CN103994951A - 环境污染物在地下水不同含水层中迁移转化的模拟装置 - Google Patents

Abstract

一种环境污染物在地下水不同含水层中迁移转化的模拟装置，包括蓄水装置、上游水头调节装置、含水层模拟装置、样品投放装置、抽注水井装置和下游水头调节装置。本发明的优点是：该装置可以模拟饱水带中的承压水含水层、潜水含水层，也可以模拟饱气带中毛细水带等；可以根据所模拟含水层性质的需要灵活多变的设置含水层的性质；通过对渗流场，水力压力场、水化学场的监测，用物理模拟的方式研究纳米颗粒等新型环境污染物在地下水含水层中的迁移转化规律。

Description

环境污染物在地下水不同含水层中迁移转化的模拟装置

技术领域

本发明涉及环境污染物对地下水污染的研究，特别是一种环境污染物在地下水不同含水层中迁移转化的模拟装置。

背景技术

在上世纪末，碳和一些金属氧化物纳米材料陆续被人们发现，人类从此进入了纳米时代。随着纳米材料的大量运用，例如氧化石墨烯、富勒烯纳米颗粒等新材料在生活的各个方面都得到了大量的应用。因此大规模生产和应用导致其进入环境中，尤其当人们合成出改性后的纳米材料，其具有良好的分散性能因而能够穿透地表土壤层进入地下水含水***中对地下水进行污染。纳米材料逐渐演变成对地下水环境造成潜在威胁的环境污染物。

这类环境污染物是近些年才出现的污染物，它在自然界中的含量低，并不是很普遍。但是随着工农业的发展，这些环境污染物的环境污染效应必然会凸显。目前人们对它的了解处于初始阶段，所以为了***的研究其在地下水环境中的行为，必须考虑在不同的含水条件、不同的水化学场、水力压力场等因素的影响。本发明结合上述所需考虑的方面，能够有效的揭示这类环境污染物的迁移规律。

纳米颗粒等环境污染物对地下水污染的研究迫在眉睫，其中这类环境污染物在地下水含水层中的迁移和转化规律是解决地下水污染问题的先决条件。室内物理模拟研究能够控制地下水含水***的水力条件和含水层性质，如设置水头高度、多孔介质性质、流动相的水化学条件等变量。能够模拟出在不同条件下环境污染物在地下水不同含水层中的迁移过程，从而得出相关的结论。

发明内容

本发明目的在于针对上述存在问题，提供一种环境污染物在地下水不同含水层中迁移转化的模拟装置，该装置可以模拟不同地下水含水层渗流场、地下水水化学场等不同外界环境条件，研究不同环境条件下，污染物迁移转化的规律。

本发明的技术方案： 

一种环境污染物在地下水不同含水层中迁移转化的模拟装置，包括蓄水装置、上游水头调节装置、含水层模拟装置、样品投放装置、抽注水井装置和下游水头调节装置，蓄水装置包括抽水泵和水箱，抽水泵进口通过水管与水箱连接；上游水头调节装置，由蓄水盒和螺旋杆组成并通过螺纹连接，通过螺旋杆的旋转调节蓄水盒的高度，螺旋杆支撑于铁架台上，蓄水盒内设有隔板并将蓄水盒分隔为前蓄水盒和后蓄水盒，前蓄水盒和后蓄水盒底部分别设有前出水口、后出水口，前出水口通过硅胶管与水箱连接，后出水口通过硅胶管与含水层模拟装置的箱体连接，抽水泵出口通过水管与后蓄水盒连接；含水层模拟装置为带有顶盖的有机玻璃箱体并固定于底座上，箱体内垂直固定有两块包覆有200目纱网的多孔有机玻璃板将箱体分隔为上游水槽、渗流槽和下游水槽，上游水槽底部设有进水口，下游水槽底部设有出水口，箱体侧壁上设有35个取样孔并通过设置有于侧壁上的35个取样孔直通铜管固定，其中纵向设有间距相同的五列取样孔，每列横向设有间距相同的七个取样孔，每个取样孔直通铜管的外端连接有铜质宝塔和硅胶管，直通铜管的外端与铜质宝塔之间设有200目致密纱网并利用硅胶垫片密封，硅胶管上设有止水夹；箱体顶盖上固定有七个测压探头并通过导线与水力压力监测仪连接构成水压监测装置，其中两个测压探头分别位于上游水槽和下游水槽部分，五个测压探头别位于渗流槽部分并分别与五列取样孔对应，下游水槽的外壁上固定有四个电极直通铜管，pH电极、电导电极、溶氧电极和氧化还原电位电极分别穿过电极直通铜管并利用硅胶垫片密封，pH电极、电导电极、溶氧电极和氧化还原电位电极分别通过导线与监测表连接构成水化学场监测装置；样品投放装置包括注射器泵、注射器、直通阀和多孔陶瓷头，注射器泵与注射器连接，直通阀设于注射器的出口并通过四氟乙烯管、有机玻璃管和硅胶管与多孔陶瓷头连接，其中硅胶管和多孔陶瓷头伸入含水层模拟装置的箱体内；抽注水井装置包括抽注水泵和模拟水井管并通过管道连接，模拟水井管垂直设于含水层模拟装置的箱体内，模拟水井管管壁均布渗水孔，通过用胶带封堵渗水孔调节井渗水层的厚度；下游水头调节装置与上游水头调节装置结构基本相同，但隔板两边的蓄水盒底部分别设有输水口和排水口，其中蓄水盒的输水口通过硅胶管与含水层模拟装置的箱体底部出水口连接。

