本發(fā)明涉及一種淺水海域含沙水體原位自動采集裝置及方法，用于淺水海域正常海況或風暴作用下與海洋懸浮泥沙、海洋沉積動力相關的含沙水體原位、連續(xù)、自動取樣。

背景技術：

海洋環(huán)境污染監(jiān)測、海洋水文觀測、海洋化學、地質調查和沉積物再懸浮過程研究等，均需要現(xiàn)場采取一定條件下、一定體積的水樣，進而在船上或實驗室內通過相應設備進行實驗分析。

根據(jù)研究目的的不同，采集海水水樣時所用的采水器、采水方法、采水要求差別較大。目前，采水器的類型主要有南森采水器、多瓶采水器和球蓋式采水器等，此外還有專門的海洋微生物采水器，如佐貝爾采水器、復背式采水器和無菌采水袋等。以上這些采水器主要是針對海洋化學、海洋生物研究而設計的，考慮了采水器的材質化學穩(wěn)定性、生物無菌性等特殊要求，滿足化學、生物研究所需海水樣品的采集，而未考慮采水器與海水流向、流速等力學性質的關系，及其對海水流向、流速的影響。

海洋懸浮泥沙研究是海洋沉積環(huán)境及海洋動力環(huán)境研究中的一個重要方面，關系到泥沙的起動與沉降、沉積物輸運、海底沖淤等諸多方面，海水懸浮泥沙濃度是表征海洋環(huán)境的一個重要參數(shù)。但海水中懸浮泥沙濃度這一指標有著不同于其它海水物理、化學、生物指標的特點，就是其與海洋水動力條件密切相關，海水的流向、流速條件顯著地制約著懸沙濃度。所以對海洋含沙水體取樣所需的采水器需要考慮海水流速、流向的影響，順著海水流向方向采樣，采水器對海水流速的影響最小，不會造成水中懸浮泥沙的沉降，才能更準確的采集到真正代表海水挾沙量的代表性樣品。而目前存在的各式采水器均無法識別海水流向并在海流方向上采樣，所以無法滿足海洋學研究中對于海水懸浮泥沙含量的更精確要求。因此，發(fā)明一個適用于海水懸浮泥沙取樣要求的、可以控制采水方向實現(xiàn)順海水流向方向采樣的采水裝置是非常有必要的。

同時，在對海水中懸浮泥沙的含量、沉積與再懸浮等沉積動力學問題進行研究時，往往需要多個站位同步采集一個潮周期內各時刻(通常為25h)的海水水樣，目前海水取樣方法主要是通過將多條船舶準確定位在不同的取樣點處，船舶上的人員同步利用采水器以一定時間間隔對特定站位、特定離底高度的含沙水體進行取樣。這種傳統(tǒng)的取樣方式工作量大，花費高、時間長，消耗大量的人力、物力。在出現(xiàn)水體流速較大、尤其是研究暴風沉積作用時，采水器往往偏離預定采樣點，采樣深度也會出現(xiàn)偏差，取樣結果受人為因素影響較大。另外，利用船只和人力在暴風天氣下對研究區(qū)海域進行一個潮周期的海水取樣具有較高的危險性。

因此，提出一種能夠準確控制采樣方向、采樣深度、采樣時間，操作方便、實用性強、人為因素影響小的一種淺水海域含沙水體原位自動采集裝置，是亟待解決的技術問題。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種淺水海域含沙水體原位自動采集裝置及方法，以填補目前沒有適用于海洋懸浮泥沙取樣的含沙水體原位自動采集裝置的空白，滿足海洋學研究中對于海洋含沙水體的取樣要求。

一種淺水海域含沙水體原位自動采集裝置，其特征在于包括三角支架，該三腳支架頂端設有用于調節(jié)三角支架夾角的角度控制器，角度控制器上方設有進水控制盤、正下方設有豎直的固定桿，由電池倉、單片機、密封蓋和壓力傳感器組成的采水裝置控制系統(tǒng)安裝在所述的固定桿上，固定桿下端通過旋轉式固定座連接管狀的采水器，使采水器在水平方向上旋轉，采水器后側設有四個控制采水器隨海流方向變化旋轉的姿態(tài)控制翼，內部設有電機和擋流板；采水器通過設置在固定桿內部的連通管與所述進水控制盤內的抽氣孔相連，抽氣孔下部由密封螺栓進行密封，進水控制盤中部設有通孔，通孔下半部為不可旋轉固定孔，上半部為可旋轉固定孔，進水控制盤通過不可旋轉固定孔固定在固定桿上，真空瓶固定盤通過可旋轉固定孔內的轉軸安裝在進水控制盤上方，進水控制盤和真空瓶固定盤之間通過固定桿上的緊固螺絲和多個均勻分布在外側的密封卡扣實現(xiàn)二者的緊密貼合與密封，進水控制盤側面安裝有步進電機以控制真空瓶固定盤的步進式旋轉，所述真空瓶固定盤邊緣位置設有一圈采水瓶進水孔和排水孔，且采水瓶進水孔和排水孔相互間隔且均勻排列，采水瓶進水孔上安裝有真空采水瓶。

