CN111239009A - 污染场地中溶质饱和/非饱和迁移模型试验系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种污染场地中溶质饱和/非饱和迁移模型试验系统，包括压力系统、试样槽、淋滤系统、监测系统和污染液收集系统。压力系统包括气罐、气压泵和气阀，通过储液区上方给液管与试样槽相连；淋滤系统包括钢架、PC耐力板侧壁、外部溶液装置、测试溶液流通管道、蓬头、光照装置、温湿度监测器和风向调节器，可模拟实际淋滤工况，向试样槽喷淋测试溶液；监测系统包括试样物理量测量装置与数据分析装置，通过试样槽侧面预留孔与试样槽相连。本发明能探究渗流作用下土体的非饱和特性，模拟不同原位修复方式下污染场地有机和无机污染物在饱和带和非饱和带的分布特征，对污染场地治理和岩土工程设计有重要指导意义。

Description

污染场地中溶质饱和/非饱和迁移模型试验系统
技术领域
本发明涉及地质工程及环境岩土工程技术领域，特别涉及一种污染场地中溶质饱和/非饱和迁移模型试验系统。
背景技术
近年来，在城市化不断发展的同时，我国土壤、地下水环境污染问题突出。2014年公布的《全国土壤污染状况调查公报》中指出，我国土壤污染问题不容乐观，主要表现为无机型污染，如重金属物质等；其次为有机型污染，以氯化溶剂和烃类燃料等非水相流体(NAPLs)为主。重金属物质在地下环境中发生吸附、对流和弥散作用，NAPLs在地下环境中发生对流、弥散、吸附和降解作用，这些污染物随着水和气体的迁移在土壤中扩散，并随着生物圈循环返回到人类日常生活中，最终危害人类的健康。
重金属离子通过降雨和地下水渗流的影响进入地下环境后，会影响土壤中孔隙水的性质，并与粘土颗粒扩散双电层(DDL)中的离子发生吸附作用，改变土的微观结构，从而影响土体的电导率。而对于NAPLs，其渗入地下之后，受重力和毛细力的影响而迁移，其迁移形式为不混溶流体的驱替流动，且常见的NAPLs的介电常数值通常为2-10，与土壤中其他物质有较明显区别(水：81；空气：1；土中矿物颗粒：4-5)。上述污染物的迁移过程受到土体化学环境的影响，如：(1)pH，较低的pH会减小土体对重金属离子的吸附留滞作用，促进重金属离子在土体中的迁移；较高的pH会导致粘土颗粒集聚体外围伊利石的产生，影响土体的抗剪强度。(2)土中可溶盐离子，这些离子与重金属离子间存在竞争吸附作用，影响土对重金属离子的吸附，同时还会影响土中胶体的性质。由于这些因素的影响，原位土体中污染物的迁移成为一个复杂的水-力-化耦合问题。
污染场地土层结构中，位于上层的非饱和带对污染物竖向迁移有一定的阻滞作用，在污染物横向迁移过程中，土壤中饱和带与非饱和带间的分界面随时间不断发生变化，因此污染物的迁移实际上还是一个在空间和时间上变化的饱和/非饱和问题。
现今国内外常采用粘土工程屏障对污染场地进行修复，但其在复杂因素作用下存在失效的问题，给岩土工程设计者带来困扰。目前新型修复方式有：植物修复、微生物修复以及纳米零价铁修复等。要了解这些修复方式的实际效果，便需要探究污染物在土壤剖面和地下水中的分布。通常用于确定污染物分布的试验方法需要开展钻孔、取土样、安装监测井、收集地下水样品等工作。但上述方法存在成本高、流程复杂、无法实时测量的问题，因此，学者们逐渐将目光转向时域反射(TDR)等一些通过测量土体电导率来间接反映污染物浓度的技术。
针对上述问题，急需一种能精确测量各测点物理(温度、应力、变形等)、水力(渗透系数等)及电学(电导率等)参数的变化、考虑污染场地土体水-力-化耦合条件作用、贴合实际工程状况的试验系统；但目前少有对于上述问题较为完备的研究，也缺少能对上述问题系统性研究的模型试验系统。
发明内容
本发明提供了一种污染场地中溶质饱和/非饱和迁移模型试验系统，其目的是为了解决现有技术在污染场地土体在水-力-化耦合条件以及实际工况条件作用下较难测定热学、电学、力学、渗透、弥散参数的问题。
为了达到上述目的，本发明的实施例提供了一种污染场地中溶质饱和/非饱和迁移模型试验系统，包括：
压力系统、试样槽、淋滤系统、监测系统和污染液收集系统；
