CN206515492U - 一种定量监测地下水流的对井装置及拔井套环 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种定量监测地下水流的对井装置及拔井套环。其中，对井装置包括：固定连接杆,固定连接杆的一端连接上井外筒的一面，上井外筒的另一面安装有平衡气泡；固定连接杆的另一端连接下井外筒的一面，下井外筒的另一面设置为圆锥状尖端；上井外筒和下井外筒内部分别设置有内筒；内筒中放置有传感器。本实用新型的有益效果是：适用范围广；判断地下水流方向和变化；地下水交换定量化；将平衡气泡、倾斜角仪表和方位罗盘结合使用；测量出的数据准确度高。

Description

一种定量监测地下水流的对井装置及拔井套环

技术领域

本实用新型涉及环境监测与监测水流方面，具体涉及一种定量监测地下水流的对井装置及拔井套环。

背景技术

一般情况下，地下水在松散沉积物中的运移是很缓慢的渗流，我们在实际测量中，难以简单有效地直接监测其流动方向。在环境监测与水质评价方面，地下水的运移方向也是十分重要的水文要素。比如：垃圾填满场污染物的扩散，海岸带地区地下水淡水与咸水的交互作用，湿地系统地下水的排泄与补给等。

另外，地下水在某地区的运移速率和流量同样也是环境评价与治理的重要因素。我们对于难于直接观测的地下水流的运移方向与交换速率监测，本实用新型提供了一种定量化监测地下水流的对井装置。

实用新型内容

本实用新型的目的是解决难于直接观测的地下水流的运移方向与交换速率的监测的问题。

为实现上述目的，本实用新型提供了一种定量化监测地下水流的对井装置，该装置包括：固定连接杆的一端连接上井外筒的一面，上井外筒的另一面安装有平衡气泡；固定连接杆的另一端连接下井外筒的一面，下井外筒的另一面设置为圆锥状尖端；上井外筒和下井外筒内部分别设置有内筒；内筒中放置有传感器。

上井外筒、下井外筒和内筒为一端为开口、另一端为封闭的高度相同的圆柱筒状；上井外筒和下井外筒底部内侧中心处设置用于圈定内筒位置的定位环，上井外筒和下井外筒开口端外壁有螺纹，可与上井外筒和下井外筒的外筒井盖旋紧。

外筒井盖内有螺纹，可与上井外筒和下井外筒的开口端旋紧；外筒井盖内侧中心处有用于圈定内筒位置的定位环，与上井外筒和下井外筒底部的定位环位置对应；定位环的直径与内筒外径相同，当外筒井盖旋紧时，内筒被上井外筒和下井外筒和外筒井盖定位环固定，定位于外筒井盖中轴位置处；外筒井盖外侧突出端有螺纹接头可与固定连接杆相连。

上井外筒、下井外筒和内筒的筒壁上均匀地布设至少一个孔洞。

在上井外筒与内筒之间放置加砂漏斗，加砂漏斗底部中心处设置一个向下倒扣的圆柱筒，圆柱筒直径大于内筒且小于上井外筒和下井外筒；加砂漏斗周围设置为同心圆环形的网；加砂漏斗上部分为广口倒圆锥状。

固定连接杆设置有倾斜角仪表和方位罗盘；其中，倾斜角仪表用于测量对井装置任意倾斜情况下的倾斜角度，用于后期的数据计算和分析中；方位罗盘测量对井装置水平埋设时的方位角，用于后期的数据计算和分析中。

平衡气泡为扁圆柱状，平衡气泡用于控制整个对井装置在安装时保持竖直转态；埋设对井装置时，当气泡偏离中心一侧时，相应的压低这一侧，直至气泡位于中心圆圈内。

固定连接杆用于固定连接组装后的上井外筒和下井外筒；固定连接杆为空心杆，固定连接杆两端为螺纹接头，与上井外筒和上井内筒相连。

对井装置中的各组件可采用有机玻璃或PVC材质。

一种拔井套环，拔井套环用于安置对井装置，拔井套环为钢筋材质，拔井套环包括上套环和下套环，上套环和下套环之间用直弯钢筋焊接；上环直径大于上井外筒与内筒的直径，上环设置有拱形活动提手；下环直径小于上井外筒与内筒的直径。

本实用新型的有益效果是:(1)适用范围广：本实用新型可用于滨海潮间带地区水量交换的监测、咸(海)水入侵的水质监测剖面、(干旱区)湖积物地下水与湖水的交互作用分析、河床地区(如阶地、河漫滩)的水量交换研究等。