所述該三腳支架底部設有可加荷載的底座。

所述角度控制器可以控制三角支架的打開程度，進而可以調節(jié)采水器的離底高度，滿足不同離底高度水體的采樣要求。

所述裝置的采水控制系統(tǒng)由電池倉、單片機、密封蓋和壓力傳感器組成，可以實現(xiàn)對設備采水開始時間、采樣間隔和采樣數(shù)量的設定，其中采水開始時間的設定方式有兩種：一種是設定固定的開始時間，另一種是設定當壓力傳感器測取的波浪壓力大于某一數(shù)值時自動啟動。

所述固定桿下端通過旋轉式固定座連接采水器，采水器外部后側設有四個姿態(tài)控制翼，可以實現(xiàn)采水器在水平方向上隨海流方向的變化而旋轉，并與海流流向保持一致。

所述進水控制盤和真空瓶固定盤均是由具有密封性的光滑陶瓷閥芯材料制成的陶瓷片，兩者之間的密封通過固定桿上的緊固螺絲和多個均勻分布在外側的密封卡扣實現(xiàn)。

所述真空瓶固定盤上分別設有24個采水瓶進水孔和排水孔，兩者均勻分布、相間排列。

所述步進電機每次啟動時，可使真空瓶固定盤轉動7.5°，控制設備水樣采集的開始和結束。

利用上述裝置進行淺水海域含沙水體原位自動采集的方法，其特征在于包括以下步驟：

①、將真空采水瓶固定于真空瓶固定盤的采水瓶進水孔上，轉動真空瓶固定盤以通過抽氣孔依次將采水瓶抽成真空狀態(tài)后，利用密封螺栓進行密封；

②、根據(jù)設備電池電量決定是否進行更換；對采水開始時間、采樣間隔和采樣數(shù)量進行設定；

③、根據(jù)海域水動力環(huán)境強弱，在裝置的可加荷載底座上進行配重，以防止設備傾倒或被水流帶走的情況發(fā)生；

④、通過三角支架的角度控制器對采水器的離底高度進行調節(jié)設定，完成后利用船舶將裝置下放到預定海域海底進行水樣采集；

⑤、水樣采集完成后，將裝置提至船舶甲板，并將真空采水瓶內的水樣進行收集轉移；

⑥、利用淡水對裝置進行徹底清洗，防止設備腐蝕。

顯然，本發(fā)明結構合理，操作方便，可以控制采水方向，實現(xiàn)順海流方向采樣，適用于淺水海域含沙水體的原位自動采集，較以往水樣采集裝置和方法具有采樣深度準確、方便安全、自動化程度高等優(yōu)點。本發(fā)明使用時，通過設定采樣開始時間、采樣間隔、采樣數(shù)量，可以實現(xiàn)在特定海域、特定時間間隔、特定離底高度、沿海流流向上的含沙水體原位自動取樣工作?？捎行Ы鉀Q目前已有技術方法進行淺水海域潮周期內含沙水體連續(xù)取樣存在的取樣位置、離底高度、取樣間隔誤差大等問題；另外，設備自動化程度高，在大風天氣、惡劣海況條件下可以實現(xiàn)原位自動過程水體取樣工作，有效避免人和船舶在惡劣條件下海上連續(xù)取樣存在的危險性，大大減少了多站位同步含沙水體取樣過程中的人力、物力消耗。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的總體結構示意圖。

