CN115165680A - 一种铀尾矿渣-含水层耦合淋溶实验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种铀尾矿渣‑含水层耦合淋溶实验装置及方法。采用本发明所提供的铀尾矿渣‑含水层耦合淋溶实验装置及方法，可完成不同情境下(包括不同含水层流速、不同尾矿渣类型，不同研究区受污染土壤类型、不同降雨情况等)的溶质(包括放射性核素)的迁移扩散行为研究。本发明所提供的铀尾矿渣‑含水层耦合淋溶实验装置通过设置模拟雨水供水系统、第一蠕动泵、模拟降雨装置、铀尾矿渣柱、铀尾矿渣浸出液收集槽、溢流槽、尾液收集系统、马氏瓶、含水层、水平均匀布流装置、第二蠕动泵、地下水供水系统，可实现浸出实验与迁移实验同步，使迁移实验中模拟与实际条件相符的源项释放过程，从而使模拟结果更加真实可靠。
Description
技术领域
本发明属于放射性及重金属污染物在地下水环境中迁移特性研究技术领域，涉及一种铀尾矿渣-含水层耦合淋溶实验装置及方法。
背景技术
铀尾矿(渣)是铀矿开采和冶炼过程中产生的低放射性废物，是影响铀矿冶及伴生放射性矿辐射环境安全评价和治理的重要因素。铀尾矿中30％以上的核素都为长寿命核素，其中226Ra及其他短寿命的衰变子体的放射性水平在9000年内会增长10-1000倍，生物毒性大，潜在污染性强。目前铀矿冶产生的尾矿(渣)大都采用就地整形覆盖隔离的方法进行处置，经酸、碱处理后产生的尾矿具有较强的反应活性，长期暴露在环境中，受阳光、干燥、降雨、冻融、温度湿度变化影响，其物理化学性质发生改变，产生各种核素的溶解、沉淀、吸附解吸及物理化学过程，长寿命核素随大气降水和地表潜水的渗透而进入土壤及地下水环境介质，给土壤、地表水与地下水以及生态环境带来长期放射性危害。
目前国内外学者针对铀尾矿做了大量淋溶浸出实验，也对个别典型尾矿库区土壤做了相关放射性核素迁移实验，然而浸出实验与迁移实验不能同步，迁移实验中难以模拟与实际条件相符的放射源项释放过程，模拟结果与实际情况存在较大偏差。近些年随着大量铀尾矿、放射性伴生尾矿污染地下水事件的发生以及地下水数值模拟技术的不断进步，使各国学者逐渐重视铀尾矿库原位修复技术的开发及精细化数值模拟预测，修复技术离不开放射性核素阻滞-转移-原位固定材料的开发，数值模型构建离不开物理实验的支持，为了评价各种修复材料的修复效果，对精细化数值模拟结果进行验证，需要一套铀尾矿渣-含水层耦合淋溶迁移土柱实验装置，将这两个系统概化为一个系统进行研究，从而使模拟结果更加真实可靠，当前市面上还没有装置能到达理想的实验效果。耦合，是将两种不同的实验机理在假设及理论指导下形成一个完整的整体，在数值模拟过程中可实现同步；而目前还没有针对铀尾矿渣-含水层耦合淋溶迁移研究装置，将两者耦合存在多项技术问题需要克服，其中的技术难点包括：(1)模拟降雨过程的淋溶实验；(2)淋溶浸出液放射性源项释放过程；(3)含水层水流相对稳定；(4)放射性核素在含水层迁移实验；(5)迁移实验过程中样品的收集。
发明内容
针对现有技术中所存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种铀尾矿渣-含水层耦合淋溶实验装置及方法，用于完成不同情境下的溶质的迁移扩散行为研究。
