一种适用于无井地区的地下水定深分层取样装置的制作方法

本实用新型属于地下水取样技术领域，具体涉及一种适用于无井地区的地下水定深分层取样装置。

背景技术：

地下水关系到地球演化和地表生物生存的重要因素。地下水取样通过配合相关测试技术能提供大量关于地层的物理、化学和微生物信息，是对工程开展和环境安全评估有重要指导意义的监测手段之一。尤其是人类活动，如垃圾填埋场渗滤液下渗、工业园区污染源地下排放或泄漏、农业活动的污染等，造成污染源下渗至浅层地下水，并横向纵向扩散至更大的影响区域，从地表的点状到地下的三维锥面状，从线状到条带状，在不同地层深度和离地面污染源的距离远近造成不同程度的地下水水质污染。

除地下水水质污染造成环境污染外，地下水位的波动亦可能诱发不良工程地质灾害，改变地表水的补给体系与流量流向，甚至威胁浅地表生物群落的生存和区域环境承载能力。如，相关工业建设项目、水力工程、地下水过量抽采、浅层地温能开采等活动造成浅层地下水位的急速下降，引发地表不均匀沉降、岩溶塌陷、地表区域性崩塌、地表河流湖泊干涸改道，造成较为严重的灾害和损失。

土十条、水十条的相继颁布，显示了政府对地下环境的关注及公众环保意识的极大提高，随之带来监管部门及工业市场对地下污染监测控制技术的需求增长。其中，较大一部分地下环境污染问题来源于地表的泄漏渗透与浅地表工程注入活动，尤其对离地表最近的地下含水层造成威胁。然而目前市场上的同类产品并不能满足该方向发展的需求，需要进一步的发展。

技术实现要素：

为解决现有技术的不足，本实用新型结合市场紧迫需求及已有的地下环境监测技术优势，提供了一种适用于无井地区的地下水定深分层取样装置，适用于区域性浅层水文地质调查、重要工程的地下监控、污染场地的环境地质调查与监测。该地下取样装置能实现浅层地下水分层取样，并得到地下水位常年波动情况。能适应一定地质条件下，无需大型钻孔设备的快速安装情况，适用于深度30米以内，分层取样不超过5层。其在功能上能同时实现浅层地下水分层高精度取样和地下水位波动监测，工作原理明晰；结构设计实用简约，能适应地下水埋深浅、淤泥质土粉土粘土为主的软土地区无井快速成孔安装的要求；着眼于市场需求研发，区别于同类技术产品。

本实用新型所提供的技术方案如下：

一种适用于无井地区的地下水定深分层取样装置，至少包括取样机构、连接机构和地下进样机构。

所述的取样机构包括第一取样机构、第二取样机构、取样瓶、气相单向阀、嵌套式分流机构、手动泵、球阀和井头固定支座，所述的第一取样机构包括第一外管、第一内管和第一储流容器，所述第一内管嵌套在所述第一外管内，所述第一内管的下端与所述第一外管连通，所述第一外管的下端连接有第一液相单向阀和第一过滤器，所述第一外管的中端与所述第一储流容器连通，且所述第一内管贯穿所述第一储流容器；所述的第二取样机构包括第二外管、第二内管、第二储流容器，所述第二内管嵌套在所述第二外管内，所述第二内管的下端与所述第二外管连通，所述第二外管的下端连接有第二液相单向阀和第二过滤器，所述第二外管的中端与所述第二储流容器连通，且所述第二内管贯穿所述第二储流容器，所述嵌套式分流机构包括第一嵌套式分流器和第二嵌套式分流器，所述第一取样机构通过所述第一嵌套式分流器连通所述气相单向阀和所述手动泵，构成驱替端，所述第二取样机构通过所述第二嵌套式分流器连通所述球阀和取样瓶构成取样端。

取样机构基于气体推动式原理和U形管取样原理，采用管中管取样系统，既外管嵌套内管的结构，优点可参见专利“一种管中管地下水分层取样装置”(专利号：201510338566.X)。

嵌套式分流机构的作用在于将嵌套式的管中管结构(第一外管和第一内管)转换分流为独立的驱替支线和取样支线，有两组嵌套式分流器组成，其具体实施方式参考专利“一种嵌套式四口三通分流机构”(专利号：201510523223.0)。

