CN110068662B - 模拟地下水含氧量梯度分布的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种模拟地下水含氧量梯度分布的装置，其包括无氧水供给和流速调控装置、调容结构、沙土箱，无氧水供给和流速调控装置通过橡胶管连接至沙土箱，调容结构置于沙土箱之间且连接在一起，无氧水供给和流速调控装置中的第一玻璃组件通过带阀门的连通管与第二玻璃组件相连，调容结构包括支撑杆，支撑杆位于调容结构的上部从而进行支撑，沙土箱包括采集孔、前面板、后面板、底板、紧固螺栓结构和榫接式结构；本发明的装置充分考虑了不同含氧量的地下水环境，不同的地下水流速，同时该装置构造简单，功能较多，设计合乎实际需求，适合于多种模拟区域，能够反复利用，而且可拓展性大，后续的进一步改良有较好的前期基础，便于广泛应用于研究。
Description
技术领域
本发明属于水质设备技术领域，具体涉及一种污染物在二维空间中的运移试验的模拟装置，尤其是涉及二维空间中地下污染物运移过程中受到地下水中氧气含量和流速影响的模拟装置。
背景技术
地下水是我国水资源的重要组成部分，但随着我国经济的高速发展，这些年来我国地下水质污染越来越严峻。研究表明，地下水污染越来越严重，同时也日趋复杂，污染的程度与深度也逐渐增加。然而，地下水的运移规律由于地下环境的复杂性、周期长和尺度大等因素难以直观地展现。而研究污染物在地下环境中运移规律问题以及不同含氧量地下水作用下污染物的运移规律对于地下水环境的评定能够提供科学依据，为进一步的地下水污染修复能够提供技术保障。
目前，国内实验室用的地下水模型较为简单，一般为一维土柱或者是较为简单的二维模型装置，应用此类模型能直观地研究地下水环境中的污染物迁移规律，是探究污染物运移与沉降的有效手段。但是，此类模型考虑的作用因素较为简单，这类装置研究略有不足，具体存在以下几处问题：
第一、忽略了地下水中不同深度处氧气含量变化的问题，在饱和带中和非饱和带中会产生含氧量不同的环境，对于部分污染物，其在不同含氧量的地下水环境中的迁移规律差异较大。
第二、装置模拟情形较少，传统装置不能根据试验需要调整模型综合考虑各种研究区域。
第三、仅一维土柱模型存在明显不足，诸如土体的各向异性，污染物的渗透扩散等情况无法体现。
第四、地下水流速不可控。以往的模型装置未曾准确把控地下水流速问题，地下水与污染物在试验装置中会受到波动的水流流速的影响造成试验的误差较大。
第五、模型没有改进空间。现有模型多数只能应用于同种研究，不能重复使用，随着研究的进行，模型参数需要不断地调整，现有模型无法满足。
发明内容
针对现有技术中的不足，本发明的目的是提供一种模拟地下水含氧量梯度分布的装置。
为达到上述目的，本发明的解决方案是：
一种模拟地下水含氧量梯度分布的装置，其包括无氧水供给和流速调控装置、调容结构、沙土箱，无氧水供给和流速调控装置通过橡胶管连接至沙土箱，调容结构置于沙土箱之间且连接在一起。
无氧水供给和流速调控装置包括第一玻璃组件和第二玻璃组件，第一玻璃组件通过带阀门的连通管与第二玻璃组件相连，第一玻璃组件由玻璃管、第一橡胶塞、带阀门的脱氧剂添加管、带阀门的进水管和滤网膜组成，第一橡胶塞置于第一玻璃组件的顶部，玻璃管从第一橡胶塞中间穿过，带阀门的脱氧剂添加管和带阀门的进水管均位于第一玻璃组件的同侧部，且带阀门的进水管位于带阀门的脱氧剂添加管的上侧，滤网膜置于第一玻璃组件的底部，带阀门的脱氧剂添加管位于滤网膜的上侧；第二玻璃组件由若干个带阀门的出水管、带阀门的导气管、第二橡胶塞、排水管和透水石组成，带阀门的导气管从第二橡胶塞中间穿过，第二橡胶塞置于第二玻璃组件的顶部，排水管置于第二玻璃组件的底部，带阀门的出水管位于第二玻璃组件的同侧部，第二玻璃组件的底部填充透水石。