所述试样槽为一容器结构，所述试样槽包括储液区和盛土区，所述试样槽位于所述盛土区的外壁在横向及纵向上均匀开设有多个一类预留孔、二类预留孔和三类预留孔，所述储液区和盛土区之间活动地设置有一泄水阀，所述泄水阀将所述储液区和盛土区隔离，所述盛土区顶部活动地安装有一顶盖，所述储液区的顶部设置有给液管和排气阀；所述压力系统通过所述给液管与所述储液区连接，所述压力系统用于向所述试样槽施加压力；所述淋滤系统用于向所述盛土区喷淋溶液；所述污染液收集系统与所述盛土区的尾部和底部连接，所述污染液收集系统用于收集所述盛土区排出的废液；所述监测系统包括试样物理量测量装置与数据分析装置，所述监测系统用于监测分析试验数据。
其中，所述压力系统包括气罐、气压泵和气阀，所述气罐、气压泵和气阀依次连接，所述气阀连接所述给液管向所述试样槽施加压力。
其中，所述储液区的内部用于放置测试溶液，所述测试溶液由所述给液管输入至所述储液区的内部。
其中，所述试样槽的外壁设置有竖向刻度纸和横向刻度纸，所述竖向刻度纸和所述横向刻度纸用于观测所述盛土区浸润后的浸润线。
其中，所述盛土区内设置有孔径不同的钢丝网，所述钢丝网将所述盛土区分隔为未污染区、修复区和粘土工程屏障区。
其中，所述淋滤系统包括钢架、外部溶液装置、测试溶液流通管道和多个蓬头，所述钢架为中空结构，所述测试溶液流通管道穿过所述钢架设置，所述外部溶液装置内部设置有液泵，所述测试溶液流通管道一端连通所述液泵，所述测试溶液流通管道的另一端连通多个所述蓬头，多个所述蓬头设置在所述盛土区上方。
其中，所述钢架上还安装有多个光照装置，所述钢架下方通过铰链设置有多个PC耐力板侧壁，所述PC耐力板侧壁上设置有温湿度监测器和风向调节器，所述光照装置通过设置在所述钢架内部的线路与一照明控制装置电连接。
其中，所述试样物理量测量装置包括电导率测定装置、温度传感器、应变传感器与湿度传感器，所述电导率测定装置包括TDR探头、同轴电缆、TDR测试仪和PDA记录装置；所述温度传感器、所述应变传感器和所述湿度传感器用同轴缆线包裹，通过所述二类预留孔埋入所述试样槽内的压实土体中；所述TDR探头通过所述三类预留孔埋入所述试样槽内的压实土体中。
其中，所述试样槽的底部设置多个底部出液管，所述试样槽的尾部设置有尾部出液管，所述污染液收集系统可通过所述底部出液管和所述尾部出液管与所述试样槽的底部和尾部相连，所述污染液收集系统可通过软管与所述一类预留孔配合连接所述试样槽。
其中，所述盛土区上方设置有植被层。
本发明的上述方案有如下的有益效果：
(1)本发明提供的试验系统可模拟污染物在地下饱和带和非饱和带的迁移过程，可通过试样槽上的竖向刻度纸和横向刻度纸观测浸润线的变化过程；
(2)本发明提供的试验系统通过淋滤系统和储液区分别模拟降水补给和源头补给的方式，从而模拟有机、无机污染物侵入土体；其中源头补给通过压力系统将储液区溶液压送入盛土区的土壤中，其中降水补给采用的淋滤系统可以通过液泵、光照装置、温湿度监测器和风向调节器分别控制降水量、光照、温度和风向，能较大程度地模拟现场环境实际工程情况；
(3)本发明采用TDR探头及TDR测试仪测量土体电导率，从而求得土壤某点的含水率或该点处污染物浓度；由于试样槽外壁的水平和竖直方向上均开设有一类预留孔、二类预留孔和三类预留孔，可用于反映污染物在土壤中的二维渗流规律。由于设置温度传感器、应变传感器和湿度传感器，可通过相对湿度求取土中吸力，与TDR探头和TDR测试仪获取的含水率结合，绘制土水特征曲线，并计算非饱和渗透系数，研究土壤的非饱和特性。
(4)本发明通过改变试验槽顶层土的填筑材料，模拟植物修复的工况，通过改变未污染区、修复区和粘土工程屏障区的填筑材料，从而模拟纳米零价铁修复、微生物修复污染土和粘土工程屏障治理的工况。
本发明能探究渗流作用下土体的非饱和特性，模拟不同原位修复方式下污染场地有机和无机污染物在饱和带和非饱和带的分布特征，对污染场地治理和岩土工程设计有重要指导意义。
附图说明
图1为本发明的污染场地中溶质饱和/非饱和迁移模型试验系统的结构示意图；
图2为本发明的污染场地中溶质饱和/非饱和迁移模型试验系统的淋滤结构示意图；
图3为本发明的污染场地中溶质饱和/非饱和迁移模型试验系统的监测系统结构示意图。
【附图标记说明】