所述的地下进样机构包括第一地下进样机构和第二地下进样机构，所述第一地下进样机构包括：上下对应设置的两个第一简易封隔堵头、上下对应设置的两个第一止水结构、设置在中间的第一进样段、上下对应设置的两个第一螺钉，一个所述的第一简易封隔堵头通过对应的一个所述的第一螺钉连接所述第一进样段的上端，另一个所述的第一简易封隔堵头通过对应的另一个所述的第一螺钉连接所述第一进样段的下端，各所述的第一简易封隔堵头缩径段缠绕设置有一个所述的第一止水结构，所述的第二地下进样机构包括：第二简易封隔堵头、锥形底座、上下对应设置的两个第二止水结构、第二进样段、上下对应设置的两个第二螺钉，所述第二简易封隔堵头通过一个所述的第二螺钉连接第二进样段的上端，锥形底座通过另一个所述的第二螺钉连接第二进样段的下端，一个所述的第二止水结构缠绕设置在所述第二简易封隔堵头的缩径段，另一个所述的第二止水结构缠绕设置在所述锥形底座的缩径段。

所述的连接机构包括第一连接杆和第二连接杆，所述第一连接杆连接所述井头固定支座和位于上方的所述的第一简易封隔堵头，所述第二连接杆连接位于下方的所述的第一简易封隔堵头和所述第二简易封隔堵头。

具体的，第一连接杆上端连接井头固定支座，下端通过螺纹连接第一井下进样机构至地下第一层取样深度；与第一井下进样机构下端连接的第二连接杆下端通过螺纹连接第二井下进样机构至地下第二层取样深度，取样装置的最后一段连接锥形底座。

优选的，第一连接杆和第二连接杆可选择模块式标准件，长度和直径可选，长度如20m、10m、4m、2m、1m和0.5m，在满足一定材料强度和不污染样品的基础上，可选塑料材质、不锈钢材质、木质等。

进一步的，所述第一嵌套式分流器为中国专利201510523223.0所提供的嵌套式四口三通分流机构，所述第二嵌套式分流器为中国专利201510523223.0所提供的嵌套式四口三通分流机构，所述第一嵌套式分流器设有第一内管接入口、第一内管接出口、第一外管接入口和第一外管接出口，所述第二嵌套式分流器设有第二内管接入口、第二内管接出口、第二外管接入口和第二外管接出口，所述第一内管的上端与所述第一内管接入口连接，所述第一外管的上端与所述第一外管接入口连接，所述第二内管的上端与所述第二内管接入口连接，所述第二外管的上端与所述第二外管接入口连接，所述第一外管接出口通过管道以及所述气相单向阀和所述手动泵连接，所述第二外管接出口通过管道以及所述球阀和取样瓶连接。

进一步的，所述的手动泵为手推式气筒、脚踩式加气筒、小型油抽、氮气瓶、移动式电泵等，作为压力源通过气体驱替作用实现地下水取样。

进一步的，所述第一连接杆为中空圆柱结构，所述第一连接杆的端部连接为卡扣式、锚固式、法兰式、嵌入式或螺纹式；所述第二连接杆为中空圆柱结构，所述第二连接杆的端部连接为卡扣式、锚固式、法兰式、嵌入式或螺纹式。

进一步的，所述第一液相单向阀和所述第一过滤器设置在所述第一进样段内部；所述第二液相单向阀和所述第二过滤器设置在所述第二进样段内部。

进一步的，所述取样瓶、所述气相单向阀、所述嵌套式分流机构、所述球阀和所述井头固定支座设置在地面上。

进一步的，所述第一止水结构和/或所述第二止水结构为水溶胀材料的环状结构，止水材料遇水或其它条件触发后体积膨胀，为粘土球、海带、桐油灰、牛皮麻条旧棉絮、黄豆、环氧树脂、遇水膨胀聚氨酯等，优选的选自粘土、环氧树脂或水膨胀聚氨酯，更优选的，为水膨胀聚氨酯。止水结构依材料体积膨胀率控制孔壁与管壁的间隙，其止水材料用量及厚度依此设计布置。

简易封隔堵头的一端连接连接杆，另一端连接进样段，中空穿越第一外管或第二外管，并且中间间隙通过止水结构形成指定取样层位隔断的进样空间，减小井下残余液的影响，其特殊的外围缩径设计在同径止水条件下的止水材料提供了架桥。

