一种土壤渗流水原位分层采样装置的制作方法

本实用新型属于土壤水采样技术领域，具体地说，涉及一种土壤渗流水原位分层采样装置。

背景技术：

在山地丘陵地带，特别是像我国西南喀斯特地区，潜水位埋藏比较深，而土壤剖面通常发育较为浅薄(一般几米厚甚至更薄)，其大多情况下完全处于饱气环境，岩石风化成土作用依赖降雨渗入土壤后形成的渗流水(即重力水)作为主要的侵蚀营力。对于这类土壤剖面，渗流水在水-岩反应以及溶质(包括胶体颗粒)运移中扮演了重要角色，已逐渐成为风化作用地球化学研究中关注的内容。此外，渗流水也是环境污染物在土壤剖面迁移转化的主要载体，是土壤环境质量评价中的研究对象。利用渗流水开展上述研究的前提是能够沿土壤剖面不同深度原位采集到样品。目前广泛应用于土壤水原位采集的方法是基于负压原理的多孔陶土杯或其他材质的抽吸法，当用于渗流水采集时，存在以下问题：(1)由于是通过一定吸力得到的样品，会对采样点周围的流场产生扰动，影响渗流水的自由下渗，采样的原位性难以保证；(2)该类装置只能单点采样，不能同时完成剖面不同深度土壤水的采集；(3)由于渗流水主要出现在降雨时段，现场作业不方便，尤其是用真空泵进行抽气操作时更是如此。

另外，在文献报道及专利公开的信息中，介绍了两种针对土壤渗流水取样的装置和方法。一是通过挖坑埋设截水槽与集液瓶的采样方法，二是在土壤剖面插入圆柱形塑料集液筒的分层采样方法。对于前者，由于截水槽上覆土壤为回填土，破坏了土壤的原状结构，甚至存在不同层位土壤的混合，收集的样品难以真实代表流经原始土壤剖面的渗流水组成，另外该装置也只能单点采样。对于后者，虽然沿圆柱筒纵向焊接成若干独立的集液室，并在各室侧壁钻孔从而可以同时收集不同深度的渗流水，但也存在一些不足：(1)由于集液筒装置焊接成一体不可活动和拆卸，清洗不方便；(2)开挖的放置集液筒的圆柱形土穴直径大于集液筒，在用预先所取的分层土样填实二者之间缝隙的过程中，难以完全做到填隙土壤的原位性；(3)该装置设计的取样深度为1m，对于更深的土壤剖面取样，需要焊接更长的集液筒，其强度难以保证。另一方面，采样越深，填实土穴与集液筒间缝隙的难度越大，一旦二者间出现空隙，将导致土壤渗流水取样失败。

技术实现要素：

有鉴于此，本实用新型所要解决的技术问题是提供一种能同时原位采集几米深度内土壤剖面不同层位的渗流水的土壤渗流水原位分层采样装置。

一种土壤渗流水原位分层采样装置，包括一级取样管，所述一级取样管为圆柱管，沿轴向分隔成若干个采样室，在最底部的采样室的底部设置有一个圆锥体；

所述采样室由上至下的1/4部分的管壁上设置有导流孔，在采样室1/2高度的下半部分管壁上设置有取样窗，取样窗一侧通过合页铰接连接有窗门，所述取样窗另一侧与窗门上分别设置有弧形插口和把手，弧形插口和把手通过插销固定连接来关闭窗门；在采样室的导流孔区域底部与取样窗之间设置有喇叭开口朝上的漏斗，所述漏斗的开口边缘与采样室内壁固定连接；

所述采样室的底板为载样台，在该载样台上放置有集液瓶，所述漏斗的出液口伸入在集液瓶的瓶口内。

进一步地，如上所述的土壤渗流水原位分层采样装置，在各采样室分布有导流孔的区域外壁粘贴有一层尼龙网。

进一步地，如上所述的土壤渗流水原位分层采样装置，所述取样窗的高度为采样室高度的1/2，所述取样窗四周安装有密封胶条，所述取样窗开口角为180°，即取样窗的开口以过采样室横截面的中心为开口断面，所述各采样室的取样窗位于一级取样管的同侧。

