本发明公开了一种可长期布放的浅层冰封湖原位采样和观测装置，属于冰封湖环境勘探领域，所述装置包括地表供电与控制系统、水泵、三通阀、导正架和运载钻具，所述水泵通过管路与运载钻具上的第一管接头相连，并在管路上连接有三通阀；所述地表供电与控制系统通过线缆与运载钻具上的第一水密接头相连；所述导正架的内孔直径与运载钻具的外径相匹配；与现有技术相比，本发明提供的一种可长期布放的浅层冰封湖原位采样和观测装置可在一次钻孔的情况下构建长期的湖水采样通道，并可对不同深度的湖水进行采样，大大提高了湖水采样效率，降低了人力物力成本。
1.一种可长期布放的浅层冰封湖原位采样和观测装置，包括地表供电与控制系统(4)，其特征在于：还包括水泵(1)、三通阀(2)、导正架(3)和运载钻具(5)，所述水泵(1)通过管路与运载钻具(5)上的第一管接头(24)相连，并在管路上连接有三通阀(2)；所述地表供电与控制系统(4)通过线缆与运载钻具(5)上的第一水密接头(23)相连；所述导正架(3)的内孔直径与运载钻具(5)的外径相匹配；
所述运载钻具(5)包括顶盖(6)、加热管(8)、应变片(9)、隔热接头(10)、外管(11)、压力舱、推杆(15)、限位螺钉(16)、支架(17)、支架旋转轴(18)、弹力橡皮筋(19)、橡皮筋固定螺钉(20)、融冰钻头(22)、第一水密接头(23)、第一管接头(24)、第一软管(25)、第二管接头(27)、第二水密接头(28)、电池模块(30)、电磁阀(31)、第二软管(32)、测控单元(33)、第三管接头(34)、第三水密接头(35)、第三软管(36)、防水传感器模块(37)、水下激光测距仪(38)、绞车(39)、水滑环(40)、水管(41)和铅锤(42)，所述顶盖(6)、加热管(8)、隔热接头(10)和外管(11)同轴设置且从上至下顺次螺纹连接，且顶盖(6)和加热管(8)之间通过第一密封圈(7)密封，隔热接头(10)的上下两端分别与加热管(8)和外管(11)通过第二密封圈(26)密封，顶盖(6)上安装有第一水密接头(23)和第一管接头(24)；所述加热管(8)的外壁缠绕有加热丝，并且加热丝通过第一水密接头(23)直接由供电与控制系统(4)供电，加热管(8)内壁安装有至少两个应变片(9)；所述压力舱是由压力舱上盖(12)、压力舱体(13)和压力舱下盖(14)共同形成的密封腔体结构，压力舱上盖(12)和压力舱下盖(14)上安装有密封圈，并采用螺钉固定在压力舱体(13)上，压力舱上盖(12)上固定有第二管接头(27)和第二水密接头(28)，其中第二管接头(27)通过第一软管(25)与第一管接头(24)相连，第二水密接头(28)通过线缆分别连接应变片(9)和第一水密接头(23)；压力舱下盖(14)上固定有推杆(15)、第三管接头(34)和第三水密接头(35)，压力舱体(13)内固定有电池模块(30)、电磁阀(31)和测控单元(33)，其中电磁阀(31)通过第二软管(32)分别和第二管接头(27)、第三管接头(34)相连，电池模块(30)分别与电磁阀(31)、测控单元(33)连接，电池模块(30)用于向电磁阀(31)和测控单元(33)供电，同时电池模块(30)通过第二水密接头(28)和第三水密接头(35)分别向应变片(9)、防水传感器模块(37)、水下激光测距仪(38)和绞车(39)供电，测控单元(33)用于采集并存储应变片(9)、防水传感器模块(37)、水下激光测距仪(38)所获取的数据，同时测控单元(33)用于控制绞车(39)的转动速度和启停；压力舱体(13)的外壁与外管(11)的内壁之间安装有第三密封圈(29)，整个压力舱能够相对外管(11)上下滑动；
所述限位螺钉(16)固定在外管(11)上，限位螺钉(16)用于限制所述压力舱最大下行位置；
