CN114563542A - 一种地下水监测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种地下水监测装置及方法，属于地下水监测设备领域，该地下水监测装置包括沿竖直方向设置的多个监测组件，相邻两个监测组件之间通过连接件连接，监测组件包括外筒和套设于外筒内且放置有水位监测计的内筒，外筒和内筒之间具有过滤层，外筒和内筒的侧壁上分别布设有至少一个通孔。本申请的地下水监测装置在使用时，将监测组件放入预先开设好的监测井中，土壤中的水分能从外筒侧壁渗入，经过过滤层过滤掉杂质后进入放置有水位监测计的内筒进行监测，通过水位监测计获取的水位水头、孔隙水盐度数据，计算得出地下水的交换速率，以确定红树林生长区域的地下水的淡水补给情况，其结构简单，便于运输和操作。

Description

一种地下水监测装置及方法

技术领域

本申请涉及地下水监测设备领域，尤其涉及一种地下水监测装置及方法。

背景技术

红树林的生长环境是一个咸淡水交界混合的周期性过程，由潮汐携带的盐度等水质变化和咸水动力条件都离不开湿地内陆淡水的补给和排泄，淡水对于红树林湿地的盐度稀释、水质淡化及抗衡咸水动力条件等具有类似“生态开关”或“生态调节器”的作用。

内陆的淡水补给和潮间带地下淡水排泄是红树林湿地的主要淡水来源，内陆的淡水补给比较容易监测，而地下水的淡水补给情况是目前的监测难点，现有的监测方式通常采用传统的地下水监测井，传统的地下水监测井需要机械设备进行打井作业，而红树林位于潮滩区域，导致机械设备很难运输和操作，且相对成本较高，容易破坏当地环境。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种地下水监测装置，以解决现有技术中传统监测井实现成本高且容易破坏当地环境的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种地下水监测装置，包括：

沿竖直方向设置的多个监测组件，相邻两个所述监测组件之间通过连接件连接；

所述监测组件包括外筒和套设于所述外筒内且放置有水位监测计的内筒，所述外筒和所述内筒之间具有过滤层，所述外筒和所述内筒的侧壁上分别布设有至少一个通孔。

在一种可能的实施方式中，所述监测组件还包括筒盖，所述筒盖连接于所述外筒的顶部开口处，用于密封所述外筒和所述内筒。

在一种可能的实施方式中，所述监测组件还包括设置于所述筒盖与所述过滤层之间的环形盖板。

在一种可能的实施方式中，所述水位监测计的顶部与所述筒盖之间设置有过滤棉。

在一种可能的实施方式中，所述监测组件设置有N个，所述连接件设置有(N-1)个，N为大于或等于2的正整数；

所述连接件包括连接杆和固定套圈，所述固定套圈分别固定于所述外筒的底部和所述筒盖上，所述连接杆的一端与所述外筒底部的所述固定套圈连接，另一端与所述筒盖处的所述固定套圈连接，以使相邻两个所述监测组件可拆卸连接。

在一种可能的实施方式中，所述筒盖与所述外筒的侧壁通过螺钉连接。

在一种可能的实施方式中，所述地下水监测装置还包括用于开设监测井的钻井管，所述钻井管包括两端开口的中空管体，所述中空管体用于钻入土层并能够取出土壤。

在一种可能的实施方式中，所述中空管体的外径小于或等于所述外筒的外径，所述中空管体的一端管口为收缩口，另一端管口处设有封闭帽，且所述封闭帽和与其连接的管口之间设置有密封圈。

在一种可能的实施方式中，所述钻井管还包括与所述中空管体可拆卸连接的压杆，所述压杆用于将外界施加的作用力传递至所述中空管体上。

另外，本发明还提供了一种地下水监测方法，包括：

确定要进行监测的地下水滩涂的位置；

在滩涂处于低潮时进行打井，取下地下水监测装置的钻井管的封闭帽，根据土层的硬度，对压杆施加相应的作用力，将钻井管压入土壤，压入深度为预设深度；

盖上封闭帽，旋转钻井管将土壤取出，完成打井工作；

将沿竖直方向连接的多个监测组件放入打好的监测井，采用定位设备确定地下水监测装置在滩涂上的位置以及最顶部的监测组件距离地面的高度，在监测井外做好标记；

根据监测组件的水位监测计获取该地下水滩涂位置的水位水头和盐度，计算出地下水交换速率。

本申请的地下水监测装置，具有沿竖直方向设置的多个监测组件，相邻两个所述监测组件之间通过连接件连接，监测组件包括外筒和放置有水位监测计的内筒，外筒和内筒的侧壁均开设有供水分进入的孔洞且二者之间设置了过滤层。在使用时，将监测组件放入预先开设好的监测井中，土壤中的水分能从外筒侧壁渗入，经过过滤层过滤掉杂质后进入放置有水位监测计的内筒进行监测，通过水位监测计获取的水位水头、孔隙水盐度数据，计算得出地下水的交换速率，以评价红树林生长区域的地下水的淡水补给情况，本申请的地下水监测装置，监测组件的结构简单，同时，可以长期放置在土壤下方，能够经济、高效、准确的完成滩涂地下水运移方向与交换速率的监测。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1示出了本申请一些实施例中装配后的监测组件的示意图；

