CN105910961A - 一种模拟土-水界面重金属迁移转化的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模拟土‑水界面重金属迁移转化的装置及方法，本发明的模拟土‑水界面重金属迁移转化的装置包括供水装置、降雨装置、降雨支架、初期雨水回用装置、堆土箱及堆土箱角度调整与固定机构，所述的供水装置与降雨装置连接，供水装置能够稳压将水输送至降雨装置；降雨装置和初期雨水回用装置分别安装在降雨支架上，初期雨水回用装置位于降雨装置的下方，初期雨水回用装置通过回水管与供水装置的供水池连通；所述的堆土箱通过堆土箱角度调整与固定机构安装在初期雨水回用装置的下方。本发明结构简单，操作方便，能实现对矿区土壤及固体废弃物在降雨作用下重金属迁移转化过程的有效模拟，能保证模拟降雨过程的可靠性和有效性。

Description

一种模拟土-水界面重金属迁移转化的装置及方法

技术领域

本发明属于地质资源与地质工程等技术领域，尤其是涉及一种模拟降雨径流作用下土-水界面重金属迁移转化的装置及方法。

背景技术

近年来，工业化进程的加剧迫使金属矿产资源的开发与利用与日俱增。矿区开发及冶矿流程中，产生大量含有重金属元素的废石、尾矿、废渣等废弃物及冶炼废水，在自然雨水长期淋溶作用下，固体废弃物会释放重金属污染物质，形成土-水界面重金属污染流，从而污染矿区周边的生态土壤、农田土壤及矿区水环境，严重威胁人体健康。

当前，通过实验模拟研究矿区土壤或固体废弃物在雨水作用下的淋滤释放特征主要是以圆柱形土柱淋溶的方法为主，该方法主要模拟研究降雨作用下土壤中污染物质的下渗过程，较少考虑污染物的横向迁移转化及横向迁移对下渗过程的影响，较少开展不同坡面角度、不同废矿组分在不同降雨pH值下的污染物迁移转化过程；同时，现有的模拟降雨系统主要以淋浴喷头为主，降雨的均匀度较难保障，降雨支架为整段的钢制材料，在多次降雨实验中，降雨高度难以改变，从而降雨覆盖面积得不到有效保障。综上，基于降雨系统所带来的误差和土壤填充箱的局限性，现阶段未能真正建立降雨作用下矿区土-水界面重金属横纵向迁移转化的预测模型，从而不能有效地为矿区土壤修复、水环境治理提供参考依据。

鉴于此，开发能综合考虑不同降雨强度、不同降雨历时、不同降雨pH值条件下模拟不同坡面倾角、不同土壤成分、不同废矿组分在降雨作用下土-水界面重金属横纵向迁移转化过程的实验装置及其使用方法，保障模拟降雨过程的可靠性和有效性，是当前开展矿区土壤修复和水环境治理领域亟待解决的关键问题。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种结构简单，操作方便，能实现对矿区土壤及固体废弃物在降雨作用下重金属迁移转化过程的有效模拟，能保证模拟降雨过程的可靠性和有效性的模拟土-水界面重金属迁移转化的装置及方法，本发明还可开展不同降雨强度、不同降雨历时、不同降雨pH值条件下模拟不同坡面倾角、不同土壤成分、不同废矿组分在降雨作用下土-水界面重金属横纵向迁移转化的过程和入渗雨水对不同土壤及废矿组分的淋滤特性研究。

本发明采用的技术方案是：

一种模拟土-水界面重金属迁移转化的装置，包括供水装置、降雨装置、降雨支架、初期雨水回用装置、堆土箱及堆土箱角度调整与固定机构，所述的供水装置与降雨装置连接，供水装置能够稳压将水输送至降雨装置；降雨装置和初期雨水回用装置分别安装在降雨支架上，初期雨水回用装置位于降雨装置的下方，初期雨水回用装置通过回水管与供水装置的供水池连通；所述的堆土箱通过堆土箱角度调整与固定机构安装在初期雨水回用装置的下方；

所述的初期雨水回用装置包括两支撑梁、挡雨布及三角锥形漏斗，所述的两支撑梁平行安装在降雨支架上，挡雨布通过多个滑环安装在两支撑梁上；挡雨布的一端与三角锥形漏斗连接；三角锥形漏斗通过回水管与供水池连通。

上述的模拟土-水界面重金属迁移转化的装置中，所述的供水装置包括供水池、稳压泵及潜水泵，其中所述的潜水泵置于供水池中，通过管道与稳压泵的进水口连接，稳压泵的出水口通过管道与降雨装置连接；稳压泵的出水口与降雨装置连接的管道上设有控制开关、压力计和流量计。

