CN200959010Y - 一种温控土柱监测试验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种温控土柱监测试验装置，它包括温控土柱、七个压力传感器、七个温度传感器，加热制冷浴槽与温控土柱相连，温控土柱分别与两侧的七个压力传感器和七个温度传感器相连，阀门与液体体积计量仪相连，温控土柱与阀门相连，阀门与气体体积计量仪相连，气体体积计量仪与阀门相连，阀门与容器相连，容器与天平相连。本实用新型结构简单，操作方便，测试数据准确，缩短了试验周期，测试数据精度高，自动化采集数据快。

Description

一种温控土柱监测试验装置

技术领域

本实用新型涉及一种监测试验装置，更具体涉及一种温控土柱监测试验装置，主要用于定量化动态监测垃圾填埋气体和渗滤液在多场(温度-水分-压力)耦合作用下的传输的规律及行为，不仅可用于城市垃圾填埋场中污染物的监测研究。

背景技术

垃圾填埋场污染物造成的环境污染已成为当前和今后最突出的环境问题之一，污染物以其量多、污染范围广、污染程度重等特点已成为当今生态环境中的热点和焦点问题。国际资料统计显示，早期垃圾填埋场普遍发生渗漏，它们在不停地下渗到水环境中。监测表明，我国的垃圾填埋场已普遍发生渗漏，在各大城市垃圾填埋场现场监测评价中，北京的垃圾填埋场渗漏更加明显和突出。被检出的几种毒性污染物大都属于联合国环境规划署以及我国有毒化学品登记中心(NRPTC)划定的优先控制的难降解有机物(POPs)。这些污染物已远远超出其环境容量，形成生态环境的脆弱环节。目前地下水污染空前严重，为各类灾害性病变的发生铺好了温床，形势十分严峻。当前，我国垃圾填埋进入了高峰期，城市垃圾填埋场渗漏污染地下水的现象屡屡发生，已成为各界密切关注而又感到束手无策的难题。尤其是地处城市地下水上游方向的填埋场的渗漏，它直接影响到城市民众的饮用水源。同时，填埋气体可透过填埋场周边的土壤或砂质土流动，在100-200m以外的建筑物内可测得5％的填埋气体CH₄。填埋气体的泄露和散发严重威胁着周围的环境，在填埋场附近，它可以成为致命的物质，当甲烷的浓度在空气中达到5-15％时，就会发生爆炸和燃烧，如在垃圾填埋场附近开发时都必须对其潜在的危险性进行评价。近年来，国外土耳其首都伊斯坦布尔、菲律宾首都马尼拉，国内上海、岳阳、成都、北京等地都有由于填埋场内填埋气体引起的场外隐蔽性事故发生。致使这些事故发生的根本原因在于对垃圾填埋气体和渗滤液潜在性传输的规律方面的研究工作没有引起足够的重视，并没有开展相关的基础性研究。

垃圾一经填埋，就伴随着垃圾的微生物降解消耗内部氧气产生大量的热量，填埋场内部温度升高，不但影响岩土体的物理性质，而且对岩土的应力场和流体(填埋气体和渗滤液)的渗流场也有重要的作用。同时流体作为一种环境因素对岩土的物理力学性质和热对流传输具有重要的影响；另一方面，岩土的热物理特性对流体的渗流和热传导起着重要的控制作用。这三者之间的相互联系、相互制约的性质是由变形场、渗流场和温度场耦合效应引起的。填埋污染物(填埋气体和渗滤液)在填埋场中的运移是一个非常复杂的过程，其中涉及到许多确定或不确定性因素，为了控制和减少填埋气体和渗滤液无组织的释放、减轻其对生态环境的污染，最大限度的回收填埋气体中的能源气体以及降低渗滤液的排放浓度，就必须对填埋气体和渗滤液的传输的动态特性进行定量化测试，须以试验的手段对填埋污染物的传输过程进行监测研究。

