一种土壤气分层采集装置的制作方法

本实用新型属于土壤监测技术领域，特别是涉及一种土壤气分层采集装置。

背景技术：

土壤中的挥发性有机污染物长期以来一直受到人们重视，作为一类特殊的土壤污染，由于其具有不同于其他污染物的隐蔽性、潜伏性、长期性和可挥发性等性质，并因其成分复杂和危害性，被列为环境中潜在危险性大、应优先控制的毒害性污染物。

土壤中挥发性有机污染物主要是石油烃等，这些污染物排放至环境中，会带来严重的后果，如：威胁地下水源的水质安全；污染大气环境；改变土壤特性，影响农业生产等。同时石油烃气体积累于建筑物地下会造成爆炸危险；公用地下管网设施与泄漏烃类接触，也会加速其老化等。土壤挥发性有机污染物(VOCs)的采集是土壤挥发性有机污染物研究的基础，对土壤中VOCs的采集基本要求是尽可能反映土壤中的实际情况、不破坏土壤结构、采样仪器容易操作、能够连续长期进行取样和监测。

目前沿土壤剖面垂直布设采集器的气井法是采集土壤气最普遍的技术，其中的集气装置类型多样，不同的装置适用于不同的地质环境。但是基本采样思路都是先钻取采样气井，钻井过程中为减少对土样的扰动，一般选择无循环钻井方法，主要包括：螺旋钻井法、直推(冲击)钻井法、声频振动钻井法等。但是这三种方法均存在缺陷，或受限于场地地质条件，或只适用于浅层取样，或需要专业的钻机辅助。同时，钻取采样气井之后，上述几种气井的密封性难以得到有效保证，从而影响到土壤VOCs的取样质量。

此外，由于土壤岩性的成层性，VOCs在土壤中的分布会在纵向和横向上有较大的不均匀性，且受气体挥发性的影响，采用现有气井对土壤中的气体进行采集时，不可避免地会发生不同区域采集气的混合，从而导致所得采集气与真实气体之间存在偏差，不能真实反映土壤中的实际情况，进而影响气体的监测结果和土壤挥发性有机污染物的研究结果。因此，就需要设计一种土壤VOCs取样装置和方法，在保证取样过程密封性良好的基础上，能够实现单孔多层取样和长期监测的目的。

经检索，关于土壤气分层采集的专利报道已有相关公开。

如，中国专利申请号为201310214704.4的申请案公开了一种土壤剖面不同深度温室气体采集装置，该申请案包括顶部气体采集筒，至少一个中部气体采集筒，底盖和连接装置，连接装置设于所述顶部气体采集筒和所述中部气体采集筒之间、所述中部气体采集筒和所述底盖之间，用于将所述顶部气体采集筒、所述中部气体采集筒、所述底盖连接为一个可拆卸的整体。又如，中国专利申请号为200810235421.7的申请案公开了一种水旱轮作稻田土壤气体原位采集系统及采集方法，该申请案选用内径40mm的PVC管子，每个气体腔底部管壁交换界面均匀分布共8个小孔；各气体腔之间用PVC板隔断，隔板上打孔让采集气体的尼龙管穿过，尼龙细管从上部穿出，用硅胶管连接到三通阀上。

纵观上述已有的土壤气分层取样技术，均是在采样设备上设计层次分隔来实现分层取样，但是其采样设备均直接与地下介质接触，在进行主动气体取样时，取样器内的负压环境会导致细颗粒土壤通过透气孔进入取样器内，进而堵塞透气孔。另外以上两申请案的取样设备在安装时或需要挖掘侧壁竖直的穴坑，或需要额外引入土钻开孔，安装程序较为复杂。

技术实现要素：

1.实用新型要解决的技术问题

本实用新型的目的在于克服采用现有监测井对土壤中的气体进行采集时，由于气井气密性较差，从而影响土壤气的采集质量，所得采集气不能真实反映土壤中气体分布的真实情况的不足，提供了一种土壤气分层采集装置。采用本实用新型的技术方案能够对土壤不同深度的VOCs进行取样，并能够有效保证气体的取样质量，进而有利于保证土壤气监测结果的准确性。

