CN110187059B - 用于地下水井中的原位柱实验模拟系统及模拟方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于地下水井中的原位柱实验模拟系统及模拟方法，该用于地下水井中的原位柱实验模拟系统，包括实验柱装置、取样装置以及进样装置；其中，实验柱装置，内部设置有修复材料和/或含水层砂体，在使用时能够设置在进行实验的实验井中，且位于水位面的下方；其中，所述实验柱装置的底部设置有进水口，顶部设置有出水口，且顶部的出水口与取样装置连接，底部的进水口与进样装置连接。本发明可以维持地下水环境的黑暗及温度条件，同时进水直接采用原状的地下水，维持了地下水化学以及微生物组分，可以综合考虑原位现场各类条件对实验结果的影响，保证过程模拟与修复效果的实际可靠性。
Description
技术领域
本发明属于地下水污染修复技术领域，更具体地涉及一种用于地下水井中的原位柱实验模拟系统及模拟方法。
背景技术
地下水中元素迁移特征与污染治理修复研究常采用柱实验进行小试研究，通过注入特定组分污染物，可以模拟其在地下水中的迁移、降解等特征，通过在实验柱中加入修复材料，注入污染物，可以研究修复材料对污染物的去除效果及影响因素。但是对于地下水而言，室内柱实验条件与实际的环境条件有明显区别，一方面地下是处于黑暗且恒温的环境，另一方面地下水各类水化学组分、微生物群落结构与室内实验用水有明显区别，因此，现有的室内柱实验研究无法真实反映现场地下水的条件，可能对实验结果造成显著影响，造成对元素迁移特征以及污染物降解特性与实际的情况不符，往往需要再次开展现场的原位实验来进行检验。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的之一在于提出一种用于地下水井中的原位柱实验模拟系统及模拟方法，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，提供了一种用于地下水井中的原位柱实验模拟系统，包括实验柱装置、取样装置以及进样装置；其中，
实验柱装置，内部设置有修复材料和/或含水层砂体，在使用时能够设置在进行实验的实验井中，且位于水位面的下方；其中，所述实验柱装置的底部设置有进水口，顶部设置有出水口，且顶部的出水口与取样装置连接，底部的进水口与进样装置连接。
作为本发明的另一个方面，还提供了一种模拟方法，包括如下步骤：
S1：将安装好的所述原位柱实验模拟系统的地下部分没入实验井的井水中；
S2：通过地下进样单元向实验柱装置中原位注入地下水，或者通过地表进样单元向实验柱装置中注入修复药剂或实验污染物溶液；
S3：从实验柱装置顶部采集样品并测试分析。
基于上述技术方案可知，本发明的一种用于地下水井中的原位柱实验模拟系统及模拟方法相对于现有技术至少具有以下优势之一：
1、本发明将原位柱实验模拟装置核心部件(实验柱)直接潜入地下水环境中，可以维持地下水环境的黑暗及温度条件，同时进水直接采用原状的地下水，维持了地下水化学以及微生物组分，可以综合考虑原位现场各类条件对实验结果的影响，保证过程模拟与修复效果的实际可靠性；
2、本发明可以有效解决室内柱实验温度、光照、微生物、水化学条件与地下水环境不一致的状况，一方面可以真实模拟污染物在地下水体系中的迁移转化特征，另一方面可以实地检验地下水修复材料与药剂在地下水原位条件下的适用性，对于研究地下水中元素迁移、污染修复治理均具有广泛的应用前景与价值；
