國(guó)外地下水監(jiān)測(cè)采樣設(shè)備綜述

李小杰，潘德元，葉成明，鄭繼天

(中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心，河北保定071051)

0 引言

采樣技術(shù)在地下水環(huán)境監(jiān)測(cè)中扮演著重要角色，采樣獲取的樣品質(zhì)量直接影響著地下水監(jiān)測(cè)的結(jié)果。

發(fā)達(dá)國(guó)家高度重視地下水的采樣技術(shù)，對(duì)采樣技術(shù)進(jìn)行了深入地研究，形成了規(guī)?；盗谢牟蓸悠骶弋a(chǎn)品。國(guó)外地下水采樣設(shè)備，無(wú)論是常規(guī)采樣器、取樣泵、定深取樣器，還是地下水分層采樣系統(tǒng)，均具有小巧、靈活、輕便、取樣質(zhì)量可靠等特點(diǎn)。國(guó)內(nèi)地下水采樣技術(shù)特別是采樣設(shè)備研制起步較晚，技術(shù)相比國(guó)外落后。

本文旨在拓展國(guó)內(nèi)同行研究者的研究思路，學(xué)習(xí)國(guó)外先進(jìn)的地下水采樣技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，盡早開發(fā)出滿足我國(guó)采樣需要的成熟化、系列化的地下水采樣技術(shù)和設(shè)備。

1 取樣器分類及原理

國(guó)外在地下水采樣設(shè)備與器具研究方面已有近百年的歷史，隨著地下水監(jiān)測(cè)技術(shù)的不斷發(fā)展，地下水采樣設(shè)備與器具也根據(jù)地下水監(jiān)測(cè)井類型、采樣目的以及采樣要求的變化，研制出了多種類型地下水采樣設(shè)備和器具。根據(jù)設(shè)備設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和采樣原理，國(guó)外地下水監(jiān)測(cè)采樣設(shè)備大致分為4類:取樣筒式采樣器、慣性式采樣器、氣體驅(qū)動(dòng)式采樣器和潛水電泵式采樣器。

1．1 取樣筒式采樣器

取樣筒式采樣器由一繩索與采樣筒組成。根據(jù)取樣筒取樣原理、制作材料，采樣筒分為多種類型:(1)在采樣筒上安裝閥體控制地下水樣品的采取，如Bailer取樣器、Solinst公司的不連續(xù)間隔取樣器;(2)通過(guò)液壓及取樣筒下放速度控制進(jìn)行地下水樣品采取，如Kabis采樣器;(3)筒體可采用不銹鋼、PVC等多種材料制作，也可直接采用聚乙烯袋替代，如Hydrasleeve取樣器等。采樣時(shí)通過(guò)繩索將采樣筒從井口下放至地下水采樣層位，采樣筒采取目標(biāo)深度地下水試樣，實(shí)現(xiàn)地下水采樣。該采樣器原理簡(jiǎn)單、制作方便、成本低，且受監(jiān)測(cè)井井徑、采樣深度影響較小，由于采樣器每次只能進(jìn)行單筒采樣，當(dāng)采樣深度較大及井徑較小時(shí)采樣效率較低。

1．2 慣性式采樣器

慣性式采樣器由采樣管與慣性泵泵頭組成。慣性泵泵頭內(nèi)設(shè)計(jì)有單向進(jìn)水裝置，安裝在采樣管底部，放入到地下水監(jiān)測(cè)井中指定采樣深度，采樣管上部露出井口，徒手或者采用機(jī)械快速下壓提拉采樣管，在慣性力作用下快速下壓時(shí)地下水進(jìn)入采樣管中，提拉時(shí)單向閥關(guān)閉，使采樣管中地下水樣品液面逐漸上升至采樣管上端口流出。該類采樣器外徑小，可應(yīng)用于小口徑地下水監(jiān)測(cè)井，采樣深度可達(dá)到90 m。

1．3 氣體驅(qū)動(dòng)式采樣器

氣體驅(qū)動(dòng)式采樣器由氣體驅(qū)動(dòng)管、采樣管及泵體組成，根據(jù)泵體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可分為有氣囊泵、U形管采樣器等。高壓氣體經(jīng)過(guò)氣體驅(qū)動(dòng)管進(jìn)入泵體中，驅(qū)動(dòng)地下水進(jìn)入采樣管，然后將高壓氣體釋放，地下水在地層壓力作用下進(jìn)入泵體，如此循環(huán)，地下水樣品從采樣管中返出地面，實(shí)現(xiàn)地下水采樣。該類采樣器結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，但適用范圍廣，采樣深度可從十幾米至幾千米，除了極小井徑的地下水監(jiān)測(cè)井，可適用于大部分地下水監(jiān)測(cè)井，并且采樣效率較高。