本发明的优点是：该装置可以模拟饱水带中的承压水含水层、潜水含水层，也可以模拟包气带中毛细水带等；可以根据所模拟含水层性质的需要灵活多变的设置含水层的性质；通过对渗流场，水力压力场、水化学场的监测，用物理模拟的方式揭示纳米颗粒等类型环境污染物在地下水含水层中的迁移转化规律。

附图说明 

图1为该模拟装置结构示意图。

图2为该模拟装置中样品投放装置部分放大示意图。

图3为该模拟装置中水力压力监测装置部分放大示意图。

图4为该模拟装置中水化学场监测装置部分放大示意图。

图5为该模拟装置中取样孔部分放大示意图。

图6为该模拟装置中抽注水井装置部分放大示意图。

图中：1.抽水泵   2.水箱   3.蓄水盒   4.螺旋杆   5.铁架台  6.隔板7.前出水口   8.后出水口   9.箱体   10.底座   11.多孔有机玻璃板

12.进水口   13.出水口   14.取样孔   15.取样孔直通铜管   16.铜质宝塔17.硅胶管  18.200目致密纱网  19a、b.硅胶垫片  20.止水夹  21.测压探头22.水力压力监测仪   23.电极直通铜管   24.pH电极   25.电导电极

26.溶氧电极   27.氧化还原电位电极  28.监测表  29.注射器泵  30.注射器31.直通阀   32.多孔陶瓷头   33.四氟乙烯管  34.有机玻璃管  35.硅胶管36.抽注水泵   37.模拟水井管   38.渗水孔   39.输水口   40.排水口。

具体实施方式

实施例：

一种环境污染物在地下水不同含水层中迁移转化的模拟装置，包括蓄水装置、上游水头调节装置、含水层模拟装置、样品投放装置、抽注水井装置和下游水头调节装置，蓄水装置包括抽水泵1和水箱2，抽水泵1进口通过水管与水箱2连接；上游水头调节装置，由蓄水盒3和螺旋杆4组成并通过螺纹连接，通过螺旋杆的旋转调节蓄水盒的高度，螺旋杆4支撑于铁架台5上，蓄水盒4内设有隔板6并将蓄水盒3分隔为前蓄水盒和后蓄水盒，前蓄水盒和后蓄水盒底部分别设有前出水口7、后出水口8，前出水口7通过硅胶管与水箱2连接，后出水口8通过硅胶管与含水层模拟装置的箱体连接，抽水泵1出口通过水管与后蓄水盒连接； 含水层模拟装置为带有顶盖的有机玻璃箱体9并固定于底座10上，箱体9内垂直固定有两块包覆有200目纱网的多孔有机玻璃板11将箱体9分隔为上游水槽、渗流槽和下游水槽，上游水槽底部设有进水口12，下游水槽底部设有出水口13，箱体侧壁上设有35个取样孔14并通过设置有于侧壁上的35个取样孔直通铜管15固定，其中纵向设有间距相同的五列取样孔，每列横向设有间距相同的七个取样孔，每个取样孔直通铜管15的外端连接有铜质宝塔16和硅胶管17，直通铜管15的外端与铜质宝塔16之间设有200目致密纱网18并利用硅胶垫片19a密封，硅胶管17上设有止水夹20；箱体9顶盖上固定有七个测压探头21并通过导线与水力压力监测仪22连接构成水压监测装置，其中两个测压探头分别位于上游水槽和下游水槽部分，五个测压探头别位于渗流槽部分并分别与五列取样孔对应，下游水槽的外壁上固定有四个电极直通铜管23，pH电极24、电导电极25、溶氧电极26和氧化还原电位电极27分别穿过电极直通铜管23并利用硅胶垫片19b密封，pH电极24、电导电极25、溶氧电极26和氧化还原电位电极27分别通过导线与监测表28连接构成水化学场监测装置；样品投放装置包括注射器泵29、注射器30、直通阀31和多孔陶瓷头32，注射器泵29与注射器30连接，直通阀31设于注射器30的出口并通过四氟乙烯管33、有机玻璃管34和硅胶管35与多孔陶瓷头32连接，其中硅胶管35和多孔陶瓷头32伸入含水层模拟装置的箱体内；抽注水井装置包括抽注水泵36和模拟水井管37并通过管道连接，模拟水井管36垂直设于含水层模拟装置的箱体内，模拟水井管37管壁均布渗水孔38，通过用胶带封堵渗水孔调节井渗水层的厚度；下游水头调节装置与上游水头调节装置结构基本相同，但隔板两边的蓄水盒底部分别设有输水口39和排水口40，其中蓄水盒的输水口39通过硅胶管与含水层模拟装置的箱体底部出水口13连接。

