CN101556269A

CN101556269A - 地下水污染模拟槽

Info

Publication number: CN101556269A
Application number: CNA2009100621665A
Authority: CN
Inventors: 孙强; 马腾; 韩鸿印; 祁志冲; 沈仲智
Original assignee: China University of Geosciences
Current assignee: China University of Geosciences
Priority date: 2009-05-19
Filing date: 2009-05-19
Publication date: 2009-10-14
Anticipated expiration: 2029-05-19
Also published as: CN101556269B

Abstract

本发明提供了一种地下水污染模拟槽，该模拟槽至少包括槽体，槽体内填装有模拟典型水文地质单元的含水层介质，隔水层介质和透镜体，模拟槽从槽头、槽身至槽尾分布有地下水补给区、径流区和排泄区，水力控制装置从位于槽头的地下水补给区供水，位于槽身的径流区包括有多孔隔板的布水、水－岩相互作用段和污染修复装置，水从位于槽尾的排泄区排出；水力控制装置至少包括两个高度可调节的水箱，两个水箱分别位于槽体两端，两个水箱间存在水位差，以提供地下水动力场；槽体上方开有若干监测孔和污染物投放口，监测孔与监测系统联接。该地下水污染模拟槽具有集“模拟—监测—修复”功能于一身的优点。

Description

地下水污染模拟槽

技术领域

本发明涉及一种地下水污染模拟槽，该地下水污染模拟槽同时具有“模拟-监测-修复”的功能，属于环境科学与工程、地下水科学与工程等技术领域。

背景技术

近几十年来，工业化和都市化进程带来了世界范围内的地下水水量衰竭和水质恶化，从中检测出的不同元素及其化合物的浓度，对于天然条件下形成的地下水而言是罕见的。就其种类而言，世界饮用水中已发现765种合成有机化合物；而地下水中已发现180多种，且数量和种类仍迅速增加。地下水污染对于人类社会可持续发展的危害已经引起各国政府和公众的广泛关注。地下水污染研究是当前国际地学界间关注的热点，并成为现代地球科学、环境科学等多学科领域的新方法、新技术的汇集地。

但是，在地下水污染研究实践中存在两个难点：其一，地下水污染发生于地下，难以被发现，而且很难从颜色、气味等方面进行识别；其二，在地下水污染现场，由于受自然(如含水层的各向异性、不均匀性)和人为活动(如同时存在多个污染源、多个污染途径)的复合影响，我们很难识别地下水的污染来源和途径，甚至是地下水的流向。

鉴于地下水污染的复杂性，在地下水污染研究实践中，人们将污染物迁移与转化规律的研究转向了模拟试验研究，如建立大型的野外试验场，或在室内开展模拟槽试验、静态批实验和动态土柱试验等。室内模拟试验(模拟槽、土柱等)与野外试验场试验相比，显示出投资少、针对性强、时间短等优点，可以提供理想条件下污染物在地下水中迁移转化规律的信息。

模拟槽试验与土柱试验相比，具有的优点是：它可以提供类似于“真实”含水层的模拟环境或条件，如补给区、径流区和排泄区等。

但现有的模拟槽的功能比较单一，不能完全满足试验需要，如常见的渗流砂槽，窄缝槽等模拟尺度小，填装的介质只能是砂，砾石等粗粒的含水介质，一般只能模拟一维和二维的地下水流场和溶质运移，但是本模拟槽可以模拟三维的地下水流场和污染物进入地下水的不同方式，试验各种地下水污染修复方法和在线监测。

发明内容

本发明旨在提供一种地下水污染模拟槽，该地下水污染模拟槽集“模拟-监测-修复”的功能于一身，它不但是一个典型地下水系统的微缩模型；而且具备完善的在线监测系统，可以全方位地监测水动力场、水化学场的变化；还可以进行抽出-处理法(PAT)、渗透性反应墙(PRB)、监控条件下的衰减法(MNA)等修复试验设计；同时还具有演示实验、验证实验、设计性实验的教学功能。

实现本发明目的的技术方案是一种地下水污染模拟槽，至少包括槽体，槽体内填装有模拟典型水文地质单元的含水层介质，隔水层介质和透镜体，模拟槽从槽头、槽身至槽尾依次分布有地下水补给区、径流区和排泄区，水力控制装置从位于槽头的地下水补给区供水，位于槽身的径流区包括有布水的多孔隔板、水-岩相互作用段和污染修复装置，水从位于槽尾的排泄区排出；水力控制装置至少包括水源和两个高度可调节的水箱，两个水箱分别为位于槽头外部的进水箱和位于槽尾外部的出水箱，进水箱与出水箱间存在水位差，水源通过三通进水管同时与模拟槽的地下水补给区和进水箱连通，模拟槽的排泄区则通过管道与出水箱连通；槽体上方开有若干监测孔和污染物投放口，监测孔与监测系统联接，靠近槽尾的槽体中嵌插有污染修复装置。

