CN101477106A - 温度-水力耦合作用下河渠污染物传输的物理模拟试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种温度－水力耦合作用下河渠污染物传输的物理模拟试验装置。它包括模拟容器、气压控制装置、温度控制装置、循环水系统、在线控制与监测系统组成。本试验系统可以实现变水位条件下河流、水渠、排污渠及其周围土壤和地下水中污染物传输动态特性的物理模拟试验，集监测、控制与数据采集于一体，实现对试验系统的水位、温度和压力变化的实时显示和智能控制，通过数据采集程序对试验数据进行全过程采集、分析和可视化输入与输出。试验系统具有结构合理，操作方便，测试数据精度高、自动化采集数据快，试验周期短，以及模块化、开放性、可扩展性等特点，为揭示复杂环境条件下污染物在土壤及地下水中传输的机理以及迁移转化规律的分析提供参数依据，同时为污染控制及治理的技术方案的评价提供技术支持。

Description

温度-水力耦合作用下河渠污染物传输的物理模拟试验装置

技术领域

本发明涉及一种温度-水力耦合作用下河渠污染物传输的物理模拟试验装置，主要用于变水位条件下河流、水渠、排污渠等周围土壤和地下水系统中污染物浓度、含水率、孔隙水压等物理量动态变化规律的物理模拟试验研究，属于资源与环境技术领域。

背景技术

随着工业建设及人们日常生活污水产量的逐年增加，大量污水不能得到及时处理，被直接或通过水渠和排污渠间接排放到河流中，造成了河渠及其周围土壤和地下水的严重污染，已成为环境污染治理中的热点及焦点问题。土壤是一个复杂的开放体系，极易受到周围介质的污染。土壤污染对人类危害巨大，它不仅可以造成粮食作物的减产，还可以通过地下水途径对人类健康构成威胁。而地下水污染则是一个复杂的地质、地球化学作用过程，具有隐蔽性、复杂性和难以恢复性，一旦污染，很难被及早发现，并且难以治理。因此，在目前河流、水渠、排污渠及其周围土壤和地下水污染日益严重的情况下，研究污染物的迁移转化规律，用以指导污染减排工作是十分必要的。

河流、水渠、排污渠中的污染物在重力作用下，随水分渗透到土壤乃至地下含水层中。污染物在土壤及地下水中的运移是一个温度-水力-化学耦合作用下的复杂物理化学过程，其中涉及到许多确定或不确定性因素，为了控制和减少污染物无组织的释放、减轻其对生态环境的污染，最大限度降低污染物的排放浓度，则必须对污染物传输的动态特性进行实时监测和模拟预测研究。如何预测和防止地质环境系统中污染物的发生、发展，监测和模拟其传输的特征及影响范围与历时，为污染物控制技术的实施提供必要的基础参数数据，已成为目前摆在广大科研人员面前亟待解决的问题。现场监测试验只能反映近期污染物释放传输情况，很难反映出地质环境体系中污染物动态传输的全过程，而工程应用必须要有整个过程的数据。目前试验数据的缺乏(特别是全面、综合的试验数据)也严重制约了土壤及地下水中污染预测数学模型的发展以及预测结果的准确性，并已成为限制污染控制技术发展的瓶颈问题。物理模型试验是进行岩土体介质中污染物传输特性研究的基本方法，具有可真实再现污染物传输过程的特点，并可为数学模型的建立和模型参数的确定提供科学的技术手段，因此，被学术和工程界广泛应用。然而，目前国内外已研发的相关监测试验装置，仍存在以下几个方面的问题：

(1)地下水污染系统在自然界中本是一个整体，往往由于条件限制不得不将它们分开来模拟，缺乏对系统的整体模拟。

(2)在试验过程控制和数据采集上，设备多是利用手工操作和记录，有些设备使用了计算机辅助记录数据，但无法对试验进程进行实时跟踪、智能操控和自动监测，易造成人力资源的浪费和试验数据的过于离散，对试验精度带来不利影响。

