CN103148838A - 地下水曝气修复过程模拟试验系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种地下水曝气修复过程模拟试验系统及方法，其中，该系统包括：摄像机和光源，用于照亮试样并进行曝气过程的影像记录；透明模型箱，其中填充有模拟砂土的玻璃珠和模拟地下水的纯水，且透明模型箱底部具有曝气口，顶部有溢流口；气泵，用于提供压缩空气从曝气口进入透明模型箱；压力流量控制装置，其被安装在气泵和曝气口之间，控制曝气过程中的压缩气体的压力和流量；溢流接收装置，溢流接收装置与溢流口相连，用于收集溢流出的纯水；以及土工离心机吊篮平台，上述部分均被安装在土工离心机吊篮平台上，土工离心机吊篮平台旋转以离心力产生高应力场。本发明具有简便可行，仿真程度高，可模拟大面积、深部的现场土体情况的优点。

Description

地下水曝气修复过程模拟试验系统及方法

技术领域

本发明属于水利水电工程和环保工程领域，具体涉及一种地下水曝气修复过程模拟试验系统及方法。

背景技术

地下水资源作为全球水资源的重要组成部分，在我国地表水严重污染的条件下，对于经济和社会发展具有极其重要的作用。近年来，由于社会经济的高速发展和工业废弃物的大量产生，全球的环境污染问题日益严重，其中石油化学工业是重要污染源之一。目前我国地下水质量恶化趋势显著，污染形势十分严峻。目前我国许多地区地下水不同程度遭受有毒有害有机物的污染。国家“十二五”规划提出要“加大环境保护力度”，解决“土壤污染等损害群众健康的突出环境问题”，“加强地下水污染防治”。2011年10月发布的《全国地下水污染防治规划（2011—2020年）》指出要“初步遏制地下水水质恶化趋势”，“加强重点工业行业地下水环境监管”，“有计划地加快推进地下水污染修复”。环境友好和节能高效的污染地下水创新修复技术的开发和应用是是我国国民经济和社会可持续发展的重要途径。

地下水原位修复技术由于成本较低、对环境干扰较小而得到迅速发展，是地下水污染修复的主要技术。在原位修复技术中，地下水曝气法是挥发性有机污染地下水修复的常规技术，其原理为将压缩空气通过曝气井注入饱和土壤及地下水中，空气向上的流动使土壤和地下水中的有机组分产生解吸和挥发等作用，随气流进入土壤非饱和区。同时气流中的氧气不断溶解于土壤水中增加溶解氧含量，为好氧生物降解有机物创造了条件，加速饱和带、非饱和带中的微生物降解作用。其修复时间短、效率高、成本较低，在地下水污染原位修复中广泛应用。

对地下水曝气修复过程的室内试验是研究曝气修复过程的重要手段。但目前还没有合适的实验方法来进行观察和研究。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术问题之一或至少提供一种有用的商业选择。为此，本发明的一个目的在于提出一种具有简便可行、仿真程度高的地下水曝气修复过程模拟试验系统。本发明的另一个目的在于提出一种具有简便可行、仿真程度高的地下水曝气修复过程模拟试验方法。

根据本发明实施例的地下水曝气修复过程模拟试验系统，包括以下部分：摄像机和光源，所述摄像机用于记录地下水曝气修复过程模拟试验现象；透明模型箱，所述透明模型箱位于所述摄像机和所述光源之间，所述透明模型箱中填充有模拟砂土的玻璃珠和模拟地下水的纯水，且所述透明模型箱底部具有曝气口，顶部有溢流口；气泵，所述气泵用于提供压缩空气，所述压缩空气从所述曝气口进入所述透明模型箱；压力流量控制装置，所述压力流量控制装置安装在所述气泵和所述曝气口之间，控制曝气过程中的压缩气体的压力和流量；溢流接收装置，所述溢流接收装置与所述溢流口相连，用于收集所述压缩气体泵入所述透明模型箱时溢流出的纯水；以及土工离心机吊篮平台，上述部分均被安装在所述土工离心机吊篮平台上，所述土工离心机吊篮平台旋转以离心力产生高应力场。

