CN115171504A - 用于地下水污染监测修复的扇形三维模拟装置及模拟方法 - Google Patents

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CN115171504A CN202210716786.1A CN202210716786A CN115171504A CN 115171504 A CN115171504 A CN 115171504A CN 202210716786 A CN202210716786 A CN 202210716786A CN 115171504 A CN115171504 A CN 115171504A
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Abstract

本发明提供用于地下水污染监测修复的扇形三维模拟装置，涉及地下水污染修复模拟实验装置技术领域；扇形三维模拟装置包括：扇形砂槽、供水机构、两个溢水机构和多根监测管；扇形砂槽包括第一侧围板、第二侧围板、底板和弧形侧围板；扇形砂槽内设置有第一弧形滤板和第二弧形滤板；第一弧形滤板、第一侧围板、第二侧围板和底板围合形成第一溢水槽；第四弧形滤板、第一侧围板、第二侧围板、弧形侧围板和底板围合形成第二溢水槽；第二侧围板上设置有多个取样孔；监测管用于竖直插设在砂砾；两个溢水机构分别与第一溢水槽和第二溢水槽连通；本发明还提出一种用于地下水污染监测修复的扇形三维模拟方法，能够模拟三维流场中污染物的弥散、迁移情况。

Description

用于地下水污染监测修复的扇形三维模拟装置及模拟方法
技术领域
本发明涉及地下水污染修复模拟实验装置技术领域，尤其涉及用于地下水污染监测修复的扇形三维模拟装置及模拟方法。
背景技术
地下水是全球淡水资源的重要组成部分，供人类引用、工业生产及农业灌溉。地下水有很多优点，比如空间分布广、水质好、不易污染等优点，然而地下水一经污染，治理难度将远远大于地表水。随着社会的发展，工业化程度的大幅度增长以及人口数量大规模增大，地下水污染及修复的问题已成为当今社会的热点问题。大量对人身体有害的污染物，如重金属、有机染料等流入地下水，经过循环进入人体内将产生巨大的危害。因此对地下水污染机理以及修复模拟技术展开研究十分有必要。
砂槽模拟是研究地下水运动的一种基础物理模拟方法，能再现渗流动态和过程。现有技术中，通常以各种改良的柱状砂槽与方形砂槽为主，开展一维、二维水动力弥散模拟及预测实验。
发明内容
本发明旨在提出用于地下水污染监测修复的扇形模拟装置及模拟方法，能够模拟三维流场中污染物的弥散、迁移情况。
本发明提供用于地下水污染监测修复的扇形三维模拟装置，包括：扇形砂槽、供水机构、两个溢水机构和多根监测管；
所述扇形砂槽包括第一侧围板、第二侧围板、底板和弧形侧围板；所述第一侧围板、所述第二侧围板和所述弧形侧围板依次首尾连接，且设置在所述底板上；所述扇形砂槽内设置有第一弧形滤板和第二弧形滤板；所述第一弧形滤板、所述第一侧围板、所述第二侧围板和所述底板围合形成第一溢水槽；所述第四弧形滤板、所述第一侧围板、所述第二侧围板、所述弧形侧围板和所述底板围合形成第二溢水槽；所述第一弧形滤板与所述第四弧形滤板之间用于填充砂砾；所述第二侧围板上设置有多个取样孔，用于收集所述砂砾中垂直方向上不同位点的水样；
所述监测管用于竖直插设在所述砂砾上并收集所述砂砾中水平方向上不同位点的水样；所述监测管与所述取样孔配合，用于收集所述砂砾中三维流场上不同位点的水样；
