Зонд для отбора проб воды из донных осадков

Полезная модель относится к области океанологии, гидрохимии, геохимии и экологии водоемов, а именно к устройствам для отбора проб воды, содержащейся в донных осадках акваторий (поровой воды), и может быть использована для получения первичного материала с целью анализа химического и микробиологического состава воды, а также для исследования взаимодействия водных масс с донными осадками и изучения химических реакций, происходящих в осадках. Технический результат - увеличение глубины акваторий, на которых возможен отбор проб поровой воды в условиях «in situ», повышение эффективности и качества отбираемых проб за счет уменьшения потерь при взятии проб и подтока поровой воды из соседних горизонтов, а также сокращение времени, затраченного на получение пробы. Зонд представляет собой герметичный контейнер, содержащий систему емкостей для накопления проб воды, соединенную через электромагнитный клапан с пробоотборной трубкой, установленной в нижней части контейнера. Система емкостей выполнена в виде шприцов, поршневые штоки которых заблокированы подпружиненными фиксаторами таким образом, чтобы обеспечить их разблокирование и наполнение водой шприцов в зависимости от горизонта погружения в осадки пробоотборной трубки. Контейнер оборудован также механизмом погружения и системой отслеживания глубины погружения пробоотборной трубки.

Полезная модель относится к области океанологии, гидрохимии, геохимии и экологии водоемов, а именно к устройствам для отбора проб воды, содержащейся в донных осадках акваторий (поровой воды), и может быть использована для получения первичного материала с целью анализа химического и микробиологического состава воды, а также для исследования взаимодействия водных масс с донными осадками и изучения химических реакций, происходящих в осадках.

В отличие от большого количества различных устройств и приспособлений для взятия проб донных осадков или воды с различных горизонтов и глубин, количество устройств для взятия in situ проб воды из донных осадков ограничено.

Известно использование для отбора проб воды с разных горизонтов донных осадков устройств, представляющих собой трубки с приспособлениями для удержания проникающего при вертикальном погружении трубки в донные осадки грунта (а.с. СССР 582473, МПК G01N 11/10). В качестве таких приспособлений в основании трубки устанавливают специальный клапан, например изготовленный из тонких эластичных металлических пластин, закрепленных веерообразно по окружности внутри трубки. Вертикальное погружение трубки осуществляют либо путем свободного падения, либо с использованием пневмотолкателя. После поднятия трубки на поверхность водоема из нее извлекают образцы донного грунта, а последующий отбор поровой воды из полученных образцов осуществляют в лабораторных условиях, например, с помощью вакуумированных пробирок или шприцов, каждый из которых втягивает жидкость из определенного участка образца донного грунта (http://www.eijkelkamp.com/Products/Cataloguesection/tabid/76/CategoryID/20/List/1/Level/a/ProductID/102/Default.aspx).

Известно устройство для откачивания воды непосредственно (in situ) из донных осадков с одного или нескольких горизонтов (в.з. США 2006090894, МПК Е21В 49/08). Устройство состоит из камеры, снабженной множеством миниатюрных цилиндрических пробоотборников, вертикально распределенных с возможностью горизонтального движения относительно осадков. Пробоотборники снабжены гидрофильными микропористыми полимерными вставками с внутренней поддерживающей проволочной основой из нержавеющей стали или пластика и соединены с помощью ПВХ трубок с отсасывающим устройством, выполненным в виде шприца или перистальтического насоса. Однако данное устройство из-за миниатюрности позволяет исследовать с высокой разрешающей способностью только очень небольшой по глубине слой донных осадков.

