CN202948016U - 一种用于研究包气带污染物运移的物理模拟实验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种用于研究包气带污染物运移的物理模拟实验装置，所述模拟槽由渗流槽以及分别设置于渗流槽左、右两侧的上游水箱和下游水箱组成；所述水头调节装置包括有至少两个升降螺杆、溢水盒、蠕动泵、隔水板和水管，两个升降螺杆分别设置在上游水箱和下游水箱的侧部，溢水盒安装在升降螺杆上用于水头调节；所述降雨装置包括有降雨板和玻璃转子流量计，降雨板设置在渗流槽上方，降雨板的侧部开有通孔，通孔通过玻璃转子流量计与水源连接，降雨板的底部设置有降雨孔；所述蒸发装置设置于渗流槽上方，包括有高热灯、灯罩、灯架和角钢支架，高热灯安装在灯罩内，灯罩固定灯架上，灯架与角钢支架连接。本实用新型结构简单，测量精确，用途广。

Description

一种用于研究包气带污染物运移的物理模拟实验装置

技术领域

本实用新型涉及一种物理模拟实验装置，特别是一种用于研究包气带污染物运移的物理模拟实验装置。

背景技术

支持毛细水带是指位于地表以下、潜水面以上的地质介质，是大气水、地表水、土壤水同地下水相互转化的地带，是地表、土壤污染物进人地下水的通道，也是大气圈、生物圈、岩石圈、水圈之间物质、能量传输、转换的枢纽地带。

地表以下地层复杂，地下水流动极其缓慢，地下水污染具有过程缓慢、不易发现和难以治理的特点。地下水污染与地表水污染有一些明显的不同：由于污染物进入含水层，以及在含水层中运动都比较缓慢，污染往往是逐渐发生的，发现地下水污染后，确定污染源也不像地表水那么容易。

近年来，由于人类的活动引起的包气带土壤和地下水污染愈来严重，污水回灌、垃圾渗出液下渗、有毒化学液体的遗漏等威胁着包气带土壤和地下水的安全。其实污染物在包气带土壤中的运移一直引起了关注，污染物在包气带的迁移特征和规律成为了水文地质学的重要研究课题。由于人类活动对包气带土壤和地下水的污染不断加重，支持毛细水带横向运移的存在对污染物的迁移有很大的影响，研究污染物在支持毛细水带的运移分析地下水的污染具有重要意义。由于包气带是位于地球表面以下、潜水面以上的地质介质，因此现场进行实验并采集数据会很困难，因此急需可以模拟包气带污染物运移的物理实验装置，现有的模拟实验装置，结构较为复杂，测量精度不高，用途较为单一。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本实用新型提供了一种结构简单，测量精确，用途广泛的用于研究包气带污染物运移的物理模拟实验装置。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种用于研究包气带污染物运移的物理模拟实验装置，至少包括模拟槽、水头调节装置、降雨装置和蒸发装置，所述模拟槽由渗流槽以及分别设置于渗流槽左、右两侧的上游水箱和下游水箱组成，渗流槽、上游水箱和下游水箱的高度一致，上游水箱、下游水箱与渗流槽之间设置有孔板；所述水头调节装置包括有至少两个升降螺杆、溢水盒、蠕动泵、隔水板和水管，两个升降螺杆分别设置在上游水箱和下游水箱的侧部，溢水盒安装在升降螺杆上用于水头调节，蠕动泵通过水管与溢水盒连接，溢水盒底部设置有进水孔和出水孔，进水孔连接有水源，隔水板安装在溢水盒内；所述降雨装置包括有降雨板和玻璃转子流量计，降雨板设置在渗流槽上方，降雨板的侧部开有通孔，通孔通过玻璃转子流量计与水源连接，降雨板的底部设置有降雨孔；所述蒸发装置设置于渗流槽上方，包括有高热灯、灯罩、灯架和角钢支架，高热灯安装在灯罩内，灯罩固定灯架上，灯架与角钢支架连接。