1．4 潛水電泵式采樣器

潛水電泵式采樣器是將潛水電泵下入至采樣層位，通過(guò)潛水電泵將地下水樣品輸送至地面實(shí)現(xiàn)采樣操作，采樣效率很高，但受電線及潛水電泵制作工藝限制，采樣器要求井徑較大、采樣深度相對(duì)較淺。

2 采樣器舉例

國(guó)外在地下水采樣設(shè)備與器具已經(jīng)進(jìn)行規(guī)范化、系列化，形成了眾多的商業(yè)化產(chǎn)品。

2．1 提筒式采樣器

提筒式采樣器具有代表性的是Kabis采樣器、Solinst公司的不連續(xù)間隔取樣器。Kabis采樣器是由Sibak實(shí)業(yè)有限公司研制生產(chǎn)的，由保護(hù)筒和采樣裝置組成(如圖1所示)。保護(hù)筒通常采用不銹鋼材質(zhì)制作，底部填充加重物，采樣裝置設(shè)有排氣管、一個(gè)或數(shù)個(gè)進(jìn)水管和采樣瓶。

圖1 Kabis采樣器及原理示意圖

Kabis采樣器的采樣原理是:T1、T2為排氣口和進(jìn)水口水的表面張力，兩者相等，h為排氣口和進(jìn)水口的靜水壓力差，表面張力略小于h，采樣時(shí)將采樣器勻速下放，此時(shí)h減小趨近于零，水的表面張力阻止地下水進(jìn)入，到達(dá)采樣深度后，采樣器停止，此時(shí)h恢復(fù)，地下水慢慢進(jìn)入采樣器中。

Solinst公司的不連續(xù)間隔取樣器取樣筒采用不銹鋼材料制作，充氣管線采用低密度聚氯乙烯材料并纏繞在一個(gè)卷軸上。卷軸上安裝有高壓手動(dòng)泵和供壓/卸壓開關(guān)，取樣筒內(nèi)設(shè)計(jì)有閥門。在取樣器下入井內(nèi)之前，用高壓手動(dòng)泵為其充氣，充氣壓力最大可達(dá)1.6 MPa。到達(dá)預(yù)定的深度后，釋放壓力，在靜水壓力的作用下，來(lái)自取樣區(qū)域的地下水通過(guò)閥門充滿取樣器，然后上提取樣。該取樣器是在充氣的情況下進(jìn)入水中，在下入井內(nèi)的途中地下水不會(huì)進(jìn)入取樣筒中。該取樣器取樣深度可達(dá)150 m。

2．2 慣性采樣器

慣性式采樣器具有代表性的是由加拿大Solinst公司生產(chǎn)的慣性泵地下水采樣器。采樣管采用高密度聚乙烯(HDPE)制成，底閥為止回閥，材質(zhì)為不銹鋼或者聚甲醛樹酯(見圖2、圖3)。

圖2 Solinst公司的慣性泵地下水采樣器

圖3 慣性泵的采樣原理

為使慣性式采樣器在野外條件下實(shí)現(xiàn)機(jī)械化操作，Waterra公司將動(dòng)力、傳動(dòng)、連桿等機(jī)械裝置進(jìn)行了集成化、整裝化，設(shè)計(jì)出動(dòng)力包(power pack)，具有質(zhì)量輕、操作簡(jiǎn)便、自帶動(dòng)力、攜帶方便等特點(diǎn)(見圖4)。

圖4 Waterra公司設(shè)計(jì)的背負(fù)式慣性泵

2．3 氣體驅(qū)動(dòng)式采樣器

國(guó)外氣體驅(qū)動(dòng)式采樣器具有代表性的有:QED環(huán)保設(shè)備(QED Enviromental Systems)公司生產(chǎn)名為WELL WIZARD的氣動(dòng)壓出式隔膜泵，泵的直徑25～75 mm，給水量3～5至30～40 L/min;SAMPLE PRO公司生產(chǎn)包括鉆孔清洗和采樣的輕便式泵，泵直徑＞50 mm;PULSE PUMP公司生產(chǎn)直徑只有37 mm的泵，它能在動(dòng)水位深達(dá)160 m下抽汲嚴(yán)重污染的水;美國(guó)伯克利試驗(yàn)室于2004年研發(fā)了U形管采樣器，該采樣器將采樣U形管下入深井，U形采樣管下連接封隔器，通過(guò)高壓氣體驅(qū)動(dòng)采樣管內(nèi)液體，U形管采樣器采樣深度可以達(dá)到2000 m。U形管采樣器是目前實(shí)現(xiàn)地下水采樣深度最大的采樣器，U形管采樣器是一個(gè)簡(jiǎn)單的流體容積泵，使用高壓氣體驅(qū)動(dòng)。在概念上U形管采樣原理較為簡(jiǎn)單，采樣管和驅(qū)動(dòng)管回路形成一個(gè)U形回路，回路下方安裝一單向閥，通過(guò)封隔器隔離地層流體。采集地下水樣品時(shí)，先將U形管驅(qū)動(dòng)管管頭和采樣管管頭與大氣連通，地層水通過(guò)單向閥進(jìn)入U(xiǎn)形管內(nèi)，從驅(qū)動(dòng)管管頭注入高壓氮?dú)?或其它惰性氣體)，此時(shí)單向閥關(guān)閉，驅(qū)使地層流體樣品從采樣管流出地表，完成樣品采集。通過(guò)在地面對(duì)驅(qū)動(dòng)和采樣的氣體壓力進(jìn)行多種設(shè)計(jì)可以達(dá)到不同的要求。通過(guò)重復(fù)以上采樣過(guò)程，地層流體可以不斷置換、更新，最終采集到新鮮的地層流體。通過(guò)U形管采樣器地面控制系統(tǒng)集成化設(shè)計(jì)，使得U形管采樣器實(shí)現(xiàn)多個(gè)功能，圖5為美國(guó)伯克利試驗(yàn)室研制的U形管及地面控制系統(tǒng)。