为实现此目的，本发明提供一种铀尾矿渣-含水层耦合淋溶实验装置，包括：模拟雨水供水系统、模拟降雨装置、铀尾矿渣柱、铀尾矿渣浸出液收集槽、溢流槽、尾液收集系统、马氏瓶、含水层、水平均匀布流装置、地下水供水系统，其中：
所述铀尾矿渣柱位于所述模拟降雨装置的喷淋系统正下方，所述铀尾矿渣柱正下方依次安装所述铀尾矿渣浸出液收集槽、所述含水层；所述溢流槽安装于所述铀尾矿渣浸出液收集槽底面一侧边缘；所述含水层底部通过连接管路与所述马氏瓶连通，所述马氏瓶与所述连接管路构成稳定水位系统；所述含水层一侧安装水平均匀布流装置；
所述铀尾矿渣浸出液收集槽、所述含水层右侧布置有一系列尾液收集孔；
所述模拟雨水供水系统给所述模拟降雨装置提供模拟雨水，所述地下水供水系统为所述水平均匀布流装置提供研究区采集的地下水。
进一步，所述尾液收集系统包括所述尾液收集孔、收集装置，所述尾液收集孔通过管路连接所述收集装置。
进一步，所述实验装置还包括第一蠕动泵，所述模拟雨水供水系统通过所述第一蠕动泵与所述模拟降雨装置连接，所述第一蠕动泵控制所述模拟雨水供水系统给所述模拟降雨装置提供的模拟雨水的流量。
进一步，所述实验装置还包括第二蠕动泵，所述水平均匀布流装置通过所述第二蠕动泵与所述地下水供水系统连接，所述第二蠕动泵控制所述水平均匀布流装置向所述含水层供水的水流速度及流量。
进一步，所述铀尾矿渣浸出液收集槽上设置有取样孔，所述取样孔用于定时取出淋溶浸出液，并测量所述淋溶浸出液中放射性核素浓度。
进一步，所述铀尾矿渣浸出液收集槽还设置有液位计，所述液位计用于计算出淋溶浸出液体积。
进一步，所述溢流槽设置有溢流槽开关，所述溢流槽开关用于控制所述铀尾矿渣浸出液收集槽内的淋溶浸出液进入所述含水层。
进一步，所述水平均匀布流装置中填充有石英砂颗粒。
进一步，所述水平均匀布流装置与所述含水层相邻侧采用网状格栅板连通。
本发明还提供铀尾矿渣-含水层耦合淋溶实验方法，所述方法采用所述铀尾矿渣-含水层耦合淋溶实验装置实现，包括以下步骤：
S1、检查漏水：实验开始前检查所述实验装置是否漏水；
S2、模拟降雨条件下的动态淋溶过程：打开所述第一蠕动泵，通过所述模拟降雨装置喷淋所述铀尾矿渣柱，模拟降雨条件下的动态淋溶过程；
S3、模拟源项：在溢流槽开关关闭的状态下，通过所述取样孔取出淋溶浸出液，并测定所述淋溶浸出液中放射性核素浓度、以及所述淋溶浸出液体积；所述淋溶浸出液收集完毕后，定期打开所述溢流槽开关，使所述淋溶浸出液进入所述含水层，模拟源项；
S4、稳定流场、开展污染物迁移实验：打开所述第二蠕动泵，使所述含水层饱和，待水体充满后，打开所述马氏瓶，形成具有稳定水位的饱和带含水层流场；流场稳定后，打开所述尾液收集系统，开展污染物迁移实验；
S5、测量尾液中放射性核素浓度，获得放射性核素迁移情况：定期测量尾液收集系统收集的尾液中放射性核素浓度，获得放射性核素迁移情况；
S6、通过数值模拟获得迁移参数。
本发明的有益效果在于，采用本发明所提供的铀尾矿渣-含水层耦合淋溶实验装置及方法，可完成不同情境下(包括不同含水层流速、不同尾矿渣类型，不同研究区受污染土壤类型、不同降雨情况等)的溶质(包括放射性核素)的迁移扩散行为研究。本发明所提供的铀尾矿渣-含水层耦合淋溶实验装置通过设置模拟雨水供水系统、第一蠕动泵、模拟降雨装置、铀尾矿渣柱、铀尾矿渣浸出液收集槽、溢流槽、尾液收集系统、马氏瓶、含水层、水平均匀布流装置、第二蠕动泵、地下水供水系统，可实现浸出实验与迁移实验同步，使迁移实验中模拟与实际条件相符的源项释放过程，从而使模拟结果更加真实可靠。