2.技术方案

为达到上述目的，本实用新型提供的技术方案为：

其一，本实用新型的一种土壤气分层采集装置，包括井管本体，所述的井管本体包括过滤段和隔层段，与隔层段对应的井管本体内设有封隔板，通过封隔板将井管本体内部分隔为多个采样容腔，且所述过滤段对应的井管管壁上设有筛孔；所述的井管本体内还设有底部开通并延伸至不同采样容腔内的多组采气管，每组采气管均包括对应设置的进气管和出气管。

更进一步的，所述的进气管均与惰性气体瓶相连，惰性气体瓶上设有阀门，且进气管的进气口安装有流量计，所述出气管的出气口均与气体取样装置相连。

更进一步的，所述井管本体的外部设有滤料层，滤料层外部设有带孔的包裹层。

更进一步的，与所述过滤段对应的滤料层采用石英砂，与隔层段对应的滤料层采用为膨润土，所述的包裹层采用纱布或纱网。

更进一步的，所述的封隔板采用低吸附性材料制成，所述的进气管和出气管均采用UPVC或者不锈钢材质。

更进一步的，所述的封隔板上加工有连接孔，连接孔的两端设有连接管，该连接管采用气管快速接头；所述的进气管和出气管均由多段连接而成，相邻两段之间通过上述连接管相连。

3.有益效果

采用本实用新型提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下显著效果：

(1)本实用新型的一种土壤气分层采集装置，其井管本体包括交替设置的过滤段和隔层段，与隔层段对应的井管本体内设有封隔板，通过封隔板将井管本体内部分隔为多个采样容腔，且各采样容腔内均设有采气管，从而可以对土壤不同深度的气体同时进行采集，实现单孔多层的土壤VOCs取样，并能防止不同深度气体间的混合，进而保证土壤气的采集质量，所得采集气能够真实反映土壤中气体分布的真实情况。

(2)本实用新型的一种土壤气分层采集装置，其进气管均与惰性气体瓶相连，惰性气体瓶上设有阀门，且进气管的进气口安装有流量计，所述出气管的出气口均与气体取样装置相连，从而可以有效实现土壤气的采集，同时通过该种采气装置的设置还可以对待采集气体的浓度直接进行实时监测，便于获得土壤不同深度VOCs的分布情况。

(3)本实用新型的一种土壤气分层采集装置，井管本体的外部设有滤料层，滤料层外部设有带孔的包裹层，其中，与过滤段对应的滤料层采用石英砂，与隔层段对应的滤料层采用为膨润土，通过在井管本体外部设置滤料层并对滤料层的分布进行优化设计，从而可以有效保证采集过程中井管的密封性，进一步避免不同采样深度气体的相互干扰，确保采样的准确性；同时滤料层能够有效防止细颗粒土壤堵塞透气段，确保取样井的成井质量。

(4)本实用新型的一种土壤气分层采集装置，所述的封隔板采用低吸附性材料制成，所述的进气管和出气管均采用UPVC或者不锈钢材质，从而可以保证进气管和出气管不易吸附VOCs且抗腐蚀能力较强，使装置能够长期使用，延长其使用寿命，并进一步保证气体监测结果的准确性。

(5)本实用新型的一种土壤气分层采集装置，现场施工操作方便，一次成井，并可以长期取样和监测，且本实用新型的装置不仅能够用于土壤VOCs的采集，同时也能够用于土壤中CO₂、N₂O、H₂S等气体的采集。

附图说明

图1为本实用新型的一种土壤气分层采集装置的结构示意图；

图2为本实用新型实施例2中第一层封隔板的结构示意图；

图3为本实用新型实施例2中第二层封隔板的结构示意图。

示意图中的标号说明：

101、隔层段；102、过滤段；201、第一进气管；202、第一出气管；301、第二进气管；302、第二出气管；4、封隔板；401、连接孔；5、连接管；601、第一采样容腔；602、第二采样容腔。

