CN116007998A - 多层同时驱替地下水分层快速采样设备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了多层同时驱替地下水分层快速采样设备及方法，该设备包括压缩气源、排气管、多个采样瓶、以及沿井孔深度分布的多个分层单元，每个采样瓶分别接有取样管，取样管伸入对应一个分层单元；压缩气源接有供气管；每个分层单元内设有井下储流容器，井下储流容器上端通过管路接有逆止阀和半透膜元件，逆止阀所在的管路连接供气管，半透膜元件所在的管路连接排气管；井下储流容器下端接有过滤渗析组件，过滤渗析组件与井下储流容器之间的管路连接取样管。本发明实现多个不同深度层位的地下水同时洗井与同时采样，提高了采样效率；且地下水分层采样层数越多，采样总耗时节省越明显。

Description

多层同时驱替地下水分层快速采样设备及方法

技术领域

本发明涉及水文地质与水资源、场地土壤与地下水污染技术领域，具体涉及多层同时驱替地下水分层快速采样设备及方法。

背景技术

随着快速工业化的进行，矿山开采与固废堆填、城镇生活垃圾填埋处置、化工园区及工业污染场地遍布，致地下水污染日益严重，阻碍经济绿色高质量发展，影响区域人类-动物-环境的健康。造成地下水污染的主要途径是雨水淋溶污染物的入渗及地层渗漏通道快速迁移扩散。国际发展经验表明，污染场地是城市化和工业化发展的产物，污染场地调查与修复事关生态环境可持续发展。部分发达国家或地区中心城市工业区的普遍萎缩、污染和被遗弃产生了大范围棕色地带，即所谓的“铁锈地带”。

近年来，相关政策法规和技术规范指出，结合技术发展水平，开展地下水环境分层监测。例如，《1:50000水文地质调查规范DZ/T 0282-2015》指出，多层含水层分布区，对主要含水层宜分别进行监测控制，有条件情况下应设置地下水分层监测井。

国内外开展了系列地下水分层采样监测技术研发。例如，发明专利“一种气体推动式地下流体分层取样装置”(公开号：CN103967486B)、发明专利“基于U型管技术的地下流体分层取样装置及方法”(公开号：CN105298490B)等提供了基于U型管原理的地下水分层采样技术，并开发了浅(30m)、中(200m)、深(2000m)三个系列的地下水U型管分层采样装置。然而，U型管在竖井每层中的布置、U型管的进出口接管及其管路元件都需要占用竖井截面空间，在有限的竖井直径下其分层层数受限。再如，发明专利“一种管中管地下流体分层取样装置”(公开号：CN104929629A)、实用新型专利“一种适用于多个含水层的地下水分层监测井”(公开号：CN208350783U)提供了基于管中管原理的气驱式地下水分层采样技术，相比U型管技术在原有条件下地下水环境分层监测层数实现了翻倍。

但是，以上方案仍存在地下水分层采样效率有待提高、分层层数有待进一步扩展等技术问题。尤其是在地下水采样容积1L的前提下，完成多个层位地下水洗井与采样的总时间需控制在60min以内。而以上现有技术在采样时需要逐层采样，无法满足这一需求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：如何实现一孔多层同时驱替的地下水分层快速采样，并扩展能同时采样的分层层数，提高地下水分层采样效率。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

本发明提供了一种多层同时驱替地下水分层快速采样设备，包括压缩气源、排气管、多个采样瓶、以及沿井孔深度分布的多个分层单元，每个所述采样瓶分别接有取样管，每根取样管都伸入井孔并对应一个分层单元；所述压缩气源接有供气管，供气管与所述排气管分别伸入井孔；每个所述分层单元内设有井下储流容器，井下储流容器上端通过管路接有逆止阀和半透膜元件，逆止阀所在的管路连接供气管，半透膜元件所在的管路连接排气管；井下储流容器下端接有过滤渗析组件，过滤渗析组件与井下储流容器之间的管路通过三通连接所述取样管；所述供气管、排气管和取样管上分别设有阀门。

本发明的有益效果是：

1、通过操作供气管、排气管、取样管上的阀门，可对多个分层单元的地下水同时驱替采样，实现多个不同深度层位的地下水同时洗井与同时采样，提高了采样效率；且地下水分层采样层数越多，采样总耗时节省越明显。

