CN112033754A - 一种沙质河床沉积物孔隙水采集装置及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
一种沙质河床沉积物孔隙水采集装置及其制作方法，以解决目前河床沉积物孔隙水采集成功率低、受外界扰动大以及成本高昂的问题。装置：上部钢管、中部钢管、下部钢管、进水段、底部钢管由上至下依次设置，实心受力钢球设置在上部钢管的顶端，圆锥钻头设置在底部钢管的下端，上部钢管的管壁上相对于轴线对称设置有两个取样孔，进水段的外钢管的管壁上设置有数个外钢管进水孔，内钢管的管壁上设置有数个内钢管进水孔，外钢管的内壁设置有外钢管滤网，内钢管的外壁设置有内钢管滤网，内钢管设置在外钢管中，内钢管与外钢管之间的腔体填充石英砂。方法：一、制备装置材料；二、组装；三、激光打标刻度。本发明用于沙质河床沉积物孔隙水的采集。
Description
技术领域
本发明属于水文地质技术领域，具体涉及一种沙质河床沉积物孔隙水采集装置及其制作方法。
背景技术
沉积物是河流地表水与地下水交互作用的关键带，探究沉积物孔隙水的同位素组成以及水质的变化是明确河水入渗过程中地表水与地下水转换关系和水质净化过程的关键步骤。科学适用的调查装置和方法是开展河床沉积物关键带地球化学过程研究的基础，更是促使现代化水文地质监测体系日臻完善的关键环节。
目前河床沉积物孔隙水的采集方法相当有限，主要包括反循环钻孔成井取样、原状沉积物采集分割后离心取样以及钻孔的PVC/PPR管固定滤网后砸进沉积物取样。反循环钻孔成井取样成功率高，且能够保障取水层位，但其成本高昂，不适用于大区域的样品采集；利用沉积物采样器采集原状沉积物分割后离心取样简单易操作，成本较低，但沉积物样品采集过程中容易造成不同层位孔隙水的混合，导致取样精度难以保证；利用钻孔的PVC/PPR管固定滤网后砸进沉积物取样则存在滤网在砸进过程中容易脱落，泥沙堵塞进水孔的问题，导致取样成功率偏低。因此，研发取样精度高、成本低廉、适用于大范围取样、且对生态环境干扰程度低的取样装置及与之配套的科学高效的取样方法，已成为水文地质调查领域亟待解决的重要问题。
发明内容
本发明为了解决目前河床沉积物孔隙水采集成功率低、受外界扰动大以及成本高昂的问题，提供了一种沙质河床沉积物孔隙水采集装置及其制作方法。
本发明为解决上述问题而采用的技术方案是：
一种沙质河床沉积物孔隙水采集装置，其组成包括实心受力钢球、上部钢管、中部钢管、下部钢管、进水段、底部钢管和圆锥钻头，上部钢管、中部钢管、下部钢管、进水段、底部钢管由上至下依次设置，实心受力钢球设置在上部钢管的顶端，圆锥钻头设置在底部钢管的下端，上部钢管的管壁上相对于轴线对称设置有两个取样孔，取样孔的直径为2.5cm，上部钢管、中部钢管和下部钢管的内径均应大于2.5cm，上部钢管与中部钢管、中部钢管与下部钢管均采用螺纹连接；进水段包括外钢管、内钢管、外钢管滤网、内钢管滤网、石英砂和两个挡环，外钢管的管壁上设置有数个外钢管进水孔，内钢管的管壁上设置有数个内钢管进水孔，外钢管的内壁设置有外钢管滤网，内钢管的外壁设置有内钢管滤网，内钢管设置在外钢管中，内钢管与外钢管之间的顶部和底部均采用挡环封堵，内钢管与外钢管之间的腔体填充石英砂。
进一步的，所述装置还包括六角套管，上部钢管与中部钢管螺纹连接处和中部钢管3与下部钢管螺纹连接处的外壁均焊接有六角套管。
进一步的，所述装置还包括刻度线，所述刻度线沿上部钢管、中部钢管和下部钢管的外表面竖向设置。
