CN109187286A - 模拟土壤干湿交替状况下污染物迁移规律的装置及其模拟方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种模拟土壤干湿交替状况下污染物迁移规律的装置，包括支撑平台、支撑平台上安装有干湿交替控制系统、污染物迁移实验柱、土壤间隙水采集系统、渗漏液收集系统；污染物迁移实验柱与干湿交替控制系统的顶部水箱形成U形连通器结构，污染物迁移实验柱通过螺纹连接装置和渗漏液收集系统的柱形渗漏液过滤装置固定连接；干湿交替控制系统还包括底部电动折叠式升降装置；土壤间隙水采集系统由土壤间隙水采集管和间隙水收集器组成；渗漏液收集系统还包括渗漏液收集器。本发明还公开了上述装置的模拟方法。本发明通过调节干湿交替控制系统上升、下降的高度和频率，能有效模拟干湿交替状况下污染物的迁移规律。
Description
技术领域
本发明涉及一种污染物迁移规律的实验模拟装置，属于环境保护领域，具体涉及一种模拟土壤干湿交替状况下污染物迁移规律的装置及其模拟方法。
背景技术
近年来，我国经济快速发展，但在发展经济的同时，大量污染物随工业污水、生活污水排入各类水环境系统中，对生态环境和人类健康造成潜在威胁。因此，探究污染物的迁移转化规律，可为污染物控制及生态环境的治理提供有力的科学依据。潮滩、湖岸、湿地、稻田等水环境系统普遍存在上覆水周期性落干与淹没的干湿交替过程，导致系统中污染物的迁移转化过程更加复杂。目前，研究此类干湿交替过程中污染物迁移规律的装置仍不成熟。
现有的一些实验装置多数较为简易，还存在许多不足，如：无法很好的模拟干湿交替状况下的污染物迁移转化行为；不能准确分层取土样；取间隙水样时，取样过程会受到边壁效应的影响；无法实现操作的自动化，渗漏液中污染物的收集不够准确等缺点。
发明内容
本发明的目的就在于克服上述缺陷，研制一种模拟土壤干湿交替状况下污染物迁移规律的装置及其模拟方法，本模拟装置利用连通器原理，通过调节干湿交替控制系统上升、下降的高度和频率来实现污染物迁移实验柱中土壤上覆水层的高度和干湿交替频率，能有效模拟干湿交替状况下污染物的迁移规律，针对亲水性/疏水性污染物，柱形渗漏液过滤装置内分别填充有聚丙烯填料/惰性高铝球，有利于污染物的准确收集。
为实现上述目的，本发明的一种模拟干湿交替状况下污染物迁移规律的装置，其主要技术特征在于包括干湿交替控制系统、污染物迁移实验柱、土壤间隙水采集系统、渗漏液收集系统、螺纹连接装置、软管连接装置、支撑平台，所述干湿交替控制系统置于支撑平台上，干湿交替控制系统上部是供水水箱，下部是电动折叠式升降装置，供水水箱置于升降装置的顶层平台上，所述污染物迁移实验柱置于支撑平台上，通过橡胶软管与干湿交替控制系统顶部水箱相连，底部通过螺纹连接装置与渗漏液收集系统连接，所述土壤间隙水采集系统包括多个土壤间隙水采集管和土壤间隙水收集器，土壤间隙水收集器置于土壤间隙水采集管底部下方，所述渗漏液收集系统包括柱形渗漏液过滤装置和渗漏液收集器，渗漏液收集器与柱形渗漏液过滤装置右侧底部的第三阀门相连，所述电动折叠式升降装置底部设有操作按钮，通过控制操作按钮可自动控制干湿交替控制平台的升降高度和升降频率，所述多个土壤间隙水采集管插放于污染物迁移实验柱内土壤中，底部穿过污染物迁移实验柱和柱形渗漏液过滤装置，其顶部密封，底部设有尖头出水口，侧壁在不同高度处开设有间隙水进水口，并用纱布将其包裹。
作为优选，所述干湿交替控制系统置于支撑平台上，由水箱和电动折叠式升降装置组成，水箱置于电动折叠式升降装置的顶层平台上，上部水箱为聚甲基丙烯酸甲酯材质，电动折叠式升降装置为不锈钢材质。
