CN103335989B - 一种模拟岩溶地下河污染物迁移与归宿的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种模拟岩溶地下河污染物迁移与归宿的方法。建立一个岩溶地下河管道模型，包括一个干流管道、若干个支流管道、若干个溶潭、若干个干流管道注水孔、若干个支流管道注水孔、若干个取样监测孔和管道出水口。通过管道向岩溶地下河管道模型投注污染物，利用现代取样检测和自动监测手段，模拟污染物在岩溶地下河和溶潭中的迁移行为，揭示污染物在岩溶地下河中可能的对流、弥散、吸附、降解、稀释等作用，解释污染物归宿。本发明模拟了岩溶地下河地质岩性与水力条件，集成了高精度、高密度和多指标的自动监测技术，利于实验室内快速和密集监测以及多方案设计，能够用来开展岩溶地下河污染物迁移与归宿的研究。
Description
技术领域
本发明涉及污染水文地质学技术领域，特别是一种模拟岩溶地下河污染物迁移与归宿的方法。
背景技术
岩溶地下河是我国南方碳酸盐岩分布地区典型的地下水赋存空间，具有水力条件复杂的管道流特征。由于岩溶地下河系统与地表环境联系密集，缺少天然防渗或过滤层，加上人为非法排污行为，地表污染物很容易通过落水洞等岩溶形态直接进入地下河含水系统，从而污染地下水。比如城市和矿山地区的生活污水和工业废水常常导致地下河系统被有机物和重金属污染，地下河正逐渐成为各地排污的下水道。这种污染状况直接影响到岩溶地区地下水资源的可持续开发利用与有效保护。为此，面对这种地下河系统复杂的污染形势，地下河中污染物迁移与归宿机理的模拟已成为科学工作者关注的热点。其中，实验室模拟是揭示污染物迁移特征与归宿机理的重要途径和必要手段。在过去，人们通常利用玻璃、塑料以及不锈钢等材料在实验室模拟岩溶地下河，但难以体现碳酸盐岩与污染物相互作用的自然现象，包括吸附、碳酸盐溶蚀和生物降解等机理，从而影响污染物迁移过程的模拟。
发明内容
本发明的目的就是为了科学而合理地开展实验室模拟，利用石灰岩制作岩溶地下河管道模型，提供一种能够在实验室有效模拟岩溶地下河中污染物迁移与归宿的方法。
具体步骤为：
一、建立一个岩溶地下河管道模型，包括一个干流管道、若干个支流管道、若干个溶潭、若干个干流管道注水孔、若干个支流管道注水孔、若干个取样监测孔和管道出水口。
干流管道和支流管道由石灰岩管构成；支流管道分布于干流管道的两侧，溶潭为地下河沿途分布的积水潭，由石灰岩材质的空心球状体构成，设置于干流管道上和支流管道上，水流可以在其中通过或积聚；干流管道注水孔分布在干流管道的顶端，支流管道注水孔分布在支流管道的顶端，干流管道注水孔和支流管道注水孔均开口向上，根据需要，能通过蠕动泵连接外源水；取样监测孔分别分布在干流管道、支流管道和溶潭的上方，根据需要，能用注射器采集样品供分析，也能用金属电极原位测定；管道出水口位于干流管道末端下方，与水龙头连接，控制流量，与仪器连接实施在线水质监测。
二、通过蠕动泵在干流管道顶端干流管道注水口持续注入外源地下水，充满管道，调节管道出水口的流量、并连接荧光光度计自动检测仪，自动监测出水水质。
三、 将示踪剂通过干流管道注水口瞬时注入干流管道。
四、通过取样监测孔，用注射器取样做其它仪器分析，比如气相色谱仪、离子色谱仪等，也能用金属电极直接插入监测孔原位监测pH值、溶解氧。
五、通过管道出水口，用荧光光度计自动检测出水中示踪剂浓度、温度、电导率和浊度的变化，设置自动记录时间间隔，持续监测，直到观察到示踪剂浓度降到外源地下水本底浓度。
六、将荧光光度计中的数据导入电脑，对数据进行处理，形成示踪剂浓度-时间过程线。
七、通过对示踪剂浓度—时间曲线分析计算，得出一系列管道水力和结构特征参数，揭示示踪剂质量衰减机理。
所述示踪剂为非反应示踪剂或反应示踪剂，非反应示踪剂为荧光素钠，反应示踪剂为污染物。
本发明能够运用岩溶地下河管道模型变换并控制实验条件，开展重复实验；可以利用野外不允许投放的污染物做实验，通过取样监测数据研究污染物在管道中的迁移行为；而且，石灰岩材质可以被溶蚀，能体现对污染物的吸附性能，反映了真实岩溶地下河具有的介质属性。因此，本发明为岩溶地下河污染物的迁移与归宿模拟提供了十分便利的有效的方法。
附图说明
图1为本发明实施例岩溶地下河管道模型平面示意图。
图中标记：1-干流管道；2-支流管道；3-溶潭；4-干流管道注水孔；5-支流管道注水孔；6-取样监测孔；7-管道出水口。
图2为本发明实施例监测的示踪剂时间—浓度过程图。
具体实施方式
实施例：
一、如图1所示，建立一个岩溶地下河管道模型，包括干流管道1、支流管道2、溶潭3、干流管道注水孔4、支流管道注水孔5、取样监测孔6和管道出水口7。
干流管道1：长340cm，由不同管径的石灰岩管构成，内径变化范围1.0~5.0cm，外径变化范围2.0~10.0cm。