所述支架旋转轴(18)固定在外管(11)上；所述支架(17)能够围绕支架旋转轴(18)自由旋转，并能够在推杆(15)的推动下从外管(11)预留的窗口伸出到运载钻具(5)外侧，支架(17)下端通过弹力橡皮筋(19)与固定在外管(11)上的橡皮筋固定螺钉(20)相连，支架(17)上分别固定有防水传感器模块(37)、水下激光测距仪(38)和绞车(39)；所述水管(41)缠绕在绞车(39)的卷筒上，水管(41)的一端与安装在绞车(39)一侧的水滑环(40)相连，另一端与铅锤(42)相连；所述水滑环(40)通过第三软管(36)与第三管接头(34)相连；所述融冰钻头(22)通过螺钉连接在外管(11)下端，融冰钻头(22)的内部插有加热棒(21)，加热棒(21)依次通过第三水密接头(35)、第二水密接头(28)和第一水密接头(23)直接由地表供电与控制系统(4)供电。
2.根据权利要求1所述的可长期布放的浅层冰封湖原位采样和观测装置，其特征在于：
所述顶盖(6)、加热管(8)、隔热接头(10)、外管(11)和压力舱共同形成一个密闭腔体。
3.根据权利要求1所述的可长期布放的浅层冰封湖原位采样和观测装置，其特征在于：
所述顶盖(6)、加热管(8)、隔热接头(10)、外管(11)和融冰钻头(22)最大外径相同。
4.根据权利要求1所述的可长期布放的浅层冰封湖原位采样和观测装置，其特征在于：
所述第二管接头(27)、电磁阀(31)、第二软管(32)和第三管接头(34)相互之间的连接均为密封连接。
5.根据权利要求1所述的可长期布放的浅层冰封湖原位采样和观测装置，其特征在于：
整个压力舱停止下行时，所述支架(17)停止在与运载钻具(5)轴线相互垂直的方向。
6.根据权利要求1所述的可长期布放的浅层冰封湖原位采样和观测装置，其特征在于：
所述至少两个应变片(9)沿加热管(8)的轴向均匀布置。
一种可长期布放的浅层冰封湖原位采样和观测装置
技术领域
[0001] 本发明属于冰封湖环境勘探领域，具体地，涉及一种可长期布放的浅层冰封湖原位采样和观测装置。
背景技术
[0002] 地球南北极沿岸地区赋存有大量的湖泊，由于常年受到低气温的影响，有些湖泊呈季节性开放，有些则常年被冰覆盖而封闭，这些被冰封闭的湖泊统称为冰封湖。近几十年来，国内外学者对于极地地区赋存的冰封湖进行了大量的研究，研究方向主要集中于湖水上覆冰层厚度的年际变化、湖水理化参数和微生物特征、湖内浮游生物和动植物对湖水环境变化的响应等。
[0003] 由于冰封湖上覆冰层对冰封湖水的遮挡，对湖水进行采样前通常需要采用机械回转钻具在冰层形成钻孔通道，采样后的钻孔将被重新冻结封闭。采用这种方法获取水样每次均需要重新钻孔，造成人力物力浪费，采样效率低。对于冰湖上覆冰层厚度的观测通常采用雷达探测方法，但均需人员在现场进行操作，且观测时间短，不能获取连续年际尺度的冰厚变化数据，在极地极夜期间的观测数据几乎为空白。
发明内容
[0004] 本发明的目的是为了解决南北极冰湖采样效率低、无法对冰湖进行长期连续观测的问题，而提供了一种可长期布放的浅层冰封湖原位采样和观测装置，为冰封湖水采样提供长期的钻孔通道，实现对冰封湖冰厚和湖水参数进行连续观测。
[0005] 为实现上述目的，本发明提供了如下的技术方案：一种可长期布放的浅层冰封湖原位采样和观测装置，包括地表供电与控制系统，其特征在于：还包括水泵、三通阀、导正架和运载钻具，所述水泵通过管路与运载钻具上的第一管接头相连，并在管路上连接有三通阀；所述地表供电与控制系统通过线缆与运载钻具上的第一水密接头相连；所述导正架的内孔直径与运载钻具的外径相匹配；
