輕便機(jī)動(dòng)慣性泵在CMT監(jiān)測井采樣中的應(yīng)用研究

王明明， 解 偉

(1.國土資源部地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 保定 071051； 2.中國地質(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)

輕便機(jī)動(dòng)慣性泵在CMT監(jiān)測井采樣中的應(yīng)用研究

王明明1,2， 解 偉1,2

(1.國土資源部地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 保定 071051； 2.中國地質(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)

針對(duì)CMT監(jiān)測井監(jiān)測通道內(nèi)徑小引起的采樣困難的問題，研究了一種新型的輕便機(jī)動(dòng)慣性泵，并對(duì)輕便機(jī)動(dòng)慣性泵的可靠性進(jìn)行了分析，對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速、采樣深度、通道內(nèi)徑和采樣管規(guī)格對(duì)采樣速度的影響進(jìn)行了試驗(yàn)研究，為后續(xù)輕便機(jī)動(dòng)慣性泵的改造奠定了基礎(chǔ)，為小口徑監(jiān)測井采樣提供了借鑒。

地下水監(jiān)測；輕便機(jī)動(dòng)慣性泵；CMT；采樣速度

0 引言

地下水監(jiān)測是水文監(jiān)測的基本內(nèi)容，對(duì)于科學(xué)認(rèn)識(shí)和了解地下水動(dòng)態(tài)變化規(guī)律、合理開發(fā)和利用地下水資源、防治和減輕地下水污染及相關(guān)的地質(zhì)災(zāi)害等具有十分重要的意義[1-2]。近年來，多層監(jiān)測井技術(shù)憑借其施工成本低、占地面積小、維護(hù)方便等優(yōu)勢受到眾多國內(nèi)外學(xué)者的青睞[3-4]，同時(shí)，隨著地下水多層監(jiān)測井采樣技術(shù)及要求的改變，一批新型地下水采樣設(shè)備應(yīng)運(yùn)而生。

作為一種新型地下水采樣設(shè)備，慣性泵在地下水多層監(jiān)測井采樣中發(fā)揮著重要作用。慣性泵又名底閥泵，既可以人工采樣，也可以通過機(jī)械驅(qū)動(dòng)進(jìn)行采樣，使用成本低，操作簡單，適合小口徑多層監(jiān)測井采樣[5]。本文以輕便機(jī)動(dòng)慣性泵為研究對(duì)象，通過在不同口徑CMT(連續(xù)多通道多層監(jiān)測井)監(jiān)測井不同深度采用不同轉(zhuǎn)速進(jìn)行采樣，對(duì)輕便機(jī)動(dòng)慣性泵的最佳轉(zhuǎn)速、最大深度、采樣管外徑等參數(shù)進(jìn)行了研究，為輕便機(jī)動(dòng)慣性泵的改進(jìn)和創(chuàng)新奠定了基礎(chǔ)。

1 輕便機(jī)動(dòng)慣性泵設(shè)計(jì)

1.1 慣性泵工作原理

慣性泵由采樣管和慣性泵泵頭構(gòu)成(見圖1)。在慣性泵底端安裝一個(gè)止回閥，當(dāng)慣性泵泵頭下到指定采樣深度后，通過手動(dòng)或機(jī)械方式驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)慣性泵泵頭在井內(nèi)上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，管線下降時(shí)，閥門打開，地下水進(jìn)入管線中，管線上升時(shí)底閥關(guān)閉，使井內(nèi)的水沿采樣管上升到地表，從而實(shí)現(xiàn)地下水采樣，具有結(jié)構(gòu)簡單、便于操作等特點(diǎn)，適用于小口徑監(jiān)測井采樣，其工作原理如圖2所示。

圖1 慣性泵結(jié)構(gòu)

