專利名稱：一種底泥呼吸及氮內(nèi)源釋放的原位測定裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種用于湖泊、河流及濕地等污染水體底泥內(nèi)源污染的測定裝置，特別涉及一種底泥呼吸和氮內(nèi)源釋放的原位測定裝置，屬于生態(tài)和環(huán)境技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
近年來，隨著湖泊、河流及濕地等受人類活動影響，這些水體的污染越趨嚴重。由于底泥是這些水體污染物的最終承納者，其污染狀況反映和記錄了水體及流域的污染狀況。同時，污染底泥也對這些水體的環(huán)境狀況產(chǎn)生密切的反饋作用，稱為內(nèi)源污染。而底泥的呼吸作用以及氨氮的內(nèi)源污染，常常是底泥內(nèi)源污染中表現(xiàn)最為明顯的和強烈的。其主要原因是，內(nèi)源污染來自于表層底泥中有機質(zhì)，包括有機氮的有氧呼吸和礦化，以及更為強烈的下層底泥的厭氧呼吸和有機氮礦化。前一個過程首先形成了底泥對氧氣的消耗，與底棲生物對氧氣的直接利用共同形成底泥呼吸作用，并產(chǎn)生上層底泥氨氮的蓄積。后一個過程中的厭氧呼吸作用雖然其速率較有氧呼吸慢，但由于上層底泥的阻隔，往往在底泥下層形成大量的氨氮蓄積，并在分子擴散、底棲生物擾動、水流擾動等作用下，向水體遷移，從而形成氮的內(nèi)源負荷。底泥呼吸形成的缺氧狀態(tài)，強烈影響底泥氨氮的蓄積和釋放。因此，底泥呼吸以及氮內(nèi)源污染的測定對于了解水體污染的來源和強度等具有重要作用。國內(nèi)乃至世界上許多國家都將底泥疏浚作為改善湖泊、河流以及濕地水體較嚴重的底泥內(nèi)源污染的手段之一，而疏浚的位置、面積等因素的決策，常常依賴于底泥呼吸和氨氮釋放強度的分析。而且底泥疏浚的效果，也將底泥呼吸作用和氨氮釋放強度的改善作為指標之一。因此，能快速、原位進行底泥呼吸和氮內(nèi)源釋放的測定裝置和方法，將有助于上述問題的解決。底泥的呼吸作用和氨氮內(nèi)源釋放測定，傳統(tǒng)上采用底泥柱樣采集-室內(nèi)培養(yǎng)-實驗室分析-結(jié)果計算的步驟得到。由于湖泊、河流和濕地底泥的物理化學特征在空間上往往存在差異(底泥空間異質(zhì)性)，因此，較小直徑的底泥柱樣往往只能代表范圍較小的底泥特征。而由于底泥柱樣采樣器的限制，往往不能獲得直徑較大的底泥柱樣，必須通過多柱樣平行來解決，也因此增加了采樣和后續(xù)培養(yǎng)分析的工作量。采集的底泥柱樣在進入實驗室培養(yǎng)前，往往需要長距離運輸，運輸過程中的顛簸和晃動帶來的壓實和擾動效應，往往會改變底泥，特別是影響底泥呼吸和內(nèi)源釋放關(guān)鍵的表層底泥的物理化學特性，使得培養(yǎng)的樣品與原位樣品具有一定差異。因而樣品采集和培養(yǎng)的過程中往往帶來表層底泥物理化學特征的變化，如溶解氧、上層水體營養(yǎng)鹽含量等?，F(xiàn)有技術(shù)中解決的方法往往是縮短運輸距離和小心運輸。而這些解決方案往往不能徹底解決樣品代表性的問題。室內(nèi)培養(yǎng)過程中，無論是靜態(tài)培養(yǎng)法，還是流動培養(yǎng)法，均是在模擬現(xiàn)場條件(如溫度、溶解氧、pH)下進行的，盡管模擬條件可以接近現(xiàn)場條件，但仍無法完全再現(xiàn)現(xiàn)場的環(huán)境條件。室內(nèi)培養(yǎng)法測定底泥呼吸和氨氮釋放過程必須測定上覆水的溶解氧變化和氨氮變化，因此涉及到較繁復的樣品分析工作，雖然有其他測定的替代方案，但培養(yǎng)過程的冗長和操作的繁復仍無法克服。底泥呼吸和氨氮內(nèi)源釋放的測定，也可借助于底泥間隙水擴散模型計算得到。