CN103279158B - 温控-压控地下水越流污染模拟系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种温控-压控地下水越流污染模拟系统，至少包括土柱以及与土柱连接的取样测样装置、恒压控制单元、恒温水控制单元以及监测单元，土柱包括盛放有土样的土柱内管以及套在土柱内管上的土柱外管；所述的取样测样装置至少包括测样内管、测样外管、取样杯以及多参数仪；所述的恒压控制单元至少包括恒压水箱、增压泵B和水箱外管；恒温水控制单元包括恒温水电路控制部件、恒温水箱、增压泵A以及恒温水循环管路；所述的监测单元包括压力显示电路控制部件、温度显示电路控制部件以及浓度显示电路控制部件。本发明解决了背景技术中的不足，能够精确、方便的调节温度和压力水头，从而满足了进行室内物理模拟研究所需的条件。

Description

温控-压控地下水越流污染模拟系统

技术领域

本发明提供了一种恒温恒压地下水越流污染模拟系统，可广泛应用于研究污染物迁移、水土作用、矿物和土体在淋滤条件下的溶解与沉淀、地下水修复等水文地质、地质环境问题。

背景技术

随着地下水过度开采，人类活动日益加剧，海水入侵、垃圾渗出液下渗、上层咸水体入侵下层淡水、污水回灌等因素所引发的地下水污染问题日益严重，地下水污染的预测和防治显得尤为重要。作为此类问题的重要研究方法，室内物理模拟仪具有很多优点，做为物理模拟的主要工具，土柱模型影响着物理模拟研究领域的发展，近年来，土柱模型广泛应用于饱和和非饱和实验研究。国内外也涌现了一大批这类的土柱装置。例如，李培军等人设计的“一种分析污染物在不同介质中迁移的装置”，连接马氏瓶后可以模拟等水头的稳定下渗；王敏健等设计的“一种研究污染物在土壤中迁移和转化的方法与装置”可以研究土壤中污染物的挥发、渗滤和降解。

从前人的研究中反映出目前的土柱模型存在如下几个缺陷：其一现阶段所使用的土柱装置虽然在温度和压力调节上做了一些努力，但是效果仍然不佳，不能精确的随意调节温度和压力水头；其二，现在的土柱大多设计为非饱和或者低承压的水力条件，但是由于粘性土等介质渗透性太低，流速太慢，实验周期太长。

发明内容

本发明提供了一种用于室内物理模拟研究的温控-压控地下水越流污染模拟系统，该系统解决了上述背景技术中的不足，能够精确、方便的调节温度和压力水头，从而满足了进行室内物理模拟研究所需的条件。

实现本发明上述目的所采用的技术方案为：

一种温控-压控地下水越流污染模拟系统，至少包括土柱以及与土柱连接的取样测样装置、恒压控制单元、恒温水控制单元以及监测单元，土柱包括盛放有土样的土柱内管以及套在土柱内管上的土柱外管，土柱内管和土柱外管之间形成一密封的腔室A，土柱内管中土样的上方和下方均设有多孔隔板，分别为多孔隔板A和多孔隔板B，土柱内管的底部设有出水管A，出水管A与取样测样装置连接；所述的取样测样装置至少包括测样内管、测样外管、取样杯以及多参数仪，其中测样内管为封闭状，其内部为测样室，取样杯放置于测样室内，出水管A的尾端穿过测样内管进入测样室内且位于取样杯的上方，多参数仪中的电极位于取样杯内，测样外管包裹在测样内管上，且测样外管与测样内管之间形成一密封的腔室B，腔室B与腔室A之间通过保温管连通，且保温管套在出水管A上；所述的恒压控制单元至少包括恒压水箱、增压泵B和水箱外管，其中恒压水箱的底部设有出水管D，出水管D的底端与土柱连接并位于土柱内管内，增压泵B安装于出水管D上，水箱外管套在恒压水箱上，且水箱外管与恒压水箱之间形成一密封的腔室C；恒温水控制单元包括恒温水电路控制部件、恒温水箱、增压泵A以及恒温水循环管路，恒温水电路控制部件对恒温水箱中的水温检测并调节，增压泵A安装在恒温水循环管路上，恒温水循环管路将恒温水箱与腔室A、腔室B、腔室C之间相互连通；所述的监测单元包括压力显示电路控制部件、温度显示电路控制部件以及浓度显示电路控制部件，压力显示电路控制部件中的压力传感器从上至下均匀的分布在腔室A中，温度显示电路控制部件中的温度传感器B分布在腔室A、腔室B以及恒压水箱中，浓度显示电路控制部件中的浓度传感器分布在土柱内管的内壁上。

