CN117672048A - 基于氮同位素测试的氮源分析虚拟仿真实验系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于氮同位素测试的氮源分析虚拟仿真实验系统及方法，涉及岩溶地下水与环境污染分析的虚拟仿真模拟技术领域。该系统包括：实验导学模块，用于为用户提供实验模拟前需要学习的相关内容；实验目的模块，用于确定实验流程及实验目的；水样测试模块，用于根据实验流程进行不同水样的硝酸根及氮同位素测试模拟实验，并根据实验结果对氮素来源进行分析；渗流模拟模块，用于根据氮素来源的分析结果对渗流的运移过程和污染物运移影响进行模拟。本发明能够使用户通过信息化手段即可掌握相关测试原理、过程和分析方法，为岩溶地下水环境相关课程学习提供便利。
Description
技术领域
本发明涉及岩溶地下水与环境污染分析的虚拟仿真模拟技术领域，尤其涉及一种基于氮同位素测试的氮源分析虚拟仿真实验系统及方法。
背景技术
岩溶地下水氮污染一直以来备受世界研究者关注，世界卫生组织规定饮用水中硝酸盐浓度应低于10mg/L，否则将对人体健康造成危害。在地下水与环境相关专业教学、科研过程中，岩溶地下水硝酸盐浓度变化、氮源分析等内容是课程教学内容的重要部分，相关数据结果和关键指标能够为岩溶区地下水氮污染治理提供科学依据和解决方案，此外该部分教学内容可与课程思政育人模式结合，培养学生可持续发展思维。
然而在实际教学过程中，由于岩溶区地质条件复杂、环境特殊，现场进行讲解、采样、测试、分析等教学环节显然无法满足课程实验教学的长周期性要求；由于洞穴等相对封闭的自然环境，外界干扰如碳排放等会对岩溶环境系统造成扰动，同时也对师生身体健康条件、教学经费投入、课程教学时长等提出较高要求，成为相关课程进行现场实践教学的阻碍。因此，如何更直观更全面的实现岩溶地下水氮源分析的虚拟仿真，成为现有技术亟待解决的问题。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种基于氮同位素测试的氮源分析虚拟仿真实验系统及方法，使用户通过信息化手段即可掌握相关测试原理、过程和分析方法，为岩溶地下水环境相关课程学习提供便利。
为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：
本发明第一方面提供了一种基于氮同位素测试的氮源分析虚拟仿真实验系统，包括：
实验导学模块，用于为用户提供实验模拟前需要学习的相关内容；
实验目的模块，用于确定实验流程及实验目的，其中，实验流程包括根据水样测试模块进行模拟实验，获取实验区不同水样的硝酸根离子浓度、氮同位素值分布特征及变化规律，实验目的包括根据模拟实验的实验结果判定污染物来源，通过渗流模拟模块的模拟过程，给出地下水氮污染治理及预防方案；
水样测试模块，用于根据实验流程进行不同水样的硝酸根及氮同位素测试模拟实验，并根据实验结果对氮素来源进行分析；
渗流模拟模块，用于根据氮素来源的分析结果对渗流的运移过程和污染物运移影响进行模拟。
进一步的，实验模拟前需要学习的相关内容包括：岩溶区域水循环特征、地下水氮污染物来源、转化特征及危害、阴离子浓度测试法、氮同位素测试法原理和地下水渗流模型原理。
进一步的，水样测试模块包括：
水样采集模块，用于采集不同来源的水样；
测试模拟模块，用于根据不同来源的水样模拟阴离子色谱仪测试过程，得到硝酸根离子浓度数据；
测试分析模块，用于根据测试模拟模块的测试结果进行氮来源分析。
更进一步的，不同来源的水样包括大气降水、地表水和岩溶地下水。
更进一步的，水样采集模块为水样采集器，水样采集器包括桶体，桶顶和出水口，桶体为圆柱桶状容器，上表面设置有桶顶，桶顶设计为漏斗状，用于收集水样，收集的水样通过出水口排出。
更进一步的，测试分析模块中，还用于将硝酸根离子浓度数据与用水标准数据对比，得到氮污染程度分析曲线；根据取样时间分辨率，得到不同时间尺度下的硝酸根离子浓度变化曲线，并分析氮污染变化特征；根据氮同位素分析法得到不同水样在不同时间尺度下的δ15N值，并分析不同水样的氮来源。