但是，底泥間隙水的獲取，往往需要長時間(20-30天)的平衡(Pe印er法)，或者需要采集原狀底泥后，再采用壓榨、離心、Rizhon抽提、DET、DGT等方式，盡管通過一些復雜的間隙水獲取技術(shù)，能得到間隙水垂向變化剖面，并在此基礎(chǔ)上利用Fick第一定律計算理論上的釋放通量，但是，技術(shù)的復雜性和操作的冗長，都是間隙水擴散模型不能克服的缺點。同時，擴散模型計算的釋放通量往往是理論上的，具有一定的前提假設和條件，如不考慮底棲生物擾動、擴散過程完全受控于 溶解態(tài)氨氮的濃度梯度等因素，也因此往往不能代表氨氮的原位實際釋放通量。通過以上分析可知，一種能用于野外的，原位快速測定底泥呼吸作用和氨氮釋放的測定裝置，將有助水生態(tài)、水環(huán)境研究中涉及底泥呼吸和氨氮內(nèi)源釋放問題的解決，以及疏浚方案制定和疏浚效果分析的背景參數(shù)獲取。
發(fā)明內(nèi)容針對上述底泥呼吸及氮內(nèi)源釋放測定中現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本實用新型的目的在于提供一種便于在湖泊、河流及濕地現(xiàn)場進行原位同步測定底泥呼吸及氮內(nèi)源釋放的裝置，達到有效降低樣品采集及室內(nèi)模擬分析測定工作量，提高樣品代表性和分析準確度的效果O本實用新型的原位測定裝置提供了底泥呼吸和氮內(nèi)源釋放的封閉水體，并采用具有快速響應和測定功能的溶解氧和氨氮電極(以及其他輔助性測定電極)，獲取實時測定的、隨時間變化的水體溶解氧和氨氮等物質(zhì)濃度和變化速率。本實用新型的目的是通過如下技術(shù)方案實現(xiàn)的一種底泥呼吸及氮內(nèi)源釋放的原位測定裝置，包括測定箱和測量電極，所述的測定箱包括箱體、透明的頂蓋和限位裙邊；所述的頂蓋上開有圓形排水孔并安裝單向閥；頂蓋上還設有一組內(nèi)嵌密封環(huán)的電極裝配孔；所述的測定箱內(nèi)設有循環(huán)水泵；所述的測量電極至少包括溶解氧電極和氨電極，測量電極插入頂蓋上的電極裝配孔中。優(yōu)選地,所述的箱體由不銹鋼或有機玻璃圓筒構(gòu)成。所述的限位裙邊圍繞箱體水平地固定在箱體外側(cè)，位于箱體底部向上2-10cm。所述的單向閥的作用在于，在投放過程中單向地將測定箱中的水自排水孔排出，從而測定箱在水體中下降到達底泥表面時，箱內(nèi)存留的為底泥上覆水，而非表層水。單向閥的一個具體實現(xiàn)方式，如實施例中所描述的，包括閥體、磁鋼陣列及鉸鏈；其中，所述的閥體為圓形復合硅膠片，內(nèi)襯圓形鐵片，其半徑大于排水孔半徑；所述的磁鋼陣列，為嵌入頂蓋內(nèi)的一組圓周狀排列的永磁鋼，磁鋼中心所在的圓與排水孔形成同心圓，磁鋼頂面略低于頂蓋表面；所述的閥體通過鉸鏈連接在頂蓋上并平覆在排水孔上。單向閥依其閥體內(nèi)襯的圓形鐵片與永磁鋼陣列間磁力將復合硅膠片壓緊于頂蓋的排水孔四周形成密封。所述的測量電極可根據(jù)測定需要增加，如pH電極等。溶解氧電極優(yōu)選熒光法溶解氧電極，該電極響應快速、不消耗氧氣；氨電極優(yōu)選為氨氣敏離子選擇電極(ISE)。所述的測定箱上還包括投放底座，投放底座固定在頂蓋上，用于連接投放繩索或投放桿等。所述的原位測定裝置中，測量電極通過電極電纜與測定儀連接，實時讀取測定數(shù)據(jù)，用于分析與計算。[0017]本實用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比，其優(yōu)勢在于(I)采用本實用新型的裝置可在河流、湖泊和濕地現(xiàn)場直接測定，無需經(jīng)過采樣、培養(yǎng)、測定等過程，可以原位快速獲取底泥呼吸作用和氨氮釋放速率。(2)本實用新型的裝置在測定過程無擾動，不破壞底泥的原始形狀，更好的反映現(xiàn)場底泥的物理和化學特性。