CN104990575A - 一种组合式地下水监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种组合式地下水监测装置，至少包括数据采集终端和监测管件，监测管件中安装有多个传感器，监测管件包括相互连通的多个监测取样管、多个封隔管、多个连接管和位于监测管件尾端的尾管，各监测取样管与各封隔管交替分布并且通过连接管连接，监测管件的主体包括外管、充气管、支撑板和取样管，支撑板垂直于外管轴线安装于外管中，充气管和取样管通过支撑板固定，取样管中设有2根以上取样管束，封隔管的外管上包裹有封隔气囊、管壁中设有连通封隔气囊与充气管的气囊支管，监测取样管和尾管的外管上均设有与取样管束连通的取样口，尾管的下端通过密封底板进行密封；该装置能够实现多层含水层和同一含水层的不同深度地下水监测和取样。

Description

一种组合式地下水监测装置

技术领域

本发明涉及一种地下水监测装置，属于地下水监测技术领域。

背景技术

目前，我国地下水资源紧缺状况是十分严重的。造成我国地下水资源紧缺状况的原因，一方面是需水量大幅度增加，另一方面是地下水资源开发利用不合理，浪费严重。与此同时，水体污染正加剧中国的地下水危机，中国地质调查局的相关专家曾提出，全国有90％的地下水都遭受了不同程度的污染，其中60％污染严重。据估算，我国地下水天然资源约为8288亿立方米/年，占我国水资源总量(河川径流量和地下水量)的30％左右，能够直接利用的地下水资源为2900亿立方米/年。全国有近70％的人口饮用地下水。

因此，对地下水进行长期的监测就显得尤为重要。当前国内外地下水监测井及相关设备主要有以下几个问题：

1、单层井建井成本较高，费用昂贵；

2、多层监测井因为井管较多，止水过程复杂，密封难度大；

3、地下水常规非专一指标不能实现原位监测；

4、监测装置的一体化和自动化程度低，精度差，高精度检测主要依赖进口；

5、监测井成井工艺复杂，尤其是止水密封(用于阻止水力联系)和滤料填充(减少地下水样品杂质)，耗费时间精力，往往效果不够理想。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足并提供一种组合式地下水监测装置，该装置能够实现多层含水层和同一含水层的不同深度监测。

实现本发明目的所采用的技术方案为，一种组合式地下水监测装置，至少包括位于监测井外的数据采集终端、位于监测井中的传感器以及连接数据采集终端与传感器的数据传输线，装置中设有2个以上传感器，各传感器和数据传输线均固定于监测管件中，监测管件沿竖直方向安装于监测井内，所述监测管件包括相互连通的2个以上监测取样管、2个以上封隔管、2个以上连接管和尾管，各监测取样管与各封隔管交替分布，相邻的监测取样管与封隔管通过连接管连接，尾管位于监测管件的尾端并且通过连接管与封隔管连接，传感器安装于监测取样管和尾管中，监测取样管、封隔管、连接管和尾管的主体均包括外管以及安装于外管中的充气管、支撑板和取样管，支撑板垂直于外管轴线安装于外管中，充气管和取样管相互平行并且均通过支撑板固定，数据传输线位于外管中，取样管中设有2根以上取样管束；所述封隔管的外管外表面上包裹有封隔气囊，封隔管的外管的管壁中设有气囊支管，气囊支管连通封隔气囊与封隔管的充气管；所述监测取样管和尾管的外管上均设有取样口，各取样口分别与所在外管的其中一根取样管束连通，尾管的下端通过密封底板进行密封。

装置中设有太阳能供电组件、空气泵和自吸泵，自吸泵、空气泵、数据采集终端和各传感器均由太阳能供电组件供电，自吸泵与取样管束连通，空气泵与充气管连通。

外管的两端分别设有相匹配的内螺纹和外螺纹，数据传输线的两端分别为相配套的接口A和接口B，监测取样管、封隔管和连接管中外管、充气管和取样管的长度均相同，充气管和取样管的一端位于外管中，另一端位于外管外，尾管中充气管和取样管的长度小于外管，充气管和取样管的一端位于外管中，另一端与外管尾端齐平。