作为上述方案的优选，所述渗流槽前侧上按照5*7的矩阵分布设置有35个测压孔，测压孔内安装有测压装置，测压装置包括宝塔接头、外丝直通、电极、玻璃管和压力传感器，测压孔设置在渗流槽上，宝塔接头和外丝直通分别设置在测压孔的内侧和外侧，宝塔接头的一端与外丝直通连接，另一端设置在玻璃管内，玻璃管通过硅胶管与电极连接，电极通过设置在玻璃管、宝塔接头和外丝直通内的导线与压力传感器连接。

所述渗流槽的前、后两侧上设置有循环降温装置，循环降温装置包括有至少三根有机玻璃管和锡箔纸，有机玻璃管的长度为1000mm，三根有机玻璃管水平并排设置在渗流槽的前、后侧的上端，有机玻璃管上涂抹有硅胶，锡箔纸包裹在有机玻璃管的外圆上，三根有机玻璃管的两端设置有三向管，三向管通过水管与蠕动泵连接。

所述渗流槽的前部均匀设置有至少4组完整井，每组完整井由两根玻璃条和纱网组成，两根玻璃条竖直粘贴在渗流槽的前侧上，两根玻璃条之间具有间隙，玻璃条的底部与渗流槽的底部平齐，纱网设置在两根玻璃条上，纱网的两端与两根玻璃条的外侧密封连接。

所述降雨板的底部按照6*22的矩阵分布均匀设置有132个降雨孔，降雨孔的直径为0.5mm，降雨板顶部开设有至少两个不同深度的小孔，小孔内安装有控压玻璃管。

所述灯架为长方体结构，灯架的长度为1000mm，宽度为200mm，灯架上均匀设置有四个灯罩，相邻灯罩的间距为250mm，高热灯安装在灯罩内。

所述蒸发装置与渗流槽顶端的距离为300mm。

本实用新型相比于现有技术具有的有益效果是：本实用新型的结构简单，测量数据精确，用途广泛，既可以模拟横向运移污染的模拟实验，又可以模拟垂向越流污染的模拟实验，也可用于水质演化机理的探讨，同时还可以用于弥散系数等参数测定以及模拟研究蒸发降雨对污染物在包气带中迁移的影响的模拟实验，具有广泛的应用价值和市场价值。模拟研究蒸发降雨对污染物在包气带中迁移的影响。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图；

图2为降雨装置的结构示意图；

图3为蒸发装置的结构示意图；

图4为循环降温装置的结构示意图；

图5为水头调节装置的结构示意图；

图6为溢水盒的结构示意图；

图7为测压装置的结构示意图；

图8为完整井的结构示意图。

附图中：1-渗流槽、2-上游水箱、3-下游水箱、4-孔板、5-升降螺杆、6-溢水盒、7-蠕动泵、8-隔水板、9-进水孔、10-出水孔、11-降雨板、12-玻璃转子流量计、13-降雨孔、14-高热灯、15-灯罩、16-灯架、17-角钢支架、18-测压孔、19-宝塔接头、20-外丝直通、21-电极、22-玻璃管、23-压力传感器、24-有机玻璃管、25-锡箔纸、26-三向管、27-完整井、28-玻璃条、29-纱布、30-控压玻璃管。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。

一种用于研究包气带污染物运移的物理模拟实验装置，参照图1、图5和图6，至少包括模拟槽、水头调节装置、降雨装置和蒸发装置，所述模拟槽由渗流槽1以及分别设置于渗流槽1左、右两侧的上游水箱2和下游水箱3组成，渗流槽1、上游水箱2和下游水箱3的高度一致，上游水箱2、下游水箱3与渗流槽1之间设置有孔板4；所述水头调节装置包括有至少两个升降螺杆5、溢水盒6、蠕动泵7、隔水板8和水管，两个升降螺杆5分别设置在上游水箱2和下游水箱3的侧部，溢水盒6安装在升降螺杆5上用于水头调节，蠕动泵7通过水管与溢水盒6连接，溢水盒6底部设置有进水孔9和出水孔10，进水孔9连接有水源，隔水板8安装在溢水盒6内；所述降雨装置包括有降雨板11和玻璃转子流量计12，降雨板11设置在渗流槽1上方，降雨板11的侧部开有通孔，通孔通过玻璃转子流量计12与水源连接，降雨板11的底部设置有降雨孔13；所述蒸发装置设置于渗流槽1上方，包括有高热灯14、灯罩15、灯架16和角钢支架17，高热灯14安装在灯罩15内，灯罩15固定灯架16上，灯架16与角钢支架17连接。

