CN102338794B - 地下水渗流模拟试验装置及模拟试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种地下水渗流模拟试验装置及模拟试验方法，所述的试验装置包括柱筒、基底水箱、供水箱和控制阀；所述的柱筒底部设置基底水箱，所述的基底水箱通过控制阀、供水管连通供水箱，所述的供水箱为可升降调节的水箱；所述的基底水箱设置于支架上，基底水箱底部设置排水阀；所述的试验方法包括括样点选取、样土采集、样土预处理、柱筒装填、地下水浸泡试验、污染水样采集、水样分析、污染输出量计算步骤。本发明的模拟试验装置，便于分层收集水样，为地下水污染规律研究提供水质和水量等基础资料，达到模拟地下水污染状态和规律的目的。本发明方法简便，设备操作简便，试验成本低廉。本发明适用于温度4—45℃，常压，pH6.5—8.5的试验环境。

Description

地下水渗流模拟试验装置及模拟试验方法

技术领域

本发明属于环保监测技术领域，具体涉及一种能够准确模拟内陆湖泊湖滨区土壤对浅层地下水污染情况的地下水渗流模拟试验装置及模拟试验方法。

背景技术

内陆湖泊污染与富营养化是我国目前面临的重要问题，治理内陆湖泊污染与富营养化所需投资金额巨大，准确判断各类污染来源、入湖规律，是准确制定治理对策，减少投资浪费，提高治理绩效的基本保证。

内陆地区的降雨情况一般是呈季节性变化，湖泊水位也相应变化。湖滨区浅层地下水受制于湖泊水体，湖泊水位升降，湖滨区地下水位相应升降，在升降过程中，湖滨区土壤处于浸泡和控干状态中。土壤中，尤其是表层耕作土中所含的有机质、氮磷通常可达几千到几万ppm；湖滨浅层地下水中有机质、氮磷通常在100ppm以下，甚至接近于零。季节性浸泡时，污染物从土壤中向地下水中扩散，直至达到平衡。当旱季来临，湖水水位下降，浅层地下水汇入湖体，污染物随之从土壤转移进入湖体。由于湖滨区呈环状分布，污染的过程缓慢、隐蔽，对该类型区域地下水污染情况的描述难度很大。

目前，研究该污染类型主要采用开挖观测井的方式进行动态监测，采集不同观测深度地下水样，分析地下水的污染水平。观测井方法虽然能够直接反映观测点的污染状况，但是只能获得水质数据，即湖滨区地下水的污染程度，对于输移污染水量的数据仍需依靠模型测算，使用该方法测得的污染总量（水质乘以水量）结果可靠性无法直接验证。同时，应用该方法需要设置多个观测点，导致投资大，现场采集样品往返成本也高。因此，开发一种准确模拟内陆湖泊湖滨区土壤对浅层地下水污染情况的地下水渗流模拟试验装置，非常必要。

发明内容

本发明的第一目的在于提供一种结构简单，工作稳定可靠，能够精确模拟因滨湖土壤水文状态变化所致地下水污染状况的地下水渗流模拟试验装置；本发明的另一目的在于提供一种应用该装置的应用方法。

本发明的第一目的是这样实现的，包括柱筒、基底水箱、供水箱和控制阀，所述的柱筒底部设置基底水箱，所述的基底水箱通过控制阀、供水管连通供水箱，所述的供水箱为可升降调节的水箱；所述的基底水箱设置于支架上，基底水箱底部设置排水阀。

