CN106053297A

CN106053297A - 一种土壤地下水污染物穿透智能化取样及在线监测的实验系统

Info

Publication number: CN106053297A
Application number: CN201610295139.2A
Authority: CN
Inventors: 刘曙光; 代朝猛; 谭博; 周辉; 陶安; 钟桂辉; 娄夏; 顾圣华
Original assignee: Tongji University
Current assignee: Tongji University
Priority date: 2016-05-06
Filing date: 2016-05-06
Publication date: 2016-10-26

Abstract

本发明涉及一种土壤地下水污染物穿透智能化取样及在线监测的实验系统，包括系统控制中心，蠕动泵，集成传感器，电磁振动手柄，填料柱体，部分收集器，在线实时监测系统以及其他连接设备或容器器皿。电脑为控制中心，多通道蠕动泵可控制多条进水软管，填料柱体进出水端均设集成传感器，部分收集器进行定时定数量的样本收集，在线实时监测系统可实现系统关键参数测定。本发明所提供的污染物穿透装置，可模拟饱和或不饱和土壤及地下水中复杂的污染物、胶体、固液相介质间的反应情况、宏观及微观运移机理，并通过实时监测目标溶液穿透填料柱前后的化学及物理性质及穿透后滤出液的关键参数进行定性定量的分析和完成相关图形图表绘制，测定方便易操作。

Description

一种土壤地下水污染物穿透智能化取样及在线监测的实验系统

技术领域

本发明涉及一种土壤地下水污染物穿透智能化取样及在线监测的实验系统，尤其是在复杂的水文地质条件下胶体促使污染物迁移的实验。

背景技术

当前世界，各国都非常重视地下水污染的问题，由于地下水质污染而引起的问题频发。在中国这个问题更为突出，且我国约有70%的人口以地下水为主要饮用水源，因此污染物在地下水中的迁移规律及其影响因素的研究有助于地下水污染情况预测和风险评估以及污染的治理。本发明以此为出发点，通过设计土柱装置进行穿透实验，模拟潜水层中污染物迁移，特别是在胶体影响下的迁移规律，并通过对其滤出液的分析进行数学模拟。

室内污染物穿透实验的物理模型是研究地下水污染物迁移的重要手段，作为物理模拟的主要工具，通过物理模型可以十分直观的观测穿透过程，地下水模拟装置影响着物理模拟研究领域的发展，近年来，国内外涌现了一大批这类的装置，但也存在这一些问题，首先自动型系统装置缺乏，大量人工操作费时费力，环节连接性不强；其次灵活和可控性差，多数相关实验种类单一，装置系统不可量产。本发明通过土柱实验，以可控的溶液类型，可控的填料种类，可控的填料状态，和可控的穿透时的参数设置，完成不同类型污染物的穿透，使实验内容丰富，可控性强，适应范围广，比如模拟研究滨海地区淡水海水交替穿透的实验。

发明内容

为了解决背景技术中所面临的问题，本发明的目的是提供一种土壤地下水污染物穿透智能化取样及在线监测的实验系统。

一种土壤地下水污染物穿透智能化取样及在线监测的实验系统，包括控制中心、多通道蠕动泵、目标溶液、２个传感器、填料柱体、部分收集器、振动手柄和在线实时监测系统，多通道蠕动泵进水口通过软管抽取相应的目标溶液，多通道蠕动泵出水口通过软管连接第一传感器，第一传感器通过软管连接填料柱体，填料柱体部分出水通过软管和第二传感器连接部分收集器，其余部分出水通过软管连接在线实时监测系统，填料柱体设有振动手柄，控制中心分别连接多通道蠕动泵、部分收集器、２个传感器和在线实时监测系统；部分收集器内设有若干个收集管，具体步骤如下：

先将填料柱体与２个传感器、多通道蠕动泵依次连接的一端装好旋紧，置于基座上，控制中心控制蠕动泵以某一流速先抽取初始的目标溶液进入填料柱体，同时向填料柱体中进行人工填料，所述填料为固体颗粒，若需饱和再配合振动手柄进行摇匀；填料柱体两端的有机玻璃盖内侧均安装透水石，防止固体颗粒溢出，外侧有延伸的有机玻璃管便于连接软管；填料完成后，旋紧填料柱体的上盖，填料柱体出水口滤出液穿过第二传感器后，一部分通过软管连接部分收集器，另一部分进入在线实时监测系统；部分收集器对水样进行定时间间隔收集，每个收集管盛放的液体体积可通过蠕动泵流速进行控制，结束后进行人工封存，留待测样。