作为优选，所述污染物迁移实验柱上标有刻度，右侧垂向每间距5 cm均匀分布有柱式取样口，柱式取样口用于取土样，污染物迁移实验柱上下均为开口设计，底部出口处固定有一个圆形筛孔板，所述圆形筛孔板的半径为25cm，厚度为1cm，污染物迁移实验柱右侧水土界面处设有第二阀门，通过橡胶软管与干湿交替控制系统的顶部水箱相连，底部通过螺纹连接装置与柱形渗漏液过滤装置固定连接，污染物迁移实验柱内壁设有螺纹结构，可有效防止短流现象。
作为优选，所述土壤间隙水采集系统包括土壤间隙水采集管和土壤间隙水收集器，多个土壤间隙水采集管插放于污染物迁移实验柱内土壤中，底部穿过污染物迁移实验柱和柱形渗漏液过滤装置，顶部密封，底部设有尖头出水口，侧壁根据实际情况在不同高度处开设有间隙水进水口，并用纱布将其包裹防止土壤进入致使间隙水进水口堵塞，土壤间隙水收集器置于土壤间隙水采集管正下方，土壤间隙水收集器内部设有多个收集孔，内部收集孔所处位置与土壤间隙水采集管位置一一对应。
作为优选，所述渗漏液收集系统包括柱形渗漏液过滤装置和渗漏液收集器，柱形渗漏液过滤装置底部布有多个小孔，小孔直径比土壤间隙水采集管直径略大以供间隙水采集管穿过，针对亲水性污染物，柱形渗漏液过滤装置内填充聚丙烯填料，填充的空隙率为1:8，针对疏水性污染物，柱形渗漏液过滤装置内填充惰性高铝球，填充的空隙率为1:9，柱形渗漏液过滤装置右侧底部设有第三阀门与渗漏液收集器相连，每个渗漏液收集器的容积为500 mL。
模拟土壤干湿交替状况下污染物迁移规律的方法，其特征在于：采用上述的模拟土壤干湿交替状况下污染物迁移规律的装置，包括以下步骤：
第一步，向水箱中注水：将受污水体通过虹吸作用缓慢注入干湿交替控制系统的顶部水箱内；
第二步，插入土壤间隙水采集管：把土壤间隙水采集管穿过柱形渗漏液过滤装置底部所设的小孔，小孔周围垫有橡胶垫防止柱形渗漏液过滤装置底部漏水；
第三步，向柱形渗漏液过滤装置内填充填料：针对亲水性污染物，向柱形渗漏液过滤装置内填充聚丙烯填料，填充的空隙率为1:8；针对疏水性污染物，向柱形渗漏液过滤装置内填充有惰性高铝球，填充的空隙率为1:9；
第四步，装入实验所需的均质化土样：将用于实验的土样均质化后，均匀地铺填入污染物迁移实验柱中；
第五步，调节土壤上覆水层高度及干湿交替频率：通过控制干湿交替控制系统底部的操作按钮可自动控制顶部水箱的升降高度和升降频率；通过控制水箱的升降高度实现上覆水层高度上下限的变化，通过控制水箱的升降频率来实现土壤干湿交替频率的变化；
第六步，土样、间隙水样的取样和测试：在干湿交替实验过程中，土样可从污染物迁移实验柱右侧垂向的柱式取样口分层取出，间隙水样可从土壤间隙水采集管底部用土壤间隙水收集器收集；所有取样操作均可在不同时间节点内进行，随后检测并分析污染物在土样和间隙水样中的浓度和含量；
第七步，深层渗漏液的取样和测试：在干湿交替实验过程中，用渗漏液收集器收集从柱形渗漏液过滤装置右侧第三阀门处流出的深层渗漏液，随后检测并分析深层渗漏液中污染物的浓度和含量。
本发明的优点和效果：
第一，本发明“模拟土壤干湿交替状况下污染物迁移规律的装置”可通过调节干湿交替控制系统上升、下降的高度和频率来自动实现污染物迁移实验柱中上覆水层的高度和土壤的干湿交替频率；
第二，污染物迁移实验柱可以分层取土样；根据实际情况，设置多根土壤间隙水采集管，不同土壤间隙水采集管侧壁根据实际情况的不同在不同高度处开设有间隙水进水口，可实现分层取间隙水样，利用土壤间隙水采集管采集土壤间隙水的方法可有效消除边壁效应；
第三，针对亲水性/疏水性污染物，柱形渗漏液过滤装置内分别填充有聚丙烯填料/惰性高铝球，极大地减少了渗漏液中污染物在下渗过程中由于吸附作用造成的损失，有利于渗漏液中污染物的准确收集；
第四，本装置实用性强，操作简单，结构紧凑，成本低，且各环境因素：如温度、光照等实验因素可控，因而，具有很好的推广使用价值。