然而，目前国内外已研发的相关试验设备，主要存在以下几个方面的问题：

(1)设备均无法实现温度-水分-压力三场耦合作用的试验模拟，而只能针对单场(仅考虑压力、水分或温度作用)进行试验模拟。

(2)在试验过程控制和数据采集上，以前的设备多是利用手工操作和记录，有些设备使用了计算机辅助记录数据，但无法对试验进程进行实时跟踪、操控和监测，易造成人力资源的浪费和试验数据的过于离散，对试验精度带来不利影响。

(3)多数设备只有单一和固定的接口，进而无法将设备扩充以满足研究的进一步需要。而且无法对仪器进行合理置换，造成了设备的可拓展性和灵活性不高，功能单一。

(4)现有的设备针对不同环境条件下开展的试验研究其周期长，无法解决多套设备同时开展正交试验研究。

为此，在测量填埋气体和渗滤液的渗透特性、传输速率和水动力学等相关参数时就不能简单的考虑某单一因素的影响，必须将温度-水分-应力耦合起来进行系统模拟研究，这样测得的试验数据更加反映填埋场实际运营状况。填埋气体和渗滤液传输过程的监测试验系统正是为解决系统耦合分析难，数据监测不准以及试验条件难以控制这一问题而研制的。该试验系统不仅可以定量来分析垃圾渗滤液和填埋气体动态特性，同时可为渗滤液的污染的控制和填埋气体资源化开发提供基础的试验数据。

发明内容

本实用新型的目的是在于提供一种温控土柱监测试验装置，该装置结构简单，操作方便，测试数据准确，缩短了试验周期，测试数据精度高，自动化采集数据快。

为了达到上述目的，本实用新型采用以下技术措施：

一种温控土柱监测试验装置，由加热制冷浴槽、温控土柱、气体体积计量仪、天平、液体体积计量仪，调压阀、压力计、活塞，计算机和打印机共同组装而成：由加热制冷浴槽与温控土柱相连，温控土柱分别与两侧的七个压力传感器和七个温度传感器，温控土柱下方与阀门相连，阀门下方与液体体积计量仪相连，液体体积计量仪的输出端与计算机通过数据线连接，温控土柱上方与阀门相连，阀门输出端与气体体积记量仪输入端相连，气体体积计量仪输出端与阀门相连，阀门下方与容器相连，容器与天平相连，天平的测量数据可通过数据线传入计算机，所需的数据结果可用打印机打印输出。温控土柱的内径φ300mm，净高1200mm，自上而下分布七个测温点和七个测压点，温度传感器和压力传感器位于同一水平位置。在试验过程中，可将温度传感器和压力传感器分别嵌入相应的测温点和测压点，并有数据传输线路将传感器和微机相连，以实现对土柱内部温度和压力的实时监测和记录。通过在压实活塞(与空气压缩机相连)上施加气压可模拟在土柱上施加20T/m²的压力，并且可通过改变气压来改变施加在土柱上的压力。采用夹套形式温控。温度由既可温控又可制冷的恒温浴槽循环控制，控温范围：-15～100℃。

试验装置测定的关键性技术主要有：

(1)流体(填埋气体和渗滤液)计量技术

①气体体积计量：在温控土柱上安装一个气体体积计量装置。气体体积采用排水称重法计量，计算机按采集周期自动采集排出水的质量，计算气体在不同时刻的累积量。

②液体体积计量：在温控土柱下安装一个液体体积计量装置。液体体积采用光电跟踪液面的方法，通过位移传感器测长计算液体体积。计算机按采集周期自动采集不同时刻的累积产液量。

(2)温度和压力测定技术

①温度测量：在温控土柱上，自上而下安装七个温度传感器，计算机通过数据采集卡及其采集软件，按采集周期自动采集各点的温度值。

②压力测量：在温控土柱上，自上而下安装七个压力传感器，计算机通过数据采集卡及其采集软件，按采集周期自动采集各点的压力值。

(3)流体(填埋气体和渗滤液)渗透率测定技术

①气相渗透率测试流程：流程由空气压缩机、过滤器、调压阀、气体质量流量计及其管阀件组成。测试压力由调压阀调节，计算机通过采集气体流量，土柱进出口压力，结合土柱尺寸、气体粘度等参数，由达西定律计算土柱气体渗透率值。

