一种冰盖分层采样设备和方法技术

本发明专利技术涉及一种冰盖分层采样设备和方法，包括取样部分和施力部分；其中所述取样部分包括至少一个冰体取样盒，所述冰体取样盒包括内部中空的储冰盒和导冰槽；所述导冰槽的第一端开口与所述储冰盒连通，所述导冰槽的第二端开口位于所述储冰盒的外侧，在所述导冰槽的第二端开口上设置有凸出于所述导冰槽的破冰齿；在所述储冰盒上还设置有贯通所述储冰盒的旋转孔；所述施力部分包括旋转杆，所述旋转杆穿过所述旋转孔带动所述冰体取样盒旋转；所述旋转杆的形状与所述旋转孔的形状相匹配；在所述旋转杆的端部还设置有锁止块。整个设备操作简单容易，使用方便，且整个设备体积较小，可以现场组装，方便运输。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种冰盖分层采样设备和方法，是一种水文观测设备和方法，是一种用于冰盖研究领域的设备和方法，特别涉及一种冰盖分层采样设备以及使用该设备的采样方法。
技术介绍
冰情现象是寒区河流特有的一种自然现象，我国西南高原寒区的雅鲁藏布江、长江源区、黄河源区等普遍存在。入冬以后，伴随气温降低，河流水体失热，当水温降至0°C以下时，水体发生相变，部分水体转化为固体流冰浮于水面，并随水流流动。寒区河流冰凌生消、发展及演变过程受气温、河道流量迅速增大、河流走向、太阳辐射差异、河道形态和岸线条件、槽蓄量等多重因素影响，当河道水流流速较小时，初生冰盖厚度主要受单一流冰厚度控制，流冰顺序排列互相冻结，此过程为“平封”；当水流流速大或逆流向风速强时，流冰回旋或潜入冰盖前缘以下形成厚度较大的冰盖，导致冰面极不平整，该过程为“立封”。随着气温的回升、径流流量加大，在热力因素和水力因素的相互作用下，冰体会逐渐解冻，恢复明流状态。在上述冻融循环过程中，河流水体中的磷、氮、笨等污染物在冬季也会随着水体被冻结在冰体里，到了春季再向水体释放。当河流中的冰体以流冰形式存在时，环境物质的迁移转化将伴随水流运动，当流冰堆积形成冰盖，冰盖中污染物将不再移动，直接影响了环境物质的迁移和演变。冰盖对河流环境质量的影响主要体现在封冻期和开河期。封冻期，冰盖形成后显著增加了河道断面湿周和流动的阻力，进而改变的流速分布（图1a为明流下的流速分布，图1b为冰盖下的流速分布）将对河流水体中污染物及其它环境物质的扩散和输移造成影响。冰盖还隔绝了水体和空气的物质交换，使有机毒物失去了挥发和光解的途径，因冬季河流复氧能力差，水中的污染物如同在管道中流动，只能向下游迁移。春季开河期，温度升高，冰盖融化，冰盖中的污染物向水体和空气中释放，同时河流的湿周和流动阻力减小，再次对河流的环境质量造成影响。此外，河流中冬季枯水期流量一般仅为丰水期的十几分之一到几十分之一，与丰水期相比，冰封期河水中有机污染物稀释倍数小得多，浓度也要高得多，因此开河期冰盖中的污染物释放对河流环境质量的影响也不容忽视。在冰盖内污染物的监测上，目前的采样设备还停留在上世纪50年代的“冰凿”和“冰穿子”阶段，无法满足新时期复杂条件下快速、准确采样的要求，特别是针对突发性水污染事件，现有设备更难以胜任。