CN109709002B - 一种基于模拟非饱和入渗污染物垂向释放的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于模拟非饱和入渗污染物垂向释放的装置及方法，该装置包括相互连接的降雨模拟系统、试验柱体以及样品采样系统；其中：降雨模拟系统包括供水瓶、出水水管、蠕动泵及布水器；试验柱体包括上端开口的柱体，柱体的底部等间距的设置有四个多孔活动隔板，通过四个多孔活动隔板将柱体的底部分隔成五个隔间；每个隔间的四周内壁上均铺设有尼龙纱布；尾砂样品分别设置在隔间内部；样品采集系统分为剖面样品采集系统及底部样品采集系统；剖面样品采集系统位于柱体侧面。本发明可以最大限度模拟野外天然环境中，尾砂库中尾砂受不同酸度、类型酸性降雨影响下，污染物垂向释放迁移过程。模拟情景真实多样，样品采集方便，效率高。
Description
技术领域
本发明涉及环境监测技术和降雨入渗影响下包气带中污染物释放、迁移、转化行为研究的领域，尤其涉及一种基于模拟非饱和入渗污染物垂向释放的装置及方法。
背景技术
尾砂库是用以堆存金属或非金属矿山进行矿石选别后排出尾矿或其他工业废渣的场所。它不仅会占用大量的土地，在降雨入渗作用下，尾砂还会与入渗水发生相互作用，使其中污染物质迁移至入渗水中，改变入渗水的成分，随入渗水不断向下迁移，极易引发下游地下水或地表水的污染，发生区域污染事件。由于绝大部分座矿山在采集、冶炼后均会产生尾砂，加之每座矿山矿产种类不同且常有伴生矿物，导致尾砂量大、成分复杂，且渗漏一般发生在尾砂库底部不易察觉。所以通常尾砂库渗漏污染通常具有隐蔽性、影响范围大、危害大、治理困难等特点。它已是当今我国矿冶区急需解决的生态环境问题。因此了解受不同雨量、不同pH值、不同类型降雨，不同厚度包气带，不同入渗速度影响下，尾砂与入渗水相互作用，对尾砂柱不同深度入渗水及尾砂成分的改变程度，探究污染物在固液两相间的释放、迁移、转化过程，不仅对非饱和入渗对尾砂库污染物释放研究具有重要意义，还能为尾砂库污染物防控策略的制定提供必要的理论依据。
目前尚未有针对非饱和入渗尾砂库污染物垂向释放过程的装置，更多是研究尾砂库的浸出过程的装置，其缺点是，主要考虑针对在受地下水浸没过程中尾砂污染物的释放浓度，与真实情景不服，无法模拟真实情景包气带中入渗水与尾砂的相互作用过程，无法模拟真实环境不同地区降雨类型、降雨量及pH值，无法采集垂下不同深度入渗水样及尾砂样品，无法观测尾砂柱中入渗水及尾砂成分的垂向变化过程即水-尾砂成分改造过程，无法分析污染物在包气带中的释放过程，无法研究地下水位变化，即包气带厚度变化对污染物释放过程的影响程度等。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中未考虑模拟真实环境中不同雨量、不同pH值、不同类型降雨的情景，无法模拟不同包气带厚度，无法对包气带中尾砂与入渗水相互作用的缺陷，对尾砂及入渗水成分改造过程的研究，及对不同深度尾砂柱中污染物由尾砂向入渗水中迁移转化过程的研究，提供一种基于模拟非饱和入渗污染物垂向释放的装置及方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
本发明提供一种基于模拟非饱和入渗污染物垂向释放的装置，该装置包括相互连接的降雨模拟系统、试验柱体以及样品采样系统；其中：
降雨模拟系统包括供水瓶，供水瓶底部设置有出水水管，出水水管上加设可调节流量的蠕动泵，出水水管末端设置有布水器；
试验柱体包括上端开口的柱体，柱体的底部等间距的设置有四个多孔活动隔板，通过四个多孔活动隔板将柱体的底部分隔成五个隔间；每个隔间的四周内壁上均铺设有尼龙纱布；尾砂样品分别设置在隔间内部；
