CN108508181A - 一种层状包气带模拟试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及模拟试验技术领域，公开了一种层状包气带模拟实验装置及方法。层状包气带模拟试验装置包括设置于基座的柱体和设置于柱体顶端的降雨模拟装置。柱体竖立设置，其包括多个轴向可拆卸连接的筒体。柱体的轴向长度为4‑6m，柱体的侧壁上开设有取样孔。这样在向柱体内填充土壤时，可以从下向上依次在各筒体内填土并组装。层状包气带模拟试验方法即使用上述的装置进行模拟试验，并向内填充多段不同颗粒组成的子土柱。这样填土操作较为容易，而且比较容易控制夯实的效果。并且纵向深度为4‑6m，近于天然土壤覆盖层厚度。降雨模拟装置可以模拟天然降雨条件，更好地还原自然界真实环境，总体来讲模拟试验更加精确。

Description

一种层状包气带模拟试验装置及方法

技术领域

本发明涉及试验技术领域，具体而言，涉及一种层状包气带模拟试验装置及方法。

背景技术

地下水作为水资源的重要组成部分，具有分布广泛，水质好，水量均匀的特点。但随着工业“三废”的排放，化肥和农药的使用，垃圾渗滤液及石油等有机污染物的渗漏，地下水容易被污染。

目前，我国地下水污染呈现出由点到面，由浅到深，由城市到农村的发展趋势，污染范围越来越广，污染程度越来越严重。包气带作为连接地表和潜水含水层的纽带，不仅是污染物污染潜水含水层的必经之地和污染物迁移转化的载体，而且也是地质环境中与人类活动联系最密切的部分。自然界中的土壤，由于地质成因及生物过程等因素的影响，大部分土壤以层状结构存在。研究不同构型层状非饱和带中溶质迁移规律对防治地下水及土壤污染具有重要的实际意义。根据所查阅的文献，野外常见厚3m-5m厚的成都粘土覆盖层。但现有的模拟试验装置以及模拟方法的试验操作难度较高、模拟效果较差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种层状包气带模拟试验装置，其能够方便地进行层状包气带模拟试验，并且模拟效果较好。

本发明的另一目的在于提供一种层状包气带模拟试验方法，其能够方便地进行层状包气带模拟试验，并且模拟效果较好。

本发明的实施例是这样实现的：

一种层状包气带模拟试验装置，其包括：

竖立设置的中空的柱体，柱体包括多个通过法兰盘轴向连接的筒体，多个筒体共同形成柱体的空腔，柱体的轴向长度为4～6m，柱体的侧壁上开设有取样孔；

基座，基座包括一个承载面，柱体的下端设置于承载面上；

设置于柱体顶端的降雨模拟装置，降雨模拟装置包括储水箱，储水箱底部开设有多个连通储水箱内外的降水通道。

在本发明实施例中：

柱体的侧壁上还设置有温度传感器孔、水分传感器孔以及基质势传感器孔，温度传感器孔、水分传感器孔以及基质势传感器孔分别对应设置有温度传感器、水分传感器以及基质势传感器。