进一步地，如上所述的土壤渗流水原位分层采样装置，所述一级取样管外壁焊接有单螺旋叶片，在所述单螺旋叶片上分布有钻孔，单螺旋叶片的焊接部位避开所述取样窗的窗门。

进一步地，如上所述的土壤渗流水原位分层采样装置，包括手柄，在所述一级取样管的顶部设置有用于与所述手柄固定连接的第一连接部。

进一步地，如上所述的土壤渗流水原位分层采样装置，包括延长管，所述延长管为圆柱管，沿轴向分隔成若干个采样室；在该延长管的底部设置有第二连接部，该第二连接部能够与所述一级取样管顶部的第一连接部固定连接。

进一步地，如上所述的土壤渗流水原位分层采样装置，所述第一连接部为一个矩形体卡头，在该卡头上设置有一个能够插入插销的通孔；所述第二连接部设置有一个与所述卡头规格相适应的矩形体卡口，在该卡口上设置有插销能够插入的通孔，当延长管与一级取样管组合时，将卡头嵌入卡口内通过插销固定连接。

进一步地，如上所述的土壤渗流水原位分层采样装置，在延长管的顶部设置有一个与所述第一连接部结构一样的连接体，所述手柄为T型手柄，在该T型手柄的底部设置有一个卡槽，该卡槽的规格与所述矩形体卡口一样，所述T型手柄通过卡槽与一级取样管顶部的第一连接部或者延长管顶部的连接体固定连接。

进一步地，如上所述的土壤渗流水原位分层采样装置，所述一级取样管、延长管的材质为耐腐蚀的奥氏体不锈钢；所述漏斗、载样台、集液瓶的材质为聚氯乙烯塑料。

进一步地，如上所述的土壤渗流水原位分层采样装置，所述漏斗、载样台与采样室内壁固定连接的粘结剂用环己酮和聚氯乙烯溶液调制，并密封不漏水。

与现有技术相比，本实用新型可以获得包括以下技术效果：

(1)在埋设采样装置之前，用洛阳铲预先挖掘了直径比一级取样管(延长管，不包括单螺旋叶片的宽度)小1cm的圆柱形土穴，因此旋进到土穴中的采样装置，其管壁与四周土壤紧密贴合，避免了渗流水沿管壁形成优先流。另外，在单螺旋叶片上钻取了若干小孔，也是为了防止渗流水沿单螺旋叶片旋进方向形成优先流。由此，沿土壤剖面下渗的渗流水流经各采样室上端管壁的导流孔处时，通过侧渗作用汇入集液瓶，使各采样室能收集到来自土壤剖面相应深度的渗流水，从而可以保证沿土壤剖面同时分层采集的渗流水的原位性。

(2)本实用新型的采样装置，经现场试验验证表明，采样深度最深可达到5m，即在一级取样管的基础上，可以续接4节延长管，利用焊接在一级取样管和延长管外壁的单螺旋叶片，通过手动T型手柄的旋进操作，较易实现采样装置在土壤剖面的埋设。

(3)本实用新型的采样装置，其与土壤渗流水相接触的各组成部件均使用惰性材料制成，如一级取样管、延长管的材质为耐腐蚀的奥氏体不锈钢，漏斗、载样台、集液瓶的材质为耐酸碱的聚氯乙烯塑料。另外，粘结剂也为耐酸碱的惰性材料，保证了采集的样品不受污染。

(4)本实用新型的采样装置中，一级取样管和延长管的管壁厚0.5cm，其强度可以抵抗在土穴中旋进过程中的抗剪力，以保证采样装置在土穴中埋设和提升过程中不被破损。

(5)本实用新型的采样装置中，集液瓶设计的容量为150ml，实际上，就常规分析而言，一般采集10ml就足够了。

(6)本实用新型的装置，可反复使用，清洗方便，装置简单，易于操作，技术人员易学、易掌握。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本实用新型的一部分，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1是本实用新型实施例一级取样管结构示意图；