进一步的，渗流模拟模块，还用于基于氮素来源的分析结果，绘制岩溶地下水氮污染运移路线；模拟硝酸盐随地下水渗流的运移过程，形成运移模拟动画；根据地下水渗流影响因素，模拟不同外界条件对污染物运移的影响。
进一步的，还包括课堂测试模块，用于根据模拟实验进行过程性考核。
更进一步的，课堂测试模块的测试内容包括测验岩溶区水样取样过程注意事项掌握情况，测验阴离子色谱仪的操作步骤，测验氮同位素测试法原理、操作步骤及数据分析掌握程度，测验岩溶地下水循环系统、地下水渗流原理掌握情况，基于实验结果制定不同氮源的岩溶地下水污染治理方案。
本发明第二方面提供了一种第一方面所述的基于氮同位素测试的氮源分析虚拟仿真系统的仿真实验方法，包括以下步骤：
用户对实验模拟前需要学习的相关内容进行学习；
确定实验流程及实验目的；其中，实验流程包括根据水样测试模块进行模拟实验，获取实验区不同水样的硝酸根离子浓度、氮同位素值分布特征及变化规律，实验目的包括根据模拟实验的实验结果判定污染物来源，通过渗流模拟模块的模拟过程，给出地下水氮污染治理及预防方案；
根据实验流程进行不同水样的硝酸根及氮同位素测试模拟实验，并根据实验结果对氮素来源进行分析；
根据氮素来源的分析结果对渗流的运移过程和污染物运移影响进行模拟。
以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：
本发明公开了一种基于氮同位素测试的氮源分析虚拟仿真实验系统及方法，
能够让用户在室内通过信息技术手段模拟不同岩溶环境下的水样采集、保存及氮浓度、氮同位素测试方法，突破了现实取样过程中周期长、环境因素不确定性大等不利条件限制，便于教师在有限学时内实现实践教学目标。
本发明提出的基于氮同位素测试的虚拟仿真模拟过程，能够减少对岩溶区自然环境的干扰，同时用户通过模拟氮同位素测试过程即可了解相关实验原理并分析数据特征，发挥了虚拟仿真资源的直观性和便利性特点，降低了教学经费支出，提高了教学效率。
本发明能够模拟地下水氮污染渗流过程，将在自然环境下不可视的过程通过信息技术实现可视化，帮助用户进一步理解抽象的渗流概念，同时用户经过模拟能够得到环节氮污染的处理思路，培养用户环保理念。
本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明实施例一中基于氮同位素测试的氮源分析虚拟仿真实验系统结构示意图；
图2为本发明实施例一中水样测试模块过程示意图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；
实施例一：
本发明实施例一提供了一种基于氮同位素测试的氮源分析虚拟仿真实验系统，如图1所示，包括实验导学模块、实验目的模块、水样测试模块、渗流模拟模块和课堂测试模块：
实验导学模块，进入岩溶地下水氮源分析导学页面，用于为用户提供实验模拟前需要学习的相关内容。
其中，实验模拟前需要学习的相关内容包括：岩溶区域水循环特征、地下水氮污染物来源、转化特征及危害、阴离子浓度测试法、氮同位素测试法原理和地下水渗流模型原理等。
实验目的模块，用于确定实验流程及实验目的，引导用户明确学习重点、难点。其中，实验流程包括根据水样测试模块进行模拟实验，基于阴离子色谱仪、氮同位素测试及渗流模型，获取实验区不同水样的硝酸根离子浓度、氮同位素值分布特征及变化规律，实验目的包括根据模拟实验的实验结果判定污染物来源，通过渗流模拟模块的模拟过程，给出地下水氮污染治理及预防方案。
用户在实验目的模块需要逐一完成每一部分的浏览，模块设置最低浏览时长，每一部分时长为10秒，分别完成后进入下一模块。
水样测试模块，用于根据实验流程进行不同水样的硝酸根及氮同位素测试模拟实验，并根据实验结果对氮素来源进行分析。
水样测试模块包括水样的采样、保存、测试、分析，设计了大气降水、地表水、岩溶地下水等不同水样的硝酸根及氮同位素测试模拟实验，并能够绘制相关数据变化曲线、投影坐标，根据相关数据在不同时间尺度下的变化特征，判断氮污染程度及氮污染主要来源。
