CN104483240A - 一种大尺度模拟污染物在含水层垂向迁移的模拟装置 - Google Patents

Abstract

一种大尺度模拟污染物在含水层垂向迁移的模拟装置，包括含水层模拟装置、降雨装置、水位调节装置、真空泵和测压表，根据野外地层的实际情况按照一定的比例缩放填装土样，通过设置污染物的投放装置、土壤样品填装装置、压力检测装置、水样检测装置等来对压力场、水化学场、渗流场等参数进行监测，通过这些参数来观察污染物在地下水含水层的垂向迁移规律。本发明的优点是：该装置可根据野外岩土地层情况按照一定的比例缩放后填装至渗流层内，通过负压层调节渗流层上下两端的水力压力，可模拟降水过程、渗流层介质中的微生物细菌等对污染物在含水层垂向上的迁移的影响，从室内试验的角度有效的揭示野外实际情况中污染物在地层介质中的迁移规律。

Description

一种大尺度模拟污染物在含水层垂向迁移的模拟装置

技术领域

 本发明涉及研究污染物穿透能力的实验装置，特别是一种大尺度模拟污染物在含水层垂向迁移的模拟装置。

背景技术

随着经济的大力发展，环境污染问题日益严重。大量的环境污染物质进入地下水环境之中。污染物并不是直接进入地下水中，而是要通过土壤等多孔介质在垂向上进行迁移，其穿透能力越强则可以进入更深的含水层，从而导致更严重的污染。众所周知自然界中的土壤是可以通过自身的物理、化学以及生物的作用达到降低或消除土壤中的污染物质。土壤通过自身吸附、分解、迁移、转化，而使土壤污染浓度降低而消失。但是这个过程由于受到各种野外实际情况的限制而并不能大规模的开展野外试验。所以通过室内试验研究是解决这类问题的关键。

    目前进行室内研究的手段是通过物理模拟和数值模拟。但是目前物理研究主要集中在室内柱试验上。试验柱子通常是利用1-10cm直径的柱子进行小尺度的研究，影响试验结果的因素太多，其试验结果必然不会太精确。所以要选择一个大尺度的模拟装置提高试验精度。一种大尺度可模拟污染物在含水层垂向迁移的模拟装置能够在一个大的尺度上研究污染物的穿透能力，通过设置的淋滤装置、测验装置、水质监测装置、降雨装置、样品投放装置等设计的部分功能，使得装置能够模拟出在不同条件下污染物在地下水含水层中的迁移过程，从而得出相关的结论。

发明内容

本发明目的在于针对上述存在问题，提供一种大尺度模拟污染物在含水层垂向迁移的模拟装置，该装置可以模拟野外不同的地层土壤介质类型，不同地下水含水层渗流场等条件，研究在不同条件下污染物在含水层垂向上的迁移转化的规律。

本发明的技术方案：

一种大尺度模拟污染物在含水层垂向迁移的模拟装置，包括含水层模拟装置、降雨装置、水位调节装置、真空泵和测压表，含水层模拟装置为带有顶盖的箱体并固定于底座上，箱体上部为矩形体，矩形体上部为蓄水层、下部为渗流层，底部为锥形体，锥形体为负压层，渗流层和负压层之间设有一块包覆有300目纱网的多孔有机玻璃隔板，渗流层中按照野外地层顺序填装试验用土壤或砂石并埋有试验用层状透水陶瓷或球状透水陶瓷，箱体渗流层侧壁上设有81个取样孔并通过设置有于侧壁上的81个直通铜管固定，其中纵向设有间距相同的九列取样孔，每列横向设有间距相同的九个取样孔，每个取样孔直通铜管的外端连接有铜质宝塔和硅胶管，直通铜管的外端与铜质宝塔之间设有200目致密纱网并利用硅胶垫片密封，箱体蓄水层侧壁设有进水口、出水口和蓄水层压力探头，负压层锥侧面设有负压层压力探头和抽气孔，负压层底部设有排水口；降雨装置包括水槽、蠕动泵、三通转换开关、进口玻璃转子流量计、有机玻璃管和进口玻璃转子流量计，蠕动泵进水口通过硅胶管与水槽连接，蠕动泵出水口通过硅胶管与三通转换开关进口连接，三通转换开关的一个出口通过硅胶管与有机玻璃管进口连接并设有进口玻璃转子流量计，另一个出口通过硅胶管与箱体蓄水层的进水口连接，有机玻璃管的出口设有出口玻璃转子流量计，有机玻璃放于含水层模拟装置箱体上；真空泵通过硅胶管与负压层的抽气孔连接；测压表通过导线分别与蓄水层压力探头和负压层压力探头连接。