圖2 慣性泵工作原理

1.2 便攜式機(jī)動(dòng)慣性泵

根據(jù)慣性泵的工作原理，我們?cè)O(shè)計(jì)出了不同規(guī)格的內(nèi)置式和外置式慣性泵采樣管，內(nèi)置式規(guī)格為8和12 mm，外置式規(guī)格為8、10和12 mm，同時(shí)，為實(shí)現(xiàn)慣性泵采樣器在野外條件下機(jī)械化工作，將動(dòng)力機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)以及連桿機(jī)構(gòu)與慣性泵進(jìn)行了集成，研發(fā)出了便攜式機(jī)動(dòng)慣性泵，具有質(zhì)量輕、操作簡便、自帶動(dòng)力、攜帶方便等特點(diǎn)。圖3、圖4分別為輕便機(jī)動(dòng)慣性泵與外置式慣性泵泵頭實(shí)物圖。

圖3 輕便機(jī)動(dòng)慣性泵

2 試驗(yàn)場地及多層監(jiān)測井介紹

本次試驗(yàn)在北京市通州區(qū)張家灣原位溶質(zhì)運(yùn)移示蹤試驗(yàn)場進(jìn)行，該試驗(yàn)場位于北京平原區(qū)的東南端，永定河與潮白河沖積平原的交匯處，為沖洪積相沉積物構(gòu)成的扇形平原，地勢由西北向東南緩慢傾斜，沉積物顏色以灰色、灰黑色、黃色為主，巖性為粘土、粘質(zhì)粉土、粉砂、細(xì)砂、中砂、中粗砂、礫石等，單層厚度一般不大，為多層含水層和隔水層的組合，由中國地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院承擔(dān)“地下水典型試驗(yàn)場科學(xué)觀測與綜合研究”項(xiàng)目第四課題“北京平原區(qū)地下水監(jiān)測網(wǎng)管理與地下水監(jiān)測關(guān)鍵技術(shù)研究”項(xiàng)目資助建立，主要任務(wù)觀測地下水三維反應(yīng)原位溶質(zhì)運(yùn)移，研究對(duì)象為潛水，埋藏較淺[6]。

圖4 外置式慣性泵泵頭

為完成該項(xiàng)研究，中國地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院、中國地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心先后在該試驗(yàn)場建成CMT監(jiān)測井(7層)近40眼、Westbay監(jiān)測井(18層)1眼和巢式監(jiān)測井1眼(3層)，是目前我國監(jiān)測井種類最齊全、監(jiān)測水平最高的試驗(yàn)場地。

CMT監(jiān)測井是一種新型的多層監(jiān)測井，采用連續(xù)方式擠出的帶有7個(gè)通道的高密度聚乙烯管(見圖5、圖6)，管徑規(guī)格分別為43、70和105 mm，可監(jiān)測7個(gè)目的層，無接頭，環(huán)保清潔，成井工藝簡單，填礫和止水方便，施工成本相對(duì)較低[7-8]。

圖5 CMT監(jiān)測井原理[9]

圖6 CMT監(jiān)測井井管端面

盡管CMT監(jiān)測井優(yōu)點(diǎn)很多，但也存在著一些缺點(diǎn)，主要表現(xiàn)為監(jiān)測通道較小(通道內(nèi)徑見表1)，采集水樣較為困難，影響其在國內(nèi)地下水監(jiān)測中的推廣和發(fā)展。

表1 CMT監(jiān)測井通道內(nèi)徑

由于該試驗(yàn)場主要任務(wù)是觀測地下水三維反應(yīng)原位溶質(zhì)運(yùn)移，研究對(duì)象為潛水，埋藏較淺，因此，該試驗(yàn)場CMT監(jiān)測井井深均固定為30 m，分層情況見圖7。