如图2所示，用户首先根据需要选择模拟采样周期，包括每日、每月、每季度、每年4类，明确采样周期后进入采样环节；采样对象分为大气降水、地表水及地下水3类水样，根据不同水样所在环境特征，选择不同的采样容器和采样方法；采样完成后根据水样类别分别选择保存环境，进入水样测试环节；水样测试环节分为阴离子色谱仪测试模拟、氮同位素测试模拟两部分，按照提示分别选取不同类别水样、设置进样量和测试速率，完成两个模拟测试，进入测试结果分析环节；根据所选择的采样周期，绘制对应时间尺度下的硝酸根离子浓度变化曲线、氮同位素值坐标投影，得到不同水样的氮污染程度及来源，并进一步制定污染治理方案，岩溶地下水氮源分析虚拟仿真模拟过程结束。
在一种具体的实施方式中，水样测试模块包括：
（1）水样采集模块，用于采集不同来源的水样。
水样采集模拟过程可模拟不同时间尺度下的采集过程，目前在真实实验中难以实现按日或按月定点取样，通过该实验系统，可帮助用户理解不同取样分辨率对分析水样中硝酸根浓度变化的影响，进而得到氮污染随季节变化的规律，能够引导学生分析例如农耕等季节性人类活动对岩溶区水环境污染带来的影响，突破真实取样条件下的环境限制。
水样采集模块为水样采集器，水样采集器包括桶体，桶顶和出水口。桶体为圆柱桶状容器，桶体透明，一侧标有刻度线。上表面设置有桶顶，可拆卸，便于收集大气降水、洞穴滴水等水样；桶顶设计为漏斗状，用于收集水样。在采样前采样器底内倒入液体石蜡，平铺于采样器底部，可防止水样在采集过程中蒸发造成误差。桶体底部侧方设置有可调节流速的水龙头作为出水口，收集的水样通过出水口排出，保存在相应的密封容器内。
在水样采集过程中，为减少由于取样过程（如洞穴滴水等待时间较长）发生蒸发效应带来的浓度变化，在取样容器底部均匀的铺满液体石蜡，由于水样密度高于液体石蜡密度，随着水样采集过程，液体石蜡始终漂浮在水样上层，减少水样蒸发。在本发明中通过虚拟仿真过程模拟体现该取样过程，引导学生思考真实实验中如何减少环境变量避免造成结果误差。
水样采集过程中，水样类别按照大气降水、地表水、岩溶地下水三类进行采集模拟，通过三类水样中硝酸根浓度的分析，得到岩溶区水流渗流过程中的硝酸根浓度变化曲线，为分析污染物来源提供依据。
在一种具体的实施方式中，搭建岩溶区水样采集模型，包括大气降水、地表水、岩溶地下水等，设置取样容量，并结合数据分析需要，设置不同时间尺度采样选项，包括按月采样、按季度采样、按年采样等。
根据水样特征，设置保存条件，例如岩溶滴水根据洞穴温度、湿度等条件密封保存在环境稳定、提前布置有液体石蜡的储存容器内，其他水样同时注意密封保存，防止蒸发影响离子浓度。
需要特别说明的是，本实施例中的水样采集模型与水样采集器均为虚拟构建，目的是为了使实验过程更加逼真完整。尤其是水样采集的取样过程各种场景参数均可以自定义设置，在实现较为真实的实验体验同时，还减少了实地实验带来的时间成本和经济成本。
（2）测试模拟模块，用于根据不同来源的水样模拟阴离子色谱仪测试过程，得到硝酸根离子浓度数据。具体包括阴离子色谱仪测试模拟和氮同位素测试模拟。
其中，阴离子色谱仪测试模拟目的是为了对阴离子色谱仪的工作过程进行模拟，实验包括：对水样分别进行阴离子浓度测试，设置蒸馏水对比组，控制进样体积和流速，形成不同时间尺度、不同水样来源的硝酸根离子浓度变化曲线。
氮同位素测试模拟目的是为了得到不同水样中的氮同位素值，得到该区域的地下水氮素主要来源，并根据结果模拟出硝酸盐的运移过程，将在真实环境中不可见的过程可视化，帮助学生理解岩溶区地下水污染物运移的速率、方式、特点，引导学生思考地下水污染物治理、预防方案。
实验包括：选取氮同位素测试水样，根据同位素测试法模拟氮同位素测试过程，得到不同水样的δ15N值，并根据岩溶区δ15N值特征，得到氮素主要来源。
（3）测试分析模块，用于根据测试模拟模块的测试结果进行氮来源分析。
将硝酸根离子浓度数据与用水标准数据对比，得到氮污染程度分析曲线，进一步得到采样区不同水源的氮污染程度，明确氮同位素测试对象。其中，硝酸根离子浓度数据为测试模拟模块中阴离子色谱仪测试模拟实验得到。用水标准数据为世界卫生组织规定的用水标准数据，具体为10mg/L浓度。
根据取样时间分辨率，得到不同时间尺度下的硝酸根离子浓度变化曲线，分析氮污染变化特征；根据氮同位素分析法得到不同水样在不同时间尺度下的δ15N值。
