CN204116172U - 一种封闭式地下水溶质迁移模拟实验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种封闭式地下水溶质迁移模拟实验装置，包括供液单元、平行实验单元、废液回收单元、封闭式组合柜和废气回收单元，其中，供液单元为平行试验单元提供溶液，可以控制出液的流量或水头；平行实验单元用于地下水溶质迁移模拟平行实验，实验溶质迁移过程通过取样监测；废液回收单元用于回收实验产生的废水。封闭式组合柜组成密闭空间，防止有毒挥发性污染溶质气体扩散，废气回收装置用于收集实验过程中挥发的溶质，避免污染大气。本实用新型的实验装置适用于挥发性或半挥发性污染溶质的模拟实验，具有可持续和稳定性好的特点，同时简化了实验设备，节约了实验成本，在保证平行实验时水头或流量条件的统一性有利于平行实验结果的对比分析。

Description

一种封闭式地下水溶质迁移模拟实验装置

技术领域

本实用新型属于环境工程和农业工程领域，具体地涉及一种封闭式地下水溶质迁移模拟实验装置，适用于地下水溶质迁移模拟室内土柱实验，可用于挥发性或半挥发性污染溶质迁移模拟实验。

背景技术

地下水环境相对比较脆弱，一旦污染后果严重，且持续时间长，治理难度大，尤其是各类可溶性污染物(溶质)随地下水不断迁移、衰减、吸附、解析和发生相互反应，给地下水污染治理带来很大困难。准确把握污染溶质随地下水的迁移运动规律，对地下水环境污染治理以及地下水资源管理都具有非常重要的意义。

目前，地下水溶质迁移研究的主要方法包括抽水实验、粒子示踪实验、数值模拟和物理模型实验等。抽水实验针对地下水污染相对集中且渗透性较大的含水层，通过抽取地下水将污染物抽出地面处理，并设置观测井来监测污染物随地下水流场的运移情况。抽水实验需要在已有污染场地上进行，主要应用在地下水污染治理项目中，容易受场地、实验条件和水文地质等条件的限制。粒子示踪实验是在地下水中注入示踪剂，通过监测示踪剂粒子随地下水运移情况，研究污染溶质随地下水流场的运动规律。粒子示踪实验受水文地质条件影响较大，且示踪剂价格相对较高，易造成二次污染。数值模拟具有高效、便捷和可视化的优点，因此成为地下水溶质迁移研究的主要方法之一(魏恒,肖洪浪.地下水溶质迁移模拟研究进展[J].冰川冻土,2013,06):1582-1589)，但数值模拟结果的验证以及计算参数的获取需要借助现场实验或物理模型实验来实现，而溶质迁移过程中很多化学反应和物理过程也没有现成的数学模型来描述。物理模型实验是根据相似原理建立室内模型模拟现场尺度物理现象或过程的方法,具有更加直观、便捷和可操作性的优点，因此也成为地下水溶质迁移必不可少的研究手段之一。现有溶质迁移物理模型实验主要以一维土柱实验为主(中国科学院新疆生态与地理研究所,北京时域通科技有限公司，一种实验室土壤溶质运移模拟装置，CN201867407U[P/OL].2011-06-15；河海大学，一种土壤污染物迁移模拟装置，CN103424341A[P/OL].2013-12-04；东北农业大学，一种模拟土壤有机污染物迁移转化的反应装置,CN103760319A[P/OL].2014-04-30)，实验装置主要包括供液部分、实验土柱和废液回收装置三个部分，其中供液部分提供水源或污染源，实验土柱是溶质迁移过程的主要载体，废液收集装置用于收集过量废液和废水。这些实验装置大多针对特定污染溶质设计，结构简单且普适性不高，由于缺乏密闭保护装置，无法应用于某些挥发性或半挥发性有毒污染溶质。

实用新型内容

实用新型目的：为解决现有技术中存在的问题，本实用新型提供一种封闭式地下水溶质迁移模拟实验装置，可用于地下水溶质迁移室内土柱实验，适用于挥发性或半挥发性污染溶质的模拟实验，具有可持续和稳定性好的特点，同时简化了实验设备，节约了实验成本，同时在保证平行实验时水头或流量条件的统一性有利于平行实验结果的对比分析。

技术方案：为实现上述技术目的，本实用新型提出一种封闭式地下水溶质迁移模拟实验装置，包括供液单元、平行实验单元、废液回收单元、封闭式组合柜和废气回收单元，所述供液单元、平行实验单元和废液回收单元依次相连并设置于所述封闭式组合柜的内部，所述封闭式组合柜与所述废气回收单元相连，其中：

所述供液单元包括滤气瓶、供液瓶、供液分流管和一组流量控制器，所述滤气瓶通过导气管与所述供液瓶相连；所述供液瓶与供液分流管相连；所述供液分流管与流量控制器相通连接；

所述平行实验单元包括实验土柱、有机玻璃容器和取样插头，所述实验土柱填充于所述有机玻璃容器内，所述取样插头设于所述有机玻璃容器的表面，并穿过有机玻璃容器侧壁插入实验土柱内部；其中，平行实验单元的实验土柱的数目可以根据需要进行调节，供液分流管的分支数也可以根据需要进行调节，从而实现将从供液瓶的液体分流至平行实验单元的各个实验土柱中。

所述封闭式组合柜包括一个封闭的外壳，所述外壳的内部被分隔成供液室、模拟取样室和废液存储室三个部分，分别用于放置供液单元、平行实验单元和废液回收单元；其中，所述供液室的内部设置有用于调整供液瓶的高度的、可拆卸的可升降平台。

所述废气回收单元包括排气扇和活性炭盒，所述活性炭盒一端与所述排气扇相连，另一端连接有排风口；所述排气扇与所述封闭式组合柜的外壁相连接。其中排气扇作用是将封闭式组合柜内的空气抽出，活性炭盒用于吸附空气中散布的溶质分子，处理后的空气经排风口排放到大气中。

