CN114166580B - 一种地下分层的水气采集装置、采集方法及井管清洗方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种地下分层的水气采集装置、采集方法及井管清洗方法。所述装置包括第一气压密封栓、第二气压密封栓、气压缸、活动伸缩组件、第一充气管、第二充气管和水气采集导管，气压缸位于第一和第二气压密封栓之间，且一端与第一气压密封栓相连，另一端与活动伸缩组件相连，第一充气管与气压缸相连通，第二充气管与第一、第二气压密封栓内的密封腔体相连，第一和第二气压密封栓与装置所在的井管之间形成一采集空间，水气采集导管与采集空间相连，用于采集该空间内的水气样品。本发明提供了一种可以降低现有地下水气监测误差和节约成本的地下分层水气采集方案。

Description

一种地下分层的水气采集装置、采集方法及井管清洗方法

技术领域

本发明属于地下水采集技术领域，具体涉及一种地下分层的水气采集装置、采集方法及井管清洗方法。

背景技术

地下水与地表水交互作用带是陆地和水域之间碳迁移转化的活跃圈层，在控制水环境质量和生态功能中发挥重要作用。由于地表水和地下水之间频繁而强烈的交互作用，在其作用带形成了极具时空异质性的水文、地球化学等多过程融合的特点。地下水和地表水中的碳，随着不同时段和季节地表水与地下水的相互补给，在地下水与地表水交互作用带汇集与交换，在经过一系列生物-地球-化学作用后再分散进入于地下水系统和地表环境，有的甚至进入深层地下水中，形成了复杂的碳过程和源汇格局。

当前，气候变化及其不利影响已成为全球的焦点，并且随着“碳中和”目标提出，对全球碳循环问题的重视度日益增加。河流及其周边湿地作为碳沉积和碳循环的重要媒介，在全球气候变化的大背景下，其水文(水量和水温等)发生着显著变化；在地下水与地表水交互作用下，其物质和能量的交换和循环将愈发活跃。

如何通过技术手段研究未来气候变化对河流及湿地碳源汇功能的影响，是一个具有重大意义的科学问题。目前，国内外学者主要通过钻探的手段，通过埋设一系列不同深度花管建立监测井来开展相关的研究工作。

但受地下不同沉积厚度、以及钻探对地下含水层扰动的影响，各监测井的监测结果差异性很大；且钻探的成本相对较高，尤其是在青藏高原等生态脆弱地区开展相关工作，钻探和洗孔等活动易对区域生态环境造成无法恢复的破坏。

如何提供一种可以保证监测与取样结果的准确性、连续性，减少重复的工作量和降低对生态环境的破坏的地下分层水气采集方案，是一个急需解决的技术问题。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种地下分层的水气采集装置、采集方法及井管清洗方法，从而克服现有技术的不足。

为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：一种地下分层的水气采集装置，所述水气采集装置位于监测井的井管中，所述井管包括多段花管，所述水气采集装置包括：

气压密封组件，所述气压密封组件包括上下设置的第一气压密封栓和第二气压密封栓，所述第一气压密封栓和第二气压密封栓内均各设置一密封空腔；

活动伸缩组件，包括外杆和密封套设于所述外杆内的内杆，所述外杆沿内杆上下相对移动；

气压缸，位于所述第一气压密封栓和第二气压密封栓之间，且其一端与一主轴杆相连通，另一端与所述外杆相连通，所述主轴杆贯穿所述第一气压密封栓，且其上端伸出第一气压密封栓外，下端与所述气压缸相连通；

充气管组件，包括第一充气管和第二充气管，所述第一充气管与所述气压缸相连通，所述第二充气管与所述第一气压密封栓的密封空腔和第二气压密封栓的密封空腔均相连通；

水气采集导管，其贯穿所述第一气压密封栓，且其上下两端分别伸出所述第一气压密封栓的上下端外；

采集时，通过所述第一充气管向气压缸内充气，所述气压缸在气压作用下推动外杆向靠近第二气压密封栓的方向移动，直至所述第一气压密封栓和第二气压密封栓之间的距离大于单段所述花管的高度；通过所述第二充气管向所述第一气压密封栓和第二气压密封栓的密封腔体内充气，两个密封腔体充气膨胀，使得所述第一气压密封栓和第二气压密封栓与井管的管壁之间紧密贴合，形成一采集空间，所述采集空间对应的井管的部分外壁与井管外相通；所述水气采集导管将所述采集空间内的水或气体抽尽，使所述采集空间内形成一负压状态，外部待采集的水或气体在所述负压状态下向采集空间内逸散；所述水气采集导管抽取所述采集空间内的水气样品