样品采集系统分为剖面样品采集系统及底部样品采集系统；剖面样品采集系统位于柱体侧面，剖面样品采集系统包括四个出水水管，四个出水水管分别设置在上方四个隔间的侧面，每个隔间侧面的出水水管上均设置有阀门，末端设置有样品收集瓶；底部样品采集系统位于柱体底部，底部样品采集系统包括设置最下方隔间底部的出水水管，最下方隔间底部的出水水管上设置有流量计和阀门，末端设置有样品收集瓶。
进一步地，本发明的供水瓶中配置有稀硫酸、稀硝酸及碳酸溶液。
进一步地，本发明的蠕动泵可调节流量。
进一步地，本发明的尼龙纱布采用100目尼龙纱布。
进一步地，本发明的多孔活动隔板上均匀开设有多个孔洞，通过孔洞结构使水样入渗；通过多孔活动隔板将尾砂样品在垂向上分为五段，五段尾砂样品模拟不同的入渗深度。
进一步地，本发明的每个隔间内的尼龙纱布紧密包裹尾砂样品，尼龙纱布与隔间内壁可分离，试验完成后通过尼龙纱布取出尾砂样品。
进一步地，本发明的柱体上端开口，开口处使装置与空气接触，形成开放体系，构建一个完整的非饱和入渗条件，模型天然包气带环境；柱体内壁打磨为不光滑，填充的尾砂样品经过压实使其填充密度保持一致。
进一步地，本发明的布水器包括末端设置有喷头，喷头包括一根主出水管，主出水管上垂直设置有多根从出水管，从出水管均与主出水管垂直；其中，位于主出水管中垂线位置上的从出水管长度最长，位于中垂线两侧的从出水管长度依次递减；主出水管和从出水管上均匀开设有多个出水管。
进一步地，本发明的柱体的上端设置有溢流口。
本发明提供一种基于模拟非饱和入渗污染物垂向释放的装置的模拟方法，包括以下步骤：
步骤一、模拟天然环境中不同类型，不同酸度，不同降雨量的降雨：根据不同地区环境特征，在供水瓶中配制不同酸度的稀硫酸、稀硝酸及碳酸，模拟不同地区的不同类型，不同酸度的降雨；通过流量可调的蠕动泵，对降雨量进行调节，通过出水管末端的布水器，使降雨均匀的降落至尾砂样品表面；
步骤二、研究入渗过程中不同深度入渗污染物的释放过程：对试验柱体不同高度设置多孔活动隔板，并用100目尼龙纱布对尾砂样品进行装填，装填过程中根据实际情况改变尾砂柱体的孔隙度，并在柱体侧面开设出水水管，对柱体不同深度的尾砂样品和入渗水样进行采集，探究不同孔隙度，不同入渗深度，尾砂-水作用时间对入渗水及尾砂样品主要成分的改造程度，及尾砂中污染物向入渗水中释放的垂向过程和分布规律；
步骤三、模拟包气带中，水-尾砂-空气相互作用情景：本装置中，试验柱体上端开口，达到与外界空气相通的目的，通过控制各个取样阀门的大小，使入渗水在柱体内保持一个稳定的水位，模拟真实尾砂库包气带中水-尾砂-空气三者共存的环境，分析在降雨非饱和入渗过程中尾砂污染物的释放过程；
步骤四、模拟真实环境中地下水水位涨落对非饱和入渗污染物释放过程的影响：通过调节取样阀门大小及降雨模拟装置的蠕动泵流量，对试验柱体内地下水水位高度进行调节，探究不同厚度包气带，对降雨非饱和入渗中污染物垂向释放过程和程度的影响。
本发明产生的有益效果是：本发明的基于模拟非饱和入渗污染物垂向释放的装置及方法，能够模拟不同地区，不同类型、不同pH值、不同雨量的降雨，同时本装置加设布水器，可使补给水均匀的降落在尾砂柱截面，更加真实的模拟室外降雨环境。同时本装置在柱体内加设多孔活动板，在侧面开孔加设取样系统，可同时采集尾砂柱不同深度的尾砂样及入渗水样，研究不同入渗深度、不同水-尾砂相互作用时间下，对尾砂及入渗水主要成分的改造程度，探究尾砂中污染物的垂向释放、迁移及转化过程。不仅如此，对每个隔间尾砂样品在填充过程中用100目尼龙纱布包裹，一方面便于尾砂样品搜集，另一方面有助于入渗水样采集过程中样品过滤，避免带出过多尾砂，造成出水水管堵塞。另外配合装置顶部降雨量及装置底部出水量，一方面可控制一方面可控制柱体内入渗水的入渗速度，观察不同入渗速度对污染物释放过程的影响，另一方面可控制填充体内水位的涨落，模拟天然情景中，不同季节地下水位的涨落，即变包气带厚度，对垂向入渗污染物释放过程的影响程度。