Известен пробоотборник PushPoint (http://cluin.org/programs/21m2/sediment/#refs#refs), состоящий из цилиндричекой трубки, снабженной экранирующей пластиной, которая накладывается на поверхность осадков в точке отбора пробы для предотвращения просачивания в пробоотборник воды из покрывающего осадки водного слоя в процессе отбора пробы. Пробоотборник укомплектован защитным прутом, который помещается в трубку во время погружения ее в осадки для придания жесткости и предотвращения деформации как самой трубки, так и экранирующей пластины. Цилиндрическая пробоотборная трубка погружается в осадки с поверхности воды таким образом, чтобы противоположный погружаемому торец трубки возвышался над поверхностью воды. После погружения пробоотборной трубки в осадки на необходимую глубину защитный прут из трубки вынимается и открытый торец трубки соединяется с помощью шланга с перистальтическим насосом или шприцом, с помощью которых и осуществляется отбор поровой воды в сосуды, находящиеся, например, в лодке.

Известна система для отбора поровой воды ВАТ sampler (http://cluin.org/programs/21m2/sediment/#refs#refs), состоящая из устройства для сбора поровой воды и специального инструмента для доставки собранной воды на поверхность для последующего анализа. Устройство для сбора поровой воды состоит из наконечника и кожуха, верх которого закрыт с помощью диска, содержащего гибкий клапан. Поровая вода проникает в кожух через наконечник, в случае выполнения его из пористого полиэтилена высокой плотности, если внутри кожуха создается вакуум. Либо нижняя часть кожуха снабжена специальной вставкой, представляющей из себя фильтр из пористого полиэтилена, защищенный цилиндрической металлической оболочкой, и металлического наконечника. При проникновения наконечника в осадки на необходимую глубину защитная оболочка сдвигается, открывая фильтр, через который поровая вода заполняет кожух. Наконечник в этом случае служит для проникновения в плотные осадки. Доставка отобранной поровой воды на поверхность для последующего анализа осуществляется специальным инструментом, содержащим вакуумированный пузырек, снабженный пробкой с клапаном и обоюдоострой иглой, которая опускается к установленному на кожухе клапану и проникает одновременно через клапан кожуха и клапан пузырька, позволяя воде перетечь в вакуумированный пузырек для последующего анализа.

Известен также многоуровневый пробоотборник поровой воды для проницаемых осадков (Jonathan В. Martin L, Kevin M. Hartl, D. Reide Corbett, Peter W. Swarzenski and Jaye E. Cable "A multi-level pore-water sampler for permeable sediments", Journal of sedimentary research, vol.73, no.1, January, 2003, p.128-132), состоящий из полихлорвиниловой трубы с несколькими входными отверстиями для отбора проб поровой воды, расположенными по спиральной линии вокруг трубы на определенных расстояниях друг от друга. Для увеличения площади отбора поровой воды с внешней стороны труба снабжена канавками, соединенными с отверстиями. Отверстия и канавки покрыты полипропиленовой сеткой, которая прижимается к трубе пластиной с окнами. Пробоотборные отверстия снабжены тонкими полихлорвиниловыми трубками, верхние концы которых выведены через верхнее отверстие основной трубы и подключены к штуцерам гидравлического соединителя, а нижние концы приклеены к внешней поверхности несущей трубы около отверстий. Многоуровневый пробоотборник погружается в осадки с использованием пневмотолкателя. Пробы поровой воды с разных горизонтов донных осадков откачиваются на поверхность водоема одновременно с помощью перистальтических насосов, каждый из которых подключен к соответствующей трубке. Дальнейшая подготовка проб к анализам производится по стандартным методикам.

Однако все перечисленные конструкции устройств для отбора проб поровой воды оказываются работоспособными только на мелководных акваториях по двум причинам:

- для погружения этих устройств в осадки необходимо силовое воздействие с поверхности воды или работа водолаза;

- получение проб поровой воды для последующего анализа производится по тонким шлангам, выведенным на поверхность водоема, с помощью перистальтических насосов или с использованием устройств для вакуумного отсоса, установленных на плавсредствах.

Наиболее близким аналогом заявляемого устройства является зонд - Trident probe (п. США 7711489, МПК G01N 15/08). Зонд представляет собой платформу, снабженную трубками, верхние концы которых укреплены на платформе. В нижние торцевые отверстия трубок вмонтированы требуемые датчики, например, температуры, проводимости, содержания кислорода и другие. Торцевое отверстие одной из трубок снабжено фильтром, через который поровая вода откачивается и по трубкам поступает в емкости, расположенные в находящемся на поверхности водоема контейнере. Сверху на платформе установлен пневматический толкатель, который позволяет внедрять все трубки в исследуемые осадки. Для работы пневматического толкателя с поверхности водоема подается сжатый воздух. Управление работой зонда осуществляется с помощью процессора.