在冬季高原寒区河流的冰体环境上，需考虑到冰盖的发展演变是随着气温、时间发展的动态过程，冰盖的生长速度受到气温日照等热力学条件、河流水力学条件、边界条件等影响而不断变化，河流水体中污染物的浓度也随时间变化，因此冰盖中污染物浓度并非均匀分布，其与冰层的发展速度和河流中水体的污染物浓度等有关，在垂向上呈梯度分布，已有的研究数据证实了这一变化规律，如英瑜雯等在松花江19个断面上实测的冰盖中硝基苯浓度在垂向上都出现了变化，其中上层和下层的硝基苯浓度最大相差8倍以上。目前，河流冰盖中污染物的变化规律，以及冰体污染物的溶解、扩散、输移等研究还处于起步阶段，其中一个很重要的原因是缺乏相应的分层采样设备。前已述及，现有的冰盖采样设备相当原始，如2007年大连理工大学许士国等在松花江上开展的冰样采集仍在使用链锯、冰穿子等工具，将冰捣成碎末取出。2013年，内蒙古农业大学曹伟娟等在分析黄河头道拐断面冰封期PCBs和HCHs的分布特征时采用的冰样采集工具为冰凿。国外对冰盖中污染物的研究主要集中在海冰上，尤其是研究海冰的排盐效应及其对海洋环境质量的影响，但也未见有关冰盖分层采样设备的文献。在河流水质取样设备研究和应用方面，传统用于明流时的单层采样器、积深式采样器、封闭管式采样器等显然不适用于冰层的取样。此外，应用于河床的保真采样器先后研发了保压采样筒(PCB)、活塞采样器(APC)、保压取芯器(PCS)、冲击式采样器(FPC)和旋转式采样器(HRC)、保温保压采样器(PTCS)，浙江大学设计的保真采样器等，多采用重力或震动作用采样，适用于较为大型化的设备运输和使用，而内陆河流冰盖的厚度选小于海冰和极地冰，上述设备并不适用于内陆河流的冰情现状，且冰面与大气直接接触，亦不需要保压功能，同时上述设备也不具备分层取样的能力，因此并不适合于高原寒区野外河流冰盖分层采样的需求。鉴于此，迫切需要研究开发一种高效、准确的冰盖分层采样设备和方法。
技术实现思路
为了克服现有技术的问题，本专利技术提出了一种冰盖分层采样设备和方法。所述的冰盖分层采样设备和方法通过旋转和挤推实现了冰盖分层采样。本专利技术的目的是这样实现的：一种冰盖分层采样设备，其包括取样部分和施力部分；其中所述取样部分包括至少一个冰体取样盒，所述冰体取样盒包括内部中空的储冰盒和导冰槽；所述导冰槽的第一端开口与所述储冰盒连通，所述导冰槽的第二端开口位于所述储冰盒的外侧，在所述导冰槽的第二端开口上设置有凸出于所述导冰槽的破冰齿；在所述储冰盒上还设置有贯通所述储冰盒的旋转孔；所述施力部分包括旋转杆，所述旋转杆穿过所述旋转孔带动所述冰体取样盒旋转；所述旋转杆的形状与所述旋转孔的形状相匹配；在所述旋转杆的端部还设置有锁止块。其中，所述取样部分包括两个以上冰体取样盒，两个以上的所述冰体取样盒层叠放置，每个所述冰体取样盒的破冰齿的相对位置不同。其中，两个以上所述冰体取样盒从上到下依次层叠，两个以上所述冰体取样盒的破冰齿从上往下依次向着远离所述冰体取样盒的中心的方向间隔一定角度。其中，相邻两个所述破冰齿之间的间隔角度为3度至7度。其中，所述导冰槽为弧形槽。进一步的，所述旋转孔的截面形状为凸型，所述旋转杆的截面形状为凸型。进一步的，所述旋转杆的截面形状包括相互连接的圆形部分和矩形凸出部分；所述锁止块整体呈“门”形，所述旋转杆的矩形凸出部分卡入所述锁止块。进一步的，所述施力部分还包括设置在旋转杆的端部的操作手柄。进一步的，所述施力部分还包括驱动电机，所述驱动电机与所述旋转杆连接并带动所述旋转杆转动。进一步的，所述施力部分还包括变速齿轮，所述变速齿轮与所述驱动电机相啮合，所述旋转杆安装在所述变速齿轮上。