支流管道2：合计5个支流管道2，长度变化范围45~110cm，分别分布在干流管道1两侧；支流管道2由石灰岩管制作，内径变化范围1.0~4.0cm，外径变化范围2.0~8.0cm。
溶潭3：溶潭3由石灰岩材质的空心球状体构成，共设置两个，一个位于干流管道1上，内径14.3cm，外径20cm，水流可以在其中通过或积聚；另一个位于支流管道2上，内径9.1cm、外径12cm。
干流管道注水孔4：由不锈钢材质制作，内径1.0cm，外径1.5cm，分布在干流管道1的顶端，开口向上，根据需要，通过蠕动泵连接外源水。
支流管道注水孔5：共计5个，分布在每个支流管道2的顶端，开口向上，由不锈钢材质制作，内径1.0cm，外径1.5cm，根据需要，通过蠕动泵连接外源水。
取样监测孔6：合计11个，由不锈钢材质制作，内径1.0cm，外径1.5cm，分别分布在干流管道1、支流管道2和溶潭3的上方。
管道出水口7：位于干流管道1末端下方，与不锈钢水龙头连接，控制流量0.0~37.0 mL/s，与仪器连接实施在线水质监测。
二、通过蠕动泵在干流管道1顶端干流管道注水口4持续注入外源地下水（转速15rpm，流量11mL/min），充满干流管道1，调节管道出水口7的流量、并连接荧光光度计自动检测仪，自动监测出水水质。
三、取20 ml配好的荧光素钠溶液（示踪剂），在10秒钟内通过干流管道注水孔4注入干流管道1。
四、通过取样监测孔6，用注射器取样供其它仪器分析，用金属电极直接插入监测孔6原位监测pH值、溶解氧。
五、通过管道出口7，用GGUN-FL荧光光度计自动检测出水中荧光素纳浓度、温度、电导率和浊度的变化，自动记录时间间隔设为10min，实验持续4400min，直到观察到荧光素纳浓度降到外源地下水本底浓度。
六、将GGUN-FL荧光光度计中的数据导入电脑，对数据进行处理，形成示踪剂浓度-时间过程线，见图2。
七、通过对示踪剂浓度—时间曲线分析计算，可以得出一系列管道水力和结构特征参数，如表1所示。
表1 管道水力条件和管道结构参数表
| 参数 | 单位 | 荧光素钠 | 模型参数 |
| 回收率 | % | 91.232 | |
| 平均滞留时间 | min | 745.92 | |
| 平均迁移速度 | m/d | 7.7935 | |
| 纵向弥散系数 | m2/s | 5.39x10-5 | |
| 扫描管道过水体积 | m3 | 0.0082 | 0.006988 |
| 管道过水表面积 | m2 | 203.56 | |
| 过水断面面积 | m2 | 0.002 | |
| 断面等效直径 | m | 0.05 | 0.01-0.14 |
| 匹克列系数 | 6.7547 | ||
| 雷诺系数 | 4.025 |
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案的保护范围。
Claims (1)
1.一种模拟污染物在岩溶地下河中迁移与归宿的方法，其特征在于具体步骤为：
一、建立一个岩溶地下河管道模型，包括一个干流管道（1）、若干个支流管道（2）、若干个溶潭（3）、若干个干流管道注水口（4）、若干个支流管道注水孔（5）、若干个取样监测孔（6）和管道出水口（7）；干流管道（1）和支流管道（2）由石灰岩管构成；支流管道（2）分布于干流管道（1）的两侧，溶潭（3）由石灰岩材质的空心球状体构成，设置于干流管道（1）上和支流管道（2）上，水流可以在其中通过或积聚；干流管道注水口（4）分布在干流管道（1）的顶端，支流管道注水孔（5）分布在支流管道（2）的顶端，干流管道注水口（4）和支流管道注水孔（5）均开口向上；取样监测孔（6）分别分布在干流管道（1）、支流管道（2）和溶潭（3）的上方；管道出水口（7）位于干流管道末端下方，与水龙头连接，控制流量，与仪器连接实施在线水质监测；
二、通过蠕动泵在干流管道（1）顶端干流管道注水口（4）持续注入外源地下水，充满管道，调节管道出水口的流量、并连接荧光光度计自动检测仪，自动监测出水水质；
三、将示踪剂通过干流管道注水口（4）瞬时注入干流管道；
四、通过取样监测孔（6），用注射器取样供分析，用金属电极直接插入监测孔原位监测pH值、溶解氧；
五、通过管道出水口（7），用荧光光度计自动检测出水中示踪剂浓度、温度、电导率和浊度的变化，设置自动记录时间间隔，持续监测，直到观察到示踪剂浓度降到外源地下水本底浓度；
六、将荧光光度计中的数据导入电脑，对数据进行处理，形成示踪剂浓度-时间过程线；
七、通过对示踪剂浓度—时间曲线分析计算，得出一系列管道水力和结构特征参数，揭示示踪剂质量衰减机理；
所述示踪剂为非反应示踪剂或反应示踪剂，非反应示踪剂为荧光素钠，反应示踪剂为污染物。
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