可选地，所述透明模型箱为透明有机玻璃箱，所述玻璃珠为高强度喷丸玻璃珠。

可选地，压力流量控制装置进一步：调节阀、流量计和压力表。

可选地，还包括：位于所述气泵与所述压力流量控制装置之间的第一开关，以及位于所述压力流量控制装置与所述曝气口之间的第二开关。

根据本发明实施例的地下水曝气修复过程模拟试验方法，采用本发明提出的地下水曝气修复过程模拟试验系统，包括以下步骤：S1.在所述透明模型箱中使用所述玻璃珠填充一定密实程度的试样，并向所述透明模型箱中注水饱和；S2.将所述透明模型箱置于所述土工离心机吊篮平台，两侧置放摄像机和光源，所述气泵经过所述压力流量控制装置与所述曝气口相连，所述溢流接收装置与所述溢流口相连；S3.检测所述地下水曝气修复过程模拟试验系统的气密性；S4.运行所述土工离心机吊篮平台使之高速旋转，所述透明模型箱内部形成高应力场，开始曝气试验，缓慢调整所述压力流量控制装置以使所述压缩气体的压力等于静水压力值之后，打开所述摄像机拍摄试验现象；S5.所述压缩气体进入所述透明模型箱后，稳定曝气压力，待压缩气体的流量稳定而且溢流口没有水排出之后，记录气体的流量和排水量，拍摄试验现象；以及S6.变换不同的离心转速、不同的曝气压力、玻璃珠粒径,开展多次曝气过程试验，采集数据并进行研究分析。

本发明的地下水曝气修复过程模拟试验系统及方法至少具有如下优点：

（1）采用高强度喷丸玻璃珠模拟砂土。天然土壤颗粒是不透明的，因此研究人员无法直接观察气体在土体的运动过程，选取物理特性和天然土壤相近的高强度喷丸玻璃珠替代砂土颗粒是行之有效的方法。

（2）采用透明有机玻璃模型箱。模型箱使用透明的有机玻璃，不仅保证了模型箱的强度，也为图像采集提供了便捷。

（3）使用离心机模拟现场深部土体应力、防止土体在高气压下破坏。利用离心机高速运转产生的离心力，可以在小比尺模型中模拟现场土体的应力场，可以避免常规模型试验中由于气压较大导致土体破坏的不足；同时能准确控制水文地质条件和边界条件，缩短试验时间，再现原型特性，为理论和数值分析提供大量试验数据，有效校正和提高数学模型的预测能力。

（4）使用图像采集系统对曝气过程进行图像拍摄，并进行后处理。通过图像处理的方式，可以直观展现曝气的影响区域，研究其与曝气压力、砂土粒径、气体运动方式等的关系。

综上所述，本发明的地下水曝气修复过程模拟试验系统及方法具有简便可行，仿真程度高的优点。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明实施例的地下水曝气修复过程模拟试验系统的示意图；

图2是本发明实施例的地下水曝气修复过程模拟试验方法的流程图；

图3是本发明一个具体实施例的高强度喷丸玻璃珠的示意图；

图4是本发明一个具体实施例的透明有机玻璃透明模型箱的示意图；

图5是本发明一个具体实施例的曝气图像。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

对地下水曝气修复过程的室内试验是研究曝气修复过程的重要手段。本发明涉及到一种地下水曝气修复过程模拟试验系统及方法，可以通过该系统对地下水曝气过程进行观测试验，研究曝气压力、砂土粒径、气体运动方式等对于曝气过程的影响。其中，系统方面主要包括：高强度喷丸玻璃珠，透明有机玻璃模型箱，离心机，管路及仪表。方法方面主要是指通过图像采集进行处理的方式对曝气过程进行分析。其核心思想介绍如下：使用不同粒径的高强度喷丸玻璃珠模拟砂土，并将其击实制备于透明有机玻璃模型箱内，以便于观测气体在其中的运动过程。将模型箱通过离心机离心旋转，使用离心力替代重力，在试样内部形成高应力场，模拟大面积、深部的现场土体应力情况。通过管路在模型箱底部注入压缩空气。使用图像采集系统对曝气过程进行图像拍摄，并进行后处理。