总之，本装置结构简单，设计新颖和合理，实现方便且成本低，试验模拟试验可控，样品采集方便，模拟过程中可条件变量因素多，可为模拟降雨非饱和入渗条件尾砂库污染物垂向释放过程各项研究提供有力的技术基础。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明实施例的结构示意图；
图2为本发明实施例多孔活动板的结构图；
图3为本发明实施例布水器的结构图
图中，1-供水瓶，2-蠕动泵，3-溢水口，4-阀门，5-多孔活动隔板，6-出水水管，7-尼龙纱布，8-柱体，9-流量计，10-样品收集瓶，11-布水器，12-尾砂样品。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明实施例的基于模拟降雨非饱和入渗条件尾砂库污染物垂向释放过程的装置，该装置包括：降雨模拟系统；试验柱体；样品采样系统；其中：
降雨模拟系统包括供水瓶1，供水瓶1底部设置有出水水管6，出水水管6上加设可调节流量的蠕动泵2，出水水管6末端设置有布水器11；供水瓶1中主要盛放配制好的不同浓度的稀硝酸、稀硫酸或碳酸作为补给水，模拟真实环境不同pH值、不同类型的降雨。补给水通过供水瓶1下部的出水水管6被蠕动泵2以不同流量泵入末端布水器11中，模拟不同地区降雨量，同时使补给水均匀降落至尾砂柱体表面，模拟野外真实降雨条件。
试验柱体包括上端开口的柱体8、四个多孔活动隔板5、100目尼龙纱布7、溢流口3、五个出水水管6及尾砂样品12组成；柱体8顶部开口，使整体模拟系统成开放状态，模拟野外包气带水-尾砂-气三相体系。柱体8上部设置溢流口3主要为防治柱体8内水位过高而漫出装置，影响装置周围环境。垂向上柱体8被四个多孔活动板5隔成五个隔间，一方面给尾砂样品12填充增加支撑，另一方面将尾砂样品12垂向上分隔利于试验后尾砂样品12采集。尾砂样品12填充由下自上开展，填充过程根据野外尾砂库孔隙度设置填充孔隙度，同时在尾砂样品12填充时对每个隔间四周铺设100目尼龙纱布，一方面便于不同深度尾砂样品12的采集及更换，另一方面可过滤水样，避免水样采集过程中带出尾砂，堵塞出水水管6。在柱体8侧壁每隔隔间及底部开孔，加设出水水管6，便于不同深度样品采集。
如图2所示，为多孔活动隔板5的结构示意图，多孔活动隔板5上均匀开设有多个孔洞。
如图3所示，布水器11包括末端设置有喷头，喷头包括一根主出水管，主出水管上垂直设置有多根从出水管，从出水管均与主出水管垂直；其中，位于主出水管中垂线位置上的从出水管长度最长，位于中垂线两侧的从出水管长度依次递减；主出水管和从出水管上均匀开设有多个出水管。
样品采集系统分为剖面样品采集系统及底部样品采集系统，剖面样品采集系统位于试验柱体侧面，主要由出水水管6上设置四个阀门4及四个样品收集瓶10组成。通过开关侧壁阀门4，利用样品收集瓶10采集，补给水入渗后，经历不同深度水-尾砂相互作用后的样品，探究降雨入渗过程中入渗水中污染物质的垂向变化规律。底部样品采集系统位于试验柱体底部，主要由出水水管6上加设流量计9、阀门4样品收集瓶10及组成。通过开关底部阀门4，入渗水在重力最用下由上至下，流经整个尾砂柱后，污染物的释放浓度及对入渗水成分的改造程度。通过配合调节底部阀门4大小及顶部蠕动泵2流量，一方面可控制入渗水在柱体8中的入渗速度，模拟不同入渗速度下，污染物的释放过程。另一方面可以调节柱体8内水位，模拟不同季节，地下水位涨落，即包气带厚度的变化对污染物释放过程的影响程度。
