CN114814139B - 一种流域面源污染物输移模拟试验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种流域面源污染物输移模拟试验装置及方法,喷淋装置进口设有电磁流量计,砂箱下方设有压力传感器,出水口通过管路连接翻斗式雨量计,管路上设有电导率探头,砂箱中设有水位记录仪,砂箱中还设有张力计和土壤湿度传感器;试验时,通过脉冲法模拟降雨,通过传感器监测降水量、地下水蓄变量、排泄流量、示踪剂排泄浓度、地下水位及土壤含水率,生成监测变量随时间的变化曲线,并基于变化曲线研究示踪剂排泄浓度与其他监测变量之间的相关性;通过瞬态输移时长分布理论,计算出示踪剂在地下的输移时长。本发明能够揭示面源污染物排泄浓度及输移时长的影响机理,计算出示踪剂从降雨到排泄的输移时长,为面源污染防控提供指导。
Description
技术领域
本发明属于水体污染物输移研究领域,具体涉及一种流域面源污染物输移模拟试验装置及方法。
背景技术
活性氮的过量排放引起的地表水及地下水的富营养化问题已成为重大环境问题,如何刻画流域面源污染物的输移机制是目前存在的难点。国内对于流域面源污染物输移过程研究尚不成熟,主要表现在污染物排泄浓度及输移时长的影响机制不清。已有的针对流域面源污染物输移过程的试验装置中,CN102520131A公开了一种基于多层含水层地下水流系统的地下水污染模拟仪,其虽然可以观测示踪剂在含水层中的运移状况,但是缺乏对示踪剂排泄浓度的实时监测,无法得到示踪剂的输移时长。
发明内容
发明目的:本发明的目的是提出一种流域面源污染物输移模拟试验装置及方法,揭示多种因素对面源污染物排泄浓度及输移时长的影响机理。
技术方案:本发明所述的流域面源污染物输移模拟试验装置,包括砂箱,砂箱上方设有喷淋装置,喷淋装置进口设有电磁流量计,用以测量降水量J;砂箱下方设有压力传感器,用以测量地下水蓄变量S;位于砂箱侧面底部的出水口通过管路连接翻斗式雨量计,用以测量排泄流量Q;管路上设有电导率探头,用以测量示踪剂排泄浓度Ci;砂箱中设有水位记录仪,用以测量地下水位h;砂箱中还设有张力计和土壤湿度传感器,用以测量土壤含水率θ。
本发明能够实时模拟地下水从非饱和到饱和的变化过程,能够模拟水分从降水到排泄的全过程;通过张力计、土壤湿度传感器和压力传感器,同时监测地下水蓄变量S和土壤含水率θ,能够监测砂箱中地下水蓄变量的时空变异性,可研究蓄变量的季节性变化对于污染物输移的影响机制;喷淋装置对接隔膜泵,通过控制降水频率、降水强度,可模拟现实气象条件,揭示污染物排泄浓度与降水频率、降水强度之间的关系。本发明能够同时监测降水量J、地下水蓄变量S、排泄流量Q、示踪剂排泄浓度Ci、地下水位h、土壤含水率θ,研究并揭示这些因素对于面源污染物排泄浓度及输移时长的影响机理,指导面源污染防控。
进一步地,砂箱的坡度α可调节。氮素输移的路径受到降水和地形的影响,砂箱坡度调节模拟不同的地形条件,能够揭示地形与污染物排泄浓度之间的关系。本技术方案能够模拟现实中复杂降雨和地形条件下地下水污染物的输移状态。
进一步地,砂箱转动设置在支撑框架上,砂箱出水口靠近转动的一端;支撑框架上设有液压推杆,用以推动砂箱调节坡度α;压力传感器的数量为四个,分别设置在支撑框架底部四角。
进一步地,水位记录仪、张力计和土壤湿度传感器的数量为多个,设置在砂箱不同位置,测量多个位置的土壤含水量和地下水位。
进一步地,砂箱中位于水位记录仪旁设有静水井,用以手动测量地下水位h,手动测量数据可与水位记录仪测量数据进行对照。
进一步地,砂箱内出水口一侧设有多孔塑料板,水经过多孔塑料板后流出出水口。
本发明还保护一种流域面源污染物输移模拟试验方法,包括如下步骤:
(1)在砂箱中自下而上依次装填砾石和壤质砂土;
(2)喷淋装置按照脉冲法模拟降雨,采用氯离子作为示踪剂;
(3)采集降水量J、土壤含水率θ、地下水位h、地下水蓄变量S、排泄流量Q及示踪剂排泄浓度Ci,生成这些监测变量随时间的变化曲线,基于变化曲线研究示踪剂排泄浓度Ci与其他监测变量之间的相关性;
(4)通过瞬态输移时长分布理论,计算示踪剂在地下的输移时长。
进一步地,输移时长分布通过下式估算:
进一步地,根据砂箱的坡度α,研究地形因素对于示踪剂排泄浓度Ci的影响。