(2)判断地下水流方向和变化：当对井竖直埋设时，通过上、下井传感器监测到的水头信息判断地下水在沉积物中的垂向运移方向；当上井水头高于下井时，水流方向向下，反之亦然；通过中长期的监测，还可以得到该地区地下水运移方向的变化规律与趋势。另外，需要说明的是，对井装置不限于竖置埋设，它可以结合研究目的和地下水的优势流向，借助倾斜角仪表和方位罗盘按照任意指定方向埋设。

(3)地下水交换定量化：通过一段时间的传感器监测数据的记录，可以定量计算得到地下水流的交换量。

(4)平衡气泡、倾斜角仪表和方位罗盘的结合使用：可以保证对井按照任意指定方向埋设，平衡气泡可使其保持竖直状态，倾斜角仪表可确定对井装置的倾斜角，方位罗盘可记录对井装置(例如：水平状态时)的方位角，这些都为监测地下水在沉积物中运移与交换的定向定量化计算提供了保障。

(5)数据准确度高：尽量减少了扰动沉积物，埋设好对井装置后，需要静置恢复一段时间，然后开始正式监测，此过程保证了采集数据的真实可靠性。

附图说明

图1为本实用新型的具体实施方式提供的一种定量监测地下水流的对井装置立体结构示意图；

图2为本实用新型的具体实施方式提供的一种定量监测地下水流的对井装置中内筒示意图；

图3为本实用新型的具体实施方式提供的一种定量监测地下水流的对井装置中传感器示意图；

图4为本实用新型的具体实施方式提供的一种定量监测地下水流的对井装置的剖面示意图；

图5为本实用新型的具体实施方式提供的一种加砂漏斗结构示意图；

图6为本实用新型的具体实施方式提供的一种定量监测地下水流的对井装置埋设角度示意图；

图7为本实用新型的具体实施方式提供的一种拔井套环示意图。

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。

为了使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

图1为本实用新型的具体实施方式提供的一种定量监测地下水流的对井装置结构示意图。如图1所示，一种定量监测地下水流的对井装置包括：固定连接杆6的一端连接上井外筒2的一面，这一面由外筒井盖3的外侧连接并且固定连接杆6和上井外筒2，上井外筒2的另一面安装有平衡气泡1；固定连接杆6的另一端连接下井外筒7的一面，这一面由外筒井盖3的外侧连接并且固定连接杆6和下井外筒7，下井外筒7的另一面设置为圆锥状尖端；上井外筒2和下井外筒7内部分别设置有内筒8，内筒8中放置有传感器9，以上对井装置的各个部分的装置均可采用有机玻璃以及PVC材质。

其中，平衡气泡1为扁圆柱状，用于控制整个对井装置在安装时保持竖直转态；在埋设对井装置时，当气泡偏离中心一侧时，应相应的压低平衡气泡1这一侧，直至气泡位于中心圆圈内之后再开始进行探测。

上井外筒2、下井外筒7和内筒8为一端为开口、另一端为封闭的高度相同的圆柱筒状；上井外筒2和下井外筒7底部内侧中心处设置用于圈定内筒8位置的定位环，且开口端外壁有螺纹，可与上井外筒2和下井外筒7连接的外筒井盖3旋紧。

上述中的外筒井盖3内部有螺纹，可与上井外筒2和下井外筒7的开口端旋紧；外筒井盖3内侧中心处有用于圈定内筒8位置的定位环，与上井外筒2和下井外筒7底部的定位环位置对应；定位环的直径与内筒8外径相同，当外筒井盖3旋紧时，内筒8被上井外筒2和下井外筒7连接的外筒井盖3内侧上的定位环固定，定位于外筒井盖3中轴位置处；外筒井盖3外侧突出端有螺纹接头可与固定连接杆6相连。

下井外筒7的另一面设置为圆锥状尖端，在实际应用时有利于在较深处密实的沉积层安置对井装置。

上井外筒2、下井外筒7和内筒8的筒壁上均匀地布设至少一个孔洞，优选地，空洞的直径设置为5毫米，孔洞以增强上井10和下井11与周围沉积物的水力联系。其中上井10包括上井外筒2、外筒井盖3、内筒8和传感器9；下井11包括外筒井盖3、下井外筒7、内筒8和传感器9。