所述供水机构用于将外部污水抽吸至所述砂砾上；
两个所述溢水机构分别与所述第一溢水槽和所述第二溢水槽连通，用于调节所述第一溢水槽与所述第二溢水槽的水头差。
进一步地，所述用于地下水污染监测修复的扇形三维模拟装置还包括可渗透反应墙；所述可渗透反应墙设置在所述扇形砂槽内，且位于所述第一弧形滤板和所述第二弧形滤板之间，用于吸附污染物。
进一步地，所述可渗透反应墙包括第三弧形滤板、第四弧形滤板和吸附材料；所述第三弧形滤板、所述第四弧形滤板、所述第一侧围板、所述第二侧围板和所述底板围合形成容纳槽；所述吸附材料填充于所述容纳槽内，且所述吸附材料通过滤布包裹。
进一步地，所述供水机构包括蠕动泵和橡胶软管；所述蠕动泵的出液口与所述橡胶软管的一端连通，用于将外部污水抽吸至所述砂砾上。
进一步地，所述供水机构还包括布水管；所述布水管用于水平设置在所述砂砾上；所述布水管的侧壁上设置有多个第一排水孔，所述第一排水孔呈直线均匀分布；所述布水管的一端用于与所述橡胶软管的另一端连通，另一端设置有堵头。
进一步地，所述供水机构还包括布水板；所述布水板用于设置在所述砂砾的上方；所述布水板为中空结构，且底部设置有多个第二排水孔；多个所述第二排水孔呈阵列均匀分布在所述布水板的底部；所述布水板的一端用于与所述橡胶软管的另一端连通。
进一步地，所述溢水机构包括升降杆、溢水盒和溢水管；所述升降杆设置在所述扇形砂槽的外侧并与所述溢水盒连接，用于驱动所述溢水盒升降；所述溢水盒内设置有溢水隔板；所述溢水盒的底部分别设置有进水口和排水口，且分别位于所述溢水隔板的两侧；所述溢水管的一端与所述进水口连通，另一端与所述第一溢水槽或者所述第二溢水槽的底部连通。
进一步地，所述升降杆的外侧标记有刻度，用于指示所述溢水盒的高度。
进一步地，所述第一侧围板的材质为透明有机玻璃。
本发明还提出一种根据上述的用于地下水污染监测修复的扇形三维模拟装置的模拟方法，包括如下步骤：
S1、将砂砾填充于所述扇形砂槽内，并将所述监测管竖直插设在所述砂砾中；
S2、向所述扇形砂槽内注水，使得所述扇形砂槽饱水；
S3、通过所述溢水机构调节所述第一溢水槽和所述第二溢水槽的水头差；
S4、通过所述供水机构将所述外部污水抽吸至所述砂砾上；
S5、分别通过所述取样孔和所述监测管收集不同时刻所述砂砾中三维流场上不同位点的水样，并检测所述水样的污染物浓度；同时，测量各所述监测管中的测压水头；
S6、根据不同时刻的所述污染物浓度和所述测压水头建立所述砂砾中三维流场上污染物的弥散、迁移模型。
本发明的实施例提供的技术方案带来的有益效果是：本发明实施例中用于地下水污染监测修复的扇形三维模拟装置包括扇形砂槽、供水机构、两个溢水机构和多根监测管；通过将模拟砂槽设置成扇形，在所述扇形砂槽的一侧设置多个用于收集砂砾中垂直方向上不同位点水样的取样孔，并设置多根用于竖直插设在所述砂砾上并收集所述砂砾中水平方向上不同位点水样的监测管，能够收集砂砾中三维流场上不同位点的水样；使用时，将砂砾填充于所述扇形砂槽内，并将所述监测管竖直插设在所述砂砾中；向所述扇形砂槽内注水，使得所述扇形砂槽饱水；通过所述溢水机构调节所述第一溢水槽和所述第二溢水槽的水头差；通过所述供水机构将所述外部污水抽吸至所述砂砾上；分别通过所述取样孔和所述监测管收集不同时刻所述砂砾中三维流场上不同位点的水样，并检测所述水样的污染物浓度，同时，测量各所述监测管中的测压水头；根据不同时刻的所述污染物浓度和所述测压水头建立所述砂砾中三维流场上污染物的弥散、迁移模型，从而模拟三维流场中污染物的弥散、迁移情况。