3、本发明通过在实验柱中放置地下含水层中的砂子，进样瓶中放置目标污染物，可以模拟污染物在含水层中的迁移转化特征，通过对蠕动泵进样速率、低流速(0.1-0.3L/min)潜水泵抽水速率的控制，可实现不同地下水流速条件下，污染物迁移转化特征模拟；
4、本发明通过在实验柱中放置修复材料，进样瓶中放置目标污染物，通过对蠕动泵进样速率，低流速潜水泵抽水速率的控制，可以模拟现场原位条件下修复材料对污染物的降解去除能力；
5、本发明通过在实验柱中放置修复材料，进样瓶中放置另一种修复药剂，直接针对地下水中的污染组分，通过对蠕动泵进样速率、低流速潜水泵抽水速率的控制，可以模拟多药剂协同修复地下水的效果；
6、本发明为有效解决室内柱实验存在的模拟条件与地下水环境存在显著差异，进水水质无法保证地下原位水质条件等关键问题，地下水原位环境效应与修复治理柱实验模拟装置实现了实验体系的地下水环境原位环境条件，可以真实模拟地下水中污染组分的运移、修复药剂的实际修复效果。
附图说明
图1为本发明实施例所述的地下水原位柱实验模拟装置的结构示意图。
附图标记说明：
1-支撑基座；2-蠕动泵；3-取样瓶；4-进样瓶；5-支撑杆体；6-进样管路；7-取样管路；8-固定杆；9-实验柱；10-修复材料或者含水层砂体；11-三通阀；12-潜水泵；13-实验井。
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。
本发明公开了一种用于地下水井中的原位柱实验模拟系统，包括实验柱装置、取样装置以及进样装置；其中，
实验柱装置，内部设置有修复材料和/或含水层砂体，在使用时能够设置在进行实验的实验井中，且位于水位面的下方；其中，所述实验柱装置的底部设置有进水口，顶部设置有出水口，且顶部的出水口与取样装置连接，底部的进水口与进样装置连接。
其中，所述进样装置包括用于现场原位取样的地下进样单元，所述地下进样单元与实验井中的地下水连通，用于对实验井中的地下水原位取样；
所述进样装置包括用于添加污染物或修复药剂的地表进样单元，其中地表进样单元设置在地表，通过进样管路与所述实验柱装置底部的进水口连接。
其中，取样装置设置于地表，通过取样管路与所述实验柱装置顶部的出水口连接。
所述原位柱实验模拟系统还包括支撑基座，所述支撑基座固定在地表，且对所述进样装置、取样装置和/或实验柱装置进行支撑。
其中，所述实验柱装置通过支撑杆体及固定在支撑杆体上的固定杆来与所述支撑基座连接，其中所述支撑杆体由若干支杆首尾可拆卸连接形成。
其中，所述支撑杆体由若干支杆首尾通过螺口连接形成。
其中，所述支撑杆体上设置有槽口，槽口内放置有进样管路、取样管路以及取样装置的输电线路。
其中，所述实验柱装置包括一个实验柱、或者多个串联或并联的实验柱组合。
其中，所述实验柱装置底部通过三通阀分别与地下进样单元、地表进样单元连接。
其中，所述地下进样单元为潜水泵，潜水泵与实验柱装置底部连接。
其中，所述地表进样单元包括进样瓶和进样蠕动泵，进样蠕动泵与进样瓶连接。
其中，所述取样单元包括取样瓶和取样蠕动泵，取样蠕动泵与取样瓶连接。
本发明还公开了一种采用所述的原位柱实验模拟系统进行地下水原位实验的模拟方法，包括如下步骤：
S1：将安装好的所述原位柱实验模拟系统的地下部分没入实验井的井水中；
S2：通过地下进样单元向实验柱装置中原位注入地下水，或者通过地表进样单元向实验柱装置中注入修复药剂或实验污染物溶液；
S3：从实验柱装置顶部采集样品并测试分析。
其中，步骤S1中所述原位柱实验模拟系统底部与实验井底部的距离为1-2m。
其中，步骤S3中取出样品的流速大于步骤S2中注入样品的流速。
其中，步骤S2中所述地下进样单元的取样流速为0.1-0.3L/min。