圖7 張家灣試驗(yàn)場CMT監(jiān)測井分層情況

3 輕便機(jī)動(dòng)慣性泵在CMT監(jiān)測井的試驗(yàn)研究

3.1 試驗(yàn)前期處理

為掌握便攜式機(jī)動(dòng)慣性泵在不同環(huán)境的最佳工作狀態(tài)，將不同規(guī)格慣性泵在不同口徑的監(jiān)測井、不同電機(jī)轉(zhuǎn)速下進(jìn)行試驗(yàn)，本次試驗(yàn)獲得了大量重要的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，為便攜式機(jī)動(dòng)慣性泵改進(jìn)和應(yīng)用提供了數(shù)據(jù)支撐。同時(shí),為便于整理和分析獲得的試驗(yàn)數(shù)據(jù),本文將試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了簡單處理，處理方法如下。

(1)該試驗(yàn)場地的CMT監(jiān)測井成井深度均為30 m，監(jiān)測層為7層，各個(gè)監(jiān)測井的相同監(jiān)測層水位相近但不同(見表2，選取5個(gè)CMT監(jiān)測井水位)，在不影響試驗(yàn)結(jié)果的情況下，選擇具有代表性的監(jiān)測井進(jìn)行慣性泵試驗(yàn)。

表2 部分CMT監(jiān)測井水位埋深

(2)由于管徑43 mm的CMT監(jiān)測井通道內(nèi)徑僅10 mm，除8 mm內(nèi)置式慣性泵外，其他慣性泵均無法進(jìn)入，因此，在管徑43 〗mm的CMT監(jiān)測井中僅進(jìn)行8 mm內(nèi)置式慣性泵試驗(yàn)，獲得其采樣速度。

(3)慣性泵試驗(yàn)時(shí)，采集了不同口徑監(jiān)測井的不同層位在不同轉(zhuǎn)速下采樣速度，數(shù)據(jù)量龐大。鑒于篇幅有限，本文著重選取了最具代表性的試驗(yàn)，研究了輕便機(jī)動(dòng)慣性泵設(shè)備誤差、采樣速度與電機(jī)轉(zhuǎn)速、采樣深度和管道內(nèi)徑的關(guān)系。

(4)本次試驗(yàn)采用了5種慣性泵采樣管，分為內(nèi)置式和外置式兩類，內(nèi)置式管徑為8和12 mm，外置式管徑為8 mm(泵頭：12 mm)、10 mm(泵頭：14 mm)和12 mm(泵頭：16 mm)，壁厚均為1 mm。

3.1.1 輕便機(jī)動(dòng)慣性泵設(shè)備誤差分析

為了解輕便機(jī)動(dòng)慣性泵的設(shè)備穩(wěn)定性，誤差大小，特別選擇了一組試驗(yàn)進(jìn)行分析，試驗(yàn)條件：采用外置式泵頭，直徑14 mm；采樣管規(guī)格10 mm×1 mm；采樣深度25 m；試驗(yàn)井類型為CMT監(jiān)測井，管徑70 mm。通過在同一深度采用不同轉(zhuǎn)速連續(xù)取樣3次，取樣數(shù)據(jù)見表3。

表3 輕便機(jī)動(dòng)慣性泵誤差分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)

根據(jù)表3，可以清楚地看到不同轉(zhuǎn)速時(shí)的流速，低轉(zhuǎn)速時(shí)，采樣流速較慢，誤差較大，最大為12.83%，但在轉(zhuǎn)速較高時(shí)，采樣流速就非常穩(wěn)定了，最高為0.938 L/min，誤差非常小，由此可見，輕便機(jī)動(dòng)慣性泵設(shè)備穩(wěn)定性比較好，采樣數(shù)據(jù)比較穩(wěn)定。

3.1.2 電機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)輕便機(jī)動(dòng)慣性泵流速的影響

在輕便機(jī)動(dòng)慣性泵前期試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)速對(duì)慣性泵流速影響較大，但也并不是線性增加的，而且也受到慣性泵泵頭規(guī)格和取樣管影響，為了解轉(zhuǎn)速對(duì)慣性泵流速的影響，在特定條件下進(jìn)行了比較系統(tǒng)的采樣試驗(yàn)。