具体的，根据氮同位素技术应用原理，自然条件下氮元素的稳定同位素有15N和14N两种，氮原子中15N和14N的相对丰度分别为0.3663%和99.6337%，氮源在迁移转化过程中发生生化作用会改变氮元素中15N和14N的含量，可以用稳定同位素比值来表示，通常用它与某一标准物质的同位素比值的千分差 δ 值来表示，其定义式如下：δ15N=［R(15N/14N)sample/R(15N/14N)air－1］ ×1000。
式中， R（15N/14N）sample为样品中氮同位素丰度比值，R（15N/14N）air为大气中氮气的氮同位素丰度比值。
如上所述，氮在自然界循环时发生一系列反应，包括了物理作用、化学作用、生物作用等，这些生化反应就会使得氮同位素发生分馏作用，因此不同来源中的硝态氮δ15N会有所差异，这些具有差异的同位素值就可以成为不同氮来源的特征值，可以根据水体中的硝酸盐δ15N的值来识别氮源污染来源，例如大气沉降的δ15N值的范围为-15%~+15%，生活污水中δ15N值的范围为+4‰~+19‰，土壤氮中δ15N值的范围为0‰~+8‰。基于以上原理，虚拟仿真系统模拟分析不同水样的δ15N特征值进而分析目标区氮源，其中，δ15N值通过模拟模块中氮同位素测试模拟实验得到。
之后在渗流模拟模块根据岩溶区地下水渗流特点，结合氮污染来源，得到氮素运移过程模拟，直观体现氮污染运移过程，进一步分析氮污染治理方案，最终，为学生提供污染治理方案选项，岩溶地下水氮污染溯源模拟结束。
渗流模拟模块，用于根据氮素来源的分析结果对渗流的运移过程和污染物运移影响进行模拟。
目前岩溶区地下水氮来源主要来源包括流域内大气沉降、牲畜粪便、含氮化学肥料、农村生活污水、土壤氮等。基于水样测试模块氮素来源的分析结果，根据岩溶区地下水渗流原理，绘制二维静态岩溶地下水氮污染运移路线；模拟硝酸盐随地下水渗流的运移过程，形成三维动态运移模拟动画；根据地下水渗流影响因素，模拟不同程度降水、交通工程施工、农业活动等外界条件对污染物运移的影响。如降水强度高，在氮源相对稳定的条件下，地下水受上方水压影响渗流速度加快，氮污染快速转移，固定范围内氮污染浓度迅速降低；工程施工改变了岩溶区地质结构，进而影响了地下水径流方向，会影响氮污染传播范围；不同季节人为活动对地下水氮污染影响显著，农耕季节人为施用肥料，地下水中来自含氮化肥的氮污染剧增，相对于非农耕季节，氮源信号表现出不同的特点，硝酸根浓度峰值呈现出随季节变化的特征。以此为依据，在虚拟仿真系统中可选择不同的外界影响因素场景，如梅雨季节、大型工程施工过程、农耕季节等，分别在不同影响背景下开展污染物的渗流模拟，进一步直观的引导学生理解污染物运移和变化的特点，在实际应用中因地制宜的开展地下水氮污染的防治工作。
课堂测试模块，用于根据模拟实验进行过程性考核。该模块主要检测用户通过本实验平台对于相关知识、原理、技术和数据分析等掌握的情况，便于课堂教学的过程性考核。课堂测试模块的测试内容包括测验岩溶区水样取样过程注意事项掌握情况，测验阴离子色谱仪的操作步骤，测验氮同位素测试法原理、操作步骤及数据分析掌握程度，测验岩溶地下水循环系统、地下水渗流原理掌握情况，基于实验结果制定不同氮源的岩溶地下水污染治理方案。之后系统根据用户得分给出测评报告，用户可根据测评报告中的反馈结果返回操作页面，巩固薄弱部分。
实施例二：
本发明实施例二提供了一种实施例一所述的基于氮同位素测试的氮源分析虚拟仿真系统的仿真实验方法，包括以下步骤：
用户对实验模拟前需要学习的相关内容进行学习；
确定实验流程及实验目的；其中，实验流程包括根据水样测试模块进行模拟实验，获取实验区不同水样的硝酸根离子浓度、氮同位素值分布特征及变化规律，实验目的包括根据模拟实验的实验结果判定污染物来源，通过渗流模拟模块的模拟过程，给出地下水氮污染治理及预防方案；
根据实验流程进行不同水样的硝酸根及氮同位素测试模拟实验，并根据实验结果对氮素来源进行分析；
根据氮素来源的分析结果对渗流的运移过程和污染物运移影响进行模拟。
以上实施例二中涉及的各步骤与方法实施例一相对应，具体实施方式可参见实施例一的相关说明部分。