进一步的，所述驱动电机和变速齿轮安装在施力基座中；所述冰盖分层采样设备还包括支撑部分；所述支撑部分包括用于放置所述施力基座的支撑基座和安装在所述支撑基座下方的支撑杆；在所述支撑杆的一端上设置有支撑孔。进一步的，所述施力基座整体呈矩形，所述支撑基座整体呈矩形。一种采用上述冰盖分层采样设备的冰层采样方法，其包括如下步骤：S100：在冰盖上开孔；S200：将冰盖分层采样设备插入孔中，同时使冰体取样盒的一侧紧贴冰体；S300：手动或启动驱动电机使旋转杆旋转即可完成分层采样。本专利技术产生的有益效果是：（1）本专利技术的冰盖分层采样设备中的冰体取样盒用于破碎和存储冰体样本，在旋转杆的带动下破冰齿破碎冰体，然后通过导冰槽将碎冰导入储冰盒中储存。整个设备操作简单容易，使用方便，且整个设备体积较小，可以现场组装，方便运输；（2）本专利技术的冰盖分层采样设备设置了多个冰体取样盒，可以实现分层破冰和分层取样，不会破坏冰盖结构，从而为冰盖分层研究提供可靠保证。附图说明下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步说明。图1a是明流下的流速分布图；图1b为冰盖下的流速分布图；图2为实施例一的冰盖分层采样设备中的冰体取样盒的整体示意图；图3是实施例一的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种冰盖分层采样设备，其特征在于：包括取样部分和施力部分；其中所述取样部分包括至少一个冰体取样盒，所述冰体取样盒包括内部中空的储冰盒和导冰槽；所述导冰槽的第一端开口与所述储冰盒连通，所述导冰槽的第二端开口位于所述储冰盒的外侧，在所述导冰槽的第二端开口上设置有凸出于所述导冰槽的破冰齿；在所述储冰盒上还设置有贯通所述储冰盒的旋转孔；所述施力部分包括旋转杆，所述旋转杆穿过所述旋转孔带动所述冰体取样盒旋转；所述旋转杆的形状与所述旋转孔的形状相匹配；在所述旋转杆的端部还设置有锁止块。

【技术特征摘要】
1.一种冰盖分层采样设备，其特征在于：包括取样部分和施力部分；其中所述取样部分包括至少一个冰体取样盒，所述冰体取样盒包括内部中空的储冰盒和导冰槽；所述导冰槽的第一端开口与所述储冰盒连通，所述导冰槽的第二端开口位于所述储冰盒的外侧，在所述导冰槽的第二端开口上设置有凸出于所述导冰槽的破冰齿；在所述储冰盒上还设置有贯通所述储冰盒的旋转孔；所述施力部分包括旋转杆，所述旋转杆穿过所述旋转孔带动所述冰体取样盒旋转；所述旋转杆的形状与所述旋转孔的形状相匹配；在所述旋转杆的端部还设置有锁止块。2.根据权利要求1所述的冰盖分层采样设备，其特征在于：所述取样部分包括两个以上冰体取样盒，两个以上的所述冰体取样盒层叠放置，每个所述冰体取样盒的破冰齿的相对位置不同。3.根据权利要求2所述的冰盖分层采样设备，其特征在于：两个以上所述冰体取样盒从上到下依次层叠，两个以上所述冰体取样盒的破冰齿从上往下依次向着远离所述冰体取样盒的中心的方向间隔一定角度。4.根据权利要求3所述的冰盖分层采样设备，其特征在于：相邻两个所述破冰...

【专利技术属性】
技术研发人员：付辉，郭新蕾，郭永鑫，王涛，李甲振，徐海卿，李匡，黄伟，
申请(专利权)人：中国水利水电科学研究院，
类型：发明
国别省市：北京;11