如前所述,本发明能够揭示降水量J、降水频率、降水强度、地下水蓄变量S、排泄流量Q、地下水位h、土壤含水率θ及地形对于示踪剂排泄浓度Ci的影响机制,计算得到示踪剂从降雨到排泄的输移时长,为面源污染防控提供指导。
有益效果:本发明与现有技术相比,具有如下显著优点:本发明能够揭示多种因素对面源污染物排泄浓度及输移时长的影响机理,可计算出示踪剂从降雨到排泄的输移时长,这对于国内面源污染防控具有重要意义。
附图说明
图1是本发明的结构示意图;
图2是模拟试验装置校准结果示意;
图3是监测变量随时间的变化图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1所示,一种流域面源污染物输移模拟试验装置,包括砂箱1,砂箱1为长方体钢制砂箱,长×宽×高为2m×0.5m×1m。砂箱1内部涂有脂肪族聚氨酯面漆(DuralDeck),形成与土壤材料接触的无腐蚀表面。下游边界(即砂箱1内侧水流出的地方)设置有多孔塑料板4,多孔塑料板4总孔隙率为14%,孔径2mm。砂箱1转动设置在支撑框架上,砂箱1出水口靠近转动的一端,支撑框架上设有液压推杆,用以推动砂箱1调节坡度α,坡度α最大为10°。砂箱1内部采用多孔介质填充,多孔介质一般为壤质砂土。在砂箱1中还填充一层玄武岩砾石作为砂土层和多孔塑料板4之间的排水层,砾石与多孔塑料板4相邻。
在砂箱1上方配备有一个喷淋装置2,该喷淋装置2连接隔膜泵(FLOJE,型号G575215),喷淋装置2上设置有多个喷头。在喷淋装置2的进口安装有电磁流量计3(SeametricsPE102)。隔膜泵将掺有示踪剂的水泵入喷淋装置2,并喷洒在砂箱1中。
砂箱1中配有监测地下水蓄变量和内部水文变量的监测装置。具体来说,在支撑框架底部四角安装有压力传感器7来实现对地下水蓄变量的监测。采用一个水槽来接收砂箱1出口处的水流,并通过乙烯管输送到翻斗式雨量计5,通过翻斗式雨量计5实时记录排泄流量。在距离出口侧板0.15m、0.75m和1.35m处的砂箱底部进行钻孔,这些孔作为埋在土壤中的传感器组的接入口。在每个孔上方,传感器沿垂直于砂箱底座和砂土表面的横断面布置。将土壤湿度传感器10(Decagon5TM)安装在距离砂土表面0.05m、0.20m、0.35m、0.50m和0.85m处,将张力计9(DecagonT4e)安装在所有三个横断面的0.20m和0.50m深度处,并与土壤湿度传感器9的位置大致相同,从而能够准确测量多个位置的土壤含水率。
钻孔处通过法兰接头连接丙烯酸管,该丙烯酸管从砂箱1底部向外延伸,并且传感器电缆通过该管连接外部设备。该丙烯酸管的底部填充有可膨胀的泡沫绝缘材料,该材料提供防水密封。除了用于电缆布线的三个孔外,还需要三个额外的钻孔来安装水位记录仪8(HOBO水位记录仪),将水位记录仪8安装在这三个钻孔,用于测量三个不同位置的地下水位。最后将三个静水井安装在水位记录仪8附近,方向为垂向,以便手动测量地下水位。静水井采用直径为2.5cm的PVC管。
在砂箱1出口处采用电导率探头6监测泄流中的示踪剂浓度变化。
下面以滁州华山试验小集水区的污染物运移机理研究为例,介绍应用上述模拟试验装置来进行流域面源污染物输移模拟试验的方法。
(1)砂箱装填
砂箱1中的土壤由5%的砾石和95%的壤质砂土组成,壤质砂土和砾石均采集自滁州花山试验小集水区。砾石被放置在下游边界处,以模拟集水区河床处的真实状况。为了消除土壤压实不均造成的各向异性,分4次将土壤放入砂箱中:首先将0.28m厚的湿润土壤层放入到砂箱中,并使用压实装置将其压实至0.2m深,使其尽可能均匀地堆积。重复上述步骤,直至土壤层的厚度达到0.8m。
(2)传感器校准
实验之前,在20~30min的测试期间校准了两个灌溉速率,如图2所示。校准之后,即可进行正式试验。
(3)示踪剂注入和喷淋
为了模拟降水的季节性,本试验使用脉冲法进行灌溉,在每个24小时周期内应用相同的喷淋顺序来产生周期性的稳态状态。一次试验的周期是28天,每天以两个不同的强度和持续时间施加四个灌溉脉冲:9:00~12:00以10mm/h注入,12:00~13:30以20mm/h注入,21:00~0:00以20mm/h注入,0:00~1:30以10mm/h注入。此种灌溉方式可以模拟集水区土壤湿润-干旱状态的转换过程,同时避免地表径流的产生。每天的灌溉量大约相当于砂箱中土壤介质总孔隙体积的30%~40%。