附图说明
附图1——本发明结构原理示意图。
附图2——附图1中土壤间隙水采集管示意图。
图中各标号对应的部件名称如下：
1 水箱，2 电动折叠式升降装置，3 操作按钮，4 水箱刻度线，5 第一阀门，6 软管连接装置，7 第二阀门，8 污染物迁移实验柱，9 土壤间隙水采集管，10 间隙水进水口，11 柱式取样口，12 土壤间隙水收集器，13 土壤间隙水收集孔，14 柱形渗漏液过滤装置，15 第三阀门，16 渗漏液收集器，17 螺纹连接装置，18 支撑平台，19 万向轮。
具体实施方式
本发明提供一种模拟土壤干湿交替状况下污染物迁移规律的装置。干湿交替控制系统顶部水箱通过橡胶软管和污染物迁移实验柱相连接，形成一个连通器。本模拟装置利用连通器原理，通过控制干湿交替控制系统的升降高度和升降频率来自动控制污染物迁移实验柱中上覆水层的高度和土壤的干湿交替频率，达到模拟干湿交替状况下污染物迁移规律的目的。利用土壤间隙水采集管采集土壤间隙水样、在污染物迁移实验柱不同高度处的柱式取样口分层取土样、利用柱形渗漏液过滤装置收集深层渗漏液，通过分析这些所取样品，进一步确定污染物在上覆水层、土壤、间隙水中的时空分异特征及响应机制。
下面结合附图对本发明做更进一步的说明。
如图1所示，本发明的模拟土壤干湿交替状况下污染物迁移规律的装置，包括水箱1、电动折叠式升降装置2、污染物迁移实验柱8、土壤间隙水采集管9、土壤间隙水收集器12、柱形渗漏液过滤装置14、渗漏液收集器16、软管连接装置6、螺纹连接装置17、支撑平台18。所述水箱1置于电动折叠式升降装置2的顶层平台上，电动折叠式升降装置2底部设有操作按钮3，水箱1左侧底部设有第一阀门5，通过软管连接装置6和污染物迁移实验柱8相连，形成U形连通器结构。通过控制操作按钮3可以控制水箱1的升降高度以及升降频率，从而自动控制污染物迁移实验柱8中上覆水层的高度和土壤的干湿交替频率，达到有效模拟干湿交替状况下污染物迁移规律的目的。
在本发明中，所述污染物迁移实验柱8右侧垂向每间距5 cm均匀分布有柱式取样口11，通过在污染物迁移实验柱8不同高度处分层取土样，进一步确定污染物在土壤中的时空分布特征及规律；污染物迁移实验柱8上下均为开口设计，右侧水土界面处设有第二阀门7，通过橡胶软管6与水箱1左侧底部所设第一阀门5相连，底部通过螺纹连接装置17与柱形渗漏液过滤装置14固定连接，污染物迁移实验柱8内壁设有螺纹结构，可有效防止短流现象。
在本发明中，所述土壤间隙水采集系统包括土壤间隙水采集管9和土壤间隙水收集器12，土壤间隙水采集管9插放于污染物迁移实验柱8内土壤中，底部穿过污染物迁移实验柱8和柱形渗漏液过滤装置14，顶部密封，底部设有尖头出水口，根据实际情况，设置多根土壤间隙水采集管9，不同土壤间隙水采集管9侧壁根据实际情况在不同高度处开设有间隙水进水口10，并用纱布将其包裹防止土壤进入致使间隙水进水口10堵塞，利用土壤间隙水采集管9采集间隙水的方法可实现间隙水的分层取样，可有效消除边壁效应；土壤间隙水收集器12置于土壤间隙水采集管9正下方，土壤间隙水收集器12内部设有多个间隙水收集孔13，内部收集孔13所处位置与土壤间隙水采集管9位置一一对应。
在本发明中，所述渗漏液收集系统包括柱形渗漏液过滤装置14和渗漏液收集器16，柱形渗漏液过滤装置14顶部通过螺纹连接装置17与污染物迁移实验柱8底部固定连接，底部设有供土壤间隙水采集管9通过的小孔，小孔周围垫有橡胶垫，以防止柱形过渗漏液过滤装置14底部漏水，针对亲水性污染物，柱形过渗漏液过滤装置14内填充聚丙烯填料，填充的空隙率为1:8，针对疏水性污染物，柱形渗漏液过滤装置14内填充有惰性高铝球，填充的空隙率为1:9，这极大地减少了渗漏液中污染物在下渗过程中由于吸附作用造成的损失，有利于渗漏液中污染物的准确收集；柱形渗漏液过滤装置14右侧底部设有第三阀门15与渗漏液收集器16相连，每个渗漏液收集器16的容积为500 mL，支撑平台18的四个支撑脚处安装有万向轮19，方便整个装置的移动与安放。