附图说明
图1为本发明某一实施例中用于地下水污染监测修复的扇形三维模拟装置的立体结构示意图；
图2为图1中用于地下水污染监测修复的扇形三维模拟装置的主视图；
图3为图1中用于地下水污染监测修复的扇形三维模拟装置的侧视图；
图4为图1中用于地下水污染监测修复的扇形三维模拟装置的俯视图；
其中，1、第一侧围板；2、第二侧围板；3、弧形侧围板；4、底板；5、支脚；6、第一弧形滤板；7、第二弧形滤板；8、第一溢水槽；9、第二溢水槽；10、第三弧形滤板；11、第四弧形滤板；12、布水管；13、布水板；14、升降杆；15、溢水盒；16、溢水隔板；17、溢水管；18、蓄水容器；19、取样孔；20、监测管；21、吸附材料；22、污水注入孔。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
请参考图1至图4，本发明的实施例提供了用于地下水污染监测修复的扇形三维模拟装置，包括：扇形砂槽、供水机构、两个溢水机构和多根监测管20；
所述扇形砂槽包括第一侧围板1、第二侧围板2、底板4和弧形侧围板3；第一侧围板1、第二侧围板2和弧形侧围板3依次首尾连接，且设置在底板4上；所述扇形砂槽内设置有第一弧形滤板6和第二弧形滤板7；第一弧形滤板6、第一侧围板1、第二侧围板2和底板4围合形成第一溢水槽8；第四弧形滤板11、第一侧围板1、第二侧围板2、弧形侧围板3和底板4围合形成第二溢水槽9；第一弧形滤板6与第四弧形滤板11之间用于填充砂砾；第二侧围板2上设置有多个取样孔19，用于收集所述砂砾中垂直方向上不同位点的水样；
监测管20用于竖直插设在所述砂砾上并收集所述砂砾中水平方向上不同位点的水样；监测管20与取样孔19配合，用于收集所述砂砾中三维流场上不同位点的水样；
所述供水机构用于将外部污水抽吸至所述砂砾上；
两个所述溢水机构分别与第一溢水槽8和第二溢水槽9连通，用于调节第一溢水槽8与第二溢水槽9的水头差。
示例性地，在本实施例中，第一侧围板1与第二侧围板2之间的夹角30°；第一侧围板1为透明有机玻璃，厚度为10mm；第二侧围板2为不锈钢板，厚度为10mm；取样孔19内可拆卸地设置有橡胶塞，需要通过取样孔19取样时，取下相应位点的取样孔19内的橡胶塞即可；取样孔19设置有三组，每组取样孔19呈阵列均匀分布；通过从各取样孔19取样，并检测污染物浓度，结合绘图软件能够得到垂直方向上的渗流场，污染物弥散、迁移情况；所述扇形砂槽的半径为1500mm、高800mm；所述扇形砂槽的水平方向用5根1500×30×30mm的钢架加固，垂至方向用5根740×30×30mm的钢架加固，以增强其强度；所述扇形砂槽的底部设置有6个高度为5cm的支脚5，以便于扇形砂槽的移动；第一弧形滤板6和第二弧形滤板7的表面设置有60目的尼龙纱网。
参考图4，在本实施例中，监测管20的数量为八根；八根监测管20分三组，各组中监测管20的数量分别为2根(第一组)、3根(第二组)和3根(第三组)；各组监测管20的中心轴线分别位于以污水注入孔22为圆心的三个圆周上；其中，第三组监测管20所在圆周的半径＞第二组监测管20所在圆周的半径＞第一组监测管20所在圆周的半径。
为了研究三维流场中的污染物修复情况，所述用于地下水污染监测修复的扇形三维模拟装置还包括可渗透反应墙；所述可渗透反应墙设置在所述扇形砂槽内，且位于第一弧形滤板6和第二弧形滤板7之间，用于吸附污染物；远离污水注入孔22的两组监测管20分别位于所述可渗透反应墙的两侧。