附图说明
图1为本发明实施方式提供的铀尾矿渣-含水层耦合淋溶实验装置结构示意图。
图2为本发明实施方式提供的铀尾矿渣-含水层耦合淋溶实验方法流程图。
其中，1—模拟雨水供水系统，2—第一蠕动泵，3—模拟降雨装置，4—铀尾矿渣柱，5—铀尾矿渣浸出液收集槽，6—溢流槽，7—尾液收集孔，8—马氏瓶，9—含水层，10—水平均匀布流装置，11—第二蠕动泵，12—地下水供水系统。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本实施方式所提供的一种铀尾矿渣-含水层耦合淋溶实验装置，所述实验装置主要包括：模拟雨水供水系统1、第一蠕动泵2、模拟降雨装置3、铀尾矿渣柱4、铀尾矿渣浸出液收集槽5、溢流槽6、尾液收集系统、马氏瓶8、含水层9、水平均匀布流装置10、第二蠕动泵11、地下水供水系统12。
其中，所述模拟降雨装置3中设置喷淋系统，用于提供均匀稳定的降雨，以保证所述铀尾矿渣柱4表面受到均匀喷淋，避免单点出水造成的紊流现象；所述模拟雨水供水系统1给模拟降雨装置3提供稳定的模拟雨水，所述模拟雨水供水系统1通过第一蠕动泵2与模拟降雨装置3连接，所述第一蠕动泵2控制所述模拟雨水供水系统1给模拟降雨装置3提供的模拟雨水的流量。
所述铀尾矿渣柱4位于模拟降雨装置3的喷淋系统正下方，所述铀尾矿渣柱4正下方依次安装所述铀尾矿渣浸出液收集槽5、含水层9。根据研究对象的不同，所述铀尾矿渣柱4中填充不同类型、容重、粒径的铀尾矿渣。所述铀尾矿渣浸出液收集槽5位于所述铀尾矿渣柱4正下方，用于收集铀尾矿渣浸出液，即淋溶浸出液；所述铀尾矿渣浸出液收集槽5上设置有取样孔，可以用于定时取出淋溶浸出液，并测量淋溶浸出液中放射性核素浓度；同时，铀尾矿渣浸出液收集槽5还设置有液位计，可用于计算出淋溶浸出液体积。
所述铀尾矿渣浸出液收集槽5底面左侧边缘安装有溢流槽6，所述溢流槽6设置有溢流槽开关，用于控制铀尾矿渣浸出液收集槽5内的淋溶浸出液进入含水层9；当所述溢流槽开关开启时，淋溶浸出液流入含水层9，当所述溢流槽开关关闭时，淋溶浸出液停止流入含水层9。所述含水层9位于所述铀尾矿渣浸出液收集槽5正下方，所述含水层9左侧安装水平均匀布流装置10。
进一步，所述水平均匀布流装置10中填充有细小的石英砂颗粒，以保证水流均匀流至含水层9，从而避免水流不均导致模拟实验结果偏差较大；根据研究区域含水层类型，所述含水层9中填充相应的含水层介质。所述水平均匀布流装置10与含水层9相邻侧采用网状格栅板连通，所述网状格栅板可供水流通过，同时阻挡水平均匀布流装置10中的石英砂颗粒流动扩散到含水层9中，也阻挡含水层9中填充的含水层介质扩散到阻挡水平均匀布流装置10中。
进一步，所述水平均匀布流装置10通过第二蠕动泵11与地下水供水系统12连接，所述地下水供水系统12为水平均匀布流装置10提供足量研究区采集的地下水，以保证实验用水。所述第二蠕动泵11用于控制水平均匀布流装置10向含水层9供水的水流速度及流量。
进一步，所述铀尾矿渣浸出液收集槽5、含水层9右侧均匀布置有一系列尾液收集孔7；所述尾液收集系统包括所述尾液收集孔7、收集装置，所述尾液收集孔7通过管路连接所述收集装置；所述尾液收集系统用于收集并测量含水层9不同区域的放射性核素浓度。