本领域技术人员应该明白，上述本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算机装置来实现，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。本发明不限制于任何特定的硬件和软件的结合。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (10)
1.一种基于氮同位素测试的氮源分析虚拟仿真实验系统，其特征在于，包括：
实验导学模块，用于为用户提供实验模拟前需要学习的相关内容；
实验目的模块，用于确定实验流程及实验目的，其中，实验流程包括根据水样测试模块进行模拟实验，获取实验区不同水样的硝酸根离子浓度、氮同位素值分布特征及变化规律，实验目的包括根据模拟实验的实验结果判定污染物来源，通过渗流模拟模块的模拟过程，给出地下水氮污染治理及预防方案；
水样测试模块，用于根据实验流程进行不同水样的硝酸根及氮同位素测试模拟实验，并根据实验结果对氮素来源进行分析；
渗流模拟模块，用于根据氮素来源的分析结果对渗流的运移过程和污染物运移影响进行模拟。
2.如权利要求1所述的基于氮同位素测试的氮源分析虚拟仿真实验系统，其特征在于，实验模拟前需要学习的相关内容包括：岩溶区域水循环特征、地下水氮污染物来源、转化特征及危害、阴离子浓度测试法、氮同位素测试法原理和地下水渗流模型原理。
3.如权利要求1所述的基于氮同位素测试的氮源分析虚拟仿真实验系统，其特征在于，水样测试模块包括：
水样采集模块，用于采集不同来源的水样；
测试模拟模块，用于根据不同来源的水样模拟阴离子色谱仪测试过程，得到硝酸根离子浓度数据；
测试分析模块，用于根据测试模拟模块的测试结果进行氮来源分析。
4.如权利要求3所述的基于氮同位素测试的氮源分析虚拟仿真实验系统，其特征在于，不同来源的水样包括大气降水、地表水和岩溶地下水。
5.如权利要求3所述的基于氮同位素测试的氮源分析虚拟仿真实验系统，其特征在于，水样采集模块为水样采集器，水样采集器包括桶体，桶顶和出水口，桶体为圆柱桶状容器，上表面设置有桶顶，桶顶设计为漏斗状，用于收集水样，收集的水样通过出水口排出。
6.如权利要求3所述的基于氮同位素测试的氮源分析虚拟仿真实验系统，其特征在于，测试分析模块中，还用于将硝酸根离子浓度数据与用水标准数据对比，得到氮污染程度分析曲线；根据取样时间分辨率，得到不同时间尺度下的硝酸根离子浓度变化曲线，并分析氮污染变化特征；根据氮同位素分析法得到不同水样在不同时间尺度下的δ15N值，并分析不同水样的氮来源。
7.如权利要求1所述的基于氮同位素测试的氮源分析虚拟仿真实验系统，其特征在于，渗流模拟模块，还用于基于氮素来源的分析结果，绘制岩溶地下水氮污染运移路线；模拟硝酸盐随地下水渗流的运移过程，形成运移模拟动画；根据地下水渗流影响因素，模拟不同外界条件对污染物运移的影响。
8.如权利要求1所述的基于氮同位素测试的氮源分析虚拟仿真实验系统，其特征在于，还包括课堂测试模块，用于根据模拟实验进行过程性考核。
9.如权利要求8所述的基于氮同位素测试的氮源分析虚拟仿真实验系统，其特征在于，课堂测试模块的测试内容包括测验岩溶区水样取样过程注意事项掌握情况，测验阴离子色谱仪的操作步骤，测验氮同位素测试法原理、操作步骤及数据分析掌握程度，测验岩溶地下水循环系统、地下水渗流原理掌握情况，基于实验结果制定不同氮源的岩溶地下水污染治理方案。
10.一种权利要求1-9任一项所述的基于氮同位素测试的氮源分析虚拟仿真实验系统的仿真实验方法，其特征在于，包括以下步骤：
用户对实验模拟前需要学习的相关内容进行学习；
确定实验流程及实验目的；其中，实验流程包括根据水样测试模块进行模拟实验，获取实验区不同水样的硝酸根离子浓度、氮同位素值分布特征及变化规律，实验目的包括根据模拟实验的实验结果判定污染物来源，通过渗流模拟模块的模拟过程，给出地下水氮污染治理及预防方案；
根据实验流程进行不同水样的硝酸根及氮同位素测试模拟实验，并根据实验结果对氮素来源进行分析；
根据氮素来源的分析结果对渗流的运移过程和污染物运移影响进行模拟。
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