[发明专利]一种水-沉积物界面原位采样固定的方法与装置

说明书

技术领域

本发明属于水环境研究领域，涉及一种沉积物采样方法，特别涉及原位采集水-沉积物界面并固定的采样方法与装置。 

背景技术

河流、湖泊水-沉积物界面孔隙作为沉积物与上覆水体进行物质交换的通道，其孔隙大小、连通度、曲折度等结构特性极大地影响着水-沉积物界面的物质扩散通量，对污染物的生物地球化学循环有重要意义。水-沉积物界面在采样和运输过程中非常容易受到扰动。自重力柱状采样管方法是目前已有的沉积物采样方法中可以较少扰动沉积物的方法，采集后的沉积柱运到实验室进行后续处理。这种采样方法以下问题：采集沉积柱的深度不确定，运输过程中界面结构会收到影响，采集到的样品难以在不扰动的情况下进行二次取样，无法通过后续的X射线计算机断层、电镜扫描分析技术获得原状沉积物界面结构。 

发明内容

为了克服采样和运输对过程对沉积物结构扰动的问题，方便样品二次取样分析，本发明提供了一套水-沉积物界面原位采样固定的方法和装置，可以实现在尽量少扰动沉积物的情况下，定位采集水-沉积物界面并进行固定，减少累积扰动并方便二次取样。 

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：依托自重力沉积柱采样支架，设计沉积柱采样管（包含内部样品采集管和外部冷冻腔）和液氮冷冻系统（自增压式液氮罐、冷冻腔、液氮输入管、单向氮气排出阀）。具体操作是将采样管放入采样支架并连接液氮冷冻系统，将采样管放入水下，当水-沉积物界面进入样品采集管的冷冻腔范围后，开启自增压式液氮罐固定沉积柱，待沉积柱固定后将采样器取出水面，实现水-沉积物界面的原位采样和固定。核心技术方案为沉积柱采样管和液氮冷冻系统。 

采样管设计包括内部样品采集管和外部冷冻腔两部分。内部样品采集管是直径小、壁薄的铁质管，关键指标是直径和壁厚。管壁较薄保证管壁占沉积柱样品直径比例较小，减少管壁对沉积物的挤压影响，保证采样过程中不破坏沉积物结构；铁管直径较小保证外部冷冻腔通过铁管导热对沉积柱样品冷冻固定的效率，减少冷冻过程中晶格的产生，保证样品固定过程中不影响沉积物结构。外部冷冻腔是环绕在内部样品采集管上部外壁的隔热塑料管（有真空夹层），有液氮进口和出口，关键指标是冷冻腔的位置和容积、液氮进出口的位置。冷冻腔以样品采集管（采样管上部2/3范围）为内壁，通过冷冻腔的液氮透过铁管与沉积柱进行快速热量交换固定沉积柱；除内壁外，冷冻腔的材料均为隔热塑料管，保证液氮进入腔体后仅通过铁管与采样管内的沉积柱进行热交换，对采样管外的水和沉积物没有热交换，提高液氮利用率；冷冻腔厚度较厚，一方面保证较大的容积进而提高冷冻效率，另一方面靠内部样品采集管下部1/3位置处开始存在的冷冻腔厚度来增加阻力，保证水-沉积物界面位置处于内部沉积柱采集管与液氮腔接触的范围。液氮进口在冷冻腔下部，出口在冷冻腔上部。 

原位液氮冷冻系统设计包括自增压式液氮罐、液氮输入管路、采样管外部冷冻腔和弹簧式止回阀。自增压式液氮罐置于船上，将液氮泵入冷冻系统；液氮输入管路为抗压隔热材质，保证在一定的水压下也能通畅输送液氮，并在输送过程中减少热损耗；采样管外部冷冻腔主要用于冷冻采样管内部的沉积柱；弹簧式止回阀位于采样管外部冷冻腔的液氮出口，保证热交换产生的氮气能及时排出，同时避免水进入冷冻系统。这些组件共同组成的液氮冷冻系统，在水-沉积物界面进入采样管后开启固定采样管内沉积柱。 

本发明的优点及效果：能够定位采集水-沉积物界面，使界面位于液氮冷冻区域，减少因界面位置不确定带来的低效率冷冻；能够在原位采集并固定水-沉积物界面，避免了取样和运输过程中对沉积物界面结构的扰动；冷冻后的沉积柱在二次取样时不易改变结构。 

附图说明

图1是沉积柱采样管的正视图、俯视图和剖面图。 

图2是自重力沉积柱采样支架图。 

图3是水-沉积物界面采样原位固定示意图。 

图中：1-沉积柱采样管，2-液氮输入孔，3-氮气排出孔，4-隔热塑料管（含真空夹层），5-外部冷冻腔，6-铁管，7-样品采集管，8-采样管锁定杆，9-采样管锁定架，10-硅胶环，11-采样管支架，12-重力环，13-单向封锁盖，14-水-沉积物界面，15-液氮。 

具体实施方式

设计沉积柱采样管的：铁管（6）与隔热塑料管（4）相嵌套，保证冷冻腔气密性，在隔热塑料管（4）下端设置液氮输入孔（2），上端设置氮气排出孔（3），保证在液氮冷冻系统的管路气密性。