一種用于河道污染物輸移模擬的三維取樣方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于環(huán)境水利工程研究的技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種用于河道污染物輸移模擬的三維取樣方法。采用該取樣方法及所設(shè)計(jì)的取樣裝置，能夠沿著污染團(tuán)的輸移路徑同時(shí)采取監(jiān)測(cè)斷面上不同水深、不同起點(diǎn)距處的水樣，繼而形成河道污染物濃度三維分布圖。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來突發(fā)性水污染事件頻發(fā)，進(jìn)行河流中污染物擴(kuò)散規(guī)律研究顯得尤為重要。污染物擴(kuò)散現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)是通過在上游釋放示蹤劑，并對(duì)下游采集的水樣進(jìn)行分析，通過水樣的數(shù)據(jù)結(jié)果來確定不同污染物的擴(kuò)散規(guī)律。在河道污染物輸移過程中，由于受到的自然因素影響十分復(fù)雜，所以獲得的結(jié)果往往是多種因素引起的綜合性結(jié)果。目前在污染物輸移的研究方面，室內(nèi)模型試驗(yàn)及數(shù)學(xué)模型計(jì)算都存在著一定的局限性(顧佩玉，嚴(yán)履.水環(huán)境研究和水質(zhì)模型概述[J].交通環(huán)保，1988，Z1:13-20)。因此，為了研究河流中污染物質(zhì)的混合、輸移、轉(zhuǎn)化在時(shí)間和空間上分布、變化的規(guī)律，進(jìn)行污染物輸移的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)是十分必要的。
[0003]在污染物輸移的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中，既要實(shí)現(xiàn)水樣的定點(diǎn)采取，同時(shí)還要使所取的樣品具有真實(shí)性，這就要求取樣裝置能滿足安全、易操作、取樣時(shí)間短、取樣位置精確、對(duì)河水流場(chǎng)擾動(dòng)盡可能小等多方面要求。同時(shí)，要想使水樣數(shù)據(jù)客觀地反映出水體的水質(zhì)變化規(guī)律，除了要求水質(zhì)分析方法要有足夠的精密度、準(zhǔn)確度和靈敏度外，還要求所采取的水樣要有足夠的代表性。然而，目前絕大部分的水質(zhì)監(jiān)測(cè)在取樣時(shí)仍無法實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)水樣的同時(shí)采取(周慰祖.水質(zhì)監(jiān)測(cè)取樣方法的探討[J].水文，1984，01:50-54)。水質(zhì)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)過程中還存在所取的斷面偏少，監(jiān)測(cè)手段過于單一，信息流通量不夠等問題(白光明，興安，朝魯門.黃河水質(zhì)監(jiān)測(cè)的分析方法研究[J].北方環(huán)境，2013，01:124-126)，無法保證所取水樣的真實(shí)性和代表性。
[0004]現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)通常是在真實(shí)河道上實(shí)施取樣方案，在取樣過程中，往往是通過搭建水上取樣系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)水樣的采取。取樣系統(tǒng)一般包括水上操作平臺(tái)和所配備的各種監(jiān)測(cè)儀器。目前常用的取樣系統(tǒng)有單充氣船取樣系統(tǒng)、雙纜線取樣系統(tǒng)、雙管道取樣系統(tǒng)等，但由于試驗(yàn)技術(shù)的限制，在取樣過程中難以達(dá)到取樣過程中各個(gè)要求間的有效統(tǒng)一。如單充氣船取樣系統(tǒng)在取樣過程中，試驗(yàn)人員通過船槳?jiǎng)澊竭_(dá)取樣點(diǎn)，而船槳會(huì)擾動(dòng)流態(tài)，破壞流場(chǎng)，使所取樣品不具代表性；雙纜線取樣系統(tǒng)和雙管道取樣系統(tǒng)雖然避免了在取樣過程中對(duì)水體的擾動(dòng)，但其試驗(yàn)裝置復(fù)雜、建設(shè)成本高、建設(shè)周期長、可移動(dòng)性差，從而降低了取樣、監(jiān)測(cè)的效率。