本发明的另一个目的是这样实现的，包括样点选取、样土采集、样土预处理、柱筒装填、地下水浸泡试验、污染水样采集、水样分析、污染输出量计算，具体包括下列步骤：

A、样点选取：模拟土样从湖滨区现场取得，以土地利用方式作为选择样点主要依据，兼顾土壤类型；每种土地利用方式至少选取3个采样点；

B、样土采集：在每个目标点分别开挖1m×1m×1m的土层剖面，按0-30cm，30-60cm，60-90cm分层采集土样；

C、样土预处理：样土于阴凉处按层分开晾干，充分捣碎，过2mm孔径筛，取筛下物备用；

D、模拟柱装填：将处理过的样土分层装入各段柱筒中，压实接近于自然状态，并将各段柱筒按样土剖面顺序密封组装成整体模拟柱；每个样点土样分别装填3个平行试验模拟柱；

E、地下水浸泡试验：供水箱中注满水，并将供水箱底面设定在下段柱筒顶部平行位置，打开供水箱的控制阀，水进入基底水箱并由下而上渗入柱筒，待下段柱筒观察采样孔出水后，将供水箱提高到中段柱筒顶部平行位置，待中段柱筒观察采样孔出水后，再将供水箱提高到上段柱筒顶部平行位置，上段柱筒观察采样孔出水后，关闭供水箱的控制阀；

F、污染水样采集：由上而下经观察采样孔依次采集3个柱筒中的水样；之后打开基底水箱的排水阀，收集底部水样；

G、水样计量与分析：各层水样分别计量，并按国家标准分析测定土样的氮、磷、有机质及水样的氮、磷、COD、TOC质指标；

H、根据模拟试验结果计算模拟污染输出量和目标试验取污染物输出总量。

土壤采样和模拟试验应综合湖滨区土壤的下列因素：

1、土壤类型因素：土壤类型决定着土壤的性质，土壤中的胶粒含量不一样，比表面积也不一样，导致对土壤中污染物析出能力有一定的差异，如沙土容易析出，粘土难析出。

2、土地利用类型因素：土地利用类型决定了土壤中所含污染物的多少，尤其是耕作土壤土，因为施肥等原因，其中的污染物（对于作物来说是养分）的含量差异很大，如大棚区施肥量大，耕作土中污染物含量高；荒滩几乎不存在施肥等外源污染物。

3、土层因素：通常情况下，土壤耕作层厚度约30cm，也是污染物的主要分布区，这是土样采集的重要参考依据。

所述的模拟柱污染输出量按下式计算：

W_f为某一柱筒段中污染物输出量，单位mg；

C_f为某一柱筒段中污染物输出浓度，单位mg/l；

Q_f为某一柱筒段中输出水量，单位ml。

依据该区域的土壤类型土地利用方式分别模拟试验结果，根据高程分段统计，目标试验区污染物输出总量用下式计算：

W为一次湖水涨落过程中湖滨区土壤污染物输出总量，单位：t

a为柱筒截面积，单位：m²

n为样土采集分层数

m为样土的土壤类型数

l为样土的土地利用类型数

i为样土属于采样时的第i层土壤

j为样土属于第j种土壤类型

k为样土属于第k种土地利用方式

c为所取水样中的污染物输出浓度，单位：mg/L

q为所取水样的输出水量，单位：L

b为基底水箱中所取水样

s为某土柱所代表的土壤类型和利用方式的土地面积，单位：hm²

上述计算公式根据质量守恒定律，并考虑下列因素导出：

1、土壤析出污染物量为析出污染物浓度和析出水量的乘积。不同土层污染物输出量，加基底水箱中的污染物量，即为一组模拟柱筒中污染物输出总量。

2、单位表面积污染物输出量为一组模拟柱筒中污染物输出总量除以柱筒表面积。

3、由于土地利用类型、土壤类型不同，导致土壤中污染物和污染物析出能力存在差异。所以在一个区域内，需要按照土地利用类型分类和土壤类型分别采样实验，并按此分别计算。

某一土地利用类型中的某一土壤类型土壤，其污染物输出量乘以该类型土壤的表面积，即得该土地利用类型中某一土壤类型的污染物输出量。

不同土地利用类型土壤的污染物输出量之和即为所研究区域内的污染物输出总量。

本发明具有可分段组合的柱筒和可调节高度的供水箱的专用模拟试验装置，能够分层收集模拟土壤孔隙水，为地下水污染规律研究提供水质和水量等基础试验资料，达到了模拟地下水污染状态和规律的目的。本发明设备操作简便，试验成本低廉。适用于温度4—45℃，常压，pH 6.5—8.5的试验环境。