在一优选实施例中，所述装置还包括用于确定所述水气采集装置下放到所述井管内目标位置的监视器，所述监视器固定于所述气压缸外壁上且通过通信导线与外界相连。

在一优选实施例中，所述井管包括外井管和位于所述外井管内的内井管，所述外井管和内井管之间形成有填充空间，所述外井管和内井管的对应外壁上开设有开孔，且所述外井管和内井管的管壁上自上而下间隔均匀布置有多个所述开孔，所述开孔对应的填充空间内填充有与井管外可相连通的材料，所述填充空间的其他部分填充不透水透气的材料。

在一优选实施例中，所述井管的上端盖设有井盖，所述井盖的下端面上固定一用于连接监视器的连接件。

在一优选实施例中，所述第一气压密封栓和第二气压密封栓的外侧面为弹性表面，所述弹性表面为高弹塑性复合橡胶，所述高弹塑性复合橡胶包括聚四氟乙烯和合成橡胶，或者天然橡胶和氯丁橡胶的混合物。

在一优选实施例中，所述活动伸缩组件的外杆和内杆的接触处采用密封垫圈密封。

在一优选实施例中，所述水气采集导管包括相接的第一刚性部分和第一柔性部分，所述第一刚性部分贯穿所述第一气压密封栓，所述第一柔性部分位于第一气压密封栓和第二气压密封栓之间。

在一优选实施例中，所述第二充气管包括第二刚性部分、第二柔性部分和第三刚性部分，所述第二刚性部分与主轴杆相连，所述第二柔性部分一端与所述第二刚性部分相连，另一端与所述第三刚性部分相连，所述第三刚性部分与所述内杆相连。

另一方面，本发明实施例提供了一种地下分层的水气采集方法，包括：

S100，通过第一充气管向气压缸内充气，气压缸在气压作用下推动外杆向靠近第二气压密封栓的方向移动，移动直至第一气压密封栓和第二气压密封栓之间的距离大于花管的高度；

S200，通过第二充气管向第一气压密封栓和第二气压密封栓的密封腔体内充气，两个密封腔体充气膨胀，使得第一气压密封栓和第二气压密封栓与井管的管壁之间紧密贴合，形成一采集空间；

S300，采用水气采集导管将所述采集空间内的水或气体抽尽，使采集空间内形成一负压状态，外部待采集的水或气体在所述负压状态下向采集空间内逸散；

S400，采用所述水气采集导管抽取所述采集空间内的水气样品。

在一优选实施例中，所述S200和S300之间还包括：

通过第一充气管继续向气压缸内充气，检测所述采集空间是否完全密封，若未完全密封，则重复执行所述S200，直至所述采集空间完全密封。

另一方面，本发明还揭示了一种地下分层的井管清洗方法，对堵塞的井管内壁进行清洗，所述方法具体包括：

S601，通过第一充气管向气压缸内充气，气压缸在气压作用下推动外杆向靠近第二气压密封栓的方向移动，移动至清洗的井管内壁位置处；

S602，通过第二充气管向第一气压密封栓和第二气压密封栓的密封腔体内充气，两个密封腔体充气膨胀，使得第一气压密封栓和第二气压密封栓与井管的管壁之间紧密贴合，形成一清洗空间；

S603，通过控制驱动盒内的三通阀，打开连接清洗喷嘴端的阀门，同时关闭连接抽吸导管处的阀门，从水气采集导管输入清洗水，水流通过清洗喷嘴喷出清洗井管内壁，同时通过控制微型电机使驱动盒围绕气压缸外侧的齿轮滑道左右往复移动，对堵塞的井管进行多方位清洗，同时通过辅助监视器对井内情况进行实时监视；

S604，清洗完毕，关闭清洗喷嘴处阀门，打开抽吸导管处的阀门，分层将清洗的废水通过水气采集导管抽取出；

S605，最后通入纯净水对水气采集导管、三通阀、清洗喷嘴、抽吸导管进行至少一次清洗。与现有技术相比较，本发明的有益效果至少在于：

1、本发明聚焦地下水-地表水交互带的碳循环研究过程，首次通过对地下不同地质层位分层设置一体化的监测井，采用高效便捷的活动式水-气采集装置逐一分层采集水-气样品，该方法有助于探索地下水与地表水交互带碳循环的暗过程、新机制，拓展我们对地下水-地表水交互带对全球气候变化影响的认识、助推全球碳中和目标的达成。