图1是本发明实施例的地下水曝气修复过程模拟试验系统的示意图。如图1所示，该系统包括：摄像机101和光源102，摄像机101用于记录地下水曝气修复过程模拟试验现象；透明模型箱200，透明模型箱200位于摄像机101和光源102之间，透明模型箱200中填充有模拟砂土的玻璃珠和模拟地下水的纯水，且透明模型箱200底部具有曝气口，顶部有溢流口；气泵300，气泵300用于提供压缩空气，压缩空气从曝气口进入透明模型箱200；压力流量控制装置400，压力流量控制装置400安装在气泵300和曝气口之间，控制曝气过程中的压缩气体的压力和流量；溢流接收装置500，溢流接收装置500与溢流口相连，用于收集压缩气体泵入透明模型箱200时溢流出的纯水；以及土工离心机吊篮平台600，上述部分均被安装在土工离心机吊篮平台600上，土工离心机吊篮平台600旋转以离心力产生高应力场。

可选地，透明模型箱200为透明有机玻璃箱，玻璃珠为高强度喷丸玻璃珠。

可选地，压力流量控制装置400进一步：调节阀401、流量计402和压力表403。

可选地，还包括：位于气泵300与压力流量控制装置400之间的第一开关K1，以及位于压力流量控制装置400与曝气口之间的第二开关K2。可以通过控制这两个开关的状态来检查气体通道的气密性。

图2是本发明实施例的地下水曝气修复过程模拟试验方法的流程图。如图2所示，该方法包括以下步骤：

S1.在透明模型箱200中使用玻璃珠填充一定密实程度的试样，并向透明模型箱200中注水饱和。

具体地，玻璃珠的一个具体实施例如图3所示，透明模型箱200的一个具体实施例如图4所示。

S2.将透明模型箱200置于土工离心机吊篮平台600，两侧置放摄像机101和光源102，气泵300经过压力流量控制装置400与曝气口相连，溢流接收装置500与溢流口相连。

具体地，将模型箱置于土工离心机吊篮平台，按照图1所示的试验仪器连接方式连接管路及仪表，确保摄像机能够拍摄清晰的试验变化过程。

S3.检测地下水曝气修复过程模拟试验系统的气密性。

具体地，先关闭靠近透明模型箱的第二开关K2，打开气泵和靠近气泵的第一开关K1，增大气压，检查调压阀、流量计、压力表附近连接口的气密性，确保试验过程中气流在到达土样之前没有发生泄漏。检验结束后，调整调压阀使气压降低为零。

S4.运行土工离心机吊篮平台600使之高速旋转，透明模型箱200内部形成高应力场，开始曝气试验，缓慢调整压力流量控制装置400以使压缩气体的压力等于静水压力值之后，打开摄像机101拍摄试验现象。

S5.压缩气体进入透明模型箱200后，稳定曝气压力，待压缩气体的流量稳定而且溢流口没有水排出之后，记录气体的流量和排水量，拍摄试验现象。

图5为得到的实验现象图像，其中可以看出，压缩气体从透明模型箱200的底部的曝气口向上冲出，气流呈锥形，玻璃珠则沿着气流方向散开，不再为初始的密实状态。

S6.变换不同的离心转速、不同的曝气压力、玻璃珠粒径,开展多次曝气过程试验，采集数据，研究不同工程条件对曝气过程和修复效果的影响，为修复系统优化设计提供科学依据。