(3)多数设备只有单一和固定的接口，进而无法将设备扩充以满足研究的进一步需要。而且无法对仪器进行合理置换，造成了设备的可拓展性和灵活性不高，功能单一，装置的循环利用性差。

(4)大多试验是在定流速、定水位、常温、常压下开展的，无法开展变流速、变水位、变温度和变压力等条件下污染物传输试验研究，试验条件可控性差。

(5)污染物浓度的监测大都是通过对水样进行化学分析进行的，大都未实现试验数据的在线监测。由于受采样手段、采样频率、采样数量、分析速度、数据处理速度等限制，仍不能及时地监视环境质量的变化，监测数据具有一定的滞后性。

随着国家对环境监测信息的需求与日俱增，需要大量的相关环境监测仪器设备，重点需求是具有自主知识产权的污染物监测的技术装备，以人工为主、单个设备功能为主的传统的环境监测方式已不能满足要求，而实时性能好、自动化程度高和系统功能完善为主的污染物自动监测方式成为发展的趋势。“十一五”规划制定的污染减排“三大体系”，也将“准确的减排监测体系”的目标确定为建立一套污染源监督性监测和重点污染源自动在线监测相结合的环境监测体系。

发明内容

针对以上存在的问题，本专利在于提供一种结构合理，操作使用方便的温度-水力耦合作用下河渠污染物传输的物理模拟试验装置。其技术解决方案为：

温度-水力耦合作用下河渠污染物传输的物理模拟试验装置，模拟试验装置由模拟容器(28)、气压控制装置、温度控制装置、循环水系统、在线控制与监测系统组成，其中模拟容器(28)为一密封体，模拟容器(28)顶部设有可拆卸密封盖(17)，上部左右两侧各设置有空气安全阀、进气口(11)和压力表，进气口(11)与气压控制装置连接，在进气口(11)下方模拟容器(28)左右的外壁上设置对称可控主动滑轮轴(3)，可控被动滑轮轴(8)通过滑槽设置在模拟容器(28)前后壁的内壁上，阻气薄膜层(5)一端缠绕于可控主动滑轮轴(3)，另一端通过绳索(7)与可控被动滑轮轴(8)相连，绳索(7)又与可控主动滑轮轴(3)相连，在与可控主动滑轮(3)对应位置模拟容器(28)左右两壁的内壁上对称设置有可上下活动连接架(4)，活动连接架(4)之间连接有可控渗透性防渗层(6)，阻气薄膜层(5)位于可控渗透性防渗层(6)的上方，阻气薄膜层(5)和可控渗透性防渗层(6)呈梯形状，在可控渗透性防渗层(6)的下方设置有活动隔离板(23)，在模拟容器(28)前后壁上设置有进水口(13)和出水口(12)，进水口(13)和出水口(12)位于阻气薄膜层(5)的上方，进水口(13)、出水口(12)连接循环水系统，在模拟容器(28)的下部通过水管串联连接有平流泵(25)、过滤器(26)、连续自动水质指标测量仪(27)，水管延伸在模拟容器(28)内的端口上设置有水样采样器(24)，传感器组(9)设置在可控渗透性防渗层(6)和隔离板(23)之间，传感器组(10)设置在隔离板(23)和模拟容器(28)底部之间，流量传感器(15)、温度传感器(14)、液位传感器(16)、压力传感器(29)设置在阻气薄膜层(5)上方。

所述的循环水系统包括平流泵(19)、(21)和水箱(20)，平流泵(19)、(21)和水箱(20)并联连接，水箱内设置电热管(22)，电热管(22)与温控仪(18)相连，温控仪(18)又与温度传感器(14)相连。

所述的气压控制系统包括空气压缩机(1)、变频器(2)、空气压缩机(1)通过气管连接到进气口(11)上，变频器(2)通过控制电缆与空气压缩机(1)连接。

所述的液位传感器(16)、流量传感器(15)、压力传感器(29)、变频器(2)、平流泵(19)、(21)传感器组(9)、(10)、连续自动监测水质指标测量仪(27)分别经缆线连接到计算机。