本发明的优点是：该装置可根据野外岩土地层情况按照一定的比例缩放后填装至渗流层内，通过负压层调节渗流层上下两端的水力压力，也可模拟降水过程、渗流层介质中的微生物细菌等对污染物在含水层垂向上的迁移的影响，从室内试验的角度有效的揭示野外实际情况中污染物在地层介质中的迁移规律。

附图说明

图1为该模拟装置结构示意图。

图2为该模拟装置中降雨装置部分放大示意图。

图3为该模拟装置中取样孔处局部放大示意图。

图中：1.箱体，2.底座，3.多孔有机玻璃隔板， 4.取样孔，5.直通铜管，6.铜质宝塔，7.硅胶管，8.纱网，9.硅胶垫片，10.进水口，11.出水口，

12.蓄水层压力探头，13.负压层压力探，14.抽气孔，15.排水口，16.水槽，

17.蠕动泵，18.三通转换开关，19.进口玻璃转子流量计，20.有机玻璃管，

21.出口玻璃转子流量计，22.真空泵，23.测压表。

具体实施方式

实施例：

一种大尺度模拟污染物在含水层垂向迁移的模拟装置，包括含水层模拟装置、降雨装置、水位调节装置、真空泵和测压表，含水层模拟装置为带有顶盖的箱体1并固定于底座2上，箱体1上部为矩形体，矩形体上部为蓄水层、下部为渗流层，箱体1底部为锥形体，锥形体为负压层，渗流层和负压层之间设有一块包覆有300目纱网的多孔有机玻璃隔板3，渗流层中按照野外地层顺序填装试验用土壤或砂石并埋有试验用层状透水陶瓷或球状透水陶瓷，箱体渗流层侧壁上设有81个取样孔4并通过设置于侧壁上的81个直通铜管5固定，其中纵向设有间距相同的九列取样孔，每列横向设有间距相同的九个取样孔，每个取样孔的直通铜管5的外端连接有铜质宝塔6和硅胶管7，直通铜管5的外端与铜质宝塔6之间设有200目致密纱网8并利用硅胶垫片9密封，箱体蓄水层侧壁设有进水口10、出水口11和蓄水层压力探头12，负压层锥侧面设有负压层压力探头13和抽气孔14，负压层底部设有排水口15；降雨装置包括水槽16、蠕动泵17、三通转换开关18、进口玻璃转子流量计19、有机玻璃管20和出口玻璃转子流量计21，蠕动泵17进口通过硅胶管与水槽16连接，蠕动泵17出口通过硅胶管与三通转换开关18进口连接，三通转换开关18的一个出口通过硅胶管与有机玻璃管20进口连接并设有进口玻璃转子流量计19，另一个出口通过硅胶管与箱体蓄水层的进水口10连接，有机玻璃管20的出口设有出口玻璃转子流量计21，有机玻璃管20设置于含水层模拟装置箱体上；真空泵22通过硅胶管与负压层的抽气孔23连接；测压表24通过导线分别与蓄水层压力探头12和负压层压力探头13连接。

该实施例中，含水层模拟装置的长为50厘米、宽为5厘米、高度为40厘米，采用有机玻璃板制备；前部有机玻璃板上设置的取样孔的直径为0.9厘米，横向孔间距为5厘米,纵向孔间距为3厘米。

本发明的工作机理：

在模拟非降雨过程时，将蓄水层侧壁一端的进水孔与蓄水盒通过硅胶管相连，通过蠕动泵将蓄水盒中的水泵入蓄水层中。通过蓄水层另一端的出水孔处的水位高度调节装置来控制蓄水层中液面的高度。利用蓄水层中侧壁安装的测压装置得出蓄水层水压值大小。在模拟降雨过程时，将降雨装置的进水孔与蓄水盒通过硅胶管相连，通过蠕动泵将蓄水盒中的水泵入降雨装置中，蓄水层的进水口关闭。记录下降雨装置进水处的玻璃转子流量计和出水口处的玻璃转子流量计读数，其差值即为降雨量。控制好降雨量使之不能产生地表径流。

渗流层中填装为了满足试验目的土壤或砂石，按照野外地层顺序填装。当研究面源污染时，将层状透水陶瓷埋入渗流层内；当研究点源污染时，将球状透水陶瓷埋入渗流层内。在试验的进行过程中在渗流层箱体的一侧设置的取样孔直接进行取样。也可以在渗流层箱体的另一侧透明有机玻璃板处利用图像法直接进行拍照。

负压层中通过真空泵将负压层中的空气不断的抽出，通过负压层中的测压装置得出负压层中的实时负压状态，当达到满足试验需要的压力值后真空泵停止工作保持负压层的负压值，与蓄水层中的压力值的差值即为渗流层的压力值。该值可以根据试验研究进行调节。