具体实施方式

为进一步了解本实用新型的内容，现结合附图和具体实施例对本实用新型作详细描述。

实施例1

如图1所示，本实施例的一种土壤气分层采集装置，包括井管本体，所述的井管本体包括交替设置的过滤段102和隔层段101，与隔层段101对应的井管本体内设有封隔板4，封隔板4上加工有连接孔401，通过封隔板4将井管本体内部分隔为多个采样容腔，且所述过滤段102对应的井管管壁上设有筛孔。所述的井管本体内还设有底部开通的多组采气管，采气管的底部穿过封隔板4上的连接孔401并延伸至不同采样容腔内。本实施例通过单次钻井，利用Eprobe环境钻机将井管放入井中，通过对井管不同深度添加封隔板4形成采样容腔，使土壤气通过过滤段102对应井管管壁上的筛孔进入采样容腔，从而可以利用不同采样容腔内插入的采气管对不同深度的土壤气同时进行收集，实现了单孔多层的土壤VOCs取样，并能防止不同深度气体间的混合，进而保证土壤气的采集质量，所得采集气能够真实反映土壤中气体分布的真实情况，同时其采集操作简单，采集效率高。

上述每组采气管均包括对应设置的进气管和出气管，其中，进气管均与惰性气体瓶相连，惰性气体瓶上设有阀门，且进气管的进气口安装有流量计，出气管的出气口均与气体取样装置相连。通过该采气管的设置可以有效实现土壤气的采集，同时还可以对待采集气体的浓度直接进行计算与实时监测，便于获得土壤不同深度VOCs的分布情况。

具体的，采用该采气管对土壤气进行采集时，可根据实际情况选择如下两种方式。第一种方式是关闭惰性气体瓶的阀门，使待采集气体通过过滤段102分别进入不同采样容腔，使采样容腔内污染物的浓度进行累积，然后通过与各采样容腔内出气管的出口相连的气体取样装置对气体样品进行采集，根据所采集待测气体的摩尔浓度变化即可计算出各采样容腔内待测气体的释放速率，从而实现土壤中不同深度待测气体的监测。第二种方式是打开惰性气体瓶的阀门，通过进气管向各采样容腔内通入惰性气体，使待采集气体随惰性气体一起由出气管排出，通过进气管进气口处的流量计对惰性气体进气流量进行监测，并利用气象色谱仪或PID控制器对出气管出气进行检测，从而可以直接计算得到土壤中不同深度VOCs的浓度分布状态。

本实施例中井管本体的外部设有滤料层，滤料层外部设有带孔的包裹层，与所述过滤段102对应的滤料层采用石英砂，与隔层段101对应的滤料层采用为膨润土，所述的包裹层采用纱布或纱网。通过在井管本体外部设置滤料层并对滤料层的分布进行优化设计，从而可以有效保证采集过程中井管的密封性，进一步避免不同采样深度气体的相互干扰，确保采样的准确性，同时能够确保成井质量。

实施例2

如图1所示，本实施例的一种土壤气分层采集装置，包括井管本体，所述的井管本体包括交替设置的过滤段102和隔层段101，与隔层段101对应的井管本体内设有封隔板4，通过封隔板4将井管本体内部分隔为多个采样容腔，且所述过滤段102对应的井管管壁上设有筛孔；上述井管本体内还设有底部开通并延伸至不同采样容腔内的多组采气管。本实施例的封隔板4采用低吸附性材料制成，进气管和出气管均采用UPVC材质，从而保证进气管和出气管不易吸附VOCs且抗腐蚀能力较强，使装置能够长期使用，延长其使用寿命，并进一步保证气体监测结果的准确性。为了保证整个系统的气封性，进气管和出气管均分成不同长度的管段(各管段长度具体根据待采集气体深度进行确定)，即均由多段连接而成。具体的是在封隔板4上加工有连接孔401，连接孔401内均设有连接管5，通过连接管5对进气管和出气管上相邻两段进行连接，本实施例中连接管5采用气管快速接头。