支撑板上设有密封圈，取样口中安装有滤网。

监测取样管和尾管中均安装有压力传感器、温度传感器、电导率传感器和溶解氧传感器，密封底板上安装有超声波测距传感器和液位传感器。

取样口的数量与取样管束的数量相同并且一一对应。

所述数据传输线为集成数据线，由一根抗噪线和1组以上数据线集成，数据线的数量与与之连接的传感器电极数量相匹配。

所述监测管件通过固定于监测井井口的支撑台固定于监测井内，所述支撑台中心开设安装孔，监测管件的顶端固定于安装孔中。

由上述技术方案可知，本发明提供的组合式地下水监测装置，采用设计的封隔管、连接管和监测取样管按照具体要求进行组合，实现了多层含水层和同一含水层的不同深度监测，封隔管通过空气泵对封隔气囊充气，使封隔气囊膨胀后与监测井井壁压紧，起隔水和支撑固定的作用，封隔气囊充气后膨胀并与井壁紧密接触，相邻两个封隔管形成静水环境，从而达到阻止不同深度地下水水力联系的效果，采集的地下水样品为监测取样管所在深度的真实地下水，封隔管充气后还有固定监测管件的作用，当需要拆卸监测管件时只需要通过充气管放气，便可以轻松将监测管件从监测井中取出；自吸泵与取样管束连通，通过监测取样管和尾管上的取样口进行地下水的取样，取样口中的滤网用于过滤泥沙；监测取样管是整个监测井的取样和数据监测部分，连接管是封隔管和监测取样管的连接装置，连接管起调节监测井高度的作用，通过连接多个连接管可以灵活设计整个监测井的监测深度，在连接管之间安装封隔管可以灵活设置隔水层；在实现多层含水层的数据监测时，只需要在连接管之间灵活安装封隔管和监测取样管；在实现同一含水层的不同深度数据监测时，只需要在连接管之间灵活安装监测取样管。

对于多管组合的设计方案，管与管的连接处是最大的难题，本装置采用凹凸连接方式，充气管和取样管一端内凹位于外管中，另一端外凸伸出外管外，由于充气管和取样管均与外管等长，因此一端突出的充气管和取样管与另一端对应的凹进去的充气管和取样管对齐，其连接处通过支撑板上的密封圈(硅胶圈)进行密封，外管通过两端的内螺纹和外螺纹进行连接，外管的螺纹旋紧过程中，硬质充气管和取样管不停的挤压密封圈，直到外管旋紧，以此达到充气管和取样管直接的密封，由于封隔管、连接管和监测取样管均采用一端凸一端凹的设计，因此封隔管、连接管和监测取样管之间可以随时的连接；数据传输线具有一定的长度，相邻两根数据传输线通过相配套的接口A和接口B连接。

监测管件通过固定于监测井井口的支撑台固定，即监测管件的顶端位于监测井外，方便监测管件的安装和拆除。

本发明采用的数据传输线为集成数据线，由一根抗噪线和1组以上数据线集成，数据线的数量与与之连接的传感器电极数量相匹配，以电导率传感器为例，一个电极需要连接2针数据线和至少1针抗噪线，那么10个电极只需要并联20针数据线，共用1针抗噪线，并且将21针合为一根数据线，将数据传输线集成设计，精简了管与管的接口处的连接结构，使数据传输更方便并且可缩小管径，进而降低监测井的直径；各传感器只共用抗噪线和地线，所以各传感器处于并联状态，其中一个出问题对其他传感器不产生影响。

本发明提供的组合式地下水监测装置，集合了压力传感器、温度传感器、电导率传感器、溶解氧传感器、超声波测距传感器和液位传感器，能够实现地下水多层测试原位取样、利用传感器电极和高程计对地下水监测井高程(H)、水压(P)、温度(T)、电导率(cond)、酸碱度(pH)、氧化还原点位(Eh)、溶解氧(DO)等七个参数进行测试，并推算井口到液面高度、液面到井底深度水位。

与现有技术相比，本发明提供的组合式地下水监测装置具有如下优点：

1)利用太阳能供电组件供电，方便野外作业，环保节能；

2)可以灵活设置监测深度，可批量生产固定规格的封隔管、连接管和监测取样管，通过三种管的组合可灵活适应不同要求的监测井；

3)可实现固定式安装或移动安装，便于设备的保养、检修和重复利用；

4)简化了成井工艺，利用本装置进行地下水监测，由于封隔管自身可起到起隔水和支撑固定的作用，因此可减少监测井成井工艺过程中的止水等环节，并且对监测井的成井工艺没有要求，在钻井完成后不需要进行其他工作便可进行监测。

