CN104297446A - 组件式垂直饱和土柱污染物迁移试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及组件式垂直饱和土柱污染迁移试验装置，包括试验土柱和供水装置，所述试验土柱由三类基本组件组装构成，上部的进水组件、中部装样组件和下部出水组件，所述三类基本组件自带法兰盘连接，中部装样组件按一定角度错开后连接。所述上部进水组件包括外壳、内芯和透水石，所述外壳底部有排水口以减少更换溶液时的误差，所述内芯包括上部扰流层和下部螺旋混合层，内芯用以促进上部溶液均匀混合，所述透水石待装样后放置在土层顶部；所述中部装样组件可拆分为两个弧形管材，内部间隔布置阻水环以防止水流短路；所述下部出水组件内含透水石。应用本发明，可以优化试验条件，减小试验误差，同时还能通过组装不同数量和规格的组件，适应多种长度的模拟试验，提高模型利用率，减少成本，可量产。

Description

组件式垂直饱和土柱污染物迁移试验装置

技术领域

本发明涉及一种土壤及地下水污染物迁移试验模拟装置，尤其是污染物在垂直饱和土柱中的迁移试验。

技术背景

近年来，随着国家经济的迅猛发展，国内环境遭到一定程度的破坏，水资源环境也受到严重的污染，随着地表淡水资源污染的加剧，地下水污染问题也将日益突出。因此，研究污染物在土壤和地下水中的迁移规律及其影响因素十分重要。将有助于地下水污染物的治理，以及污染情况的预测和评定。垂直饱和土柱试验模型是国内外研究土壤和地下水中污染物迁移的重要手段，通过该模型试验可以掌握污染物纵向迁移的基本规律。该类模型试验是研究土壤和地下水污染的基础，对进一步的研究有重要的指导作用。

目前，实验室所用的垂直饱和土柱模型较为简单，原理基本相同，但在实际使用过程中存在以下三个方面的问题：模型误差系统问题、土样采集问题和模型利用重复率问题。

第一方面，模型系统误差问题，该问题是所有物理试验模型都存在的。现有的模型存在以下问题：

（1）定水头供水问题。部分淋滤试验采用花洒或直接滴水的方式供水，不同土柱渗透能力不同，顶部滞留的水体厚度不同也不稳定，不能为土柱提供稳定水头的供水，同时也难以使用大水头的条件，使得试验时间较长，效率较低。

（2）上边界浓度空间分布不均匀问题。现有的模型均未考虑上边界浓度的空间差异性，但由于边界效应，在同一平面内，中心部与周围边界部污染物的迁移速率存在差异，导致上边界浓度出现空间差异；此外，现有的供水方式（无论是开放式滴入抑或密闭式注入），均导致注入的溶液存在一定的流速，流速的空间分布不均匀（中部大，周围小）同样导致上边界浓度空间分布不均匀；再者，土柱本身渗透系数和弥散度也存在空间的差异，也会导致相同的问题。

（3）上边界溶液更换问题。现有的模型试验至少需要用到两种溶液，一种为纯水，用来降低土柱中本底溶质的浓度，以及使土柱内溶液流速预先达到稳定状态，另一种为试验所用污染物溶液。若不将原溶液排出，当直接加入污染物溶液时，两者的混合将导致上边界初始浓度较预想的浓度低，使得试验进展缓慢，将极大的影响后续试验，造成很大的系统误差。

（4）模型内壁水流短路问题。现有的模型内壁较为平直，部分模型会磨砂处理，但效果不明显，仍然有可能使得溶液易于在内壁流动，使得模型产生较大误差。

第二个方面，土样采集问题。除了需要采集底部出流水样外，在试验结束后还需要分层采集不同深度的土壤样本。现有的模型大多为一体成型，土柱细长，且只有上端开口，难以采集特定部位的土样；而部分分段式的模型不能再一分为二，这样的设计都难以满足采集土样的要求。

另一个方面，模型重复利用率问题。由于现有的模型没有固定的规格，或者不分段，不能适应多种不同长度或深度的试验，模型重复利用率低。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术中的不足，提供一种组件式垂直饱和土柱污染迁移试验装置，其结构简单，设计合理，系统误差小，取样方便且重复利用率高，便于推广使用。