(3)本實用新型的裝置進行底泥呼吸及氮內(nèi)源釋放的測定更為經(jīng)濟、實用，不需要樣品運輸、培養(yǎng)、測定等過程，除電池充電外，其消耗品和消耗費用基本為零。(4)本實用新型的裝置采用大孔徑單向閥，保證了原位測定箱投放成功后，箱體內(nèi)存留水樣即為上覆水，突破了傳統(tǒng)的 箱式法不能迅速獲取底泥上覆水的缺點，可立即開展原位測定，不需要經(jīng)過穩(wěn)定，節(jié)省了培養(yǎng)時間。(5)本實用新型的裝置和還可以利用其他電極同步監(jiān)測其他指標的變化，如pH，具有可擴展性。(6)本實用新型的裝置能夠最大限度克服底泥空間異質(zhì)性，利用原位測定裝置進行測定，反映的水域底泥呼吸及氮釋放更具代表性。下面結(jié)合具體實施方式
對本實用新型進行詳細描述。本實用新型的保護范圍并不以具體實施方式
為限，而是由權(quán)利要求加以限定。

圖I為本實用新型的底泥呼吸及氮內(nèi)源釋放的原位測定裝置立體結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本實用新型的原位測定裝置中單向閥的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為本實用新型的原位測定裝置中投放底座的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式
本實用新型涉及一種可以用于湖泊、河流及濕地污染水體底泥呼吸和氮內(nèi)源釋放進行原位測定的裝置。如圖I所示，一種底泥呼吸及氮內(nèi)源釋放的原位測定裝置，包括測定箱和測量電極。其中，測定箱包括有機玻璃制作的圓柱形箱體I、頂蓋3及限位裙邊2，溶解氧、氨、pH三種測量電極插入頂蓋3上的電極裝配孔6中。頂蓋3上除開有3個電極裝配孔6外，還開有一大孔徑排水孔11并安裝單向閥5 ;頂蓋3上端固定有投放底座4 ;測定箱內(nèi)固定有循環(huán)水泵9，循環(huán)水泵9與直流電源8連接。如圖2所示，上述單向閥5包括閥體13、磁鋼陣列12及固定閥體的鉸鏈14。閥體13為圓形復合硅膠片，內(nèi)襯圓形鐵片。磁鋼陣列12包括頂蓋3上的一組永磁鋼，在半徑大于排水孔11的同心圓上呈圓周排列，形成圓周狀磁鋼陣列。磁鋼陣列的圓周半徑小于閥體13半徑。閥體13通過鉸鏈14鉸接在頂蓋3上并平覆在排水孔11上。上述原位測定裝置制作的具體方法如下(I)測定箱采用透明聚異丁烯酸樹脂制作。針對淺水湖泊、河流和濕地水體水深較淺的特點，在水體透明度較高的情況下，光補償深度往往大于水深，因此，底泥表面往往受光照影響。采用透明材料制作測定箱，便于真實反映底泥的光照情況，并能測定底泥呼吸和底棲藻類的光合作用，并測定受光照影響的氮內(nèi)源釋放。此設計在淺水濕地，特別是有底棲藻類和水生植物覆蓋的底泥表面進行測定時，具有顯著優(yōu)勢。(2)測定箱的箱體I為圓柱形，便于箱體I內(nèi)部水流均勻分布及混合。同時箱體I內(nèi)置直流電驅(qū)動的循環(huán)水泵9，其流量的設定依據(jù)箱體體積大小確定?？稍陧斏w3固定一直流電源8 (蓄電池)為循環(huán)水泵9供電，一般取容量為20安時鋰電池。直流電源8與循環(huán)水泵9采用防水連接，由電源線10穿入箱體內(nèi)與循環(huán)水泵9連接。(3)箱體I底端5cm處水平焊接一寬度為50mm的環(huán)形限位裙邊2。其主要作用為在湖泊和河流底泥表層放置時，保證裙邊與底泥表面較大的接觸面積，降低箱體對底泥的正壓力，防止箱體下陷，保證箱體與底泥表面圍合體積的固定。 (4)測定箱的頂蓋3上開有3個電極裝配孔6，每孔內(nèi)嵌橡膠密封環(huán)，并用硫化硅膠膠合劑固定，密封環(huán)內(nèi)徑略小于測量電極測量端外徑，便于電極插入箱體1，并形成密封。