具体地，在本实施例中，所述可渗透反应墙包括第三弧形滤板10、第四弧形滤板11和吸附材料21；第三弧形滤板10、第四弧形滤板11、第一侧围板1、第二侧围板2和底板4围合形成容纳槽；吸附材料21填充于所述容纳槽内，且吸附材料21通过滤布包裹；需要更换吸附材料21时，直接通过所述滤布将吸附材料21移出，再装入需要的吸附材料21即可，更换方便；吸附材料21可以现有技术中的活性炭、大孔吸附树脂等；在可渗透反应墙中填充不同的吸附材料21，可以模拟真实三维条件下对不同吸附材料21对地下水的修复能力。
示例性地，在本实施例中，所述供水机构包括蠕动泵和橡胶软管；所述蠕动泵的出液口与所述橡胶软管的一端连通，用于将外部污水抽吸至所述砂砾上；使用时，在所述扇形砂槽尖端处的砂砾顶部挖设一个污水注入孔22；所述蠕动泵以稳定的流速向污水注入孔22内注入污水，污水通过污水注入孔22向四周蔓延，达到点源入渗的目的。
所述供水机构还包括布水管12；布水管12用于水平设置在所述砂砾上；布水管12的侧壁上设置有多个第一排水孔，所述第一排水孔呈直线均匀分布；布水管12的一端用于与所述橡胶软管的另一端连通，另一端设置有堵头；需要线源入渗时，将所述橡胶软管的另一端与布水管12连通；所述蠕动泵通过所述橡胶软管将污水抽吸至布水管12中，并通过所述第一排水孔排出至所述砂砾上，以达到线源入渗的目的。
示例性地，在本实施例中，布水管12为PVC管，直径25mm，壁厚2.5mm，长60cm。
所述供水机构还包括布水板13；布水板13通过支架支撑设置在所述扇形砂槽上，且位于所述砂砾的正上方；布水板13呈扇形；布水板13用于设置在所述砂砾的上方；布水板13为中空结构，且底部设置有多个第二排水孔；多个所述第二排水孔呈阵列均匀分布在布水板13的底部；布水板13的一端用于与所述橡胶软管的另一端连通；需要面源入渗时，将所述橡胶软管的另一端与布水板13的尖端连通；所述蠕动泵通过所述橡胶软管将污水抽吸至布水板13中，并通过所述第二排水孔排出至所述砂砾上，以达到面源入渗的目的。
需要说明的是，污水注入孔22、布水管12、布水板13分别用于模拟点源污水入渗、线源污水入渗、面源污水入渗；三种污水入渗模拟方式可以分别进行，也可同时进行，根据实验所需条件进行调节，并不限于其中一种入渗模拟方式。
具体地，参考图2，所述溢水机构包括升降杆14、溢水盒15和溢水管17；升降杆14设置在所述扇形砂槽的外侧并与溢水盒15连接，用于驱动溢水盒15升降；溢水盒15内设置有溢水隔板16；溢水盒15的底部分别设置有进水口和排水口，且分别位于溢水隔板16的两侧；溢水管17的一端与所述进水口连通，另一端与第一溢水槽8或者第二溢水槽9的底部连通；升降杆14为电动升降杆14。
示例性地，在本实施例中，溢水盒15由有机玻璃制成，溢水盒15固定在升降杆14上，可以通过升降杆14调节溢水盒15的高度，要求第一溢水槽8或者第二溢水槽9内的水位较高时，可通过对应溢水机构中的升降杆14调高溢水盒15的高度，要求第一溢水槽8或第二溢水槽9内的水位较低时，可通过对应溢水机构中的升降杆14调低溢水盒15的高度。
需要说明的是，升降杆14为现有技术，故不在此赘述其具体结构。
示例性地，在本实施例中，所述溢水机构还包括蓄水容器18，用于收集从所述排水口排出的水。
为了指示溢水盒15的高度，以方便调节第一溢水槽8与第二溢水槽9的水头差，升降杆14的外侧标记有刻度。
