1.本发明涉及地质水文监测技术领域，尤其涉及一种湿土层原位取水装置及取水方法。
背景技术：2.在水文地质、农业、工程相关专业对土壤水的研究中，需要获取土层中的水样进行化验。在现有技术中，通常采用负压取水的方法，也有采用将井孔中的地下土取出然后利用离心法取水或蒸馏取水方法的。上述方法存在着取水效率低、取水成本高的问题。取水效率太低很容易造成严重的元素分馏，影响试验结果的精度和准确度，特别是采集水样进行同位素测试时，上述问题变得更加严重。因此，有必要提供一种湿土层原位取水装置及取水方法来解决上述技术问题。
技术实现要素：3.本发明的目的之一在于提供一种湿土层原位取水装置。该装置具有获取水样效率高、成本低，可大大提高试验精度和准确度的优点。
4.为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案为：一种湿土层原位取水装置，其特征在于：包括井孔护壁管、底部气囊、上部气囊、集水板、支架、隔板、负压吸水管、负压泵、声波耦合管、超声波换能器、超声波发生器、充气泵、集水瓶；所述负压泵、充气泵、超声波发生器位于地面以上，底部气囊位于井孔护壁管内地下目标土层的底部位置，底部气囊通过充气管与充气泵连接，底部气囊充气加压后形成底部气囊支撑，底部气囊上方依次安装集水板、支架、隔板，支架支撑在集水板和隔板之间形成集水空腔，负压泵通过负压吸水管与集水空腔连接，负压吸水管上部设有向下倾斜的导流管，导流管与集水瓶密封连接；声波耦合管位于隔板上方，声波耦合管底端触及隔板上表面；声波耦合管外部回填原土至目标土层上沿高度，上部气囊位于回填的原土上表面；上部气囊通过充气管与充气泵连接，上部气囊充气加压后对原土上表面进行密封；所述声波耦合管内填充有声波耦合液，声波耦合液的液面高度高于回填的原土上表面高度，超声波换能器插入声波耦合液内，超声波换能器与超声波发生器通过缆线连接。
5.进一步的，所述井孔护壁管为带过细密滤孔pvc管。
6.进一步的，所述声波耦合管为底端封堵、上端敞口的柱状非金属u形管。
7.进一步的，所述隔板为带过滤孔非金属网格板。
8.进一步的，所述集水板中心设有向下凹陷的集水凹槽，负压吸水管底端延伸至集水凹槽内。
9.进一步的，所述超声波换能器为集束式水平超声波换能器。
10.本发明的另一目的在于提供一种湿土层原位取水方法。
11.为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案为：一种湿土层原位取水方法，其特征在于：包括以下步骤，
步骤一，钻孔成井：在地面钻孔至目标土层，利用带细密滤孔的pvc管护壁成井孔；步骤二，设置底部气囊支撑：将底部气囊下放至目标土层的底部位置，将底部气囊的充气管与地面的充气泵连接充气加压，形成底部气囊支撑；步骤三，设置集水空腔：在步骤二的底部气囊支撑上方由下至上依次安装集水板、支架、隔板；支架支撑在集水板和隔板之间形成集水空腔，将负压吸水管底端放入集水空腔内紧贴集水板，负压吸水管上端延伸至地面与负压泵和集水瓶连接；步骤四，安装声波耦合管：将声波耦合管由孔中心放入，声波耦合管底端触及隔板；步骤五，原土回填：在孔中填入原土至目标土层上沿高度；步骤六，设置上部气囊封塞：将上部气囊下放至贴紧步骤五回填的原土上表面，将上部气囊的充气管与地面的充气泵连接充气加压，形成上部气囊封塞；步骤七，安装超声波装置：将超声波换能器放入声波耦合管，超声波换能器与超声波发生器通过缆线连接，在声波耦合管内放入声波耦合液，声波耦合液的液面高度高于步骤五回填的原土上表面；步骤八，负压取水：启动超声波换能器和负压泵，抽取水样。
12.进一步的，底部气囊、上部气囊充满气后的气压大于0.5mpa。
13.进一步的，步骤七中的声波耦合液为饱和盐水。
14.原位采集湿土层中的吸着水样，采用普通的负压解吸方法，采集速度慢，效率低，取水样品完整性差。本发明在负压取水过程中引入超声波装置，在超声波的作用下，土壤颗粒及吸着水产生振动，压强周期性变化，给吸着水增加了剪切作用力，减弱了水的吸附力，达到快速解吸的作用，并且因为土壤颗粒的振动及局部压强的变化，产生局部压密或局部拉伸的效果，扩大了孔隙的体积及连通性，增加了水的渗流通道。超声波换能器通过声波耦合管与土层密接，提高了超声波在土中的传播距离，超声波影响范围较大，大大提高了取水效率。
15.本发明利用集水板、支架、隔板形成集水空腔，集水空腔内设置集水凹槽，利用负压吸水管底端延伸至集水凹槽内，有微量的解吸水也能从负压吸水管抽出，可大大提高试验精度和准确度。
