CN113834698B - 一种浅层地下水污染物监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种浅层地下水污染物监测系统，包括：监测井以及采样组件，所述监测井由上到下依次分为防护柱、中间柱以及收集柱；所述收集柱上、下部分别为圆柱体、圆锥体，位于圆柱体下部的收集柱管壁周向设有多组用于地下水渗入的小孔，且位于小孔下方的收集柱内壁设有滤料更换组件。本发明适用于监测地下水水质观测指标，特别是实现原位监测，在不同深度浅层地下水监测的条件下，降低了采样的难度，使采样过程简单快捷。

Description

一种浅层地下水污染物监测系统

技术领域

本发明涉及环境科学、地下水污染和土壤学研究技术领域，具体是涉及一种浅层地下水污染物监测系统。

背景技术

随着农业现代化的发展，化肥农药的大量使用已成为土壤环境污染的最主要因素。其中农药残留对水环境造成了严重影响。研究发现，水溶性农药的用量占农药总用量的50％以上，施入稻田后多溶于稻田水中，易通过地表径流、土壤渗漏而污染水环境。

浅层地下水，是指地表以下60米内的含水层。由于其埋层浅，未经深层岩石过滤，水体极易被工厂排放的污水和农田残留的农药污染。饮用受污染的地下水，严重影响了人们身体健康。国内外学者对土壤中农药等农用化学品转化的各种物理、化学和生物化学的作用机理进行了大量的理论和实验研究，并得到了许多有益的规律性的认识。

近年来，人们已建立起各种污染物迁移模型来模拟农药等农用化学品及其残留物在土壤和地下水中的归趋和迁移；但此类研究，仅限于室内模拟或者计算机模拟，并不能真实反映实际的复杂多变的田间情形，而且目前仍然缺少能够针对浅层地下水污染物监测的装置进行浅层地下水的分析处理；因此，现需要一种能够针对复杂多变的田间情形的浅层地下水污染物监测装置来优化解决上述问题。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种浅层地下水污染物监测系统。

本发明的技术方案是：一种浅层地下水污染物监测系统，包括：监测井以及采样组件，所述监测井由上到下依次分为防护柱、中间柱以及收集柱；

所述收集柱上、下部分别为圆柱体、圆锥体，位于圆柱体下部的收集柱管壁周向设有多组用于地下水渗入的小孔，且位于小孔下方的收集柱内壁设有滤料更换组件，所述滤料更换组件用于承载和更换过滤土壤颗粒及杂质的滤料；

所述滤料更换组件包括滤料载板、控制板、升料柱、以及储料桶，

所述滤料载板与收集柱内壁固定连接，且滤料载板上周向等间距设有多组用于滤料下落的滤料孔，所述控制板为扇叶型且位于滤料载板的下底面，控制板的各个叶板与滤料载板的滤料孔位置对应并用于转动控制滤料孔的开闭，所述滤料载板下方还设有承载滤料下落的储料兜，

所述升料柱包括可转动的柱壳体以及螺旋杆，所述螺旋杆转动设于柱壳体内，且柱壳体内壁与螺旋杆各个螺旋间隔处均对应设有可沿着柱壳体配设有纵向滑槽上下滑动的拨片，所述拨片上下侧面均设有用于相邻拨片产生磁斥力的磁片，所述螺旋杆上与各个拨片位置对应处设有用于拨片穿过的条孔，

所述升料柱下端贯穿滤料载板和控制板中心并通过螺旋杆下端与储料兜内底面转动连接，升料柱与滤料载板转动密封连接，升料柱与控制板通过阻尼环连接，

所述升料柱上端伸入储料桶内配设有的中心管并通过柱壳体上端和螺旋杆上端与储料桶顶部设有的组合驱动电机输出轴连接，所述中心管上套设有用于推压滤料排出的环形活塞板，所述储料桶下底面周向设有多组排料口，且所述排料口处均设有用于防止滤料自动排出的堵片，所述升料柱与中间柱内壁接触卡接。