一种沙质河床沉积物孔隙水采集装置的制作方法，所述方法是通过以下步骤实现的：
步骤一、制备装置材料：
⑴、制备实心受力钢球：选取直径为8cm的不锈钢钢球作为实心受力钢球；
⑵、制备上部钢管：选取长度为100cm、外径为5cm的不锈钢管作为上部钢管，上部钢管的下端内径处设置内螺纹、外径处焊接一个六角套管，在上部钢管的管壁上相对于轴线对称开有两个取样孔，其直径为2.5cm；
⑶、制备中部钢管：选取长度为100cm、外径为5cm的不锈钢管作为中部钢管，中部钢管的上端外径处设置外螺纹、外螺纹下端焊接一个六角套管，中部钢管的下端内径处设置内螺纹、外径处焊接一个六角套管；
⑷、制备下部钢管：选取长度为85cm、外径为5cm的不锈钢管作为下部钢管，下部钢管的上端外径处设置外螺纹、外螺纹下端焊接一个六角套管；
⑸、制作进水段：选取长度为5cm、外径为5cm的不锈钢管作为外钢管，选取长度为5cm、外径为3cm的不锈钢管作为内钢管，在外钢管管壁上开有数个外钢管进水孔，在内钢管的管壁上开有数个内钢管进水孔，外钢管进水孔和所述内钢管进水孔的直径均为0.2cm，外钢管滤网沿外钢管的内壁铺设，内钢管滤网沿内钢管的外壁铺设，外钢管套装在内钢管外，将挡环焊接在内钢管与外钢管之间的顶部和底部，内钢管与外钢管之间的腔体填充石英砂，石英砂的直径为0.5mm～0.8mm；
⑹、制备底部钢管：选取长度为10cm、外径为5cm的不锈钢管作为底部钢管；
⑺、制备圆锥钻头：选取高为8cm、顶端直径为5cm的圆锥体作为圆锥钻头；
步骤二、组装：上部钢管与中部钢管螺纹连接，中部钢管与下部钢管螺纹连接，螺纹连接时螺纹处缠聚四氟乙烯带，实心受力钢球焊接在上部钢管的上端，进水段焊接在下部钢管的下端，底部钢管与进水段焊接，圆锥钻头与底部钢管焊接；
步骤三、激光打标刻度：在上部钢管、中部钢管、下部钢管上通过激光打标刻刻度，刻度间隔为1cm。
本发明的有益效果是：
一、本发明的装置进水段内嵌了过滤网和设置的外钢管进水孔、内钢管进水孔，能够有效避免钻进过程中的阻力。装置的圆锥形底端有助于装置穿透沉积物进入预期深度。装置顶端的实心受力钢球能够避免锤砸过程中管壁的变形。
二、本发明的装置钢管上的刻度有助于对钻进深度的测量。
三、本发明的方法可以提高河床沉积物孔隙水的取样成功率，通过内嵌滤网，可以有效的防止不同层位水体的混合，提高取样精度。采用此方法进行河床沉积物孔隙水样品的采集时，在允许深度范围内，成功率可达100％。
四、本发明选取的材质结构稳定、耐腐蚀且成本相对较低的不锈钢管作为主体材料，实心不锈钢圆锥体作为钻头及实心不锈钢球体作为受力材料，在实际应用过程中不会造成直接或者间接性的环境污染。
五、本发明原理清晰、操作性强、制作成本低廉且可重复使用，投入使用后无需频繁维护，可在多地区大面积推广应用。
六、本发明有效地避免了反循环钻进成井取样过程中车辆对河岸植被的碾压以及柴油燃烧对大气和水体环境的污染。
附图说明
图1是本申请一种沙质河床沉积物孔隙水采集装置的主视图；
图2是图1的I局部放大图；
图3是图1的Ⅱ局部放大图；
图4是图1的A-A截面视图；
图5是图1的B-B截面视图；