且槽体下设有调节高度的底座，槽体呈长方体型，由框架和安装在框架上的槽壁组成，槽壁为钢化玻璃制成。水力控制装置中设有支撑水箱的支架，支架上安装有变速机，变速机由人力驱动，变速机的输出端通过绳索与水箱相连，使两个水箱垂直升降，以调节水箱高度；进水箱内设有一个高度小于水箱高度的隔板，将水箱分为两部分，一部分为进水格，另一部分为排水格，进水格与水源连通，排水格与出水管连通，当进水格水位超过隔板高度时，水会从进水格溢出并通过排水格排除，以稳定水箱的水位。污染物修复装置包括箱体和填充于箱体内的填料，箱体表面有孔，孔径2.5～7.5mm，孔距5～15mm，孔上蒙有80～200目尼龙纱布，填料为活性炭和/或零价铁。监测系统至少包括水质在线监测探头、信号采集与转换卡和电脑终端，水质在线监测探头位于监测孔内，槽体上方开有6～10个监测孔，分布于模拟槽的地下径流区，监测孔内置监测井管，监测井管孔径5～30mm，下部有5～10cm滤段，监测探头与信号采集与转换卡相连，将水动力场和水化学场变化信号转化为数字信号，并实时传递到电脑终端，实现污染物迁移、转化的在线监测。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

图2为监测孔井管结构示意图。

图3为水力控制装置示意图。

图中1、多孔隔板，2、污染修复装置，3、透镜体，4、含水层介质，5、隔水层介质，6、底座，7、变速机，8、进水箱，9、水力控制装置，10、污染物投放口，11、监测孔，12、槽身，13、槽头，14、槽尾，15、支架，16、箱体，17、槽体，18、喷淋装置，19、喷头，20、喷淋水管，21、三通进水管，22、出水管，23、滤段，24、安装位，25、钢丝绳，26、隔板，27、进水格，28、排水格。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明做进一步详细说明，但本发明不受下述实施例的局限。

如图1所示，本发明提供的同时具有“模拟-监测-修复”功能的地下水污染模拟槽主要由槽体17，水力控制装置9、监测系统、污染物投放口10和污染修复装置2构成。槽体17呈长方体型，由框架和安装在框架上的槽壁组成，槽壁为钢化玻璃制成，以利于观察。槽体的体积应保证地下水及污染物在槽中的迁移呈三维状态。槽体17下设底座6，可以调节高度，使槽体17水平。槽体17中填装了含水层介质4，隔水层介质5和透镜体3，以模拟典型的水文地质单元。模拟槽从槽头13、槽身12至槽尾14依次分布有地下水补给区、径流区和排泄区，水力控制装置从位于槽头13的地下水补给区供水，位于槽身12的径流区包括有布水的多孔隔板1、水-岩相互作用段和污染修复装置2，水从位于槽尾14的排泄区排出。由水力控制装置9向槽头13供水，经过多孔隔板1的布水后水流进入槽身12，经历水-岩相互作用和污染修复装置2处理后再经槽尾14排出。槽体17上方开有监测孔11和污染物投放口10，监测孔11分散于槽体的径流区，监测孔的深度为250-750mm。监测孔11与监测系统联接，在上述过程中可以通过监测系统11实时的监测槽体内的水质情况，如果进水投加污染物，还可以监测污染物的迁移过程。靠近槽尾14的槽体17中嵌插有污染修复装置2。水力控制装置9包括水源、两个通过变速机7调节高度的水箱和悬挂支撑水箱的支架15，两个水箱分别为位于槽头13的外部进水箱8和位于槽尾14外部的出水箱，进水箱8与出水箱间存在水位差，水源通过三通进水管21同时与模拟槽的地下水补给区和进水箱8连通，模拟槽的排泄区则通过管道与出水箱连通；水源给模拟槽提供地下水动力场。如图3所示，变速机7安装于支架15上，变速机7由人力驱动，变速机7的输出端通过钢丝绳25与水箱相连，使两个水箱垂直升降，以调节水箱高度。进水箱8内设有一个高度小于水箱高度的隔板26，将水箱8分为两部分，一部分为进水格27，另一部分为排水格28，进水格27与水源连通，排水格28与出水管22连通，当进水格水位超过隔板高度时，水会从进水格27溢出并通过排水格28排除，因此通过进水箱8的调节，水源可以给模拟槽提供一个稳定地下水动力场。通过两个水箱的水位差，可以为模拟槽调节地下水流速范围。水力控制装置9通过安装位24固定安装于槽体外。污染物投放通过污染物投放口10实施，槽头上方可设置喷淋装置18，喷淋装置18包括喷头19和喷淋水管20，通过污染物投放及喷淋可以实现点源和面源污染源的模拟。通过对进水箱8的控制可以实现间歇入渗型、连续入渗型和径流型三种污染物污染途径。污染物修复装置2由PVC材料的上端开口的箱体16和填料组成。PVC箱体表面进行打孔处理，孔径2.5-7.5mm，孔距5-15mm，然后蒙上80-200目尼龙纱布。填料可以是活性炭和/或零价铁等(填料粒径不能小于箱体表面的尼龙纱布)。污染的水体经过污染修复装置的处理后，污染物被去除。监测系统至少包括水质在线监测探头、信号采集与转换卡和电脑终端，水质在线监测探头位于监测孔内，监测孔11分散于槽体的径流区，监测孔11内置监测井管(见图2)，监测井管孔径5-30mm，下部有5-10cm滤段23。监测孔11内植入的水质在线监测探头的监测指标包含常规的水位埋深、温度、pH、Eh、TDS、电导率、DO和选择分析的指标，将其与信号采集与转换卡相连，可以将水动力场和水化学场变化信号转化为数字信号，实时传递到电脑终端，实现污染物迁移、转化的在线监测。对于探头无法监测的指标可以通过蠕动泵从监测孔中取样进行分析。因本发明中采用的监测系统为成熟的现有技术，所以本发明对监测系统不再作详细说明。