进一步地，所述收集柱的圆柱体上端设有与中间柱或防护柱螺纹连接的螺纹口，所述中间柱上、下两端内壁均设有用于与防护柱、收集柱螺纹连接的螺纹，所述防护柱为带有螺纹口的圆柱形盖体。通过防护柱、中间柱以及收集柱的可拆分方式进行拼装，可以根据不同深度监测更换不同长度的中间柱，并且采用螺纹连接的方式，具有制造工艺难度小，泛用性强以及易操作等优势。

进一步地，相邻两个滤料孔的滤料载板上设有用于提高滤料聚集于各个滤料孔的弧形坡板。通过设置各个弧形坡板，可以提高在进行滤料孔落料时对滤料的疏导作用，从而降低已使用后的滤料在滤料载板残留量。

进一步地，所述采样组件包括出水管、采样瓶以及机械泵，所述出水管伸入至收集柱的圆锥体内底部，采样组件各连接处均用生料带及防水胶密封防漏。通过采样组件能够有效的配合监测井进行浅层地下水的取样操作，从而提高对浅层地下水污染物监测的工作效率。

进一步地，所述中间柱采用不锈钢材料，所述堵片为能够向外侧翻开的六瓣型橡胶片。采用堵片的设计，能够避免储料桶内未使用的滤料在自身重力下不会从排料口排出，同时中间柱采用不锈钢材料，能够满足浅层地下水的监测工作并且材料成本适中。

进一步地，所述组合驱动电机包括用于与柱壳体连接的第一驱动电机以及用于与螺旋杆连接的第二驱动电机，所述第一驱动电机通过所配设卡盘与柱壳体上端凸片可拆卸卡接。通过组合驱动电机的第一驱动电机以及第二驱动电机的设置，利用第一驱动电机以及第二驱动电机相互反向驱动，驱使柱壳体、螺旋杆进行相互转动，从而提高垂直升料的输送效率。

进一步地，所述储料桶外侧壁周向设有多组用于与中间柱内壁接触固定的弧形板，所述弧形板通过电机推杆与储料桶外侧壁连接，弧形板与中间柱内壁接触一侧设有橡胶垫。通过储料桶圆周配设的电动推杆驱动的弧形板，可以便于控制其进行拿取拆装操作，并且可配设一个用于监测环形活塞板位移的距离传感器，并通过蓝牙信号等传输进行防护柱上设置的颜色指示灯进行环形活塞板的状态观测，以便于及时进行储料桶的更换等。

进一步地，所述控制板的各个叶片、储料兜均为网状结构，其网孔口径小于滤料粒径。滤料选择市售粒径为0.2～0.5cm的砂石与蛭石任意比混合物。

进一步地，所述控制板的各个叶板前端均设有用于与卡块连接的弧形卡头，所述卡块与滤料载板下底面配设的弧形槽滑动连接，且卡块与弧形槽内配设的弹簧连接。通过弧形卡头以及弧形槽等结构设置，可以避免控制板在转动状态下切换时出现过度转动等情况，从而确保监测井各项功能的有效运行。

本发明的有益效果是：

(1)本发明浅层地下水污染物监测系统，特别适用于监测地下水水质观测指标，如pH，溶解氧、氧化还原电位、COD、氨氮、总氮、总磷及有机污染物在农业施用后对地下水的影响，特别是实现原位监测，在不同深度浅层地下水监测的条件下，降低了采样的难度，使采样过程简单快捷。

(2)本发明浅层地下水污染物监测系统，通过防护柱、中间柱以及收集柱三段可拆卸式设计，能够进行不同规格中间柱的更换，从而精确控制不同插入深度下对浅层地下水污染物的采样监测工作。

(3)本发明浅层地下水污染物监测系统，通过滤料更换组件的相关结构设计，能够延长监测井在插入进行监测的时长，并且长时间能够保持高效的采集操作，有效避免了在长时间插入后，土壤等杂质堵塞监测井而影响地下水的采集效率。