上述的模拟土-水界面重金属迁移转化的装置中，所述的降雨装置包括承载钢管和多个降雨喷头，降雨喷头安装在承载钢管上，喷嘴朝下；承载钢管安装在降雨支架上。

上述的模拟土-水界面重金属迁移转化的装置中，所述的降雨支架包括四根支腿及矩形钢架，矩形钢架安装在四根支腿的顶部；所述的支腿包括钢杆、钢管及紧定螺钉；所述的钢杆插装在钢管内，通过紧定螺钉在钢管内定位。

上述的模拟土-水界面重金属迁移转化的装置中，所述的钢杆上设有刻度。

上述的模拟土-水界面重金属迁移转化的装置中，所述的堆土箱包括箱体、长方体形框架及水样收集管，箱体置于框架内，箱体与框架之间设有橡胶垫；所述的箱体的一端面上设有雨水溢流口和多个水样收集孔；箱体的一侧面和底面上分别设有多个水样收集孔；箱体侧面上的水样收集孔通过水样收集管与水样收集瓶连接。

上述的模拟土-水界面重金属迁移转化的装置中， 所述的堆土箱角度调整与固定机构包括电动液压千斤顶、固定三角支架装置、可移动支撑模块和角度测量装置，电动液压千斤顶与框架的一端接触，所述的固定三角支架装置与框架底部铰接，所述的可移动支撑模块由多块混凝土块叠加组成，支撑在框架的另一端；所述的角度测量装置安装在箱体前侧面上。

一种模拟土-水界面重金属迁移转化的方法，包括以下步骤：

1）搭建土-水界面重金属迁移转化的装置；

2）用堆土箱角度调整与固定机构调整堆土箱角度并固定，对可伸缩的钢质立管手动确定降雨高度，手动调节降雨喷头个数与位置以保证降雨面积；在堆土箱内填充土壤或固体废弃物；

3）开始初期降雨，展开挡雨布使得初期的雨水通过雨水回用装置汇入供水池中，待降雨均匀后，调节滑环将挡雨布滑至一边，开始模拟降雨试验；

4）通过水样收集瓶收集水样，取样检测重金属浓度，记录数据；

5）清空堆土箱并清洗；更换箱体中填充物，或手动调整降雨高度与喷头个数，或调整堆土箱角度后，重复步骤3）和步骤4），整理记录数据并分析结果，形成实验报告。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明能够轻松地更换箱体填充物，能够有效控制降雨强度、降雨历时、降雨pH值，能够手动调整降雨高度和手动调整喷头数量以控制降雨面积，能够调整堆土箱至任意角度并固定，能够通过不同位置止水夹的启闭来研究不同的迁移过程，能够有效回用模拟降雨初期降雨强度不均时的雨水，本发明装置操作简单，材料常见易得，装置组装拆卸方便，实现了对矿区土壤及固体废弃物在降雨作用下重金属迁移转化过程的有效模拟。

本发明可开展不同降雨强度、不同降雨历时、不同降雨pH值条件下模拟不同坡面倾角、不同土壤成分、不同废矿组分在降雨作用下土-水界面重金属横纵向迁移转化的过程和入渗雨水对不同土壤及废矿组分的淋滤特性研究的实验装置及其使用方法，有利于揭示在降雨作用下矿区环境地质灾害形成机理、矿区重金属的迁移转化机理、矿区水环境污染的来源构成，给研究修复大面积矿区土壤和水环境污染工作带来方便。

附图说明

图1为本发明的模拟土-水界面重金属迁移转化的装置的立体示意图。

图2为本发明的模拟土-水界面重金属迁移转化的装置的结构平面图。

图3为本发明的模拟土-水界面重金属迁移转化的装置的降雨装置立体示意图。

图4为本发明的模拟土-水界面重金属迁移转化的装置的堆土箱立体示意图。

图5为本发明的模拟土-水界面重金属迁移转化的装置的堆土箱底部角钢布置示意图。

图6为本发明的模拟土-水界面重金属迁移转化的装置的堆土箱前侧面的水样收集孔的布置示意图。

图7为本发明的模拟土-水界面重金属迁移转化的装置的堆土箱右端面的水样收集孔的布置示意图。

图8为本发明的模拟土-水界面重金属迁移转化的装置的堆土箱底面的水样收集孔的布置示意图。

图9为本发明的模拟土-水界面重金属迁移转化的方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，本发明包括供水装置1、降雨装置2、降雨支架4、初期雨水回用装置4、堆土箱5及堆土箱角度调整与固定机构6，所述的供水装置1与降雨装置2连接，供水装置1能够稳压将水输送至降雨装置2；降雨装置2和初期雨水回用装置4分别安装在降雨支架3上，初期雨水回用装置4位于降雨装置2的下方，初期雨水回用装置4通过回水管与供水装置1的供水池连通；所述的堆土箱5通过堆土箱角度调整与固定机构6安装在初期雨水回用装置4的下方。