在本发明中，模拟土壤干湿交替状况下污染物迁移规律的装置，包括以下步骤：
第一步，向水箱1中注水：将受污水体通过虹吸作用缓慢注入干湿交替控制系统4的顶部水箱1内；
第二步，插入土壤间隙水采集管9：把土壤间隙水采集管9穿过柱形渗漏液过滤装置14底部所设的小孔，小孔周围垫有橡胶垫防止柱形渗漏液过滤装置14底部漏水；
第三步，向柱形渗漏液过滤装置14内填充填料：针对亲水性污染物，向柱形渗漏液过滤装置14内填充聚丙烯填料，填充的空隙率为1:8；针对疏水性污染物，向柱形渗漏液过滤装置14内填充有惰性高铝球，填充的空隙率为1:9；
第四步，装入实验所需的均质化土样：将用于实验的土样均质化后，均匀地铺填入污染物迁移实验柱9中；
第五步，调节土壤上覆水层高度及干湿交替频率：通过控制电动折叠式升降装置2底部的操作按钮3可自动控制顶部水箱1的升降高度和升降频率；通过控制水箱1的升降高度实现上覆水层高度上下限的变化，通过控制水箱1的升降频率来实现土壤干湿交替频率的变化；
第六步，土样、间隙水样的取样和测试：在干湿交替实验过程中，土样可从污染物迁移实验柱9垂向的柱式取样口11分层取出，间隙水样可从土壤间隙水采集管9底部用土壤间隙水收集器12收集；所有取样操作均可在不同时间节点内进行，随后检测并分析污染物在土样和间隙水样中的浓度和含量；
第七步，深层渗漏液的取样和测试：在干湿交替实验过程中，用渗漏液收集器16收集从柱形渗漏液过滤装置14右侧第三阀门15处流出的深层渗漏液，随后检测并分析深层渗漏液中污染物的浓度和含量。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.模拟土壤干湿交替状况下污染物迁移规律的装置，其特征在于：所述装置包括干湿交替控制系统、污染物迁移实验柱（8）、土壤间隙水采集系统、渗漏液收集系统、支撑平台（18）；
所述干湿交替控制系统置于支撑平台（18）上，干湿交替控制系统上部是供水水箱（1），干湿交替控制系统下部是电动折叠式升降装置（2），供水水箱（1）置于电动折叠式升降装置（2）的顶层平台上；所述电动折叠式升降装置（2）底部设有操作按钮（3），操作按钮（3）用于自动控制干湿交替控制平台的升降高度和升降频率；
所述污染物迁移实验柱（8）置于支撑平台（18）上，污染物迁移实验柱（8）通过软管连接装置（6）与干湿交替控制系统顶部供水水箱（1）相连，形成U形连通器结构；污染物迁移实验柱（8）一侧均匀分布有若干个用于取土样的柱式取样口（11）；污染物迁移实验柱（8）上下均为开口设计；
所述渗漏液收集系统包括柱形渗漏液过滤装置（14）和若干个渗漏液收集器（16），柱形渗漏液过滤装置（14）顶部通过螺纹连接装置（17）与污染物迁移实验柱（8）连接，渗漏液收集器（16）用于收集柱形渗漏液过滤装置（14）底部一侧的第三阀门（15）流出的深层渗漏液；
所述土壤间隙水采集系统包括若干个土壤间隙水采集管（9）和土壤间隙水收集器（12），若干个土壤间隙水采集管（9）插放于污染物迁移实验柱（8）内土壤中，土壤间隙水采集管（9）底部穿过污染物迁移实验柱（8）和柱形渗漏液过滤装置（14）并伸出柱形渗漏液过滤装置（14）底部外，土壤间隙水采集管（9）顶部密封，土壤间隙水采集管（9）底部设有出水口，若干个土壤间隙水采集管（9）侧壁上分别设有间隙水进水口（10），若干个土壤间隙水采集管（9）的间隙水进水口（10）高度不同；间隙水收集器（12）置于土壤间隙水采集管（9）底部下方。