以輕便機(jī)動(dòng)慣性泵在管徑105 mm的CMT監(jiān)測井采樣為例，采樣深度25 m，對(duì)內(nèi)置式和外置式泵頭進(jìn)行了試驗(yàn)研究，采樣數(shù)據(jù)見表4。

為了能更直觀地看到不同規(guī)格慣性泵流速隨轉(zhuǎn)速的變化，將表4生成流速隨轉(zhuǎn)速變化的曲線圖，見圖8。

表4 電機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)不同規(guī)格慣性泵流速的影響

圖8 不同規(guī)格慣性泵流速隨轉(zhuǎn)速變化趨勢圖

根據(jù)表4和圖8，可以發(fā)現(xiàn)以下規(guī)律。

(1)內(nèi)置式慣性泵流速隨轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律：8和12 mm內(nèi)置式慣性泵曲線變化規(guī)律均為先升后降，最大流速均出現(xiàn)在轉(zhuǎn)速為40 r/min時(shí)，分別為0.146和0.938 L/min，說明以上2種內(nèi)置式慣性泵在轉(zhuǎn)速40 r/min，采樣效率高，并且通過橫向比較，發(fā)現(xiàn)12 mm內(nèi)置式慣性泵采樣效率遠(yuǎn)高于8 mm的慣性泵，是8 mm內(nèi)置式采樣速度的6.5倍。

(2)外置式慣性泵流速隨轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律：從曲線上看,變化規(guī)律都有些不同,外置式12 mm慣性泵在轉(zhuǎn)速為50和60 r/min時(shí)，流速為1.111 L/min，已高于其他外置式慣性泵流速，速度70 r/min時(shí)最高，為1.304 L/min，采樣速度非?？?；外置式10 mm慣性泵在轉(zhuǎn)速為90 r/min時(shí)，流速為0.818 L/min，采樣速度也是非常快；外置式8 mm慣性泵流速是外置式慣性泵最低的，為0.5 L/min，出水速度相對(duì)會(huì)慢些。

3.1.3 采樣深度對(duì)輕便機(jī)動(dòng)慣性泵流速的影響

在前期試驗(yàn)過程中，發(fā)現(xiàn)采樣深度對(duì)慣性泵流速也有一定影響。為了解采樣深度對(duì)慣性泵流速的影響，以輕便機(jī)動(dòng)慣性泵在管徑70 mm的CMT監(jiān)測井采樣為例，轉(zhuǎn)速為80 r/min，對(duì)內(nèi)置式和外置式泵頭進(jìn)行了試驗(yàn)研究，采樣數(shù)據(jù)見表5。

同樣，為了能更直觀地看到不同規(guī)格慣性泵流速隨采樣深度的變化，將表5生成流速隨采樣深度變化的曲線圖，見圖9。

表5 采樣深度對(duì)不同規(guī)格慣性泵流速的影響

圖9 不同規(guī)格慣性泵采樣速度隨采樣深度變化趨勢圖

根據(jù)表5和圖9，可以發(fā)現(xiàn)以下規(guī)律。

(1)5 m時(shí)，所有慣性泵流速均為0 L/min，考慮到水位在4.8 m附近、慣性泵行程20 cm和第1通道深度為5 m等因素，所以沒有采集到水樣。

(2)除內(nèi)置式8 mm慣性泵外，其他慣性泵流速均與深度成正比，即慣性泵在水位下越深，流速越大，采樣速度越快，最高流速為1.071 L/min，由于該試驗(yàn)場CMT監(jiān)測井深度最大為30 m，因此，無法判斷深度30 m后流速隨深度變化規(guī)律。

3.1.4 通道內(nèi)徑對(duì)輕便機(jī)動(dòng)慣性泵流速的影響

以輕便機(jī)動(dòng)慣性泵在管徑105 mm的CMT監(jiān)測井取樣為例，采樣深度25 m，轉(zhuǎn)速為70 r/min，對(duì)內(nèi)置式和外置式泵頭進(jìn)行了試驗(yàn)研究，采樣數(shù)據(jù)見表6。