1-压力系统；2-试样槽；3-淋滤系统；4-监测系统；5-污染液收集系统；6-植被层；101-气罐；102-气压泵；103-气阀；201-储液区；202-盛土区；203-一类预留孔；204-二类预留孔；205-三类预留孔；206-泄水阀；207-顶盖；208-给液管；209-排气阀；210-竖向刻度纸；211-横向刻度纸；212-浸润线；213-钢丝网；214-未污染区；215-修复区；216-粘土工程屏障区；301-钢架；302-外部溶液装置；303-测试溶液流通管道；304-蓬头；305-液泵；306-光照装置；307-铰链；308-PC耐力板侧壁；309-温湿度监测器；310-风向调节器；311-照明控制装置；401-数据分析装置；402-电导率测定装置；403-温度传感器；404-应变传感器；405-湿度传感器；406-TDR探头；407-同轴电缆；408-TDR测试仪；409-PDA记录装置；501-底部出液管；502-尾部出液管。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明针对现有技术缺少考虑污染场地土体水-力-化耦合条件作用并且贴合实际工程状况的用于测定热学、电学、力学、渗透、弥散参数的试验模型系统的问题，提供了一种污染场地中溶质饱和/非饱和迁移模型试验系统。
如图1和图3所示，本发明的实施例提供了一种污染场地中溶质饱和/非饱和迁移模型试验系统，包括：压力系统1、试样槽2、淋滤系统3、监测系统4和污染液收集系统5；所述试样槽2为一容器结构，所述试样槽2包括储液区201和盛土区202，所述试样槽2位于所述盛土区202的外壁在横向及纵向上均匀开设有多个一类预留孔203、二类预留孔204和三类预留孔205，所述储液区201和盛土区202之间活动地设置有一泄水阀206，所述泄水阀206将所述储液区201和盛土区202隔离，所述盛土区202顶部活动地安装有一顶盖207，所述储液区201的顶部设置有给液管208和排气阀209；所述压力系统1通过所述给液管208与所述储液区201连接，所述压力系统1用于向所述试样槽2施加压力；所述淋滤系统3用于向所述盛土区202喷淋溶液；所述污染液收集系统5与所述盛土区202的尾部和底部连接，所述污染液收集系统5用于收集所述盛土区202排出的废液；所述监测系统4包括试样物理量测量装置与数据分析装置401，所述监测系统4用于监测分析试验数据。
本发明上述实施例所述的污染场地中溶质饱和/非饱和迁移模型试验系统，所述试样槽2分为所述盛土区202及储液区201，两者之间通过所述泄水阀206隔离，所述储液区201用于储存试验用溶液，所述盛土区202盛放有试验土样，通过抬升所述泄水阀206能够使得所述盛土区202与储液区201连通，致使所述储液区201中的溶液渗入所述盛土区202内；所述压力系统1用于向所述储液区201提供压力，所述压力系统1通过所述给液管208施加压力，在施加压力时关闭所述排气阀209，所述储液区201的溶液会被压力压送进所述盛土区202的土样中，通过所述压力系统1和储液区201可以模拟溶液源头补给方式；所述盛土区202上方活动地安装有所述顶盖207，所述顶盖207通过螺栓可拆卸安装，所述盛土区202上方设置有所述淋滤系统3，当打开所述顶盖207后，所述淋滤系统3能够用于模拟降水补给的溶液施加方式；所述监测系统4包括试样物理量测量装置与数据分析装置401，并通过所述二类预留孔204和三类预留孔205探入所述试样槽2内监测分析试验数据；所述污染液收集系统5用于收集从所述盛土区202滤出的废液。
其中，所述压力系统1包括气罐101、气压泵102和气阀103，所述气罐101、气压泵102和气阀103依次连接，所述气阀103连接所述给液管208向所述试样槽2施加压力。
其中，所述储液区201的内部用于放置测试溶液，所述测试溶液由所述给液管208输入至所述储液区201的内部。
本发明上述实施例所述的污染场地中溶质饱和/非饱和迁移模型试验系统，所述储液区201内部的试验溶液由所述给液管208输入，在输入时需要打开所述排气阀209，从而让溶液进入所述储液区201时能排空气体稳定内部压力；所述气罐101、所述气压泵102和所述气阀103依次连接，来自所述气罐101的压力气体会由所述气压泵102泵入所述气阀103，再经由所述给液管208泵送进所述储液区201，在泵送气体时需要封闭所述排气阀209，从而使所述储液区201内部产生压力。