2.根据权利要求1中所述的模拟土壤干湿交替状况下污染物迁移规律的装置，其特征在于：所述供水水箱（1）为聚甲基丙烯酸甲酯材质，所述电动折叠式升降装置（2）为不锈钢材质。
3.根据权利要求1中所述的模拟土壤干湿交替状况下污染物迁移规律的装置，其特征在于：所述污染物迁移实验柱（8）上标有刻度，污染物迁移实验柱（8）一侧垂向每间距5 cm均匀分布若干个所述柱式取样口（11）；
污染物迁移实验柱（8）底部出口处固定有一个圆形筛孔板，所述圆形筛孔板的半径为25cm，厚度为1cm；
污染物迁移实验柱（8）水土界面处设有第二阀门（7），第二阀门（7）通过软管连接装置（5）与干湿交替控制系统的顶部供水水箱（1）相连；
污染物迁移实验柱（8）内壁设有螺纹结构。
4.根据权利要求1中所述的模拟土壤干湿交替状况下污染物迁移规律的装置，其特征在于：所述土壤间隙水收集器（9）底部出水口为尖头结构，间隙水进水口（10）上包裹有纱布。
5.根据权利要求1中所述的模拟土壤干湿交替状况下污染物迁移规律的装置，其特征在于： 所述土壤间隙水收集器（12）置于土壤间隙水采集管（9）正下方，土壤间隙水收集器（9）内部设有若干个收集孔（13），内部收集孔（13）所处位置与土壤间隙水采集管（9）位置一一对应。
6.根据权利要求1中所述的模拟土壤干湿交替状况下污染物迁移规律的装置，其特征在于：所述柱形渗漏液过滤装置（11）底部布有若干个小孔，小孔直径比土壤间隙水采集管（9）直径略大以供土壤间隙水采集管（9）穿过；
针对亲水性污染物，柱形渗漏液过滤装置（11）内填充聚丙烯填料，填充的空隙率为1:8，针对疏水性污染物，柱形渗漏液过滤装置（11）内填充惰性高铝球，填充的空隙率为1:9。
7.根据权利要求1中所述的模拟土壤干湿交替状况下污染物迁移规律的装置，其特征在于：每个所述渗漏液收集器（16）的容积为500 mL。
8.模拟土壤干湿交替状况下污染物迁移规律的方法，其特征在于：所述方法采用权利要求1-7任一项所述的模拟土壤干湿交替状况下污染物迁移规律的装置，模拟方法包括以下步骤：
第一步，向供水水箱（1）中注水：将受污水体通过虹吸作用缓慢注入干湿交替控制系统的顶部供水水箱（1）内；
第二步，插入土壤间隙水采集管：把土壤间隙水采集管（9）穿过柱形渗漏液过滤装置（14）底部所设的小孔，小孔周围垫有橡胶垫防止柱形渗漏液过滤装置底部漏水；
第三步，向柱形渗漏液过滤装置（14）内填充填料：针对亲水性污染物，向柱形渗漏液过滤装置（14）内填充聚丙烯填料，填充的空隙率为1:8；针对疏水性污染物，向柱形渗漏液过滤装置（14）内填充有惰性高铝球，填充的空隙率为1:9；
第四步，装入实验所需的均质化土样：将用于实验的土样均质化后，均匀地铺填入污染物迁移实验柱（8）中；
第五步，调节土壤上覆水层高度及干湿交替频率：通过控制干湿交替控制系统底部的操作按钮（3）可自动控制顶部供水水箱（1）的升降高度和升降频率；通过控制供水水箱（1）的升降高度实现上覆水层高度上下限的变化，通过控制供水水箱（1）的升降频率来实现土壤干湿交替频率的变化；
第六步，土样、间隙水样的取样和测试：在干湿交替实验过程中，土样从污染物迁移实验柱（8）一侧垂向的柱式取样口（11）分层取出，间隙水样从土壤间隙水采集管（9）底部用土壤间隙水收集器（12）收集；所有取样操作均可在不同时间节点内进行，随后检测并分析污染物在土样和间隙水样中的浓度和含量；
第七步，深层渗漏液的取样和测试：在干湿交替实验过程中，用渗漏液收集器（16）收集从柱形渗漏液过滤装置（14）第三阀门（15）处流出的深层渗漏液，随后检测并分析深层渗漏液中污染物的浓度和含量。
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