上述每组采气管均包括对应设置的进气管和出气管，其中，进气管均与惰性气体瓶相连，惰性气体瓶上设有阀门，且进气管的进气口安装有流量计，出气管的出气口均与气体取样装置相连。通过该采气管的设置可以有效实现土壤气的采集，同时还可以对待采集气体的浓度直接进行计算与实时监测，便于获得土壤不同深度VOCs的分布情况。具体的，本实施例的井管本体内设有两块封隔板4，其将井管本体内部分隔为第一采样容腔601和第二采样容腔602，第一采样容腔601内设有第一进气管201和第一出气管202，第二采样容腔602内设有第二进气管301和第二出气管302。上述两块封隔板4的结构示意图如图2、图3所示，其中，井管本体上部的封隔板4上对应加工有四个连接孔401，井管本体下部的封隔板4上对应加工有两个连接孔401。

本实施例中井管本体的外部设有滤料层，滤料层外部设有带孔的包裹层，与所述过滤段102对应的滤料层采用石英砂，与隔层段101对应的滤料层采用为膨润土，所述的包裹层采用纱布。通过在井管本体外部设置滤料层并对滤料层的分布进行优化设计，从而可以有效保证采集过程中井管的密封性，进一步避免不同采样深度气体的相互干扰，确保采样的准确性，同时能够确保成井质量。

本实施例的装置设计为1.5米一根的预装井管，根据预先的场地调查结果，确定土壤VOCs取样和监测的具体深度，从而对井管进行预装。具体的，先根据最大深度选取需要的预装井管数量。根据设计，确定土壤VOCs分层取样监测的深度，在定深位置的井管段开筛形成过滤段102，井管外部以石英砂为滤料填充形成石英砂滤料层；井管其他位置为隔层段101，不开筛，相应位置填充膨润土9，最后整个井管外部使用纱布包裹固定。然后，在井管隔层段101对应管内设置封隔板4，为保证定深内VOCs样品的准确性及定深取样段的密封性，封隔板采用低吸附性材料，本实施例中使用UPVC。将2组采气管通过封隔板4上的连接管5分别放置到取样定深。

上述步骤完成后，通过Eprobe环境钻机的直压式钻井方式，安装可抛弃式钻头，在场地的合适位置钻取与井管直径和深度对应的井孔，依靠Eprobe钻机将预装井管放入该井孔中。本实施例采用预装井的方式，可以大大优化采样装置深度的问题，配合Eprobe环境钻机使用，可以清晰地了解安装点的地层岩性分布，地下水位等信息，在掌握了污染物的垂向分布情况后，有针对性地设置土壤气体取样层段。由于地层具有伸缩性，井孔会出现塌陷情况，井管放入后，根据情况采取完井方式：如果井孔出现塌陷，地层比较松散，井管会在地层弹性作用下与地层紧密接触，同时井管外围已预先包裹物料，省去物料填充的施工操作，也避免了物料填充不均带来的取样井密封问题；如果井孔不出现塌陷，则需要在预装井管周围填充石英砂等物料，在近井口的位置填充膨润土或灌浆，保证井周的密封性，从而完成本实施例的采集装置的安装。

本实施例的一种土壤气分层监测方法，采用上述采集装置对土壤气进行采集与监测，本实施例中使用静态取样法，具体包括如下步骤：将所述采集装置的井管预装后放入井孔中，控制惰性气体瓶的阀门处于关闭状态，使待监测土壤中的挥发性有机污染物通过过滤段102进入井管内的不同采样容腔内，即使VOCs浓度在采样容腔内进行累积，经一定时间内通过与各采样容腔内出气管的出口相连的气体取样装置对气体样品进行采集，根据所采集待测气体的摩尔浓度变化即可计算出各采样容腔内待测气体的释放速率，从而实现土壤中不同深度待测气体的监测。该方法取得的是一段时间内的VOCs累积浓度，可以计算出该取样段某时间段内VOCs的平均释放速率，且设备简单，不需要引入其他设备。