图6是六角套管8的俯视图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1～图6说明本实施方式，本实施方式包括实心受力钢球1、上部钢管2、中部钢管3、下部钢管4、进水段5、底部钢管6和圆锥钻头7，上部钢管2、中部钢管3、下部钢管4、进水段5、底部钢管6由上至下依次设置，实心受力钢球1设置在上部钢管2的顶端，圆锥钻头7设置在底部钢管6的下端，上部钢管2的管壁上相对于轴线对称设置有两个取样孔2-1，取样孔2-1的直径为2.5cm，上部钢管2、中部钢管3和下部钢管4的内径均应大于2.5cm，2.5cm可供水样采集泵泵头通过钢管连接处到达水面，上部钢管2与中部钢管3、中部钢管3与下部钢管4均采用螺纹连接，见图2和图3；进水段5包括外钢管5-1、内钢管5-2、外钢管滤网5-3、内钢管滤网5-4、石英砂5-5和两个挡环5-6，外钢管5-1的管壁上设置有数个外钢管进水孔5-1-1，内钢管5-2的管壁上设置有数个内钢管进水孔5-2-1，外钢管5-1的内壁设置有外钢管滤网5-3，内钢管5-2的外壁设置有内钢管滤网5-4，内钢管5-2设置在外钢管5-1中，内钢管5-2与外钢管5-1之间的顶部和底部均采用挡环5-6封堵，挡环5-6与内钢管5-2和外钢管5-1焊接，内钢管5-2与外钢管5-1之间的腔体填充石英砂5-5。上部钢管2、中部钢管3、下部钢管4、进水段5和底部钢管6的外径相同。
实心受力钢球1与上部钢管2、下部钢管4与进水段5、进水段5与底部钢管6、底部钢管6与圆锥钻头7均焊接在一起。
所述装置还包括六角套管8，上部钢管2与中部钢管3螺纹连接处和中部钢管3与下部钢管4螺纹连接处的外壁均焊接有六角套管8，以便使用管钳拆卸。
所述装置还包括刻度线9，所述刻度线9沿上部钢管2、中部钢管3和下部钢管4的外表面竖向设置。
具体实施方式二：结合图1～图6说明本实施方式，本实施方式是通过以下步骤实现的：
步骤一、制备装置材料：
⑴、制备实心受力钢球1：选取直径为8cm的不锈钢钢球作为实心受力钢球1；
⑵、制备上部钢管2：选取长度为100cm、外径为5cm的不锈钢管作为上部钢管2，上部钢管2的下端内径处设置内螺纹、外径处焊接一个六角套管8，在上部钢管2的管壁上相对于轴线对称开有两个取样孔2-1，其直径为2.5cm，供水样采集泵泵头和取样管插入钢管内水面；
⑶、制备中部钢管3：选取长度为100cm、外径为5cm的不锈钢管作为中部钢管3，中部钢管3的上端外径处设置外螺纹、外螺纹下端焊接一个六角套管8，中部钢管3的下端内径处设置内螺纹、外径处焊接一个六角套管8；中部钢管3的数量根据采样水深而定；
⑷、制备下部钢管4：选取长度为85cm、外径为5cm的不锈钢管作为下部钢管4，下部钢管4的上端外径处设置外螺纹、外螺纹下端焊接一个六角套管8；
⑸、制作进水段5：选取长度为5cm、外径为5cm的不锈钢管作为外钢管5-1，选取长度为5cm、外径为3cm的不锈钢管作为内钢管5-2，在外钢管5-1管壁上开有数个外钢管进水孔5-1-1，在内钢管5-2的管壁上开有数个内钢管进水孔5-2-1，外钢管进水孔5-1-1和所述内钢管进水孔5-2-1的直径均为0.2cm，外钢管滤网5-3沿外钢管5-1的内壁铺设，内钢管滤网5-4沿内钢管5-2的外壁铺设，外钢管5-1套装在内钢管5-2外，将挡环5-6焊接在内钢管5-2与外钢管5-1之间的顶部和底部，内钢管5-2与外钢管5-1之间的腔体填充石英砂5-5，石英砂5-5的直径为0.5mm～0.8mm；
⑹、制备底部钢管6：选取长度为10cm、外径为5cm的不锈钢管作为底部钢管6；
⑺、制备圆锥钻头7：选取高为8cm、顶端直径为5cm的圆锥体作为圆锥钻头7；