调容结构包括支撑杆，支撑杆位于调容结构的上部。
沙土箱包括采集孔、前面板、后面板和底板。
进一步地，若干个带阀门的出水管的高度不同，从而用来调控向调容结构和沙土箱的出液流速。
进一步地，调容结构和沙土箱通过紧固螺栓结构和榫接式结构相连接。
进一步地，调容结构和沙土箱连接后的固定模型的内部长度为800mm，内部宽度为80mm，内部高度为500mm。
进一步地，调容结构、前面板、后面板和底板的材质均为有机玻璃。
进一步地，前面板和后面板上均设有采集孔，采集孔的孔径为6mm，采集孔之间的水平间距为100mm，采集孔之间的竖直间距为80mm。
进一步地，第一玻璃组件的内径为175mm，外径为185mm，高度为300mm；带阀门的脱氧剂添加管的内径为30mm，带阀门的脱氧剂添加管距第一玻璃组件顶部为200mm；带阀门的进水管的内径为40mm，带阀门的进水管距第一玻璃组件顶部为50mm；滤网膜距第一玻璃组件底部为50mm，放置滤网膜的环台的宽度为10mm。
进一步地，第二玻璃组件的内径为175mm，外径为185mm，高度为300mm；带阀门的出水管的内径为30mm，带阀门的出水管距第二玻璃组件的顶部分别为100mm和200mm，排水管的内径为30mm。
由于采用上述方案，本发明的有益效果是：
第一、本发明能够进行地下水体因分层导致含氧量不同的条件下污染物迁移、降解的相关试验并采集试验水体进行水质分析；也可以更好地控制地下水不同流速的特性，模拟多种情形复杂流态下污染物在地下水中的运移情况，提供高效观测途径。
第二、本发明考虑了传统装置较少涉及的地下水含氧量的问题，通过加入脱氧剂的第一玻璃组件以模拟不同地下水环境中不同含氧量的地下水，从而研究不同程度下污染物迁移扩散的规律；另外，本发明考虑了地下水流速这一影响因素，通过第二玻璃组件调控水头差形成稳定的出流流速，可以避免因出流流速不同而引起的试验误差。
第三、本发明的调容结构与沙土箱形成的固定模型装置具备较大的操作性：在该模型侧边设置孔洞，可随时取样，能够实时对试验水样进行观测统计，以便对不同水文区域追踪调查，从而研究沿程水力特性及污染物运移特征等；同时孔洞可以进行升级改造，进行局部重金属污染，无氧地下水的情形的模拟；此外，该模型结构简单，拼装与拆卸都很便利，不仅内部土样填充较为简便，而且能够获取各分层最终土样，能够附加研究时调整各种土样对于污染物吸附量与种类等要素；同时通过对该模型的组装和拆卸，实现模拟不同场地尺寸的试验，通过添加外部装置，实现模型的多功能性，反复利用，从而提高模型的利用率。
第四、本发明的调容结构可按需调整，从而调配模型内部空间大小，后续提升空间，以满足试验对于不同水文区域的空间要求。
附图说明
图1为本发明的模拟地下水含氧量梯度分布的装置的结构示意图。
图2为本发明的无氧水供给和流速调控装置的结构示意图。
图3为本发明的调容结构的示意图。
图4为本发明的沙土箱和调容结构的榫接式结构的示意图。
附图标记：1-无氧水供给和流速调控装置、2-滤网膜、3-带阀门的脱氧剂添加管、4-带阀门的进水管、5-第一橡胶塞、6-玻璃管、7-第一玻璃组件、8-第二橡胶塞、9-带阀门的出水管、10-带阀门的连通管、11-带阀门的导气管、12-排水管、13-第二玻璃组件、14-透水石、15-沙土箱、16-采集孔、17-前面板、18-橡胶管、19-调容结构、20-支撑杆、21-底板、22-后面板、23-紧固螺栓结构和24-榫接式结构。