作为本实用新型的优选方案，如图1和图7，所述渗流槽前侧上按照5*7的矩阵分布设置有35个测压孔18，测压孔18内安装有测压装置，测压装置包括宝塔接头19、外丝直通20、电极21、玻璃管22和压力传感器23，测压孔18设置在渗流槽1上，宝塔接头19和外丝直通20分别设置在测压孔18的内侧和外侧，宝塔接头19的一端与外丝直通20连接，另一端设置在玻璃管22内，玻璃管22通过硅胶管与电极21连接，电极21通过设置在玻璃管22、宝塔接头19和外丝直通20内的导线与压力传感器连接23。电极21的导线与玻璃管22、宝塔接头19和外丝直通20之间均通过玻璃胶或者硅橡胶密封。

如图4，所述渗流槽1的前、后两侧上设置有循环降温装置，循环降温装置包括有至少三根有机玻璃管24和锡箔纸25，有机玻璃管24的长度为1000mm，三根有机玻璃管24水平并排设置在渗流槽1的前、后侧的上端，有机玻璃管24上涂抹有硅胶，锡箔纸25包裹在有机玻璃管24的外圆上，三根有机玻璃管24的两端设置有三向管26，三向管26通过水管与蠕动泵7连接。蠕动泵7通过水管和三向管26为有机玻璃管24供水，起到利用循环水来实现降温的目的。

如图8，所述渗流槽的前部均匀设置有至少4组完整井27，每组完整井27由两根玻璃条28和纱网29组成，两根玻璃条28竖直粘贴在渗流槽1的前侧上，两根玻璃条28之间具有间隙，玻璃条28的底部与渗流槽1的底部平齐，纱网29设置在两根玻璃条28上，纱网29的两端与两根玻璃条28的外侧密封连接。用纱网29将两根有机玻璃条28的外侧及上面密封，防止填砂时砂粒进入完整井27中。

如图2，所述降雨板11的底部按照6*22的矩阵分布均匀设置有132个降雨孔13，降雨孔13的直径为0.5mm，降雨板顶部开设有至少两个不同深度的小孔，小孔内安装有控压玻璃管30。通过有机玻璃管插入不同深度的小孔来控制压强，从而控制不同的降雨强度。

如图3，所述灯架为长方体结构，灯架的长度为1000mm，宽度为200mm，灯架上均匀设置有四个灯罩，相邻灯罩的间距为250mm，高热灯安装在灯罩内。灯架顶部与侧面均采用铁丝网密封。

所述蒸发装置与渗流槽顶端的距离为300mm。

在本实施例中，参照图1~图8，在野外较大尺度条件下，土壤并非均值各向同性，土壤水下渗过程中在渗透性较低的相对隔水介质如透镜体中富集，形成众多小型支持毛细水带，使支持毛细水带在包气带中的比重增大。首先选择不同粒径的石英砂多孔介质，经筛选后取相应石英砂一层一层的均匀装入渗流槽1。通过蠕动泵7控制溢水盒6的进水量，由下往上缓慢进水，分段提高供水装置水头缓慢饱水，整个饱水过程充分保证多孔介质中的气体排出。当压力传感器23的数值和支持毛细水上升高度不再变化时，则说明支持毛细水带已经稳定。

通过水头调节装置中的升降螺杆5，调节上、下游的水头高度，直到两水头存在一定的水头差。等到饱水结束，支持毛细水带稳定后，通过完整井27中的水位标出潜水面的真实水位及支持毛细水带的位置。然后开始投放示踪剂，为了能够直观形象的观察稳定流场中水流的分布特征，示踪剂要求颜色鲜明、吸附较小、完全溶于水、粘滞系数小、无毒等特点。在投放示踪剂的时候，投放方式为点源投放，通过蠕动泵7定流速连续性投放。