具体地，所述滤气瓶的瓶口朝上，瓶口设置有第一橡皮塞，所述第一橡皮塞中嵌入第一进气管和出气管，所述第一进气管的入口连接有活性炭包，出口伸入滤气瓶的底部。所述活性炭包用于除去空气中的杂质，滤气瓶内注入一定浓度的溶液(溶液无挥发性时可用水代替)用于控制挥发性有机溶质的气液平衡。

所述供液瓶的个数为两个，每个供液瓶瓶口朝下，瓶口设置有第二橡皮塞，所述第二橡皮塞中嵌入第二进气管和出液管；所述供液瓶的瓶底表面设置补液管和通气管，所述补液管延伸到供液瓶的瓶口位置，所述通气管紧贴供液瓶的瓶底；所述补液管连接有第一止水夹；每个第二进气管的入口分别与导气管的出气口相连，在第二进气管与导气管的出气口之间分别设置有止逆阀，防止水或溶液倒流，所述导气管的进气口与滤气瓶的出气管连接，所述导气管的进气口的上端端口高度高于供液瓶的高度。补液管和通气管分别用于补充溶液和补充溶液时排气，溶液补充完毕后补液管和通气管通过第一止水夹封闭。供液瓶根据马氏瓶原理制作而成，用于提供实验所需的水或溶液，出口维持恒定水头h，其中h为供液瓶内进气管上端口与出液管上端口之间的高度差。两个供液瓶交替工作，可以保证低渗透性土体或小流量穿透实验的可持续性。来自供液瓶的溶液通过供液分流管的进水口进入，然后通过供液分流管的出水口分流到各个流量控制器中。

所述流量控制器包括连接管、用于观察滴液状态的流量视窗、用于调节滴液速度的液滴计数器和流量控制阀，其中，所述连接管的上端与供液分流管的出水口相连，下端与有机玻璃容器的进水口相连，所述流量视窗开设于所述连接管的上部，所述液滴计数器嵌套在流量视窗的外侧；所述流量控制阀设置于所述连接管的下部。流量控制器用于控制供液的流量。流量控制阀完全打开时，整个供液系统以恒定水头供液，调节流量控制阀可控制滴液速度(通过流量视窗观测)，其中滴液速度通过液滴计数器来计量。将供液瓶高度调节和流量控制器结合可以满足不同流量实验要求。

所述实验土柱自上而下依次包括保护层、介质层和垫层，保护层、介质层和垫层的高度比为1:(1.5～3):(1～2)；其中，所述保护层为粗颗粒砂砾石，主要用于保护介质层免受水压力破坏；所述介质层为地下水溶质迁移的传输介质，可以是具有一定污染物浓度的土体(例如淋溶实验)或污染物初始浓度为零的土体；所述垫层填充有自下而上粒径由粗到细的砂砾石。

进一步地，所述垫层中填充三层砂砾石，填充高度自下而上依次为垫层高度的1/2、3/8和1/8，其中，三层砂砾石自下而上粒径由粗到细，相邻层的平均粒径差别在2～3倍，主要作用是将进水口集中入流离散为均匀流；且最上层的砂砾石的平均粒径为介质层介质的平均粒径的2～3倍，以保证模拟实验不受垫层渗透特性的影响且各层砂砾石及介质颗粒不发生渗漏。

所述有机玻璃容器为有机玻璃管，所述有机玻璃管包括上节、中节和下节三部分，其中上节、中节和下节三部分的高度比为1:(1.5～3):(1～2)，分别与实验土柱的保护层、介质层和垫层的高度相对应；所述有机玻璃管的相邻部分之间通过有机玻璃法兰和螺栓进行固定；在有机玻璃法兰之间设置有止水垫，在有机玻璃管的外侧设有一列取样口，所述取样口与取样插头相配合；所述有机玻璃管的底部设有进水口，所述进水口与流量控制器相连；所述有机玻璃管的顶部设出水口，所述出水口与废液回收单元连接；所述取样插头包括依次连接筛管、螺纹管和取样阀门，其中所述筛管插入实验土柱的介质层；所述螺纹管与所述有机玻璃管的取样口螺纹连接，用于固定取样插头。取样阀门裸露在有机玻璃容器外，取样时打开阀门用微量取样器取样，不取样时关闭阀门。

取样口的个数为3～8个，其中，一个取样口设置于所述有机玻璃管的上节的下部，一个取样口设置于所述有机玻璃管的下节的上部，其余的取样口均匀地设置于所述有机玻璃管的中节。

所述废液回收单元包括废液收集管、废液分流管和至少一个废液回收瓶，所述废液收集管的入流口与实验土柱的出水口相连接，所述废液收集管的出流口向下倾斜并与废液分流管连接，通过将出流口略向下设置，便于废液收集后汇流到该出流口，再由废液分流管分配到两个废液回收瓶。所述废液分流管分别与废液回收瓶连接；每个废液回收瓶瓶口向上放置，瓶口设有橡皮塞封堵，橡皮塞内嵌入进水管和出气管；废液回收瓶的进水管与废液分流管连接。废液流入废液回收瓶后，瓶内气体由出气管排出，最终被吸入封闭保护系统的废气回收装置。废液回收瓶的个数为两个，两个废液回收瓶交替使用，可以保证长期实验的可持续性。

所述的供液室、模拟取样室和废液存储室的正面均设置玻璃门，方便实验观测(如果有避光要求，可以在玻璃门上贴遮光膜)；所述可升降平台由可拆卸固定栓固定在供液室的侧壁，可升降平台的底部分别设置有第一悬挂杆，可升降平台以上为溶液存储空间，放置滤气瓶和供液瓶；可升降平台以下为实验观测窗口，存放供液分流管、流量视窗和液滴计数器，由第一悬挂杆悬挂在可升降平台底部；供液室的顶部设置两个用于供液瓶的进气管穿出的补液孔，所述可升降平台的表面设置三个连通孔，其中两个连通孔的大小与供液瓶的瓶口大小相对应，另一个连通孔的大小与导气管的大小相对应。两个供液瓶瓶口从左右两个大孔穿过，导气管从中间的小孔穿过，方便设备连接。补液孔和连通孔有利于供液室内空气流通，方便废气收集。

