CN109612902B - 温度及溶解氧可控的地下水水位波动模拟系统及方法 - Google Patents
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Abstract
一种温度及溶解氧可控的地下水水位波动模拟系统及方法。该模拟系统包括土柱试验装置、地下水水位波动装置和温度及溶解氧调控装置，其中地下水水位波动装置包括泵设备、储水槽和波动室等；温度及溶解氧调控装置包括温度调节单元、混合气体配比柜和真空泵等。本发明的模拟系统能够通过地下水水位波动装置使土柱内土壤形成非饱和带及饱和带，由此模拟污染物进入土壤后，在饱和‑非饱和带内的运移分布状况，并根据不同场地中地下水环境的实际状况，调节水位波动过程中地下水的温度及溶解氧含量、水位波动幅度和频次等外在环境因子，从而更精准刻画污染物在受水位波动影响下的运移分布状况。
Description
技术领域
本发明提供一种模拟地下水水位波动的试验模拟系统，特别涉及对污染物进入土壤后，在地下水水位波动过程中能够对地下水温度及溶解氧含量进行调节控制的地下水水位波动模拟系统及方法。
背景技术
地下水受自然因素和人为因素影响常会发生水位波动现象，这会使污染物进入土壤后的运移分布发生变化。有研究表明水位波动使得污染物产生垂向运移，且随着波动幅度及频次的增加，污染物的运移分布规律变的更为复杂。
污染物在不同地下水温度及溶解氧含量下所具有的迁移及转化特性差别较大，且土壤中微生物受外界温度及氧气含量的影响对污染物的降解能力也有所不同。如有学者研究得出硝化和反硝化菌最佳适应温度为30℃左右，而去除有机污染物的微生物多为中、高温菌。若能对水位波动过程中的温度、溶解氧含量作出精确控制，可使得试验结果更接近实际环境状况。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种温度及溶解氧可控的地下水水位波动模拟系统及方法，以期至少部分地解决上述技术问题中的至少之一。
为了实现上述目的，作为本发明的一个方面，本发明提供了一种温度及溶解氧可控的地下水水位波动模拟系统，其特征在于，所述地下水水位波动模拟系统包括土柱试验装置、地下水水位波动试验装置和温度及溶解氧调节装置；其中：
所述地下水水位波动试验装置包括波动室、波动室下部的储水槽以及与储水槽连接的泵设备，所述波动室与储水槽间设置有出入水口，通过泵设备从所述出入水口向波动室的注水/向储水槽的抽水来形成波动室内水位的波动；
所述土柱试验装置内设置有土柱，所述土柱下部与波动室和/或储水槽连通，对应波动室内水位的波动形成土柱内水位波动；
所述温度及溶解氧调控装置包括温度调节单元、波动室外部的混合气体配比柜和真空泵；其中，所述温度调节单元一端安装于储水槽内，一端设置在波动室外部；混合气体配比柜通过波动室上设置的注气口向波动室内注入预设氧气配比浓度的混合气体；真空泵通过连接波动室上设置的抽气口调节波动室内溶解氧的浓度。
作为本发明的另一个方面，提供了一种如上所述的温度及溶解氧可控的地下水水位波动模拟系统的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、根据试验设计的土壤物理模型，选择土柱的个数，自下而上进行拼接，最下侧的土柱与储水槽相连通，拼接时分层装入土壤样品，设置采样器，并依次安装波动室、污染物添加口和温度及溶解氧调节装置各部件；
步骤二、启动溶解氧调控装置，由真空泵经抽气孔将波动室内原有空气排出，注气孔供给经混合气体配比柜配比后的混合气体；
步骤三、启动地下水水位波动试验装置，由储水槽的进水口注水，增加波动室内和土壤中水的含量，使水位面达到试验设计要求；同时启动温度调节单元，设定温度上下限阈值；