其中，所述试样槽2的外壁设置有竖向刻度纸210和横向刻度纸211，所述竖向刻度纸210和所述横向刻度纸211用于观测所述盛土区202浸润后的浸润线212。
其中，所述盛土区202内设置有孔径不同的钢丝网213，所述钢丝网213将所述盛土区202分隔为未污染区214、修复区215和粘土工程屏障区216。
本发明上述实施例所述的污染场地中溶质饱和/非饱和迁移模型试验系统，所述未污染区214、修复区215和粘土工程屏障区216由所述钢丝网213分隔开，可通过改变所述盛土区202的所述钢丝网213之间的填筑材料，模拟纳米零价铁修复、微生物修复污染土和粘土工程屏障治理的工况，同时当所述盛土区202内被溶液浸润后会形成饱和与非饱和的分界线，即所述浸润线212，此时可以通过所述竖向刻度纸210和所述横向刻度纸211观测所述浸润线212的二维位置关系。
如图2所示，所述淋滤系统3包括钢架301、外部溶液装置302、测试溶液流通管道303和多个蓬头304，所述钢架301为中空结构，所述测试溶液流通管道303穿过所述钢架301设置，所述外部溶液装置302内部设置有液泵305，所述测试溶液流通管道303一端连通所述液泵305，所述测试溶液流通管道303的另一端连通多个所述蓬头304，多个所述蓬头304设置在所述盛土区202上方。
其中，所述钢架301上还安装有多个光照装置306，所述钢架301下方通过铰链307设置有多个PC耐力板侧壁308，所述PC耐力板侧壁308上设置有温湿度监测器309和风向调节器310，所述光照装置306通过设置在所述钢架301内部的线路与一照明控制装置311电连接。
本发明上述实施例所述的污染场地中溶质饱和/非饱和迁移模型试验系统，所述淋滤系统3通过所述钢架301提供支撑力，利用所述蓬头304喷送来自所述外部溶液装置302中所述液泵305泵送的液体，用以模拟降水溶液补给，所述温湿度监测器309、所述风向调节器310和所述光照装置306可以控制降水量、光照、温度和风向，能较大程度地模拟现场环境。
如图3所示，所述试样物理量测量装置包括电导率测定装置402、温度传感器403、应变传感器404与湿度传感器405，所述电导率测定装置402包括TDR探头406、同轴电缆407、TDR测试仪408和PDA记录装置409；所述温度传感器403、所述应变传感器404和所述湿度传感器405用同轴缆线407包裹，通过所述二类预留孔204埋入所述试样槽2内的压实土体中；所述TDR探头406通过所述三类预留孔205埋入所述试样槽2内的压实土体中。
本发明上述实施例所述的污染场地中溶质饱和/非饱和迁移模型试验系统，所述电导率测定装置402、所述温度传感器403、所述应变传感器404与所述湿度传感器405相互配合，通过相对湿度求取土中吸力，与所述电导率测定装置402获取的含水率结合，绘制土水特征曲线。
如图1所示，所述试样槽2的底部设置多个底部出液管501，所述试样槽2的尾部设置有尾部出液管502，所述污染液收集系统5可通过所述底部出液管501和所述尾部出液管502与所述试样槽2的底部和尾部相连，所述污染液收集系统5可通过软管与所述一类预留孔203配合连接所述试样槽2。
其中，所述盛土区202上方设置有植被层6。
本发明上述实施例所述的污染场地中溶质饱和/非饱和迁移模型试验系统，所述植被层6可用于植物修复的作用模拟，当所述淋滤系统3喷淋溶液时会经过所述植被层6渗入所述盛土区202的填充土样中，之后由所述尾部出液管502、所述底部出液管501或所述一类预留孔203渗出，由所述储液区201泵入的液体同样也从所述尾部出液管502、所述底部出液管501或所述一类预留孔203渗出，被所述污染液收集系统5收集。
基于上述污染场地中溶质饱和/非饱和迁移模型试验系统的试验方法，包含如下步骤：
(1)关闭各阀门，封住开口孔隙，对系统进行密封性检验，检验合格则进行下一步试验，不合格则对缺陷处进行修补；
(2)在所述盛土区202根据试验方案分层填筑相应土层，用适当的压密方法控制压实过程中土体的干密度；
(3)溶液供应：①在所述储液区201注入试验所需溶液，通过所述压力系统1对其施加压力，使溶液向所述盛土区202迁移；②通过所述淋滤系统3将所需溶液从所述试样槽2上方喷淋到土样顶部，模拟雨水入渗；