所述模拟取样室位于供液室下方，与供液室相互连通，所述模拟取样室的中部设置有横梁；所述横梁的下方设有两个用于悬挂废液收集管的第二悬挂杆，其中，靠近废液收集管的出流口侧的第二悬挂杆的长度大于另一侧的第二悬挂杆的长度，由此废液收集管出流口略向下倾斜，方便废液汇流；距离所述模拟取样室的底部10～12cm处设置平行实验承载平台，由两根L型角钢搭建，用于放置平行实验的实验土柱；所述废液存储室位于模拟取样室的右侧并与模拟取样室相互连通，废液存储室与模拟取样室之间设置有支撑骨架；所述废液存储室的顶部设两根用于悬挂废液分流管的第三悬挂杆。

供液单元为平行试验单元提供溶液(或水)，可以控制出液的流量或水头；平行实验单元用于地下水溶质迁移模拟平行实验，实验溶质迁移过程通过取样监测；废液回收单元用于回收实验产生的废水。封闭式组合柜组成密闭空间，防止有毒挥发性污染溶质气体扩散，废气回收装置用于收集实验过程中挥发的溶质，避免污染大气。

在应用上述装置时，具体的操作步骤如下：

(1)实验材料制备：

首先，按照操作标准配制实验溶液，待溶质和水充分混溶后，加注到其中一个供液瓶内(保持该供液瓶出液管关闭)，关闭该供液瓶通气管，待用；其次，将另一个供液瓶内装入部分去离子水，关闭该供液瓶通气管，将流量控制器内空气排出后关闭所有流量控制阀，待用；第三，将实验土体按照一定密实度分层装填在有机玻璃容器中间节待用，其中土体上、下表面分别与中间节的上、下法兰表面齐平，装填过程中埋入取样插头并保持取样插头阀门关闭，将螺帽拧紧防止漏水；第四，将三种不同粒径砂砾石用纯净水洗净，分别放在容器中以去离子水浸泡待用；第五，根据实验土体渗透特性，计算模拟实验流量、取样时间和实验结束时间，规划取样样品保存及检测流程。溶液、土柱制备方法可根据实验需要进行调整。

(2)组装实验土柱：

首先，组装有机玻璃容器最下面一节，将进水口以止水夹封闭，向最下面一节的有机玻璃管内注入该节高度1/3的去离子水，以由粗到细的顺序将砂砾石装填到有机玻璃柱内，装填高度依次为该节高度的1/2、3/8和1/8，垫层表面高度与最下节有机玻璃柱的上法兰表面齐平，并铺一张圆形滤网(直径与有机玻璃管内径一致)，防止颗粒漏入垫层；其次，对接有机玻璃容器的中间节和最下面一节、中间节和最上面一节，中间加止水垫并以螺栓拧紧防止漏水；第三，在有机玻璃容器最上面一节内填充保护层，以中、细粒径砂砾石为主，加顶盖和止水垫，以螺栓拧紧防止漏水；最后，将各实验土柱放置在平行实验承载平台上，对接有机玻璃容器进水口与流量控制器出水口，对接有机玻璃容器出水口与废液收集管进水口，打开流量控制阀，保持较小流量供水，让去离子水慢慢浸入实验土体，直到所有有机玻璃容器出水口有水流出。

(3)调节供液流量

如需保持恒定水头供水，则将流量控制阀开到最大，调节升降平台至供液瓶内出水口上端到有机玻璃容器进水口高度为Δh，供液系统最终提供溶液维持恒定水头h+Δh，其中h为供液瓶内进气管上端口与出水管上端口之间的高度差。

如果需要维持恒定流量供水，则需要调节流量控制阀，通过观测流量视窗单位时间内供液滴数控制流量，具体操作步骤为：打开液滴计数器，待示数稳定后观测溶液滴速快慢；调节流量控制阀，直至溶液滴速满足实验要求，待60秒内维持恒定值后关闭液滴计数器；每隔5分钟打开液滴计数器，检测溶液滴速，调节流量控制阀，直到连续三次监测滴速不变，则供液流量满足实验要求。

如流量控制阀开到最大后，供液流量仍低于实验需求值，则需要提高升降平台或增大供液瓶内进气管端口到瓶内出水管端口高度差(两个供液瓶同时调节)。

(4)开始实验

关闭装有去离子水供液瓶的出水口，打开装有溶液的供液瓶出水口，关闭所有玻璃门，打开排风扇，开始实验。

(5)补充溶液，处理废水

实验过程可能持续很长时间，因此实验过程中需要补充溶液和处理实验废水。实验设置的两个供液瓶可以交替使用，保证供液的持续性，而两个废液存储瓶交替使用可以不断接收和存储实验废液，保证整个实验过程的可持续性。

补充溶液时，保持该供液瓶出水口关闭，打开该瓶通气管，根据虹吸原理利用进水管将供液瓶内去离子水吸出或将溶液注入供液瓶。根据不同实验溶液及检测生成物，需按操作规程处理实验废液。

(6)结束实验，清洗实验装置

待实验完成后，将供液瓶内溶液吸出，按照操作规程处理实验废液、废弃物和清洗实验装置。

有益效果：与现有技术相比，本实用新型具有如下优点：

(1)通过添加封闭保护单元，可应用于挥发性或半挥发性有机溶质的地下水溶质迁移实验模拟，可以保护实验者免受挥发性有毒气体侵害，同时可以收集废气，避免大气污染；

(2)通过设置活性炭包和滤气瓶，即可以去除空气中的杂质，又有利于控制挥发性有机溶质挥发引起的气液平衡，降低挥发性对供液溶质浓度的影响；

(3)通过设置可升降平台和流量控制器，准确控制实验流量或水头，保证实验条件的稳定性；

(4)通过设置两个供液瓶和两个废液存储桶，可以在实验的同时补充溶液和处理废液，保证长期实验的可持续性和稳定性；

(5)通过溶液分流，将同一套供液单元应用于不同实验土柱，将恒定水头或流量条件应用于平行实验，即简化了实验设备，节约了实验成本，又可以保证平行实验时水头或流量条件的统一性，有利于平行实验结果的对比分析；