土柱内管和测样内管均为导热性能良好的PC管，土柱外管、测样外管以及水箱外管均为具有绝热性的有机玻璃管。

土柱内管的顶部高于土柱外管，土柱内管中多孔隔板A的上方填充有起匀压、缓冲作用的玻璃珠，土柱内管上与多孔隔板B对应的部位设有通向外界的排气管，排气管上设有止水夹。

出水管A上设有饱水管以及排水管，饱水管和排水管均穿过保温管通向外界，且饱水管和排水管上分别设置有阀门A和阀门B。

测样室内设有转盘，转盘由顶端伸出于测样外管的旋杆以及固定于旋杆底端且位于测样室底部的托盘组成，旋杆带动托盘旋转，取样杯放置于托盘上。

土柱内管的顶部设有溢流管，溢流管通向恒压水箱的顶部，溢流管上设有压力控制开关。

恒温水电路控制部件由控制电路以及通过导线与其连接的温度传感器A和加热器组成，温度传感器A和加热器均位于恒温水箱内。

恒温水循环管路由供水管、回流管、进水管A、进水管B，三通管A，三通管B、出水管B以及出水管C组成，增压泵A安装于供水管上，供水管的一端连接于恒温水箱的底部，其另一端与三通管A连接，进水管A和进水管B的一端均与三通管A连接，进水管A和进水管B的另一端分别通向腔室C和腔室B的底部；回流管的一端连接于恒温水箱的顶部，其另一端与三通管B连接，出水管B和出水管C的一端均与三通管B连接，出水管B和出水管C的另一端分别通向腔室A和腔室C的顶部。

恒温水箱中设有搅拌器。

本发明所提供的温控-压控地下水越流污染模拟系统与现有技术相比有以下优点：一是采用恒温水控制单元，将恒温水进行循环，同时内管采用导热性能良好且强度较高的PC管，外管采用隔热性的有机玻璃管，因而能够使实验环境一直保持在恒定温度下，进而使监测的数据更加准确。二是利用增压泵加压，通过压力控制开关调节试验所需的水头，避免简单抬高马氏瓶增加水头带来的弊端；三是本发明提供的系统中个单元即是相互有机结合的一个整体，同时各单元之间又可灵活拆卸，组装，操作方便。

附图说明

图1为本发明提供的温控-压控地下水越流污染模拟系统结构示意图。

图中：1-止水夹，2-排气管，3-阀门A，4-饱水管，5-阀门B，6-出水管A，7-土柱内管，8-恒温水箱，9-加热器，10-搅拌器，11-温度传感器A，12-排水管，13-恒温水电路控制部件，14-浓度显示电路控制系统，15-增压泵A，16-三通管A，17-进水管A，18-进水管B，19-测样外管，20-保温管，21-过水孔，22-土柱外管，23-出水管B，24-三通管B，25-回流管，26-水箱外管，27-出水管C，28-恒压水箱，29-出水管D，30-增压泵B，31-玻璃珠，32-多孔隔板A，33-溢流管，34-压力控制开关，35-浓度传感器，36-多孔隔板B，37-测样室，38-取样杯，39-多参数仪，40-转盘，41-温度传感器B，42-温度显示电路控制部件，43-压力显示电路控制部件，44-压力传感器。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做详细具体的说明。

以下实施例中土柱内管和测样内管均为导热性能良好的PC管，土柱外管、测样外管以及水箱外管均为具有绝热性的有机玻璃管。

本实施例中提供的温控-压控地下水越流污染模拟系统的结构如图1所示，土柱包括盛放有土样的土柱内管7以及套在土柱内管7上的土柱外管22，为了方便在土柱内管7中填装土样，土柱内管7的顶部高于土柱外管22。土柱内管7和土柱外管22之间形成一密封的腔室A，土柱内管7中土样的上方和下方均设有多孔隔板，分别为多孔隔板A32和多孔隔板B36，多孔隔板A32的上方填充有起匀压、缓冲作用的玻璃珠31。土柱内管7上与多孔隔板B36对应的部位设有通向外界的排气管2，排气管2上设有止水夹1。土柱内管7的底部设有过水孔21以及出水管A6，出水管A6与取样测样装置连接，出水管A6上设有饱水管4以及排水管12，饱水管4和排水管12均穿过保温管20通向外界，且饱水管4和排水管12上分别设置有阀门A3和阀门B5。

取样测样装置由测样内管、测样外管19、取样杯38、多参数仪39以及转盘40组成，其中测样内管为封闭状，其内部为测样室37，转盘40由顶端伸出于测样外管19的旋杆以及固定于旋杆底端且位于测样室37底部的托盘组成，旋杆带动托盘旋转，取样杯38放置于托盘上。出水管A6的尾端穿过测样内管进入测样室37内且位于取样杯38的上方，多参数仪39中的电极位于取样杯38内，测样外管19包裹在测样内管上，且测样外管19与测样内管之间形成一密封的腔室B，腔室B与腔室A之间通过保温管20连通，且保温管20套在出水管A6上。