过滤器，采用多孔介质结构，具有的一定渗透率能阻挡减缓部分泥沙颗粒进入单向阀。

总体上，本实用新型所提供的适用于无井地区的地下水定深分层取样装置。各元件尺寸、材质、连接方式可在满足功能设计要求的前提下依实际情况变更选择，推荐应用深度范围为-30m以内，不同深度地下水取样层数不超过5层。可以对同一含水层不同深度范围进行多层取样，分析污染物在地下水中的扩散情况和纵向影响范围，特别适用于地面污染源由上至下泄漏扩散对近地表浅层地下水的环境地质调查与污染分析；亦可层间止水封隔后，对不同含水层进行分层取样，一孔多层研究地下水系的水力联系、水质变化、水位高度变化或一定条件下承压含水层的孔隙水压力变化情况，特别适用于区域性水文地质调查及固定场地详细的水文地质、工程地质、环境地质调查，浅地表污染场地的详细表征与监控，潜在污染工程的地下监测与风险预警。亦适用于浅层低温能开发过程中地源热泵抽注系统、地下施工过程中局部大幅降水、超量抽采地下水等对浅层地下水位埋深波动、地下水水质污染及整体地下环境的风险监控研究。

本实用新型与现有技术相比，其有益效果和优点在于：

本实用新型所提供的适用于无井地区的地下水定深分层取样装置，结构设计新颖，兼具高精度分层取样和地下水位线波动监测的功能，能适应无井地区的快速安装，较同类技术产品在工作性能、功能和精度、稳定性和耐久性方面有较大幅度提升，具有较好的市场竞争力和业内领先优势，及良好的应用前景和推广价值。

1)本实用新型方法基于管中管取样技术、被动式井下取样和气体推动的原理，作为新近开发的地下水分层高精度取样技术，区别于市场上同类技术(下井式定深取样技术，如贝勒管、泵式取样技术，如蠕动泵、电动采样泵、气囊泵等)。具体优势如下：

a)能单井实现地下水多层取样、地下水位线波动监测，及一定条件下间接得到地下含水层孔隙水压力值；

b)样品真实性、代表性强。取样技术在U形管原理的基础上采用改进的管中管取样技术，被动式取样最大程度减小了取样过程对地下水流场的扰动，进而提高了地下水取样精度，一定程度减缓了泥沙颗粒的拥堵，从而延长了设备的耐久性；采用气相单向阀隔断地下储流容器中的地下水样品与空气的联系，采用液相单向阀隔断地下水与储流容器中地下水样品，提高单次取样地下水样品的实时代表性和精度；层间密封防止不同深度地下水混合，保证所取地下水样品的能代表指定深度，具有较明显的空间代表性；

c)配套简单，场地适应好；适用于优良地质条件下无井快速安装，适用于各种地表极端环境(如全塑料材质防磁、防爆；采取相应的保温措施耐严寒冰冻；不必须提供220V电源，取样操作与维护简单)；

d)成本极具竞争力，成本低于同类固定式一井多层取样技术；

e)区别于同类技术，能实现三维长期监测与污染源追踪调查；能较精确刻画三维空间的元素运移与污染源追踪；

2)基于本实用新型提供所提供的适用于无井地区的地下水定深分层取样装置进行分层取样，实用性强，在设计理念和功能组合基础上，根据应用实际情况不同可选多种技术方案：如多样化的同径止水结构，连接杆尺寸材质与接头方式，井口取样时作为压力源的手动泵、氮气瓶、打气筒等，井下储流容器随额定取样量的要求设置，等；

3)样品精度优于市场上同类技术；能较好地与其它井下监测手段融合，完备形成井下综合监测平台的扩展潜力；

4)可广泛应用于不同领域、不同工程目的的浅层地下水监测及环境评估，如：区域性水文地质工程地质调查、垃圾填埋处置、浅层低温能抽采井、地表污染源泄漏扩散的风险预警与环境评估、工业园区土地流转评估鉴定、地下工程施工过程风险预警及环境污染控制、农业面源污染的地下水水质鉴定等。