所述的传感器组(9)包括含水率传感器、土壤渗透传感器、孔隙水压传感器，所述的传感器组(10)包括含水率传感器、孔隙水压传感器、地下水液位传感器。

由于采用了以上技术方案，本发明的试验装置集监测、控制与数据采集于一体，可真实再现污染物在河流、土壤及地下水等各地质单元间的迁移转化过程，实现不同试验条件下污染物动态传输变化规律物理模拟试验研究。通过压力传感器、液位传感器和计算机来控制进出水量，可以实现水渠污水的循环流动和变水位，解决了流速和水位难以控制的难题；利用温控装置可以实时监控温度，并对装置进行加温，解决了温度不易控制的问题；采用可控渗透性防渗层代替坝体混凝土材料，可以模拟不同渗透特性情况下污染物在把体内的传输规律。此外，各系统和传感器均与计算机相连，对试验进程进行实时跟踪、智能操控和自动监测，实现了试验过程的智能化；将河流、土壤和地下水作为一个有机整体进行模拟，模块化的设计又使各部分相互独立，可根据具体情况进行合理置换，具有可拓展性和灵活性，实现了试验材料及设备的循环利用；采用水质特性连续自动监测系统，对污染物浓度等参数进行连续、在线监测，避免了人工化学分析方法的滞后性；通过数据采集、处理程序对试验数据进行全过程采集、分析和可视化输入与输出，节省了人力资源。

该试验装置具有结构合理、操作方便、测试数据精度高、自动化采集数据快、试验周期短，以及模块化、开放性、智能性和可扩展性等特点。通过该试验装置开展的相关试验研究，可以更加科学地揭示复杂环境条件下污染物在地质环境系统中传输机理及转化规律，不仅可为理论分析和数值模拟研究提供大量的试验数据，有效地校正和提高数学模型的预测能力，同时可为提出合理的污染减排与治理方案提供技术支持。

附图说明

图1为本发明的物理模拟试验装置结构示意图

图2为本发明的物理模拟试验装置试验状态示意图

其中

1 空气压缩机，2 变频器，3 可控主动滑轮轴，4 活动连接架，5 阻气薄膜层，6 可控渗透性防渗层，7 绳索，8 可控被动滑轮轴，9 传感器组，10 传感器组，11 进气口，12 出水口，13 进水口，14 温度传感器，15 流量传感器，16 液位传感器，17 可拆卸密封盖，18 温控仪，19 平流泵，20 水箱，21 平流泵，22 电热管，23 隔离板，24 水样采样器，25 平流泵，26 过滤器，27 连续自动水质指标测量仪，28 模拟容器，29 压力传感器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明专利做进一步详细描述：