圖2是本發(fā)明的進水控制盤的仰視圖。

圖3是本發(fā)明的真空瓶固定盤的俯視圖。

其中，1、三角支架，2、可加荷載底座，3、角度控制器，4、固定桿，5、電池倉，6、單片機，7、密封蓋，8、壓力傳感器，9、旋轉式固定座，10、采水器，11、姿態(tài)控制翼，12、電機，13、擋流板，14、連通管，15、進水控制盤，16、真空瓶固定盤，17、采水瓶進水孔，18、排水孔，19、步進電機，20、真空采水瓶，21、不可旋轉固定孔，22、可旋轉固定孔，23、密封卡扣，24、抽氣孔，25、密封螺栓。

具體實施方式

如圖1-3所示，一種淺水海域含沙水體原位自動采集裝置，其特征在于該裝置包括三角支架1，該三腳支架下部設有可加荷載底座2，頂端設有可以調節(jié)三角支架打開程度的角度控制器3，由電池倉5、單片機6、密封蓋7和壓力傳感器8組成的采水裝置控制系統(tǒng)由固定桿4固定于三角支架上，固定桿4下端通過旋轉式固定座9連接采水器10，采水器外部后側設有四個控制采水器隨海流方向變化旋轉的姿態(tài)控制翼11，內部設有電機12和擋流板13，采水器通過設置在固定桿內部的連通管14與進水控制盤15內的抽氣孔24相連，抽氣孔下部由密封螺栓25進行密封，進水控制盤上部安裝有真空瓶固定盤16，進水控制盤側面安裝有步進電機19以控制真空瓶固定盤的旋轉，真空瓶固定盤上的采水瓶進水孔17和排水孔18相間排列，采水瓶進水孔上安裝有真空采水瓶20。

所述角度控制器3可以控制三角支架1中三根支撐腿的打開程度，進而可以控制采水器10的離底高度，滿足不同深度采水要求。

所述單片機6可以對采水開始模式和時間、時間間隔和采樣數(shù)量等進行設定，壓力傳感器8可以對波浪產生的壓力進行測定。

所述固定桿4下端通過旋轉式固定座9連接采水器10，采水器10外部后側設有四個姿態(tài)控制翼11，可以實現(xiàn)采水器10在水平方向上隨海流方向的變化而旋轉，并使采水器10的進水口與海流流向保持一致。有效避免由于采樣設備進水口與海流流向不一致導致的懸浮體沉降等問題，保證采集水樣內的懸浮泥沙含量與實際情況相符。

所述進水控制盤15和真空瓶固定盤16之間的密封通過固定桿4上的緊固螺絲和5個均勻分布在外側的密封卡扣23實現(xiàn)。

所述真空瓶固定盤16上分別設有24個采水瓶進水孔17和排水孔18，兩者均勻分布、相間排列。

所述步進電機19每次啟動時，可使真空瓶固定盤16轉動7.5°。

淺水海域含沙水體原位自動采集裝置的工作過程如下：

①、將真空采水瓶20固定于真空瓶固定盤16的采水瓶進水孔17上，通過抽氣孔24依次將采水瓶抽成真空狀態(tài)后，利用密封螺栓25對抽氣孔進行密封；

②、根據(jù)采水目的及要求，對設備采水開始時間進行設定，設定方式有兩種，一種是人為設定固定的開始時間，另一種是設定當壓力傳感器8測取的波浪壓力大于某一數(shù)值時自動啟動，同時對采水過程的時間間隔和數(shù)量進行設定；

③、根據(jù)采樣海域水動力強弱，在裝置的可加荷載底座2上進行合理配重，防止設備傾倒或被水流帶走等情況的發(fā)生；

④、根據(jù)要求對采水器10的離底高度進行調節(jié)，完成后利用船舶將裝置下放到預定海域海底進行水樣采集；

⑤、采水過程中，采水器10的進水口與海流流向保持一致，在采水間隙，連通管14與排水孔18連通，每次采水開始前1分鐘，電機12驅動擋流板13封閉采水器10的出水口，使水體沿連通管14、排水孔18對管道內的懸浮體等進行沖洗；到達采水時間時，步進電機19驅動真空瓶固定盤16轉動7.5°，使得水體沿連通管14、采水瓶進水孔17進入真空采水瓶20，水樣采集完成后，電機12驅動擋流板13打開采水器10的出水口，步進電機19驅動真空瓶固定盤16繼續(xù)轉動7.5°，使得連通管14與排水孔18連通。到達下一采水時刻時，重復上述步驟。

⑥、水樣采集完成后，將裝置提至船舶甲板，并將真空采水瓶20內的水樣進行收集轉移；

⑦、利用淡水對裝置進行徹底清洗，防止設備腐蝕。