附图说明

图1是本发明监测井的整体外观示意图。

图2是本发明监测井的结构拆分示意图。

图3是本发明收集柱的局部剖面示意图。

图4是本发明储料桶的外观示意图。

图5是本发明储料桶的局部剖面示意图。

图6是本发明储料桶的组合驱动电机结构示意图。

图7是本发明升料柱的局部剖面示意图。

图8是本发明升料柱的柱壳体局部剖面示意图。

图9是本发明升料柱的拨片结构示意图。

图10是本发明滤料载板的第一状态结构示意图。

图11是本发明滤料载板的第二状态结构示意图。

图12是本发明滤料载板的第三状态结构示意图。

其中，1-防护柱、2-中间柱、3-收集柱、31-圆柱体、32-圆锥体、33-小孔、4-滤料载板、41-滤料孔、42-弧形坡板、43-卡块、44-弧形槽、45-弹簧、5-控制板、51-叶板、52-弧形卡头、6-升料柱、61-柱壳体、611-纵向滑槽、612-拨片、613-凸片、62-螺旋杆、621-条孔、7-储料桶、71-中心管、72-组合驱动电机、721-第一驱动电机、722-第二驱动电机、723-卡盘、73-环形活塞板、74-排料口、75-堵片、76-弧形板、77-电机推杆、8-储料兜、9-出水管。

具体实施方式

下面结合具体实施方式来对本发明进行更进一步详细的说明，以更好地体现本发明的优势。

实施例

如图1和2所示，一种浅层地下水污染物监测系统，包括：监测井以及采样组件，监测井由上到下依次分为防护柱1、中间柱2以及收集柱3；收集柱3的圆柱体31上端设有与中间柱2或防护柱1螺纹连接的螺纹口，中间柱2采用不锈钢材料，采用不锈钢材料，能够满足浅层地下水的监测工作并且材料成本适中，中间柱2上、下两端内壁均设有用于与防护柱1、收集柱3螺纹连接的螺纹，防护柱1为带有螺纹口的圆柱形盖体，通过防护柱1、中间柱2以及收集柱3的可拆分方式进行拼装，可以根据不同深度监测更换不同长度的中间柱2，并且采用螺纹连接的方式，具有制造工艺难度小，泛用性强以及易操作等优势；

如图3所示，收集柱3上、下部分别为圆柱体31、圆锥体32，位于圆柱体31下部的收集柱3管壁周向设有多组用于地下水渗入的小孔33，且位于小孔33下方的收集柱3内壁设有滤料更换组件，滤料更换组件用于承载和更换过滤土壤颗粒及杂质的滤料；

如图3所示，滤料更换组件包括滤料载板4、控制板5、升料柱6、以及储料桶7，

如图3、10-12所示，滤料载板4与收集柱3内壁固定连接，且滤料载板4上周向等间距设有6组用于滤料下落的滤料孔41，控制板5为扇叶型且位于滤料载板4的下底面，控制板5的各个叶板51与滤料载板4的滤料孔41位置对应并用于转动控制滤料孔41的开闭，控制板5的各个叶片51、储料兜8均为网状结构，其网孔口径小于滤料粒径，滤料选择市售粒径在0.2～0.5cm的砂石与蛭石质量比1：2的混合物，滤料载板4下方还设有承载滤料下落的储料兜8，相邻两个滤料孔41的滤料载板4上设有用于提高滤料聚集于各个滤料孔41的弧形坡板42，通过设置各个弧形坡板42，可以提高在进行滤料孔41落料时对滤料的疏导作用，从而降低已使用后的滤料在滤料载板4残留量，控制板5的各个叶板51前端均设有用于与卡块43连接的弧形卡头52，卡块43与滤料载板4下底面配设的弧形槽44滑动连接，且卡块43与弧形槽44内配设的弹簧45连接，通过弧形卡头52以及弧形槽44等结构设置，可以避免控制板5在转动状态下切换时出现过度转动等情况，从而确保监测井各项功能的有效运行；