(4)观察并用摄像机记录土中所述浸润线212的变化情况，实时监测各测点的电导率、温度、湿度和应变，定时从所述一类预留孔203中取样进行离子分析，并依据所测得的试验变量进行渗透系数和弥散系数的计算；
(5)当与所述试样槽2的尾部相连的所述污染液收集装置5能持续收集到流出溶液时，待其稳定后，停止对所述储液区201或淋滤系统3污染液的补给，污染液全部流尽后，结束试验，整理试验仪器。
实施例1：有/无化学因素作用下土壤SWRC曲线测定：
(1)试验系统密封性测试：用玻璃胶将所述试样槽2的各预留孔密封，关闭所述底部出液管501及所述尾部出液管502的阀门，待玻璃胶固化后，在所述试样槽2中注满水，观察所述试样槽2各处是否有漏水现象，若排除因玻璃胶涂抹不当的因素后发现某处有连续水滴漏下时，应对所述试样槽2的槽体进行修补，直至各接缝和开孔处均无水滴漏下时，方可进行下一步试验。
(2)填筑土层：打开各阀门并清除预留孔上的玻璃胶，根据设计干密度在所述盛土区202中填筑所需试验材料，填筑石英砂前需将试样洗净、烘干，并用0.2mm粒径的筛对砂样进行筛分；填筑红黏土前需将原位土样研磨，用0.2mm粒径的筛对研磨后的粘土进行筛分。测定好材料的含水率后，计算好每层土所需水量，一边填土一边均匀喷洒蒸馏水，填筑到适当高度时，需从相应所述二类预留孔204中埋入所述温度传感器403、所述应变传感器404和所述湿度传感器405。需注意的问题有：所述盛土区202土壤应分层填筑，填完一层土后对其表面进行刮毛处理，之后填筑下一层土；各种传感器在埋入土层前必须事先进行标定。
(3)投放去离子水或化学溶液：①用源头补给的方式：通过所述给液管208向所述储液区201注入去离子水或一定浓度的无机盐溶液后，关闭所述排气阀209，打开所述泄水阀206，将所述压力系统1的所述气阀103出口与所述给液管208相连，设定所述气压泵102的压力，打开所述气阀103，将所述储液区201液体压入所述盛土区202内。②用降水补给的方式：将所述试样槽2的所述顶盖207取下，把所述淋滤系统3的所述PC耐力板侧壁308放下并固定于所述试样槽2的顶部；在所述外部供液装置302中置入去离子水或一定浓度的无机盐溶液，控制所述液泵305的泵速，让液体通过所述蓬头304喷洒到所述盛土区202的土壤顶部，模拟降雨入渗的方式。实验中维持环境温度为常温(20℃±0.4℃)。
(4)标定所述TDR探头406的长度和G-T法公式：
Figure BDA0002419597930000101
(其中EC为电导率，C为与传输线几何和物理性质有关的常数。V0为输入电压；V∞为稳定电压)中的参数C，将所述TDR探头406穿过所述试样槽2的侧壁的所述三类预留孔205埋入所述试样槽2内压实土体中，选用合适的经验公式计算土壤的体积含水率θ。
(5)依据所述湿度传感器405测得的各测点相对湿度，依据Kelvin定律求取吸力σ。
(6)由于所述二类预留孔204和所述三类预留孔205为紧邻关系，可假设相邻测点测得的体积含水率θ和吸力σ为同一位点的参数。依据步骤(4)和步骤(5)所测得的含水率θ和吸力σ的对应关系，绘制有/无化学因素作用下的土壤SWRC曲线。
实施例2：非饱和渗透系数测定：
(1)同实施例1中步骤(1)到步骤(5)所述开展试验。其中投放的化学溶液可以为一定浓度的普通盐溶液、酸液、碱液、重金属溶液或油相液体。
(2)忽略渗析吸力时，将利用Kelvin定律求得的吸力σ(负孔隙水压)除以ρwg得到孔隙水压力水头hw，则某一时刻的水力梯度为iw＝dhw/dx。其中，x为渗流方向的位置坐标，可通过粘贴在所述试样槽2上的所述横向刻度纸211和所述竖向刻度纸210读取，从而分别计算水平向和竖向水力梯度iwx和iwy。
(3)依据测得的体积含水率计算土壤某点的流量q，如下式：
Figure BDA0002419597930000102
其中，A为渗流方向的断面面积。
(4)依照下式计算土壤在Δt时间内的平均非饱和渗透系数kwx和kwy。
Figure BDA0002419597930000103
实施例3：污染场地溶质运移模拟试验：