在本发明实施例中，降雨模拟装置还包括：

水源箱，水源箱与储水箱通过管线连通，管线上设置有水泵；

其中，储水箱具有进水口和出水口，管线的一端通过进水口连通储水箱。

在本发明实施例中：

层状包气带模拟试验装置还包括用于固定柱体的脚手架。

在本发明实施例中：

层状包气带模拟试验装置包括两个以上的柱体。

本发明提供的一种层状包气带模拟试验方法，其使用上述的层状包气带模拟试验装置进行试验，包括：

在柱体内填土，并在柱体内形成土柱，土柱包括多段具有不同颗粒组成的子土柱，多段子土柱从下至上按照粘粒含量减少、砂粒含量增大的趋势排列；

在储水箱内通入水，利用降雨模拟装置对土柱进行降水。

在本发明实施例中，多段子土柱从下至上排列依次包括：

黏粒含量为20％的第一段；

黏粒含量为15％的第二段；

原装粉质壤土形成的第三段；

砂粒含量为30％的第四段；

砂粒含量为40％的第五段。

在本发明实施例中：

在柱体内填土包括多次填充操作，每次填充操作包括将预设量的待填充土壤填入筒体内并夯实，再将夯实后的土壤表面打毛。

在本发明实施例中，层状包气带模拟试验方法还包括：

在柱体的内壁涂抹防水涂料。

在本发明实施例中：

在向柱体内填土前，先在柱体内的底部铺设第一砂卵保护层；

填土完毕后在土柱的顶部铺设第二砂卵保护层。

本发明实施例的有益效果是：

本发明实施例的层状包气带模拟试验装置包括基座、竖立设置在基座上的中空的柱体以及设置于柱体顶端的降雨模拟装置。柱体包括多个轴向连接的筒体，柱体的轴向长度为4～6m，柱体的侧壁上开设有取样孔。降雨模拟装置包括储水箱，储水箱底部开设有多个连通储水箱内外的降水通道。由于可以依次对筒体进行土壤填充，因此填土操作较为容易，而且比较容易控制夯实的效果。并且纵向深度为4-6m，近于天然土壤覆盖层厚度，能更好地模拟包气带天然地质环境。降雨模拟装置可以模拟天然降雨条件，更好地还原自然界真实环境。

本发明实施例的一种层状包气带模拟试验方法，使用了上述的层状包气带模拟试验装置进行试验，包括在柱体内填土，从而在柱体内形成土柱。土柱包括多段具有不同颗粒组成的子土柱，多段子土柱从下至上按照粘粒含量减少、砂粒含量增大的趋势排列。填土完成后，在储水箱内通入水，利用降雨模拟装置对土柱进行降水。这样不仅可以很好地模拟水盐在空间上的运移规律，还可以通过采样进行溶质运移规律分析，功能综合性强。从尺寸、降雨条件上均能很好地贴合天然地质环境，模拟试验效果好。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例中层状包气带模拟试验装置的示意图；

图2为本发明实施例中筒体的拼接示意图；

图3a为本发明实施例中降雨模拟装置的示意图；

图3b为本发明实施例中降雨模拟装置的底盘示意图；

图4a为本发明实施例中筒体侧面的展开图；

图4b为图4a中的局部IV的放大图；

图5为本发明实施例中基座的示意图；

图6为本发明实施例中各子土柱的分布示意图；

图7a和图7b为本发明实施例中Cr离子在各深度处随时间运移规律图。

图标：100-层状包气带模拟试验装置；110-柱体；112-筒体；114-法兰盘；116-含氟橡胶垫；118-标尺；119a-第一砂卵保护层；119b-第二砂卵保护层；120-降雨模拟装置；122-底盘；124-侧板；124a-进水口；124b-出水口；126-降水通道；128-顶盖；130-取样孔；132-温度传感器孔；134-水分传感器孔；136-基质势传感器孔；140-基座；142-硅胶垫；150-脚手架；210-第一段；220-第二段；230-第三段；240-第四段；250-第五段。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。

图1为本发明实施例中层状包气带模拟试验装置100的示意图。请参照图1，在本发明实施例中，层状包气带模拟试验装置100包括基座140、设置于基座140的柱体110、设置于柱体110顶端的降雨模拟装置120以及用于固定整个柱体110的脚手架150。脚手架150由钢管组合而成，由匹配的钢片和螺丝进行固定，根据实验实际情况加入护栏，空缺处铺满木桥。可将整个装置安装在建筑物附近，与房屋构成一个整体，确保整体装置的稳定性。