进一步，所述含水层9底部通过连接管路与马氏瓶8连通，所述马氏瓶8用于控制含水层9维持饱和状态。所述马氏瓶8与连通管路构成稳定水位系统。
如图1所示，在一个实施例中，所述实验装置总体形状为立方体，其中整体长度为1m、宽度为1m，含水层9高度0.5m，铀尾矿渣柱4高度0.5m，铀尾矿渣浸出液收集槽5高度0.05m，水平均匀布流装置10长度为0.2m。实验开始时，首先关闭尾液收集系统，并打开稳定水位系统，水体充满含水层9并使含水层9保持饱和；控制第一蠕动泵2，通过模拟降雨装置3维持稳定均匀的降雨，均匀喷淋铀尾矿渣柱4；淋溶浸出液进入铀尾矿渣浸出液收集槽5，定期测定淋溶浸出液浓度；并通过溢流槽开关控制淋溶浸出液进入含水层9；打开第二蠕动泵11控制流量，从而模拟不同含水层流速流量条件下放射性核素迁移情况；水平均匀布流装置10内填充粒径较小的石英砂，使水流均匀的进入含水层9；打开尾液收集系统，收集不同区域的尾液，测定其浓度，得到放射性核素在含水层9中的迁移规律。
如图2所示，本实施方式还提供一种铀尾矿渣-含水层耦合淋溶实验方法，所述方法通过上述铀尾矿渣-含水层耦合淋溶实验装置实现，主要包括以下步骤：
S1、检查漏水：实验开始前检查所述实验装置是否漏水；
S2、模拟降雨条件下的动态淋溶过程：打开第一蠕动泵2，通过模拟降雨装置3不断喷淋铀尾矿渣柱4，模拟降雨条件下的动态淋溶过程；
S3、模拟源项：在溢流槽开关关闭的状态下，通过铀尾矿渣浸出液收集槽5取样孔取出淋溶浸出液，并测定淋溶浸出液中放射性核素浓度、以及淋溶浸出液体积；淋溶浸出液收集完毕后，定期打开溢流槽开关，使淋溶浸出液进入含水层9，模拟源项；
S4、稳定流场、开展污染物迁移实验：打开第二蠕动泵11，使含水层9饱和，待水体充满后，打开马氏瓶8，形成具有稳定水位的饱和带含水层流场；流场稳定后，打开尾液收集系统，开展污染物迁移实验；
S5、测量尾液中放射性核素浓度：定期测量尾液收集系统收集的尾液中放射性核素浓度，获得放射性核素迁移情况；
S6、通过数值模拟获得迁移参数。
上述实施例只是对本发明的举例说明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。上述实施例或实施方式只是对本发明的举例说明，本发明也可以以其它的特定方式或其它的特定形式实施，而不偏离本发明的要旨或本质特征。因此，描述的实施方式从任何方面来看均应视为说明性而非限定性的。本发明的范围应由附加的权利要求说明，任何与权利要求的意图和范围等效的变化也应包含在本发明的范围内。
Claims (10)
1.一种铀尾矿渣-含水层耦合淋溶实验装置，其特征在于，包括：模拟雨水供水系统(1)、模拟降雨装置(3)、铀尾矿渣柱(4)、铀尾矿渣浸出液收集槽(5)、溢流槽(6)、尾液收集系统、马氏瓶(8)、含水层(9)、水平均匀布流装置(10)、地下水供水系统(12)，其中：
所述铀尾矿渣柱(4)位于所述模拟降雨装置(3)的喷淋系统正下方，所述铀尾矿渣柱(4)正下方依次安装所述铀尾矿渣浸出液收集槽(5)、所述含水层(9)；所述溢流槽(6)安装于所述铀尾矿渣浸出液收集槽(5)底面一侧边缘；所述含水层(9)底部通过连接管路与所述马氏瓶(8)连通，所述马氏瓶(8)与所述连接管路构成稳定水位系统；所述含水层(9)一侧安装水平均匀布流装置(10)；
所述铀尾矿渣浸出液收集槽(5)、所述含水层(9)右侧布置有一系列尾液收集孔(7)；