图2是本实用新型实施例延长管结构示意图；

图3是本实用新型实施例取样窗结构示意图；

图4是本实用新型实施例T型手柄结构示意图；

图5是本实用新型实施例一级取样管、延长管和T型手柄组合后的结构示意图；

图中，1、一级取样管；2、延长管；3、手柄；4、卡头；5、采样室；6、导流孔；7、取样窗；8、合页；9、把手；10、插口；11、漏斗；12、载样台；13、集液瓶；14、单螺旋叶片；15、卡口；16、卡槽；17、插销；18、窗门。

具体实施方式

以下将配合附图及实施例来详细说明本实用新型的实施方式，藉此对本实用新型如何应用技术手段来解决技术问题并达成技术功效的实现过程能充分理解并据以实施。

如图1-5所示，本实施例提供了一种土壤渗流水原位分层采样装置，包括一级取样管1，所述一级取样管1为圆柱管，沿轴向分隔成若干个采样室5，在最底部的采样室5的底部设置有一个圆锥体；

所述采样室5由上至下的1/4部分的管壁上设置有导流孔6，在采样室1/2高度的下半部分管壁上设置有取样窗7，取样窗7一侧通过合页8铰接连接有窗门18，所述取样窗7另一侧与窗门18上分别设置有弧形插口10和把手9，弧形插口10和把手9通过插销17固定连接来关闭窗门18；在采样室5的导流孔6与取样窗7之间设置有喇叭开口朝上的漏斗11，所述漏斗11的开口边缘与采样室5内壁固定连接；

所述采样室5的底板为载样台12，在该载样台12上放置有集液瓶13，所述漏斗11的出液口伸入在集液瓶13的瓶口内。

所述采样室5分布有导流孔6的区域外壁粘贴有一层尼龙网。

所述取样窗7的高度为采样室5高度的1/2，所述取样窗7四周安装有密封胶条，所述取样窗7开口角为180°，即取样窗7的开口以过采样室5横截面的中心为开口断面，所述各采样室5的取样窗7位于一级取样管1的同一侧。

所述一级取样管1外壁焊接有单螺旋叶片14，在所述单螺旋叶片14上分布有钻孔，单螺旋叶片14的焊接部位避开所述取样窗7的窗门18。

所述的土壤渗流水原位分层采样装置，包括手柄3，在所述一级取样管1的顶部设置有用于与所述手柄3固定连接的第一连接部。

所述的土壤渗流水原位分层采样装置，包括延长管2，所述延长管2为圆柱管，沿轴向分隔成若干个采样室5；在延长管2的底部设置有第二连接部，该第二连接部能够与所述一级取样管1顶部的第一连接部固定连接。所述第一连接部为一个矩形体卡头4，在该卡头4上设置有一个能够插入插销的通孔；所述第二连接部设置有一个与所述卡头4规格相适应的矩形体卡口15，在该卡口15上设置有插销能够插入的通孔，当延长管2与一级取样管1组合时，将卡头4嵌入卡口15内通过插销固定连接。

在延长管2的顶部设置有一个与所述第一连接部结构一样的连接体，所述手柄3为T型手柄，在该T型手柄3的底部设置有一个卡槽16，该卡槽16的规格与所述矩形体卡口15一样，所述T型手柄3通过卡槽16与一级取样管1顶部的第一连接部或者延长管2顶部的连接体固定连接。

所述一级取样管1、延长管2的材质为耐腐蚀的奥氏体不锈钢；所述漏斗11、载样台12、集液瓶13的材质为聚氯乙烯塑料。

所述漏斗11、载样台12与采样室5内壁固定连接的粘结剂用环己酮和聚氯乙烯溶液调制，并密封不漏水。

具体地，对于一级取样管1，上端用同口径的圆形奥氏体不锈钢板焊封(厚1cm)，在其上焊接一个规格为5cm×5cm×5cm的矩形体奥氏体不锈钢卡头4，在卡头4一侧面正中钻取一个直径1cm的通孔，便于连接延长管2后用插销固定；下端用同口径的奥氏体不锈钢圆锥体(壁厚0.5cm、圆锥体高10cm)焊封。一级取样管1的有效长度(不包括上端卡头4和下端圆锥体的高度)为1m，沿其轴向分隔成5个采样室5，各采样室5的高度为20cm。需要强调的是一级取样管1是一个整体结构，即各采样室5是一级取样管1的一部分，而不是各采样室5通过焊接固定方式固定为一体的结构，因为如果采用焊接的方式将各采样室5焊接为一个一级取样管1，那么一级取样管1整体的结构就不会那么稳固，在使用的过程中容易损坏。