附图说明

图1是本实用新型所提供的适用于无井地区的地下水定深分层取样装置的结构图。

图2是本实用新型所提供的适用于无井地区的地下水定深分层取样装置的取样机构的结构图。

图3是本实用新型所提供的适用于无井地区的地下水定深分层取样装置的连接机构的局部放大图。

图4本实用新型所提供的适用于无井地区的地下水定深分层取样装置的锥形底座的主视图。

图5是本实用新型所提供的适用于无井地区的地下水定深分层取样装置的地下进样机构的局部放大图。

图6是本实用新型所提供的适用于无井地区的地下水定深分层取样装置的第一简易封隔堵头的俯视图。

图7是本实用新型所提供的适用于无井地区的地下水定深分层取样装置的第一取样机构尾端部分的爆炸图。

图8是本实用新型所提供的适用于无井地区的地下水定深分层取样装置的第一止水结构的俯视图。

附图1、2、3、4、5、6、7中，各标号所代表的部件列表如下：

1.1、球阀，1.2、取样瓶，1.3、气相单向阀，1.4、手动泵，1.5、嵌套式分流机构，1.6、井头固定支座，1.7a、第一外管，1.8a、第一内管，1.7b、第二外管，1.8b、第二内管，1.9a、第一储流容器，1.9b、第二储流容器，2.1、第一连接杆，2.2、第二连接杆，2.3、锥形底座，3.1a、第一简易封隔堵头，3.2a、第一止水结构，3.3a、第一进样段，3.4a、第一液相单向阀，3.5a、第一过滤器，3.6a、第一螺钉，3.1b、第二简易封隔堵，3.2b、第二止水结构，3.3b、第二进样段，3.4b、第二液相单向阀，3.5b、第二过滤器，3.6b、第二螺钉。

具体实施方式

以下对本实用新型的原理和特征进行描述，所举实施例只用于解释本实用新型，并非用于限定本实用新型的范围。

在一个具体实施方式中，如图1所示，一种适用于无井地区的地下水定深分层取样装置，包括取样机构、连接机构和地下进样机构。

如图1、2所示，取样机构包括第一取样机构、第二取样机构、设置在地面上的球阀1.1、取样瓶1.2、气相单向阀1.3、手动泵1.4、嵌套式分流机构1.5和井头固定支座1.6。

第一取样机构包括第一外管1.7a、第一内管1.8a和第一储流容器1.9a，第一内管1.8a嵌套在第一外管1.7a内，第一内管1.8a的下端与第一外管1.7a连通，第一外管1.7a的下端连接有第一液相单向阀3.4a和第一过滤器3.5a，第一外管1.7a的中端与第一储流容器1.9a连通，且第一内管1.8a贯穿第一储流容器1.9a。

第二取样机构包括第二外管1.7b、第二内管1.8b、第二储流容器1.9b，第二内管1.8b嵌套在第二外管1.7b内，第二内管1.8b的下端与第二外管1.7b连通，第二外管1.7b的下端连接有第二液相单向阀3.4b和第二过滤器3.5b，第二外管1.7b的中端与第二储流容器1.9b连通，且第二内管1.8b贯穿第二储流容器1.9b。

嵌套式分流机构1.5包括第一嵌套式分流器和第二嵌套式分流器，第一取样机构通过第一嵌套式分流器连通气相单向阀1.3和手动泵1.4，第二取样机构通过第二嵌套式分流器连通球阀1.1和取样瓶1.2。

第一嵌套式分流器和第二嵌套式分流器为中国专利201510523223.0所提供的嵌套式四口三通分流机构。第一嵌套式分流器设有第一内管接入口、第一内管接出口、第一外管接入口和第一外管接出口，第二嵌套式分流器设有第二内管接入口、第二内管接出口、第二外管接入口和第二外管接出口。第一内管1.8a的上端与第一内管接入口连接，第一外管1.7a的上端与第一外管接入口连接，第二内管1.8b的上端与第二内管接入口连接，第二外管1.7b的上端与第二外管接入口连接，第一外管接出口通过管道以及气相单向阀1.3和手动泵1.4连接，第二外管接出口通过管道以及球阀1.1和取样瓶1.2连接。

如图1、4、5、6、7、8所示，地下进样机构包括第一地下进样机构和第二地下进样机构。

第一地下进样机构包括：上下对应设置的两个第一简易封隔堵头3.1a、上下对应设置的两个第一止水结构3.2a、设置在中间的第一进样段3.3a、上下对应设置的两个第一螺钉3.6a，一个第一简易封隔堵头3.1a通过对应的一个第一螺钉3.6a连接第一进样段3.3a的上端，另一个第一简易封隔堵头3.1a通过对应的另一个第一螺钉3.6a连接第一进样段3.3a的下端，各第一简易封隔堵头3.1a缩径段缠绕设置有一个第一止水结构3.2a。

第二地下进样机构包括：第二简易封隔堵头3.1b、锥形底座2.3、上下对应设置的两个第二止水结构3.2b、第二进样段3.3b、上下对应设置的两个第二螺钉3.6b，第二简易封隔堵头3.1b通过一个第二螺钉3.6b连接第二进样段3.3b的上端，锥形底座2.3通过另一个第二螺钉3.6b连接第二进样段3.3b的下端，一个第二止水结构3.2b缠绕设置在第二简易封隔堵头3.1b的缩径段，另一个第二止水结构3.2b缠绕设置在锥形底座2.3的缩径段。