本发明实施例的一种基于模拟降雨非饱和入渗条件尾砂库污染物垂向释放过程的装置及方法，其模拟过程如下：
步骤一、模拟天然环境中不同类型，不同酸度，不同降雨量的降雨：根据不同地区环境特征，可在供水瓶中配制不同酸度的稀硫酸、稀硝酸及碳酸，模拟不同地区的不同类型，不同酸度的降雨，通过流量可调的蠕动泵，对降雨量进行调节，通过出水管末端的布水器，使降雨均匀的降落至尾砂表面。用来探究真实环境中，不同类型、酸度及降雨量的降雨非饱和入渗过程中，对污染物的垂向释放过程和程度的影响。
步骤二、研究入渗过程中不同深度入污染物的释放过程：对试验柱体不同高度设置活动隔板并用100目尼龙纱布对尾砂进行装填，装填过程中可以根据实际情况改变尾砂柱体的孔隙度，并在柱体侧面开设出水水管，便于对柱体不同深度的尾砂样和入渗水样进行采集，探究不同孔隙度，不同入渗深度，尾砂-水作用时间对入渗水及尾砂样品主要成分的改造程度，及尾砂中污染物向入渗水中释放的垂向过程和分布规律。
步骤三、模拟包气带中，水-尾砂-空气相互作用情景：本装置中，试验柱体采用上端开口的设计，达到与外界空气相通的目的，通过控制各个取样阀门的大小，使入渗水在柱体内保持一个稳定的水位，模拟真实尾砂库包气带中水-尾砂-空气三者共存的环境，分析在降雨非饱和入渗过程中尾砂污染物的释放过程。
步骤四、模拟真实环境中地下水水位涨落对非饱和入渗污染物释放过程的影响：通过调节取样阀门大小及降雨模拟装置的蠕动泵流量，可以对试验柱体内地下水水位高度进行调节，探究不同厚度包气带，对降雨非饱和入渗中污染物垂向释放过程和程度的影响。
实例一：降雨非饱和入渗条件下某金属矿尾砂库污染垂向释放过程的模拟
某金属尾砂库为了解尾砂堆置过程中污染物的释放过程，有针对的提出污染物防控方案，利用本装置开展某金属矿尾砂在降雨非饱和入渗影响下污染物的垂向释放过程。通过资料搜集，分析该地降雨的类型、酸度及年均降雨量，配制pH＝5.4的稀硫酸溶液，通过调节蠕动泵及阀门流量控制包气带厚度为20cm，降雨模拟持续一周，降雨过程中，每隔一天对入渗过程中所有水样进行采集，分析其溶解氧含量、氧化还原电位、pH值、铁离子、铜离子、锰离子、铅离子、锌离子、钾离子、钙离子、钠离子、镁离子、硫酸根离子、氯离子、碳酸根离子、重碳酸根离子等，在试验结束后对不同深度尾砂样品进行测试分析其矿物主量元素，得降雨非饱和入渗过程，水-尾砂-空气相互作用对尾砂及入渗水在垂向及时间维度上的改造过程，探究污染物从尾砂想入渗水中的释放时空过程。为尾砂库污染物的防控方案的设计提供理论依据。
总之，本装置利用降雨模拟系统，模拟不同类型、pH值、降雨量降雨，并均匀的降落至尾砂柱表面，在试验柱体，对尾砂柱进行纵向分区，对每个隔间进行入渗水样及尾砂样品采集，研究降雨非饱和入渗条件下，水-尾砂相互作用的污染物垂向释放过程，对尾砂和入渗水主要成分的改造作用。不仅如此，通过样品采集系统底部出水流量及降雨模拟系统降雨量，可有效改变试验柱体内水位和入渗速度，探究地下水位涨落、包气带厚度改变及不同入渗速度对污染物垂向释放过程的影响程度。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (7)
1.一种基于模拟非饱和入渗污染物垂向释放的装置，其特征在于，该装置包括相互连接的降雨模拟系统、试验柱体以及样品采样系统；其中：
降雨模拟系统包括供水瓶(1)，供水瓶(1)底部设置有出水水管(6)，出水水管(6)上加设可调节流量的蠕动泵(2)，出水水管(6)末端设置有布水器(11)；
试验柱体包括上端开口的柱体(8)，柱体(8)的底部等间距的设置有四个多孔活动隔板(5)，通过四个多孔活动隔板(5)将柱体(8)的底部分隔成五个隔间；每个隔间的四周内壁上均铺设有尼龙纱布(7)；尾砂样品(12)分别设置在隔间内部；