附图说明

图1为本发明装置整体结构示意图；

图2为本发明方法流程框图。

图中：1-柱筒，2-连接螺栓，3-砂芯，4-基底水箱，5-控制阀，6-支架，7-固定螺栓，8-供水管，9-供水箱，10-水箱塔架，11-观察采样孔，12-排水阀。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明，但不以任何方式对本发明加以限制，基于本发明教导所作的任何变换，均落入本发明的保护范围。

如图1所示，本发明地下水渗流模拟试验装置，包括柱筒1、基底水箱4、供水箱9和控制阀5，所述的柱筒1底部设置基底水箱4，所述的基底水箱4通过控制阀5、供水管8连通供水箱9，所述的供水箱9为可升降调节的水箱；所述的基底水箱4设置于支架6上，基底水箱4底部设置排水阀12。

所述的柱筒1为分段组合结构，各段之间通过法兰和螺栓密封连接；所述的柱筒1各段分别设有观察采样孔11；所述的观察采样孔11直径为15-25mm。

所述的基底水箱4上平行设置两组以上柱筒1，以方便进行多组同时模拟试验。

所述的柱筒1的直径为180-220mm，单段高度为150-450mm，壁厚8-12mm。 

所述的观察采样孔11为两个以上，孔间距为7-15cm；观察采样孔11纵向交错排列。 

所述的观察采样孔11的塞子上设置导流管，导流管上设置调节阀；所述的导流管直径为6-10mm透明管，以方便观察柱筒中的水位。 

所述的基底水箱6与柱筒1之间设置隔离砂芯3，隔离砂芯3与柱筒1内壁紧配合；所述的隔离砂芯3孔隙孔径为15- 60μm。既保证模拟水流的正常流程，又便于收集土壤水饱和或不饱和流动条件下污染物输出。

如图2所示，应用本发明装置的模拟试验方法，包括样点选取、样土采集、样土预处理、柱筒装填、地下水浸泡试验、污染水样采集、水样分析、污染输出量计算，具体包括下列步骤：

A、样点选取：以土地利用方式作为选择样点主要依据，兼顾土壤类型。在滇池流域湖滨区（晋宁县上蒜镇）选择大棚种植年限为10年的采样点1个，土壤类型均为粘壤土，用于比较污染物输出量，选取3个采样点；

B、样土采集：在每个目标点分别开挖1m×1m×1m的土层剖面，按0-30cm，30-60cm，60-90cm分层采集土样；

C、样土预处理：样土于阴凉处按层分开晾干，充分捣碎，过2mm孔径筛，取筛下物备用；

D、模拟柱装填：将处理过的样土分层装入各段柱筒1中，压实接近于自然状态，并将各段柱筒1按样土剖面顺序密封组装成整体模拟柱；每个样点土样分别装填3个平行试验模拟柱；

E、地下水浸泡试验：供水箱9中注满水，并将供水箱9底面设定在下段柱筒1顶部平行位置，打开供水箱9的控制阀5，水进入基底水箱4并由下而上渗入柱筒1，约5天后下段柱筒1（装填的样土取样位置在60-90cm段）观察采样孔11出水后，将供水箱9提高到中段柱筒1顶部平行位置，约7天后中段柱筒1（装填的样土取样位置在30-60cm段）观察采样孔11出水后，再将供水箱9提高到上段柱筒1顶部平行位置，约10天后上段柱筒1（装填的样土取样位置在0-30cm段）观察采样孔11出水后，关闭供水箱9的控制阀5；

F、污染水样采集：由上而下经观察采样孔11依次采集3个柱筒1中的水样；经过15小时采集完毕，每个孔采集到100-200ml水样。之后打开基底水箱4的排水阀12，收集底部水样，采集到水样23000ml；