本试验采用氯离子(Cl-,即溶解在水中的NaCl)作为示踪剂。通过5次脉冲将NaCl水溶液通过喷淋装置2注入砂箱1,分别为第1天,第9天,第14天,第19天和第24天。这样设置可以尽可能的避免不同脉冲中注入的示踪剂突破曲线的相互干扰。Cl-的注入浓度为6900μmol/L。
为探索不同变量对于污染物排泄的浓度和滞后性的影响,设计三组对照试验,分别研究降水频率、降水强度和坡度对污染物排泄的作用机制。三组对照试验的变量及其取值如表1所示。
表1对照试验的参数设置
(4)水文变量监测
室内砂箱示踪试验的所测参数包括了降水量、土壤含水率、地下水位、蓄变量、排泄流量、示踪剂输入浓度和示踪剂排泄浓度,所测参数及测量方法如表2所示。
表2室内砂箱示踪试验所测参数汇总表
通过表2所示的参数监测,以1分钟的频率将监测数据传输到计算机。然后,绘制监测变量,降水量、蓄变量、地下水位、排泄流量及出口处的电压随时间的变化曲线,如图3所示,出口处的电压与示踪剂浓度具有确定的函数关系,通过换算即可得到出口处的示踪剂浓度。图3清晰的表明,在周期性降雨的条件下,失踪剂的输移具有周期性,且出口处的排泄浓度也与降水量、蓄变量等密切相关。
(5)瞬态示踪剂输移时长计算
示踪剂的输移时长可以揭示面源污染物在地下水中的滞留时间,对地下水污染防治具有重要的参考意义。本方法可以反演得到示踪剂的输移时长,具体如下。
采用输移时长分布理论解释观测到的示踪剂输移和排放现象,其中输移时长分布通过下式估算:
根据上式可以反演示踪剂突破曲线,求得示踪剂的平均输移时长,最终实现示踪剂瞬态输移时长分布的反演,从而可建立完整的污染物输移模式的室内试验研究方法。
Claims (7)
1.一种流域面源污染物输移模拟试验装置,包括砂箱(1),其特征在于:砂箱(1)上方设有喷淋装置(2),喷淋装置(2)进口设有电磁流量计(3),用以测量降水量J;砂箱(1)下方设有压力传感器(7),用以测量地下水蓄变量S;位于砂箱(1)侧面底部的出水口通过管路连接翻斗式雨量计(5),用以测量排泄流量Q;所述出水口与翻斗式雨量计(5)连接的管路上设有电导率探头(6),用以测量示踪剂排泄浓度Ci;砂箱(1)中设有水位记录仪(8),用以测量地下水位h;砂箱(1)中还设有张力计(9)和土壤湿度传感器(10),用以测量土壤含水率θ;砂箱(1)的坡度α可调节;砂箱(1)转动设置在支撑框架上,砂箱(1)出水口靠近转动的一端;支撑框架上设有液压推杆,用以推动砂箱(1)调节坡度α。
2.根据权利要求1所述的流域面源污染物输移模拟试验装置,其特征在于:压力传感器(7)的数量为四个,分别设置在支撑框架底部四角。
3.根据权利要求1所述的流域面源污染物输移模拟试验装置,其特征在于:水位记录仪(8)、张力计(9)和土壤湿度传感器(10)的数量为多个,设置在砂箱(1)不同位置。
4.根据权利要求1所述的流域面源污染物输移模拟试验装置,其特征在于:砂箱(1)中位于水位记录仪(8)旁设有静水井,用以手动测量地下水位h。
5.根据权利要求1所述的流域面源污染物输移模拟试验装置,其特征在于:砂箱(1)内出水口一侧设有多孔塑料板(4),水经过多孔塑料板(4)后流出出水口。
6.一种流域面源污染物输移模拟试验方法,采用权利要求1所述的流域面源污染物输移模拟试验装置,其特征在于:包括如下步骤:
(1)在砂箱(1)中自下而上依次装填砾石和壤质砂土;
(2)喷淋装置(2)按照脉冲法模拟降雨,采用氯离子作为示踪剂;
(3)采集降水量J、土壤含水率θ、地下水位h、地下水蓄变量S、排泄流量Q及示踪剂排泄浓度Ci,生成这些监测变量随时间的变化曲线,基于变化曲线研究示踪剂排泄浓度Ci与其他监测变量之间的相关性;
(4)通过瞬态输移时长分布理论,计算示踪剂在地下的输移时长;
输移时长分布通过下式估算:
7.根据权利要求6所述的流域面源污染物输移模拟试验方法,其特征在于:根据砂箱(1)的坡度α,研究地形因素对于示踪剂排泄浓度Ci的影响。
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