具体实施例如下：

1、槽体

为了保证地下水及污染物在槽中的迁移呈三维状态，槽体的长×宽×高＝4000mm×1000mm×1000mm。

模拟槽框架采用100mm×100mm×25mm的T型槽钢构建，起支撑作用；模拟槽侧板为5mm厚的钢化玻璃板，起支撑和可视作用。

槽头与槽身，槽尾与槽身间用5mm厚的带孔有机玻璃隔挡(孔径为5mm，孔密度为1个/cm²)。

在槽头和槽尾各有一个可垂直升降的进水箱、出水箱，控制模拟槽中地下水模拟液的流动和进出。

2、填充介质

(1)含水层：主要用河砂填筑，粒径为0.25-1.0mm的中粗砂，其裸露面积为1000mm×1000mm，渗透系数为25m/d，保证该区段地下水为潜水；

(2)隔水层：主要用粘土填筑，粘土体为1500mm×1000mm×400mm，渗透系数为0.011m/d，保证该区段地下水为承压水；此外，槽底铺设20mm厚的粘土层，起防渗作用；

(3)透镜体：主要用砾石构筑，透镜体为350mm×100mm×100mm的椭球体。

(4)地下水：自来水或地下水人工模拟液。

为了便于分析污染物在槽体中迁移所经历的水岩相互作用，对槽体中的河砂、粘土、砾石进行了岩矿和化学组成分析；对进入槽体的自来水或地下水人工模拟液进行化学组成的全分析。并在计算机中建立模拟槽数值模型，实现模拟槽的“数字化”。

3、污染源发生

不同类型(惰性、活性、染色剂等)的污染物可通过如下三种方式进入模拟槽含水层中：一是通过滤段深度为750mm的污染物投放孔和滤段深度250mm的污染物投放孔投放，模拟点源情况；二是通过裸露的含水层面状入渗，模拟面源情况；三是通过槽头的进水箱释放，模拟径流型污染情况。三种方式均可采用瞬时或连续方式释放污染物。

4、监测系统

在模拟槽的地下水补给区、径流区和排泄区布设了8个不同深度的(250-750mm)、管径为25mm、滤管长度为15mm(滤水孔孔径是2mm，打孔密度为10个/cm²，60目的尼龙纱网包裹)的监测孔(PVC管)。(见图2)

监测孔中可放置水位、水质探头(pH、Eh、EC、T、DO等)；通过导线将探头的感应信号传到与计算机相连的信号转接卡，将感应信号同步转为数字信号，计算机中的“数据采集与处理系统”将水位、水质监测数据存入数据库，并以图表形式显示，实现地下水的在线监测。

5、污染修复装置

污染修复装置包括一个100mm×1000mm×1000mm的箱体，箱体侧板为带有滤水孔的5mm厚的有机玻璃板(滤水孔孔径是2-5mm，打孔密度为3-10个/cm²，60目的尼龙纱网)，箱体中填充有铁粉和/或活性碳等。用其可模拟渗透性反应墙(PRB)技术。

本发明提供的模拟槽通过与安装有TOUGHT v2 & TOUGHREACT、PHREEQC、VISUAL MODFLOW等专业软件的计算机连接，可模拟、预测污染物在模拟槽中的迁移情况及经历的水岩相互作用过程。