在本发明的一个实施例中，本发明例如采用如下技术方案：一种用于地下水井中的原位柱实验模拟装置，包含潜入实验井中的潜水泵、实验柱以及连接的进样管路和取样管路；地表部分为支撑基座，上面布置有蠕动泵、取样瓶以及进样瓶；地表与地下部分使用支撑杆连接，且进样管路和取样管路随支撑杆一同进入地下与实验柱相连。
在一个优选实施方式中，本发明例如采用如下技术方案：
一种用于地下水井中的原位柱实验模拟装置，包括：潜入水井中的潜水泵、实验柱以及进样管路和取样管路；
地表部分设有支撑基座，上面布置有蠕动泵、取样瓶以及进样瓶；
装置地表与地下部分连接使用的支撑杆。
其中，实验柱、潜水泵、三通阀通过固定杆与支撑杆体连接。
其中，实验柱、潜水泵通过三通阀的其中两个端口连接。
其中，进样管路和取样管路随支撑杆体一同安置于地下，进样瓶、蠕动泵、以及三通阀中的第三个端口通过进样管路连接。
其中，实验柱的顶部出口、蠕动泵、取样瓶通过取样管路连接。
其中，井内的装置部件通过支撑杆体与地表的支撑基座相连。
其中，支撑杆体采用分段式结构，通过螺旋口连接，方便根据需要安装不同长度的支撑杆，同时也有利于运输和储存。
其中，支撑杆体外部设置有槽口，用于放置进样管路、取样管路以及进样系统输电线路、取样系统输电线路。
其中，支撑基座内部槽体中设置取样瓶、进样瓶位置。
其中，支撑基座表面设置蠕动泵放置位置，进样管路、取样管路分别通过表面孔眼与槽体中放置的取样瓶、进样瓶连接。
本发明提供的利用上述原位柱实验模拟装置的实验控制方法是：
通过在实验柱中放置地下含水层中的砂子，进样瓶中放置目标污染物，可以模拟污染物在含水层中的迁移转化特征，通过对蠕动泵进样速率，潜水泵抽水速率的控制，可实现不同地下水流速条件下，污染物迁移转化特征模拟；
通过在实验柱中放置修复材料，进样瓶中放置目标污染物，通过对蠕动泵进样速率，潜水泵抽水速率的控制，可以模拟现场原位条件下修复材料对污染物的降解去除能力。
通过在实验柱中放置修复材料，进样瓶中放置另一种修复药剂，直接针对地下水中的污染组分，通过对蠕动泵进样速率，潜水泵抽水速率的控制，可以模拟多药剂协同修复地下水的效果。
以下结合附图对本发明作详细说明：本发明的用于地下水井中的原位柱实验模拟系统，可以作为地下水原位环境效应与修复治理柱实验模拟系统，包括地表支撑基座1(即支撑基座)、支撑杆体5、地表进样单元、取样装置、可调节流速的潜水泵(即地下进样单元)、实验柱(即实验柱装置)及三通阀等部分组成，具体地：
在实验井13中放置支撑杆体5，上面通过固定杆8固定实验柱9，三通阀11，以及低流速潜水泵11，包含修复材料或者含水层砂体10的实验柱9底部进水口通过三通阀11与地表进样管路6以及潜水泵12连接，实验柱9出水口与地表取样管路7连接，进样管路6与取样管路7以相反方向与蠕动泵2连接，并接入进样瓶4与取样瓶3，进样瓶4与取样瓶3设置于地表支撑基座1内，蠕动泵2固定在地表支撑基座1表面，支撑杆体5连接地表支撑基座1与潜入地下的实验柱9，三通阀11，以及可调节流速的潜水泵12。
装置运行时，地下实验部件全部淹没进入地下水位面以下且尽量处于实验井13底部1-2m，防止底部有泥沙沉积影响水的浑浊度及实验效果。
开展污染物在含水层运移过程中迁移转化特征时，进样瓶中加入污染物，连同潜水泵抽取的地下水进入实验柱，或者在地下水中存在目标污染物时，地表进样装置不进样，仅通过潜水泵注入地下水进实验柱中；进样体系输入的样品通过三通阀进入实验柱中的含水层砂体中，通过地表的取样系统，采集不同时间的实验样品进行分析测试，研究污染物在现场原位条件下在含水层砂体中的迁移转化规律。