图2示出了本申请一些实施例中监测组件的示意图；

图3示出了图2中I部的局部放大视图；

图4示出了本申请一些实施例中钻井管的示意图；

图5示出了本申请一些实施例中地下水监测方法的流程图。

主要元件符号说明：

1-监测组件；11-外筒；12-内筒；13-水位监测计；14-过滤层；15-筒盖；16-环形盖板；17-过滤棉；18-螺钉；19-把手；2-连接件；21-连接杆；22-固定套圈；3-钻井管；31-压杆；32-中空管体；321-收缩口；33-密封圈；34-封闭帽。

具体实施方式

下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

实施例一

请参阅图1至图3，本申请的地下水监测装置，主要用于对木本植物生长环境中地下水的监测，本实施例以地下水监测装置用于在红树林为例进行说明。该地下水监测装置包括：沿竖直方向设置的多个监测组件1，相邻两个监测组件1之间通过连接件2连接。

其中，监测组件1包括外筒11和套设于外筒11内且放置有水位监测计13的内筒12，外筒11和内筒12之间具有过滤层14，外筒11和内筒12的侧壁上分别布设有至少一个通孔。

可以理解的是，可以在外筒11和内筒12的侧壁上开设多个通孔，例如在外筒11的侧壁上沿其周向开设15个通孔，在内筒12的侧壁上沿其周向开设13个通孔，当然也可以与外筒11开设的通孔数量相等。另外，通孔的数量还可以是8个、12个、20个等等。

具体地，内筒12居中设置于外筒11中，外筒11和内筒12均为外表面光滑的圆柱形筒状结构，保证监测组件1能够顺畅地下入监测井。

可选地，外筒11与内筒12的底部密闭连接。

进一步的，外筒11的内底面居中位置处还可设置定位凹槽，用于放置内筒12，保证内筒12能够准确地放置在外筒11的居中位置，从而提高装配效率，同样的，内筒内底面也可设置定位凹槽，用于居中放置水位监测计13。

水位监测计13包括但不限于用于获取水头数据的水位传感器和用于获取孔隙水盐度数据的盐度传感器。

需要说明的是，所述过滤层14中放置有过滤材料，例如过滤棉和过滤砂石，优选地，过滤材料为砂石，砂石的直径大于或等于外筒11和内筒12侧壁所开设的通孔的大小，以在一定程度上防止监测组件1在长期使用的过程中，砂石堵塞通孔导致水分渗入不均匀的问题，防止影响水位监测计13的监测精度。

本申请的实施例提供的地下水监测装置，在使用时，先将监测组件1放入预先打好的监测井中，具体的，该监测井可以通过钻井管3进行打井，监测井使得监测组件1能够到达红树林的根际层和下层，根际层和下层土壤中的水分能从外筒11的通孔渗入，经过过滤层14过滤掉杂质后通过内筒12的通孔进入到放置有水位监测计13的内筒12进行监测，通过水位监测计13获取的水头、孔隙水盐度数据，判断处地下水的运移方向，计算得出地下水的交换速率，从而能够确定红树林生长区域的地下水的淡水补给情况。其无需通过大型机械设备进行打井作业，只需设置一个能够放置多个监测组件1即可的监测井。

请参阅图2和图3，在本申请的一个实施例中，进一步地，监测组件1还包括筒盖15，筒盖15连接于外筒11的顶部开口处，用于密封外筒11和内筒12。

可选地，所述筒盖15与所述外筒11的侧壁通过螺钉18连接，另外，筒盖15与外筒11之间还可以设置密封胶条，用于加强筒盖15和外筒11之间的密封性，使得土壤中的水分只能从外筒11侧壁的通孔渗入，以提高水位监测计13的监测精确度。

可以理解的是，筒盖15和外筒11还可以通过紧固件连接，例如快速夹、螺丝组件和卡扣组件等等，这里优选地，选择筒盖15与外筒11的侧壁通过螺钉18连接，螺钉18的数量可以根据设计需要进行设置，可以设置1个、2个、4个、6个等等，通过螺钉这种连接方式占用外筒11侧壁的空间较小，在监测组件1放入监测井的过程中可以避免紧固件与监测井的干涉。