(5)單向閥5制作該單向閥5保證在投放過程中是開啟的，以使測定箱內(nèi)水體在箱體I下降過程中可以自大孔徑排水孔11被排出，從而使測定箱在到達底泥表面時，箱體I內(nèi)存留的為底泥上覆水，而非表層水。在箱體I插入底泥后，該閥被關(guān)閉，從而形成密封的上覆水環(huán)境。具體制作方法如下閥體13采用膠合的圓形復合硅膠片，內(nèi)襯圓形鐵片。鐵片被無縫粘接在圓形硅膠片中間。測定箱的頂蓋3上開圓形排水孔11,半徑為圓形鐵片半徑減I. O cm。頂蓋3上沿排水孔11周邊,在半徑為排水孔11半徑加O. 5 cm的同心圓上，圓周布置半徑為2_的圓形永磁鋼，磁鋼中心孔距為8_，形成圓周狀永磁鋼陣列12。磁鋼頂端略低于測定箱頂蓋3表面Imm,上用娃膠密封。閥體13以鉸鏈14平覆在圓形排水孔11上端，依其內(nèi)襯的圓形鐵片與磁鋼陣列間磁力將硅膠片壓緊于頂蓋3的排水孔11四周形成密封。( 6 )測定箱的投放裝置如圖3所示，測定箱頂蓋3上用ABS膠固定一圓形帶內(nèi)螺紋(Φ 50mm)的有機玻璃投放底座4，并用不銹鋼固定螺絲15加強固定于頂蓋3上，固定螺絲15由頂蓋3貫穿孔，由下向上將投放底座4固定，以加強投放底座4與頂蓋3的粘合強度。另配一投放桿，投放桿采用ABS空心硬桿，底端帶外螺紋(Φ50πιπι)，長度依據(jù)現(xiàn)場水深而定。一般地，其長度應大于現(xiàn)場水深l_2m為宜。過長則不易操作，過短則無法用力。(7)電極選擇與裝配選擇水下測量電極，防水深度和電極電纜長度均大于測定水體深度。選擇溶解氧、氨、pH三種電極。其中溶解氧電極為快速響應、不消耗氧氣的熒光法溶解氧電極,氨電極為離子選擇氨氣敏電極(ISE),pH電極為傳統(tǒng)pH玻璃電極。將測量電極插入頂蓋3上的電極裝配孔6并形成密封。利用上述原位測定裝置進行底泥呼吸及氮內(nèi)源釋放原位測定的方法如下( I)原位測定裝置裝配在測定現(xiàn)場裝配上述原位測定裝置，三種電極均在實驗室內(nèi)預先校準、標定，在測定現(xiàn)場插入頂蓋3上的電極裝配孔6并形成密封，測量電極的測量端伸入箱體I內(nèi)約2cm。用電極電纜將測量電極與手持測定儀連接，手持測定儀可直接讀出三種電極的測定值。[0049](2)原位測定裝置投放在測定現(xiàn)場，將投放桿旋入投放底座4，將測定箱放入水中，接通箱內(nèi)循環(huán)水泵9電源，打開單向閥5。手持投放桿，緩慢將原位測定裝置降低到底泥表面，使測定箱插入底泥至限位裙邊2達到底泥表面。關(guān)閉單向閥5，測定箱內(nèi)形成密封空間。(3)測定起點測定箱投放到位后，放置Imin左右，以使箱內(nèi)水體在循環(huán)水泵9作用下，形成均勻混合的水體，待測定電極讀數(shù)穩(wěn)定后，開始計時。(4)測定開始計時記為時刻“0”，并記錄下三個電極測定讀數(shù)，溶解氧、氨氮濃度和pH分別記為D0、NO和PO ；在記錄“O”時刻讀數(shù)后，At=2 30min后測定記錄第一組電極測定讀數(shù)，溶解氧、 pH、氨氮分別記為D1、P1和NI。此后，每隔At測定并記錄一組讀數(shù)，得到一組電極測定讀數(shù)的時間序列。( 5 )測定終點測定結(jié)束的時間由溶解氧濃度的變化率決定，其原則為溶解氧含量變化不超過70%，即當Dt / DO ^ O. 7時，記為測定終點?；蛘?，當?shù)啄啻嬖谒莼蛘叩讞孱?，在光合作用下導致底部放氧過程時，溶解氧會出現(xiàn)升高的趨勢，此時，將Dt / DO ^