2、本发明降低了监测井的数量，减少钻探机器的施工面积和钻探废弃岩土体的数量；并且进行钻孔清洗时，可针对性地分层清洗，不会对其他地层的地下水造成二次扰动，可确保清洗废液不会溢出监测井，最大限度降低对自然生态环境的破坏。

3、本发明安装操作简便、标准化，可广泛应用于各类环境条件较为苛刻场景的地下水环境监测井，如垃圾场、矿山、饮用水源地、化工企业等对地下水环境进行监测。

4、本发明避免了监测井的重复建设，缩短了监测井建设和采样时间，降低成本；每个监测孔按20米深度计算，每米设置1个花管进行水气采集工作，则需要建立20个监测井；而倘若采用本地下分层水气采集方法，则只需建立1～3个监测井即可长期监测，按照平均钻探费用600元/米计算，单个监测区域总共节约成本20.4～22.8万元，常规钻孔清洗过程会对其他各层位造成扰动，需静置24～48小时后才可开始取样，而本发明在钻孔清洗过程不会对其他各层位造成扰动，因此不需要静置等待时间，即可开始取样工作。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一实施方式中水气采集装置的结构示意图；

图2是本发明一实施方式中井管安装于地面下的安装结构示意图；

图3是本发明一实施方式中水气采集装置置于井管中的结构示意图。

附图标记：

100、水气采集装置，200、井管，201、外井管，202、内井管，203、填充空间，204、开孔，205、井盖，206、连接件，207、采集空间，300、地面，301、隔水层，302、包气带，303、水位波动带，304、含水层，10、气压密封组件，11、第一气压密封栓，12、第二气压密封栓，13、密封空腔，20、主轴杆，21、固定环，30、气压缸，40、活动伸缩组件，41、外杆，42、内杆，50、充气管组件，51、第一充气管，52、第二充气管，521、第二刚性部分，522、第二柔性部分，523、第三刚性部分，60、水气采集导管，61、第一刚性部分，62、第一柔性部分，70、监视器，71、通信导线，80、清洗装置，81、驱动盒，82、齿轮滑道，83、凸起，84、抽吸导管，85、清洗喷嘴，86、凹槽。

具体实施方式

通过应连同所附图式一起阅读的以下具体实施方式将更完整地理解本发明。本文中揭示本发明的详细实施例；然而，应理解，所揭示的实施例仅具本发明的示范性，本发明可以各种形式来体现。因此，本文中所揭示的特定功能细节不应解释为具有限制性，而是仅解释为权利要求书的基础，且解释为用于教示所属领域的技术人员在事实上任何适当详细实施例中以不同方式采用本发明的代表性基础。

结合图1～图3所示，本发明实施例所揭示的一种地下分层的水气采集装置100，在采集时，置于井管200中。井管200在安装时，其上端高出地面300，且优选高于地面300mm以上，本实施例中，井管采用双重钢管，具体包括外井管201和位于外井管201内的内井管202，外井管201和内井管202之间形成有填充空间203。根据实际地层和地下水波动情况，在外井管201和内井管202相对应的外壁上开设有开孔204，且外井管201和内井管202的管壁上自上而下间隔均匀布置有多个开孔204，开孔204对应的填充空间203内填充有与井管200外可相连通的材料，填充空间的其他部分填充不透水透气的材料。本实施例中，外井管201和内井管202均为钢管，且外井管201可采用外径直径127mm，壁厚2mm的钢管，内井管202可采用外径直径108mm，壁厚2mm的钢管。外井管201和内井管202的管壁上上下相邻两个开孔204之间的间距为100～200mm范围内，开孔204的直径为3～4mm，且两井管开孔204处用砂砾石进行封填，其余部位采用不透水透气的无机材料(如，水泥基渗透结晶型防水材料)进行封填，同时辅以止水带(如，金属止水带)材料进行密封止水防漏，两井管之间可采用螺纹接口(图未示)进行衔接。当然，本发明对井管结构不限于这里所限定的，只要安装高于地面300且其上开设开孔204即可。

另外，井管200上还盖设一井盖205，井盖205的下端面上固定一用于连接监视器的连接件206，作为后期监视器的吊绳着力点；井盖205的侧壁焊接铰链，方便后期安装锁具(图未示)。本实施例中，井盖205采用长度为150～155mm，外径为直径130～135mm，壁厚为2～4mm的钢管，一端用直径为直径132～137mm、厚度2～4mm的钢板进行焊接，做成一个圆筒状井盖，井盖205的下端面上焊接一个U型挂钩，作为后期监视器的吊绳着力点。