G、水样计量与分析：各层水样分别计量，并按国家标准分析测定土样的氮、磷、有机质及水样的氮、磷、COD、TOC质指标；

H、根据模拟试验结果计算模拟污染输出量和目标试验取污染物输出总量。

各取样段样土的污染物输出量之和，加上基底水箱4中污染物输出量即为一组柱筒1污染物输出总量。

用以下公式，计算出柱筒各段污染物输出量：

。

用以下公式，计算处目标试验区污染物输出总量：

。

根据柱筒1的表面积与代表土地利用类型面积的比例，乘以柱筒1平均输出污染物总量，即可得出实际土地污染物输出总量。

下表为该样点地块中土样有机碳析出模拟结果和模拟地下水作用后总有机碳析出模拟结果。

三组柱筒平行模拟试验结果

样品编号	取样位置	水中总有机碳(mg)	样土总有机碳(g)	柱筒直径(cm)	取样土层厚度(cm)	柱筒表面积（m2）	单位面积输出（mg/m2)
								A0	基底水箱	102.38
a1	下层柱筒	3.89	10.81	18	31.5	0.025	152.8
								a2	中层柱筒	7.38	81.69	18	32	0.025	290.1
a3	上层柱筒	9.68	156.49	18	32	0.025	380.7
								总计		123.33	249.00				4849.1
B0	基底水箱	94.67
								b1	下层柱筒	7.76	10.81	18	31.5	0.025
b2	中层柱筒	5.76	92.09	18	32	0.025	226.3
								b3	上层柱筒	9.94	156.49	18	32	0.025	390.8
总计		118.13	259.39				4644.4
								C0	基底水箱	130.85
c1	下层柱筒	1.19	10.81
								c2	中层柱筒	3.73	95.058	20	31	0.031
c3	上层柱筒	8.23	156.49	18	32	0.025	262.9
								总计		144.03	262.36				5663.0

本发明的工作原理及工作过程：

模拟土样从湖滨区现场取得，并按土层剖面顺序分层采土样集。样土自然晾干、捣碎、过筛后混匀。对应剖面顺序从底层装填柱筒1，压实程度接近土壤自然状态，分层装填、顺序组装到整体模拟柱筒1。向供水箱9注水（清水或样点附近的湖水），注满后打开供水箱9底部的控制阀5向基底水箱4注水，使水从柱筒1底部缓慢向上渗透。注意观察采样孔11的液位，当下段柱筒1观察采样孔11出水后，逐级提高供水箱9位置直至与柱筒1顶部平齐，顶面出水后即可关闭进水控制阀5。注水模拟全过程需十几天至一个多月的时间，以使供水箱9与柱筒1液位达到充分平衡。然后自上而下依序打开各段观察采样孔11上设置导流管分层收集水样，最后打开基底水箱4排水阀12，收集基底水箱4中的水样。各层水样分别计量，并按国家标准分析测定土样的氮、磷、有机质及水样的氮、磷、COD、TOC质指标。

本发明的特点：

1、结构简单，操作简便，制作成本低廉；

2、可以模拟内陆湖泊湖滨区土壤中污染物随湖水位升降纵向迁移进入地下水的污染特点和规律。基底水箱设置可模拟内陆湖泊季节性水位涨落导致湖滨区土壤地下水位变化过程；

3、分层收集模拟土壤孔隙水，同时测定水质和水量，方便了确定测定污染物输出量；

4、解决了现场观测井法只能测定水质，而不能测定水量的弱点，能够定量描述内陆湖泊湖滨区土壤季节性浸泡带来的浅层地下水污染过程与污染程度；

5、试验成本低，投资远低于现场观测井法；

6、采样、管理更方便和快捷。

Claims (9)

1.一种地下水渗流模拟试验装置的模拟试验方法，其特征是：所述的装置包括柱筒（1）、基底水箱（4）、供水箱（9）和控制阀（5），所述的柱筒（1）底部设置基底水箱（4），所述的基底水箱（4）通过控制阀（5）、供水管（8）连通供水箱（9），所述的供水箱（9）为可升降调节的水箱；所述的基底水箱（4）设置于支架（6）上，基底水箱（4）底部设置排水阀（12）；其模拟试验方法包括样点选取、样土采集、样土预处理、柱筒装填、地下水浸泡试验、污染水样采集、水样分析、污染输出量计算，具体包括下列步骤：