在各采样室5下部同侧的管壁，切割一个截面为矩形的取样窗7，取样窗7开口角为180°，高度为采样室5高度的1/2，切割下的窗门18为横截面呈半圆形的柱体片；取样窗7四周安装有密封胶条(图中未画出)，取样窗7一侧通过合页8铰接连接有窗门18，所述取样窗7另一侧与窗门18上分别设置有弧形插口10和把手9，弧形插口10和把手9通过插销17固定连接来关闭窗门18。弧形插口10和把手9的高度为1cm。

在各采样室5上部5cm高度内的管壁钻取导流孔6，在导流孔6区域底部与取样窗7间的管壁内安装有喇叭开口朝上的漏斗11；在各采样室5底部安装有载样台12，在载样台上放置有集液瓶13；漏斗11出液口伸入到集液瓶13的瓶口内，集液瓶13为缩口瓶，以防作业过程中集液瓶13倾倒。

在各采样室5分布有导流孔6的区域外壁粘贴有一层尼龙网，在单螺旋叶片14上分布有钻孔。

具体地，本实施例提供的土壤渗流水原位分层采样装置，由一级取样管1、延长管2和手柄3组成，一级取样管1和延长管2均用于采集土壤剖面的渗流水，其有效长度均为1m，当采样深度不大于1m时，不需要续接延长管2。一级取样管1和延长管2均为直径10cm的圆柱管，壁厚0.5cm，材质为耐腐蚀的奥氏体不锈钢。

在一级取样管1外壁焊接有单螺旋叶片14，叶片宽2cm，其上分布有钻孔(图中未画出)，防止土壤渗流水沿单螺旋叶片14旋进方向形成优先流。单螺旋叶片14的焊接部位避开窗门18。

在各采样室5分布有导流孔6的区域外壁粘贴有一层尼龙网(图中未画出)，以防土壤颗粒随渗流水进入导流孔6。导流孔6的规格为直径3mm、4个/cm²。

各采样室5内漏斗11的开口边缘与采样室5的内壁之间、载样台12的边缘与采样室5的内壁之间均用粘结剂粘接密封，与粘贴尼龙网的材料相同，粘结剂用环己酮和聚氯乙烯溶液调制而成。漏斗11、载样台12、集液瓶13的材质均为耐酸碱的聚氯乙烯塑料。

根据以上设计，当一级取样管1完全插入土壤中时，由上至下各采样室5所能反映的土壤渗流水深度分别是5cm、25cm、45cm、65cm和85cm。

对于延长管2，主要用于深度大于1m的土壤渗流水的采集，在一级取样管1的基础上续接延长管2。根据采样深度，可以续接若干节延长管2。延长管2的结构、材质与一级取样管1基本相同，不同之处在于：

(1)延长管2本身的长度为92cm(指在顶、底部焊封1cm厚圆形奥氏体不锈钢板后的长度)；在延长管2底部焊接一个直径8cm、高8cm的奥氏体不锈钢圆柱体，在圆柱体底部切出一个能正好完全卡入一级取样管1或另一节延长管2上端卡头4的矩形体卡口15，并且沿卡口15的侧面正中钻一个直径1cm的通孔，以便用插销把卡头4与卡口15固定。

(2)从延长管2的顶部(不包括卡头4)至其下端焊接的圆柱体底部长度为1m，分隔成5等份，每一份为20cm长，由上至下的前4份分别作为一个采样室5，设计方法完全同一级取样管1，而第五份由于包括了含卡口15的圆柱体的高度，不再设计为采样室5。

(3)延长管2中包含了4个采样室5，由上至下各采样室5所能反映的土壤渗流水深度分别是5cm、25cm、45cm、65cm。如果在一级取样管1的基础上续接了一节延长管2，自上至下9个采样室5所能反映的土壤渗流水深度分别为5cm、25cm、45cm、65cm、105cm、125cm、145cm、165cm和185cm。随着延长管2的接续，各采样室5反映的采样深度以此类推。