恒压控制单元由恒压水箱28、增压泵B30、水箱外管26以及溢流管33组成，其中恒压水箱28的底部设有出水管D29，出水管D29的底端与土柱连接并位于土柱内管7内，增压泵B30安装于出水管D29上，水箱外管26套在恒压水箱28上，且水箱外管26与恒压水箱28之间形成一密封的腔室C。溢流管33的一端连接土柱内管7的顶部，溢流管33的另一端通向恒压水箱28的顶部，溢流管33上设有压力控制开关34。

恒温水控制单元由恒温水电路控制部件13、恒温水箱8、增压泵A15、恒温水循环管路以及搅拌器10组成，恒温水电路控制部件对恒温水箱8中的水温检测并调节，恒温水电路控制部件13由控制电路以及通过导线与其连接的温度传感器A11和加热器9组成，温度传感器A11和加热器9以及搅拌器10均位于恒温水箱8内。恒温水循环管路由供水管、回流管25、进水管A17、进水管B18，三通管A16，三通管B24、出水管B23以及出水管C27组成，增压泵A15安装于供水管上，供水管的一端连接于恒温水箱8的底部，其另一端与三通管A16连接，进水管A17和进水管B18的一端均与三通管A16连接，进水管A17和进水管B18的另一端分别通向腔室C和腔室B的底部；回流管25的一端连接于恒温水箱8的顶部，其另一端与三通管B24连接，出水管B23和出水管C27的一端均与三通管B24连接，出水管B24和出水管C27的另一端分别通向腔室A和腔室C的顶部。恒温水循环管路将恒温水箱8与腔室A、腔室B、腔室C之间相互连通。

监测单元包括压力显示电路控制部件43、温度显示电路控制部件42以及浓度显示电路控制部件14，压力显示电路控制部件43中的压力传感器44从上至下均匀的分布在腔室A中，温度显示电路控制部件42中的温度传感器B41分布在腔室A、腔室B以及恒压水箱28中，浓度显示电路控制部件14中的浓度传感器35分布在土柱内管7的内壁上。在本实施例中压力传感器44设有5个，压力传感器前端为螺纹，通过螺纹旋紧固定于土柱内管上。

本发明所提供的温控-压控地下水越流污染模拟系统的工作步骤及工作原理如下：在土柱中装好土样后应首先对土柱饱水，松开止水夹，打开阀门A，关闭阀门B，连接马氏瓶至饱水管，饱水入土柱内管。饱水完成后，止水夹夹住排气管，关闭阀门A，打开阀门B，排出出水管A中的水。

然后向恒压水箱中加入一定量的淋滤液，向恒温水箱中加入一定量的水，打开加热器和搅拌器，恒温水电路控制部件开始工作。温度传感器A将恒温水箱的水温反馈至控制电路，控制电路控制加热器工作，使恒温水箱内水温保持恒定。打开增压泵A，恒温水通过增压泵A增压输送，在三通管A处分流，一部分恒温水泵入腔室C，另一部分恒温水泵入腔室B，并通过腔室B进入腔室A。恒温水充满腔室C和腔室A后，由出水管B和出水管C流入回流管，回流至恒温水箱中，按此完成一次循环，保证了土柱试验环境温度的恒定。

恒温水循环一定时间后，观察分布在腔室A、腔室B以及恒压水箱中的温度传感器B所反馈至温度显示电路控制部件上的温度，待三个温度显示稳定且达到一致后，打开增压泵B，恒压水箱中的淋滤液由出水管D流出，经增压泵B泵入土柱内管，淋滤液经过玻璃珠缓冲且均匀分布，经多孔隔板A渗入土柱中，待土柱上部充满后，一部分淋滤液继续渗入土柱中，另一部分淋滤液经溢流管、压力控制开关回流入恒压水箱中。压力控制开关可调节土柱上部的水头，在调节时观察压力显示电路控制部件上显示的数字信号，确定试验条件水头大小。

调节水头后，开始试验。此时系统中恒温水水一直保持循环，提供试验环境温度恒定。淋滤液保持恒压压力，控制水头恒定。试验开始后，分布于土柱内的压力传感器、浓度传感器在线监测土柱各点的水头，电导率。压力传感器通过导线将压力信号传输至压力显示电路控制部件并显示水头大小。浓度传感器通过导线将浓度信号传输至浓度显示电路控制部件并显示电导率。

随着试验的进行，土柱中的渗出液经多孔隔板B、出水管A流入测样室的取样杯中，一定时间后，读取多参数仪上的样品液常规指标如电导率、pH等，记录数据。取出多参数仪的电极，转动转盘，使出水管A对准下一个取样杯，插入电极。