(6)可用于地下水溶质迁移模拟平行土柱实验，适用于带有污染源的溶质迁移模拟实验、土体的淋溶实验等。

附图说明

图1为本实用新型的封闭式地下水溶质迁移模拟实验装置的示意图；

图2a为供液单元的结构示意图；

图2b～2f依次分别为供液单元的滤气瓶、导气管、供液瓶、供液分流管和流量控制器的结构示意图；

图3a为平行实验单元的结构示意图；

图3b～3d依次分别为平行实验单元的实验土柱、有机玻璃管和取样插头的结构示意图；

图4a为废液回收单元的结构示意图；

图4b为废液收集管的结构示意图；

图4c为废液回收瓶的结构示意图；

图5a和图5b为本实用新型的封闭式组合柜的结构示意图；

图6为本实用新型的废气回收装置的结构示意图；

图7为平行实验1、2、3号柱A取样口1,2-二氯苯浓度随时间的变化图，其中，1A代表1号柱A取样口结果值，2A代表2号柱A取样口结果值，3A代表3号柱A取样口结果值；

图8为平行实验1、2、3号柱B取样口1,2-二氯苯浓度随时间变化图，其中，1B代表1号柱B取样口结果值，2B代表2号柱B取样口结果值，3B代表3号柱B取样口结果值；

图9为土壤脱盐实验取样检测结果。

具体实施方式

一种封闭式地下水溶质迁移模拟实验装置(如图1所示)，主要包括供液单元(如图2a～图2f所示)、平行实验单元(如图3a～图3d所示)、废液回收单元(如图4a～4c所示)、封闭式组合柜(如图5a、图5b所示)和废气回收装置(如图6所示)，其中供液单元主要用于为平行实验单元提供溶液(或水)，可以控制出液的流量或水头；平行实验单元用于地下水溶质迁移模拟平行实验，实验溶质迁移过程通过取样监测；废液回收单元用于回收实验产生的废水。封闭式组合柜组成密闭空间，防止有毒挥发性污染溶质气体扩散，废气回收装置用于收集实验过程中挥发的溶质，避免污染大气。

如图2a所示，供液单元由一个滤气瓶1-1、一根导气管1-2、两个供液瓶1-3、一根供液分流管1-4和一组流量控制器1-5组成。滤气瓶1-1(如图2b所示)由有机玻璃管(Φ220×10)制作而成，高度20cm，瓶口向上，以第一橡皮塞1-1-1封口，第一橡皮塞1-1-1中嵌入第一进气管1-1-2(Φ5×1)和出气管1-1-3(Φ5×1)，第一进气管1-1-2入口接活性炭包1-1-4用于去除空气中的杂质。滤气瓶1-1内注入一定浓度的溶液，用于控制挥发性有机溶质的气液平衡。导气管1-2(如图2c所示)采用有机玻璃管(Φ5×1)焊接而成，导气管进气口1-2-1与滤气瓶1-1的出气管1-1-3连接，端口高度高于供液瓶1-3，导气管出气口1-2-2与供液瓶1-3的进气管1-3-2连接，中间设置止逆阀1-2-3防止水或溶液倒流。供液瓶1-3由有机玻璃管(Φ220×10)制作而成，高度40cm，瓶口向下，以第二橡皮塞1-3-1封口，第二橡皮塞1-3-1中嵌入有机玻璃进气管1-3-2(Φ5×1)和出液管1-3-3(Φ20×2.5)。瓶底设置有机玻璃补液管1-3-4(Φ20×2.5)和通气管1-3-5(Φ5×1)，补液管1-3-4长度延伸到瓶口，通气管1-3-5紧贴瓶底(瓶内长度为零)，分别用于补充溶液和补充溶液时排气，溶液补充完毕后补液管1-3-4和通气管1-3-5以第一止水夹1-3-6封闭。供液分流管1-4(如图2e所示)由有机玻璃管(Φ32×2)制作而成，水平放置，包括进水口1-4-1和出水口1-4-3，进水口1-4-1与供液瓶1-3的出液管1-3-3连接，进水口1-4-1与供液瓶1-3的出液管1-3-3之间设止水阀1-4-2，出水口1-4-3与流量控制器1-5(如图2f所示)连接。流量控制器1-5由医用精量输液器改装而成，包括连接管1-5-1、流量视窗1-5-2、液滴计数器1-5-3和流量控制阀1-5-4四个部分，其中连接管1-5-1、流量视窗1-5-2和流量控制阀1-5-3为精量输液器固有部件，液滴计数器1-5-3采用红外光电感应计数器(关爱001型)。