投放示踪剂后，通过渗流槽1的正面观察示踪剂的运移情况，当实验初期，示踪剂刚进入支持毛洗水带时弥散晕变化较快，每2min定点拍摄照片，记录弥散晕的变化情况，等到示踪剂完全进入支持毛细水带后，弥散晕变化缓慢时，每5—10min拍摄照片。等到示踪剂完全通过支持毛细水带进入了下游水箱3中，则本次实验结束，将实验所得的数据、照片整理可分析出实验结果。

通过水头调节装置，调节在不同水力梯度下，观察污染物的横向运移现象，实验观察到污染物都只能与潜水面平行接近，不能够突破潜水面；在降雨情况下，实验观察到污染物突破了潜水面进入了饱和带；而在蒸发状态下，整个实验过程持续的时间较长，污染晕较大，污染物也没有突破潜水面。初步推断，降雨是污染物突破潜水面的必须条件。

Claims (7)

1.一种用于研究包气带污染物运移的物理模拟实验装置，其特征在于：至少包括模拟槽、水头调节装置、降雨装置和蒸发装置，所述模拟槽由渗流槽以及分别设置于渗流槽左、右两侧的上游水箱和下游水箱组成，渗流槽、上游水箱和下游水箱的高度一致，上游水箱、下游水箱与渗流槽之间设置有孔板；所述水头调节装置包括有至少两个升降螺杆、溢水盒、蠕动泵、隔水板和水管，两个升降螺杆分别设置在上游水箱和下游水箱的侧部，溢水盒安装在升降螺杆上用于水头调节，蠕动泵通过水管与溢水盒连接，溢水盒底部设置有进水孔和出水孔，进水孔连接有水源，隔水板安装在溢水盒内；所述降雨装置包括有降雨板和玻璃转子流量计，降雨板设置在渗流槽上方，降雨板的侧部开有通孔，通孔通过玻璃转子流量计与水源连接，降雨板的底部设置有降雨孔；所述蒸发装置设置于渗流槽上方，包括有高热灯、灯罩、灯架和角钢支架，高热灯安装在灯罩内，灯罩固定灯架上，灯架与角钢支架连接。

2.根据权利要求1所述的物理模拟实验装置，其特征在于：所述渗流槽前侧上按照5*7的矩阵分布设置有35个测压孔，测压孔内安装有测压装置，测压装置包括宝塔接头、外丝直通、电极、玻璃管和压力传感器，测压孔设置在渗流槽上，宝塔接头和外丝直通分别设置在测压孔的内侧和外侧，宝塔接头的一端与外丝直通连接，另一端设置在玻璃管内，玻璃管通过硅胶管与电极连接，电极通过设置在玻璃管、宝塔接头和外丝直通内的导线与压力传感器连接。

3.根据权利要求1所述的物理模拟实验装置，其特征在于：所述渗流槽的前、后两侧上设置有循环降温装置，循环降温装置包括有至少三根有机玻璃管和锡箔纸，有机玻璃管的长度为1000mm，三根有机玻璃管水平并排设置在渗流槽的前、后侧的上端，有机玻璃管上涂抹有硅胶，锡箔纸包裹在有机玻璃管的外圆上，三根有机玻璃管的两端设置有三向管，三向管通过水管与蠕动泵连接。

4.根据权利要求1所述的物理模拟实验装置，其特征在于：所述渗流槽的前部均匀设置有至少4组完整井，每组完整井由两根玻璃条和纱网组成，两根玻璃条竖直粘贴在渗流槽的前侧上，两根玻璃条之间具有间隙，玻璃条的底部与渗流槽的底部平齐，纱网设置在两根玻璃条上，纱网的两端与两根玻璃条的外侧密封连接。

5.根据权利要求1所述的物理模拟实验装置，其特征在于：所述降雨板的底部按照6*22的矩阵分布均匀设置有132个降雨孔，降雨孔的直径为0.5mm，降雨板顶部开设有至少两个不同深度的小孔，小孔内安装有控压玻璃管。

6.根据权利要求1所述的物理模拟实验装置，其特征在于：所述灯架为长方体结构，灯架的长度为1000mm，宽度为200mm，灯架上均匀设置有四个灯罩，相邻灯罩的间距为250mm，高热灯安装在灯罩内。

7.根据权利要求1所述的物理模拟实验装置，其特征在于：所述蒸发装置与渗流槽顶端的距离为300mm。

Images