步骤二、组装：上部钢管2与中部钢管3螺纹连接，中部钢管3与下部钢管4螺纹连接，螺纹连接时螺纹处缠聚四氟乙烯带，以确保密闭性，实心受力钢球1焊接在上部钢管2的上端，进水段5焊接在下部钢管4的下端，底部钢管6与进水段5焊接，圆锥钻头7与底部钢管6焊接；
步骤三、激光打标刻度：在上部钢管2、中部钢管3、下部钢管4上通过激光打标刻刻度，刻度间隔为1cm。
本发明的使用方法：
一、取样装置在沉积物中的布设与固定：根据采样深度和河水深度确定所需中部钢管3的数量并组装装置，将上部钢管2、中部钢管3、下部钢管4、底部钢管6的管壁上涂抹聚氨酯膨胀止水胶，以避免其它层位的孔隙水的混入，待止水胶晾干后用尼龙锤敲打实心受力钢球1，使装置插入到河床沉积物中相应的取样深度。当圆锥钻头7在河床表面时，记录河水面在钢管外壁的刻度h1和已用的钢管数量n1，此钢管数量为上部钢管2+中部钢管3+下部钢管4+底部钢管6，当取样装置砸到相应取样深度时，记录河水在钢管外壁的刻度h2和已用的钢管数量n2。计算取样深度为：n2-n1+h2-h1。
二、取样装置中水样的采集：待目标层位沉积物孔隙水通过外钢管进水孔5-1-1和内钢管进水孔5-2-1渗入下部钢管4、中部钢管3、上部钢管2中后，利用手持电动水样采集器对装置中的水进行抽取，流速控制在30mL/s以下，直接将水样装瓶，然后密封保存，等待检测。
三、取样装置的取出：取样后，利用钢棍插入对称的取样孔2-1中，通过杠杆原理将取样装置取出，用管钳将每节钢管拆卸后清理，重新组装对下一个点进行取样。
本发明的应用实例：
中国科学院东北地理与农业生态研究所在第二松花江中游开展河床沉积物水土监测工作。在监测过程中进行河床沉积物孔隙水采集工作，利用一种沙质河床沉积物孔隙水采集装置进行采集的步骤如下：
一、取样装置在沉积物中的布设与固定：将上部钢管2、中部钢管3、下部钢管4、底部钢管6的管壁上涂抹聚氨酯膨胀止水胶后用尼龙锤敲打实心受力钢球1，使装置插入到河床沉积物中20cm～150cm深的范围内。
二、取样装置中水样的采集：待目标层位沉积物孔隙水通过外钢管进水孔5-1-1和内钢管进水孔5-2-1渗入下部钢管4、中部钢管3、上部钢管2中后，利用手持电动水样采集器对装置中的水进行抽取，流速控制在30mL/s以下，取样后装瓶、密封。
三、取样装置的取出：取样后，利用钢棍插入对称的取样孔2-1中，通过杠杆原理将取样装置取出，拆卸清理后对下一个点进行取样。
Claims (4)
1.一种沙质河床沉积物孔隙水采集装置，所述装置包括实心受力钢球(1)、上部钢管(2)、中部钢管(3)、下部钢管(4)、进水段(5)、底部钢管(6)和圆锥钻头(7)，上部钢管(2)、中部钢管(3)、下部钢管(4)、进水段(5)、底部钢管(6)由上至下依次设置，实心受力钢球(1)设置在上部钢管(2)的顶端，圆锥钻头(7)设置在底部钢管(6)的下端，上部钢管(2)的管壁上相对于轴线对称设置有两个取样孔(2-1)，取样孔(2-1)的直径为2.5cm，上部钢管(2)、中部钢管(3)和下部钢管(4)的内径均应大于2.5cm，上部钢管(2)与中部钢管(3)、中部钢管(3)与下部钢管(4)均采用螺纹连接，进水段(5)包括外钢管(5-1)、内钢管(5-2)、外钢管滤网(5-3)、内钢管滤网(5-4)、石英砂(5-5)和两个挡环(5-6)，外钢管(5-1)的管壁上设置有数个外钢管进水孔(5-1-1)，内钢管(5-2)的管壁上设置有数个内钢管进水孔(5-2-1)，外钢管(5-1)的内壁设置有外钢管滤网(5-3)，内钢管(5-2)的外壁设置有内钢管滤网(5-4)，内钢管(5-2)设置在外钢管(5-1)中，内钢管(5-2)与外钢管(5-1)之间的顶部和底部均采用挡环(5-6)封堵，内钢管(5-2)与外钢管(5-1)之间的腔体填充石英砂(5-5)。