平行实验单元(如图3a所示)由多组实验土柱2-1(如图3b所示)、有机玻璃容器2-2(如图3c所示)和取样插头2-3(如图3d所示)组成。实验土柱2-1(直径10cm)自上而下依次为保护层2-1-1、介质层2-1-2和垫层2-1-3，其中保护层2-1-1高度20cm，填充粗颗粒砂砾石，粒径范围0.5～2.0cm，主要用于保护介质层免受水压力破坏；介质层2-1-2高度30cm，填充实验土体，是地下水溶质迁移的传输介质；垫层2-1-3高度20cm，填充粗细渐变砂砾石，自下而上颗粒由粗变细，粒径范围分别为2.0～3.0mm、0.5～2.0mm和0.05～0.5mm，填充高度分别为10cm、8cm和2cm，主要作用是将进水口集中入流离散为均匀流。有机玻璃容器2-2为有机玻璃管2-2-1(Φ110×5，高度分别为20cm、30cm和20cm)，包括上节、中节和下节三部分，自上而下分别用于容纳实验土柱的保护层2-1-1、介质层2-1-2和垫层2-1-3。每节有机玻璃管2-2-1两端分别设置一片有机玻璃法兰2-2-2(厚度10mm，外边缘直径160mm，内孔直径100mm)方便对接，有机玻璃管2-2-1的相邻部分中间加硅胶止水垫2-2-4防止漏水，对接方式为螺栓固定。有机玻璃管2-2-1侧壁设置五个取样口2-2-5(直径8mm)，与取样插头2-3对接，其中三个位于中间节有机玻璃容器，呈等间距布置(间距7.5cm)，其它两个分别位于上、下两节有机玻璃容器，位置靠近中间节有机玻璃容器。取样插头2-3由筛管2-3-1(Φ5×1)、螺纹管2-3-2(Φ8×1.5)和取样阀门2-3-3焊接而成，其中筛管2-3-1表面密布筛孔(直径2mm)并包裹滤网，螺纹管2-3-2与取样口2-2-5通过螺纹对接，取样阀门2-3-3裸露在有机玻璃管外。有机玻璃容器底部设进水口2-2-6与流量控制器1-5连接，顶部设出水口2-2-7与废液回收单元3连接。

废液回收单元3(如图4a所示)由一根废液收集管3-1(如图4b所示)、一根废液分流管3-2和两个废液回收瓶3-3(如图4c所示)组成。废液收集管3-1采用有机玻璃管(Φ32×2)制作而成，其入流口与实验土柱2-1的出水口相连接，废液收集管3-1的出流口3-1-2与废液分流管3-2对接，出流口3-1-2略向下倾斜，便于废液收集后汇流到该出流口3-1-2。废液分流管3-2采用有机玻璃管(Φ32×2)制作而成，水平放置，作用是将废液收集管3-1汇流的废液分流到两个废液回收瓶3-3。废液回收瓶3-3由饮用水桶(18.9L)改装而成，瓶口向上放置，以橡皮塞3-3-1封堵。橡皮塞3-3-1内嵌入有机玻璃进水管3-3-2(Φ20×2.5)和出气管3-3-3(Φ5×1)，其中进水管3-3-2与废液分流管3-2连接，废液流入废液回收瓶后，瓶内气体由出气管3-3-3排出，最终被吸入废气回收单元5。

封闭式组合柜4(如图5a所示)采用木质结构，以龙骨加外壳的形式组合，方便加工。封闭式组合柜4成供液室4-1、模拟取样室4-2和废液存储室4-3三个部分，其中供液室4-1位于模拟取样室4-2上方，废液存储室4-3位于模拟取样室4-2右侧，三个室相互连通，每室设置两扇玻璃门，方便观测。供液室4-1宽、高各1m，厚度0.4m，中间设可升降平台4-1-1，由可拆卸固定栓4-1-2固定在骨架上，用于调节供液瓶高度。可升降平台4-1-1的底部分别设置有第一悬挂杆4-1-3，可升降平台4-1-1上方放置滤气瓶1-1和供液瓶1-3，下方悬挂供液分流管1-4和流量控制器1-5。供液室4-1顶部设置两个补液孔4-1-4(直径25mm)，供液瓶的补液管由此穿出，方便为两个供液瓶补充溶液。可升降平台4-1-1设置三个连通孔4-1-5，方便设备连接，其中两个供液瓶瓶口从左右两个大孔(直径10cm)穿过，导气管从中间的小孔(直径3cm)穿过。补液孔4-1-4和连通孔4-1-5同时有利于供液室内空气流通，方便废气收集。模拟取样室4-2为模拟实验和取样空间，宽1m，高0.8m，厚度0.4m，与供液室4-1相互连通，中间设横梁4-2-1，横梁4-2-1下方设置两个用于悬挂废液收集管3-1的第二悬挂干4-4-4,其中，靠近废液收集管3-1的出流口3-1-2侧的第二悬挂杆4-2-2的长度大于另一侧的第二悬挂杆4-2-2的长度，距离底部10cm处设置平行实验承载平台4-2-3，由两根L型角钢搭建，用于放置平行实验的实验土柱。废液存储室4-3容纳废液回收单元，宽1m，高0.8m，厚度0.4m，顶部设两根第三悬挂杆4-3-2，用于悬挂废液分流管3-2。

废气回收装置5(如图6所示)由排气扇5-1和活性炭盒5-2组成，活性炭盒5-2一端与所述排气扇5-1相连，另一端连接有排风口5-3；排气扇5-1与所述封闭式组合柜4的外壁相连接主要作用是将封闭式组合柜内的空气抽出，再由活性炭盒吸附，其中排气扇排气量130m³/h(参考型号：松日SRL-94寸)，活性炭盒长、宽、高分别为30cm、10cm和10cm。

下述具体实施例在以本技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和操作过程，但本实用新型的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

利用本实用新型装置进行定流量条件下氯苯脱氯平行实验，采用3组平行实验柱，标记为1号柱、2号柱和3号柱，每柱五个取样口，对自上而下第一、第三个和第五个取样口(分别标注为A、B和C取样口)进行取样检测。

(1)实验材料制备

按照配置100000μg/L的1,2-二氯苯溶液(加入适量甲醇促进溶解)，关闭其中一个供液瓶(一号供液瓶)的出液管，并将一号供液瓶装满配好的1,2-二氯苯溶液，关闭一号供液瓶的通气管，待用；另外一个供液瓶(二号供液瓶)内装一部分去离子水，关闭二号供液瓶的通气管，将流量控制器内空气排出后关闭所有流量控制阀，待用；将作为实验土体的还原铁粉、石英砂(0.05～0.2mm)分别用去离子水浸泡，分成三份，其中一份全为还原铁粉(1号柱)，第二份为50％(v/v)的铁粉和50％(v/v)的石英砂混合物(2号柱)，第三份为50％(v/v)以硫酸镍处理后的铁粉(催化剂镍含量3wt％)和50％(v/v)的石英砂混合物(3号柱)，待用；将三种粒径砂砾石(2～3mm、0.5～2mm和0.05～0.5mm)用去离子水洗净，分别放在容器中以去离子水浸泡待用。