井管200的下端伸入到相应的试验位置，本实施例中，井管200的下端伸入到隔水层301的下方，在地下的隔水层301和地面300之间，还从上往下依次有包气带302、水位波动带303和含水层304。井管200的下端伸入的位置依据具体的试验要求设置，并不限定一定将井管200的下端深入到隔水层301下方，只要求井管200的下端焊接封堵良好即可。

井管200包括多段花管，花管即滤水管，是供水井管建设的主要材料之一，一般安装在井管200中对应的含水层304部位，起滤水挡砂作用。花管可以近似理解为就是侧壁带孔的管状物体。上述采集空间207包含了一段花管。该监测井中花管的布置方法是使用双重花管中间夹填料，该方法能使得花管与外界地层(含水层304)间有较好的连通性，确保较好的过滤效果，极大降低在长期使用过程中花管堵塞，更有利于后期样品的采集工作顺利开展。

水气采集装置100具体包括气压密封组件10、主轴杆20、气压缸30、活动伸缩组件40、充气管组件50、水气采集导管60和监视器70，其中，气压密封组件10具体包括第一气压密封栓11和第二气压密封栓12，第一气压密封栓11和第二气压密封栓12上下相对设置，且第一气压密封栓11和第二气压密封栓12内均各设置一用于充气的密封空腔13，优选地，第一气压密封栓11和第二气压密封栓12的外侧面为弹性表面，有利于第一气压密封栓11和第二气压密封栓12与井管200内壁的密封性。本实施例中，第一气压密封栓11和第二气压密封栓12均呈外直径为90～93mm、高度为50～52mm的密闭圆柱体，第一气压密封栓11和第二气压密封栓12内均设直径60～65mm、高度30～35mm的圆柱形密封空腔13，密闭圆柱体的外侧面为高弹塑性复合橡胶，其主要材质为聚四氟乙烯和合成橡胶，或者天然橡胶和氯丁橡胶的混合物，也可为类似于卡车用内胎的材料等。

主轴杆20贯穿第一气压密封栓11，且其上端与一固定环21相连，下端与气压缸相连，固定环主要用于与绳索(图未示)相连。本实施例中，主轴杆为外直径为30mm、厚度为2mm、长度为200mm的不锈钢材质钢管，上端连接外直径为35mm的钢环，下端则与气压缸30相连。主轴杆20的作用主要为连接和支撑作用，整个装置均是附着于主轴杆20上，依靠主轴杆20与上端绳索相连接。

气压缸30设置于第一气压密封栓11和第二气压密封栓12之间，且其一端与一主轴杆20的下端相连通，另一端与活动伸缩组件40相连。本实施例中，气压缸30为外直径为40mm、厚度为2mm、高度为100mm的不锈钢材质的密闭圆柱体，圆柱体下端与活动伸缩组件40相连。

活动伸缩组件40包括外杆41和密封套设于外杆41内的内杆42，所述外杆41在气压缸30的作用下可沿内杆42上下相对移动伸缩，优选地，活动伸缩组件40的外杆41和内杆42的接触处采用密封垫圈(图未示)相密封，保证内外杆之间的气密性。本实施例中，外杆41为外直径为30mm、厚度为2mm、长度为为100mm的钢管，内杆42为外直径为26mm、厚度为2mm、长度为100mm的钢管，材质均为不锈钢，内、外杆相连接处均使用橡胶垫圈密封，保证气密性。