[0006] 所述运载钻具包括顶盖、加热管、应变片、隔热接头、外管、压力舱、推杆、限位螺钉、支架、支架旋转轴、弹力橡皮筋、橡皮筋固定螺钉、融冰钻头、第一水密接头、第一管接头、第一软管、第二管接头、第二水密接头、电池模块、电磁阀、第二软管、测控单元、第三管接头、第三水密接头、第三软管、防水传感器模块、水下激光测距仪、绞车、水滑环、水管和铅锤，所述顶盖、加热管、隔热接头和外管同轴设置且从上至下顺次螺纹连接，且顶盖和加热管之间通过第一密封圈密封，隔热接头的上下两端分别与加热管和外管通过第二密封圈密封，顶盖上安装有第一水密接头和第一管接头；所述加热管的外壁缠绕有加热丝，并且加热丝通过第一水密接头直接由供电与控制系统供电，加热管内壁安装有至少两个应变片；所述压力舱是由压力舱上盖、压力舱体和压力舱下盖共同形成的密封腔体结构，压力舱上盖和压力舱下盖上安装有密封圈，并采用螺钉固定在压力舱体上，压力舱上盖上固定有第二管接头和第二水密接头，其中第二管接头通过第一软管与第一管接头相连，第二水密接头通过线缆分别连接应变片和第一水密接头；压力舱下盖上固定有推杆、第三管接头和第三水密接头，压力舱体内固定有电池模块、电磁阀和测控单元，其中电磁阀通过第二软管分别和第二管接头、第三管接头相连，电池模块分别与电磁阀、测控单元连接，电池模块用于向电磁阀和测控单元供电，同时电池模块通过第二水密接头和第三水密接头分别向应变片、防水传感器模块、水下激光测距仪和绞车供电，测控单元用于采集并存储应变片、防水传感器模块、水下激光测距仪所获取的数据，同时测控单元用于控制绞车的转动速度和启停；压力舱体的外壁与外管的内壁之间安装有第三密封圈，整个压力舱能够相对外管上下滑动；所述限位螺钉固定在外管上，限位螺钉用于限制所述压力舱最大下行位置；所述支架旋转轴固定在外管上；所述支架能够围绕支架旋转轴自由旋转，并能够在推杆的推动下从外管预留的窗口伸出到运载钻具外侧，支架下端通过弹力橡皮筋与固定在外管上的橡皮筋固定螺钉相连，支架上分别固定有防水传感器模块、水下激光测距仪和绞车；所述水管缠绕在绞车的卷筒上，水管的一端与安装在绞车一侧的水滑环相连，另一端与铅锤相连；所述水滑环通过第三软管与第三管接头相连；所述融冰钻头通过螺钉连接在外管下端，融冰钻头的内部插有加热棒，加热棒依次通过第三水密接头、第二水密接头和第一水密接头直接由地表供电与控制系统供电。
[0007] 进一步，所述顶盖、加热管、隔热接头、外管和压力舱共同形成一个密闭腔体。
[0008] 进一步，所述顶盖、加热管、隔热接头、外管和融冰钻头最大外径相同。
[0009] 进一步，所述第二管接头、电磁阀、第二软管和第三管接头相互之间的连接均为密封连接。
[0010] 进一步，整个压力舱停止下行时，所述支架停止在与运载钻具轴线相互垂直的方向。
[0011] 作为本发明的优选方案，所述至少两个应变片沿加热管的轴向均匀布置。
[0012] 通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：
[0013] 本发明提供的一种可长期布放的浅层冰封湖原位采样和观测装置可在一次钻孔的情况下构建长期的湖水采样通道，并可对不同深度的湖水进行采样，大大提高了湖水采样效率，降低了人力物力成本。
[0014] 本发明提供的装置可对湖冰厚度、湖水理化参数进行长期原位观测，并可通过扩展摄像机等其他设备，对湖水进行多参数测量。
[0015] 本发明提供的运载钻具的测控单元和电池模块均位于水下，环境温度与湖水温度相当，大大降低了对电子器件耐低温性能的要求，提高了电池模块的使用寿命，从而降低了成本。
[0016] 本发明提供的装置可在采样和观测结束后进行回收，进一步降低了成本。
附图说明
[0017] 图1为可长期布放的浅层冰封湖原位采样和观测装置的工作原理图。
[0018] 图2为运载钻具的结构示意图。
[0019] 图3为运载钻具采样和观测时的状态图。
[0020] 附图标记说明：1‑水泵；2‑三通阀；3‑导正架；4‑地表供电与控制系统；5‑运载钻具；6‑顶盖；7‑第一密封圈；8‑加热管；9‑应变片；10‑隔热接头；11‑外管；12‑压力舱上盖；13‑压力舱体；14‑压力舱下盖；15‑推杆；16‑限位螺钉；17‑支架；18‑支架旋转轴；19‑弹力橡皮筋；20‑橡皮筋固定螺钉；21‑加热棒；22‑融冰钻头；23‑第一水密接头；24‑第一管接头；
25‑第一软管；26‑第二密封圈；27‑第二管接头；28‑第二水密接头；29‑第三密封圈；30‑电池模块；31‑电磁阀；32‑第二软管；33‑测控单元；34‑第三管接头；35‑第三水密接头；36‑第三软管；37‑防水传感器模块；38‑水下激光测距仪；39‑绞车；40‑水滑环；41‑水管；42‑铅锤。