(2)组装平行实验土柱

分别组装3个平行实验柱。首先，组装有机玻璃容器最下面一节，将进水口以止水夹封闭，容器内注入该节容积1/3去离子水，按照从上到下、从粗到细的顺序将不同粗细的砂砾石装填到容器内，装填高度从上到下依次为该节高度的1/2、3/8和1/8，垫层表面高度与最下节玻璃容器的上法兰表面齐平，并铺一张圆形滤网(直径与有机玻璃管内径一致)，防止颗粒漏入垫层；第二，对接有机玻璃容器的中节和下节，中间加止水垫并用螺栓拧紧防止漏水，3个平行实验柱的中节分别装填100％还原铁粉(1号柱)、铁粉和石英砂混合物(体积比1:1，2号柱)、含有镍催化剂的铁粉和石英砂混合物(体积比1:1，3号柱)，装填时均按照每2cm为一层进行层层装填，即先装填2cm，夯实后再继续装填2cm，再夯实，如此重复装填，直至填满整个中节，装填时去离子水始终浸没填充物；第三，对接有机玻璃容器的中节和上节，中间加止水垫并用螺栓拧紧防止漏水，在有机玻璃容器上节内填充保护层，以中、细粒径砂砾石为主，加顶盖和止水垫，用螺栓拧紧防止漏水；最后，将各实验土柱放置在平行实验承载平台上，对接有机玻璃容器进水口与流量控制器出水口，对接有机玻璃容器出水口与废液收集管进水口，关闭流量控制阀，静置24小时等待铁粉自然固结。

(3)调节供液流量

打开流量控制阀，保持较小流量供水，让去离子水慢慢浸入实验土体，直到所有有机玻璃容器出水口有水流出；打开液滴计数器，待示数稳定后观测溶液滴速快慢；调节流量控制阀，直至溶液滴速为60滴/分钟，约0.67ml/s，待60秒内维持恒定值后关闭液滴计数器；每隔5分钟打开液滴计数器，检测溶液滴速，调节流量控制阀，直到连续三次监测滴速不变，则供液流量满足实验要求。

(4)开始实验

关闭装有去离子水的供液瓶出液管，打开装有溶液的供液瓶出液管，关闭所有玻璃门，开始实验；第一天从有机玻璃容器C取样口每3小时取样一次，取样时打开取样阀门，利用微量取样器缓缓抽取200μl样本，利用液相色谱仪同步检测1,2-二氯苯含量；待有机玻璃容器C取样口检测到溶质后，同步取样有机玻璃容器B取样口，样本冷藏保存，每天集中送检(检测溶质包括1,2-二氯苯、氯苯、苯、氯离子)；待有机玻璃容器最下面B取样口检测到溶质后，同步检测有机玻璃容器的C取样口。

(5)补充溶液，处理废水

实验过程中需要补充溶液和处理实验废水。补充溶液时，保持供液瓶出水口关闭，打开该供液瓶的通气管，根据虹吸原理利用进水管将去离子水注入供液瓶；根据实验操作规程处理实验废液。

(6)结束实验，清洗实验装置。

表1还原铁粉对1,2-二氯苯脱氯效果平行实验结果

注：每个实验土柱设两个取样口，B口位于时间3-20:00代表取样时间为实验第三天的20:00。

脱氯实验主要目的是定流量条件下，对比不同铁粉含量和有无催化剂的脱氯效果。脱氯实验采用3个土柱进行平行实验，其中部分实验检测数据见表1，该部分的数据为开始试验后的第3天的晚上八点到第五天上午九点半之间的取样结果，其中，1B代表1号柱B取样口，2B代表2号柱B取样口，3B代表3号柱B取样口，3A代表3号柱A取样口，1、2、3号土柱A、B两个取样口1,2-二氯苯浓度监测值分别如图7和图8所示。结果表明，在镍催化作用下，铁粉对1,2-二氯苯脱氯效果较为显著，1,2-二氯苯脱氯后最终生成氯苯和苯；铁粉含量对1,2-二氯苯浓度变化有一定影响，但无催化剂作用时，未见氯苯和苯生成，即未发生脱氯反应，1,2-二氯苯浓度变化可能由实验土柱渗透性和对1,2-二氯苯的吸附特性导致。

实施例2

使用本实用新型装置进行定流量条件下土壤脱盐(NaCl)平行实验(四组实验土柱，分别采用中细砂三组、粉细砂一组)的具体操作方法为：

(1)实验材料制备

两个供液瓶内装满去离子水，关闭该供液瓶通气管，将流量控制器内空气排出后关闭所有流量控制阀，待用；将实验土体(中细砂10升、粉细砂4升)以去离子水冲洗3遍，分别浸泡在浓度为0.035g/L的盐水中48小时，待用；将三种粒径砂砾石(2～3mm、0.5～2mm和0.05～0.5mm)用纯净水洗净，分别放在容器中以去离子水浸泡待用；计算模拟实验流量、取样时间和实验结束时间，规划取样样品保存及检测流程。

(2)组装实验土柱

首先，组装有机玻璃容器最下面一节，将进水口以止水夹封闭，容器内注入该节容积1/3的去离子水，以由粗到细的顺序将砂砾石装填到容器内，装填高度依次为该节高度的1/2、3/8和1/8，垫层表面高度与最下节玻璃容器的上法兰表面齐平，并铺一张圆形滤网(直径与有机玻璃管内径一致)，防止颗粒漏入垫层；其次，对接有机玻璃容器的中间节和最下面一节，中间加止水垫并以螺栓拧紧防止漏水，将浸泡后的实验土体分别装填满四个有机玻璃容器中节，填充时保持去离子水浸没实验土体；第三，对接有机玻璃容器中间节和最上面一节，中间加止水垫并以螺栓拧紧防止漏水，在有机玻璃容器最上面一节内填充保护层，以中、细粒径砂砾石为主，加顶盖和止水垫，以螺栓拧紧防止漏水；最后，将各实验土柱放置在平行实验承载平台上，对接有机玻璃容器进水口与流量控制器出水口，对接有机玻璃容器出水口与废液收集管进水口，保持流量控制阀关闭静置24小时，待实验土体充分沉降。