充气管组件50包括第一充气管51和第二充气管52，其中，第一充气管51一端穿过第一气压密封栓11，用于与外部的空气压缩机相连，另一端与气压缸30相连通。本实施例中，第一充气管51为外直径为10mm、厚度1mm、长度为200mm，材质为不锈钢钢管。第二充气管52与第一气压密封栓11的密封空腔13和第二气压密封栓12的密封空腔13均相连通。其具体包括第二刚性部分521、第二柔性部分522和第三刚性部分523，其中，第二刚性部分521与第一气压密封栓11的密封空腔13相连通且位于主轴杆20内与主轴杆20相连，第二柔性部分522一端与第二刚性部分521相连，另一端与第三刚性部分523相连，第三刚性部分523与第二气压密封12栓的密封空腔13相连通且位于活动伸缩组件40的内杆42内且与内杆42相连。本实施例中，第二刚性部分521和第三刚性部分523均为不锈钢材质钢管，且长度为20mm，第二柔性部分522为外直径为10mm、厚度为2mm的柔性复合橡胶管，且材质主要为乙丙橡胶。本发明通过第二充气管52将上下气压密封栓中的密封空腔连接起来，在保证整个充气过程的气密性优良的前提下，使得两个上下气压密封栓工作同步协调，同时发挥阻隔密闭的作用；同时，第二柔性部分522则可较好保证整个装置在使用过程中局部的移动和调整，确保下端第二气压密封栓12移动的灵活性；而第二刚性部分521和第三刚性部分523均为不锈钢材质钢管为刚性材质，可确保整个的装置在使用过程的稳定牢靠。

水气采集导管60贯穿第一气压密封栓11，且其上下两端分别伸出第一气压密封栓11的上下端外。其具体包括相接的第一刚性部分61和第一柔性部分62，第一刚性部分61贯穿第一气压密封栓11，第一柔性部分62位于第一气压密封栓11和第二气压密封栓12之间。本实施例中，第一刚性部分61为外直径为10mm、厚度为1mm、长度为90mm的不锈钢材质钢管，第一柔性部分62为外直径为20mm、厚度2mm、长度为200mm的柔性复合橡胶管，其材质主要为乙丙橡胶。本发明通过第一充气管51可将密闭的采集空间207与外界联系起来，在简单的组合和布局中保证整个装置在使用过程的稳固牢靠，其中第一柔性部分62与驱动盒81相连接，能够较好地伸缩和延伸，保证驱动盒81运行灵活，便于给驱动盒81上的清洗喷嘴85供水，使得井管200的冲洗工作顺利开展。

本发明实施例所揭示的一种地下分层的水气采集装置100，还包括用于对井管进行清洗的清洗装置80，所述清洗装置80包括驱动盒81、齿轮滑道82、凸起83、抽吸导管84和一清洗喷嘴85，其中，驱动盒81与第一柔性部分62的下端、抽吸导管84的上端和清洗喷嘴85分别连接，本实施例中，驱动盒81具体包括一微型电机(图未示)和一三通阀(图未示)，其中，驱动盒81具体通过所述三通阀的三个接口相连接。本实施例中，与第一柔性部分62相连的进口管的外直径可为10mm，微型电机的额定电压为3.7V、额定功率为0.56W、转矩为55g/cm，三通阀的额定电压为12V、额定功率为0.9W。齿轮滑道82附着在气压缸30外侧，驱动盒81滑动设置于该齿轮滑道82上，可沿齿轮滑道82进行左右180°的往复移动。本实施例中，齿轮滑道82的尺寸为宽5m、高10mm的圆环，圆环外侧设有齿轮状凹槽，齿轮状凹槽的宽为3mm、高为5mm，圆环上侧也设有宽的2mm、高2mm凹槽，凹槽86的作用主要是起到卡扣和支撑作用，保证驱动盒81会始终紧贴在气压缸30外侧，绕齿轮滑道82运动。本实施例中，驱动盒81为长(具体为弧长)50mm、宽20mm、高50mm的不锈钢盒，紧紧贴附固定在气压缸30外侧的齿轮滑道82和凸起83上，凸起83主要是对驱动盒81起到一个支撑作用，不至于使得整个驱动盒81的着力点都在齿轮滑道82上。驱动盒81通过微型电机驱动随齿轮滑道82移动。三通阀下端的出气口分别与具有细小多孔径的清洗喷嘴85和抽吸导管84相连。本实施例中，清洗喷嘴85为扁平喷嘴，扁平喷嘴的孔径2mm，内径8mm，抽吸导管84的外直径为8mm、厚度2mm、长度为200mm柔性复合橡胶管，材质主要为乙丙橡胶。

监视器70固定于气压缸30外壁上且通过通信导线71与外界相电连，用于确定水气采集装置100下放到井管200内目标位置。本实施例中，监视器70为夜视防水高清针孔摄像头，其黏附在气压缸30外侧中间位置，通过通信导线71与外界相连进行实时监控。

