[发明专利]一种水体颗粒物沉降与沉积过程的原位试验装置与方法

说明书

技术领域

本发明属于生态环境领域，具体涉及一种水体颗粒物沉降与沉积过程的原位试验装置与方法，应用于水库、湖泊、海洋等水体的环境地球化学与生物地球化学的野外采样与原位试验研究。

背景技术

水体的颗粒物主要来自水体自身产生的颗粒物(浮游生物及其排泄物和残骸)、大气颗粒物的沉降、陆源及上游颗粒物的输入以及沉积物的再悬浮等。

在水库、湖泊、海洋等水体中，水体颗粒物将因水体流速减缓在重力作用下逐渐沉降并在水库库底或湖泊底部沉积下来。经年累月，带有重要环境信息不同时期沉降物将逐渐下沉积累，形成了具有分层特征的水库库底或湖泊底部的底泥沉积层。掌握水体中颗粒物沉降与沉积过程，是掌握水体C、N、P等元素以及其他环境污染物质迁移转化过程的重要方面，对研究水库、湖泊等的生态环境变化等具有重要意义。

传统研究通常采集一定长度的底泥垂直泥柱，获得底泥垂向剖面上的分层环境特征，并通过各种指标的测试分析工作(如稳定同位素、生物残体等)反演分析不同沉降年代的环境信息。而在对颗粒物沉降观测中，则通常在水柱不同深度设置沉降桶，原位收集一定时间内的沉降物，并对沉降物进行物质分析。

但目前的研究存在4个方面的具体问题：

1)水动力扰动条件下，对底泥的泥柱采样和剖面分析并不能真实反映水体颗粒物的沉积过程。在水库、浅水湖泊等水体中，水动力扰动容易引起底泥再悬浮，尤其是在一些河道型水库中，较大的纵向流速将导致底部沉积物逐渐推移(推移质)，上述过程存在使得对底泥泥柱采样与分析结果难以真实反映水体颗粒物沉降与沉积过程，也难以反映相关环境信息。

2)对水体颗粒物沉降物捕集的时间通常为7～10天左右。因捕集时间过短，仅能反映特定时段沉降物的颗粒信息，无法反映不同时段(如不同季节)颗粒物沉降过程的分层环境信息。

3)若延长时间(半年或一年)或沉降颗粒含量相对较多，尽管沉降桶内能够形成特定实际的沉积层特征，但目前对捕集沉降物的处理通常为混合、滤水后开展物质检测分析，故显著破坏了不同时期颗粒物的分层沉积特征。

4)在沉降桶内的颗粒物沉积、压实过程中，环境理化性质改变(水温、溶解氧、pH值等)将促使不同沉积层颗粒物将发生明显的生物、化学转化过程，改变沉降颗粒物的物质组成特征。这对掌握颗粒物沉降与沉积过程的形态变化及其生物地球化学过程具有重要意义，但目前的沉降桶及其原位试验设计中并未能够实现对上述过程的观测。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种水体颗粒物沉降与沉积过程的原位试验装置，满足长时间沉降物收集需要。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明技术方案如下：

一种水体颗粒物沉降与沉积过程的原位试验装置，包括支撑机构以及安装在支撑机构上的沉降颗粒物捕集器，所述沉降颗粒物捕集器为上端敞口下端封闭的桶状结构，所述沉降颗粒物捕集器包括由上至下形成的入口区、沉降区和沉积区。

沉降颗粒物捕集器固定于支撑机构上，使用时，整个支撑机构固定于水柱中，并能够依靠自身重力和特定的安装方式维持垂直状态。一个支撑机构上可设置有多个沉降颗粒物捕集器。

作为优选：所述沉积区的侧壁上设置有多个高度不同的取样孔。

因沉降物捕获收集后通常为泥水混合物，即便是通过长时间重力压实，含水率依然较高，流动性也相对较好。基于此，对不同沉积区泥水混合物采样，采用连接蠕动泵的取样管连接至取样孔，在不破坏其他沉积层的下，自上而下吸取不同高度泥水混合物。

作为优选：所述沉积区直径小于入口区直径，入口区直径小于沉降区直径；所述入口区长度小于沉降区长度，沉降区长度小于沉积区长度。入口区、沉降区、沉积区容积比例关系约为：1∶1.5∶1.5～1∶3.5∶3.5；沉降区和沉积区容积基本相等。并保证沉降颗粒物捕集器主体部分高度同入口区直径比例关系不小于10。

上述关系反映了三个区段的不同功能，即入口区仅沉降沉降物捕获功能，其直径小于沉降区，而沉降区采用较大直径，有利于在沉降区形成相对稳定的水利条件，确保具有较高的沉降速率。沉积区直径相对较小，但高度较大，容积相对较高，有利于在储存水体颗粒物的同时实现更清晰的沉积分层特征。

作为优选：所述沉降颗粒物捕集器由透明有机玻璃制成，所述沉降区和沉积区侧面均设有标尺。可以用以观测水体颗粒物沉降和沉积高度，估算总量，也可以用以设置不同高度的实时监测探头。