具体实施方式
[0021] 为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
[0022] 如图1、图2和图3所示，本发明提出了一种可长期布放的浅层冰封湖原位采样和观测装置，该装置包括水泵1、三通阀2、导正架3、地表供电与控制系统4和运载钻具5。所述水泵1通过管路经由三通阀2与运载钻具5上的第一管接头24相连；所述地表供电与控制系统4通过线缆与运载钻具5上的第一水密接头23相连；所述导正架3的内孔直径与运载钻具5的外径相匹配。图1中a表示湖冰，b表示湖水。
[0023] 所述运载钻具5包括顶盖6、加热管8、应变片9、隔热接头10、外管11、压力舱上盖12、压力舱体13、压力舱下盖14、推杆15、限位螺钉16、支架17、支架旋转轴18、弹力橡皮筋
19、橡皮筋固定螺钉20、融冰钻头22、第一水密接头23、第一管接头24、第一软管25、第二管接头27、第二水密接头28、电池模块30、电磁阀31、第二软管32、测控单元33、第三管接头34、第三水密接头35、第三软管36、防水传感器模块37、水下激光测距仪38、绞车39、水滑环40、水管41和铅锤42。
[0024] 所述顶盖6、加热管8、隔热接头10和外管11同轴设置且从上至下顺次螺纹连接，顶盖6和加热管8之间通过第一密封圈7密封，隔热接头10与其上、下方的加热管8、外管11之间通过第二密封圈26密封；顶盖6上安装有第一水密接头23和第一管接头24；所述加热管8的外壁缠绕有加热丝，并由地表供电与控制系统4供电可在其外表面形成均匀的加热面，加热管8内壁安装有多个应变片9，本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等；所述压力舱上盖12和压力舱下盖14上安装有密封圈，并采用螺钉固定在压力舱体13上，三者共同形成密封的压力舱；压力舱上盖12上固定有第二管接头27和第二水密接头28，其中第二管接头27通过第一软管25与第一管接头24相连，第二水密接头28则通过线缆分别连接应变片9和第一水密接头23；压力舱下盖14上固定有推杆15、第三管接头34和第三水密接头35；压力舱体13内固定有电池模块30、电磁阀31和测控单元33，其中电磁阀31通过第二软管32分别和第二管接头27、第三管接头34相连，电磁阀31和测控单元33分别与电池模块30连接，电磁阀31和测控单元33由电池模块30供电，同时电池模块30还通过第二水密接头28和第三水密接头35分别为应变片9、防水传感器模块37、水下激光测距仪38和绞车39供电。测控单元33用于采集并存储应变片9、防水传感器模块37和水下激光测距仪38所获取的数据，同时测控单元33用于控制绞车39的转动速度和启停。压力舱体13的外壁与外管11的内壁之间安装有第三密封圈29，整个压力舱能够沿外管11内壁上下滑动，并由固定在外管11上的限位螺钉16限制压力舱最大下行位置；所述支架旋转轴18固定在外管11上；所述支架
17能够围绕支架旋转轴18自由旋转，并能够在推杆15的推动下从外管11预留的窗口伸出到运载钻具5外侧；支架17下端通过弹力橡皮筋19与固定在外管11上的橡皮筋固定螺钉20相连，支架17上分别固定有防水传感器模块37、水下激光测距仪38和绞车39；水管41缠绕在绞车39的卷筒上，水管41的一端与安装在绞车39一侧的水滑环40相连，另一端与铅锤42相连；
水滑环40则通过第三软管36与第三管接头34相连；所述融冰钻头22通过螺钉连接在外管11下端，融冰钻头22的内部插有加热棒21，加热棒21依次通过第三水密接头35、第二水密接头
28和第一水密接头23直接由地表供电与控制系统4供电。
[0025] 所述顶盖6、加热管8、隔热接头10、外管11和压力舱共同形成一个密闭腔体，利用空气作为隔热介质，防止地表低温对冰封湖水产生影响。