如图7-9所示，升料柱6包括可转动的柱壳体61以及螺旋杆62，螺旋杆62转动设于柱壳体61内，且柱壳体61内壁与螺旋杆62各个螺旋间隔处均对应设有可沿着柱壳体61配设有纵向滑槽611上下滑动的拨片612，拨片612上下侧面均设有用于相邻拨片612产生磁斥力的磁片，螺旋杆62上与各个拨片612位置对应处设有用于拨片612穿过的条孔621，升料柱6下端贯穿滤料载板4和控制板5中心并通过螺旋杆62下端与储料兜8内底面转动连接，升料柱6与滤料载板4转动密封连接，升料柱6与控制板5通过阻尼环连接，阻尼环选用市售阻尼环或对其进行外形调整等，其为一具有摩擦阻力的套环，以确保在柱壳体61转动初期使其能随着柱壳体61进行转动以实现控制板5的转动切换，当转动至限位后则可以停止转动且不影响柱壳体61的转动，

如图4-6所示，升料柱6上端伸入储料桶7内配设有的中心管71并通过柱壳体61上端和螺旋杆62上端与储料桶7顶部设有的组合驱动电机72输出轴连接，组合驱动电机72包括用于与柱壳体61连接的第一驱动电机721以及用于与螺旋杆62连接的第二驱动电机722，第一驱动电机721通过所配设卡盘723与柱壳体61上端凸片613可拆卸卡接，通过组合驱动电机72的第一驱动电机721以及第二驱动电机722的设置，利用第一驱动电机721以及第二驱动电机722相互反向驱动，驱使柱壳体61、螺旋杆62进行相互转动，从而提高垂直升料的输送效率，

如图5所示，中心管71上套设有用于推压滤料排出的环形活塞板73，储料桶7下底面周向设有4组排料口74，且排料口74处均设有用于防止滤料自动排出的堵片75，堵片75为能够向外侧翻开的六瓣型橡胶片，能够避免储料桶7内未使用的滤料在自身重力下不会从排料口74排出；升料柱6与中间柱2内壁接触卡接，储料桶7外侧壁周向设有多组用于与中间柱2内壁接触固定的弧形板76，弧形板76通过电机推杆77与储料桶7外侧壁连接，弧形板76与中间柱2内壁接触一侧设有橡胶垫，通过储料桶7圆周配设的电动推杆77驱动的弧形板76，电动推杆77选用市售电动推杆或对其进行外形调整以适配安装于本装置中，可以便于控制其进行拿取拆装操作，并且可配设一个用于监测环形活塞板73位移的距离传感器，并通过蓝牙信号等传输进行防护柱1上设置的颜色指示灯进行环形活塞板73的状态观测，以便于及时进行储料桶7的更换等；

如图3所示，采样组件包括出水管9、采样瓶以及机械泵，出水管9伸入至收集柱3的圆锥体32内底部，采样组件各连接处均用生料带及防水胶密封防漏，通过采样组件能够有效的配合监测井进行浅层地下水的取样操作，从而提高对浅层地下水污染物监测的工作效率。

上述浅层地下水污染物监测系统的工作方法为：

在环形活塞板73底面及储料桶7内底面加装华众PU-LQ30-IN300D距离传感器模块，并配设美国微芯PIC18F66K22-I/PT单片机以及市售蓝牙模块；并通过与防护柱1上设置的市售指示灯及市售蓝牙模块进行信号对接，以绿色指示为未使用滤料状态，以红色指示为使用后滤料状态；

选取对应长度规格的中间柱2，在滤料载板4上状态超过最上端小孔高度的滤料，并在储料桶7内装填满未使用滤料，并将防护柱1、中间柱2以及收集柱3进行螺纹对接，随后完成监测井的组装；

将监测井垂直插入待监测土壤区域，使浅层地下水在自然状态下，缓慢流入监测井，真实模拟地下水的流通，不扰动监测井周围土壤；同时通过滤料作用，阻隔土壤颗粒、植物杂屑等杂质，可以有效地去除渗入地下水的土壤颗粒物、细小植物碎屑，减小干扰，且便于出水管对样品的抽吸；

当根据预设时间启动组合驱动电机72，使第一驱动电机721先以低转速驱动柱壳体61转动30°，使其从第一状态切换至第二状态，即控制板5的打开状态，由图10切换至图11模式，使位于滤料载板4的已使用滤料通过滤料孔41下落至储料兜8中，