使用时，根据需要使用钻探机械，在目标区域采用直径120mm钻具进行钻探，确保整个钻探过程(开孔和终孔)中使用在统一规格大小的钻具，钻探达到目标深度。用绳索与水气采集装置100顶部的固定环21相连接，缓慢把装置下放到监测井的井管200中，通过摄像头传输回来的影像确定装置下放到达目标位置。通过外接的空气压缩机经第一充气管51向气压缸30内充气，气压缸30内气压变化，气压缸30在气压作用下推动外杆41向靠近第二气压密封栓12的方向移动，移动直至第一气压密封栓11和第二气压密封栓12之间的距离大于单段所述花管的高度；关闭第一充气管51，打开第二充气管52，继续使用外接的空气压缩机通过第二充气管52向第一气压密封栓11和第二气压密封栓12的密封腔体13内充气，使得上下两个密封腔体13充气膨胀，使得第一气压密封栓11和第二气压密封栓12与井管200的管壁之间完全紧密贴合，形成一采集空间207，所述采集空间207对应的井管200的部分外壁与井管200外相通。通过水气采集导管60将采集空间207内的水或气体抽尽，使所述采集空间207内形成一负压状态，静置10～30min，待外部待采集的水或气体在负压状态下向采集空间207内逸散。再通过所述水气采集导管60抽取该采集空间207内的水气样品，采集结束。

本发明另一实施例所揭示的一种地下分层的水气采集方法，包括以下步骤：

S100，通过第一充气管51向气压缸30内充气，气压缸30在气压作用下推动外杆41向靠近第二气压密封栓12的方向移动，移动直至第一气压密封栓11和第二气压密封栓12之间的距离大于花管的高度；

S200，通过第二充气管52向第一气压密封栓11和第二气压密封栓12的密封腔体13内充气，两个密封腔体13充气膨胀，使得第一气压密封栓11和第二气压密封栓12与井管200的管壁之间紧密贴合，形成一采集空间207；

S300，采用水气采集导管60将所述采集空间207内的水或气体抽尽，使采集空间207内形成一负压状态，外部待采集的水或气体在所述负压状态下向采集空间207内逸散；

S400，采用所述水气采集导管60抽取所述采集空间207内的水气样品。

优选地，在S200和S300之间还包括：通过第一充气管51继续向气压缸30内充气，检测所述采集空间207是否完全密封，若未完全密封，则重复执行所述S200，直至所述采集空间207完全密封。具体地，关闭第二充气管52，打开第一充气管51继续向气压缸30内充气，通过压缩机的气压表读数变化来确定装置的上下第一气压密封栓11和第二气压密封栓12之间是否完全隔离，若气压持续增大则表明装置中密封栓与井管管壁之间密闭良好，反之，气压存在跳动，表明气压密封栓与井管管壁之间的气密性不良，需继续重复上述步骤S200直至气密性良好。

另外，在采集结束后，打开第二充气管52使两个气压密封栓的密封腔体13内气体排出，气压密封栓收缩，可通过绳索缓慢拉放至其他位置继续采集水、气样品。

清洗时，若监测井管壁的花管被淤泥、黏土等物质堵塞，需开展洗管工作。本发明实施例所揭示的一种地下分层的井管清洗方法，具体包括：首先通过绳索和外接的空气压缩机往第一充气管51中充气的方法共同调节清洗位置，具体如何调节位置可参照上述步骤S100的描述。之后进行上述步骤S100和S200，之后，通过通信导线控制驱动盒81内的三通阀，打开连接清洗喷嘴85端的阀门，同时关闭连接抽吸导管84处的阀门，从水气采集导管60上端输入流速为6m/s的高压水，水流通过具有细小多孔径的清洗喷嘴85，转化为微细水射流，清洗花管；通过通信导线控制微型电机，使驱动盒81围绕气压缸30外侧的齿轮滑道82左右180°往复移动，对堵塞的花管进行360°清洗，具体地，如，驱动盒81往右顺时针运行180°后回到起始位置，再往左逆时针运行180°，再回到起始位置，该方法主要目的是能够更好地节省第一柔性部分62的长度，也可避免长期运行360°拉扯管道62，容易缠绕老化。同时通过辅助微型摄像头对井内情况进行实时监视。清洗完毕，关闭清洗喷嘴85处阀门，打开抽吸导管84处的阀门，及时分层将清洗的废水通过水气采集导管60抽取出，并最后通入纯净水对水气采集导管60、三通阀、清洗喷嘴85、抽吸导管84进行多次清洗，以确保后期取样结果的准确性。