如图2、图3所示，所述的供水装置1包括所述的供水装置包括供水池1-1、稳压泵1-3、控制开关1-4、压力计1-5、流量计1-6及潜水泵1-7，所述的潜水泵1-7放于供水池1-1内部，通过管道1-2与稳压泵1-3的进水口连接，稳压泵1-3的出水口通过管道与降雨装置2连接；稳压泵1-3的出水口降雨装置2连接的管道上设有控制开关1-4、压力计1-5和流量计1-6。通过酸碱调节水中pH值以模拟不同的降雨pH值。

如图2、图3所示，所述的降雨装置2包括承载钢管2-1和多个降雨喷头2-2，所述的降雨喷头2-2安装在承载钢管2-1的下部，喷嘴朝下。承载钢管2-1安装在降雨支架上。手动增减降雨喷头2-2的数量或调整承载喷头的承载钢管2-1数量或承载钢管2-1之间的间距以达到所需的降雨面积和降雨强度，从而保障降雨可靠性和有效性。

如图2、图3所示，所述的降雨支架3包括四根支腿及矩形钢架3-4，矩形钢架3-4安装在四根支腿的顶部。所述的支腿包括钢杆3-1、钢管3-3及紧定螺钉3-2；所述的钢杆3-1插装在钢管3-3内，通过紧定螺钉3-2在钢管3-3内定位。钢杆3-1在钢管3-3内的位置可以调节，以调节矩形钢架3-4的高度，进而调节降雨高度。

如图2、图3所示，所述的初期雨水回用装置4包括两支撑梁4-1、挡雨布4-2及三角锥形漏斗4-4，所述的两支撑梁4-1平行安装在降雨支架3上，挡雨布4-2通过多个滑环4-3安装在两支撑梁4-1上；挡雨布4-2的一端与三角锥形漏斗4-4连接；三角锥形漏斗4-4通过回水管4-6与供水池1-1连通。挡雨布4-2采用的防水尼龙布制成。

如图1、图2、图4所示，所述的堆土箱5包括箱体5-1、长方体形框架5-4及水样收集管5-6，箱体5-1置于框架5-4内，箱体5-1与框架5-4之间设有橡胶垫5-5；所述的箱体5-1的一端面上设有两个雨水溢流口5-2和4行3列的水样收集孔。如图7所示，所述的4行3列的水样收集孔，竖向看，第1列和第5列分别距端面的边缘20cm，第1列与第2列、第2列与第3列之间的间距均为40cm；横向看，第1行距端面的顶边12cm，第4行距端面的的底边3cm，第1行与第2行、第2行与第3行、第3行与第4行的行间距均为15cm。

如图6所示，箱体5-1的前侧面设有4行5列20个水样收集孔，竖向看，第1列和第5列距前侧面的边缘均为20cm，第1列与第2列、第2列与第3列、第3列与第4列、第4列与第5列之间的间距均为40cm；横向看，第1行距前侧面的顶边12cm，第4行距前侧面的底边3cm，第1行与第2行、第2行与第3行、第3行与第4行之间的间距均为15cm。前侧面上的第4行水样收集孔通过水样收集管与水样收集瓶连接；水样收集管采用的软管，水样收集管上设有止水夹5-8。

如图8所示，箱体5-1的底面上设有3行5列水样收集孔；竖向看，第1列和第5列距箱体5-1底面的边缘均为20cm，第1列与第2列、第2列与第3列、第3列与第4列、第4列与第5列之间的间距均为40cm；横向看，第1行和第4行距底面的边缘均为20cm，第1行与第2行、第2行与第3行之间的间距均为40cm。所采用的堆土箱长为2m，宽为1.2m，高为0.6m，箱体材料为有机钢化玻璃材质。