在上述中的上井外筒2与内筒8之间放置加砂漏斗，加砂漏斗底部中心处设置一个向下倒扣的圆柱筒，圆柱筒直径大于内筒8且小于上井外筒2和下井外筒7；加砂漏斗周围设置为同心圆环形的网；加砂漏斗上部分为广口倒圆锥状。

在固定连接杆6上设置有倾斜角仪表4和方位罗盘5。其中，倾斜角仪表4用于测量对井装置任意倾斜情况下的倾斜角度，用于后期的数据计算和分析中。方位罗盘5用于测量对井装置水平埋设时的方位角，用于后期的数据计算和分析中。

优选地，固定连接杆6用于固定连接组装后的上井10和下井11，其中，固定连接杆6为空心杆，且两端为螺纹接头。需要特别说明的是：对井装置的规格参数一定，优选地，上井10中的传感器9的上部与下井11中的传感器9的上部的距离设定为ΔL＝52.8厘米，此设定可使监测数据精度提高，压力水头可精确到毫米级别，此设计优于现场随意埋设传感器所监测的数据质量。

传感器9放置于上井10和下井11的内筒8中，用于记录上井10和下井11在不同深度处的水头、盐度值，且内筒8内径大于传感器9直径，保证传感器9刚好顺直放置于内筒8中。对井装置在工作状态时，需保证上井10和下井11中的传感器9头部均朝上，此设置可以进一步降低传感器9被堵塞的可能性，并使上井10和下井11中的传感器9的垂向距离保持一定。优选地，本实用新型中所有的传感器9均可使用LTC传感器。

本实用新型实施例提供的一种对井装置的安装方法，具体步骤包括：

在上井外筒2、下井外筒7和内筒8外层紧密包围钢纱网，并用扎带束紧。

预设传感器9的工作时间，设定时间具体为安装完对井装置之后，启动对井装置工作的时间。

将传感器9放入上井10和下井11的内筒里，并保持上井10和下井11安装之后，设置传感器9的探头均为向上的状态。

将内筒8分别放入上井外筒2和下井外筒7里，并分别在上井外筒2和内筒8以及下井外筒7和内筒8之间填满粗砂；注意避免砂粒掉落入内筒。

安装完毕上述步骤之后，旋紧外筒井盖3，使内筒8位置固定于上井外筒2和下井外筒7的中轴处，注意安装时避免粗砂不撒漏。

再将上井外筒2和下井外筒7的外筒井盖3的螺纹接头与连接杆旋紧固定，这样对井的安装即完成。

本实用新型实施例提供的一种对井装置的埋设与监测方法，具体步骤包括：

首先选定沉积物的位置，用手动钻或铁锹挖掘出一个对井安置孔或坑，挖出的孔或坑的深应大于对井的总长度。

挖掘出孔或坑之后，用原位渗出水润湿对井，使粗砂处于近饱和状态，加强对井与沉积物孔隙水的水力联系，便于传感器9尽早采集有效数据。

将对井装置放入孔或坑内，根据平衡气泡1调整对井装置，使其保持竖直状态。

然后，向孔或坑内回填至原位，当到达预设时间时，传感器9自动开始工作，记录水压、盐度等数据。将记录的数据利用考虑密度效应的广义达西定律可用于估算地下水流量：

进一步得到了广义水力梯度：

计算出水力梯度若为为正时，水流方向向上；水力梯度为负时，水流方向向下。公式具体表示为：qn地下水垂向流量[L T-1]、KV沉积物垂向渗透系数[L T-1]、hup、hlow上、下井传感器处的等效淡水头[L]、上井10中的传感器9的上部与下井11中的传感器9的上部的距离设定为ΔL＝52.8厘米、cup、clow上、下井传感器处的盐度值[M L-3]、δ淡水动力粘滞系数(μ0)与咸水动力粘滞系数(μ)[M L-1T-1]的比值[-]。

ξ常数，值为1.566×10-3m3kg-1；c孔隙水的盐度，即上、下井传感器处盐度的平均值[M L-3]；ε描述密度与盐度之间线性关系的常数，值为7.143×10-4m3kg-1。

ρ＝ρ₀(1+εc)

ρ0、ρ分别代表淡水与咸水的密度[M L-3]。

本实用新型实施例提供的一种拔出对井装置并导出数据的方法，具体步骤包括：

当达到监测时间要求后，用拔井套环12对井装置从沉积物中拔出，并冲洗表面泥土；打开上井外筒2和下井外筒7的井盖，取出上井外筒2和下井外筒7中内筒8中的传感器，连接计算机导出记录数据。