2．4 潛水電泵式采樣器

潛水電泵式采樣器具有代表性的是Keck SP潛水采樣泵、Grundfos潛水采樣泵。Keck SP潛水采樣泵泵體外徑為44.45 mm，可用于井徑≮50.8 mm的監(jiān)測(cè)井中進(jìn)行地下水取樣，泵體為螺桿泵，通過(guò)電線連接12 V直流電源提供動(dòng)力，野外可使用車載電源，取樣深度為45 m。Keck SP潛水采樣泵采用整體式設(shè)計(jì)，攜帶方便，易于清潔(見圖6)。

圖5 U形管采樣器及地面控制系統(tǒng)

圖6 Keck SP潛水采樣泵

Grundfos潛水采樣泵有多種型號(hào)，如MP1泵體外徑為44.45 mm，可用于井徑≮50.8 mm的監(jiān)測(cè)井(見圖7)。野外采樣時(shí)采用微型發(fā)電機(jī)提供電源，采用小型鋼絲繩提升整個(gè)系統(tǒng)，取樣管及潛水泵電線采用卡箍固定在鋼絲繩上，取樣深度為50 m。

圖7 Grundfos MP1潛水采樣泵

3 結(jié)語(yǔ)

國(guó)外地下水監(jiān)測(cè)采樣技術(shù)發(fā)展歷史長(zhǎng)，技術(shù)先進(jìn)，值得我們學(xué)習(xí)。國(guó)內(nèi)地下水采樣技術(shù)研究可借鑒國(guó)外經(jīng)驗(yàn)，重點(diǎn)發(fā)展慣性式采樣器、氣體驅(qū)動(dòng)式采樣器和潛水電泵式采樣器。

［1］ 文冬光，等．中國(guó)二氧化碳地質(zhì)封存選址指南研究［M］．北京:地質(zhì)出版社，2012．

［2］ 鄭繼天．國(guó)外地下水污染調(diào)查取樣技術(shù)綜述［J］．勘查科學(xué)技術(shù)，2005，(6):21 －23．

［3］ 鄭繼天．地下水污染調(diào)查采樣技術(shù)［A］．中國(guó)地質(zhì)學(xué)會(huì)水文地質(zhì)專業(yè)委員會(huì)．第四屆海峽兩岸土壤及地下水污染與整治研討會(huì)論文集［C］．北京:地質(zhì)出版社，2009．221－225．

［4］ 葉成明，李小杰，鄭繼天，等．國(guó)外地下水污染調(diào)查監(jiān)測(cè)井技術(shù)［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2007，34(11):57 －60．

［5］ 王建增，鄭繼天，李小杰，等．連續(xù)多通道管監(jiān)測(cè)井成井技術(shù)［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2008，35(8):15 －18．

［6］ A．M．蓋金．美國(guó)地下水采樣方法和技術(shù)［J］．國(guó)外金屬礦山，1993，(7):50 －53．

［7］ 鄭繼天，葉成明，王建增，等．地下水污染調(diào)查慣性取樣泵的設(shè)計(jì)［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2010，37(9):37 －39．

［8］ 李國(guó)剛．環(huán)境樣品的采集與制樣儀器設(shè)備技術(shù)［J］．現(xiàn)代科學(xué)儀器，2003，(7):20 －22．

［9］ 姚永熙．地下水監(jiān)測(cè)方法和儀器概述［J］．水利水文自動(dòng)化，2010，(1):55 －59．

［10］ 劉景濤．無(wú)井地區(qū)淺層地下水快速取樣技術(shù)［J］．工程勘察，2010，(7):31 －34．

［11］ 劉景濤．淺層地下水定深取樣器的研制［J］．環(huán)境監(jiān)測(cè)管理與技術(shù)，2008，20(5):41 －47．

［12］ Barry Freifeld．The U-tube:A New Paradigm for Borehole Fluid Sampling［R］．Barry Freifeld，2009．