2、原位弱扰动获取的地下水样品代表性好。井下储流容器内基于气驱原理进行驱替采样，通过过滤渗析组件降低采样过程对地层的干扰，在高效率采样的前提下，同时保证了采样扰动小的特性；通过逆止阀和半透膜元件避免了不同层位的地下水沿管道混合。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

3、地下水分层层数有效增加。对比地下水U型管分层采样技术，将原N层取样的2N根管线减少至N+2根管线，如一孔六层地下水分层采样12根管减少至8根，一孔九层地下水分层采样18根管减少至11根，当要增加分层层数时，同等的管线投入能增加的地下水分层层数翻倍。

进一步的，所述分层单元包括井筒实管、井筒筛管，井筒筛管固定于井筒实管下端，井筒实管上端以及井筒筛管的下端封闭，过滤渗析组件与井下储流容器均设置在井筒实管、井筒筛管所形成的容纳腔内。

采用该进一步方案，限定地层深度的地下水通过井筒筛管侧壁的小孔进入井筒筛管中，将大部分泥沙阻挡在外，保证井孔及采样装置长期有效运行；通过井筒筛管弱扰动进样，对地下水有精细垂向分层表征，代表性好。

进一步的，所述井筒筛管的两端外环面设有环形的止水封隔器，止水封隔器与井孔的侧壁接触。

采用该进一步方案，使分层单元外围的不同地层地下水相互分隔，防止地下水沿井筒实管、井筒筛管外壁上下流动混合，提高地下水样品分层代表性。

进一步的，所述止水封隔器为气囊式封隔器。

采用该进一步方案，便于先安装再充气封隔，操作方便，适应性好。

进一步的，沿井孔深度分布有3-9个分层单元。

进一步的，沿井孔深度分布有6-9个分层单元。

实现了3-9个分层的地下水同时采样。

进一步的，所述供气管、排气管伸出井孔的一端还设有压力表。

采用该进一步方案，便于监测供气管、排气管的压力，保证装置有效运行。

进一步的，所述过滤渗析组件与三通之间的管路上还设有逆止阀。

采用该进一步方案，在开启压缩气源对井下储流容器进行加压驱替的过程中，防止井下储流容器中的地下水反向进入分层单元，减小扰动。

进一步的，所述压缩气源为氮气瓶。

采用该进一步方案，氮气为惰性气体，避免压缩气体与地下水样品发生反应，保证了采样结果的代表性好。

本发明提供了一种多层同时驱替地下水分层快速采样方法，该方法基于上述多层同时驱替地下水分层快速采样设备实现，包括如下步骤：

步骤一、在选定的场地钻出井孔，安装所述多层同时驱替地下水分层快速采样设备；

步骤二、开启供气管上的阀门对供气管加压至0.5KPa，关闭排气管上的阀门，调节各取样管上的阀门，使不同深度的地下水从各取样管同时排出，直至各取样管不再排出地下水，实现井下残余液体的排空，关闭取样管上的阀门和供气管上的阀门；

步骤三、开启排气管上的阀门，在地层孔隙水压力和大气压差作用下，每一对应层分层单元的地下水通过过滤渗析组件进入井下储流容器，井下储流容器内的气体穿过半透膜元件进入排气管，进而排出，直至各分层单元内的井下储流容器完成进样且气体完全排出；

步骤四、重复步骤2和步骤3，排出所述井下残余液3-5倍体积的地下水；

步骤五、在各取样管上分别连接采样瓶，开启供气管上的阀门和各取样管上的阀门，获取多个层位的地下水代表性样品。

采用本发明的方法，通过步骤二至步骤四的洗井操作，避免了钻进对采样结果的影响，实现一孔多层地下水原位弱扰动渗析进样，地下水样品代表性好。通过多层同时驱替采样，实现了在地下水采样容积1L的前提下，完成多个层位地下水洗井与采样的总时间需控制在60min以内。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的单层地下水采样工作原理图。

图3为本发明的一孔三层地下水快速采样的结构示意图。

图4为本发明的一孔六层地下水快速采样的结构示意图。

图5为本发明的一孔九层地下水快速采样的结构示意图。

附图中，各附图标记所代表的技术特征如下：

1-井孔；2-分层单元；3-压缩气源；4-供气管；5-排气管；6-采样瓶；7-取样管；8-井下储流容器；9-逆止阀；10-半透膜元件；11-过滤渗析组件；12-阀门；13-井筒实管；14-井筒筛管；15-止水封隔器；16-压力表。