各采样容腔内的待测气体在各个时间段内的释放速率根据如下公式进行计算：

式中：J为气体释放速率，单位：mmol·(m²·h)^-1；V为采样容腔体积，单位：m³；A为采样容腔对应井壁面积，单位m²；dc/dt为单位时间内待测气体摩尔浓度的变化，单位：mmol·(m³·h)^-1；

然后根据各个时间段内的释放速率求其平均值，即得出各采样容腔内的待测气体在总取样时间内的平均释放速率。

实施例3

如图1所示，本实施例的一种土壤气分层采集装置，包括井管本体，所述的井管本体包括交替设置的过滤段102和隔层段101，与隔层段101对应的井管本体内设有封隔板4，通过封隔板4将井管本体内部分隔为多个采样容腔，且所述过滤段102对应的井管管壁上设有筛孔；上述井管本体内还设有底部开通并延伸至不同采样容腔内的多组采气管。本实施例的封隔板4采用低吸附性材料制成，进气管和出气管均采用不锈钢材质。上述封隔板4上加工有连接孔401，连接孔401的两端设有连接管5，该连接管5采用气管快速接头；所述的进气管和出气管均由多段连接而成，相邻两段之间通过上述连接管5相连。

上述每组采气管均包括对应设置的进气管和出气管，其中，进气管均与惰性气体瓶相连，惰性气体瓶上设有阀门，且进气管的进气口安装有流量计，出气管的出气口均与气体取样装置相连。通过该采气管的设置可以有效实现土壤气的采集，同时还可以对待采集气体的浓度直接进行计算与实时监测，便于获得土壤不同深度VOCs的分布情况。本实施例中井管本体的外部设有滤料层，滤料层外部设有带孔的包裹层，与所述过滤段102对应的滤料层采用石英砂，与隔层段101对应的滤料层采用为膨润土，所述的包裹层采用纱网。通过在井管本体外部设置滤料层并对滤料层的分布进行优化设计，从而可以有效保证采集过程中井管的密封性，进一步避免不同采样深度气体的相互干扰，确保采样的准确性，同时能够确保成井质量。

本实施例的一种土壤气分层监测方法，将本实施例的采集装置的井管预装后，放入井孔中，待监测土壤中的挥发性有机污染物通过过滤段102进入井管内的不同采样容腔内，从而对土壤气进行采集与监测，本实施例中采用动态取样法，具体包括如下步骤：

(1)洗井：打开惰性气体瓶的阀门，向各进气管内持续通入惰性清扫气，使惰性清扫气进入采样容腔，保证出气管处于通气状态，采样容腔内的气体在清扫气的作用下由对应出气管的出气口流出，形成采样容腔内的微循环。上述清扫气的流入时间至少为4-5个置换时间(容腔体积/流入速度)，待出气口处的气体浓度达到稳定时，即完成洗井过程，此时出气口处气体浓度即可代表取样段的土壤中VOCs浓度。本实施例中惰性清扫气采用N₂，且控制清扫气的流速为10-50mL/min。

(2)气体采集：完成洗井后，继续保持惰性清扫气的通入，通过气体取样袋对各出气管的出气进行采集，每个样品采集足够量，保留平行样。

(3)气体检测：将采集的气体样品送到相关实验室利用气象色谱仪进行检测，或在现场利用PID进行快速检测，本实施例中采用气象色谱仪进行检测。

(4)VOCs浓度计算：实验室用气象色谱仪测试后，通过面积归一法计算出气体的质量浓度mg/m³，再换算成相应的摩尔浓度mmol.m^-3，即为该取样段的污染物浓度。具体地，N₂作为已知浓度的吹扫气，气相色谱仪测出的主要峰是N₂和待测气体峰，对比待测气体的峰面积和氮气的峰面积，可以计算出待测气体的浓度，待测气体的浓度的面积归一化公式为：

式中，C为气体样品的浓度，即为挥发性有机污染物的待测浓度，单位：mmol·m^-3；A为气体样品的峰面积；C₁、A₁分别为惰性清扫气的浓度和峰面积。

以上示意性的对本实用新型及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本实用新型的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本实用新型创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本实用新型的保护范围。