2.根据权利要求1所述一种沙质河床沉积物孔隙水采集装置，其特征在于：所述装置还包括六角套管(8)，上部钢管(2)与中部钢管(3)螺纹连接处和中部钢管(3)与下部钢管(4)螺纹连接处的外壁均焊接有六角套管(8)。
3.根据权利要求1或2所述一种沙质河床沉积物孔隙水采集装置，其特征在于：所述装置还包括刻度线(9)，所述刻度线(9)沿上部钢管(2)、中部钢管(3)和下部钢管(4)的外表面竖向设置。
4.一种沙质河床沉积物孔隙水采集装置的制作方法，其特征在于：所述方法是通过以下步骤实现的：
步骤一、制备装置材料：
⑴、制备实心受力钢球(1)：选取直径为8cm的不锈钢钢球作为实心受力钢球(1)；
⑵、制备上部钢管(2)：选取长度为100cm、外径为5cm的不锈钢管作为上部钢管(2)，上部钢管(2)的下端内径处设置内螺纹、外径处焊接一个六角套管(8)，在上部钢管(2)的管壁上相对于轴线对称开有两个取样孔(2-1)，其直径为2.5cm；
⑶、制备中部钢管(3)：选取长度为100cm、外径为5cm的不锈钢管作为中部钢管(3)，中部钢管(3)的上端外径处设置外螺纹、外螺纹下端焊接一个六角套管(8)，中部钢管(3)的下端内径处设置内螺纹、外径处焊接一个六角套管(8)；
⑷、制备下部钢管(4)：选取长度为85cm、外径为5cm的不锈钢管作为下部钢管(4)，下部钢管(4)的上端外径处设置外螺纹、外螺纹下端焊接一个六角套管(8)；
⑸、制作进水段(5)：选取长度为5cm、外径为5cm的不锈钢管作为外钢管(5-1)，选取长度为5cm、外径为3cm的不锈钢管作为内钢管(5-2)，在外钢管(5-1)管壁上开有数个外钢管进水孔(5-1-1)，在内钢管(5-2)的管壁上开有数个内钢管进水孔(5-2-1)，外钢管进水孔(5-1-1)和所述内钢管进水孔(5-2-1)的直径均为0.2cm，外钢管滤网(5-3)沿外钢管(5-1)的内壁铺设，内钢管滤网(5-4)沿内钢管(5-2)的外壁铺设，外钢管(5-1)套装在内钢管(5-2)外，将挡环(5-6)焊接在内钢管(5-2)与外钢管(5-1)之间的顶部和底部，内钢管(5-2)与外钢管(5-1)之间的腔体填充石英砂(5-5)，石英砂(5-5)的直径为0.5mm～0.8mm；
⑹、制备底部钢管(6)：选取长度为10cm、外径为5cm的不锈钢管作为底部钢管(6)；
⑺、制备圆锥钻头(7)：选取高为8cm、顶端直径为5cm的圆锥体作为圆锥钻头(7)；
步骤二、组装：上部钢管(2)与中部钢管(3)螺纹连接，中部钢管(3)与下部钢管(4)螺纹连接，螺纹连接时螺纹处缠聚四氟乙烯带，实心受力钢球(1)焊接在上部钢管(2)的上端，进水段(5)焊接在下部钢管(4)的下端，底部钢管(6)与进水段(5)焊接，圆锥钻头(7)与底部钢管(6)焊接；
步骤三、激光打标刻度：在上部钢管(2)、中部钢管(3)、下部钢管(4)上通过激光打标刻刻度，刻度间隔为1cm。
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