具体实施方式
本发明提供了一种模拟地下水含氧量梯度分布情况下的平板式二维地下水水质模型的装置，该模型装置充分考虑了不同含氧量的地下水环境，不同的地下水流速，同时该装置构造简单，功能较多，设计合乎实际需求，适合于多种模拟区域，能够反复利用，而且可拓展性大，后续的进一步改良有较好的前期基础，便于广泛应用于研究。
如图1所示，本发明的模拟地下水含氧量梯度分布的装置包括无氧水供给和流速调控装置1、调容结构19、沙土箱15，无氧水供给和流速调控装置1通过橡胶管18连接至沙土箱15，调容结构19置于沙土箱15之间且连接在一起。
如图2所示，无氧水供给和流速调控装置1包括第一玻璃组件7和第二玻璃组件13，第一玻璃组件7通过带阀门的连通管10与第二玻璃组件13相连，第一玻璃组件7由玻璃管6、第一橡胶塞5、带阀门的脱氧剂添加管3、带阀门的进水管4和滤网膜2组成，以便形成无氧地下水。第一橡胶塞5置于第一玻璃组件7的顶部，玻璃管6从第一橡胶塞5中间穿过，带阀门的脱氧剂添加管3和带阀门的进水管4均位于第一玻璃组件7的同侧部，且带阀门的进水管4位于带阀门的脱氧剂添加管3的上侧，滤网膜2置于第一玻璃组件7的底部，带阀门的脱氧剂添加管3位于滤网膜2的上侧，便于脱氧剂耗尽时可随时添加脱氧剂，滤网膜2则能有效截留脱氧剂，从而避免脱氧剂随着地下水进入后续的沙土箱15中；第二玻璃组件13由若干个带阀门的出水管9、带阀门的导气管11、第二橡胶塞8、排水管12和透水石14组成，第二玻璃组件13和第一玻璃组件7结合起来用以调控流向调容结构19和沙土箱15的出流液流速，带阀门的导气管11从第二橡胶塞8中间穿过，从而向第二玻璃组件13内导入不同体积氮气形成不同高度的上部无氧空间，与带阀门的出水管9形成不同的水头差，为出流液提供不同的稳定流速，从而减少因地下水水流流速紊乱引起的干扰。第二橡胶塞8置于第二玻璃组件13的顶部，排水管12置于第二玻璃组件13的底部，若干个不同高度的带阀门的出水管9位于第二玻璃组件13的同侧部，带阀门的出水管9和排水管12位于第二玻璃组件13的异侧，第二玻璃组件13的底部填充透水石14作为内芯，透水石14的厚度为10mm，以达到良好均匀的流动水流，从而保持良好的水力性能。
如图3所示，调容结构19包括支撑杆20，支撑杆20位于调容结构19的上部从而进行支撑，还包括便于装卸的榫接式结构24的卡槽和紧固螺栓结构23，可以用于模拟不同容积大小地下水土壤环境的情形，从而方便模拟不同范围试验场地的研究。
沙土箱15包括采集孔16、前面板17、后面板22和底板21，还包括紧固螺栓结构23和榫接式结构24，从而可实时监测模型内部水力与水质变化的情况。
在本发明的具体实施例中，带阀门的出水管9的高度不同，从而用来调控向调容结构19和沙土箱15的出液流速。
在本发明的具体实施例中，如图4所示，调容结构19和沙土箱15通过紧固螺栓结构23和榫接式结构24相连接，拼接牢固，不扰动环境因素。
在本发明的具体实施例中，调容结构19和沙土箱15连接后的固定模型的内部长度为800mm，内部宽度为80mm，内部高度为500mm，便于控制空间尺度效应，减轻边界条件的影响。
在本发明的具体实施例中，调容结构19、前面板17、后面板22和底板21的材质均为有机玻璃，前面板17、后面板22、底板21通过紧固螺栓结构23、榫接式结构24与调容结构9连接，共同构成了模拟地下水环境四大组件的固定模型装置，其拼装工作量少，易于调整，从而便于安装和拆卸，其中，前面板17和后面板22的厚度均为20mm。