通过模拟槽的监测系统可以实现监控条件下的自然衰减法(MNA)。

利用不同流量级的蠕动泵可从监测孔中将槽体中污染的地下水抽出，进行处理，然后再从监测孔中注入槽体含水层中。这样可模拟抽出-处理法(PAT)。

本发明的使用方法如下：

1、槽体中填装填料

1.1监测孔布设：根据监测孔布设计图将监测孔底端密封，垂直粘在槽体底板上。

1.2填充介质填装：根据拟模拟区域的水文地质条件填装相应的含水层和隔水层介质，构筑模拟区的水文地质实体。

2、实验方法

2.1槽体饱水，在模拟实验之前，向槽首，槽尾同时加水，同时将供水箱，出水箱降到槽体底板以上20cm处，并每隔24h将给水箱、出水箱升高20cm，直至槽体完全饱水；

2.2构建水力条件，调节供水箱，出水箱的高度，让槽体的两端形成一定的水头差，同时测量出水箱的出水流量，直到出水流量稳定，此时，槽体中地下水形成了稳定的流场。采集各个监测孔的水位数据，结合模拟槽填充介质渗透性，可绘制地下水流网图；

2.3向污染物投放孔中投放污染物，并将测量探头植入到各个监测孔中，在线观察污染物的时间和空间分布情况；

2.4启动地下水模拟槽数值模型，输入相关参数，模拟污染物的迁移情况；

2.5比较模拟软件模拟的模拟结果和在线监测的结果，评价模拟的可信度，分析和解决产生偏差的原因。

2.6改变槽首，槽尾的水头差，改变污染物类型，在槽体内加入抽水井。实验过程如1-6步骤。

2.7在地下水修复模拟槽上实验抽出-处理法。

2.8在地下水修复模拟槽上实验PRB法修复地下水污染。

Claims

1、一种地下水污染模拟槽，至少包括槽体，槽体内填装有模拟典型水文地质单元的含水层介质，隔水层介质和透镜体，其特征在于：模拟槽从槽头、槽身至槽尾依次分布有地下水补给区、径流区和排泄区，水力控制装置从位于槽头的地下水补给区供水，位于槽身的径流区包括有布水的多孔隔板、水-岩相互作用段和污染修复装置，水从位于槽尾的排泄区排出；水力控制装置至少包括水源和两个高度可调节的水箱，两个水箱分别为位于槽头外部的进水箱和位于槽尾外部的出水箱，进水箱与出水箱间存在水位差，水源通过三通进水管同时与模拟槽的地下水补给区和进水箱连通，模拟槽的排泄区则通过管道与出水箱连通；槽体上方开有若干监测孔和污染物投放口，监测孔与监测系统联接，靠近槽尾的槽体中嵌插有污染修复装置。

2、根据权利要求1所述的地下水污染模拟槽，其特征在于：监测孔分散于槽体的径流区，监测孔的深度为250-750mm。

3、根据权利要求1所述的地下水污染模拟槽，其特征在于：槽体下设有调节高度的底座，槽体呈长方体型，由框架和安装在框架上的槽壁组成，槽壁为钢化玻璃制成。

4、根据权利要求3所述的地下水污染模拟槽，其特征在于：槽体的体积应保证地下水及污染物在槽中的迁移呈三维状态。

5、根据权利要求1所述的地下水污染模拟槽，其特征在于：水力控制装置中设有支撑水箱的支架，支架上安装有变速机，变速机由人力驱动，变速机的输出端通过绳索与水箱相连，使两个水箱垂直升降，以调节水箱高度。

6、根据权利要求1或5所述的地下水污染模拟槽，其特征在于：进水箱内设有一个高度小于水箱高度的隔板，将水箱分为两部分，一部分为进水格，另一部分为排水格，进水格与水源连通，排水格与出水管连通，当进水格水位超过隔板高度时，水会从进水格溢出并通过排水格排除，以稳定水箱的水位。

7、根据权利要求1所述的地下水污染模拟槽，其特征在于：模拟槽的槽头上方设有喷淋装置。

8、根据权利要求1所述的地下水污染模拟槽，其特征在于：污染物修复装置包括箱体和填充于箱体内的填料，箱体表面有孔，孔径2.5～7.5mm，孔距5～15mm，孔上蒙有80～200目尼龙纱布，填料为活性炭和/或零价铁。

9、根据权利要求8所述的地下水污染模拟槽，其特征在于：箱体为PVC材料箱体，其上端有开口。

10、根据权利要求1所述的地下水污染模拟槽，其特征在于：监测系统至少包括水质在线监测探头、信号采集与转换卡和电脑终端，水质在线监测探头位于监测孔内，槽体上方开有6～10个监测孔，分布于模拟槽的地下径流区，监测孔内置监测井管，监测井管孔径5～30mm，下部有5～10cm滤段，监测探头与信号采集与转换卡相连，将水动力场和水化学场变化信号转化为数字信号，并实时传递到电脑终端，实现污染物迁移、转化的在线监测。