具体实施方式

以下对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

实施例一，如图1-2所示：

本发明提供了一种多层同时驱替地下水分层快速采样设备，包括压缩气源3、排气管5、多个采样瓶6、以及沿井孔1深度分布的多个分层单元2，每个所述采样瓶6分别接有取样管7，每根取样管7都伸入井孔(1)并对应一个分层单元2；所述压缩气源3接有供气管4，供气管4与所述排气管5分别伸入井孔1；每个所述分层单元2内设有井下储流容器8，井下储流容器8上端通过管路接有逆止阀9和半透膜元件10，逆止阀9所在的管路连接供气管4，半透膜元件10所在的管路连接排气管5；井下储流容器8下端接有过滤渗析组件11，过滤渗析组件11与井下储流容器8之间的管路通过三通连接所述取样管7；所述供气管4、排气管5和取样管7上分别设有阀门12。

原理：单层地下水采样的工作原理如图2所示，包括地下水原位弱扰动进样、压缩氮气驱替地下水采样、井下储流容器8排气进水三个阶段。第一阶段，在多个分层单元2的作用下，分层单元2接受限定深度地层的地下水渗析进样，地下水经过过滤渗析组件11进入对应层的井下储流容器8内，直至地下水填满管路完成进样。第二阶段，采样操作时，开启供气管4上的阀门12加压，关闭排气管5上的阀门12，使压缩气体进入井下储流容器8进行加压驱替，使地下水样品通过取样管7进入地面的采样瓶6，从而获取该层位的地下水样品。值得指出的是，过滤渗析组件11自身的阻力对地下水反向进入分层单元2时产生逆止效果。关闭排气管5上的阀门12，压缩气体无法进入排气管5。第三阶段，关闭供气管4和取样管7上的阀门12，开启排气管5上的阀门12，地下水在差压作用下进入井下储流容器8内进行驱替排气，井下储流容器8内的气体经过排气管5排出井孔1外，地下水持续进样填满井下储流容器8，进而完成下一次的地下水原位弱扰动进样。

注：过滤渗析组件11的作用是过滤泥沙，且单向导通。为非常规过滤器，可在过滤器厂家定制。半透膜元件10的作用是通气不通水，可在半透膜元件厂家定制。

综上，本发明的优势在于：1、通过操作供气管4、排气管5、取样管7上的阀门12，可对多个分层单元2的地下水同时驱替采样，实现多个不同深度层位的地下水同时洗井与同时采样，提高了采样效率；且地下水分层采样层数越多，采样总耗时节省越明显。

2、原位弱扰动获取的地下水样品代表性好。井下储流容器8内基于气驱原理进行驱替采样，通过过滤渗析组件11降低采样过程对地层的干扰，在高效率采样的前提下，同时保证了采样扰动小的特性；通过逆止阀9和半透膜元件10避免了不同层位的地下水沿管道混合。

3、地下水分层层数有效增加。对比地下水U型管分层采样技术，将原N层取样的2N根管线减少至N+2根管线，如一孔六层地下水分层采样12根管减少至8根，一孔九层地下水分层采样18根管减少至11根，当要增加分层层数时，同等的管线投入能增加的地下水分层层数翻倍。

本发明主要适用于深度50m以浅的污染场地地下水调查与修复领域，高效快速获取地下水位界面以下多个不同深度地下水代表性样品，刻画表征污染物在含水层地层垂直结构的空间分布，揭示地下水化学特征在垂向三维空间随时间随地层深度的动态变化规律。尤其适用于生态环境监察执法筛查，矿山固废堆填场、化工园区污染场地、工业固废堆填场地等环境风险精准调查与修复，地下水污染溯源识别、污染地块修复工程验收监测、污染地块场地回顾性评估监测、污染地块自然衰减修复过程监控等应用场景。

进一步的，所述分层单元2包括井筒实管13、井筒筛管14，井筒筛管14固定于井筒实管13下端，井筒实管13上端以及井筒筛管14的下端封闭，过滤渗析组件11与井下储流容器8均设置在井筒实管13、井筒筛管14所形成的容纳腔内。