本发明的地下水曝气修复过程模拟试验系统及方法至少具有如下优点：

（1）采用高强度喷丸玻璃珠模拟砂土。天然土壤颗粒是不透明的，因此研究人员无法直接观察气体在土体的运动过程，选取物理特性和天然土壤相近的高强度喷丸玻璃珠替代砂土颗粒是行之有效的方法。

（2）采用透明有机玻璃模型箱。模型箱使用透明的有机玻璃，不仅保证了模型箱的强度，也为图像采集提供了便捷。

（3）使用离心机模拟现场深部土体应力、防止土体在高气压下破坏。利用离心机高速运转产生的离心力，可以在小比尺模型中模拟现场土体的应力场，可以避免常规模型试验中由于气压较大导致土体破坏的不足；同时能准确控制水文地质条件和边界条件，缩短试验时间，再现原型特性，为理论和数值分析提供大量试验数据，有效校正和提高数学模型的预测能力。

（4）使用图像采集系统对曝气过程进行图像拍摄，并进行后处理。通过图像处理的方式，可以直观展现曝气的影响区域，研究其与曝气压力、砂土粒径、气体运动方式等的关系。

综上所述，本发明的地下水曝气修复过程模拟试验系统及方法具有简便可行，仿真程度高的优点。

需要说明的是，流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (5)

1.一种地下水曝气修复过程模拟试验系统，其特征在于，包括以下部分：

摄像机和光源，所述摄像机用于记录地下水曝气修复过程模拟试验现象；

透明模型箱，所述透明模型箱位于所述摄像机和所述光源之间，所述透明模型箱中填充有模拟砂土的玻璃珠和模拟地下水的纯水，且所述透明模型箱底部具有曝气口，顶部有溢流口；

气泵，所述气泵用于提供压缩空气，所述压缩空气从所述曝气口进入所述透明模型箱；

压力流量控制装置，所述压力流量控制装置安装在所述气泵和所述曝气口之间，控制曝气过程中的压缩气体的压力和流量；

溢流接收装置，所述溢流接收装置与所述溢流口相连，用于收集所述压缩气体泵入所述透明模型箱时溢流出的纯水；以及

土工离心机吊篮平台，上述部分均被安装在所述土工离心机吊篮平台上，所述土工离心机吊篮平台旋转以离心力产生高应力场。

2.如权利要求1所述的地下水曝气修复过程模拟试验系统，其特征在于，所述透明模型箱为透明有机玻璃箱，所述玻璃珠为高强度喷丸玻璃珠。

3.如权利要求1所述的地下水曝气修复过程模拟试验系统，其特征在于，压力流量控制装置进一步：调节阀、流量计和压力表。

4.如权利要求1所述的地下水曝气修复过程模拟试验系统，其特征在于，还包括：位于所述气泵与所述压力流量控制装置之间的第一开关，以及位于所述压力流量控制装置与所述曝气口之间的第二开关。

5.一种地下水曝气修复过程模拟试验方法，其特征在于，采用如权利要求1-4任一项所述的地下水曝气修复过程模拟试验系统，包括以下步骤：

S1.在所述透明模型箱中使用所述玻璃珠填充一定密实程度的试样，并向所述透明模型箱中注水饱和；

S2.将所述透明模型箱置于所述土工离心机吊篮平台，两侧置放摄像机和光源，所述气泵经过所述压力流量控制装置与所述曝气口相连，所述溢流接收装置与所述溢流口相连；

S3.检测所述地下水曝气修复过程模拟试验系统的气密性；

S4.运行所述土工离心机吊篮平台使之高速旋转，所述透明模型箱内部形成高应力场，开始曝气试验，缓慢调整所述压力流量控制装置以使所述压缩气体的压力等于静水压力值之后，打开所述摄像机拍摄试验现象；

S5.所述压缩气体进入所述透明模型箱后，稳定曝气压力，待压缩气体的流量稳定而且溢流口没有水排出之后，记录气体的流量和排水量，拍摄试验现象；以及

S6.变换不同的离心转速、不同的曝气压力、玻璃珠粒径,开展多次曝气过程试验，采集数据并进行研究分析。

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