本发明提出的组件式垂直饱和土柱污染迁移试验装置，包括试验土柱和供水装置2，其中：

所述试验土柱由上部进水组件15、中部装样组件12和下部出水组件11组成，所述上部进水组件15、中部装样组件12和下部出水组件11均自带法兰盘14，中部装样组件12按一定角度错开后连接，通过组装不同数量和规格的中部装样组件12，以满足不同试验要求；

所述供水装置2由马氏瓶1、玻璃管3和橡胶塞4组成，马氏瓶1通过管道连接玻璃管3，玻璃管3从橡胶塞4中间穿过，橡胶塞4与上部进水组件15密闭连接，通过改变马氏瓶高度，提供不同水头的定水头供水条件；

所述上部进水组件15包括外壳、内芯5和透水石6，所述内芯5放置于外壳内，所述外壳底部有排水口7，待测土样装样于中部装样组件15后将所述透水石6放置于土层顶部；所述内芯5包括上部扰流层和下部螺旋混合层，所述上部扰流层包括扰流片5-1和扰流环5-2，所述扰流片5-1为圆盘，所述扰流片5-1和扰流环5-2间隔布置；通过扰流层，改变了水流路径，使柱状水流转化为扩散的面流，束窄的断面增大了平均流速，加强了上部边界溶液的混合；所述下部螺旋混合层为涡轮叶片5-3，水流带动涡轮叶片5-3转动，使上部边界溶液进一步混合；

所述中部装样组件12内间隔布置阻水环8；

所述下部出水组件内置透水石，底部为出水管。

本发明中，所述阻水环8突出内壁2-3mm，坡度为1:3-1:2，间隔30-40mm布置。

本发明中，所述中部装样组件12由若干个弧形管材12-1通过连接件13用螺栓连接拼装而成，所述弧形管材12-1侧边壁开有矩形凹槽12-3，其长100-150mm，宽4-6mm，深2-3mm。

本发明中，上部进水组件15、中部装样组件12及下部出水组件11的法兰盘14处设有环形凹槽12-2，其内径106-108mm，外径114-116mm，所述环形凹槽12-2内放置有橡胶防水垫圈或橡胶防水条。

本发明中，所述下部出水组件11内置20-30mm厚的透水石9，底部的出水管10内径为15-20mm，外径为20-25mm，管长50-60mm。

本发明中，所述上部进水组件15的外壳底部设有排水口7，内径为80-100mm，外径100-120mm，高度150-170mm。

本发明中，所述扰流片5-1为直径50-70mm的圆盘，厚度为4-6mm；所述扰流环5-2外径为80-100mm，内径为30-50mm，厚度为4-6mm。

本发明中，所述下部螺旋混合层厚度为2-5mm的涡轮叶片5-3。

本发明中，所述中部装样组件内径为80-100mm，外径为100-120mm，高度为120-170mm，内壁磨砂处理。

本发明的有益效果：

1、    本发明采用封闭式的供水方式，利用橡胶塞和玻璃管将马氏瓶与上部进水组件密闭连接，形成稳定水头的供水模式。通过调节马氏瓶的高度，可调节水头，为土柱提供较大的水头，加快试验速度，提高效率。

2、    上部进水组件的内芯具有促进上边界溶液均匀混合的功能，通过扰流层使柱状水流转化为扩散的面流，束窄的断面增大了平均流速，再通过螺旋混合层的涡流叶片，水流带动叶片转动，使得溶液得以充分混合，解决了上边界溶液空间分布不均匀的问题。

3、    上部进水组件下端设有排水口，在更换溶液时打开排水口，可将原溶液迅速排出，而后关闭排水口，再加入污染物溶液，可减小误差。

4、    中部装样组件的阻水环配合磨砂处理的设计弱化内壁水流短路的效果，利用阻水环斜面部分的导流作用，可以将近内壁部分的垂向水流引导向土柱中心。间隔布置的阻水环群可以有效地减少水流短路的可能。

5、    本发明组件式的设计，在垂向分段的同时，还可以横向分离，满足了分层采集土壤样本的需求，同时也极大方便了装置的清洗。

6、    中部装样组件具有不同长度型号的标准件，通过组合即可组装成满足不同要求长度的模型，极大地提高单个组件的重复利用率，可进行批量生产，便于大规模推广。

附图说明

图1为本发明总体结构示意图；

图2为本发明上部进水组件结构示意图；

图3为本发明中部装样组件弧形管材结构示意图；

图中标号：1为马氏瓶，2为供水装置，3为玻璃管，4为橡胶塞，5为内芯，5-1扰流片，5-2为扰流环，5-3为涡轮叶片，6为透水石，7为排水口，8为阻流环，9为透水石，10为出水口，11为下部出水组件，12为中部装样组件，12-1为弧形管材，12-2为环形凹槽，12-3为矩形凹槽，13为连接件，14为法兰盘，15为上部进水组件。