附图说明

图1为本发明提供的组合式地下水监测装置的结构示意图。

图2为连接管的结构示意图。

图3为封隔管的结构示意图。

图4为监测取样管的结构示意图。

图5为尾管的结构示意图。

其中，1-数据采集终端，2-监测管件，3-监测井，4-太阳能供电组件，5-连接管，6-监测取样管，7-封隔管，8-尾管，9-支撑台，10-空气泵，11-自吸泵，12-充气管，13-取样管，14-取样管束，15-数据传输线，16-接口A，17-接口B，18-支撑板，19-密封圈，20-外管，21-封隔气囊，22-气囊支管，23-压力传感器，24-温度传感器，25-电导率传感器，26-溶解氧传感器，27-取样口，28-滤网，29-密封底板，30-超声波测距传感器，31-液位传感器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细具体说明，本发明的内容不局限于以下实施例。

本发明提供的组合式地下水监测装置，其结构如图1所示，包括数据采集终端1、监测管件2、太阳能供电组件3、空气泵10和自吸泵11，监测管件中安装有2个以上传感器，各传感器通过数据传输线连接数据采集终端，监测管件2通过固定于监测井3井口的支撑台9沿竖直方向固定于监测井内，支撑台中心开设安装孔，监测管件固定于安装孔中，自吸泵、空气泵、数据采集终端和监测管件中的各传感器均由太阳能供电组件供电，数据采集终端、自吸泵、空气泵和太阳能供电组件均位于监测井3外，自吸泵11优选多通道自吸泵；

所述监测管件包括相互连通的2个以上监测取样管6、2个以上封隔管7、2个以上连接管5和尾管8，各监测取样管与各封隔管交替分布，相邻的监测取样管与封隔管通过连接管连接，尾管位于监测管件的尾端并且通过连接管与封隔管连接；

连接管5的结构如图2所示，连接管5在装置中主要起调节监测管件高度的作用，主体包括外管20以及安装于外管中的充气管12、支撑板18和取样管13，支撑板垂直于外管轴线安装于外管中，支撑板上设有密封圈19，充气管和取样管相互平行并且均通过支撑板固定，数据传输线15位于外管中，取样管中设有2根以上取样管束14，外管的两端分别设有相匹配的内螺纹和外螺纹，数据传输线的两端分别为相配套的接口A16和接口B17，外管、充气管和取样管的长度相同，充气管和取样管的一端内凹位于外管中，另一端外凸伸出位外管外；

封隔管的结构如图3所示，封隔管在装置中起隔水和固定支撑的作用，主体包括外管20以及安装于外管中的充气管12、支撑板18和取样管13，支撑板垂直于外管轴线安装于外管中，支撑板上设有密封圈19，充气管和取样管相互平行并且均通过支撑板固定，数据传输线15位于外管中，取样管中设有2根以上取样管束14，外管的两端分别设有相匹配的内螺纹和外螺纹，外管的外表面上包裹有封隔气囊20，封隔管的外管的管壁中设有气囊支管21，气囊支管连通封隔气囊与封隔管的充气管，空气泵与充气管连通，通过气囊支管21向封隔气囊20充气，数据传输线的两端分别为相配套的接口A16和接口B17，外管、充气管和取样管的长度相同，充气管和取样管的一端内凹位于外管中，另一端外凸伸出位外管外；

监测取样管的结构如图4所示，主体包括外管20以及安装于外管中的充气管12、支撑板18和取样管13，支撑板垂直于外管轴线安装于外管中，支撑板上设有密封圈19，充气管和取样管相互平行并且均通过支撑板固定，数据传输线15位于外管中，取样管中设有2根以上取样管束14，外管的两端分别设有相匹配的内螺纹和外螺纹，外管上设有取样口27，取样口中安装有滤网28，取样口与所在外管的其中一根取样管束连通，取样管束与多通道自吸泵连通，用于地下水的取样，数据传输线的两端分别为相配套的接口A16和接口B17，外管、充气管和取样管的长度相同，充气管和取样管的一端内凹位于外管中，另一端外凸伸出位外管外，监测取样管安装有压力传感器23、温度传感器24、电导率传感器25和溶解氧传感器26，各传感器均通过数据传输线15连接数据采集终端1，从而实现定点取样和原位监测功能；

