Способ отбора донных осадков для экологических исследований и устройство для его осуществления
METHOD FOR SAMPLING BOTTOM SEDIMENTS FOR ENVIRONMENTAL STUDIES AND A DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Область техники
Изобретение относится к области охраны окружающей среды, а именно к отбору донных осадков при мониторинге состояния окружающей среды, реализации работ по оценке накопленного экологического вреда различных объектов размещения отходов и водных объектов с целью анализа загрязнения донных осадков при слое покрывающей жидкой фазы до 3 м и мощности осадков до 10 м, включая период отрицательных температур.
Уровень техники
При изучении донных осадков мелководных водоемов и техногенных объектов существует задача отбора проб осадков с сохранением их структуры и вещественного состава, включая поровый раствор и слабо консолидированную верхнюю часть осадка, которая демонстрирует свежее загрязнение.
Способом решения такой задачи является использование поршневых трубок, которые опускаются на дно при помощи троса или штанг (Blomqvist S. Quantitative sampling of soft-bottom sediments: problems and solutions // Marine Ecology Progress Series. 1991. V.72. P/295-304; Glew J.R., Smol J.P Last W.M. Sediment Core Collection and Extrusion // Tracking Environmental Change Using Lake Sediments. Developments in Paleoenvironmental Research. Dordrecht: Springer, 2001. V.1 P.73-105). Трубки выполняются из прозрачных полимерных материалов и выполняют роль пробоотборника, который под нагрузкой внедряется в толщу осадка, при этом поршень находится в положении над дном. Водонасыщенный осадок удерживается в трубе за счет разреженного давления под поршнем. Уже на поверхности отбор образцов осадка осуществляется порционным выдавливанием отобранного керна поршнем.
Вариантом способа отбора проб с сохранением структуры и вещественного состава осадков являются системы с применением замка-клапана, который контролируется с поверхности тросом (Remberg I. The HON-Kajak sediment corer // J. of Paleolimnology. 1991. V. 6(2). P.167-170), методики с применением заморозки осадка хладореагентами (жидким азотом, сухим льдом) (Kilbe Т., Niederreiter R. Freeze coring of soft surface sediments at a water depth of several hundred meters // J. Of Paleolimnology. 2003. V. 29. P.257-263; Remberg I., Hansson H. Freeze corer №3 for lake sediments // J. of Paleolimnology. 2010. V. 44 (2). P.731-736).
Представленные выше способы имеют общий недостаток, связанный со сложностью изготовления устройств для пробоотбора, дороговизной при наличии этих устройств в продаже, специальных навыков при проведении отбора проб.
Наиболее широко представлено на рынке устройство для отбора проб донных отложений водоемов - пробоотборник Бикера, который позволяет отбирать пробы донных отложений ненарушенной стратификации с мощностью отложений 1 и 1,5 м (https://econix.com/files/el/katalog_eijkelkamp.pdf, стр. 10, 11). В стандартный набор указанного устройства входят: пробоотборник из нержавеющей стали, прозрачные трубки для образца длиной 1 и 1,5 м, поршень и нагнетающий и вакуумный насосы с зарядными устройствами, наращиваемые стержни, Т-образная рукоять, рукоятка с ударной головкой, молоток, не растягивающиеся веревки, ерш для очистки и др. Набор размещается в контейнер из алюминия для транспортировки и хранения.
Пробоотборник Бикера позволяет выполнять отбор проб донных отложений относительно ненарушенной структуры мощностью до 1,5 м погружением в толщу осадков, отобранные образцы помещаются в специальные контейнеры из нержавеющей стали или пакеты, не требуется сборка-разбор конструкции для очередного пробоотбора, корпус конструкции из нержавеющей стали может рассматриваться как инертный материал, исключающей загрязнения проб.
Недостатком использования пробоотборника Бикера для отбора проб осадков для экологических исследований является высокая стоимость оборудования, значительная его масса и габариты, ограничение по мощности донных отложений (до 1,5 м), наличие металлических частей, что ограничивает его использование при отрицательных температурах за счет намерзания воды на конструкции устройства.
Близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемым как способу, так и устройству является описание отбора проб донных отложений с помощью пробоотборника из пластика с возможностью отбора проб с разной мощностью донных отложений (от 0,5 до 5 м), без повреждения структуры образца, с различных глубин и возможностью стратификации (Патент RU 126464 U1, опубликовано 27.03.2013 Бюл. №9). В техническом решении - прототипе отбор пробы проводится вертикальным погружением пробоотборника и донные отложения на установленную глубину.
3
Конструкция пробоотборника состоит из набора цилиндрических труб длиной 1 и 2 м, режущей головки со встроенным клапаном, поршня с ручкой, выполнена в виде трубы из материала с объемной теплоемкостью не более 3,54 МДж/(м⋅К) и теплопроводностью не более 45,4 Вт/(м⋅К) (например, полиэстирола), вес устройства составляет около 1 кг при общей длине 4 м. Пробоотборник позволяет отбирать пробы донных отложений с глубины до 12 м и может быть использован в холодный период года.