为了方便对比，在图1的实施例中，基座140上设置有两个柱体110，可以方便做对比试验。图2为本发明实施例中筒体112的拼接示意图，在图1的基础上，柱体110包括5个中空的筒体112，5个筒体112轴向连接形成一个轴向贯通的空腔，可以用于填土。具体的，为了较好地模拟实际环境，柱体110的总高度可选在4-6m，在图1的实施例中，每个筒体112长1m，因此总长5m。筒体112的内径优选为0.6m，各个筒体112之间通过法兰盘114来连接，在图1实施例的基础上，一个优选的实施例中，法兰盘114内径为600mm，外径为760mm，厚度为3cm，包括12个直径为10mm的螺孔；将上下两个筒体112通过法兰盘114组装在一起，通过带帽螺丝进行紧固，上、下法兰盘114之间垫一层厚度为2mm的含氟橡胶垫116，含氟橡胶垫116上也打有12个直径为10mm的螺孔。在安装时，可以在紧固之后于接缝处涂上硅酮密封胶进行密封。实验准备期间，可以首先填充最下层的筒体112，待填土完毕后再安装第二层筒体112进行填土，以此从下至上安装并填充。

图3a为本发明实施例中降雨模拟装置120的示意图；图3b为本发明实施例中降雨模拟装置120的底盘122示意图。请参照图1至图3b，在本发明实施例中，降雨模拟装置120安装在柱体110的顶端，包括储水箱、水源箱(图中未示出)、管线以及水泵(图中未示出)，水泵通过管线将水源箱中的水输送到储水箱。储水箱底部设置有多个连通储水箱内外的降水通道126，储水箱中的水可以通过降水通道126流出，并撒在柱体110内，良好地模拟了自然降水。具体的，储水箱具有进水口124a和出水口124b，管线的一端通过进水口124a连通储水箱。当水从水源箱输送到储水箱时，可以通过水位高度来控制降雨量，当水位高时，降水量就大；反之亦然。

在本发明实施例中，管线为带阀门的胶管，水泵选为蠕动泵。为了方便控制，阀门可以是电磁阀。储水箱可以包括侧板124、底盘122以及顶盖128。其中筒状的侧板124固定在底盘122之上，用密封胶进行密封；顶盖128放置在侧板124之上，防止溶液的蒸发。在本发明实施例中，降水通道126可以是通过设置于底盘122上的多个注射器针头来形成的。

图4a为本发明实施例中筒体112侧面的展开图；图4b为图4a中局部IV的放大图。在本发明实施例中，柱体110的侧壁上设置有取样孔130、温度传感器孔132、水分传感器孔134以及基质势传感器孔136，温度传感器孔132、水分传感器孔134以及基质势传感器孔136分别对应设置有温度传感器(图中未示出)、水分传感器(图中未示出)以及基质势传感器(图中未示出)。

温度传感器孔132和水分感器孔直径为0.5cm，基质势传感器孔136及取样孔130直径为2cm。由于基质势传感器、水分传感器及土样采集三者之间互相有影响，温度传感器体积较小，且和以上三种传感器之间互不影响，所以，布孔的优选方法是将基质势传感器、水分传感器及取样孔130在空间上的有效距离尽可能的最大化，从而减小三者之间的影响。实验土柱为有机玻璃，加溶液后土体容重增大，土柱受到的应力也会发生变化，为土柱安全考虑，布的孔不宜布置在同一铅垂线上，以免出现弱面而影响柱体110的强度，但同时要保证所布孔的代表性。上下相邻的两个筒体112连接处正负10cm内及上下层土的分界处不易布孔，若在分层处布孔，在打孔时稍微错开其界面处即可。并且传感器温度传感器、水分传感器在土柱填充完毕后插入，而基质势传感器是当湿润锋即将到达安装孔位时才插入。

另外，柱体110的外侧可以沿竖直方向设置标尺118，以方便确定土柱及其发生的一些试验现象的深度坐标。

图5为本发明实施例中基座140的示意图。在图5的实施例中，基座140为钢材制成，基座140的承载面上铺设与两个柱体110对应的硅胶垫142。优选其长宽均为700mm，厚度为2mm，防止夯实填土时产生振动扰动。