如图1、图2、图4、图5所示，所述的堆土箱角度调整与固定机构6包括电动液压千斤顶6-1、固定三角支架装置6-2、可移动支撑模块6-3及角度测量装置6-4；所述的电动液压千斤顶6-1与框架5-4的一端相接触，用于调节箱体5-1该端的高度。所述的固定三角支架装置6-2与，钢管与框架5-4铰接，所述的可移动支撑模块6-3由多块混凝土块叠加组成，可以通过增减混凝土块增减其高度，可移动支撑模块6-3支撑在框架5-4的另一端。所述的角度测量装置6-4安装在箱体5-1的前侧面上，带有刻度盘和指针，用于测量箱体5-1的倾角。

一种利用上述的模拟土-水界面重金属迁移转化装置的模拟土-水界面重金属迁移转化的方法，包括以下步骤：

1）搭建模拟土-水界面重金属迁移转化的装置。

2）手动确定降雨高度，手动调节降雨喷头2-2个数与位置以保证降雨面积；并调整堆土箱角度、固定后，在堆土箱5内填充所研究的土壤或固体废弃物。

在本发明实施例中，支腿采用的2m的钢杆3-1和2m的钢管3-3通过紧定螺钉3-2连接；实心钢杆带有精密刻度，可量化降雨高度以保障最有效降雨面积，所采用的顶部喷头为HH型方形喷头，手动增减顶部喷头2-2个数与调节喷头2-2位置，从而保证降雨面积达到98%以上。

所采用的堆土箱长为2m，宽为1.2m，高为0.6m，先用固定三角支架装置6-2和可移动支撑模块6-3将箱体5-1架起来，而后再用电动液压千斤顶6-1缓慢调节箱体5-1一端高度，使箱体5-1达到所需的倾角，用箱体前侧面上的角度测量装置6-4测量倾角，由于自然状态下堆体自然安息角的存在，本发明实施例中所采用的坡角梯度为0度（平放状态）、10度、20度、30度、40度。

3）展开防水尼龙布材质挡雨布4-2，开始初期降雨，通过初期雨水回用装置4将雨水汇入供水池1-1；待降雨均匀后，调节钢质圆环4-3将挡雨布4-2滑至一边，开始模拟降雨试验。

以湖南省娄底市冷水江锑矿堆放区及周边土壤研究为例，查阅当地气象资料可知：当地多年平均降水量1416.5mm，平均每月降水118mm，根据Q=αAh（其中：Q为模拟降雨加入量；α为径流损失系数，此处取0.7；A为箱体底面积；h为月平均降雨量）计算模拟降雨量；通过潜水泵1-7、稳压泵1-3、控制开关1-4、压力计1-5组合控制降雨强度，通过控制开关（1-4）、流量计1-6组合控制降雨历时，模拟降雨pH值利用纯水加混合酸（硫酸：硝酸为3：1）配置，本发明实施例中pH梯度为3、5、6、7、8用于模拟酸雨强度。

选取四大类有代表性的固体为研究对象（尾矿砂、冶炼渣、采矿废石、矿区农田土壤），考虑到堆放区面积大、废弃物堆体多，将采样点均分为几个小区，将采样点平均分配到每个区域内部，采用棋盘式采样方法，根据固体粒径、废弃物种类等影响因素将堆土箱5中填充物分成多组进行多次试验。待堆土箱5填充完毕后，展开防水尼龙布材质挡雨布4-2，开始初期降雨，降雨初期由于管中压力不均和气压干扰等因素导致降雨不均匀，为了减少实验误差和节约雨水，挡雨布4-2能够将初期雨水通过雨水回用装置4的三角漏斗4-4汇入供水池1-1以达到雨水回用的目的，还避免了因雨水外溅而造成的不卫生情况。降雨前后，用扫描电镜放大4000倍进行分析淋溶之后的样品，研究不同pH值对研究对象的影响。

4）通过堆土箱5的水样收集瓶5-7收集小体积水样取样检测重金属浓度，记录数据。由既定实验方案有选择的开启不同位置的水样收集瓶5-7的止水夹5-8，依据《水和废水监测分析方法》（第四版）（中国科学出版社，2002年）中锑离子检测方法（低浓度锑，采用原子荧光分光光度计；高浓度锑，采用原子吸收分光光度计），来研究重金属锑的下渗转化过程、横向迁移转化过程、三维立体迁移转化过程。

5）清空堆土箱5并清洗，返回至步骤2），更换箱体中填充物，或手动调整降雨高度与喷头个数以控制降雨面积，或调整堆土箱5角度并固定，重复步骤3）和步骤4），以开展不同降雨强度、不同降雨历时、不同降雨pH值条件下模拟不同坡面倾角、不同土壤成分、不同废矿组分在降雨作用下土-水界面重金属横纵向迁移转化过程和雨水入渗对不同土壤及固体废弃物组分的淋滤特性研究，整理记录数据并分析结果，形成实验报告。