本发明具有以下优点：1、本发明聚焦地下水-地表水交互带的碳循环研究过程，首次通过对地下不同地质层位分层设置一体化的监测井，采用高效便捷的活动式水-气采集装置逐一分层采集水样品和气体样品，该方法有助于探索地下水与地表水交互带碳循环的暗过程、新机制，拓展我们对地下水-地表水交互带响应全球气候变化的认识、实现全球碳中和目标。2、本发明降低了监测井的数量，减少钻探机器的施工面积和钻探废弃岩土体的数量；并且进行钻孔清洗时，可具有针对性地分层清洗，不会对其他地层的地下水造成二次扰动，可确保清洗废液不会溢出监测井，最大限度降低对自然生态环境的破坏。3、本发明安装操作简便、标准化，可广泛应用于各类环境条件较为苛刻场景的地下水环境监测井，如垃圾场、矿山、饮用水源地、化工企业等对地下水环境进行监测。4、本发明避免了监测井的重复建设，缩短了监测井建设和采样时间，降低成本；每个监测孔按20米深度计算，每米设置1个花管进行水气采集工作，则需要建立20个监测井；而倘若采用本地下分层水气采集方法，则只需建立1～3个监测井即可，按照平均钻探费用600元/米计算，单个监测区域总共节约成本20.4～22.8万元，常规钻孔清洗过程会对其他各层位造成扰动，需静置24～48小时后才可开始取样，而本发明在钻孔清洗过程不会对其他各层位造成扰动，因此不需要静置等待时间，即可开始取样工作。

本发明的各方面、实施例、特征及实例应视为在所有方面为说明性的且不打算限制本发明，本发明的范围仅由权利要求书界定。在不背离所主张的本发明的精神及范围的情况下，所属领域的技术人员将明了其它实施例、修改及使用。

尽管已参考说明性实施例描述了本发明，但所属领域的技术人员将理解，在不背离本发明的精神及范围的情况下可做出各种其它改变、省略及/或添加且可用实质等效物替代所述实施例的元件。另外，可在不背离本发明的范围的情况下做出许多修改以使特定情形或材料适应本发明的教示。因此，本文并不打算将本发明限制于用于执行本发明的所揭示特定实施例，而是打算使本发明将包含归属于所附权利要求书的范围内的所有实施例。

Claims (9)

1.一种地下分层的水气采集装置，其特征在于，所述水气采集装置位于监测井的井管中，所述井管包括多段花管，所述水气采集装置包括：

气压密封组件，所述气压密封组件包括上下设置的第一气压密封栓和第二气压密封栓，所述第一气压密封栓和第二气压密封栓内均各设置一密封空腔；

活动伸缩组件，包括外杆和密封套设于所述外杆内的内杆，所述内杆沿外杆上下相对移动；

气压缸，位于所述第一气压密封栓和第二气压密封栓之间，且其一端与一主轴杆相连通，另一端与所述外杆相连通，所述主轴杆贯穿所述第一气压密封栓，且其上端伸出第一气压密封栓外，下端与所述气压缸相连通；

充气管组件，包括第一充气管和第二充气管，所述第一充气管的一端穿过所述第一气压密封栓，并与外界的空气压缩机连通，另一端与所述气压缸相连通，所述第二充气管与所述第一气压密封栓的密封空腔和第二气压密封栓的密封空腔均相连通；

水气采集导管，其贯穿所述第一气压密封栓，且其上下两端分别伸出所述第一气压密封栓的上下端外；

监视器，固定于所述气压缸外壁上且通过通信导线与外界相连，用于确定所述水气采集装置下放到所述井管内的目标位置；

采集时，通过所述第一充气管向气压缸内充气，所述气压缸在气压作用下推动内杆向靠近第二气压密封栓的方向移动，移动直至所述第一气压密封栓和第二气压密封栓之间的距离大于单段所述花管的高度；通过所述第二充气管向所述第一气压密封栓和第二气压密封栓的密封腔体内充气，两个密封腔体充气膨胀，使得所述第一气压密封栓和第二气压密封栓与井管的管壁之间紧密贴合，形成一密封的采集空间，所述采集空间对应的井管的部分外壁与井管外相通，所述气压缸位于所述采集空间内；所述水气采集导管将所述采集空间内的水或气体抽尽，使所述采集空间内形成一负压状态，外部待采集的水或气体在所述负压状态下向采集空间内逸散；所述水气采集导管抽取所述采集空间内的水气样品。