步骤四、由顶部添加口注入污染物，并依据试验方案要求的水位波动时间、频次及高度调节波动室内水位，并由泵设备控制流速、流量及时间；
步骤五、通过采样孔获取污染物的监测数据，通过测压设备测得土壤内压力的变化。
基于上述技术方案可知，本发明的模拟系统与现有装置相比，具有以下优点：
1、本模拟系统中的土柱装置可根据不同的场地需求和实验设计进行多段拼接，并在此基础上结合了地下水位波动试验装置进行污染物运移模拟试验；
2、地下水位波动试验装置通过出入水口、阀门及蠕动泵等装置来实现，可调控蠕动泵的流量、流速及开关时间来满足波动室内水位高低、频次及幅度等试验参数；
3、本模拟系统可分别对地下水的温度及试验过程中的空气中溶解氧的含量进行调控，既可刻画实际场地地下水的温度场和溶解氧含量，又可研究不同温度场及溶解氧含量的环境条件对污染物运移及降解的影响。
附图说明
图1为本发明的温度及溶解氧可控的地下水水位波动模拟系统的结构示意图；
上图中，主要组件的附图标记含义如下：
1、密封盖；2、添加筒；3、注气孔；4、抽气孔；5、压力探头；6、连接管道；7、气体流量计；8、气体采样孔；9、抽气阀门；10、注气阀门；11、混合气体配比柜；12、真空泵；13、螺栓接口；14、法兰接口；15、测压元件；16、采样孔；17、土柱装置；18、出入水接口；19、出入水口；20、储水槽；21、注水阀门；22、出水阀门；23、蠕动泵；24、供水箱；25、温度控制仪；26、温度探头；27、波动室。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
本发明公开了一种温度及溶解氧可控的地下水水位波动模拟系统，其将土柱试验与地下水波动试验结合，模拟污染物在进入土壤后的运移分布状况，利用温度控制仪及溶解氧调控装置，使得试验过程中地下水的温度及溶氧量更符合试验设计要求或实际场地状况，从而更加精准的刻画在不同水位波动形式下污染物的运移转化规律。
具体地，本发明的温度及溶解氧可控的地下水水位波动模拟系统，包括土柱试验装置、地下水水位波动试验装置、温度控制装置及溶解氧调节装置。其中，土柱试验装置上部安装有测压设备和污染物添加口，中部设置有采样孔，下部与地下水水位波动试验装置的波动室连通；地下水水位波动试验装置包括泵设备、波动室、注水口及出水口，通过泵设备在波动室中实现水位的波动变化；温度及溶解氧调控装置包括温度调节单元、混合气体配比柜、真空泵、注气口和抽气孔，其中通过温度调节单元调节温度，通过混合气体配比柜和真空泵调节氧气的浓度和水位上方的蒸汽压，即由此控制溶解在水体中的氧浓度。
其中，土柱试验装置的高度例如为1000mm，内径例如为200mm，外径例如为220mm，外壳材质例如为有机玻璃；土柱试验装置的中部例如设置有直径为20mm的采样孔(可根据设计另行增加)。
其中，土柱试验装置的顶部设置有污染物添加口，其高度略高于波动室，便于污染物的添加；例如采用橡胶塞封口，以保证其气密性。
其中，土柱试验装置内部设置有土柱，波动室和土柱试验装置分别用螺栓和法兰连接，中间设置有液体或气体采样装置，根据试验需求可进行多段拼接，或增加采样口数量。
其中，在土柱上部与污染物添加口之间安装有测压设备，通常包括测压元件和压力传感器。
其中，波动室与土柱试验装置底部根据“U”型管原理形成底部连通，波动室内水位波动的幅度、频次等通过调节泵设备运行参数来实现。
其中，波动室上部设置有注气口，与混合气体配比柜相连，可提供不同含氧比率的混合气体；还设置有抽气孔，与真空泵相连，可对试验前或过程中波动室的空气进行抽出并进行采样检测。
其中，混合气体配比柜适用气体例如包括O2、N2及CO2等，配比范围为1％～50％，配比精度为±1.5％，输出流量50m3/h；连接管道的材料例如为PVC管。
其中，真空泵的流量例如为10～60L/min，真空度小于30kPa。