手柄3为T型手柄，用于使采样装置在土壤剖面中的手动旋进和旋出。T型手柄的手柄长30cm，为圆柱形不锈钢钢管，下端焊接一个能卡入取样管或延长管上端卡头4的卡槽16。

使用方法

土壤渗流水主要来自大气降水在土壤中的自由下渗，因此，样品采集只能在雨季进行，降雨前埋设采样装置，在雨后收集样品。

采样前，采样装置特别是各采样室(包括集液瓶)清洗干净备用。如采样深度为1m时，不需要使用延长管；当采样深度为n米时，需要在一级取样管上续接n-1节延长管。

在目标靶区用洛阳铲沿土壤剖面挖掘一个直径9cm的圆柱形土穴(略小于一级取样管和延长管直径)，当采样深度为1m时，土穴深度为1.1m(包括补偿一级取样管底部圆锥体高度)；当采样深度为n m时，土穴深度为n+0.1m。接下来完成以下步骤：

(1)直立一级取样管，打开取样窗窗门，在各采样室中放入集液瓶，使集液瓶瓶口套入漏斗出液口。用泡沫塑料填塞集液瓶与采样室内壁间的空隙，防止作业过程中集液瓶晃动。关闭窗门，用插销插入窗门把手和管体上焊接的插口，以固定窗门。

(2)将一级取样管下端圆锥体置入土穴口，上端卡头嵌入T型手柄下端的卡槽，手动顺时针旋转T型手柄，使一级取样管在单螺旋叶片的旋进作用下插入到土穴中。采样深度为1m时，将一级取样管完全插入土穴中即可。

(3)采样深度为n米时，需要续接n-1节延长管。当一级取样管即将完全插入土穴时，移去T型手柄，将延长管续接到取样管上。一级取样管顶端的卡头嵌入延长管底部的卡口，使卡口和卡头的通孔对齐，插入插销将二者固定连接(插销的长度略长于延长管底部圆柱体的直径，便于拔插，同时不影响一级取样管和延长管在土穴中的旋进)。延长管中各采样室的集液瓶安放程序同一级取样管，各采样室的集液瓶安放完毕后，将T型手柄安装在延长管上端(即将延长管上端卡头嵌入T型手柄的卡槽)，手动顺时针旋转T型手柄，使延长管随一级取样管在单螺旋叶片的旋进作用下插入到土穴中。依此类推，直到续接的延长管达到预设深度为止。延长管与延长管的连接和延长管与一级取样管的连接方法相同，即在即将完全插入土穴中的延长管顶部卡头与续接的延长管底部卡口套合，使卡口和卡头的通孔对齐，插入插销将二者固定连接。

(4)采样装置埋设完成后，移去T型手柄，等待降雨收集土壤渗流水。雨水渗入土壤后的下渗过程中，遇到不同深度的一级取样管(延长管)壁的导流孔，将发生侧渗作用，使土壤渗流水自由流入集液瓶。

(5)采样完成后进行一级取样管(延长管)提升和取出样品。将T型手柄下端的卡槽套入采样装置顶端的卡头，手动逆时针旋转手柄，使采样装置从土穴中旋出。卸掉各采样室窗门的插销，打开取样窗门，取出集液瓶。

(6)采集到的样品按照研究的目的予以相应处理和保存。

(7)说明：由于渗流水来自降雨入渗土壤后形成的重力水，即是一种“过路”水，雨停后，渗流水很快从土壤饱气带流走，进入潜水系统，此时再难以收集到渗流水，因此，土壤渗流水的采集应选择在雨量充沛的季节进行。关于采样装置埋设后的等待时间，与降雨量、降雨持续时间、土壤质地(即渗透性)等因素有关，需要具体问题具体分析。对于出现间歇性的阵雨，可以选择几次阵雨后再收集样品。

另外，经现场试验验证表明，采样深度最深可达到5m，即在此深度内，通过手动T型手柄的旋进操作，较易实现采样装置在土壤剖面的埋设。而当续接的延长管过多时，由于在旋进过程中受到的阻力更大，手动操作难以完成。

上述说明示出并描述了本实用新型的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本实用新型并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述实用新型构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本实用新型的精神和范围，则都应在本实用新型所附权利要求的保护范围内。