具体实施方式

为了使本发明的技术方案更清晰地表现出来，下面结合附图对本发明作进一步的说明。

实施例1：包括试验土柱和供水装置2，所述试验土柱由三类基本组件组装构成，上部进水组件15、中部装样组件12和下部出水组件11，所述三类基本组件自带法兰盘14连接，中部装样组件12按一定角度错开后连接，通过组装不同数量和规格的中部组件12，可基本满足不同试验要求。所述供装置2由马氏瓶1、玻璃管3和橡胶塞4组成，马氏瓶1连接至玻璃管3，玻璃管3从橡胶塞4中间穿过，橡胶塞4与上部进水组件15密闭连接，通过改变马氏瓶1高度，提供不同水头的定水头供水条件。上部进水组件15包括外壳、内芯5和透水石6，所述外壳底部有排水口7，其内径为80-100mm，外径100-120mm，高度150-170mm；所述透水石6待装样后放置于土层顶部。所述内芯5包括上部扰流层和下部螺旋混合层。所述上部扰流层包括扰流片5-1和扰流环5-2。所述扰流片5-1为直径50-70mm的圆盘，厚度为4-6mm；所述扰流环5-2外径80-100mm，内径30-50mm，厚度为4-6mm。所述扰流片5-1和扰流环5-2间隔30-40mm布置。通过上部扰流层改变了水流路径，使柱状水流转化为扩散的面流，束窄的断面增大了平均流速，加强了上部边界溶液的混合。所述下部螺旋混合层厚度为2-5mm的涡轮叶片5-3。水流在经过上部扰流层后，达到初步混合和加速，在水流的作用下，涡轮叶片5-3开始转动，带动水体达到更充分的混合，使得土柱的上边界溶液浓度在空间上均匀分布，减少试验误差。所述中部装样组件12内部间隔布置阻水环8，且中部装样组件12可拆分为两个弧形管材12-1，通过连接件13用螺栓连接。所述中部装样组件12内径为80-100mm，外径为100-120mm，高度为120-170mm，内壁磨砂处理。阻水环以及磨砂处理降低了内壁边界发生水流短路的可能，提高试验质量。所述阻水环8突出内壁2-3mm，坡度为1:3-1:2，间隔30-40mm布置。所述弧形管材12-1侧边壁开有矩形凹槽12-3，长100-150mm，宽4-6mm，深2-3mm；上部及下部法兰盘处有环形凹槽12-2，内径106-108mm，外径114-116mm，凹槽内放置适宜的橡胶防水垫圈（条）。所述下部出水组件内置20-30mm厚透水石9，底部为出水管，内径为15-20mm，外径为20-25mm，管长50-60mm。

参考附图1为本发明的结构示意图。在下部出水组件11内装入适宜的透水石9；在其中一个中部装样组件12的弧形管材12-1的矩形凹槽12-3中装入适宜的橡胶防水垫条，将两个弧形管材12-1通过螺栓在连接件处13完成拼装，得到中部装样组件12，中部装样组件12间错开90度，按照方案所设计的土柱长度，选取不同长度与数量的中部组件12，用螺栓在法兰盘14处将多个不同中部装样组件12组装连接，再将装配好的下部出水组件11与其通过法兰盘14连接（注意法兰盘连接前，在环形凹槽12-2内放置适宜的橡胶止水垫圈），初步形成一个整体。

根据试验方案与目的，按适宜的方式向已拼装好的组合件内填入事先配置好的土样，预留一定空间放置透水石7。然后将上部进水组件15与已组装的组合件通过法兰盘14连接。将该土柱模型放置在适宜的水箱内，由下至上饱水，保证水面不淹没模型顶部，防止水从顶部流入土样。待土柱完全饱水，将模型取出，利用铁架台将其垂直放置。

在马氏瓶中装入纯水，先向上部进水组件15内导入一定量的纯水，待液面可将玻璃管3淹没时，塞紧橡胶塞4，形成局部密闭。在底部出水口10下发放置适宜的装样容器。保持供水一段时间，待底部出水口10流量稳定。