(1)试验系统密封性测试：用玻璃胶将所述试样槽2的各预留孔密封，关闭所述底部出液管501及所述尾部出液管502的阀门，待玻璃胶固化后，在所述试样槽2中注满水，观察所述试样槽2各处是否有漏水现象，若排除因玻璃胶涂抹不当的因素后发现某处有连续水滴漏下时，应对所述试样槽2的槽体进行修补，直至各接缝和开孔处均无水滴漏下时，方可进行下一步试验。
(2)装填土样：打开各阀门并清除预留孔上的玻璃胶，在所述盛土区202中分层填土，从上至下填土的粒径分布参照污染场地实际地层状况进行设置。填筑到适当高度时，需从所述二类预留孔204中对应埋入所述温度传感器403、所述应变传感器404和所述湿度传感器405。注意传感器在埋入土层前必须事先进行标定。
(3)投放化学溶液与示踪剂：①普通盐溶液与重金属溶液：配制一定浓度的无机盐或重金属溶液，填充到所述储液区201中后关闭所述排气阀209，打开所述泄水阀206，通过所述压力系统1施加压力，将溶液压入所述盛土区202；或者将所述试样槽2的所述顶盖207取下，把所述淋滤系统3的所述PC耐力板侧壁308放下并固定于所述试样槽2的顶部，把配制的溶液装入所述外部供液装置302，通过所述液泵305将溶液泵送到所述淋滤系统3的所述蓬头304上，喷洒到所述试样槽2的顶部，模拟降雨入渗。②有机污染液(NAPLs)：向所述储液区201中添加用苏丹Ⅳ染色的NAPLs后，关闭所述排气阀209，打开所述泄水阀206，通过所述压力系统1施加压力，将溶液压入所述盛土区202；或者将所述试样槽2的所述顶盖207取下，把所述淋滤系统3的所述PC耐力板侧壁308放下并固定于所述试样槽2的顶部，将用苏丹Ⅳ染色的NAPLs装入所述外部供液装置302，通过所述液泵305将溶液泵送到所述淋滤系统3的所述蓬头304上，喷洒到所述试样槽2的顶部，模拟降雨入渗。
(4)将经过参数标定的所述TDR探头406穿过所述试样槽2的侧壁的所述三类预留孔205埋入所述试样槽2内的压实土体中，用合适的经验公式计算测点污染物浓度和测点含水率。
(5)溶质运移过程中，实时观测所述浸润线212的变化情况，打开所述底部出液管501和所述尾部出液管502，让污染液能流出。根据溶质运移规律和预实验经验调整取样间隔，在每段时间间隔结束时，测定该段时间内，所述污染液收集系统5收集到的溶液中溶质的含量，读取所述温度传感器403、所述应变传感器404和所述湿度传感器405的读数，利用所述电导率测定装置402测得的电导率，计算测点的溶质浓度和该点的含水率，用针管从所述一类预留孔203中取出土样，用传统方法测量溶质浓度和含水率，并与TDR技术测得的值进行对比。
(6)根据上述试验步骤，得到随着时间变化，溶质在饱和带和非饱和带运移过程中的二维分布规律，并计算弥散系数等参数。
实施例4：污染场地修复效果模拟：
(1)试验系统密封性测试：用玻璃胶将所述试样槽2的各预留孔密封，关闭所述底部出液管501及所述尾部出液管502的阀门，待玻璃胶固化后，在所述试样槽2中注满水，观察所述试样槽2各处是否有漏水现象，若排除因玻璃胶涂抹不当的因素后发现某处有连续水滴漏下时，应对所述试样槽2的槽体进行修补，直至各接缝和开孔处均无水滴漏下时，方可进行下一步试验。
(2)装填土样：打开各阀门并清除预留孔上的玻璃胶，在所述未污染区214中分层填土，从上至下填土的粒径分布参照污染场地实际地层状况进行设置；在所述修复区215中填充用修复材料处理的土体，纳米零价铁为一种具有很强反应活性的原位修复材料，能有效还原重金属和氯代有机物等污染物，因此本发明用其作为土体修复材料，此外，还可将纳米零价铁换作微生物材料；在所述粘土工程屏障区216填入压实膨润土。将土体填筑到适当高度时，需从所述二类预留孔204中埋入所述温度传感器403、所述应变传感器404和所述湿度传感器405。注意传感器在埋入土层前必须事先进行标定。
(3)投放污染物与示踪剂：①重金属溶液：配制一定浓度的重金属溶液，填充到所述储液区201中后关闭所述排气阀209，打开所述泄水阀206，通过所述压力系统1施加压力，将溶液压入所述盛土区202；或者将所述试样槽2的所述顶盖207取下，把所述淋滤系统3的所述PC耐力板侧壁308放下并固定于所述试样槽2的顶部，将配制的溶液装入所述外部供液装置302，通过所述液泵305将溶液泵送到所述淋滤系统3的所述蓬头304上，喷洒到所述试样槽2顶部，模拟降雨入渗。②有机污染液(NAPLs)：向所述储液区201中添加用苏丹Ⅳ染色的NAPLs后，关闭所述排气阀209，打开所述泄水阀206，通过所述压力系统1施加压力，将溶液压入所述盛土区202；或者将所述试样槽2的所述顶盖207取下，把所述淋滤系统3的所述PC耐力板侧壁308放下并固定于所述试样槽2的顶部，将用苏丹Ⅳ染色的NAPLs装入所述外部供液装置302，通过所述液泵305将溶液泵送到所述淋滤系统3的所述蓬头304上，喷洒到所述试样槽2的顶部，模拟降雨入渗。