②液相渗透率测试流程：流程由平流泵、缓冲容器及其管阀件等组成。测试流量由平流泵控制，计算机通过采集平流泵的流量，土柱进出口压力，结合土柱尺寸、液体粘度等参数，由达西定律计算土柱液体渗透率值。

(4)数据自动采集处理系统

该系统由数据采集卡、数据采集处理软件、工控机、打印机等组成；数据处理包括：模型本构参数的反演计算、液体渗透率计算、气体渗透率计算；软件系统包括：系统设置、参数录入、数据处理、系统退出等功能菜单。

数据采集处理软件：

试验过程中所采集的数据均通过已开发的数据采集程序CDA-LG(Code of DataAcquisition for Leachate and Gas)来实现。

本监测试验装置与现有设备相比，具有以下优点：

(1)本试验装置可以实现多场耦合条件下填埋气体和渗滤液传输动态特性试验研究，解决了仅考虑单场条件下试验的研究的缺陷和试验数据的不准；

(2)可以开展不同环境条件下相同介质或同一环境条件下不同介质特性的同步正交试验研究，缩短了试验的周期；

(3)内嵌自主编制的数据采集程序CDA-LG，可对测试数据进行高精度自动化采集。

(4)在试验柱体装置上方和下方均设置智能转换阀，可以根据需要开展单场或者多场耦合的试验研究。且本试验系统具有多功能性和扩充性，能够满足相关试验基础研究。

本试验装置可实现的技术指标：

(1)可以实现压力在0-0.5MPa作用下可控试验研究；

(2)可以实现温度在-15-100℃作用下可控试验研究；

(3)可以实现流量在0.01-5ml/min范围内降雨模拟试验研究；

(4)可以实现的气体渗透率测量范围：0.01-5.0达西；

(5)可以实现的液体渗透率测量范围：0.10-120.0达西。

附图说明

图1为一种湿控土柱监测试验装置结构示意图

其中：31-加热制冷浴槽；32-七个压力传感器；33-温控土柱；34-阀门；35-气体体积计量仪；36-阀门；37-容器；38-天平；39-七个温度传感器；40-阀门；41-液体体积计量仪；68-计算机；69-打印机；

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步说明。

根据图1可知，温度作用下的渗滤液和填埋气体传输动态特性：在改变外界温度的条件下测定温控土柱的气体及渗滤液的变化情况，由加热制冷浴槽31与温控土柱33相连，温控土柱33分别与两侧的七个压力传感器32和七个温度传感器39相连，七个压力传感器32和七个温度传感器39与计算机68相连，温控土柱33下方与阀门40相连，阀门40下方与液体体积计量仪41相连，液体体积计量仪41的输出端与计算机68相连，温控土柱33上方与阀门34相连，阀门34输出端与气体体积计量仪35输入端相连，气体体积计量仪35输出端与阀门36相连，阀门36下方与容器37相连，容器37与天平38相连，天平38与计算机68输入端相连，计算机68由主机和显示器构成，计算机68与打印机69相连，将输出结果用打印机打印输出。

Claims (3)

1、一种温控土柱监测试验装置，它包括温控土柱(33)、七个压力传感器(32)、七个温度传感器(39)，其特征在于：加热制冷浴槽(31)与温控土柱(33)相连，温控土柱(33)分别与两侧的七个压力传感器(32)和七个温度传感器(39)相连，阀门(40)与液体体积计量仪(41)相连，温控土柱(33)与阀门(34)相连，阀门(34)与气体体积计量仪(35)相连，气体体积计量仪(35)与阀门(36)相连，阀门(36)与容器(37)相连，容器(37)与天平(38)相连。

2、根据权利要求1所述的一种温控土柱监测试验装置，其特征在于：七个压力传感器(32)和七个温度传感器(39)与计算机(68)相连。

3、根据权利要求1所述的一种温控土柱监测试验装置，其特征在于：液体体积计量仪(41)与计算机(68)相连，天平(38)与计算机(68)相连。

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