采用该进一步方案，限定地层深度的地下水通过井筒筛管14侧壁的小孔进入井筒筛管14中，将大部分泥沙阻挡在外，保证井孔1及采样装置长期有效运行；通过井筒筛管14弱扰动进样，对地下水有精细垂向分层表征，代表性好。

进一步的，所述井筒筛管14的两端外环面设有环形的止水封隔器15，止水封隔器15与井孔1的侧壁接触。

采用该进一步方案，使分层单元2外围的不同地层地下水相互分隔，防止地下水沿井筒实管13、井筒筛管14外壁上下流动混合，提高地下水样品分层代表性。

进一步的，所述止水封隔器15为气囊式封隔器。

采用该进一步方案，便于先安装再充气封隔，操作方便，适应性好。

进一步的，沿井孔1深度分布有3-9个分层单元2。

进一步的，沿井孔1深度分布有6-9个分层单元2。

图3、4、5分别为设置3个、6个、9个分层单元2的示意图。实现了3-9个分层的地下水同时采样。

进一步的，所述供气管4、排气管5伸出井孔1的一端还设有压力表16。

采用该进一步方案，便于监测供气管4、排气管5的压力，保证装置有效运行。

进一步的，所述过滤渗析组件11与三通之间的管路上还设有逆止阀9。

采用该进一步方案，在开启压缩气源3对井下储流容器8进行加压驱替的过程中，防止井下储流容器8中的地下水反向进入分层单元2，减小扰动。

进一步的，所述压缩气源3为氮气瓶。

采用该进一步方案，氮气为惰性气体，避免压缩气体与地下水样品发生反应，保证了采样结果的代表性好。

实施例二，如图3-5所示：

本发明提供了一种多层同时驱替地下水分层快速采样方法，该方法基于上述多层同时驱替地下水分层快速采样设备实现，包括如下步骤：

步骤一、在选定的场地钻出井孔1，安装所述多层同时驱替地下水分层快速采样设备；

步骤二、开启供气管4上的阀门12对供气管4加压至0.5KPa，关闭排气管5上的阀门12，调节各取样管7上的阀门12，使不同深度的地下水从各取样管7同时排出，直至各取样管7不再排出地下水，实现井下残余液体的排空，关闭取样管7上的阀门12和供气管4上的阀门12；

步骤三、开启排气管5上的阀门12，在地层孔隙水压力和大气压差作用下，每一对应层分层单元2的地下水通过过滤渗析组件11进入井下储流容器8，井下储流容器8内的气体穿过半透膜元件10进入排气管5，进而排出，直至各分层单元2内的井下储流容器8完成进样且气体完全排出；

步骤四、重复步骤2和步骤3，排出所述井下残余液3-5倍体积的地下水；

步骤五、在各取样管7上分别连接采样瓶6，开启供气管4上的阀门12和各取样管7上的阀门12，获取多个层位的地下水代表性样品。

采用本发明的方法，通过步骤二至步骤四的洗井操作，避免了钻进对采样结果的影响，实现一孔多层地下水原位弱扰动渗析进样，地下水样品代表性好。通过多层同时驱替采样，实现了在地下水采样容积1L的前提下，完成多个层位地下水洗井与采样的总时间需控制在60min以内。

在本发明的描述中，需要理解的是，如果出现了指示方位、方向或位置关系的描述用语，例如：“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，在本说明书中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，仅是为了方便理解本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的部分、元件或整体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发明的限制。

此外，如果出现了次序描述用语，例如：“第一”、“第二”等，在本说明书中的用途是为了便于理解或简化描述，例如，为了区分多个具有相同类型或功能的技术特征，而又不得不单独提及时，本说明书可能采用前缀或后缀次序描述用语的方式将其区分。因此，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至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，如果采用了结构相对作用关系描述用语，例如：“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等，除非另有明确的规定和限定，否则应做广义的理解。例如，“安装”、“相连”、“连接”等，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；“固定”可以是形成一体的固定，也可以是通过紧固件可拆卸的固定；可以是直接固定，也可以是通过中间媒介固定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况、所处的语境、前后文的文意连贯性等理解上述描述用语在本发明中的具体含义。

在本发明中，如果出现了含有附属或连接含义的描述用语，例如，第一特征在第二特征“上”或“下，除非另有明确的规定和限定，否则不应做限定性的理解，例如，“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，也可以是第一特征和第二特征通过中间媒介间接接触。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况、所处的语境、前后文的文意连贯性等理解上述描述用语在本发明中的具体含义。