(4)将经过参数标定的所述TDR探头406穿过所述试样槽2的侧壁的所述三类预留孔205埋入所述试样槽2内压实土体中，用合适的经验公式计算测点污染物浓度和测点含水率。
(5)溶质运移过程中，实时观测所述浸润线212的变化情况，打开所述底部出液管501和所述尾部出液管502，让污染液能流出。根据污染物运移规律和预实验的经验调整取样间隔，在每段时间间隔结束时，测定该段时间内所述污染液收集系统5收集到的溶液中污染物含量，读取所述温度传感器403、所述应变传感器404和所述湿度传感器405的读数，利用所述电导率测定装置402测得的电导率，计算测点的污染物浓度和该点的含水率，用针管从所述一类预留孔203中取出土样，用传统方法测量污染物浓度和含水率，并与TDR技术测得的值进行对比。
(6)当所述试样槽2的所述尾部出液管502持续收集到流出溶液时，待其稳定后，停止对所述储液区201或所述淋滤系统3污染液的补给，污染液全部流尽后，结束试验，整理试验仪器。
(7)根据上述试验步骤，得到随着时间变化，污染物在饱和带和非饱和带运移过程中的二维分布规律，并分析纳米零价铁等修复材料与粘土工程屏障的实际阻滞效果。
实施例5：顶层土植物修复的作用模拟：
(1)试验系统密封性测试：用玻璃胶将所述试样槽2的各预留孔密封，关闭所述底部出液管501及所述尾部出液管502的阀门，待玻璃胶固化后，在所述试样槽2中注满水，观察所述试样槽2各处是否有漏水现象，若排除因玻璃胶涂抹不当的因素后发现某处有连续水滴漏下时，应对所述试样槽2的槽体进行修补，直至各接缝和开孔处均无水滴漏下时，方可进行下一步试验。
(2)装填土样：打开各阀门并清除预留孔上的玻璃胶，在所述盛土区202中分层填土，除顶层土外，从上至下填土的粒径分布参照污染场地实际地层状况进行设置。根据试验前设计的污染场地污染程度确定所述植被层6的厚度，污染程度越重，所述植被层6的厚度越大。将土体填筑到适当高度时，需从所述二类预留孔204中埋入所述温度传感器403、所述应变传感器404和所述湿度传感器405。注意传感器在埋入土层前必须事先进行标定。
(3)投放污染物与示踪剂：将所述试样槽2的所述顶盖207取下，把所述淋滤系统3的所述PC耐力板侧壁308放下并固定于所述试样槽2的顶部。用所述风向调节器310调整所述淋滤系统3的送风状态，通过所述照明控制装置311控制所述淋滤系统3的照明和温度环境，利用所述温湿度监测器309测量所述植被层6上方的温度和湿度。①重金属溶液：配制一定浓度的重金属溶液，填充到所述储液区201中后关闭所述排气阀209，打开所述泄水阀206，通过所述压力系统1施加压力，将溶液压入所述盛土区202；或者将配制的溶液装入所述外部供液装置302，通过所述液泵305将溶液泵送到所述淋滤系统3的所述蓬头304上，喷洒到所述试样槽2的顶部，模拟降雨入渗。②有机污染液(NAPLs)：向所述储液区201中添加用苏丹Ⅳ染色的NAPLs后，关闭所述排气阀209，打开所述泄水阀206，通过所述压力系统1，施加压力，将溶液压入所述盛土区202；或者将用苏丹Ⅳ染色的NAPLs装入所述外部供液装置302，通过所述液泵305将溶液泵送到所述淋滤系统3的所述蓬头304上，喷洒到所述植被层6的顶部，模拟降雨入渗。
(4)将经过参数标定的所述TDR探头406穿过所述试样槽2的侧壁的所述三类预留孔205埋入所述试样槽2内的压实土体中，用合适的经验公式计算测点污染物浓度和测点含水率。
