一种湖泊底泥采样设备及其采样船和采样方法与流程

发明涉及环境监测设备，特别涉及一种湖泊底泥采样设备及其采样船和采样方法。

背景技术：

1、湖泊底泥作为水体生态系统的重要组成部分之一，其物理、化学及生物特性对于维持湖泊生态平衡具有重要意义。随着工业化和城市化进程的加快，湖泊环境面临诸多挑战，如富营养化、重金属污染以及有机污染物累积等，这些问题不仅影响水质安全，还可能对水生生物多样性造成严重威胁。底泥的采样分析研究是评价底泥环境质量状况、明确积累来源和规律、掌握湖底变化趋势重要前提。

2、湖泊底泥采样技术是研究湖泊环境质量变化、评估湖泊健康状况、湖底变化趋势的关键手段之一。通过对底泥样品的分析，可以了解湖泊沉积物中污染物的种类与含量，揭示历史时期的环境变迁信息，为制定有效的湖泊管理措施提供科学依据。此外，底泥中的微生物活动及其代谢产物也是评价湖泊生态功能的重要指标。

3、传统的湖泊底泥采样方法多依赖于重力式采样器，这类采样器通常由一个带有抓斗结构的容器组成，通过船只上的绳索将其沉降至湖底进行采样。虽然该方法操作相对简单，但存在一些明显的局限性。首先，在采样过程中，由于缺乏精确控制，很难保证每次都能准确地将采样器放置于预定位置，其次，这类采泥器主要依靠重力，通过抓斗采集样品，往往需要丰富的采样经验，并多次实施采样操作；再者，重力式采样器主要用于表层底泥的采集，往往难以采集到深层底泥样本，针对深水型湖泊而言，重力型采泥器通过人工操作，不仅难以采集到理想的底泥样本，而且费时费力，存在较大的安全风险，对于需要了解更深层次沉积物信息的研究来说，这种采样方式显得力不从心。

技术实现思路

1、发明的目的是提供一种湖泊底泥采样设备，不仅可以按照研究需求实现分层采集样本，亦能在增加自动化程度的同时，提高采样成功率高。

2、发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种湖泊底泥采样设备，包括柱状壳体，所述柱状壳体的上端设置有吊钩，所述柱状壳体上部的外周设置有中空浮力环，所述柱状壳体内顶的中部向下设置有中心负压管，所述中心负压管外套有转动连接套管，所述柱状壳体的下端开设有密封转动孔，所述转动连接套管的下端穿出所述密封转动孔且与之密封转动连接，所述转动连接套管于所述柱状壳体内的下部设置有齿轮环，所述柱状壳体内安装有驱动电机，所述驱动电机的动力输出轴连接有与所述齿轮环相啮合的驱动齿轮；

3、所述柱状壳体的外周设置有排水环，所述排水环的圆周外壁开设有若干倾斜出水孔，每一倾斜出水孔均朝同一方向倾斜，所述柱状壳体的下端于所述密封转动孔的外周设置有抽吸环，所述抽吸环的外壁开设有抽吸孔，所述柱状壳体内安装有水泵，所述水泵的入口端连通有三通电磁阀，所述三通电磁阀的一入口端通过第一抽吸管与所述中心负压管的上部连通，所述三通电磁阀的另一入口端通过第二抽吸管与所述抽吸环连通，所述水泵的出口端与所述排水环连通，所述柱状壳体内设置有用于监测其旋转的陀螺仪，通过所述排水环的倾斜出水孔排水时，驱动所述柱状壳体转动；

4、还包括与所述转动连接套管伸出所述密封转动孔的一端可拆卸连接的取样管，所述取样管的下端开口设置有若干锯齿口。

5、发明的进一步设置为：所述柱状壳体的下端设置有多个支撑架。

6、发明的进一步设置为：所述柱状壳体的下方设置有与所述取样管转动连接的限位套环，所述限位套环与每一支撑架均通过连接轴连接。

7、发明的进一步设置为：所述柱状壳体的下端设置有向下设置的观察摄像头。

8、发明的进一步设置为：每一抽吸孔均位于所述抽吸环的圆周外壁，每一抽吸孔均朝同一方向倾斜且与所述倾斜出水孔的倾斜方向相反。

9、发明的进一步设置为：所述转动连接套管伸出所述密封转动孔部分的外壁设置有外螺纹，所述取样管上端的外壁设置有与所述转动连接套管相配合的内螺纹。

10、发明的进一步设置为：所述柱状壳体的外壁设置有把手。

11、本发明还提供一种采样船，包括船体，所述船体的上端设置有安装有转动座，所述转动座的上端转动连接有转动盘，所述转动座安装有驱动所述转动盘转动的转动电机，所述转动盘的上端斜向上设置有吊杆，所述吊杆的上端设置有定滑轮，所述吊杆的中部设置有安装台，所述安装台上设置有安装座，所述安装座内转动连接有卷线轮，所述卷线轮上设置有第一卷线槽及第二卷线槽，所述安装台上设置有用于驱动所述卷线轮转动的卷线电机，所述第二卷线槽上缠绕有拉绳，所述拉绳的自由端绕过所述定滑轮向下垂且设置有与所述吊钩相配合的拉钩；