本发明的实施例还提供一种层状包气带模拟方法，其使用上述的层状包气带模拟试验装置100进行试验，包括：

S1、在柱体110内填土，并在柱体110内形成土柱。

S2、在储水箱内通入水，利用降雨模拟装置120对土柱进行降水。

S3、采集土柱的信息。

在本发明实施例中，步骤S1可以包括：

S11、在柱体110的内壁涂抹防水涂料。

优选地，在各个筒体112的内壁都刷上凡士林，防止在柱体110内壁上产生优势流。这与前人将柱体110内壁加工打毛有所不同，如此操作方便清洗柱体110，防止污染柱体110，益于重复利用。

S12、土柱的底端铺设30cm厚的第一砂卵保护层119a(见图4a)。

S13、从下至上依次在各个筒体112内填土。每次填土采用两大一小铁锤，三人绕圈进行夯实，达到均匀的压实效果。可以选择的方式是采用多次填充操作，将称取好的土样均匀地导入筒体112中进行夯实，到厚度为5cm时停止(即此次夯实后的土层厚5cm)，将填好的土层上表面打毛，再进行土壤导入，再夯实。一个筒体112填充完成后，再向上加装另一筒体112，依次进行填充直到填完整个土柱。柱体110填充过程中，各层面之间刮毛，可以防形成明显层面，有利于溶液的均匀渗透。

S14、柱体110的上部深度为10cm-17cm处铺设第二砂卵保护层119b(见图4a)，确保土层接受补给的均匀性。

土柱包括多段具有不同颗粒组成的子土柱，多段子土柱从下至上按照粘粒含量减少、砂粒含量增大的趋势排列。图6为本发明实施例中各子土柱的分布示意图。请参照图6，在本实施例中，土柱包括从下至上依次排列的五段子土柱，分别为：

粘粒含量为20％的第一段210；

粘粒含量为15％的第二段220；

原装粉质壤土形成的第三段230；

砂粒含量为30％的第四段240；

砂粒含量为40％的第五段250。

步骤S3中采集土柱的信息可以包括采集温度信息、水分信息等，也可以是取样进行分析。试验取样分析可以是在取样孔130中取少量土壤用烘干法测得含水率，校核水分传感器的数据；也可以是采用自制针头带有过滤的注射器抽取土壤中的溶液，采用离子色谱仪测得特定离子的浓度。

在一个应用本实施例的层状包气带模拟试验方法的模拟试验中，采用5m长度、内径0.6m的柱体110对层状包气带进行模拟试验。该实施例在开展污染物迁移典型试验时，测定的渗透系数为0.19mm/min，根据相似关系换算到土柱为5.52ml/min。实施案采用重铬酸钾作为污染液，设定铬的初始浓度1g/L，从而研究铬在层状壤土中的运移时空分布规律。可以得到纵向剖面上铬离子的运移规律。温度传感器、水分传感器在土柱填充完毕后插入，而基质势传感器是当湿润锋即将到达基质势传感器孔136位置时才插入。

在一个具体实施例中，取样时间以具体湿润锋到达时刻取样孔130开始计时，取样间隔为0.5h、1h、2h、4h、6h、12h、24h、36h、48h、72h，之后每12h取一次直到实验结束。可以得到纵向剖面上铬的运移规律如图7a和图7b。图7a和图7b为本发明实施例中Cr离子在各深度处随时间运移规律图。

综上所述，本发明实施例的层状包气带模拟试验装置包括基座、竖立设置在基座上的中空的柱体以及设置于柱体顶端的降雨模拟装置。柱体包括多个轴向连接的筒体，柱体的轴向长度为4～6m，柱体的侧壁上开设有取样孔。降雨模拟装置包括储水箱，储水箱底部开设有多个连通储水箱内外的降水通道。由于可以依次对筒体进行土壤填充，因此填土操作较为容易，而且比较容易控制夯实的效果。并且纵向深度为4-6m，近于天然土壤覆盖层厚度，能更好地模拟包气带天然地质环境。降雨模拟装置可以模拟天然降雨条件，更好地还原自然界真实环境。