[0026] 所述顶盖6、加热管8、隔热接头10、外管11和融冰钻头22最大外径相同，保证运载钻具5外表面平滑。
[0027] 所述隔热接头10采用聚四氟乙烯或聚醚醚酮等工程塑料制作，可有效阻隔加热管8和外管11之间的热传导。
[0028] 所述第二管接头27、电磁阀31、第二软管32和第三管接头34相互之间的连接均为密封连接，从而保证在压力舱体13内形成一个密封的过水通道。
[0029] 上述地表供电与控制系统4、电池模块30、测控单元33、防水传感器模块37、绞车39和水滑环40均为现有设备的组装，属于现有技术，因此，具体型号和规格此处不再详细赘述。
[0030] 本发明的工作原理：
[0031] 本发明提供的可长期布放的浅层冰封湖原位采样和观测装置在布放之前，首先需将导正架3固定在冰封湖的冰面上，并进行调平。然后将运载钻具5插入至导正架3内孔中，并通过地表供电与控制系统4控制融冰钻头22发热，进行融冰钻进。当运载钻具5穿透至冰封湖内后，停止融冰钻头22加热。根据已知的湖水深度调整运载钻具5入水深度，并固定在导正架3上。随后加热管8将被湖水冻结在冰中。加热管8和隔热接头10的长度可根据实际需要进行加长或缩短，运载钻具5最终入水位置需保证隔热接头10全部位于冰面以下。
[0032] 之后打开运载钻具5的顶盖6，并采用竹竿等细长杆按压压力舱上盖12，使压力舱沿外管11向下滑动，固定在压力舱下端盖14上的推杆15将推动支架17沿支架旋转轴18旋转，并缓慢从外管11上预留的窗口伸出。当压力舱下端盖14与限位螺钉16接触时，整个压力舱停止下行，此时支架17停止在与运载钻具5轴线相互垂直的方向。之后撤出细长杆，并将顶盖6连接在加热管8上。
[0033] 随后开启防水传感器模块37可完成对湖水参数的原位观测，防水传感器模块37中传感器类型可包括温度传感器、压力传感器、pH传感器等，也可集成摄像功能，对湖水中动植物进行视觉观测。开启水下激光测距仪38，即可测量冰封湖上覆冰层底部到达水下激光测距仪38的距离，结合运载钻具5下放深度，即可长期获取冰封湖上覆冰层厚度数据。应变片9可对湖冰作用在加热管8上的挤压力进行长期检测，获取湖冰冻结和消融过程中对结构物的挤压力变化规律。
[0034] 当需要进行水样采集时，通过地表供电与控制系统4设置采样深度，由绞车39自动将水管41下放至指定深度，铅锤42可最大程度的保证水管41垂直，保证采样深度与设定深度一致。在到达制定深度后，地表供电与控制系统4将控制压力舱体13内电磁阀31打开，使井下湖水与地表连通，然后打开水泵1，将湖水从制定深度经由水管41、第三软管36、第三管接头34、第二软管32、电磁阀31、第二管接头27、第一软管25、第一管接头24、三通阀2及水泵1抽取至地表，并进行水样采集。之后可将水管41下放至不同深度，从而获取多个深度的水样。采集完毕后，应将水管41收回至最高位置，之后控制水泵1反转，利用空气驱动管路中的水回流至冰封湖内，并关闭电磁阀31，从而防止管路因湖水冻结而破坏。
[0035] 在长期布放时，防水传感器模块37和水下激光测距仪38由电池模块30供电，数据自动传输存储在测控单元33中，也可以在地表架设铱星通讯系统，使数据实时回传至位于考察站或国内的控制中心。水泵1和地表供电与控制系统4由现场人员在采集水样时携带至现场，无需长时间放置在野外。
[0036] 在该点位观测结束后，开启加热管8的供电，解冻运载钻具5。在运载钻具5恢复自由后，缓慢上提使支架17与冰层底部接触，此时支架17将在冰层推力和弹力橡皮筋19的拉力共同作用下沿支架旋转轴18反向旋转，缩回至运载钻具5内部。最后将运载钻具5整体提出冰湖，并前往下一地点进行布放。
[0037] 综上，本发明提供的一种可长期布放的浅层冰封湖原位采样和观测装置可在一次钻孔的情况下构建长期的湖水采样通道，并可对不同深度的湖水进行采样，大大提高了湖水采样效率，降低了人力物力成本。
