置在仪器内部，能够对孔隙水物质组分持续、快速、高效地进行监测，获取孔隙水物质组分随时间变化过程，缩短测定孔隙水物质组分的响应时间，并且避免了测量数据的滞后性；

（4）在小孔径过滤网间放置微孔滤膜，阻隔细颗粒泥沙，并且用螺丝的安装方法，能够简易地对滤膜进行更换；

（5）在仪器上焊接拉吊圆盘，能将缆绳或者拉杆系在四个孔上，下放或者回收时可以利用人力或者拉吊机械拉吊仪器，当波浪的扰动较大时，可以将系在其上的缆绳锚固在四周海床上，以增强仪器的抗波浪能力。

  附图说明

图1为本发明实施例的完整装配示意图。

图2为本发明实施例的锥头段、进水腔室、第一主管及配件安装架的装配示意图。

图3为本发明实施例的锥头段结构示意图。

图4为本发明实施例的进水腔室主视示意图。

图5为本发明实施例的进水腔室俯视示意图。

图6为本发明实施例的进水腔室左视示意图。

图7为本发明实施例的图4中C-C向剖视示意图。

图8为本发明实施例的第一主管结构示意图。

图9为本发明实施例的第二主管结构示意图。

图10为本发明实施例的变径转接管主视示意图。

图11为本发明实施例的变径转接管俯视示意图。

图12为图10中I-I向剖视示意图。

图13为本发明实施例的延长管结构示意图。

图14为本发明实施例的T型手柄主视示意图。

图15为本发明实施例的T型手柄俯视示意图。

图16为本发明实施例的T型手柄左视示意图。

图17为本发明实施例的配件安装架主视示意图。

图18为本发明实施例的配件安装架左视示意图。

图19为图17中G-G向剖视示意图。

图20为图17中D-D向剖视示意图。

图21为图17中E-E向剖视示意图。

图22为图17中F-F向剖视示意图。

图中：1-实心锥头；2-外螺纹；3-内螺纹；4-阶梯实心圆柱；5-进水口；6-腔室过水口；7-凹槽； 8-螺丝孔；9-仪器拉吊圆盘；10-圆孔；11-手柄通孔；12-底层螺丝孔；13-底层孔；14-底盘；15-中固定板；16-上固定板；17-铁片；18-第一硅胶管；19-电磁阀；20-尺寸转换塑料接口；21-电磁阀电源线；22-探头进水口；23-监测探头；24-第二硅胶管；25-电缆；26-配件安装架；27-进水腔室管；28-第一主管；29-第二主管；30-变径转接管；31-延长管；32-T型手柄；33-隔板；34-穿杆孔；35-过滤层。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的目的作进一步详细地描述，实施例不能在此一一赘述，但本发明的实施方式并不因此限定于以下实施例。

如图1和图2所示，一种用于近岸及河口沉积层孔隙水的监测仪器，包括由下而上通过螺纹同轴连接的锥头段、进水腔室管27、第一主管28(见图8)、第二主管29(见图9)、变径转接管30、延长管31、T型手柄32，

所述进水腔室管27的管壁上对称设置有带过滤层35的进水口5，所述进水腔室管27的内腔中靠近第一主管28一侧焊接有一密封隔板33，所述隔板33上设置有连通进水腔室管27的内腔的腔室过水口6；

所述第一主管28的内腔中由上而下地固定设置有监测探头23和电磁阀19，所述电磁阀19的入口通过一段第一硅胶管18连接腔室过水口6，出口通过尺寸转换塑料接口20及另一段第一硅胶管18连接监测探头23的探头进水口22，所述监测探头23出水口通过依次穿过第一主管28、第二主管29、延长管31、T型手柄32的通孔11的第二硅胶管24连接调速蠕动泵。

如图17至图22所示，所述第一主管28内设置有用于固定监测探头23和电磁阀19的配件安装架26，所述配件安装架26包括竖直对称设置的横截面为弧形的铁片17、依次固定在所述铁片17顶端、中间和底部的C形上固定板16及中固定板15、圆形底盘14，所述圆形底盘14上设置有用于固定电磁阀19的底层螺丝孔12及供腔室过水口6穿过的底层孔13。