第一驱动电机721在间歇5秒后再次启动，持续转动使控制板5从第二状态切换至第三状态，即控制板5的闭合状态，由图11切换至图12模式，同时第二驱动电机722进行启动，随后在柱壳体61与螺旋杆62的相对转动下，配合着柱壳体61的各个拨片612拨动已使用滤料进入螺旋杆62中，并且拨片612随着螺旋杆62向上旋转并辅助拨动已使用滤料向上移动，当拨片612旋转移动至上一节螺旋杆62的条孔621处，其沿着柱壳体61向下滑动一个拨片612，相邻两组拨片612通过之间磁片的磁斥力控制两者的间距，从而保证分别位于螺旋杆62的各个螺旋间隔处，从而将下落至储料兜8的已使用滤料输送至储料桶7的环形活塞板73上方，在地下水及各种杂志夹杂的已使用滤料的重力下向下推压环形活塞板73，使其超出堵片75的阻挡极限，从而使未使用滤料通过各个排料口74排至滤料载板4上，完成滤料的更换，

采集样品时可以将防护柱1旋拧开，通过市售机械泵以及出水管9抽出地下水进行采样，采样瓶为一棕色玻璃容器，其上设进水口，用于收集来自监测井的地下水；

同时，当颜色指示灯为红色指示时，可以开启防护柱1，通过市售控制器等启动电机推杆77驱动弧形板76收缩，期间并通过夹子等工具夹持稳定，随后将储料桶7夹出，对滤料进行更换，随后再按照上述步骤将储料桶7放入原位，完成储料桶7的更换。

应用例

实验时，研究人员可按以下具体操作步骤时行实验：

1)选择大田试验地一块，总占地面积约为1800m²，分9个模拟小区，每个小区占地面积为100m²，每个模拟小区布置5个监测井；

2)根据浅层地下水监测深度的选择，组合不同高度的监测井，一般为0.1m，0.5m，1m，1.5m，2m；

3)监测井由收集柱3、中间柱2和防护柱1三部分组成，中间柱2 0.5m一段，可以几段组合，首先取出收集柱3，将出水管9穿过滤料更换组件并伸入收集柱3的圆锥体32中间，出水管9管头伸至圆锥体32底部约1/3处，根据监测系统中监测井深度，中间柱2分别为0、1、2、3、4段进行组合连接，连接完成后与收集柱3螺口旋接，然后将出水管9拉至中间柱2的上端，固定于中间柱2内壁，出水管9的长度应该可以伸出中间柱2约1m，方便后期采集样品时，接入采样瓶，最后将中间柱2上口或收集柱3上口与防护柱相接，组成完整的不同深度的监测井；

4)浅层地下水污染检测系统的各连接处均用生料带或防水胶密封固定；

5)将装置好的5个监测井钻入试验地，直至防护柱1于地面上约30cm处止，既不会造成操作人员的工作障碍，又可以方便采样，防护柱1旋开，抽出出水管9，采用吸气球虹吸，出液后将出水管9直接接入准备好的采样瓶中；

6)样品采集可以根据试验要求，在不同时间段进行采样，也可以采集不同深度的浅层地下水样品，在进行不同时间段采样时，采集完样品后要将防护柱1再次旋上，防止雨水和杂物的进入；

7)采集完样品的采样瓶要及时放入车载冰箱中保存。

Claims (10)

1.一种浅层地下水污染物监测系统，其特征在于，包括：监测井以及采样组件，所述监测井由上到下依次分为防护柱(1)、中间柱(2)以及收集柱(3)；

所述收集柱(3)上、下部分别为圆柱体(31)、圆锥体(32)，位于圆柱体(31)下部的收集柱(3)管壁周向设有多组用于地下水渗入的小孔(33)，且位于小孔(33)下方的收集柱(3)内壁设有滤料更换组件，所述滤料更换组件用于承载和更换过滤土壤颗粒及杂质的滤料；

所述滤料更换组件包括滤料载板(4)、控制板(5)、升料柱(6)以及储料桶(7)，

所述滤料载板(4)与收集柱(3)内壁固定连接，且滤料载板(4)上周向等间距设有多组用于滤料下落的滤料孔(41)，所述控制板(5)为扇叶型且位于滤料载板(4)的下底面，控制板(5)的各个叶板(51)与滤料载板(4)的滤料孔(41)位置对应并用于转动控制滤料孔(41)的开闭，所述滤料载板(4)下方还设有承载滤料下落的储料兜(8)，