本发明还提出一种根据上述的用于地下水污染监测修复的扇形三维模拟装置的模拟方法，包括如下步骤：
S1、将砂砾填充于所述扇形砂槽内，并将监测管20竖直插设在所述砂砾中；
在步骤S1中，在所述扇形砂槽的底部铺一层粉砂，模拟相对隔水层；在粉砂上装入均匀的粗砂，模拟渗透系数保持一致的均匀含水层；于粗砂上铺设一层均匀的分粉砂，模拟相对隔水层。
S2、向所述扇形砂槽内注水，使得所述扇形砂槽饱水；
在步骤S2中，通过升降杆14将两个溢水盒15分别降到刻度尺20cm处，每隔三天将溢水盒15升高20cm(以排出所述扇形砂槽内水中的气泡)，直到所述扇形砂槽饱水。
S3、通过所述溢水机构调节第一溢水槽8和第二溢水槽9的水头差；
在步骤S3中，测量与第二溢水槽9连通的溢水盒15的排水流量，直到排水流量稳定后，可认为所述扇形砂槽中形成了稳定的流场。
S4、通过所述供水机构将所述外部污水抽吸至所述砂砾上；
在步骤S4中，所述污水为已知浓度的染色氯化钠水溶液，通过所述第一侧围板1可以观察大致的弥散路径。
S5、分别通过取样孔19和监测管20收集不同时刻所述砂砾中三维流场上不同位点的水样，并检测所述水样的污染物浓度；同时，测量各监测管20中的测压水头；
在步骤S5中，读取和测量的数据包括：在投放染色氯化钠水溶液后不同的时间点，获取各个监测管20内的测压水头和污染物浓度；通过各取样孔19获得不同位置水样的污染物浓度；取样的时间及实验进行的总时间。
S6、根据不同时刻的所述污染物浓度和所述测压水头建立所述砂砾中三维流场上污染物的弥散、迁移模型。
在步骤S6中，首先绘制污染物浓度-时间曲线，根据水力弥散定解方程，绘制标准曲线图，得到平面方向上由监测管20连线形成的三个方向的水力弥散系数以及纵向水力弥散系数；再根据垂直方向和水平方向所得的各点地下水参数，结合绘图软件得到地下水三维流场中污染物弥散、迁移的模型。
作为本实施例的变形，在第一组监测管20和第二组监测管20之间，上下隔水层之间布置强透镜体，所述强透镜体由直径约为4-5cm的砾石组成；强透镜体的存在会产生扰流作用，影响扇形砂槽中污染物的弥散系数与弥散范围；强透镜体增大了污染物的迁移速度，污染物迁移到强透镜体中迅速流出，减少弥散晕前锋与尾的距离，缩小弥散晕的范围。将计算得到的不同方向的水力弥散系数以及建立的迁移模型与均一介质含水层所得的数据图件进行比较，探究三维水动力弥散机理，可以进一步推测复杂野外条件下的水动力弥散机理。
以上未涉及之处，适用于现有技术。
在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。
在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.用于地下水污染监测修复的扇形三维模拟装置，其特征在于，包括：扇形砂槽、供水机构、两个溢水机构和多根监测管；
所述扇形砂槽包括第一侧围板、第二侧围板、底板和弧形侧围板；所述第一侧围板、所述第二侧围板和所述弧形侧围板依次首尾连接，且设置在所述底板上；所述扇形砂槽内设置有第一弧形滤板和第二弧形滤板；所述第一弧形滤板、所述第一侧围板、所述第二侧围板和所述底板围合形成第一溢水槽；所述第四弧形滤板、所述第一侧围板、所述第二侧围板、所述弧形侧围板和所述底板围合形成第二溢水槽；所述第一弧形滤板与所述第四弧形滤板之间用于填充砂砾；所述第二侧围板上设置有多个取样孔，用于收集所述砂砾中垂直方向上不同位点的水样；