I.3作為測定終點。(6)測定結(jié)果計算以溶解氧、氨氮濃度與時間進行線性回歸，得到下述回歸方程溶解氧D的回歸公式為Dt= Ad + BdX t，其中Ad為D與t的線性回歸截距，Bd為斜率氨氮N的回歸公式為Nt=AN + Bn X t，其中An為N與t的線性回歸截距，Bn為斜率斜率Bd、Bn與底泥表面到箱頂?shù)母叨?H)的乘積即釋放速率，即底泥呼吸速率(SOD) = Bd X H氨氮釋放速率(Fn)= Bn X H。
權(quán)利要求1.一種底泥呼吸和氮內(nèi)源釋放的原位測定裝置，其特征在于，所述的裝置包括測定箱和測量電極，所述的測定箱包括箱體(I)、透明的頂蓋(3)和限位裙邊(2);所述的頂蓋(3)上開有圓形排水孔(11)并安裝單向閥(5);頂蓋(3)上還設有一組內(nèi)嵌密封環(huán)的電極裝配孔(6);所述的測定箱內(nèi)設有循環(huán)水泵(9);所述的測量電極至少包括溶解氧電極和氨電極，測量電極插入頂蓋(3)上的電極裝配孔(6)中。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的原位測定裝置，其特征在于，所述的箱體(I)由不銹鋼或有機玻璃圓筒構(gòu)成。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的原位測定裝置，其特征在于，所述的限位裙邊(2)圍繞箱體(I)水平地固定在箱體(I)外側(cè)，位于箱體(I)底部向上2-lOcm。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的原位測定裝置，其特征在于，所述的單向閥(5)包括閥體(13)、磁鋼陣列(12)及鉸鏈(14);其中，所述的閥體(13)為圓形復合硅膠片，內(nèi)襯圓形鐵片，其半徑大于排水孔(11)半徑；所述的磁鋼陣列(12)，為嵌入頂蓋(3)內(nèi)的一組圓周狀排列的永磁鋼，磁鋼中心所在的圓與排水孔(11)形成同心圓，磁鋼頂面略低于頂蓋(3)表面；所述的閥體(13 )通過鉸鏈(14 )連接在頂蓋(3 )上并平覆在排水孔(11)上。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的原位測定裝置，其特征在于，所述的溶解氧電極為熒光法溶解氧電極，氨電極為氨氣敏離子選擇電極。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的原位測定裝置，其特征在于，所述的測定箱上還包括投放底座(4)，投放底座(4)固定在頂蓋(3)上。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的原位測定裝置，其特征在于，所述的原位測定裝置中，測量電極通過電極電纜與測定儀連接。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的原位測定裝置，其特征在于，所述的原位測定裝置中，測量電極還包括pH電極。
專利摘要一種底泥呼吸及氮內(nèi)源釋放的原位測定裝置，包括測定箱和測量電極，所述的測定箱包括箱體、透明的頂蓋和限位裙邊；所述的頂蓋上開有圓形排水孔并安裝單向閥；頂蓋上還設有一組內(nèi)嵌密封環(huán)的電極裝配孔；所述的測定箱內(nèi)設有循環(huán)水泵；所述的測量電極至少包括溶解氧電極和氨電極，測量電極插入頂蓋上的電極裝配孔中。本實用新型的裝置在測定現(xiàn)場投放后，箱體內(nèi)存留水樣即為上覆水，由測量電極實時獲取水體溶解氧和氨氮濃度和變化速率，能夠原位、同步、快速地測定底泥呼吸及氮內(nèi)源釋放速率。
文檔編號G01N27/333GK202794089SQ20122052317
公開日2013年3月13日 申請日期2012年10月15日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月15日
發(fā)明者張路, 杜應旸 申請人:中國科學院南京地理與湖泊研究所