2.根据权利要求1所述的一种地下分层的水气采集装置，其特征在于：所述井管包括外井管和位于所述外井管内的内井管，所述外井管和内井管之间形成有填充空间，所述外井管和内井管的对应外壁上开设有开孔，且所述外井管和内井管的管壁上自上而下间隔均匀布置有多个所述开孔，所述开孔对应的填充空间内填充有与井管外相连通的材料，所述填充空间的其他部分填充不透水透气的材料。

3.根据权利要求1所述的一种地下分层的水气采集装置，其特征在于：所述第一气压密封栓和第二气压密封栓的外侧面为弹性表面，所述弹性表面为高弹塑性复合橡胶，所述高弹塑性复合橡胶包括聚四氟乙烯和合成橡胶，或者天然橡胶和氯丁橡胶的混合物。

4.根据权利要求1所述的一种地下分层的水气采集装置，其特征在于：所述水气采集导管包括相接的第一刚性部分和第一柔性部分，所述第一刚性部分贯穿所述第一气压密封栓，所述第一柔性部分位于第一气压密封栓和第二气压密封栓之间。

5.根据权利要求1所述的一种地下分层的水气采集装置，其特征在于：所述第二充气管包括第二刚性部分、第二柔性部分和第三刚性部分，所述第二刚性部分与主轴杆相连，所述第二柔性部分一端与所述第二刚性部分相连，另一端与所述第三刚性部分相连，所述第三刚性部分与所述内杆相连。

6.根据权利要求1所述的一种地下分层的水气采集装置，其特征在于：所述装置还包括清洗装置，所述清洗装置包括驱动盒、清洗喷嘴、抽吸导管和齿轮滑道，所述齿轮滑道固定于所述气压缸外侧，所述驱动盒滑动设置于所述齿轮滑道上，所述驱动盒包括微型电机和三通阀，所述清洗喷嘴、抽吸导管和水气采集导管分别与所述三通阀的三个接口相连，所述驱动盒通过三通阀的控制从清洗喷嘴喷水清洗对应位置的井管内壁，且驱动盒在微型电机的驱动下沿所述齿轮滑道滑动，对井管内壁不同位置进行清洗。

7.一种基于权利要求1~6任意一项所述的地下分层的水气采集装置的水气采集方法，其特征在于，所述方法包括：

S100，通过第一充气管向气压缸内充气，气压缸在气压作用下推动内杆向靠近第二气压密封栓的方向移动，移动直至第一气压密封栓和第二气压密封栓之间的距离大于花管的高度；

S200，通过第二充气管向第一气压密封栓和第二气压密封栓的密封腔体内充气，两个密封腔体充气膨胀，使得第一气压密封栓和第二气压密封栓与井管的管壁之间紧密贴合，形成一密封的采集空间；

S300，采用水气采集导管将所述采集空间内的水或气体抽尽，使采集空间内形成一负压状态，外部待采集的水或气体在所述负压状态下向采集空间内逸散；

S400，采用所述水气采集导管抽取所述采集空间内的水气样品。

8.根据权利要求7所述的水气采集方法，其特征在于，所述S200和S300之间还包括：

S500，通过第一充气管继续向气压缸内充气，检测所述采集空间是否完全密封，若未完全密封，则重复执行所述S200，直至所述采集空间完全密封。

9.一种基于权利要求6所述的地下分层的水气采集装置的井管清洗方法，其特征在于，所述方法对堵塞的井管内壁进行清洗，所述方法具体包括：

S601，通过第一充气管向气压缸内充气，气压缸在气压作用下推动内杆向靠近第二气压密封栓的方向移动，移动至清洗的井管内壁位置处；

S602，通过第二充气管向第一气压密封栓和第二气压密封栓的密封腔体内充气，两个密封腔体充气膨胀，使得第一气压密封栓和第二气压密封栓与井管的管壁之间紧密贴合，形成一清洗空间；

S603，通过控制驱动盒内的三通阀，打开连接清洗喷嘴端的阀门，同时关闭连接抽吸导管处的阀门，从水气采集导管输入清洗水，水流通过清洗喷嘴喷出清洗井管内壁，同时通过控制微型电机使驱动盒围绕气压缸外侧的齿轮滑道左右往复移动，对堵塞的井管进行多方位清洗，同时通过辅助监视器对井内情况进行实时监视；

S604，清洗完毕，关闭清洗喷嘴处阀门，打开抽吸导管处的阀门，分层将清洗的废水通过水气采集导管抽取出；

S605，通入纯净水对水气采集导管、三通阀、清洗喷嘴、抽吸导管进行至少一次清洗。