本发明中，所述控制中心为电脑，通过控制中心可控制与多通道蠕动泵连接的不同软管的开闭、流速、流量和转速等参数，实现对传感器反馈信息的收集、处理和保存。

本发明中，所述多通道蠕动泵进水口并联有N条软管，同时N条软管有N种对应的目标溶液，目标溶液种类根据一次实验的具体实验方案确定，其中N ≥ 1。

本发明中，所述传感器为可拆卸式集成传感器，具体包括压力传感器、电导率传感器和pH传感器等，传感器探头置于软管内部，外部连接控制中心，进行即时记录，便于特性曲线的描绘，同时分析由于填料组分引起的水体特性变化。

本发明中，所述填料柱体为可拆卸式中空有机玻璃柱，包括柱体、有机玻璃盖、有机玻璃管、透水石凹槽和基座，柱体为中空结构，其两端设有有机玻璃盖，有机玻璃盖的截面积大于柱体的截面积，有机玻璃盖的四周分布有6个螺栓孔，有机玻璃盖上设有透水石凹槽，有机玻璃盖的中心位置有中心钻孔，柱体内径尺寸为40-60mm，壁厚为10mm，位于柱体两端的有机玻璃盖对齐螺栓孔后与柱体通过螺栓旋紧，对接部分通过磨砂工艺使之密封；两端的有机玻璃盖厚20mm，中心钻孔内径4-6mm，为便于连接软管，两端中心钻孔均粘连内径4-6mm，壁厚2mm，长30mm的有机玻璃管；两端有机玻璃盖内侧中心切割10mm厚的直径40-60mm的圆柱形空隙，用于安放对应尺寸的透水石，保证填料不堵塞管道。

本发明可模拟饱和与不饱和情形下目标溶液穿透介质微元的物质反应与运移，将地下环境中不宜操作的过程简单化，便于测定污染物的运移，污染物在胶体影响下的运移，和污染物及胶体在不同介质条件和不同目标溶液穿透下的运移规律，且系统集成性强，目标明确，从开始穿透到关键系统参数测定都无需复杂的人为参与，减少误差，结果显著快速，同时封存的样本可以留待检验在线实时监测系统的准确性，双重保证。

本发明中，在线实时监测系统８能直接测定出水口液体的关键参数，集成测定仪器于操作系统，实现粒径，浓度，化学物理性质直接的测定和直观图形图表的绘制。

本发明中，所述振动手柄７可配合进水对填料过程进行摇匀，本步骤可是填料柱体加初始液体时无气泡产生，保证柱体内部饱和。若实验无填料饱和的要求，也可跳过震动摇匀过程。

本发明中，所述部分收集器６通过软管收集穿透柱体后的水样，通过电脑控制开闭，并设置好收集样品的数量以及间隔时间，系统运行过程中，若需要暂停，需要通过保持和蠕动泵的一致暂停。

本发明的有益效果在于:

1、本发明采用组装式结构，便于拆装，易于装填，便于人工控制物理特性。

2、可实现复杂水文地质条件的模拟，有效模拟潜水层中不同污染物在不同溶液穿透下的迁移规律，并能通过传感器实现实时监测，同时不间断收集穿透后的水样，易于分析溶液穿透填料后的组分变化。

3、便于装填和更换介质，根据不同实验要求更换污染物和穿透溶液，实现一体多用。

4、能够精确控制参数，蠕动泵流速、流量，部分收集器的每管收集量、收集时间间隔，传感器反馈的pH值、盐浓度、离子强度，滤出液中胶体粒径浓度，污染物浓度等系统关键参数。

附图说明

图1是一种土壤地下水污染物穿透智能化取样及在线监测的实验系统图；

图2是填料柱体细部结构图。

图中标号：1控制中心（电脑），2多通道蠕动泵，3目标溶液，4传感器，5填料柱体，6部分收集器，7振动手柄，8在线实时监测系统，5-1螺栓孔，5-2柱体（无盖），5-3有机玻璃盖，5-4有机玻璃管，5-5透水石凹槽，5-6中心钻孔，5-7基座。