(3)调节供液流量

打开流量控制阀，保持较小流量供水，让去离子水慢慢浸入实验土体，直到所有有机玻璃容器出水口有水流出；打开液滴计数器，待示数稳定后观测溶液滴速快慢；调节流量控制阀，直至溶液滴速为60滴/分钟，约0.67ml/s，待60秒内维持恒定值后关闭液滴计数器；每隔5分钟打开液滴计数器，检测溶液滴速，调节流量控制阀，直到连续三次监测滴速不变，则供液流量满足实验要求。

(4)开始实验

关闭所有玻璃门，开始实验；第一天从有机玻璃容器E取样口每小时取样一次，取样时打开取样阀门，利用微量取样器缓缓抽取200μl样本，稀释50倍后以钠离子浓度计测量溶液浓度，记录实验结果；待有机玻璃容器E取样口检测到溶质后，改为每4小时取样一次，同步取样有机玻璃容器D取样口，检测钠离子浓度；待有机玻璃容器D取样口检测到溶质后，同步取样有机玻璃容器C取样口，检测钠离子浓度变化，依次递推。补充溶液，处理废水。

实验过程中需要补充溶液和处理实验废水。补充溶液时，保持供液瓶出水口关闭，打开该瓶通气管，根据虹吸原理利用进水管将去离子水注入供液瓶；根据实验操作规程处理实验废液。

(5)结束实验，清洗实验装置

脱盐实验主要目的是对比定流量条件下，不同土体和不同流量土体脱盐的速度。上述脱盐实验D取样口(自下而上第二个取样口)取样NaCl检测数据如图9所示。结果表明，注水流量对脱盐速度影响较大，流量增大(Q3＞Q2＞Q1)，脱盐速度明显加快；定流量条件下，土壤渗透性(K2＞K1)对脱盐速度影响不大。

Claims (10)

1.一种封闭式地下水溶质迁移模拟实验装置，其特征在于，包括供液单元(1)、平行实验单元(2)、废液回收单元(3)、封闭式组合柜(4)和废气回收单元(5)，所述供液单元(1)、平行实验单元(2)和废液回收单元(3)依次相连并设置于所述封闭式组合柜(4)的内部，所述封闭式组合柜(4)与所述废气回收单元(5)相连，其中：

所述供液单元(1)包括滤气瓶(1-1)、供液瓶(1-3)、供液分流管(1-4)和一组流量控制器(1-5)，所述滤气瓶(1-1)通过导气管(1-2)与所述供液瓶(1-3)相连；所述供液瓶(1-3)与供液分流管(1-4)相连；所述供液分流管(1-4)与流量控制器(1-5)相通连接；

所述平行实验单元包括实验土柱(2-1)、有机玻璃容器(2-2)和取样插头(2-3)，所述实验土柱(2-1)填充于所述有机玻璃容器(2-2)内，所述取样插头(2-3)设于所述有机玻璃容器(2-2)的表面，并穿过有机玻璃容器侧壁插入实验土柱内部；

所述封闭式组合柜(4)包括一个封闭的外壳，所述外壳的内部被分隔成供液室(4-1)、模拟取样室(4-2)和废液存储室(4-3)三个部分，分别用于放置供液单元(1)、平行实验单元(2)和废液回收单元(3)；其中，所述供液室(4-1)的内部设置有用于调整供液瓶的高度的、可拆卸的可升降平台(4-1-1)；

所述废气回收单元(5)包括排气扇(5-1)和活性炭盒(5-2)，所述活性炭盒(5-2)一端与所述排气扇(5-1)相连，另一端连接有排风口(5-3)；所述排气扇(5-1)与所述封闭式组合柜(4)的外壁相连接。

2.根据权利要求1所述的封闭式地下水溶质迁移模拟实验装置，其特征在于，所述滤气瓶(1-1)的瓶口朝上，瓶口设置有第一橡皮塞(1-1-1)，所述第一橡皮塞(1-1-1)中嵌入第一进气管(1-1-2)和出气管(1-1-3)，所述第一进气管(1-1-2)的入口连接有活性炭包(1-1-4)，出口伸入滤气瓶(1-1)的底部。

3.根据权利要求1所述的封闭式地下水溶质迁移模拟实验装置，其特征在于，所述供液瓶(1-3)的个数为两个，每个供液瓶(1-3)瓶口朝下，瓶口设置有第二橡皮塞(1-3-1)，所述第二橡皮塞(1-3-1)中嵌入第二进气管(1-3-2)和出液管(1-3-3)；所述供液瓶(1-3)的瓶底表面设置补液管(1-3-4)和通气管(1-3-5)，所述补液管(1-3-4)延伸到供液瓶(1-3)的瓶口位置，所述通气管(1-3-5)紧贴供液瓶(1-3)的瓶底；所述补液管(1-3-4)连接有第一止水夹(1-3-6)；每个第二进气管(1-3-2)的入口分别与导气管的出气口(1-2-2)相连，在第二进气管(1-3-2)与导气管的出气口(1-2-2)之间分别设置有止逆阀(1-2-3)，所述导气管的进气口(1-2-1)与滤气瓶(1-1)的出气管(1-1-3)连接，所述导气管的进气口(1-2-1)的上端端口高度高于供液瓶(1-3)的高度。