所述监测管用于竖直插设在所述砂砾上并收集所述砂砾中水平方向上不同位点的水样；所述监测管与所述取样孔配合，用于收集所述砂砾中三维流场上不同位点的水样；
所述供水机构用于将外部污水抽吸至所述砂砾上；
两个所述溢水机构分别与所述第一溢水槽和所述第二溢水槽连通，用于调节所述第一溢水槽与所述第二溢水槽的水头差。
2.根据权利要求1所述的用于模拟地下水污染修复的扇形可渗透反应墙装置，其特征在于，还包括可渗透反应墙；所述可渗透反应墙设置在所述扇形砂槽内，且位于所述第一弧形滤板和所述第二弧形滤板之间，用于吸附污染物。
3.根据权利要求2所述的用于地下水污染监测修复的扇形三维模拟装置，其特征在于，所述可渗透反应墙包括第三弧形滤板、第四弧形滤板和吸附材料；所述第三弧形滤板、所述第四弧形滤板、所述第一侧围板、所述第二侧围板和所述底板围合形成容纳槽；所述吸附材料填充于所述容纳槽内，且所述吸附材料通过滤布包裹。
4.根据权利要求1所述的用于地下水污染监测修复的扇形三维模拟装置，其特征在于，所述供水机构包括蠕动泵和橡胶软管；所述蠕动泵的出液口与所述橡胶软管的一端连通，用于将外部污水抽吸至所述砂砾上。
5.根据权利要求4所述的用于地下水污染监测修复的扇形三维模拟装置，其特征在于，所述供水机构还包括布水管；所述布水管用于水平设置在所述砂砾上；所述布水管的侧壁上设置有多个第一排水孔，所述第一排水孔呈直线均匀分布；所述布水管的一端用于与所述橡胶软管的另一端连通，另一端设置有堵头。
6.根据权利要求4所述的用于地下水污染监测修复的扇形三维模拟装置，其特征在于，所述供水机构还包括布水板；所述布水板用于设置在所述砂砾的上方；所述布水板为中空结构，且底部设置有多个第二排水孔；多个所述第二排水孔呈阵列均匀分布在所述布水板的底部；所述布水板的一端用于与所述橡胶软管的另一端连通。
7.根据权利要求1所述的用于地下水污染监测修复的扇形三维模拟装置，其特征在于，所述溢水机构包括升降杆、溢水盒和溢水管；所述升降杆设置在所述扇形砂槽的外侧并与所述溢水盒连接，用于驱动所述溢水盒升降；所述溢水盒内设置有溢水隔板；所述溢水盒的底部分别设置有进水口和排水口，且分别位于所述溢水隔板的两侧；所述溢水管的一端与所述进水口连通，另一端与所述第一溢水槽或者所述第二溢水槽的底部连通。
8.根据权利要求7所述的用于地下水污染监测修复的扇形三维模拟装置，其特征在于，所述升降杆的外侧标记有刻度，用于指示所述溢水盒的高度。
9.根据权利要求1所述的用于地下水污染监测修复的扇形三维模拟装置，其特征在于，所述第一侧围板的材质为透明有机玻璃。
10.根据权利要求1-9任意一项所述的用于地下水污染监测修复的扇形三维模拟装置的模拟方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、将砂砾填充于所述扇形砂槽内，并将所述监测管竖直插设在所述砂砾中；
S2、向所述扇形砂槽内注水，使得所述扇形砂槽饱水；
S3、通过所述溢水机构调节所述第一溢水槽和所述第二溢水槽的水头差；
S4、通过所述供水机构将所述外部污水抽吸至所述砂砾上；
S5、分别通过所述取样孔和所述监测管收集不同时刻所述砂砾中三维流场上不同位点的水样，并检测所述水样的污染物浓度；同时，测量各所述监测管中的测压水头；
S6、根据不同时刻的所述污染物浓度和所述测压水头建立所述砂砾中三维流场上污染物的弥散、迁移模型。
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