[0005]尤其應(yīng)該注意的是，污染物的輸移試驗(yàn)需要監(jiān)測(cè)不同斷面上多位置處水樣的水質(zhì)參數(shù)。這要求對(duì)同一斷面不同起點(diǎn)距和水深處水樣采取所用的時(shí)間間隔必須足夠短，這樣監(jiān)測(cè)的結(jié)果才能代表該斷面同一時(shí)間污染物的分布情況。目前國內(nèi)外最普遍的水質(zhì)取樣方法就是吊桶打水取樣，由于這種方法有很大的隨機(jī)性，因此在大多數(shù)情況下，尤其在污水非穩(wěn)定排放情況下，所取到的水樣往往缺乏代表性和真實(shí)性，得到的分析數(shù)據(jù)與真實(shí)情況有一定差距(陳耀章，張家芳，莊捷，許棟.S — 700自動(dòng)水質(zhì)取樣器的研制[J].石油化工環(huán)境保護(hù)，1995，01:8-11+60)。同時(shí)，目前絕大多數(shù)采樣系統(tǒng)所配備的取樣裝置一般為單點(diǎn)取水，取樣器在取樣過程中，每取樣一次后，都需清洗取樣器，然后才能進(jìn)行下一個(gè)取樣，取水效率低。而要實(shí)現(xiàn)多個(gè)水樣的同時(shí)采取，往往是通過增加人力進(jìn)行多人操作的方法來實(shí)現(xiàn)的(白光明，興安，朝魯門.黃河水質(zhì)監(jiān)測(cè)的分析方法研究[J].北方環(huán)境，2013，01:124-126)。此外，傳統(tǒng)取樣裝置體積較大，在取樣過程中，儀器要放入水下，這可能會(huì)對(duì)取樣位置處的流場(chǎng)產(chǎn)生較大的擾動(dòng)。
[0006]本申請(qǐng)者設(shè)計(jì)的三維取樣方法，能夠適應(yīng)不同河道環(huán)境的水樣采取工作。該方法通過對(duì)取樣裝置的控制，實(shí)現(xiàn)跟隨污染團(tuán)的路徑行駛，有助于更好地觀測(cè)污染物的輸移規(guī)律。本發(fā)明設(shè)計(jì)的三維取樣方法需要應(yīng)用相應(yīng)的取樣裝置，該取樣裝置的操作平臺(tái)由雙體船與木板搭建連接，兩雙體船之間的設(shè)備不與水體直接接觸，而雙體船的位置則由試驗(yàn)人員通過固定在河岸的工字輪收、放纜繩來進(jìn)行控制，有效地避免了船體在移動(dòng)過程中對(duì)水體的擾動(dòng)。同時(shí)設(shè)計(jì)的三維取樣裝置配備了自行研制的多點(diǎn)取樣器，該裝置取樣器操作簡單，沒入水體體積小，能夠同時(shí)滿足安全、易操作、對(duì)河水流場(chǎng)小擾動(dòng)等多方面的要求，并實(shí)現(xiàn)了對(duì)多個(gè)采樣點(diǎn)同時(shí)、快速取樣，減小了取樣過程中的先后誤差，保證了所取水樣的代表性和真實(shí)性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種用于河道污染物輸移模擬的三維取樣方法。
[0008]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0009]在實(shí)施該取樣方法前，首先根據(jù)河道走勢(shì)以及取樣點(diǎn)的位置選取合適的控制點(diǎn)，并在選取的控制點(diǎn)位置布置用于纜繩收放的工字輪。每艘充氣船尾部都連有一根纜繩，通過該纜繩與岸上的工字輪相連。工字輪固定在河流兩岸的上下游，試驗(yàn)人員通過轉(zhuǎn)動(dòng)工字輪收縮或釋放纜繩來控制雙體船的位置，在不需要改變雙體船位置時(shí)，將工字輪固定即可。然后利用實(shí)現(xiàn)本發(fā)明方法的取樣裝置進(jìn)行取樣。該取樣裝置主要包括雙體船取樣平臺(tái)和多點(diǎn)取樣器。雙體船取樣平臺(tái)主要由充氣船和承重板兩部分構(gòu)成。承重板兩端各搭接在充氣船上，并通過螺栓連接。承重板的中間部分連接有小號(hào)承重板，與承重板搭接成井字形。小號(hào)承重板上通過焊接的T型支架固定可遙控的自動(dòng)升降系統(tǒng)。自動(dòng)升降系統(tǒng)上設(shè)有升降桿、提拉桿以及固定多點(diǎn)取樣器的固定凹槽，其動(dòng)力則由放置于一側(cè)的蓄電池提供。自動(dòng)升降系統(tǒng)上裝載多個(gè)多點(diǎn)取樣器，并且可以單獨(dú)控制固定后的每一個(gè)多點(diǎn)取樣器。承重板與充氣船之間添加海綿墊板、鋼架和減壓板，添加的各層之間通過螺栓進(jìn)行固定連接，以使雙體船均衡受力。鋼架的頭部與端部均通過焊接的豎向鐵板固定在雙體船上，防止雙體船上的承重部分與雙體船發(fā)生錯(cuò)動(dòng)。鋼架上還焊有鐵墊板，鐵墊板朝下放在減壓板上。通過墊層的施加，將承重板的重量均勻的分布在雙體船上，使其受力穩(wěn)定。同時(shí)雙體船取樣平臺(tái)還裝載流速儀、樣品瓶、收納箱等試驗(yàn)器材。取樣時(shí)，到達(dá)取樣斷面后，應(yīng)先確保取樣裝置和該取樣斷面對(duì)齊，再控制自動(dòng)升降系統(tǒng)將對(duì)應(yīng)的多點(diǎn)取樣器降低到取樣高度，操作多點(diǎn)取樣器即可。