Недостатком рассматриваемого устройства является его малый диаметр (от 50 до 60 мм), что позволяет отобрать незначительное количество вещества и создает ограничения для комплексирования методов аналитических исследования сложных систем донных осадков объектов размещения отходов (п. 1.3 ПНД Ф 12.1:2:2.2:2.3:3.2-03), малый диаметр создает технические проблемы при работе с тонкодисперсными и вязкими осадками; конструкция устройства не ограничивает возможность смешивания верхнего слоя донных осадков с придонным слоем воды при поднятии колонны, потерю порового раствора за счет уплотнения осадка слоем вышерасположенной воды.
Для задач экологических исследований донных осадков объектов размещения отходов (прудов-отстойников, шламо- и хвостохранилищ и др.), представляющих сложные неравновесные физико-химические системы «твердая фаза ↔ поровый раствор», часто вязкие и тонкодисперсные, необходимо устройство для отбора проб с сохранением стратификации и порового раствора, возможностью работы в холодный период года, который для объектов размещения отходов рассматриваются наиболее благоприятным и безопасным периодом проведения пробоотбора донных осадков и осуществляется со льда.
Раскрытие сущности изобретения
Задачей создания изобретений является разработка способа отбора донных осадков для экологических исследований и устройства для его осуществления свободных от недостатков прототипа
Поставленная задача решается предлагаемым техническим решением с помощью существенных признаков указанных в 1-м пункте формулы изобретения, таких как способ отбора донных осадков для экологических исследований с помощью пробоотборника включающий спуск пробоотборника с гидроизоляционным клапаном до донного осадка, задавливание пробоотборника в дно с заполнением пробоприемника осадком, затем закрывают обратный клапан, осуществляют подъем пробоприемника и извлечение проб, отличающийся тем, что на этапе извлечения проб разделяют (разрезают) пробоприемник на выбранные интервалы с последующей герметичной упаковкой открытых отверстий частей пробоприемника заглушками с уплотнительными кольцами.
Выше перечисленная совокупность существенных признаков позволяет получить следующий технический результат - увеличить объем пробы, расширить гранулометрический диапазон донных осадков, увеличить эксплуатационные возможности пробоотборника за счет более надежного извлечения проб из прибора, хранения и транспортировки проб.
Для достижения названного технического результата согласно п. 2 формулы изобретения предлагается устройство для осуществления способа по п. 1 выполненное в виде пробоотборника для донных осадков, содержащего связанные между собой режущую коронку с обратным клапаном, пробоприемник - из герметично соединенных между собой труб, подъемный трос, закрепленный на корпусе обратного клапана, гидроизоляционный клапан с уплотнительным кольцом и мерной штангой, размещенные в пробоприемнике, причем трубы пробоприемника снабжены заглушками с уплотнительными кольцами при возможности использования в качестве контейнеров для транспортировки и хранения проб.
Согласно п. 3 формулы изобретения трубки пробоприемника, предпочтительно имеют длину от 0,5-2,0 м и диаметр 110 мм.
Согласно п. 4. формулы изобретения пробоприемник выполнен из не модифицированного поливинилхлорида.
Таким образом, выше описанные технические решения относятся к группе изобретений т.к. одно из них предназначено для осуществления другого.
Предлагаемые изобретения иллюстрируются чертежами, где:
на Фиг. 1 приведена схема пробоотборника; на Фиг. 2 этапы процесса отбора проб; на Фиг. 3 заглушка с уплотнительным кольцом и проба.
Предлагаемый способ осуществляется в следующей последовательности (Фиг. 2):
1. Выполняют рекогносцировочные работы с использованием мерной штанги, намечают точки для опробования и определения глубины водоема.
2. Осуществляют сборку конструкция Пробоотборника донных осадков для экологических исследований, (далее ПДОЭ) необходимой длины. Проверяются все соединения на герметичность.
3. В намеченной точке опробования осуществляют спуск пробоотборника с гидроизоляционным клапаном до донного осадка, (перпендикулярно дну водоема), (а) Пройдя толщу жидкой фазы, выполняют замер мощности донного осадка с помощью мерной штанги.
4. Задавливание пробоотборника в дно (б), путем надавливания на корпус с заполнением пробоприемника осадком, затем закрывают обратный клапан, производят контроль глубины мерной штангой.
5. Осуществляют подъем пробоприемника. Извлечение ПДОЭ производится с помощью подъемного троса (в).
6. На этапе извлечения проб разделяют (разрезают) пробоприемник на выбранные интервалы с последующей герметичной упаковкой открытых отверстий частей пробоприемника заглушками с уплотнительными кольцами, т.е. осуществляют разбор конструкции на выбранные интервалы опробования (например 1,0 м) или нарезают острым инструментом другой мощности слои) с последующей изоляцией открытых отверстий с помощью заглушек; часть конструкции в этом случае представляет собой контейнеры для транспортировки или хранения проб; 2) Либо аккуратно извлекают донный осадок под собственным весом на подготовленную площадку для его описания, фотодокументации и отбора образцов.