如图3所示，所述锥头段包括同轴的实心锥头1和阶梯实心圆柱4，所述阶梯实心圆柱4粗端设置有外螺纹2，所述阶梯实心圆柱4细端设置有穿杆孔34，穿杆孔用来拧紧或者拧开锥头，以防在水压力作用下锥头无法旋开，锥头段上有实心锥头1和一个阶梯实心圆柱4连为一体，凭借仪器自重，实心锥头1使监测仪器更容易插入沉积层中，实心圆柱起到减小进水腔室容积的作用。

如图4至图7所示，所述进水腔室管27两端的内壁设置有内螺纹3，所述进水腔室管27的管壁上相对进水口5出设置有用于安装过滤层35的凹槽7，所述凹槽的底部设置有用于固定过滤层35的螺丝孔8。

本实施例中，所述过滤层35从外到内由四层过滤层组成：3mm孔径圆孔网、0.5mm~0.063mm细孔径不锈钢过滤网、2微米孔径的聚丙烯微孔滤膜、3mm孔径圆孔网，大、小孔径过滤网起到保护微孔滤膜不受到泥沙破坏，微孔滤膜能够隔绝细颗粒泥沙。

如图10至图12所示，所述变径转接管30的上端内壁设置有连接 延长管31的内螺纹3，下端设置有连接第二主管29的外螺纹2，所述变径转接管30的中部固定设置有仪器拉吊圆盘9，所述仪器拉吊圆盘9上设置有沿其同心圆均匀分布的圆孔10。

本实施例的锥头段、进水腔室管27、各主管以及配件安装架26等使用不锈钢材料，延长管31、变径转接管30、仪器拉吊圆盘9、T型把手32等使用铝合金材料。

锥头段(图1)的外螺纹2和进水腔室管27(图2)下端的内螺纹3进行螺旋接合在一起形成进水腔室。

进水口5位于进水腔室管27中部，沿圆周上有四个尺寸为40mm*30mm的矩形进水口5，并有安装过滤部件的凹槽7以及螺丝孔8。

各主管(图8、图9)是内径为60mm，外径为76mm的圆管，进水腔室管27上端的内螺纹3和第一主管28的外螺纹2进行螺旋接合，组装时可以根据采样深度增加第二主管29(图5)的接合数量，每段主管长500mm。

延长管31(图13)是内径为30mm，外径为46mm的圆管，每段圆管长500mm，组装时可以根据水深增加延长杆31的接合数量。

第二主管29和延长管31在变径转接管30中通过螺纹接合，变径转接管30长150mm。

所述仪器拉吊圆盘9焊接在变径转接管30上，可以将绳索或者拉杆将仪器升降以及固定。

T型手柄32可以套在最上端的延长管31上，用来挤压仪器插入沉积层中，沉积层太硬还可以锤击T型手柄32，使主管部分可以插入到预定监测深度。

配件安装架26(图9)的圆形底盘14用来安装固定电磁阀19，上固定板16及中固定板15用来放置监测探头，上固定板16及中固定板15、圆形底盘14用两铁片17支撑。

孔隙水抽吸控制部分包括有微型电磁阀19、硅胶管18、调速蠕动泵。监测部分包括物质组分监测探头23、电缆25以及数据显示及记录系统。

电磁阀19用来控制进水腔室管27中水的进出；各硅胶管是孔隙水进入监测探头和引流到仪器外的通道；调速蠕动泵可以按照沉积层中的渗透速度调节孔隙水进入进水腔室的速度，避免孔隙水进入腔室太快而对沉积层产生太大的扰动；监测探头23可以根据监测组分类型进行选择，电导率探头、PH探头等；数据显示及记录系数则是监测探头23所检测到的信号数据用RS485通讯接口接入手提电脑中，通过自行编制的软件对数据进行记录以及处理。