其中，真空泵连接的管路上例如还安装有气体流量计，该气体流量计的测量范围例如为0～30L/min。
其中，温度调节单元中包括温度控制仪，该温度控制仪的测量控制范围例如为-50℃～150℃，显示精度为±0.1℃(＜100℃)，检测精度为±0.5℃，控制值为全量程0～100％，回差为1～30℃。该温度控制仪可以设置在与波动室相连的储水槽中，温度控制仪的上下限阈值由试验条件确定，当水体温度低于设定温度(下限)则启动加热控制；反之，高于设定温度(上限)则启动制冷控制。
其中，泵设备例如采用蠕动泵，该蠕动泵的流量范围例如为0.0001～190ml/min，转速范围为0.1～50转/min，转速分辨率0.1转/min，精度0.5％。
在一个优选实施方式中，本发明的温度及溶解氧可控的地下水水位波动模拟系统，包括有土柱试验装置、地下水水位波动试验装置、温度控制装置及溶解氧调节装置。土柱试验装置上部安装有测压设备和污染物添加口，中部设置有采样孔，下部应用“U”型管原理与波动室相连。地下水水位波动装置包括蠕动泵、流量计、储水槽、波动室、注水口及出水口。温度及溶解氧调控装置包括温度调节仪、混合气体配比柜、真空泵、注气口和抽气孔。地下水水位波动试验装置由波动室、储水槽、供水箱以及用于实现水位变化的蠕动泵和阀门等组成。
本发明的温度及溶解氧可控的地下水水位波动模拟系统的使用方法如下所示：
1、根据试验设计的土壤物理模型，选择土柱的个数，自下而上进行拼接，最下侧的土柱与储水槽相连，拼接时分层装入土壤样品，设置采样器，并依次安装波动室的玻璃外壳、污染物添加装置、溶解氧调控装置和温度控制仪各部件；
2、启动溶解氧调控装置，由抽气孔将波动室内原有空气排出，注气孔供给配比后的混合气体；启动水位波动试验装置，由储水槽的进水口注水，增加波动室内和土壤中水的含量，使水位面达到试验设计要求；同时启动温度控制装置，设定温度上下限值；
3、由顶部添加口注入污染物，并依据试验方案要求水位波动的时间、频次及高度等调节波动室内水位，并由蠕动泵控制流速、流量及时间；通过采样孔获取污染物的浓度、pH、电导率等监测数据，通过测压设备测得土壤内压力的变化。
下面结合说明书附图和实施例，对本发明的方案作进一步具体说明。
如图1所示，本发明提供了一种温度及溶解氧可控的地下水水位波动模拟系统，包括土柱试验装置17、温度及溶解氧调控装置以及与土柱试验装置17连接的地下水水位波动装置。土柱试验装置17底部设置有出入水接口18以及土柱中部与波动室27相连的采样孔16，在土柱试验装置17上部安装有压力探头5和测压元件15，顶部安装有污染物添加筒2并配有密封盖1。温度及溶解氧调控装置中，溶解氧调控装置包括混合气体配比柜11和真空泵12，其中真空泵12通过连接管道6与波动室27上部注气孔3和抽气孔4相连，在与真空泵12连接的管道上设有气体采样孔8和气体流量计7；温度调控装置包括温度控制仪25和温度探头26。地下水水位波动装置包括带有螺栓接口13的波动室27、蠕动泵23、供水箱24及储水槽20，波动室27下部的出入水口19与储水槽20相连，储水槽20、蠕动泵23、注水阀门21和出水阀门22及供水箱24通过连接管道6相连。
如图1所示，土柱试验装置17大小为高度1000mm，内径200mm，外径220mm，外壳材质为有机玻璃，中部设置有直径为20mm采样孔(可根据设计另行增加)。因土柱试验装置17上下均采用法兰接口14连接，可根据试验高度进行拼接。混合气体配比柜11的适用气体为O2、N2及CO2等，配比范围1％～50％，配比精度为±1.5％，输出流量50m3/h；连接管道的材料为PVC管。真空泵12的流量为10～60L/min，真空度小于30kPa，气体流量计7的测量范围为0～30L/min。温度控制仪25的测量控制范围为-50℃～150℃，显示精度为±0.1℃(＜100℃)，检测精度为±0.5℃，控制值为全量程0～100％，回差为1～30℃。蠕动泵23的流量范围为0.0001～190ml/min，转速范围为0.1～50转/min，转速分辨率0.1转/min，精度0.5％。