附图说明
16.图1为本发明所述湿土层原位取水装置的结构示意图。
17.图中部件名称与附图标记的对应关系为：1孔护壁管；2底部气囊；3上部气囊；4集水板；5支架；6隔板；7负压吸水管；8负压泵；9声波耦合管；10超声波换能器；11超声波发生器；12充气泵；13集水瓶；14充气管；15声波耦合液；16导流管；17集水凹槽；18密封胶垫。
具体实施方式
18.下面将结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。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，都属于本发明保护的范围。
19.如图1所示，一种湿土层原位取水装置，包括孔护壁管1、底部气囊2、上部气囊3、集水板4、支架5、隔板6、负压吸水管7、负压泵8、声波耦合管9、超声波换能器10、超声波发生器11、充气泵12、集水瓶13；所述负压泵8、充气泵12、超声波发生器11位于地面以上，底部气囊2位于孔护壁管1内目标土层的底部位置，底部气囊2通过充气管14与充气泵12连接，底部气囊2充气加压后形成底部气囊支撑，底部气囊2上方依次安装集水板4、支架5、隔板6，支架5支撑在集水板4和隔板6之间形成集水空腔，负压泵8通过负压吸水管7与集水空腔连接，负压吸水管7上部设有向下倾斜的导流管16，导流管与集水瓶13密封连接；声波耦合管9位于隔板6上方，声波耦合管9底端触及隔板6上表面；声波耦合管9外部回填原土至目标土层上沿高度，上部气囊3位于回填的原土上表面；上部气囊3通过充气管14与充气泵12连接，上部气囊3充气加压后对原土上表面进行密封；所述声波耦合管9内填充有声波耦合液15，声波耦合液的液面高度高于回填的原土上表面高度，超声波换能器10插入声波耦合液内，超声波换能器10与超声波发生器11通过缆线连接。所述井孔护壁管1为带过滤孔pvc管。所述声波耦合管为底端封堵、上端敞口的柱状非金属u形管，以便于加入声波耦合液。所述隔板为带过滤孔非金属网格板，方便目标土层中的水份解吸后渗入。所述集水板中心设有向下凹陷的集水凹槽17，负压吸水管底端延伸至集水凹槽内，解吸水渗出后汇集在集水凹槽内，有微量的解吸水也能从负压吸水管抽出，可大大提高试验精度和准确度。所述超声波换能器为集束式水平超声波换能器，集束式水平超声波换能器能够在湿土中影响较大范围。上部气囊3在制作时预留有通过负压吸水管7、充气管14、声波耦合管9的管孔，管孔内设置密封胶垫18。
20.一种湿土层原位取水方法，包括以下步骤，步骤一，钻孔：在地面钻孔至目标土层位，利用带细密滤孔的pvc管护壁成孔；步骤二，设置底部气囊支撑：将底部气囊下放至目标土层的底部位置，将底部气囊的充气管与地面的充气泵连接充气加压，形成底部气囊支撑；底部气囊充满气后的气压大于0.5mpa，以保证底部气囊的承载力，避免上方设备及回填原土掉落。
21.步骤三，设置集水空腔：在步骤二的底部气囊支撑上方由下至上依次安装集水板、支架、隔板；支架支撑在集水板和隔板之间形成集水空腔，将负压吸水管底端放入集水空腔内紧贴集水板，负压吸水管上端延伸至地面与负压泵和集水瓶连接；步骤四，安装声波耦合管：将声波耦合管由孔中心放入，声波耦合管底端触及隔板；步骤五，原土回填：在井孔中填入原土至目标土层上沿高度；原土为钻孔时取出的同层位的土。
22.步骤六，设置上部气囊封塞：将上部气囊下放至贴紧步骤五回填的原土上表面，将上部气囊的充气管与地面的充气泵连接充气加压，形成上部气囊封塞；上部气囊充满气后的气压大于0.5mpa；步骤七，安装超声波装置：将超声波换能器放入声波耦合管，超声波换能器与超声波发生器通过缆线连接，在声波耦合管内放入声波耦合液，声波耦合液的液面高度高于步骤五回填的原土上表面；声波耦合液可采用饱和盐水，成本低，便于配置；步骤八，负压取水：启动超声波换能器和负压泵，抽取水样。
23.本发明在湿土层原位负压取水过程中引入超声波装置。经试验，采用集束式水平
超声波换能器，功率大于70w，超声波换能器通过声波耦合管与地下湿土接触，超声波能够对井孔周围3米范围内的湿土起到有效影响。湿土为土壤颗粒、吸着水、气体（包括水蒸气）混合物，在超声波的作用下，土壤颗粒及吸着水产生振动及增温效果，给吸着水增加了剪切作用力及增加局部压强，减弱了水的吸附力及对局部土层有挤密效应，并有增大已有孔隙体积及增加孔隙间的连通，达到快速解吸及渗流效果。本发明利用负压泵在上部气囊和底部气囊之间形成负压，湿土中的微量气体会通过负压吸水管被抽出，同时集水板中的解吸渗出水会在负压作用下上行进入集水瓶。