第一液相单向阀3.4a和第一过滤器3.5a设置在第一进样段3.3a内部；第二液相单向阀3.4b和第二过滤器3.5b设置在第二进样段3.3b内部。

第一止水结构3.2a和第二止水结构3.2b为水膨胀聚氨酯材料的环状结构。

如图1、3所示，连接机构包括第一连接杆2.1和第二连接杆2.2，第一连接杆2.1连接井头固定支座1.6和位于上方的第一简易封隔堵头3.1a，第二连接杆2.2连接位于下方的第一简易封隔堵头3.1a和第二简易封隔堵头3.1b。

本实用新型所提供的适用于无井地区的地下水定深分层取样装置的工作原理如下：

取样装置安装调试完成后，各取样深度的地下水过滤后，通过液相单向阀进入地下储流容器。随后开启连接取样瓶的球阀，通过压力源(如手动泵、氮气瓶)对第一内管注入压缩气体，通过气相单向阀和嵌套式分流机构进入井下的第一内管，在取样深度处由于单向阀的逆向不导通作用，对第一外管内入渗的地下水样品进行驱替，由井下经地表的嵌套式分流机构和球阀，进入取样瓶，实现第一层的地下水定深取样；多个层位的地下水取样依此重复操作。其中，设于地面的气相单向阀方向由上至下，逆向隔断地下水样品与空气的联系；设于井下的液相单向阀方向由下至上，逆向阻止进入储流容器的地下水样品回流进入地层，取样过程中气体驱替地下水时因单向阀的逆止功能，位于储流容器的地下水样品无法重新进入地层。此外，通过所取样品的容积可推算出指定层位的地下水头、地下水位线波动，及一定条件下指定含水层的孔隙水压力，从而同时实现不同层位地下水的水质监测与地下水水位波动变。

以本实用新型所提供的适用于无井地区的地下水定深分层取样装置进行测量的方法如下：

1、按照本实用新型设计加工一种适用于无井地区的地下水定深分层取样装置。依据地下各含水层深度及实际项目需求确定分层取样层数和定点深度值；依据工程单次所需的流体取样量(默认值500ml)确定地下进样机构中储流容器的大小(原则上等于地面单次取样量的2-3倍)；依据现场土体颗粒粒径分布确定取样机构中过滤器规格(100目、200目、500目等)；依据地下水文资料和工程需求设计链接机构各段的长度；依据地层情况及层间止水要求设置简易封隔堵头设置止水结构的缩径段的尺寸，及配套满足要求的止水材料，等等；

2、监测点网布置，从项目需求和区域地质情况出发，结合地质钻孔图、地下含水层特征及水力联系、地下水流向及补给特征、断层裂隙、重点工作场地及区域地貌等资料对监测区域进行点网式监测，网格式、对角线式、梅花形布点、随机性布点、条带状布点、十字型或放射状布点、蛇形布点、阿基米德螺旋形布点等，具体依实际情况选择；

3、选择成孔工艺，参考实地地质条件，淤泥质土、软土、粘土等软弱有利地区可直接将此定深分层取样装置分段强夯至制定深度；土质较硬或含部分砾石、风化砂岩时，可选用便携式人工成孔设备，如洛阳铲；成井深、数量多、地层坚硬时，可选用便携式螺旋钻、电动螺旋地桩机、螺旋钻眼机、立式地钻机等，无需大型钻井设备。有条件情况下，成孔后建议清水置换30分钟；

4、取样装置下井安装，在现场工作区组装该地下水定深分层取样装置，逐段排查检验各机构和部件，保证下井前各功能区块均能正常工作；并逐段下井安装，直至指定地层深度；完成安装然后迅速进行回填；

5、取样装置现场调试，地下水定深分层取样装置安装完成后，对取样各层位进行清水洗井与调试。其目的在于排出地下进样机构中的钻井液和泥浆，以免井下核心元件淤堵失效。值得指出的是，进行清水清洗操作时注入的清水因为单向阀逆止作用不会进入地层，从而不会对后续取样精度造成影响；

完成步骤1-5意味着所述的地下水定深分层取样装置在现场顺利安装完毕，进而开展下一步的定深分层取样；

6、取样操作，开启地面的球阀，驱动端采用手动泵加压，施加的压力值大于取样深度对应的地层压力值，小于液相单向阀及各接头的容许压力值，地下水通过外管和球阀缓慢排出至地面的取样瓶，实现地下水取样；

在不同层位重复操作步骤，得到不同层位的地下水样品；

7、取样完毕后，检查关闭地下水定深分层取样装置的各阀门，保持安置状态直到下个周期取样。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型。本实用新型中，为了方便阐述，只画了两个层位的分层取样系统，实现更多的取样层数依此原理加设，材料、尺寸、数量等的变化不超过本实用新型的表述范围。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。