请参阅图3，在本申请的一个实施例中，进一步地，监测组件1还包括设置于筒盖15与过滤层14之间的环形盖板16。环形盖板16套设在内筒12外，用于阻挡和密封过滤材料。这样，一方面可以在一定程度上避免过滤材料溢出至筒盖15和外筒11的连接处从而造成筒盖15开闭过程卡涩的情况发生，另一方面可以避免过滤材料掉落至内筒12中。

更进一步地，水位监测计13的顶部与筒盖15之间设置有过滤棉17。

在本实施例中，一方面，过滤棉17用于固定水位监测计13，防止地下水监测装置在运输和下井的过程中，出现水位监测计13上下活动的情况。另一方面，水位监测计13与筒盖15之间具有一定高度的空隙，过滤棉17具有等同于过滤层14的过滤效果，能够改善空隙引起的水位监测计13浸润不均匀的情况。

请参阅图1，在本申请的上述实施例中，可选地，监测组件1设置有N个，连接件2设置有(N-1)个，N为大于或等于2的正整数。其中，最顶部的监测组件1的筒盖15上安装有把手19，方便使用者在监测井中取放监测组件1。

本实施例中，以监测组件1为3个，连接件2为2个为例，当然，根据红树林土壤下层深度要求，也可以设置4个监测组件1和3个连接件2，当然，N也可以是其大于或等于2的正整数，在此就不一一列举说明。

可选地，连接件2包括连接杆21和固定套圈22。固定套圈22分别固定于外筒11的底部和筒盖15上，连接杆21的一端与外筒11底部的固定套圈22连接，另一端与筒盖15处的固定套圈22连接，以使相邻两个监测组件1可拆卸连接。

在本实施例中，连接杆21与监测组件1之间除了通过固定套圈22连接以外，还可以采用螺纹连接、管箍连接、法兰连接以及丝扣连接等方式连接。

请参阅图4，在本申请的另一个实施例中，进一步地，地下水监测装置还包括用于开设监测井的钻井管3，钻井管3包括两端开口的中空管体32，中空管体32用于钻入土层并能够取出土壤。

在本实施例中，钻井管3的材料可选为不锈钢或PVC(Polyvinyl chloride，聚氯乙烯)。使用时，将钻井管3压入土层，土壤会容纳于中空管体32中，取出钻井管3可将土壤一并取出，此方法与传统的打井方式相比，能够在不破坏红树林湿地原有的土层结构的前提下形成监测井，另外，该钻井管3结构简单，便于运输和操作。

更进一步地，中空管体32的外径小于或等于外筒11的外径，中空管体32的一端管口为收缩口321，另一端管口处设有封闭帽34，且封闭帽34和与其连接的管口之间设置有密封圈33。

在钻井管3进行打井作业时，收缩口321在钻井管3压入土层的过程中，可以提高打井过程的顺畅性，在钻井管3取出过程中，土壤由于自身重力的作用或者使用者的操作失误，会导致土壤滑落至已经打好的监测井中，而收缩口321可以起到阻挡土壤滑落的作用。除此之外，中空管体32的管口还可以设置成锯齿状管口或者收缩口和锯齿状组合使用的方式。

另外，封闭帽34和密封圈33用于密封中空管体32一端的管口，使得中空管体32内形成负压，可以起到进一步阻挡土壤滑落的作用。在钻井管3打井过程中，先把封闭帽34和密封圈33取出，将钻井管3压入土层至预设深度后，安装密封圈33并盖上封闭帽34，旋转钻井管3将中空管体32中的土壤取出，完成打井工作。

更进一步地，钻井管3还包括与中空管体32可拆卸连接的压杆31，压杆31用于将外界施加的作用力传递至中空管体32上。

在本实施例中，围绕着中空管体32外侧面还可开设用于固定压杆31的环形槽，环形槽起到对压杆31在竖直方向上的限位作用，防止在打井的过程中压杆31沿着中空管体32上下滑动。

实施例二

如图5所示，本申请的实施例二还提供了一种地下水监测方法，包括步骤：

S01，确定要进行监测的地下水滩涂的位置。

具体地，根据红树林的位置确定地下水滩涂的位置，从而确定安装监测组件1的位置。

S02，在滩涂处于低潮时进行打井，取下地下水监测装置的钻井管3的封闭帽34，根据土层的硬度，对压杆31施加相应的作用力，将钻井管3压入土壤，压入深度为预设深度。

监测井中最上端的监测组件1的顶部距离滩涂地面以下10-20cm，该预设深度为最上端的监测组件1的顶部到最下端的监测组件1的底部之间的距离再加上10-20cm。

S03，盖上封闭帽34，旋转钻井管3将土壤取出，从而完成打井工作。

S04，将沿竖直方向连接的多个监测组件1放入打好的监测井，采用定位设备确定地下水监测装置在滩涂上的位置以及最顶部的监测组件1距离地面的高度，在监测井外做好标记。

具体地，将外筒11中过滤层14填入滤料(砂石)，关闭环形盖板16，将水位监测计13装入内筒12中，再水位监测计13顶部放置过滤棉17，然后将筒盖15，筒盖15通过螺钉18固定。再将外筒11底部的固定固定套圈22与连接杆21相连固定，并按照上述操作重复连接，依次组装完成多个监测组件1的连接。