尾管的结构如图5所示，主体包括外管20以及安装于外管中的充气管12、支撑板18和取样管13，支撑板垂直于外管轴线安装于外管中，支撑板上设有密封圈19，充气管和取样管相互平行并且均通过支撑板固定，数据传输线15位于外管中，取样管中设有2根以上取样管束14，外管的两端分别设有相匹配的内螺纹和外螺纹，外管上设有取样口27，取样口中安装有滤网28，取样口与所在外管的其中一根取样管束连通，数据传输线的两端分别为相配套的接口A16和接口B17，充气管和取样管的长度小于外管，充气管和取样管的一端内凹位于外管中，另一端与外管尾端齐平，尾管的下端通过密封底板29进行密封，密封底板上安装有超声波测距传感器30和液位传感器31，用于水位等测定，尾管安装有压力传感器23、温度传感器24、电导率传感器25和溶解氧传感器26，各传感器均通过数据传输线15连接数据采集终端1；

监测管件2中相邻管件的数据传输线通过相配套的接口A和接口B连接，外管通过两端的内螺纹和外螺纹进行连接，外管的螺纹旋紧过程中，硬质充气管和取样管不停的挤压密封圈，直到外管旋紧，以此达到充气管和取样管直接的密封，监测管件的取样口的数量与取样管束的数量相同并且一一对应，自吸泵与取样管束连通；所述数据传输线为集成数据线，由一根抗噪线和1组以上数据线集成，数据线的数量与与之连接的传感器电极数量相匹配，以电导率传感器为例，一个电极需要连接2针数据线和至少1针抗噪线，那么10个电极只需要并联20针数据线，共用1针抗噪线，并且各传感器共用抗噪线和地线，即各传感器处于并联状态，其中一个出问题对其他传感器不产生影响。

实际使用中，除监测管件最底端的尾管固定安装，其他监测取样管可根据需要选择性安装，并且安装顺序也可以调换。

Claims (8)

1.一种组合式地下水监测装置，至少包括位于监测井外的数据采集终端、位于监测井中的传感器以及连接数据采集终端与传感器的数据传输线，其特征在于：装置中设有2个以上传感器，各传感器和数据传输线均固定于监测管件中，监测管件沿竖直方向安装于监测井内，所述监测管件包括相互连通的2个以上监测取样管、2个以上封隔管、2个以上连接管和尾管，各监测取样管与各封隔管交替分布，相邻的监测取样管与封隔管通过连接管连接，尾管位于监测管件的尾端并且通过连接管与封隔管连接，传感器安装于监测取样管和尾管中，监测取样管、封隔管、连接管和尾管的主体均包括外管以及安装于外管中的充气管、支撑板和取样管，支撑板垂直于外管轴线安装于外管中，充气管和取样管相互平行并且均通过支撑板固定，数据传输线位于外管中，取样管中设有2根以上取样管束；所述封隔管的外管外表面上包裹有封隔气囊，封隔管的外管的管壁中设有气囊支管，气囊支管连通封隔气囊与封隔管的充气管；所述监测取样管和尾管的外管上均设有取样口，各取样口分别与所在外管的其中一根取样管束连通，尾管的下端通过密封底板进行密封。

2.根据权利要求1所述的组合式地下水监测装置，其特征在于：装置中设有太阳能供电组件、空气泵和自吸泵，自吸泵、空气泵、数据采集终端和各传感器均由太阳能供电组件供电，自吸泵与取样管束连通，空气泵与充气管连通。

3.根据权利要求1所述的组合式地下水监测装置，其特征在于：外管的两端分别设有相匹配的内螺纹和外螺纹，数据传输线的两端分别为相配套的接口A和接口B，监测取样管、封隔管和连接管中外管、充气管和取样管的长度均相同，充气管和取样管的一端位于外管中，另一端位于外管外，尾管中充气管和取样管的长度小于外管，充气管和取样管的一端位于外管中，另一端与外管尾端齐平。

4.根据权利要求1所述的组合式地下水监测装置，其特征在于：支撑板上设有密封圈，取样口中安装有滤网。

5.根据权利要求1所述的组合式地下水监测装置，其特征在于：监测取样管和尾管中均安装有压力传感器、温度传感器、电导率传感器和溶解氧传感器，密封底板上安装有超声波测距传感器和液位传感器。

6.根据权利要求1所述的组合式地下水监测装置，其特征在于：取样口的数量与取样管束的数量相同并且一一对应。

7.根据权利要求1所述的组合式地下水监测装置，其特征在于：所述数据传输线为集成数据线，由一根抗噪线和1组以上数据线集成，数据线的数量与与之连接的传感器电极数量相匹配。

8.根据权利要求1所述的组合式地下水监测装置，其特征在于：所述监测管件通过固定于监测井井口的支撑台固定于监测井内，所述支撑台中心开设安装孔，监测管件的顶端固定于安装孔中。