本发明的模拟系统在使用时：
(1)根据试验需求的高度，将多段土柱试验装置17和波动室27进行拼接，安装上部测压仪器和污染物添加设备，并依次安装温度和溶解氧控制装置，在下部安装储水槽20和用于调节水位的蠕动泵23及供水箱24等部件。在波动室27未注入水前，关闭注气阀门，开启抽气阀门，利用真空泵12将波动室27内空气抽出，形成真空状态；然后开启注气阀门，关闭抽气阀门，将按试验要求配比的混合气体注入波动室27内。
(2)关闭出水阀门，开启注水阀门，使用蠕动泵23将供水箱24中的水注入储水槽20内，利用“U”型管原理，水从下部入水口进入土柱内，调节蠕动泵23的流速，流量等参数控制水位的上升速度；同理关闭注水阀门，开启出水阀门，调节蠕动泵23的运行参数，降低波动室27的水位。试验过程中通过温度控制仪25对于进入储水槽20的水的温度进行调节。
(3)由添加筒中注入污染物，并将筒口密封，根据试验设计的地下水水位波动的周期及频率，调节波动室27的水位。在水位波动过程中进行液体或气体样品的采集以及土柱内压力数据的收集。
本发明的装置能够通过水位波动装置使土柱内土壤形成非饱和带及饱和带，由此模拟污染物进入土壤后，在饱和-非饱和带内的运移分布状况，并根据不同场地中地下水环境的实际状况，调节水位波动过程中地下水的温度及溶解氧含量、水位波动幅度和频次等外在环境因子，从而更精准刻画污染物在受水位波动影响下的运移分布状况。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (20)
1.一种温度及溶解氧可控的地下水水位波动模拟系统，其特征在于，所述地下水水位波动模拟系统包括土柱试验装置、地下水水位波动试验装置和温度及溶解氧调节装置；其中：
所述地下水水位波动试验装置包括波动室、波动室下部的储水槽以及与储水槽连接的泵设备，所述波动室与储水槽间设置有出入水口，通过泵设备从所述出入水口向波动室的注水/向储水槽的抽水来形成波动室内水位的波动；
所述土柱试验装置内设有土柱，所述土柱下部与波动室和/或储水槽连通，对应波动室内水位的波动形成土柱内水位波动；
所述温度及溶解氧调控装置包括温度调节单元、波动室外部的混合气体配比柜和真空泵；其中，所述温度调节单元一端安装于储水槽内，一端设置在波动室外部；混合气体配比柜通过波动室上设置的注气口向波动室内注入预设氧气配比浓度的混合气体；真空泵通过连接波动室上设置的抽气口调节波动室内溶解氧的浓度；
其中，所述波动室与土柱试验装置底部均连接储水槽，形成U型管原理的底部连通；所述波动室内水位波动的幅度、频次通过调节泵设备运行参数来实现。
2.根据权利要求1所述的温度及溶解氧可控的地下水水位波动模拟系统，其特征在于，所述土柱试验装置上部设置有污染物添加口，中部设置有采样孔，下部与所述地下水水位波动试验装置的波动室连通。
3.根据权利要求2所述的温度及溶解氧可控的地下水水位波动模拟系统，其特征在于，所述土柱试验装置的外壳为圆柱状，材质为有机玻璃。
4.根据权利要求2所述的温度及溶解氧可控的地下水水位波动模拟系统，其特征在于，所述土柱试验装置根据试验需求能够进行多段拼接，拼接方式采用螺栓或法兰连接。
5.根据权利要求4所述的温度及溶解氧可控的地下水水位波动模拟系统，其特征在于，两段土柱试验装置中间能够设置液体/气体采样装置或设置采样口。
6.根据权利要求4所述的温度及溶解氧可控的地下水水位波动模拟系统，其特征在于，所述土柱试验装置上部的污染物添加口与波动室之间安装有测压元件和压力传感器。