温度-水力耦合作用下河渠污染物传输的物理模拟试验装置，模拟试验装置由模拟容器28、气压控制装置、温度控制装置、循环水系统、在线控制与监测系统组成，其中模拟容器28为一密封体，模拟容器28顶部设有可拆卸密封盖17，上部左右两侧各设置有空气安全阀、进气口11和压力表，进气口11与气压控制装置连接，在进气口11下方模拟容器28左右的外壁上设置对称可控主动滑轮轴3，可控被动滑轮轴8通过滑槽设置在模拟容器28前后壁的内壁上，阻气薄膜层5一端缠绕于可控主动滑轮轴3，另一端通过绳索7与可控被动滑轮轴8相连，绳索7又与可控主动滑轮轴3相连，在与可控主动滑轮3对应位置模拟容器28左右两壁的内壁上对称设置有可上下活动连接架4，活动连接架4之间连接有可控渗透性防渗层6，阻气薄膜层5位于可控渗透性防渗层6的上方，阻气薄膜层5和可控渗透性防渗层6通过固定呈梯形状，在可控渗透性防渗层6的下方设置有活动隔离板23，隔离板23上分布有均匀微孔，起到隔离模拟区及均匀分布污水作用，隔离板23与模拟容器28底部之间形成地下水模拟区，隔离板23与可控渗透性防渗层6之间形成土壤模拟区，在模拟容器28前后壁上设置有进水口13和出水口12，进水口13和出水口12位于阻气薄膜层5的上方，进水口13、出水口12连接循环水系统，在模拟容器28的下部通过水管串联连接有平流泵25、过滤器26、连续自动水质指标测量仪27，水管延伸在模拟容器28内的端口上设置有水样采样器24，传感器组9设置在可控渗透性防渗层6和隔离板23之间，传感器组10设置在隔离板23和模拟容器28底部之间，流量传感器15、温度传感器14、液位传感器16、压力传感器29设置在阻气薄膜层5上方。循环水系统包括平流泵19、21和水箱20，平流泵19、21和水箱20并联连接，水箱内设置电热管22，电热管22与温控仪18相连，温控仪18又与温度传感器14相连，通过此连接控制污水模拟区温度。所述的气压控制系统包括空气压缩机1、变频器2、空气压缩机1通过气管连接到进气口11上，变频器2通过控制电缆与空气压缩机1连接，该装置起到控制气压的作用。液位传感器16、流量传感器15、压力传感器29、变频器2、平流泵18、19传感器组9、10、连续自动监测水质指标测量仪27分别经缆线连接到计算机，可连续在线自动控制及监测相关物理参数。传感器组9包括含水率传感器、土壤渗透传感器、孔隙水压传感器，传感器组10包括含水率传感器、孔隙水压传感器、地下水液位传感器。可根据需要不同选择传感器组中的一种或几种进行测定。

本发明测试试验装置工作原理：

污水循环及变水位：水箱20中的污水由进水平流泵19抽到管道中，经进水口13流入模拟容器28中；出水经出水口12，由出水平流泵21抽入管道中，最后注入水箱20，可以实现污水循环使用。液位传感器16和流量传感器15中获得水位与流量数据后，传入到计算机，通过计算机调节平流泵19、21流量大小，实现污水系统水位变化，同时可以将污水着色，直接直观地观察污水动态传输。

水温控制：水箱20中的水经过电热管22加热，然后通过温度传感器14对水温进行检测并通过温控仪18控制电热管22工作或停止，使其水温恰好满足运行设定要求。

气压控制：通过空气压力表、压力传感器29和空气安全阀组成的气压控制系统，用来显示和控制空气压力，以补充水渠中水的压力，实现不同水位的模拟。空气安全阀在压力空气区中的气体压力超过设定的工作压力时会自动开启泄压，保证模拟容器28不会因过高压力损害，同时压力空气区中的动态压力由压力传感器29测定，并连续反映给计算机，由专门程序并通过控制电缆由变频器2来自动动态调整空气压缩机1的转速，使其供给的气量和压力恰好满足运行设定要求。

物理参数的连续自动监测：地下水经平流泵25抽出由水样采样器24流入管道，通过管道注入过滤器26，最后在连续自动监测水质指标测量仪27中测得地下水的pH值、电导率、溶解氧、温度等参数，在计算机中输出所测数据。位于土壤模拟区的传感器组9与计算机相连，传感器组9可同时采用含水率传感器、土壤渗透传感器、孔隙水压传感器，最终由计算机输出数据；位于地下水模拟区的传感器组10与计算机相连，传感器组10可同时采用含水率传感器、孔隙水压传感器、地下水液位传感器，最终由计算机输出数据。传感器组可根据需要设置所提供传感器组中的一种或几种，测定相应的孔隙水压、含水率、渗透系数等特性参数。

防渗层渗透性控制及变坡：可控渗透性防渗层6是一种通过等离子喷涂技术获得的渗透系数可控薄膜，通过控制喷涂材料的孔隙度，可以实现防渗层渗透性的可控性。同时，用柔性薄膜材料代替了刚性混凝土材料，可根据试验要求变换坡度。