以湖南省娄底市冷水江锑矿堆放区及周边土壤的研究为例，通过开展不同降雨强度、不同降雨历时、不同降雨pH值条件下模拟不同坡面倾角、不同土壤成分、不同废矿组分在降雨作用下土-水界面重金属锑横纵向迁移转化过程，建立了锑矿堆放区土-水界面重金属锑的迁移转化模型及重金属锑的淋溶释放动力学方程，通过计算机软件进行大数据分许，得出了重金属锑迁移转化的机理并建了矿区重金属迁移转化模型。

Claims (8)

1.一种模拟土-水界面重金属迁移转化的装置，其特征是：包括供水装置、降雨装置、降雨支架、初期雨水回用装置、堆土箱及堆土箱角度调整与固定机构，所述的供水装置与降雨装置连接，供水装置能够稳压将水输送至降雨装置；降雨装置和初期雨水回用装置分别安装在降雨支架上，初期雨水回用装置位于降雨装置的下方，初期雨水回用装置通过回水管与供水装置的供水池连通；所述的堆土箱通过堆土箱角度调整与固定机构安装在初期雨水回用装置的下方；

所述的初期雨水回用装置包括两支撑梁、挡雨布及三角锥形漏斗，所述的两支撑梁平行安装在降雨支架上，挡雨布通过多个滑环安装在两支撑梁上；挡雨布的一端与三角锥形漏斗连接；三角锥形漏斗通过回水管与供水池连通。

2.根据权利要求1所述的模拟土-水界面重金属迁移转化的装置，其特征是：所述的供水装置包括供水池、稳压泵及潜水泵，其中所述的潜水泵置于供水池中，通过管道与稳压泵的进水口连接，稳压泵的出水口通过管道与降雨装置连接；稳压泵的出水口与降雨装置连接的管道上设有控制开关、压力计和流量计。

3.根据权利要求1所述的模拟土-水界面重金属迁移转化的装置，其特征是：所述的降雨装置包括承载钢管和多个降雨喷头，降雨喷头安装在承载钢管上，喷嘴朝下；承载钢管安装在降雨支架上。

4.根据权利要求1所述的模拟土-水界面重金属迁移转化的装置，其特征是：所述的降雨支架包括四根支腿及矩形钢架，矩形钢架安装在四根支腿的顶部；所述的支腿包括钢杆、钢管及紧定螺钉；所述的钢杆插装在钢管内，通过紧定螺钉在钢管内定位。

5.根据权利要求4所述的模拟土-水界面重金属迁移转化的装置，其特征是：所述的钢杆上设有刻度。

6.根据权利要求1所述的模拟土-水界面重金属迁移转化的装置，其特征是：所述的堆土箱包括箱体、长方体形框架及水样收集管，箱体置于框架内，箱体与框架之间设有橡胶垫；所述的箱体的一端面上设有雨水溢流口和多个水样收集孔；箱体的一侧面和底面上分别设有多个水样收集孔；箱体侧面上的水样收集孔通过水样收集管与水样收集瓶连接。

7.根据权利要求1所述的模拟土-水界面重金属迁移转化的装置，其特征是： 所述的堆土箱角度调整与固定机构包括电动液压千斤顶、固定三角支架装置、可移动支撑模块和角度测量装置，电动液压千斤顶与框架的一端接触，所述的固定三角支架装置与框架底部铰接，所述的可移动支撑模块由多块混凝土块叠加组成，支撑在框架的另一端；所述的角度测量装置安装在箱体前侧面上。

8.一种模拟土-水界面重金属迁移转化的方法，包括以下步骤：

1）搭建土-水界面重金属迁移转化的装置；

2）用堆土箱角度调整与固定机构调整堆土箱角度并固定，对可伸缩的钢质立管手动确定降雨高度，手动调节降雨喷头个数与位置以保证降雨面积；在堆土箱内填充土壤或固体废弃物；

3）开始初期降雨，展开挡雨布使得初期的雨水通过雨水回用装置汇入供水池中，待降雨均匀后，调节滑环将挡雨布滑至一边，开始模拟降雨试验；

4）通过水样收集瓶收集水样，取样检测重金属浓度，记录数据；

5）清空堆土箱并清洗；更换箱体中填充物，或手动调整降雨高度与喷头个数，或调整堆土箱角度后，重复步骤3）和步骤4），整理记录数据并分析结果，形成实验报告。