24.以上所述，仅是本发明的最佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，利用上述揭示的方法内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，均属于权利要求书保护的范围。
技术特征：1.一种湿土层原位取水装置，其特征在于：包括井孔护壁管、底部气囊、上部气囊、集水板、支架、隔板、负压吸水管、负压泵、声波耦合管、超声波换能器、超声波发生器、充气泵、集水瓶；所述负压泵、充气泵、超声波发生器位于地面以上，底部气囊位于目标土层的底部位置，底部气囊通过充气管与充气泵连接，底部气囊充气加压后形成底部气囊支撑，底部气囊上方依次安装集水板、支架、隔板，支架支撑在集水板和隔板之间形成集水空腔，负压泵通过负压吸水管与集水空腔连接，负压吸水管上部设有向下倾斜的导流管，导流管与集水瓶密封连接；声波耦合管位于隔板上方，声波耦合管底端触及隔板上表面；声波耦合管外部回填原土至目标土层上沿高度，上部气囊位于回填土上表面；上部气囊通过充气管与充气泵连接，上部气囊充气加压后对原土上表面进行密封；所述声波耦合管内填充有声波耦合液，声波耦合液的液面高度高于目标土层顶部，超声波换能器插入声波耦合液内，超声波换能器与超声波发生器通过缆线连接。2.根据权利要求1所述的一种湿土层原位取水装置，其特征在于：所述井孔护壁管为带细密过滤孔pvc管。3.根据权利要求1所述的一种湿土层原位取水装置，其特征在于：所述声波耦合管为底端封堵、上端敞口的柱状非金属u形管。4.根据权利要求1所述的一种湿土层原位取水装置，其特征在于：所述隔板为带过滤孔非金属网格板。5.根据权利要求1所述的一种湿土层原位取水装置，其特征在于：所述集水板中心设有向下凹陷的集水凹槽，负压吸水管底端延伸至集水凹槽内。6.根据权利要求1所述的一种湿土层原位取水装置，其特征在于：所述超声波换能器为集束式水平超声波换能器。7.一种湿土层原位取水方法，其特征在于：包括以下步骤，步骤一，钻孔成井：在地面钻孔至目标湿土层，利用带细密滤孔的pvc管护壁成孔；步骤二，设置底部气囊支撑：将底部气囊下放至孔内目标土层底部位置，将底部气囊的充气管与地面的充气泵连接充气加压，形成底部气囊支撑；步骤三，设置集水空腔：在步骤二的底部气囊支撑上方由下至上依次安装集水板、支架、隔板；支架支撑在集水板和隔板之间形成集水空腔，将负压吸水管底端放入集水空腔内紧贴集水板，负压吸水管上端延伸至地面与负压泵和集水瓶连接；步骤四，安装声波耦合管：将声波耦合管由孔中心放入，声波耦合管底端触及隔板；步骤五，原土回填：在孔中填入原土至目标土层的上沿高度；步骤六，设置上部气囊封塞：将上部气囊下放至贴紧步骤五回填的原土上表面，将上部气囊的充气管与地面的充气泵连接充气加压，形成上部气囊封塞；步骤七，安装超声波装置：将超声波换能器放入声波耦合管，超声波换能器与超声波发生器通过缆线连接，在声波耦合管内放入声波耦合液，声波耦合液的液面高度高于步骤五回填的原土上表面；步骤八，负压取水：启动超声波换能器和负压泵，抽取水样。8.根据权利要求7所述的一种湿土层原位取水方法，其特征在于：底部气囊、上部气囊充满气后的气压大于0.5mpa。9.根据权利要求7所述的一种湿土层原位取水方法，其特征在于：步骤七中的声波耦合
液为饱和盐水。
技术总结本发明提供了一种湿土层原位取水装置及取水方法。本发明在负压取水过程中引入超声波装置，在超声波的作用下，土壤颗粒及吸着水产生振动，压强周期性变化，给吸着水增加了剪切作用力，减弱了水的吸附力，达到快速解吸的作用，并且因为土壤颗粒的振动及局部压强的变化，产生局部压密或局部拉伸的效果，扩大了孔隙的体积及连通性，增加了水的渗流通道。超声波换能器通过声波耦合管与土层密接，提高了超声波在土中的传播距离，超声波影响范围较大，大大提高了取水效率；本发明利用集水板、支架、隔板形成集水空腔，集水空腔内设置集水凹槽，利用负压吸水管底端延伸至集水凹槽内，有微量的解吸水也能从负压吸水管抽出，可大大提高试验精度和准确度。验精度和准确度。验精度和准确度。
技术研发人员：刘学全 田言亮 严明疆 聂振龙 朱谱成
受保护的技术使用者：中国地质科学院水文地质环境地质研究所
技术研发日：2022.05.07
技术公布日：2022/7/5