具体实施方式

下面通过实施例结合附图进一步说明分发明。

实施例1：为运用本发明进行保守溶质的穿透试验，以对本发明的实施效果进行进一步描述。如图1提前将进行穿透的N种溶液配置好，利用软管连接多通道蠕动泵２，多通道蠕动泵２出水口通过软管连接集成的传感器４，再连接已安装好的填料柱体５上，将填料柱体５置于基座上，中下部用振动手柄夹紧，填料柱体５出水口连接集成的传感器４，再通过软管连接部分收集器６，最后所有电力设备（包括多通道蠕动泵２、传感器４和在线实时监测系统８）连接控制中心（电脑）１进行插件安装控制，最后激活电源。填料过程中在振动手柄７和注水运行的状态下，缓慢填入沉积物，其D₁₀=211 μm，D₅₀=378 μm，D₉₀=683 μm，密度ρ=1.72 g/cm³，装填结束后，启动装置，用去离子水配制1%NaCl溶液作为保守的示踪液进行穿透试验，控制达西流速v=8.17 cm/h，穿透持续4.5 h，根据集成传感器的输出结果，利用对流弥散方程计算穿透过程中的各项参数，弥散系数D_L=4.93 cm²/h，弥散度α_L=0.266 cm，佩克莱数Pe=62.74。若在装填过程中不使用本发明的振动手柄和自动注水，在同样的试验条件下，弥散系数D_L=4.69 cm²/h，弥散度α_L=0.253 cm，佩克莱数Pe=66.10。由此可见，在没有使用本发明的振动手柄和自动注水时，填料柱体内的气泡不能除尽，介质中存在气-液交界面，溶质的运移路径减少，介质中出现了更多的无效孔隙，试验中的扩散输运的比例减少，对流输运的比例增大，不能达到真正意义上的饱和运行状态，具有不可控的非饱和因素干扰。

实施例2：为利用本发明进行滨海地区咸淡水交界面饱和情况下，淡水海水交替穿透下的自动污染物穿透及在线实时监测实验与普通实验室人工操作下的节省时间对比。本发明控制中心可实现设备仪器的参数设定，无需人工逐一调试；多通道蠕动泵可节省人工更换目标溶液时间，并实现淡水咸水穿透的无缝切换，减少误差；填料柱体前后均设集成传感器，直接节省人工逐一测定样品pH值、电导率等参数的时间，并实现参数的连续不间断测定，避免了人工测定的间断性和跳跃性；在线实时监测系统直接实现粒径、浓度及各参数随孔隙体积数的变化测定与图形绘制，一步到位，省去人工携带样本进入下一个测定环节的过程。根据样本数量不同，实施例对比结果表明1~50个样本数量可节省约半天时间，50~100样本数量可节省一天时间，100样本数量以上节省数天不等，可见本发明智能度高集成化强，节省人力与时间，且误差来源减少，结果快速且显著。

Claims

1.一种土壤地下水污染物穿透智能化取样及在线监测的实验系统，其特征在于包括控制中心、多通道蠕动泵、目标溶液、２个传感器、填料柱体、部分收集器、振动手柄和在线实时监测系统，多通道蠕动泵进水口通过软管抽取相应的目标溶液，多通道蠕动泵出水口通过软管连接第一传感器，第一传感器通过软管连接填料柱体，填料柱体部分出水通过软管和第二传感器连接部分收集器，其余部分出水通过软管连接在线实时监测系统，填料柱体设有振动手柄，控制中心分别连接多通道蠕动泵、部分收集器、２个传感器和在线实时监测系统；部分收集器内设有若干个收集管，具体步骤如下：

2.根据权利要求１所述的一种土壤地下水污染物穿透智能化取样及在线监测的实验系统，其特征在于所述控制中心为电脑，通过控制中心可控制与多通道蠕动泵连接的不同软管的开闭、流速、流量和转速等参数，实现对传感器反馈信息的收集、处理和保存。

3.根据权利要求１所述的一种土壤地下水污染物穿透智能化取样及在线监测的实验系统，其特征在于所述多通道蠕动泵进水口并联有N条软管，同时N条软管有N种对应的目标溶液，目标溶液种类根据一次实验的具体实验方案确定，其中N ≥ 1。

4.根据权利要求１所述的一种土壤地下水污染物穿透智能化取样及在线监测的实验系统，其特征在于所述传感器为可拆卸式集成传感器，具体包括压力传感器、电导率传感器和pH传感器，传感器探头置于软管内部，外部连接控制中心，进行即时记录，便于特性曲线的描绘，同时分析由于填料组分引起的水体特性变化。

5.根据权利要求１所述的一种土壤地下水污染物穿透智能化取样及在线监测的实验系统，其特征在于所述填料柱体为可拆卸式中空有机玻璃柱，包括柱体、有机玻璃盖、有机玻璃管、透水石凹槽和基座，柱体为中空结构，其两端设有有机玻璃盖，有机玻璃盖的截面积大于柱体的截面积，有机玻璃盖的四周分布有6个螺栓孔，有机玻璃盖上设有透水石凹槽，有机玻璃盖的中心位置有中心钻孔，柱体内径尺寸为40-60mm，壁厚为10mm，位于柱体两端的有机玻璃盖对齐螺栓孔后与柱体通过螺栓旋紧，对接部分通过磨砂工艺使之密封；两端的有机玻璃盖厚20mm，中心钻孔内径4-6mm，为便于连接软管，两端中心钻孔均粘连内径4-6mm，壁厚2mm，长30mm的有机玻璃管；两端有机玻璃盖内侧中心切割10mm厚的直径40-60mm的圆柱形空隙，用于安放对应尺寸的透水石，保证填料不堵塞管道。