Глубины акваторий, на которых может быть использован зонд Trident probe, увеличиваются по сравнению с рабочими глубинами рассмотренных выше устройств благодаря возможности дистанционного управления процессом погружения зонда в осадки, однако эти глубины по-прежнему ограничиваются несколькими десятками метров, поскольку накопление пробы поровой воды для последующего анализа происходит на поверхности водоема, и с увеличением глубины водоема время поступления поровой воды на поверхность возрастает настолько, что превосходит временные интервалы исследуемых явлений.

Задачей полезной модели является разработка конструкции пробоотборника, позволяющего увеличить глубины акваторий, на которых возможен отбор проб поровой воды в условиях «in situ», т.е. непосредственно из донных осадков, повышение эффективности и качества отбираемых проб за счет уменьшения потерь при взятии проб и подтока поровой воды из соседних горизонтов, а также сокращение времени, затраченного на получение пробы.

Поставленная задача решается зондом для отбора проб воды из донных осадков, состоящим из блока управления, соединенного посредством кабель-троса с герметичным контейнером, содержащим систему из не менее чем двух параллельно соединенных шлангами емкостей для накопления проб воды, и пробоотборной трубки, один конец которой соединен через электромагнитный клапан с системой емкостей, а второй конец выполнен с отверстиями для поступления поровой воды и снабжен фильтром, при этом емкости для поровой воды выполнены в виде шприцов, поршневые штоки которых заблокированы подпружиненными фиксаторами таким образом, чтобы обеспечить их разблокирование и наполнение шприцов в зависимости от горизонта погружения пробоотборной трубки в осадки, а зонд оборудован механизмом погружения пробоотборной трубки и системой отслеживания глубины ее погружения в осадки.

Количество пар емкостей для сбора проб поровой воды является произвольным, и определяется задачей исследования, количеством горизонтов, с которых должны быть взяты пробы и необходимым объемом пробы.

Система отслеживания глубины погружения пробоотборной трубки в осадки может быть выполнена, например, в виде теле- или видеокамеры с осветителем, закрепленной на контейнере зонда так, чтобы в поле зрения камеры находилась разметка, нанесенная предварительно на боковую поверхность трубки. Камера при необходимости может использоваться и для выбора места отбора пробы поровой воды. Система отслеживания может быть выполнена также и в виде соответствующего датчика давления.

Механизм погружения пробоотборной трубки может быть выполнен, например, в виде любого ударно-вибраторного устройства, и может быть расположен как вне контейнера на его крышке, так и внутри него на его основании.

Контейнер дополнительно может быть снабжен датчиками температуры и/или проводимости и/или содержания кислорода.

На фиг. представлена одна из возможных схем заявляемого зонда, где 1 - пробоотборная трубка; 2 - отверстие для поступления поровой воды; 3 - фильтр; 4 - электромагнитный клапан; 5 - шланг для подключения шприцов; 6 - шприцы, 7 - подпружиненные фиксаторы, 8 - датчик давления; 9 - стопоры полного хода штоков шприцов с концевыми выключателями, 10 - разъем, соединяющий электрические компоненты герметичного контейнера через кабель-трос 11 с блоком управления (на фиг. не показан); 12 - корпус герметичного контейнера; 13 - механизм погружения.

Зонд работает следующим образом.

Контейнер 12 опускают в воду до касания донного грунта пробоотборной трубкой 1. Момент касания фиксируют либо видеокамерой (на фиг. не показана), либо при ее отсутствии определяют по резкому уменьшению натяжения кабель-троса 11.