(5)溶质运移过程中，实时观测所述浸润线212的变化情况，打开所述底部出液管501和尾部出液管502，让污染液能流出。根据污染物运移规律和预实验的经验调整取样间隔，在每段时间间隔结束时，测定该段时间内所述污染液收集系统5收集到的溶液中污染物含量，读取所述温度传感器403、所述应变传感器404和所述湿度传感器405的读数，利用所述电导率测定装置402测得的电导率，计算测点的污染物浓度和该点的含水率，用针管从所述一类预留孔203中取出土样，用传统方法测量污染物浓度和含水率，并与TDR技术测得的值进行对比。
(6)根据上述试验步骤，得到随着时间变化，污染物在饱和带和非饱和带运移过程中的二维分布规律，并分析植被修复对污染物的实际阻滞效果。
以上所述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，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种污染场地中溶质饱和/非饱和迁移模型试验系统，其特征在于，包括：压力系统、试样槽、淋滤系统、监测系统和污染液收集系统；
所述试样槽为一容器结构，所述试样槽包括储液区和盛土区，所述试样槽位于所述盛土区的外壁在横向及纵向上均匀开设有多个一类预留孔、二类预留孔和三类预留孔，所述储液区和盛土区之间活动地设置有一泄水阀，所述泄水阀将所述储液区和盛土区隔离，所述盛土区顶部活动地安装有一顶盖，所述储液区的顶部设置有给液管和排气阀；所述压力系统通过所述给液管与所述储液区连接，所述压力系统用于向所述试样槽施加压力；所述淋滤系统用于向所述盛土区喷淋溶液；所述污染液收集系统与所述盛土区的尾部和底部连接，所述污染液收集系统用于收集所述盛土区排出的废液；所述监测系统包括试样物理量测量装置与数据分析装置，所述监测系统用于监测分析试验数据。
2.根据权利要求1所述的污染场地中溶质饱和/非饱和迁移模型试验系统，其特征在于，所述压力系统包括气罐、气压泵和气阀，所述气罐、气压泵和气阀依次连接，所述气阀连接所述给液管向所述试样槽施加压力。
3.根据权利要求1所述的污染场地中溶质饱和/非饱和迁移模型试验系统，其特征在于，所述储液区的内部用于放置测试溶液，所述测试溶液由所述给液管输入至所述储液区的内部。
4.根据权利要求1所述的污染场地中溶质饱和/非饱和迁移模型试验系统，其特征在于，所述试样槽的外壁设置有竖向刻度纸和横向刻度纸，所述竖向刻度纸和所述横向刻度纸用于观测所述盛土区浸润后的浸润线。
5.根据权利要求1所述的污染场地中溶质饱和/非饱和迁移模型试验系统，其特征在于，所述盛土区内设置有孔径不同的钢丝网，所述钢丝网将所述盛土区分隔为未污染区、修复区和粘土工程屏障区。
6.根据权利要求1所述的污染场地中溶质饱和/非饱和迁移模型试验系统，其特征在于，所述淋滤系统包括钢架、外部溶液装置、测试溶液流通管道和多个蓬头，所述钢架为中空结构，所述测试溶液流通管道穿过所述钢架设置，所述外部溶液装置内部设置有液泵，所述测试溶液流通管道一端连通所述液泵，所述测试溶液流通管道的另一端连通多个所述蓬头，多个所述蓬头设置在所述盛土区上方。
7.根据权利要求6所述的污染场地中溶质饱和/非饱和迁移模型试验系统，其特征在于，所述钢架上还安装有多个光照装置，所述钢架下方通过铰链设置有多个PC耐力板侧壁，所述PC耐力板侧壁上设置有温湿度监测器和风向调节器，所述光照装置通过设置在所述钢架内部的线路与一照明控制装置电连接。
8.根据权利要求1所述的污染场地中溶质饱和/非饱和迁移模型试验系统，其特征在于，所述试样物理量测量装置包括电导率测定装置、温度传感器、应变传感器与湿度传感器，所述电导率测定装置包括TDR探头、同轴电缆、TDR测试仪和PDA记录装置；所述温度传感器、所述应变传感器和所述湿度传感器用同轴缆线包裹，通过所述二类预留孔埋入所述试样槽内的压实土体中；所述TDR探头通过所述三类预留孔埋入所述试样槽内的压实土体中。
9.根据权利要求1所述的污染场地中溶质饱和/非饱和迁移模型试验系统，其特征在于，所述试样槽的底部设置多个底部出液管，所述试样槽的尾部设置有尾部出液管，所述污染液收集系统可通过所述底部出液管和所述尾部出液管与所述试样槽的底部和尾部相连，所述污染液收集系统可通过软管与所述一类预留孔配合连接所述试样槽。
10.根据权利要求1所述的污染场地中溶质饱和/非饱和迁移模型试验系统，其特征在于，所述盛土区上方设置有植被层。
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