本实用新型实施例提供的一种清理对井装置的方法，具体步骤包括：

停止传感器9，拆卸对井装置，倒出粗砂，取下钢纱网，将各部件用清水清洗，并晾干备用。

图2为本实用新型的具体实施方式提供的一种定量监测地下水流的对井装置中内筒示意图。如图2所示，内筒8设置在上井外筒2和下井外筒7内，内筒8中放置有传感器9。

内筒8筒壁上均匀地布设至少一个孔洞，优选地，孔洞的直径设置为5毫米，孔洞以增强上井10和下井11与周围沉积物的水力联系。

图3为本实用新型的具体实施方式提供的一种定量监测地下水流的对井装置中传感器示意图。如图3所示，传感器9设置在内筒8内，用于记录上井10和下井11在不同深度处的水头、盐度值，且内筒8内径大于传感器9直径，保证传感器9刚好顺直放置于内筒8中。对井装置在工作状态时，需保证上井10和下井11中的传感器9头部均朝上，此设置可以进一步降低传感器9被堵塞的可能性，并使上井10和下井11中的传感器9的垂向距离保持一定。

优选地，本实用新型中所有的传感器9均可使用LTC传感器。

图4为本实用新型的具体实施方式提供的一种定量监测地下水流的对井装置组成部件的立体示意图。如图4所示，上部分为沉积物上覆的地表水体，曲线表示地表水面的波动，例如：海面随潮汐的波动、湖面随蒸发降水的变动等。下部分为沉积物。其中，上井10包括上井外筒2、外筒井盖3、内筒8和传感器9；下井11包括外筒井盖3、下井外筒7、内筒8和传感器9。优选地，上井10中的传感器9的上部与下井11中的传感器9的上部的距离设定为ΔL＝52.8厘米，此设定可使监测数据精度提高，压力水头可精确到毫米级别，此设计优于现场随意埋设传感器所监测的数据质量。

图5为本实用新型的具体实施方式提供的一种加砂漏斗结构示意图。如图5所示，加砂漏斗底部中心处设置一个向下倒扣的小圆柱筒，直径大于内筒8；优选地，加砂漏斗底部周围设置为同心圆环形为2毫米钢纱网，用于过滤粗砂；漏斗上半部分为广口倒圆锥状。设置此加砂漏斗有利于向上井外筒2、下井外筒7以及内筒8之间加砂时，加砂漏斗底部中心处的小圆柱筒刚好挡住内筒8的开口端，防止向内筒8里漏砂；并且可以起到固定内筒8，使其保持竖直。

图6为本实用新型的具体实施方式提供的一种定量监测地下水流的对井装置埋设角度示意图。如图6所示，对井装置可以按照任意指定角度埋设，并可借助平衡气泡1、倾斜角仪表4和方位罗盘5进行相应角度和方位的设定与记录。

图7为本实用新型的具体实施方式提供的一种拔井套环示意图。如图7所示，拔井套环12采用钢筋材质，上、下两个套环之间用直弯钢筋焊接，上环直径大于上井外筒2和下井外筒7直径，下筒直径小于上井外筒2和下井外筒7，二者配合刚好卡住整个对井装置。上环有拱形活动提手13，方便提拔对井。上述的拔井套环12有利于托底加力将埋设的对井装置从沉积物中拔出，减少了连接杆断裂的风险。并且降低了挖掘取井的工作量。

本实用新型的有益效果是:(1)适用范围广：本实用新型可用于滨海潮间带地区水量交换的监测、咸水或者海水入侵的水质监测剖面、(干旱区)湖积物地下水与湖水的交互作用分析、河床地区(例如：阶地、河漫滩)的水量交换研究等；

(2)判断地下水流方向和变化：当对井竖直埋设时，通过上、下井传感器监测到的水头信息判断地下水在沉积物中的垂向运移方向；当上井水头高于下井时，水流方向向下，反之亦然；通过中长期的监测，还可以得到该地区地下水运移方向的变化规律与趋势。另外，需要说明的是，对井装置不限于竖置埋设，它可以结合研究目的和地下水的优势流向，借助倾斜角仪表和方位罗盘按照任意指定方向埋设。

(3)地下水交换定量化：通过一段时间的传感器监测数据的记录，可以定量计算得到地下水流的交换量。

(4)平衡气泡、倾斜角仪表和方位罗盘的结合使用：可以保证对井按照任意指定方向埋设，平衡气泡可使其保持竖直状态，倾斜角仪表可确定对井装置的倾斜角，方位罗盘可记录对井装置(例如:水平状态时)的方位角，这些都为监测地下水在沉积物中运移与交换的定向定量化计算提供了保障。

