一种机械式深层水样分段收集装置，包括取样管，所述取样管为长型管体形式，所述取样管上部一体设有提拉把手，其侧壁设有卡箍件，所述取样管底部设有鹤嘴式卡口，所述提拉把手上设有提拉开关；所述取样管内均匀阵列设置有进水单向阀，在其腔壁上设有排气取样单向阀。本实用新型结构简单，使用方便，造价低廉且易于维护，通过简单的结构解决了现有技术中水质取样设备两极分化严重，无法深层取水，或取水成本过高的问题。实现了深层水样的分段收集，一次收集即可完成同深度水样的多次取样，并通过每个独立空腔上的排气取样单向阀对每份样本进行单独取样化验，便于后续建立对照组，化验对比。