待试验进行一段时间后，打开取样测样装置中测样内管的上盖，取出样品、保存，然后更换取样杯继续试验。当试验完成后，保存试验数据。关闭水泵、电路系统开关，放出装置中的液体，清洗土柱。

Claims (9)

1.一种温控-压控地下水越流污染模拟系统，其特征在于：至少包括土柱以及与土柱连接的取样测样装置、恒压控制单元、恒温水控制单元以及监测单元，土柱包括盛放有土样的土柱内管以及套在土柱内管上的土柱外管，土柱内管和土柱外管之间形成一密封的腔室A，土柱内管中土样的上方和下方均设有多孔隔板，分别为多孔隔板A和多孔隔板B，土柱内管的底部设有出水管A，出水管A与取样测样装置连接；所述的取样测样装置至少包括测样内管、测样外管、取样杯以及多参数仪，其中测样内管为封闭状，其内部为测样室，取样杯放置于测样室内，出水管A的底端穿过测样内管进入测样室内且位于取样杯的上方，多参数仪中的电极位于取样杯内，测样外管包裹在测样内管上，且测样外管与测样内管之间形成一密封的腔室B，腔室B与腔室A之间通过保温管连通，且保温管套在出水管A上；所述的恒压控制单元至少包括恒压水箱、增压泵B和水箱外管，其中恒压水箱的底部设有出水管D，出水管D的底端与土柱连接并位于土柱内管内，增压泵B安装于出水管D上，水箱外管套在恒压水箱上，且水箱外管与恒压水箱之间形成一密封的腔室C；恒温水控制单元包括恒温水电路控制部件、恒温水箱、增压泵A以及恒温水循环管路，恒温水电路控制部件对恒温水箱中的水温检测并调节，增压泵A安装在恒温水循环管路上，恒温水循环管路将恒温水箱与腔室A、腔室B、腔室C之间相互连通；所述的监测单元包括压力显示电路控制部件、温度显示电路控制部件以及浓度显示电路控制部件，压力显示电路控制部件中的压力传感器从上至下均匀的分布在腔室A中，温度显示电路控制部件中的温度传感器B分布在腔室A、腔室B以及恒压水箱中，浓度显示电路控制部件中的浓度传感器分布在土柱内管的内壁上。

2.根据权利要求1所述的温控-压控地下水越流污染模拟系统，其特征在于：土柱内管和测样内管均为导热性能良好的PC管，土柱外管、测样外管以及水箱外管均为具有绝热性的有机玻璃管。

3.根据权利要求1所述的温控-压控地下水越流污染模拟系统，其特征在于：土柱内管的顶部高于土柱外管，土柱内管中多孔隔板A的上方填充有起匀压、缓冲作用的玻璃珠，土柱内管上与多孔隔板B对应的部位设有通向外界的排气管，排气管上设有止水夹。

4.根据权利要求1所述的温控-压控地下水越流污染模拟系统，其特征在于：出水管A上设有饱水管以及排水管，饱水管和排水管均穿过保温管通向外界，且饱水管上设置有阀门A，排水管上设置有阀门B。

5.根据权利要求1所述的温控-压控地下水越流污染模拟系统，其特征在于：测样室内设有转盘，转盘由顶端伸出于测样外管的旋杆以及固定于旋杆底端且位于测样室底部的托盘组成，旋杆带动托盘旋转，取样杯放置于托盘上。

6.根据权利要求1所述的温控-压控地下水越流污染模拟系统，其特征在于：土柱内管的顶部设有溢流管，溢流管通向恒压水箱的顶部，溢流管上设有压力控制开关。

7.根据权利要求1所述的温控-压控地下水越流污染模拟系统，其特征在于：恒温水电路控制部件由控制电路以及通过导线与其连接的温度传感器A和加热器组成，温度传感器A和加热器均位于恒温水箱内。

8.根据权利要求1所述的温控-压控地下水越流污染模拟系统，其特征在于：恒温水循环管路由供水管、回流管、进水管A、进水管B，三通管A，三通管B、出水管B以及出水管C组成，增压泵A安装于供水管上，供水管的一端连接于恒温水箱的底部，其另一端与三通管A连接，进水管A和进水管B的一端均与三通管A连接，进水管A的另一端通向腔室C的底部，进水管B的另一端通向腔室B的底部；回流管的一端连接于恒温水箱的顶部，其另一端与三通管B连接，出水管B和出水管C的一端均与三通管B连接，出水管B的另一端通向腔室A的顶部，出水管C的另一端通向腔室C的顶部。

9.根据权利要求1所述的温控-压控地下水越流污染模拟系统，其特征在于：恒温水箱中设有搅拌器。