所述升料柱(6)包括可转动的柱壳体(61)以及螺旋杆(62)，所述螺旋杆(62)转动设于柱壳体(61)内，且柱壳体(61)内壁与螺旋杆(62)各个螺旋间隔处均对应设有可沿着柱壳体(61)配设有纵向滑槽(611)上下滑动的拨片(612)，所述拨片(612)上下侧面均设有用于相邻拨片(612)产生磁斥力的磁片，所述螺旋杆(62)上与各个拨片(612)位置对应处设有用于拨片(612)穿过的条孔(621)，

所述升料柱(6)下端贯穿滤料载板(4)和控制板(5)中心并通过螺旋杆(62)下端与储料兜(8)内底面转动连接，升料柱(6)与滤料载板(4)转动密封连接，升料柱(6)与控制板(5)通过阻尼环连接，

所述升料柱(6)上端伸入储料桶(7)内配设有的中心管(71)并通过柱壳体(61)上端和螺旋杆(62)上端与储料桶(7)顶部设有的组合驱动电机(72)输出轴连接，所述中心管(71)上套设有用于推压滤料排出的环形活塞板(73)，所述储料桶(7)下底面周向设有多组排料口(74)，且所述排料口(74)处均设有用于防止滤料自动排出的堵片(75)，所述升料柱(6)与中间柱(2)内壁接触卡接。

2.根据权利要求1所述的一种浅层地下水污染物监测系统，其特征在于，所述收集柱(3)的圆柱体(31)上端设有与中间柱(2)或防护柱(1)螺纹连接的螺纹口，所述中间柱(2)上、下两端内壁均设有用于与防护柱(1)、收集柱(3)螺纹连接的螺纹，所述防护柱(1)为带有螺纹口的圆柱形盖体。

3.根据权利要求1所述的一种浅层地下水污染物监测系统，其特征在于，相邻两个滤料孔(41)的滤料载板(4)上设有用于提高滤料聚集于各个滤料孔(41)的弧形坡板(42)。

4.根据权利要求1所述的一种浅层地下水污染物监测系统，其特征在于，所述采样组件包括出水管(9)、采样瓶以及机械泵，所述出水管(9)伸入至收集柱(3)的圆锥体(32)内底部，采样组件各连接处均用生料带及防水胶密封防漏。

5.根据权利要求1所述的一种浅层地下水污染物监测系统，其特征在于，所述中间柱(2)采用不锈钢材料，所述堵片(75)为能够向外侧翻开的六瓣型橡胶片。

6.根据权利要求1所述的一种浅层地下水污染物监测系统，其特征在于，所述组合驱动电机(72)包括用于与柱壳体(61)连接的第一驱动电机(721)以及用于与螺旋杆(62)连接的第二驱动电机(722)，所述第一驱动电机(721)通过所配设卡盘(723)与柱壳体(61)上端凸片(613)可拆卸卡接。

7.根据权利要求1所述的一种浅层地下水污染物监测系统，其特征在于，所述储料桶(7)外侧壁周向设有多组用于与中间柱(2)内壁接触固定的弧形板(76)，所述弧形板(76)通过电机推杆(77)与储料桶(7)外侧壁连接，弧形板(76)与中间柱(2)内壁接触一侧设有橡胶垫。

8.根据权利要求1所述的一种浅层地下水污染物监测系统，其特征在于，所述控制板(5)的各个叶板 (51)、储料兜(8)均为网状结构。

9.根据权利要求1所述的一种浅层地下水污染物监测系统，其特征在于，所述堵片(75)为能够向外侧翻开使排料口(74)开启的六瓣型橡胶片。

10.根据权利要求1所述的一种浅层地下水污染物监测系统，其特征在于，所述控制板(5)的各个叶板(51)前端均设有用于与卡块(43)连接的弧形卡头(52)，所述卡块(43)与滤料载板(4)下底面配设的弧形槽(44)滑动连接，且卡块(43)与弧形槽(44)内配设的弹簧(45)连接。

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