进而，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。

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发明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，并不是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、示例以及不同实施例、示例的特征进行结合和组合，这些结合或组合都应归入本发明所概括的范围之内。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在其公开渠道可以获得的信息范围内，结合本申请文件所给出的技术启示，可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种多层同时驱替地下水分层快速采样设备，其特征在于：包括压缩气源(3)、排气管(5)、多个采样瓶(6)、以及沿井孔(1)深度分布的多个分层单元(2)，每个所述采样瓶(6)分别接有取样管(7)，每根取样管(7)都伸入井孔(1)并对应一个分层单元(2)；所述压缩气源(3)接有供气管(4)，供气管(4)与所述排气管(5)分别伸入井孔(1)；每个所述分层单元(2)内设有井下储流容器(8)，井下储流容器(8)上端通过管路接有逆止阀(9)和半透膜元件(10)，逆止阀(9)所在的管路连接供气管(4)，半透膜元件(10)所在的管路连接排气管(5)；井下储流容器(8)下端接有过滤渗析组件(11)，过滤渗析组件(11)与井下储流容器(8)之间的管路通过三通连接所述取样管(7)；所述供气管(4)、排气管(5)和取样管(7)上分别设有阀门(12)。

2.根据权利要求1所述的多层同时驱替地下水分层快速采样设备，其特征在于：所述分层单元(2)包括井筒实管(13)、井筒筛管(14)，井筒筛管(14)固定于井筒实管(13)下端，井筒实管(13)上端以及井筒筛管(14)的下端封闭，过滤渗析组件(11)与井下储流容器(8)均设置在井筒实管(13)、井筒筛管(14)所形成的容纳腔内。

3.根据权利要求2所述的多层同时驱替地下水分层快速采样设备，其特征在于：所述井筒筛管(14)的两端外环面设有环形的止水封隔器(15)，止水封隔器(15)与井孔(1)的侧壁接触。

4.根据权利要求3所述的多层同时驱替地下水分层快速采样设备，其特征在于：所述止水封隔器(15)为气囊式封隔器。

5.根据权利要求1所述的多层同时驱替地下水分层快速采样设备，其特征在于：沿井孔(1)深度分布有3-9个分层单元(2)。

6.根据权利要求5所述的多层同时驱替地下水分层快速采样设备，其特征在于：沿井孔(1)深度分布有6-9个分层单元(2)。

7.根据权利要求1所述的多层同时驱替地下水分层快速采样设备，其特征在于：所述供气管(4)、排气管(5)伸出井孔(1)的一端还设有压力表(16)。

8.根据权利要求1所述的多层同时驱替地下水分层快速采样设备，其特征在于：所述过滤渗析组件(11)与所述三通之间的管路上还设有逆止阀(9)。

9.根据权利要求1所述的多层同时驱替地下水分层快速采样设备，其特征在于：所述压缩气源(3)为氮气瓶。

10.一种多层同时驱替地下水分层快速采样方法，其特征在于：该方法基于权利要求1-9任一项所述的多层同时驱替地下水分层快速采样设备实现，包括如下步骤：

步骤一、在选定的场地钻出井孔(1)，安装所述多层同时驱替地下水分层快速采样设备；

步骤二、开启供气管(4)上的阀门(12)对供气管(4)加压，关闭排气管(5)上的阀门(12)，调节各取样管(7)上的阀门(12)，使不同深度的地下水从各取样管(7)同时排出，直至各取样管(7)不再排出地下水，实现井下残余液体的排空，关闭取样管(7)上的阀门(12)和供气管(4)上的阀门(12)；

步骤三、开启排气管(5)上的阀门(12)，在地层孔隙水压力和大气压差作用下，每一对应层分层单元(2)的地下水通过过滤渗析组件(11)进入井下储流容器(8)，井下储流容器(8)内的气体穿过半透膜元件(10)进入排气管(5)，进而排出，直至各分层单元(2)内的井下储流容器(8)完成进样且气体完全排出；

步骤四、重复步骤(2)和步骤(3)，排出所述井下残余液3-5倍体积的地下水；

步骤五、在各取样管(7)上分别连接采样瓶(6)，开启供气管(4)上的阀门(12)和各取样管(7)上的阀门(12)，获取多个层位的地下水代表性样品。

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