12、所述船体的上端设置有供电箱，所述供电箱由所述船体的动力系统供电，所述柱状壳体的上端连接有电缆线，所述电缆线的自由端缠绕在所述第二卷线槽上，所述卷线轮的一端设置有与所述电缆线的自由端电连的导电滑轴，所述安装座的一端设置有与所述导电滑轴滑动电连的电滑环，所述电滑环通过导电线与所述供电箱电连。

13、发明的进一步设置为：所述转动盘的下端伸入所述转动座内设置有蜗轮，所述转动电机的动力输出轴连接有与所述蜗轮相啮合的蜗杆。

14、本发明还提供一种采样方法，包括以下步骤：

15、步骤一、将所述柱状壳体通过所述吊钩与所述拉钩的连接悬挂在所述拉绳的自由端上，并且将所述取样管与所述转动连接套管连接；

16、步骤二、控制所述卷线电机驱动所述卷线轮转动，逐渐释放所述拉绳及所述电缆线，逐渐将所述柱状壳体放入到水中；

17、步骤三、当所述取样管刚伸入水中时，启动所述水泵，控制所述三通电磁阀与所述中心负压管连通，通过所述水泵抽走所述取样管内的空气，使所述取样管能够保持竖直向下下落；

18、步骤四、当所述取样管与湖底的污泥接触后，启动所述驱动电机，通过驱动电机驱动所述转动连接套管转动，进而带动所述取样管转动，在重力的作用下使所述取样管逐渐向下插入到污泥内，过程中控制所述三通电磁阀与所述第二抽吸管连通，从所述柱状壳体的下端抽水，并且从所述排水环上的所述倾斜出水孔旋转排水，产生反向的旋转力对抗所述驱动电机的旋转力，使所述柱状壳体能够保持不旋转向下钻土；

19、步骤五、当所述取样管向下钻入10-20cm后，控制所述三通电磁阀同时与所述中心负压管及所述第二抽吸管连通，使得此时既能够产生对抗所述驱动电机旋转的反向旋转力，又能通过所述中心负压管使所述取样管内产生负压，向上吸污泥，增加所述取样管向下的力，使所述取样管能够更快向下钻土取样；

20、步骤六、完成取样后，所述驱动电机及所述水泵均停止工作，控制所述卷线电机驱动所述卷线轮反向转动，卷绕所述拉绳及所述电缆线，逐渐将所述柱状壳体及所述取样管拉出水面，并且控制所述转动电机驱动所述转动盘转动，带动所述吊杆将所述柱状壳体及所述取样管转动至船上；

21、步骤七、控制所述水泵反向工作，并且控制所述三通电磁阀与所述中心负压管连通，将空气注入到所述取样管内，逐渐将所述取样管内的土样排出；

22、步骤八、拆下所述取样管，从所述拉绳上取下所述柱状壳体，完成一次取样。

23、综上所述，发明具有以下有益效果：

24、其一、本发明将采样设备吊入到湖底后，采用旋转钻土的方式进行底泥采样，自动化程度高，不会在出水后土样自动脱落，采样成功率高，并且还能根据研究需求实现分层样品采集；

25、其二、本发明在进行钻土采样时，同时利用水泵抽水，将水通过倾斜出水孔旋转排出，产生反向的旋转力，以抵消驱动电机驱动取样管转动时的旋转力，保持取样管转动钻土，而不是柱状壳体无固定旋转，使柱状壳体在无固定的情况下也能驱动取样管旋转钻土取样；

26、其三、将柱状壳体放入到水中后，通过中空浮力环的浮力，使柱状壳体的上端始终保持向上，而柱状壳体下部依靠其自身重力以及取样管的重力，使采样设备能够始终保持竖直的状态上下运动，便于采样管与湖底接触采样；

27、其四、采样完成后，能够通过水泵的反向转动向取样管内注入空气将土样推出，能够更加简单快速地从取样管内获得土样，使取样管能够重复使用。