[0010]多點(diǎn)取樣器主要包括固定裝置、收集裝置、控制裝置和動(dòng)力裝置4部分。固定裝置由橫向支架、蓋板和豎向支架三部分組成，其中橫向支架與蓋板均為長木塊同心打孔制成，同時(shí)橫向支架與蓋板之間還設(shè)有多個(gè)螺栓孔，便于兩者固定。在橫向支架的左右兩側(cè)分別設(shè)有豎向支架，并用螺絲進(jìn)行固定。橫向支架的北側(cè)還設(shè)有一個(gè)方形滑槽，作為方形滑塊的滑道。收集裝置包括多個(gè)大容量注射器，各注射器通過橫向支架與蓋板進(jìn)行固定，在試驗(yàn)取樣前，每個(gè)注射器都已充分清洗?？刂蒲b置由固定扣、方形滑塊、刻度柱、膠管和夾子構(gòu)成，橫向支架的方形滑槽內(nèi)設(shè)有可以滑動(dòng)的方形滑塊，方形滑塊可以在方形滑槽內(nèi)任意移動(dòng)，并由固定扣對(duì)其位置進(jìn)行固定。方形滑塊與刻度柱的頂端相連，刻度柱由空心鋁桿制成。每一個(gè)注射器的前端都與膠管相連，膠管的尾部都固定一個(gè)夾子，夾子主要用于將膠管固定于刻度柱上。試驗(yàn)取樣時(shí)，通過移動(dòng)方形滑塊的位置來調(diào)節(jié)取樣位置的起點(diǎn)距，通過移動(dòng)夾子在刻度柱的位置來確定取樣位置的水深。這樣便實(shí)現(xiàn)了多點(diǎn)取樣器在取樣斷面上任意位置處水樣的采取。動(dòng)力裝置主要由搖把、轉(zhuǎn)動(dòng)軸和軸承3部分構(gòu)成。位于橫向支架左右兩側(cè)的豎向支架頂端用螺栓固定兩個(gè)立式軸承。用頂絲將轉(zhuǎn)動(dòng)軸固定于兩個(gè)軸承之間。轉(zhuǎn)動(dòng)軸的一端與搖把連接，并用頂絲固定。在轉(zhuǎn)動(dòng)軸上，根據(jù)注射器的位置與其數(shù)量選取喉卡的固定位置，每個(gè)喉卡固定1根鋼絲吊線，鋼絲吊線的另一端連接一個(gè)彈簧勾。用彈簧勾與注射器尾部的圓環(huán)相連。在試驗(yàn)取樣時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)搖把，搖把牽動(dòng)鋼絲吊線，鋼絲吊線上的彈簧扣帶動(dòng)注射器的活塞柄，將所有注射器的活塞同時(shí)提取起來。
[0011]進(jìn)行污染物擴(kuò)散模擬試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)人員登上雙體船取樣平臺(tái)，先對(duì)所有多點(diǎn)取樣器進(jìn)行調(diào)試，并將調(diào)試好的多點(diǎn)取樣器按照取水?dāng)嗝娲涡蜻M(jìn)行編號(hào)，并依次固定于自動(dòng)升降系統(tǒng)的固定凹槽內(nèi)。然后在河流中施放示蹤劑，指揮岸上的工字輪控制人員通過纜繩使充氣船先于污染團(tuán)到達(dá)第一控制斷面。當(dāng)污染團(tuán)臨近該斷面時(shí)，調(diào)整雙體船的位置，使污染團(tuán)位于兩艘充氣船之間、不受干擾；并使取樣裝置和該取樣斷面對(duì)齊。然后再用流速儀測(cè)定該斷面流速、水溫、水深等水溫參數(shù)，并用遙控自動(dòng)升降系統(tǒng)將對(duì)應(yīng)的多點(diǎn)取樣器降低到取樣高度，旋轉(zhuǎn)多點(diǎn)取樣器的搖把轉(zhuǎn)動(dòng)軸，該轉(zhuǎn)動(dòng)軸再帶動(dòng)其上固定的鋼絲吊線，同時(shí)對(duì)取樣器上多個(gè)位置處抽取水樣。水樣采集完畢后，通過自動(dòng)升降系統(tǒng)將多點(diǎn)取樣器抬升至原有高度；同時(shí)，指揮岸上工字輪控制人員同步收、放纜繩，使雙體船追逐污染團(tuán)先于污染團(tuán)行進(jìn)至下一斷面，重復(fù)上述水文測(cè)量和水樣采取過程。待所有取樣斷面取樣結(jié)束后，再將各個(gè)斷面不同水深和起點(diǎn)距所采取的水樣進(jìn)行統(tǒng)一編號(hào)、收集。
[0012]本發(fā)明的效果和益處是:1)通過對(duì)雙體船取樣平臺(tái)的多點(diǎn)控制，可以使該系統(tǒng)跟隨污染團(tuán)的路徑行駛，有助于更好地觀測(cè)污染物的輸移規(guī)律。2)本發(fā)明涉及的三維取樣裝置，由于兩船之間的設(shè)備不與水體接觸，有效避免了取樣過程中對(duì)流場(chǎng)的干擾，使所采集的樣品具有代表性，同時(shí)兼顧流速、水溫、水深等水文數(shù)據(jù)