4.根据权利要求1所述的封闭式地下水溶质迁移模拟实验装置，其特征在于，所述流量控制器(1-5)包括连接管(1-5-1)、用于观察滴液状态的流量视窗(1-5-2)、用于调节滴液速度的液滴计数器(1-5-3)和流量控制阀(1-5-4)，其中，所述连接管(1-5-1)的上端与供液分流管(1-4)的出水口(1-4-3)相连，下端与有机玻璃容器的进水口(2-2-6)相连，所述流量视窗(1-5-2)开设于所述连接管(1-5-1)的上部，所述液滴计数器(1-5-3)嵌套在流量视窗(1-5-2)的外侧；所述流量控制阀(1-5-4)设置于所述连接管(1-5-1)的下部。

5.根据权利要求1所述的封闭式地下水溶质迁移模拟实验装置，其特征在于，所述实验土柱(2-1)自上而下依次包括保护层(2-1-1)、介质层(2-1-2)和垫层(2-1-3)，保护层(2-1-1)、介质层(2-1-2)和垫层(2-1-3)的高度比为1:(1.5～3):(1～2)；其中，所述保护层(2-1-1)为粗颗粒砂砾石；所述介质层(2-1-2)为地下水溶质迁移的传输介质；所述垫层(2-1-3)填充有自下而上粒径由粗到细的砂砾石。

6.根据权利要求5所述的封闭式地下水溶质迁移模拟实验装置，其特征在于，所述垫层(2-1-3)中填充三层砂砾石，填充高度自下而上依次为垫层高度的1/2、3/8和1/8，其中，三层砂砾石自下而上粒径由粗到细，相邻层的平均粒径差别在2～3倍，且最上层的砂砾石的平均粒径为介质层(2-1-2)介质的平均粒径的2～3倍。

7.根据权利要求1或5所述的封闭式地下水溶质迁移模拟实验装置，其特征在于，所述有机玻璃容器(2-2)为有机玻璃管(2-2-1)，所述有机玻璃管(2-2-1)包括上节、中节和下节三部分，其中上节、中节和下节三部分的高度比为1:(1.5～3):(1～2)，分别与实验土柱(2-1)的保护层(2-1-1)、介质层(2-1-2)和垫层(2-1-3)的高度相对应；所述有机玻璃管(2-2-1)的相邻部分之间通过有机玻璃法兰(2-2-2)和螺栓(2-2-3)进行固定；在有机玻璃法兰(2-2-2)之间设置有止水垫(2-2-4)，在有机玻璃管(2-2-1)的外侧设有一列取样口(2-2-5)，所述取样口(2-2-5)与取样插头(2-3)相配合；所述有机玻璃管(2-2-1)的底部设有进水口(2-2-6)，所述进水口(2-2-6)与流量控制器(1-5)相连；所述有机玻璃管(2-2-1)的顶部设出水口(2-2-7)，所述出水口(2-2-7)与废液回收单元(3)连接；所述取样插头(2-3)包括依次连接筛管(2-3-1)、螺纹管(2-3-2)和取样阀门(2-3-3)，其中所述筛管(2-3-1)插入实验土柱(2-1)的介质层(2-1-2)；所述螺纹管(2-3-2)与所述有机玻璃管(2-2-1)的取样口(2-2-5)螺纹连接。

8.根据权利要求7所述的封闭式地下水溶质迁移模拟实验装置，其特征在于，所述的取样口的个数为3～8个，其中，一个取样口设置于所述有机玻璃管(2-2-1)的上节的下部，一个取样口设置于所述有机玻璃管(2-2-1)的下节的上部，其余的取样口均匀的设置于所述有机玻璃管(2-2-1)的中节。

9.根据权利要求1所述的封闭式地下水溶质迁移模拟实验装置，其特征在于，所述废液回收单元(3)包括废液收集管(3-1)、废液分流管(3-2)和至少一个废液回收瓶(3-3)，所述废液收集管(3-1)的入流口(3-1-1)与实验土柱(2-1)的出水口相连接，所述废液收集管(3-1)的出流口(3-1-2)向下倾斜并与废液分流管(3-2)连接，所述废液分流管(3-2)分别与废液回收瓶(3-3)连接；每个废液回收瓶(3-3)瓶口向上放置，瓶口设有橡皮塞(3-3-1)封堵，橡皮塞内嵌入进水管(3-3-2)和出气管(3-3-3)；废液回收瓶(3-3)的进水管(3-3-2)与废液分流管(3-2)连接。

10.根据权利要求1所述的封闭式地下水溶质迁移模拟实验装置，其特征在于，所述的供液室(4-1)、模拟取样室(4-2)和废液存储室(4-3)的正面均设置玻璃门；所述可升降平台(4-1-1)由可拆卸固定栓(4-1-2)固定在供液室(4-1)的侧壁；可升降平台(4-1-1)的底部分别设置有第一悬挂杆(4-1-3)；供液室(4-1)的顶部设置两个用于供液瓶(1-3)的进气管(1-3-2)穿出的补液孔(4-1-4)，所述可升降平台(4-1-1)的表面设置三个连通孔(4-1-5)，其中两个连通孔(4-1-5)的大小与供液瓶(1-3)的瓶口大小相对应，另一个连通孔(4-1-5)的大小与导气管(1-2)的大小相对应；

所述模拟取样室(4-2)位于供液室(4-1)下方，与供液室(4-1)相互连通，所述模拟取样室(4-2)的中部设置有横梁(4-2-1)；所述横梁(4-2-1)的下方设有两个用于悬挂废液收集管(3-1)的第二悬挂杆(4-2-2)，其中，靠近废液收集管(3-1)的出流口(3-1-2)侧的第二悬挂杆(4-2-2)的长度大于另一侧的第二悬挂杆(4-2-2)的长度；距离所述模拟取样室(4-2)的底部10～12cm处设置平行实验承载平台(4-2-3)，由两根L型角钢搭建，用于放置平行实验的实验土柱；所述废液存储室(4-3)位于模拟取样室(4-2)的右侧并与模拟取样室(4-2)相互连通，废液存储室(4-3)与模拟取样室(4-2)之间设置有支撑骨架(4-3-1)；所述废液存储室(4-3)的顶部设两根用于悬挂废液分流管(3-2)的第三悬挂杆(4-3-2)。