在本发明的具体实施例中，前面板17和后面板22上均设有采集孔16(或观测孔、取样孔)，总共构成60个观测与取样的污染源，采集孔16的孔径为6mm，采集孔16之间的水平间距为100mm，采集孔16之间的竖直间距为80mm，均可以用来取样、测压，注入污染物形成点污染源，以便实时监测地下水与污染物运移的相关现象。
在本发明的具体实施例中，第一玻璃组件7的内径为175mm，外径为185mm，高度为300mm；带阀门的脱氧剂添加管3的内径为30mm，带阀门的脱氧剂添加管3距第一玻璃组件7顶部为200mm；带阀门的进水管4的内径为40mm，带阀门的进水管4距第一玻璃组件7顶部为50mm；滤网膜2距第一玻璃组件7底部为50mm，放置滤网膜2的环台的宽度为10mm。
在本发明的具体实施例中，第二玻璃组件13的内径为175mm，外径为185mm，高度为300mm；带阀门的出水管9的内径为30mm，带阀门的出水管9距第二玻璃组件13的顶部分别为100mm和200mm，排水管12的内径为30mm。
以下结合实施例对本发明作进一步的说明。
实施例：
氯化铵迁移转化试验
1.备土：根据试验要求在不同深度对土壤进行采样，然后在实验室内进行土壤处理后将土壤风干，进行筛选，测定容重、氨氮含量、均匀系数、曲率系数、孔隙度、干密度、渗透系数和pH值；
2.装配：将第一玻璃组件7和第二玻璃组件13通过带阀门的连通管10连接起来，通过紧固螺栓结构23、榫接式结构24将沙土箱15中的前面板17、后面板22、底板21和调容结构19锚固成整体；
3.饱和填土：将处理后的土壤分每4cm一层填充，填充时始终保持水漫过土壤，确保土壤中填充没有气泡，用木棒进行夯实，保证填土时能使土壤内部性质均一；
4.排气：通过带阀门的脱氧剂添加管3加入适量的脱氧剂，然后关闭带阀门的脱氧剂添加管3、排水管12、带阀门的出水管9，打开带阀门的进水管4、带阀门的连通管10和带阀门的导气管11上的阀门，将第一玻璃组件7放置的比第二玻璃组件13略高，通过带阀门的进水管4注入足量水使得第一玻璃组件7和第二玻璃组件13中充满水，停止注水，关闭带阀门的导气管11；
5.调节流速：用橡胶管18将沙土箱15与带阀门的出水管9中的任意口连接，根据需要通过带阀门的导气管11向第二玻璃组件13里注入适量氮气，调控第二玻璃组件13内部液面高度；同时打开带阀门的进水管4，通过玻璃管6注入合适流速的水，该流速能保证第一玻璃组件7中液面高度始终与带阀门的进水管4下端齐平；打开带阀门的出水管9，稳定流速的水流向调容结构19和沙土箱15；
6.污染物注入：注水30min后，在沙土箱15的前面板17或后面板22的任一采集孔16的孔洞注入1L、1g/L的氯化铵溶液；
7.采样：随后在不同孔洞处，每隔5min用针管取出待测液收集起来，并按规律整理，在待测液中加入甲醛溶液，百里酚指示剂，用氢氧化钠溶液滴定，测算出氯化铵浓度；
8.待试验完成后，排空装置内的液体，有序地将仪器拆卸下来，收集图样，进行后续试验分析。
上述对实施例的描述是为了便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用本发明。熟悉本领域技术人员显然可以容易的对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中，而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例。本领域技术人员根据本发明的原理，不脱离本发明的范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (1)