7.根据权利要求1所述的温度及溶解氧可控的地下水水位波动模拟系统，其特征在于，所述温度调节单元包含温度控制仪，所述温度控制仪的测量控制范围为-50℃～150℃，显示精度为±0.1℃(＜100℃)，检测精度为±0.5℃，控制值为全量程0～100％，回差为1～30℃。
8.根据权利要求7所述的温度及溶解氧可控的地下水水位波动模拟系统，其特征在于，所述温度控制仪的上下限阈值由实验条件确定。
9.根据权利要求7所述的温度及溶解氧可控的地下水水位波动模拟系统，其特征在于，当水体温度低于设定温度下限时，启动加热控制；反之，高于设定温度上限时，则启动制冷控制。
10.根据权利要求1所述的温度及溶解氧可控的地下水水位波动模拟系统，其特征在于，混合气体配比柜适用的气体包括O2、N2及CO2，配比范围为1％～50％，配比精度为±1.5％，输出流量50m3/h。
11.根据权利要求10所述的温度及溶解氧可控的地下水水位波动模拟系统，其特征在于，连接管道的材料为PVC管。
12.根据权利要求1所述的温度及溶解氧可控的地下水水位波动模拟系统，其特征在于，真空泵的流量为10～60L/min，真空度小于30kPa。
13.根据权利要求12所述的温度及溶解氧可控的地下水水位波动模拟系统，其特征在于，真空泵连接的管路上还安装有气体流量计，所述气体流量计的测量范围为0～30L/min。
14.根据权利要求12所述的温度及溶解氧可控的地下水水位波动模拟系统，其特征在于，所述出入水口使用的泵设备为蠕动泵，所述蠕动泵的流量范围为0.0001～190ml/min，转速范围为0.1～50转/min，转速分辨率0.1转/min，精度0.5％。
15.一种如权利要求1～14任一项所述的温度及溶解氧可控的地下水水位波动模拟系统的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、根据试验设计的土壤物理模型，选择土柱的个数，自下而上进行拼接，最下侧的土柱与储水槽相连通，拼接时分层装入土壤样品，设置采样器，并依次安装波动室、污染物添加口和温度及溶解氧调节装置各部件；
步骤二、启动溶解氧调控装置，由真空泵经抽气孔将波动室内原有空气排出，注气孔供给经混合气体配比柜配比后的混合气体；
步骤三、启动地下水水位波动试验装置，由储水槽的进水口注水，增加波动室内和土壤中水的含量，使水位面达到试验设计要求；同时启动温度调节单元，设定温度上下限阈值；
步骤四、由顶部添加口注入污染物，并依据试验方案要求的水位波动时间、频次及高度调节波动室内水位，并由泵设备控制流速、流量及时间；
步骤五、通过采样孔获取污染物的监测数据，通过测压设备测得土壤内压力的变化。
16.根据权利要求15所述的使用方法，其特征在于，温度控制仪的测量控制范围为-50℃～150℃，显示精度为±0.1℃(＜100℃)，检测精度为±0.5℃，控制值为全量程0～100％，回差为1～30℃。
17.根据权利要求16所述的使用方法，其特征在于，所述混合气体配比柜适用的气体包括O2、N2及CO2，配比范围为1％～50％，配比精度为±1.5％，输出流量50m3/h。
18.根据权利要求16所述的使用方法，其特征在于，所述真空泵的流量为10～60L/min，真空度小于30kPa。
19.根据权利要求16所述的使用方法，其特征在于，所述真空泵连接的管路上还安装有气体流量计，所述气体流量计的测量范围为0～30L/min。
20.根据权利要求16所述的使用方法，其特征在于，步骤四中所述泵设备为蠕动泵，所述蠕动泵的流量范围为0.0001～190ml/min，转速范围为0.1～50转/min，转速分辨率0.1转/min，精度0.5％。
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