(5)数据准确度高：尽量减少了扰动沉积物，埋设好对井装置后，需要静置恢复一段时间，然后开始正式监测，此过程保证了采集数据的真实可靠性。

以上所述的具体实施方式，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施方式而已，并不用于限定本实用新型的保护范围，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种定量监测地下水流的对井装置，其特征在于，包括：固定连接杆(6),所述固定连接杆(6)的一端连接上井外筒(2)的一面，所述上井外筒(2)的另一面安装有平衡气泡(1)；所述固定连接杆(6)的另一端连接下井外筒(7)的一面，所述下井外筒(7)的另一面设置为圆锥状尖端；所述上井外筒(2)和所述下井外筒(7)内部分别设置有内筒(8)；所述内筒(8)中放置有传感器(9)。

2.根据权利要求1所述的对井装置，其特征在于，所述上井外筒(2)、所述下井外筒(7)和所述内筒(8)为一端为开口、另一端为封闭的高度相同的圆柱筒状；

所述上井外筒(2)和下井外筒(7)底部内侧中心处设置用于圈定所述内筒(8)位置的定位环，所述上井外筒(2)和下井外筒(7)开口端外壁有螺纹，可与所述上井外筒(2)和下井外筒(7)的外筒井盖(3)旋紧。

3.根据权利要求1所述的对井装置，其特征在于，外筒井盖(3)内有螺纹，可与所述上井外筒(2)和所述下井外筒(7)的开口端旋紧；所述外筒井盖(3)内侧中心处有用于圈定所述内筒(8)位置的定位环，与所述上井外筒(2)和所述下井外筒(7)底部的定位环位置对应；

所述定位环的直径与所述内筒(8)外径相同，当所述外筒井盖(3)旋紧时，所述内筒(8)被所述上井外筒(2)和所述下井外筒(7)和所述外筒井盖(3)定位环固定，定位于所述外筒井盖(3)中轴位置处；所述外筒井盖(3)外侧突出端有螺纹接头可与所述固定连接杆(6)相连。

4.根据权利要求1所述的对井装置，其特征在于，所述上井外筒(2)、所述下井外筒(7)和所述内筒(8)的筒壁上均匀地布设至少一个孔洞。

5.根据权利要求1所述的对井装置，其特征在于，在所述上井外筒(2)与所述内筒(8)之间放置加砂漏斗，所述加砂漏斗底部中心处设置一个向下倒扣的圆柱筒，所述圆柱筒直径大于所述内筒(8)且小于所述上井外筒(2) 和所述下井外筒(7)；所述加砂漏斗周围设置为同心圆环形的网；所述加砂漏斗上部分为广口倒圆锥状。

6.根据权利要求1所述的对井装置，其特征在于，所述固定连接杆(6)设置有倾斜角仪表(4)和方位罗盘(5)；其中，

所述倾斜角仪表(4)用于测量所述对井装置任意倾斜情况下的倾斜角度，用于后期的数据计算和分析中；

所述方位罗盘(5)用于测量所述对井装置水平埋设时的方位角，用于后期的数据计算和分析中。

7.根据权利要求1所述的对井装置，其特征在于，所述平衡气泡(1)为扁圆柱状，所述平衡气泡(1)用于控制整个所述对井装置在安装时保持竖直转态；埋设所述对井装置时，当气泡偏离中心一侧时，应相应的压低所述一侧，直至所述气泡位于中心圆圈内。

8.根据权利要求1所述的对井装置，其特征在于，所述固定连接杆(6)用于固定连接组装后的所述上井外筒(2)和所述下井外筒(7)；所述固定连接杆(6)为空心杆，固定连接杆(6)两端为螺纹接头，与所述上井外筒(2)和所述上井内筒(8)相连。

9.根据权利要求1所述的对井装置，其特征在于，所述的对井装置中的各组件采用有机玻璃或PVC材质。

10.一种拔井套环，其特征在于，所述拔井套环(12)用于安置如权利要求1-9任一项权利要求所述的对井装置；所述对井装置的拔井套环(12)为钢筋材质，所述拔井套环(12)包括上套环和下套环，所述上套环和下套环之间用直弯钢筋焊接；

上环直径大于所述上井外筒(2)与所述内筒(8)的直径，所述上环设置有拱形活动提手(13)；下环直径小于所述上井外筒(2)与所述内筒(8)的直径。