阻气薄膜层：阻气薄膜层5用于隔离大气与非饱和土壤，确保高气压下气体不会进入土壤模拟区及地下水模拟区中，是一种不透水不透气的塑料薄膜。试验开始前，阻气薄膜层5铺满整个可控渗透性防渗层6表面，污水注入后，通过液位传感器16对水位进行监测，并通过计算机控制可控主动滑轮轴3和可控被动滑轮轴8的转动，通过绳索7带动阻气薄膜层5沿可控渗透性防渗层6表面自由滑动，保证阻气薄膜层5与可控被动滑轮轴8连接一端始终处于污水水位线以下，起到阻气作用。

Claims (5)

1.温度-水力耦合作用下河渠污染物传输的物理模拟试验装置，其特征在于：模拟试验装置由模拟容器(28)、气压控制装置、温度控制装置、循环水系统、在线控制与监测系统组成，其中模拟容器(28)为一密封体，模拟容器(28)顶部设有可拆卸密封盖(17)，上部左右两侧各设置有空气安全阀、进气口(11)和压力表，进气口(11)与气压控制装置连接，在进气口(11)下方模拟容器(28)左右的外壁上设置对称可控主动滑轮轴(3)，可控被动滑轮轴(8)通过滑槽设置在模拟容器(28)前后壁的内壁上，阻气薄膜层(5)一端缠绕于可控主动滑轮轴(3)，另一端通过绳索(7)与可控被动滑轮轴(8)相连，绳索(7)又与可控主动滑轮轴(3)相连，在与可控主动滑轮(3)对应位置模拟容器(28)左右两壁的内壁上对称设置有可上下活动连接架(4)，活动连接架(4)之间连接有可控渗透性防渗层(6)，阻气薄膜层(5)位于可控渗透性防渗层(6)的上方，阻气薄膜层(5)和可控渗透性防渗层(6)呈梯形状，在可控渗透性防渗层(6)的下方设置有活动隔离板(23)，在模拟容器(28)前后壁上设置有进水口(13)和出水口(12)，进水口(13)和出水口(12)位于阻气薄膜层(5)的上方，进水口(13)、出水口(12)连接循环水系统，在模拟容器(28)的下部通过水管串联连接有平流泵(25)、过滤器(26)、连续自动水质指标测量仪(27)，水管延伸在模拟容器(28)内的端口上设置有水样采样器(24)，传感器组(9)设置在可控渗透性防渗层(6)和隔离板(23)之间，传感器组(10)设置在隔离板(23)和模拟容器(28)底部之间，流量传感器(15)、温度传感器(14)、液位传感器(16)、压力传感器(29)设置在阻气薄膜层(5)上方。

2.如权利要求1所述的温度-水力耦合作用下河渠污染物传输的物理模拟试验装置，其特征在于：所述的循环水系统包括平流泵(19)、(21)和水箱(20)，平流泵(19)、(21)和水箱(20)并联连接，水箱内设置电热管(22)，电热管(22)与温控仪(18)相连，温控仪(18)又与温度传感器(14)相连。

3.如权利要求1所述的温度-水力耦合作用下河渠污染物传输的物理模拟试验装置，其特征在于：所述的气压控制系统包括空气压缩机(1)、变频器(2)、空气压缩机(1)通过气管连接到进气口(11)上，变频器(2)通过控制电缆与空气压缩机(1)连接。

4.如权利要求1或2或3所述的温度-水力耦合作用下河渠污染物传输的物理模拟试验装置，其特征在于：所述的液位传感器(16)、流量传感器(15)、压力传感器(29)、变频器(2)、平流泵(19)、(21)、传感器组(9)、(10)、连续自动监测水质指标测量仪(27)分别经缆线连接到计算机。

5.如权利要求1所述的温度-水力耦合作用下河渠污染物传输的物理模拟试验装置，其特征在于：所述的传感器组(9)包括含水率传感器、土壤渗透传感器、孔隙水压传感器，所述的传感器组(10)包括含水率传感器、孔隙水压传感器、地下水液位传感器。

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