A、样点选取：模拟土样从湖滨区现场取得，以土地利用方式作为选择样点主要依据，兼顾土壤类型；每种土地利用方式至少选取3个采样点；

B、样土采集：在每个目标点分别开挖1m×1m×1m的土层剖面，按0-30cm，30-60cm，60-90cm分层采集土样；

C、样土预处理：样土于阴凉处按层分开晾干，充分捣碎，过2mm孔径筛，取筛下物备用；

D、模拟柱装填：将处理过的样土分层装入各段柱筒（1）中，压实接近于自然状态，并将各段柱筒（1）按样土剖面顺序密封组装成整体模拟柱；每个样点土样分别装填3个平行试验模拟柱；

E、地下水浸泡试验：供水箱（9）中注满水，并将供水箱（9）底面设定在下段柱筒（1）顶部平行位置，打开供水箱（9）的控制阀（5），水进入基底水箱（4）并由下而上渗入柱筒（1），待下段柱筒（1）观察采样孔（11）出水后，将供水箱（9）提高到中段柱筒（1）顶部平行位置，待中段柱筒（1）观察采样孔（11）出水后，再将供水箱（9）提高到上段柱筒（1）顶部平行位置，上段柱筒（1）观察采样孔（11）出水后，关闭供水箱（9）的控制阀（5）；

F、污染水样采集：由上而下经观察采样孔（11）依次采集3个柱筒（1）中的水样；之后打开基底水箱（4）的排水阀（12），收集底部水样；

G、水样计量与分析：各层水样分别计量，并按国家标准分析测定土样的氮、磷、有机质及水样的氮、磷、COD、TOC质指标；

H、根据模拟试验结果计算模拟污染输出量和目标试验区污染物输出总量。

2.根据权利要求1所述的模拟试验方法，其特征是：所述的柱筒（1）为分段组合结构，各段之间通过法兰和螺栓密封连接；所述的柱筒（1）各段分别设有观察采样孔（11）；所述的观察采样孔（11）直径为15-25mm。

3.根据权利要求1所述的模拟试验方法，其特征是：所述的基底水箱（4）上平行设置两组以上柱筒（1）。

4.根据权利要求2所述的模拟试验方法，其特征是：所述的柱筒（1）的直径为180-220mm，单段高度为150-450mm，壁厚8-12mm。

5.根据权利要求2所述的模拟试验方法，其特征是：各段的观察采样孔（11）为两个以上，孔间距为7-15cm；观察采样孔（11）纵向交错排列。

6.根据权利要求2或5所述的模拟试验方法，其特征是：所述的观察采样孔（11）的塞子上设置导流管，导流管上设置调节阀；所述的导流管直径为6-10mm透明管，以方便观察柱筒中的水位。

7.根据权利要求1或3所述的模拟试验方法，其特征是：所述的基底水箱（6）与柱筒（1）之间设置隔离砂芯（3），隔离砂芯（3）与柱筒（1）内壁紧配合；所述的隔离砂芯（3）内孔隙孔径为15- 60μm。

8.根据权利要求1所述的模拟试验方法，其特征是：所述的模拟污染输出量按下式计算：

W_f为某一柱筒（1）段污染物输出量，单位mg；

C_f为某一柱筒（1）段污染物输出浓度，单位mg/l；

Q_f为某一柱筒（1）段输出水量，单位ml。

9.根据权利要求1所述的模拟试验方法，其特征是：所述的目标试验区污染物输出总量，依据该区域的土壤类型土地利用方式分别模拟试验结果，根据高程分段统计，输出总量用下式计算：

W为一次湖水涨落过程中湖滨区土壤污染物输出总量，单位：t

a为柱筒（1）截面积，单位：m²

n为样土采集分层数

m为样土的土壤类型数

l为样土的土地利用类型数

i为样土属于采样时的第i层土壤

j为样土属于第j种土壤类型

k为样土属于第k种土地利用方式

c为所取水样中的污染物输出浓度，单位：mg/L

q为所取水样的输出水量，单位：L

b为基底水箱（4）中所取水样

s为某土柱所代表的土壤类型和利用方式的土地面积，单位：hm²。

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