После проведения всех этапов работы выполняют внешний осмотр ПДОЭ на наличие механических повреждений, производят очистку поверхности пробоотборника для последующего использования. Рекомендуется однократное использование пробоотборника во избежание загрязнения извлеченных проб.
На Фиг. 2 позициями обозначены: 9 лед (плавсредство); 10 - вода; 11 - донный осадок; 12 проба.
Предлагаемое устройство (Фиг. 1) выполнено в виде пробоотборника для донных осадков, содержащего связанные между собой режущую коронку (1) с обратным клапаном (2), пробоприемник (3) - из герметично соединенных между собой труб методом раструб, подъемный трос (4), закрепленный на корпусе обратного клапана (2), гидроизоляционный клапан с уплотнительным кольцом (5) и мерной штангой (6), размещенные в пробоприемнике (3). Трубы пробоприемника (3) снабжены заглушками (7) с уплотнительными кольцами (8) при использовании в качестве контейнеров для транспортировки и хранения проб. (Фиг. 3) Трубки из набора пробоприемника (3) предпочтительно имеют длину от 0,5-2,0 м и диаметр 110 мм. Пробоприемник (3) выполнен из не модифицированного поливинилхлорида.
Коронка (1) выполняет функцию режущего элемента для лучшей проходки донных осадков. Обратный клапан (2) предназначен для удержания донных осадков в пробоприемнике (3) и их последующего извлечения. Подъем всей конструкции со дна производится с помощью подъемного троса (4), закрепленного на конце пробоотборника. Гидроизоляционный клапан с уплотнительным кольцом (5), находящийся в обратном клапане (2), во время погружения пробоотборника до донного осадка, служит для изоляции от вышележащей толщи воды. Мерная штанга (6) предназначена для точного определения мощности слоя отобранного вещества. Изоляционные заглушки (7) с уплотнительным кольцом (8) предназначены для закрытия отверстий пробоприемника при использовании его в качестве контейнера для транспортировки и хранения проб.
Пробоприемник состоит из набора цилиндрических труб диаметром 110 мм из немодифицированного поливинилхлорида (удельная теплоемкость 1,0Дж/г, теплопроводность 0,15 Вт/м), которые применяются по большей части при монтаже наружной канализации, устойчивы к коррозии и воздействию химических элементов, просты в обработке, могут эксплуатироваться при температурах от -15 до +60 градусов, широко представлены на рынке розничной продажи, доступны по цене. Указанный диаметр труб позволяет отобрать достаточное количество вещества, работает в широком гранулометрическом диапазоне донных осадков (от песков до глин). В основании колонны длина, которой определяется слоем воды (жидкой фазы отходов) и мощностью донных осадков, расположен обратный клапан. Внутри пробоприемника установлен гидроизоляционный клапан, предназначенный для изоляции верхнего слоя жидкой фазы от основной массы донных осадков и облегчающего извлечение вещества ненарушенной структуры с сохранением порового раствора.
Устройство работает следующим образом. Длина собранной конструкции составляла 8,00 м. Корпус пробоприемника (3) выполнен из НПВХ, диаметр 110 мм, толщина стенка составляет 3 мм. В нижнюю часть ПДОЭ вмонтирован обратный клапан (2) и коронка (1), внутри конструкции расположен гидроизоляционный клапан (5). К корпусу обратного клапана прикреплен подъемный трос (4). Принцип работы обратного клапана следующий: при достаточном давлении, создаваемым при опускании пробоотборника, затвор поднимается вверх, открывая отверстие, давая возможность донным осадкам пройти через себя и попасть в пробоприемник (3). Дойдя до намеченной глубины донных осадков с помощью подъемного троса (4) начинается подъем всей конструкции. В этот момент происходит закрытие затвора обратного клапана (2). Подъем производится равномерно и плавно с целью сохранения физико-химических свойств отобранного вещества. Следующим шагом является разделение пробоприемника на выбранные интервалы и герметичная упаковка открытых отверстий заглушками (7) с уплотнительным кольцом (8). Полученные пластиковые контейнеры маркируются и транспортируются в лабораторию.
При необходимости весь отобранный материал можно извлечь на заранее подготовленную площадку для описания, фотодокументации и отбора образцов из намеченных слоев (Фиг. 2).
Преимущества предлагаемого изобретения по сравнению с применяемыми на практике следующие:
1) отбор проб донных осадков осуществляется при мощности донных осадков от 0,5 до 10 м при слое покрывающей жидкой фазы до 5 м, в том числе в период отрицательных температур окружающей среды;
2) отбор пробы донных осадков осуществляется с сохранением стратификации и порового раствора, что важно для проведения исследований с раздельным анализом твердой и жидкой фаз осадков;
3) части конструкции пробоотборника, сочетаемые с заглушками открытых отверстий, могут быть использованы в качестве контейнера для хранения и транспортировки проб;
4) конструкция состоит из деталей, широко представленных на рынке розничной продажи и доступных по цене, отличается незначительной массой.
Несмотря на то, что были описаны предпочтительные варианты осуществления изобретений, совершенно ясно, что в него специалистами в данной области могут быть внесены изменения и дополнения, которые не выходят, однако, за рамки приведенной далее формулы изобретения.