表6 通道內(nèi)徑對(duì)不同規(guī)格慣性泵流速的影響

根據(jù)表6采樣數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)以下規(guī)律。

(1)對(duì)于管徑43 mm的CMT監(jiān)測井，僅能使用8 mm內(nèi)置式慣性泵采樣，采樣速度最高為0.220 L/min(深度20 m，轉(zhuǎn)速90 r/min)。

(2)外置式12 mm慣性泵采樣速度隨著管徑增大而提高，而其他4種規(guī)格慣性泵采樣速度均隨著通道內(nèi)徑增大而減小，主要原因可能是由于慣性泵采樣管活動(dòng)空間增大，采樣管下行過程中，容易彎曲，減少了其活動(dòng)行程，致使采樣速度減慢，而外置式12 mm慣性泵采用的是16 mm泵頭，活動(dòng)空間增大可能使其減小了與井管內(nèi)壁摩擦，活動(dòng)行程增加，提高了采樣速度。

4 結(jié)論

通過在北京張家灣試驗(yàn)場使用輕便機(jī)動(dòng)慣性泵在CMT監(jiān)測井中進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析，得到以下結(jié)論。

(1)作為一種新型的采樣泵，輕便機(jī)動(dòng)慣性泵可以在不同規(guī)格的CMT監(jiān)測井中進(jìn)行采樣，并具有操作方便、采樣速度快和采樣數(shù)據(jù)可靠的優(yōu)勢，值得小口徑監(jiān)測井采樣借鑒和推廣。

(2)通過相關(guān)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)輕便機(jī)動(dòng)慣性泵自身性能可靠，誤差較小，同時(shí)也發(fā)現(xiàn)了電機(jī)轉(zhuǎn)速、采樣深度和通道內(nèi)徑對(duì)輕便機(jī)動(dòng)慣性泵采樣速度的影響規(guī)律，獲得了輕便機(jī)動(dòng)慣性泵在不同規(guī)格CMT監(jiān)測井中最高采樣速度以及最高采樣速度相匹配的最佳電機(jī)轉(zhuǎn)速、采樣深度，為后續(xù)輕便機(jī)動(dòng)慣性泵的研制和改造奠定了基礎(chǔ)。

(3)本文所選擇的試驗(yàn)場地CMT監(jiān)測井孔深均為30 m，致使試驗(yàn)深度受到限制。因此，想了解輕便機(jī)動(dòng)慣性泵在深孔(>60 m)采樣性能如何，需要加強(qiáng)輕便機(jī)動(dòng)慣性泵在更深CMT監(jiān)測井中試驗(yàn)。

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StudyontheApplicationofPortableMotorizedInertiaPumpinSamplingContinuousMulti-channelTubingMonitoringWell

WANGMing-ming1,2,XIEWei1,2

(1.Key Laboratory for Geological Environmental Monitoring Technology of the Ministry of Land and Resources, Baoding Hebei 071051, China; 2.Center for Hydrogeology and Environmental Geology, CGS, Baoding Hebei 071051, China)

Aiming at the difficulty in water sample collection caused by small diameter monitoring channel of CMT monitoring well, a new type of portable motorized inertial pump is developed and its reliability is analyzed. The tests and studies are made on the influence of motor speed, sampling depth, channel diameter and sampling tube specifications on sampling speed, which lays the foundation for retrofitting portable motorized inertial pump and provides reference for the sampling of small diameter monitoring wells.

groundwater monitoring; portable motorized inertial pump; continuous multi-channel tubing; sampling speed

2017-02-27；

2017-08-23

中國地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目“小口徑機(jī)動(dòng)慣性泵采樣設(shè)備研發(fā)”(編號(hào)：201411083-2)

王明明，男,漢族，1990年生，碩士，從事水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)鉆探技術(shù)研究與開發(fā)工作，河北省保定市七一中路1305號(hào)，wmmcugb@126.com。

P641.7

A

1672-7428(2017)09-0007-05