1.一种模拟地下水含氧量梯度分布的装置，其特征在于：其包括无氧水供给和流速调控装置(1)、调容结构(19)、沙土箱(15)，所述无氧水供给和流速调控装置(1)通过橡胶管(18)连接至所述沙土箱(15)，所述调容结构(19)置于所述沙土箱(15)之间且连接在一起；
所述无氧水供给和流速调控装置(1)包括第一玻璃组件(7)和第二玻璃组件(13)，所述第一玻璃组件(7)通过带阀门的连通管(10)与所述第二玻璃组件(13)相连，所述第一玻璃组件(7)由玻璃管(6)、第一橡胶塞(5)、带阀门的脱氧剂添加管(3)、带阀门的进水管(4)和滤网膜(2)组成，所述第一橡胶塞(5)置于所述第一玻璃组件(7)的顶部，所述玻璃管(6)从所述第一橡胶塞(5)中间穿过，所述带阀门的脱氧剂添加管(3)和所述带阀门的进水管(4)均位于所述第一玻璃组件(7)的同侧部，且所述带阀门的进水管(4)位于所述带阀门的脱氧剂添加管(3)的上侧，所述滤网膜(2)置于所述第一玻璃组件(7)的底部，所述带阀门的脱氧剂添加管(3)位于所述滤网膜(2)的上侧；所述第二玻璃组件(13)由若干个带阀门的出水管(9)、带阀门的导气管(11)、第二橡胶塞(8)、排水管(12)和透水石(14)组成，所述带阀门的导气管(11)从所述第二橡胶塞(8)中间穿过，所述第二橡胶塞(8)置于所述第二玻璃组件(13)的顶部，所述排水管(12)置于所述第二玻璃组件(13)的底部，所述带阀门的出水管(9)位于所述第二玻璃组件(13)的同侧部，所述第二玻璃组件(13)的底部填充透水石(14)；
所述调容结构(19)包括支撑杆(20)，所述支撑杆(20)位于所述调容结构(19)的上部；
所述沙土箱(15)包括采集孔(16)、前面板(17)、后面板(22)和底板(21)；
若干个所述带阀门的出水管(9)的高度不同，从而用来调控向所述调容结构(19)和所述沙土箱(15)的出液流速；
所述调容结构(19)和所述沙土箱(15)通过紧固螺栓结构(23)和榫接式结构(24)相连接；
所述调容结构(19)和所述沙土箱(15)连接后的固定模型的内部长度为800mm，内部宽度为80mm，内部高度为500mm；
所述调容结构(19)、所述前面板(17)、所述后面板(22)和所述底板(21)的材质均为有机玻璃；
所述前面板(17)和所述后面板(22)上均设有采集孔(16)，所述采集孔(16)的孔径为6mm，所述采集孔(16)之间的水平间距为100mm，所述采集孔(16)之间的竖直间距为80mm；
所述第一玻璃组件(7)的内径为175mm，外径为185mm，高度为300mm；所述带阀门的脱氧剂添加管(3)的内径为30mm，所述带阀门的脱氧剂添加管(3)距所述第一玻璃组件(7)顶部为200mm；所述带阀门的进水管(4)的内径为40mm，所述带阀门的进水管(4)距所述第一玻璃组件(7)顶部为50mm；所述滤网膜(2)距所述第一玻璃组件(7)底部为50mm，放置所述滤网膜(2)的环台的宽度为10mm；
所述第二玻璃组件(13)的内径为175mm，外径为185mm，高度为300mm；所述带阀门的出水管(9)的内径为30mm，所述带阀门的出水管(9)距所述第二玻璃组件(13)的顶部分别为100mm和200mm，所述排水管(12)的内径为30mm。
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