S05，根据监测组件1的水位监测计13获取该地下水滩涂位置的水位水头和盐度，计算出地下水交换速率。

具体地，红树林区域地下水交换速率的计算方法如下：

利用水位监测计13记录得到的水头、孔隙水盐度数据和考虑密度效应的广义达西定律，可以计算出地表水与地下水的交换速率：

式中，T是垂向交换速率(m·s^-1)，K是垂向渗透系数(m·s^-1)，h是水头(m)，ρ是盐度(m·s^-3)。

盐度的计算方法：

ρ＝ρ₀(1+μs)

式中，ρ₀是20℃淡水密度，s是孔隙水盐度，μ是常数。

可分别计算出红树林的根际层和下层的地表水与地下水的纵向交换速率：

式中，T_m、T_b分别是红树林根际层和下层的纵向交换速率，h1、h2、h3是三个水位传感器获取的水头，s1、s2、s3是三个盐度传感器获取的孔隙水盐度。K_m、K_b分别是根际层和下层纵向渗透系数。

红树林根际层内横向交换速率为：

根据以上方法计算得出的交换速率，该交换速率是评价红树林湿地地下淡水补给情况的一项重要指标。

需要说明的是，在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种地下水监测装置，其特征在于，包括：

沿竖直方向设置的多个监测组件，相邻两个所述监测组件之间通过连接件连接；

所述监测组件包括外筒和套设于所述外筒内且放置有水位监测计的内筒，所述外筒和所述内筒之间具有过滤层，所述外筒和所述内筒的侧壁上分别布设有至少一个通孔。

2.根据权利要求1所述的地下水监测装置，其特征在于，所述监测组件还包括筒盖，所述筒盖连接于所述外筒的顶部开口处，用于密封所述外筒和所述内筒。

3.根据权利要求2所述的地下水监测装置，其特征在于，所述监测组件还包括设置于所述筒盖与所述过滤层之间的环形盖板。

4.根据权利要求2所述的地下水监测装置，其特征在于，所述水位监测计的顶部与所述筒盖之间设置有过滤棉。

5.根据权利要求2所述的地下水监测装置，其特征在于，所述监测组件设置有N个，所述连接件设置有(N-1)个，N为大于或等于2的正整数；

所述连接件包括连接杆和固定套圈，所述固定套圈分别固定于所述外筒的底部和所述筒盖上，所述连接杆的一端与所述外筒底部的所述固定套圈连接，另一端与所述筒盖处的所述固定套圈连接，以使相邻两个所述监测组件可拆卸连接。

6.根据权利要求2至5中任一项所述的地下水监测装置，其特征在于，所述筒盖与所述外筒的侧壁通过螺钉连接。

7.根据权利要求1至5中任一项所述的地下水监测装置，其特征在于，所述地下水监测装置还包括用于开设监测井的钻井管，所述钻井管包括两端开口的中空管体，所述中空管体用于钻入土层并能够取出土壤。

8.根据权利要求7所述的地下水监测装置，其特征在于，所述中空管体的外径小于或等于所述外筒的外径，所述中空管体的一端管口为收缩口，另一端管口处设有封闭帽，且所述封闭帽和与其连接的管口之间设置有密封圈。

9.根据权利要求7所述的地下水监测装置，其特征在于，所述钻井管还包括与所述中空管体可拆卸连接的压杆，所述压杆用于将外界施加的作用力传递至所述中空管体上。

10.一种地下水监测方法，其特征在于，包括：

确定要进行监测的地下水滩涂的位置；

在滩涂处于低潮时进行打井，取下地下水监测装置的钻井管的封闭帽，根据土层的硬度，对压杆施加相应的作用力，将钻井管压入土壤，压入深度为预设深度；

盖上封闭帽，旋转钻井管将土壤取出，完成打井工作；

将沿竖直方向连接的多个监测组件放入打好的监测井，采用定位设备确定地下水监测装置在滩涂上的位置以及最顶部的监测组件距离地面的高度，在监测井外做好标记；

根据监测组件的水位监测计获取该地下水滩涂位置的水位水头和盐度，计算出地下水交换速率。

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