Пробоотборная трубка 1 заглубляется в осадки на необходимую глубину с помощью механизма погружения 13, включаемого с пульта блока управления через кабель-трос 11. При достижении трубкой 1 первого горизонта взятия пробы с блока управления подается сигнал на открытие электромагнитного клапана 4 и вода по шлангу 5 поступает в герметичный контейнер к шприцам 6. Перетекание поровой воды из осадков в шприцы обеспечивается пониженным давлением в герметичном контейнере по отношению к точке отбора пробы в толще осадка, которое автоматически возникает за счет того, что герметизацию контейнера осуществляют над поверхностью воды перед погружением. Поступающая по шлангу 5 поровая вода давит на поршни шприцов 6 и через штоки это давление передается на подпружиненные фиксаторы 7. Усилие, необходимое для срыва фиксатора 7, разрешающего движение штока шприца и, следовательно, его наполнение водой, предварительно устанавливают экспериментально таким образом, чтобы для каждого последующего шприца величина усилия была больше, чем для предыдущего. Этим достигается определенная последовательность наполнения шприцов и соответствие каждой пары шприцов определенной глубине отбора пробы. Последовательное наполнение как минимум двух шприцов на одном горизонте позволяет убрать остатки воды от предыдущего горизонта в первый шприц и таким образом повысить чистоту пробы во втором на каждом горизонте. Наполнение каждого шприца ограничивается стопорами 9, в которые упираются штоки при своем движении в процессе наполнения. Стопоры 9 снабжены концевыми выключателями, благодаря которым на пульт блока управления поступают сигналы о заполнении шприцов. При поступлении, например, каждого второго сигнала с концевых выключателей блок управления выдает импульс на закрытие электромагнитного клапана 4 и пробоотборная трубка 1 заглубляется для отбора очередной пробы на следующий горизонт включением механизма погружения 13.

Таким образом, выполнение заявляемого зонда в виде одного герметичного контейнера, снабженного одновременно и механизмом погружения и пробоотборной трубкой и оригинальной системой сбора проб воды, а также отсутствие протяженных магистралей для доставки проб воды в емкости, позволяет увеличить глубины акваторий, на которых возможен отбор проб поровой воды в условиях «in situ», повысить эффективность и качество отбираемых проб за счет уменьшения потерь при взятии проб и подтока поровой воды из соседних горизонтов, а также значительно сократить время, затраченное на получение пробы с больших глубин.

1. Зонд для отбора проб воды из донных осадков, включающий блок управления, соединенный посредством кабель-троса с герметичным контейнером, содержащим систему из не менее чем двух параллельно соединенных шлангами емкостей для накопления проб воды и пробоотборную трубку, один конец которой соединен через электромагнитный клапан с системой емкостей, а второй конец выполнен с отверстиями для поступления поровой воды и снабжен фильтром, при этом емкости для поровой воды выполнены в виде шприцов, поршневые штоки которых заблокированы подпружиненными фиксаторами таким образом, чтобы обеспечить их разблокирование и наполнение водой шприцов в зависимости от горизонта погружения пробоотборной трубки в осадки, а зонд оборудован механизмом погружения пробоотборной трубки и системой отслеживания глубины ее погружения в осадки.

2. Зонд по п.1, отличающийся тем, что механизм погружения выполнен в виде ударно-вибраторного устройства.

3. Зонд по п.1, отличающийся тем, что механизм погружения расположен вне контейнера на крышке или внутри контейнера на его основании.

4. Зонд по п.1, отличающийся тем, что пробоотборная трубка снабжена на внешней стороне разметкой.

5. Зонд по п.4, отличающийся тем, что система отслеживания глубины погружения пробоотборной трубки в осадки представляет собой теле- или видеокамеру с осветителем, закрепленную на контейнере зонда так, чтобы в поле зрения камеры находилась разметка пробоотборной трубки.

6. Зонд по п.1, отличающийся тем, что система отслеживания глубины погружения пробоотборной трубки в осадки выполнена в виде датчика давления.

7. Зонд по п.1, отличающийся тем, что контейнер дополнительно снабжен датчиками температуры, и/или проводимости, и/или содержания кислорода.