本实施例所提供的监测仪器组装流程如下：

（a）将过滤网和微孔滤膜作为过滤层35用螺丝安装在进水口5前的螺丝孔8内；

（b）将电磁阀19用螺丝安装在配件安装架26上的底层螺丝孔12中，将配件安装架26放进第一主管28内的隔板33上，底层孔13对着腔室过水口6，用第一硅胶管18接在过水口6和电池阀19的进水口和出水口上，并用管夹箍紧接口；

（c）根据探头尺寸，将监测探头23放到中固定板15或者上固定板16上固定，用一段第一硅胶管18接在探头进水口22处，用管夹箍紧，接在电池阀19出水口的一段第一硅胶管18和接在探头进水口22处的一段第一硅胶管18之间用尺寸转换塑料接口20进行连接，并用第二硅胶管24接在监测探头23的出水口中；

（d）在外螺纹2套上橡胶密封圈，将第一主管28接入进水腔室管，根据插入沉积层的深度，确定接入第二主管29的数量，在各主管兼放入橡胶密封圈进行旋接；

（e）在锥头段的外螺纹2套上橡胶密封圈，将锥头段旋接进进水腔室管27中，并用细铁棍插入穿杆孔34中将其旋紧；

（f）在变径转接管30的外螺纹2上放入橡胶密封圈，将其旋进主管中，在小口径端接入延长管31；

（g）最后将T型手柄32套在最上面的延长杆31上，将电缆25、第二硅胶管24、电池阀电源线21经过各管，从T型手柄通孔11中伸出监测仪器外面。

本实施例提供的孔隙水监测方法如下：

（a）在预定的采样检测地点，测量水深以及确定仪器插入沉积层深度，确定第一主管28、第二主管29和延长管31的数量；

（b）按照上述的组装流程，将锥头段、进水腔室管27、过滤层35、配件安装架26、第一主管28、相应数量的第二主管29、变径转接管30组装在一起，涂上密封的真空硅脂，再用缆绳绑入仪器拉吊圆盘9的圆孔10中，缓慢吊入海水中，到达相应水深并且仪器达到稳定后，再增加延长管31的数量，直至仪器放到海床；

（c）在延长管31上套入T型手柄32，靠自重将监测仪器压入沉积层中，若沉积层较硬，则用锤子锤击T型手柄32，使仪器插入沉积层中预定深度；

（d）将电缆25的火线和零线以及电池阀电源线21与电源连接，电缆25的其他接线接入探头显示器，以及通过RS485通讯接口连接笔记本电脑中；将第二硅胶管24接入调速蠕动泵中；

（e）若监测位置离岸较近，水深浅，并且风浪小，则靠自身的重量固定；若监测位置上波浪对仪器产生较大扰动时，将系在圆孔10上的缆绳固定在海床上，以增强仪器的抗波浪能力；

（f）开始监测：让电磁阀19接电打开，并且让蠕动泵开始工作，使孔隙水按照一定速度缓慢进入进水腔室管27，等笔记本电脑中物质组分数据有所变化，开始自动记录监测探头23所测量数据，实现连续快速的孔隙水物质组分数据监测；其中所述电磁阀19是通电常开、断电关闭的电磁阀，仪器插入到预定深度的过程中，尽管外面水压力增加，会压缩进水腔室管27内空气的体积，使仪器外海水进入腔室，但是所述电磁阀19是关闭的，并且进水腔室管27容积小，加上有过滤层35的阻隔，进入进水腔室管27内的海水量很小，对监测结果影响小；

（g）若需要进行多层监测，则需要将仪器从上层深入到下层的顺序进行监测，深入前将电磁阀关闭，利用蠕动泵抽出仪器过水通道中的孔隙水，进入下层后重复上一步骤进行孔隙水监测或者采集；

（h）在监测完成后，将连接电子设备的缆线及硅胶管断开，利用缆绳将仪器往上拉离沉积层，如果人力无法将仪器拉出，则需要船上的吊机将仪器拉出，并将延长管31拆离，回收仪器。

（i）将回收的仪器拆卸并用蒸馏水进行清洗。

本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。