本发明实施例的一种层状包气带模拟试验方法，使用了上述的层状包气带模拟试验装置进行试验，包括在柱体内填土，从而在柱体内形成土柱。土柱包括多段具有不同颗粒组成的子土柱，多段子土柱从下至上按照粘粒含量减少、砂粒含量增大的趋势排列。填土完成后，在储水箱内通入水，利用降雨模拟装置对土柱进行降水。这样不仅可以很好地模拟水盐在空间上的运移规律，还可以通过采样进行溶质运移规律分析，功能综合性强。从尺寸、降雨条件上均能很好地贴合天然地质环境，模拟试验效果好。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种层状包气带模拟试验装置，其特征在于，包括：

竖立设置的中空的柱体，所述柱体包括多个通过法兰盘轴向连接的筒体，多个所述筒体共同形成所述柱体的空腔，所述柱体的轴向长度为4～6m，所述柱体的侧壁上开设有取样孔；

基座，所述基座包括一个承载面，所述柱体的下端设置于所述承载面上；

设置于所述柱体顶端的降雨模拟装置，所述降雨模拟装置包括储水箱，所述储水箱底部开设有多个连通所述储水箱内外的降水通道。

2.根据权利要求1所述的层状包气带模拟试验装置，其特征在于：

所述柱体的侧壁上还设置有温度传感器孔、水分传感器孔以及基质势传感器孔，所述温度传感器孔、所述水分传感器孔以及所述基质势传感器孔分别对应设置有温度传感器、水分传感器以及基质势传感器。

3.根据权利要求1所述的层状包气带模拟试验装置，其特征在于，所述降雨模拟装置还包括：

水源箱，所述水源箱与所述储水箱通过管线连通，所述管线上设置有水泵；

其中，所述储水箱具有进水口和出水口，所述管线的一端通过所述进水口连通所述储水箱。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的层状包气带模拟试验装置，其特征在于：

所述层状包气带模拟试验装置还包括用于固定所述柱体的脚手架。

5.根据权利要求1-3中任一项所述的层状包气带模拟试验装置，其特征在于：

所述层状包气带模拟试验装置包括两个以上的所述柱体。

6.一种层状包气带模拟试验方法，其特征在于，其使用权利要求1-5中任一项所述的层状包气带模拟试验装置进行试验，包括：

在所述柱体内填土，并在所述柱体内形成土柱，所述土柱包括多段具有不同颗粒组成的子土柱，多段所述子土柱从下至上按照粘粒含量减少、砂粒含量增大的趋势排列；

在所述储水箱内通入水，利用所述降雨模拟装置对所述土柱进行降水。

7.根据权利要求6所述的层状包气带模拟试验方法，其特征在于，多段所述子土柱从下至上依次包括：

黏粒含量为20％的第一段；

黏粒含量为15％的第二段；

原装粉质壤土形成的第三段；

砂粒含量为30％的第四段；

砂粒含量为40％的第五段。

8.根据权利要求6所述的层状包气带模拟试验方法，其特征在于：

在所述柱体内填土包括多次填充操作，每次填充操作包括将预设量的待填充土壤填入所述筒体内并夯实，再将夯实后的土壤表面打毛。

9.根据权利要求8所述的层状包气带模拟试验方法，其特征在于，所述层状包气带模拟试验方法还包括：

在所述柱体的内壁涂抹防水涂料。

10.根据权利要求8所述的层状包气带模拟试验方法，其特征在于：在向所述柱体内填土前，先在所述柱体内的底部铺设第一砂卵保护层；填土完毕后在所述土柱的顶部铺设第二砂卵保护层。