开展修复材料与药剂修复效果验证时，实验柱中放置修复材料，进样系统可以输入另一种修复药剂，当地下水中不存在目标污染物时也可以输入目标污染物。当存在多种修复材料时，实验柱也可以根据实际情况进行串联或并联设计。
本实施例中采用可调节流速潜水泵，一般设置为0.1L/min到0.3L/min，蠕动泵流速设置时略高于潜水泵流速，以保证整体进水管路与出水管路循环流畅。
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 (13)
1.一种用于地下水井中的原位柱实验模拟系统，包括实验柱装置、取样装置以及进样装置；其特征在于，
实验柱装置，内部设置有修复材料和/或含水层砂体，在使用时能够设置在进行实验的实验井中，且位于水位面的下方；其中，所述实验柱装置的底部设置有进水口，顶部设置有出水口，且顶部的出水口与取样装置连接，底部的进水口与进样装置连接；
所述进样装置包括用于现场原位取样的地下进样单元，所述地下进样单元与实验井中的地下水连通，用于对实验井中的地下水原位取样；
所述进样装置包括用于添加污染物或修复药剂的地表进样单元，其中地表进样单元设置在地表，通过进样管路与所述实验柱装置底部的进水口连接。
2.根据权利要求1所述的原位柱实验模拟系统，其特征在于，
取样装置设置于地表，通过取样管路与所述实验柱装置顶部的出水口连接；
所述原位柱实验模拟系统还包括支撑基座，所述支撑基座固定在地表，且对所述进样装置、取样装置和/或实验柱装置进行支撑。
3.根据权利要求2所述的原位柱实验模拟系统，其特征在于，
所述实验柱装置通过支撑杆体及固定在支撑杆体上的固定杆来与所述支撑基座连接，其中所述支撑杆体由若干支杆首尾可拆卸连接形成。
4.根据权利要求3所述的原位柱实验模拟系统，其特征在于，
所述支撑杆体由若干支杆首尾通过螺口连接形成。
5.根据权利要求3所述的原位柱实验模拟系统，其特征在于，
所述支撑杆体上设置有槽口，槽口内放置有进样管路、取样管路以及取样装置的输电线路。
6.根据权利要求1所述的原位柱实验模拟系统，其特征在于，
所述实验柱装置包括一个实验柱、或者多个串联或并联的实验柱组合。
7.根据权利要求1所述的原位柱实验模拟系统，其特征在于，
所述实验柱装置底部通过三通阀分别与地下进样单元、地表进样单元连接。
8.根据权利要求7所述的原位柱实验模拟系统，其特征在于，
所述地下进样单元为潜水泵，潜水泵与实验柱装置底部连接。
9.根据权利要求1所述的原位柱实验模拟系统，其特征在于，
所述地表进样单元包括进样瓶和进样蠕动泵，进样蠕动泵与进样瓶连接。
10.根据权利要求1所述的原位柱实验模拟系统，其特征在于，
所述取样装置包括取样瓶和取样蠕动泵，取样蠕动泵与取样瓶连接。
11.一种采用权利要求2-10任一项所述的原位柱实验模拟系统进行地下水原位实验的模拟方法，包括如下步骤：
S1：将安装好的所述原位柱实验模拟系统的地下部分没入实验井的井水中；
S2：通过地下进样单元向实验柱装置中原位注入地下水，或者通过地表进样单元向实验柱装置中注入修复药剂或实验污染物溶液；
S3：从实验柱装置顶部采集样品并测试分析。
12.根据权利要求11所述的模拟方法，其特征在于，
步骤S1中所述原位柱实验模拟系统底部与实验井底部的距离为1-2m；
步骤S3中取出样品的流速大于步骤S2中注入样品的流速。
13.根据权利要求11所述的模拟方法，其特征在于，
步骤S2中所述地下进样单元的进样流速为0.1-0.3L/min。
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