该模拟装置为了满足污染物在地下水的迁移规律的需要，可以根据实际的地质条件填装介质，可以通过改变压力值来与实际情况相符合。

该模拟装置进行检测的具体步骤如下：

1）检测装置的密封

将装置各个部分连接好后，通过蠕动泵将水样泵入蓄水层中，调节蓄水层出口处的水位调节装置调至最高处缓慢进水。关闭各个出水孔和取样孔，含水层模拟装置内的液面也随着水的注入缓慢升高，直至稳定为止。查看装置有无渗漏现象。

2）装填多孔介质

本装置中装填的多孔介质为经过硝酸、氢氧化钠等酸碱漂洗过的石英砂颗粒，或者为野外取得原状土样经过烘干、碾碎成粉末、过筛等步骤，使得多孔介质的粒径分布在0.1-0.3mm之间。将多孔介质一层一层的加入渗流层中，每加厚度为3cm一层压实后在加下一层，直至装填好整个渗流层。此外按照需模拟研究的需要选择将样品投放装置的球状或者层状多孔陶瓷也埋进渗流层中的相应位置。

3）多孔介质饱水排空气

通过蠕动泵从蓄水层进水孔注入水溶液，按照试验中最小水力压力的要求调节出水孔处的水位调节装置高度并保持恒定，使得蓄水层中的液面高度保持一定。待石英砂层或者原状土样缓慢饱水。

4）形成稳定的流场

    饱水排空气阶段完成后，根据野外监测资料来调节蓄水层中的的水力压力，从安装的压力监测表盘上直接读出压力值。通过真空泵调节负压层的负压值大小，将蓄水层和负压层的压力值得差值即为渗流层中的压力值，这个参数根据野外地下水实际的水压力值的大小调节。在负压层中的出水孔处定期的取样测定流量，待上流量值和压力值等参数稳定后，来确定流场是稳定的。

5）注入环境污染物质

将污染物溶解分散在水溶液中，根据需求配置一定浓度的溶液，用注射器吸取溶液后，将污染溶液的注射器放置在注射器泵上。将注射器的针头通过设置的取样孔中进行注射投放。可以调节注射器泵注射量来实现模拟瞬间投放、点源持续投放等过程。

6）污染迁移检测

将污染物投放之后，按照不同的多孔介质的性质安排恰当的时间进行取样观察，一次取样体积按照检测仪器的最低量的需要来确定，尽量减少对流场的影响，直至取样孔的数据稳定后停止取样。或者通过含水层模拟装置的透明另一侧直接用图像法进行检测。

7）降雨条件模拟

    将降雨装置放置在蓄水层的上方，蠕动泵将蓄水盒中的水泵入降雨装置中，蓄水层的进水口关闭。记录下降雨装置进水处的玻璃转子流量计和出水口处的玻璃转子流量计读数，其差值即为降雨量。控制好降雨量使之不能产生地表径流。其他条件与前面相同。

Claims (1)

1.一种大尺度模拟污染物在含水层垂向迁移的模拟装置，其特征在于：包括含水层模拟装置、降雨装置、水位调节装置、真空泵和测压表，含水层模拟装置为带有顶盖的箱体并固定于底座上，箱体上部为矩形体，矩形体上部为蓄水层、下部为渗流层，底部为锥形体，锥形体为负压层，渗流层和负压层之间设有一块包覆有300目纱网的多孔有机玻璃隔板，渗流层中按照野外地层顺序填装试验用土壤或砂石并埋有试验用层状透水陶瓷或球状透水陶瓷，箱体渗流层侧壁上设有81个取样孔并通过设置有于侧壁上的81个直通铜管固定，其中纵向设有间距相同的九列取样孔，每列横向设有间距相同的九个取样孔，每个取样孔直通铜管的外端连接有铜质宝塔和硅胶管，直通铜管的外端与铜质宝塔之间设有200目致密纱网并利用硅胶垫片密封，箱体蓄水层侧壁设有进水口、出水口和蓄水层压力探头，负压层锥侧面设有负压层压力探头和抽气孔，负压层底部设有排水口；降雨装置包括水槽、蠕动泵、三通转换开关、进口玻璃转子流量计、有机玻璃管和进口玻璃转子流量计，蠕动泵进水口通过硅胶管与水槽连接，蠕动泵出水口通过硅胶管与三通转换开关进口连接，三通转换开关的一个出口通过硅胶管与有机玻璃管进口连接并设有进口玻璃转子流量计，另一个出口通过硅胶管与箱体蓄水层的进水口连接，有机玻璃管的出口设有出口玻璃转子流量计，有机玻璃放于含水层模拟装置箱体上；真空泵通过硅胶管与负压层的抽气孔连接；测压表通过导线分别与蓄水层压力探头和负压层压力探头连接。