样品采集系统分为剖面样品采集系统及底部样品采集系统；剖面样品采集系统位于柱体(8)侧面，剖面样品采集系统包括四个出水水管(6)，四个出水水管(6)分别设置在上方四个隔间的侧面，每个隔间侧面的出水水管(6)上均设置有阀门(4)，末端设置有样品收集瓶(10)；底部样品采集系统位于柱体(8)底部，底部样品采集系统包括设置最下方隔间底部的出水水管(6)，最下方隔间底部的出水水管(6)上设置有流量计(9)和阀门(4)，末端设置有样品收集瓶(10)；
多孔活动隔板(5)上均匀开设有多个孔洞，通过孔洞结构使水样入渗；通过多孔活动隔板(5)将尾砂样品(12)在垂向上分为五段，五段尾砂样品(12)模拟不同的入渗深度；
柱体(8)上端开口，开口处使装置与空气接触，形成开放体系，构建一个完整的非饱和入渗条件，模型天然包气带环境；柱体(8)内壁打磨为不光滑，填充的尾砂样品(12)经过压实使其填充密度保持一致；
布水器(11)包括末端设置有喷头，喷头包括一根主出水管，主出水管上垂直设置有多根从出水管，从出水管均与主出水管垂直；其中，位于主出水管中垂线位置上的从出水管长度最长，位于中垂线两侧的从出水管长度依次递减；主出水管和从出水管上均匀开设有多个出水管。
2.根据权利要求1所述的基于模拟非饱和入渗污染物垂向释放的装置，其特征在于，供水瓶(1)中配置有稀硫酸、稀硝酸及碳酸溶液。
3.根据权利要求1所述的基于模拟非饱和入渗污染物垂向释放的装置，其特征在于，蠕动泵(2)可调节流量。
4.根据权利要求1所述的基于模拟非饱和入渗污染物垂向释放的装置，其特征在于，尼龙纱布(7)采用100目尼龙纱布。
5.根据权利要求1所述的基于模拟非饱和入渗污染物垂向释放的装置，其特征在于，每个隔间内的尼龙纱布(7)紧密包裹尾砂样品(12)，尼龙纱布(7)与隔间内壁可分离，试验完成后通过尼龙纱布(7)取出尾砂样品(12)。
6.根据权利要求1所述的基于模拟非饱和入渗污染物垂向释放的装置，其特征在于，柱体(8)的上端设置有溢流口(3)。
7.一种采用权利要求1所述的基于模拟非饱和入渗污染物垂向释放的装置的模拟方法，其特征在于,包括以下步骤：
步骤一、模拟天然环境中不同类型，不同酸度，不同降雨量的降雨：根据不同地区环境特征，在供水瓶中配制不同酸度的稀硫酸、稀硝酸及碳酸，模拟不同地区的不同类型，不同酸度的降雨；通过流量可调的蠕动泵，对降雨量进行调节，通过出水管末端的布水器，使降雨均匀的降落至尾砂样品表面；
步骤二、研究入渗过程中不同深度入渗污染物的释放过程：对试验柱体不同高度设置多孔活动隔板，并用100目尼龙纱布对尾砂样品进行装填，装填过程中根据实际情况改变尾砂柱体的孔隙度，并在柱体侧面开设出水水管，对柱体不同深度的尾砂样品和入渗水样进行采集，探究不同孔隙度，不同入渗深度，尾砂-水作用时间对入渗水及尾砂样品主要成分的改造程度，及尾砂中污染物向入渗水中释放的垂向过程和分布规律；
步骤三、模拟包气带中，水-尾砂-空气相互作用情景：本装置中，试验柱体上端开口，达到与外界空气相通的目的，通过控制各个取样阀门的大小，使入渗水在柱体内保持一个稳定的水位，模拟真实尾砂库包气带中水-尾砂-空气三者共存的环境，分析在降雨非饱和入渗过程中尾砂污染物的释放过程；
步骤四、模拟真实环境中地下水水位涨落对非饱和入渗污染物释放过程的影响：通过调节取样阀门大小及降雨模拟装置的蠕动泵流量，对试验柱体内地下水水位高度进行调节，探究不同厚度包气带，对降雨非饱和入渗中污染物垂向释放过程和程度的影响。
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