取下马氏瓶，打开排水口6，将上部进水组件内15的纯水排出，而后关闭排水口9，同时将装有污染物溶液的马氏瓶放置在原马氏瓶位置，向上部进水组件15内导入一定量的溶液，待液面可将玻璃管3淹没时，塞紧橡胶塞4。此时试验正式开始，做好相关记录以及水样采集工作（可配合适宜的自动采集设备定时采集水样）。

待试验结束后，将模型逆序拆解，即可完成对试验后土样的分层采集，以及事后清洗工作，方便重复使用。

Claims (9)

1.一种组件式垂直饱和土柱污染迁移试验装置，其特征在于：包括试验土柱和供水装置(2)，其中：

所述试验土柱由上部进水组件(15)、中部装样组件(12)和下部出水组件(11)组成，所述上部进水组件(15)、中部装样组件(12)和下部出水组件(11)均自带法兰盘(14)，中部装样组件(12)按一定角度错开后连接，通过组装不同数量和规格的中部装样组件(12)，以满足不同试验要求；

所述供水装置(2)由马氏瓶(1)、玻璃管(3)和橡胶塞(4)组成，马氏瓶(1)通过管道连接玻璃管(3)，玻璃管(3)从橡胶塞(4)中间穿过，橡胶塞(4)与上部进水组件(15)密闭连接，通过改变马氏瓶高度，提供不同水头的定水头供水条件；

所述上部进水组件(15)包括外壳、内芯(5)和透水石(6)，所述内芯(5)放置于外壳内，所述外壳底部有排水口(7)，待测土样装样于中部装样组件(15)后将所述透水石(6)放置于土层顶部；所述内芯(5)包括上部扰流层和下部螺旋混合层，所述上部扰流层包括扰流片(5-1)和扰流环(5-2)，所述扰流片(5-1)为圆盘，所述扰流片(5-1)和扰流环(5-2)间隔布置；通过扰流层，改变了水流路径，使柱状水流转化为扩散的面流，束窄的断面增大了平均流速，加强了上部边界溶液的混合；所述下部螺旋混合层为涡轮叶片(5-3)，水流带动涡轮叶片(5-3)转动，使上部边界溶液进一步混合；

所述中部装样组件(12)内间隔布置阻水环(8)；

所述下部出水组件内置透水石，底部为出水管。

2.根据权利要求1所述的组件式垂直饱和土柱污染迁移试验装置，其特征在于所述阻水环(8)突出内壁2-3mm，坡度为1:3-1:2，间隔30-40mm布置。

3.根据权利要求1所述的组件式垂直饱和土柱污染迁移试验装置，其特征在于所述中部装样组件(12)由若干个弧形管材(12-1)通过连接件(13)用螺栓连接拼装而成，所述弧形管材(12-1)侧边壁开有矩形凹槽(12-3)，其长100-150mm，宽4-6mm，深2-3mm。

4.根据权利要求1所述的组件式垂直饱和土柱污染迁移试验装置，其特征在于上部进水组件(15)、中部装样组件(12)及下部出水组件(11)的法兰盘(14)处设有环形凹槽(12-2)，其内径106-108mm，外径114-116mm，所述环形凹槽(12-2)内放置有橡胶防水垫圈或橡胶防水条。

5.根据权利要求1所述的组件式垂直饱和土柱污染迁移试验装置，其特征在于所述下部出水组件(11)内置20-30mm厚的透水石(9)，底部的出水管(10)内径为15-20mm，外径为20-25mm，管长50-60mm。

6.根据权利要求1所述的组件式垂直饱和土柱污染迁移试验装置，其特征在于所述上部进水组件(15)的外壳底部设有排水口(7)，内径为80-100mm，外径100-120mm，高度150-170mm。

7.根据权利要求1所述的组件式垂直饱和土柱污染迁移试验装置，其特征在于所述扰流片(5-1)为直径50-70mm的圆盘，厚度为4-6mm；所述扰流环(5-2)外径为80-100mm，内径为30-50mm，厚度为4-6mm。

8.根据权利要求1所述的组件式垂直饱和土柱污染迁移试验装置，其特征在于所述下部螺旋混合层厚度为2-5mm的涡轮叶片(5-3)。

9.根据权利要求1所述的组件式垂直饱和土柱污染迁移试验装置，其特征在于所述中部装样组件内径为80-100mm，外径为100-120mm，高度为120-170mm，内壁磨砂处理。