所述模拟雨水供水系统(1)给所述模拟降雨装置(3)提供模拟雨水，所述地下水供水系统(12)为所述水平均匀布流装置(10)提供研究区采集的地下水。
2.根据权利要求1所述的一种铀尾矿渣-含水层耦合淋溶实验装置，其特征在于，所述尾液收集系统包括所述尾液收集孔(7)、收集装置，所述尾液收集孔(7)通过管路连接所述收集装置。
3.根据权利要求1所述的一种铀尾矿渣-含水层耦合淋溶实验装置，其特征在于，所述实验装置还包括第一蠕动泵(2)，所述模拟雨水供水系统(1)通过所述第一蠕动泵(2)与所述模拟降雨装置(3)连接，所述第一蠕动泵(2)控制所述模拟雨水供水系统(1)给所述模拟降雨装置(3)提供的模拟雨水的流量。
4.根据权利要求3所述的一种铀尾矿渣-含水层耦合淋溶实验装置，其特征在于，所述实验装置还包括第二蠕动泵(11)，所述水平均匀布流装置(10)通过所述第二蠕动泵(11)与所述地下水供水系统(12)连接，所述第二蠕动泵(11)控制所述水平均匀布流装置(10)向所述含水层(9)供水的水流速度及流量。
5.根据权利要求4所述的一种铀尾矿渣-含水层耦合淋溶实验装置，其特征在于，所述铀尾矿渣浸出液收集槽(5)上设置有取样孔，所述取样孔用于定时取出淋溶浸出液，并测量所述淋溶浸出液中放射性核素浓度。
6.根据权利要求5所述的一种铀尾矿渣-含水层耦合淋溶实验装置，其特征在于，所述铀尾矿渣浸出液收集槽(5)还设置有液位计，所述液位计用于计算出淋溶浸出液体积。
7.根据权利要求6所述的一种铀尾矿渣-含水层耦合淋溶实验装置，其特征在于，所述溢流槽(6)设置有溢流槽开关，所述溢流槽开关用于控制所述铀尾矿渣浸出液收集槽(5)内的淋溶浸出液进入所述含水层(9)。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的一种铀尾矿渣-含水层耦合淋溶实验装置，其特征在于，所述水平均匀布流装置(10)中填充有石英砂颗粒。
9.根据权利要求8所述的一种铀尾矿渣-含水层耦合淋溶实验装置，其特征在于，所述水平均匀布流装置(10)与所述含水层(9)相邻侧采用网状格栅板连通。
10.一种铀尾矿渣-含水层耦合淋溶实验方法，采用权利要求6所述铀尾矿渣-含水层耦合淋溶实验装置来实现，其特征在于，包括以下步骤：
S1、检查漏水：实验开始前检查所述铀尾矿渣-含水层耦合淋溶实验装置是否漏水；
S2、模拟降雨条件下的动态淋溶过程：打开所述第一蠕动泵(2)，通过所述模拟降雨装置(3)喷淋所述铀尾矿渣柱(4)，模拟降雨条件下的动态淋溶过程；
S3、模拟源项：在溢流槽开关关闭的状态下，通过所述取样孔取出淋溶浸出液，并测定所述淋溶浸出液中放射性核素浓度、以及所述淋溶浸出液体积；所述淋溶浸出液收集完毕后，定期打开所述溢流槽开关，使所述淋溶浸出液进入所述含水层(9)，模拟源项；
S4、稳定流场、开展污染物迁移实验：打开所述第二蠕动泵(11)，使所述含水层(9)饱和，待水体充满后，打开所述马氏瓶(8)，形成具有稳定水位的饱和带含水层流场；流场稳定后，打开所述尾液收集系统，开展污染物迁移实验；
S5、测量尾液中放射性核素浓度，获得放射性核素迁移情况：定期测量尾液收集系统收集的尾液中放射性核素浓度，获得放射性核素迁移情况；
S6、通过数值模拟获得迁移参数。
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