该实施例中，含水层模拟装置的长为42厘米、宽为7厘米、高度为24厘米，采用有机玻璃板制备；前部有机玻璃板上设置的取样孔的直径为1厘米，横向孔间距为5厘米,纵向孔间距为3厘米；箱体顶盖上的测压探头的孔间距为5厘米。

本发明的工作机理：

上游水头调节装置与上游水箱相连控制上游水箱中的液面高度，下游水头调节装置与下游水箱相连控制水箱中的液面高度。在模拟潜水含水层时，上游水箱液面和下游水箱液面均在渗流槽的高度范围内。当模拟承压含水层时，上游水箱液面、下游水箱液面与渗流槽的液面高度一致，但水力压力高于液面产生的压力。通过上游水箱和下游水箱的进、出水孔控制渗流槽的水力条件。

抽注水井装置中模拟完整井时，将有机玻璃管完全放入砂槽中即可。当模拟非完整井时，用不透水胶带密封部分有机玻璃管后在放入砂槽中。两种情况下均利用抽注水泵进行抽注水。

该模拟装置为了满足对纳米颗粒等环境污染物在地下水的迁移规律的需要，可以模拟饱水带中的潜水含水层和承压含水层，此外也可以模拟包气带中的支持毛细水带中的迁移情况。通过改变多孔介质的性质也可以设计在均质各向同性、均质各向异性、非均质各向同性、非均质各向异性等条件下的迁移情况。为了揭示环境污染物的迁移规律，尽量的简化试验条件，该装置只需控制单一含水层性质，通过上下游的蓄水盒的高度来控制渗流槽内的水力学性质。通过水头调节装置调节上下游水头高度，两水头存在一定的水头差，形成稳定的流场。在渗流段内填装均质的多孔介质，通过投样装置注入纳米颗粒等环境污染物质。在取样孔中进行取样，监测污染物迁移规律。若模拟承压含水层时，则需要将上下游水头装置中蓄水盒的高度调节到高于渗流槽顶板。

利用该模拟装置进行检测的具体步骤如下：

1）装置密封检测

将装置各个部分连接好后，通过螺旋杆调节上下游水头装置的高度，使其均高于渗流槽顶板高度。往上游水头调节装置中的水箱中加入去离子水，开启小型水泵，形成水循环。往上游水头调节装置中的蓄水盒内缓慢注水，渗流槽内的液面也随着水的注入缓慢升高，直至稳定为止。查看装置有无渗漏现象。

2）多孔介质的装填

本装置中装填的多孔介质为经过硝酸、氢氧化钠等酸碱漂洗过的石英砂颗粒。粒径分布在0.2-0.3mm之间。将多孔介质一层一层的加入渗流段，每加一层压实后在加下一层，直至装填好整个渗流槽。将样品投放装置的多孔陶瓷头也埋进渗流槽中。

3）多孔介质饱水

将上下游水头的高度调节为一致，通过小型水泵控制蓄水盒的注入水量，由下往上缓慢通入去离子水，并逐渐调高上下游水头装置中蓄水盒的高度，使下游水头调节装置中的蓄水盒的高度略低上游水头调节装置中的蓄水盒高度，待石英砂层全部饱水后，保持上下游水头调节装置高度。

4）稳定流场的形成

饱水阶段完成后，调节上下游水头装置使得两端液面形成液面差，来控制渗流部分的流速。调节到满足试验条件的流速后，开启水力压力监测装置、水化学场监测装置。定期的监测下游水头排水处的流量和水化学性质。待上述各向数据稳定后，可以确定流场是稳定的。

5）注入环境污染物质

将纳米颗粒等污染物溶解分散在水溶液中，用注射器吸取溶液后，将污染溶液的注射器放置在注射器泵上。调节注射器泵注射量来实现模拟点源瞬间投放、点源持续投放等过程。

6）取样监测

新型污染物投放之后，每隔2分钟从选取的取样孔中进行取样，一次取样约为1-2毫升，利用紫外分光光度计来测样品的吸光度并记录，直至取样孔的数据稳定后停止取样。

7）渗流场变换

在原来的实验条件上，在渗流槽内设置有一个完整井，利用水泵进行定量抽水或注水，重复上述实验过程。

Claims (1)

1.一种环境污染物在地下水不同含水层中迁移转化的模拟装置，其特征在于：包括蓄水装置、上游水头调节装置、含水层模拟装置、样品投放装置、抽注水井装置和下游水头调节装置，蓄水装置包括抽水泵和水箱，抽水泵进口通过水管与水箱连接；上游水头调节装置，由蓄水盒和螺旋杆组成并通过螺纹连接，通过螺旋杆的旋转调节蓄水盒的高度，螺旋杆支撑于铁架台上，蓄水盒内设有隔板并将蓄水盒分隔为前蓄水盒和后蓄水盒，前蓄水盒和后蓄水盒底部分别设有前出水口、后出水口，前出水口通过硅胶管与水箱连接，后出水口通过硅胶管与含水层模拟装置的箱体连接，抽水泵出口通过水管与后蓄水盒连接；含水层模拟装置为带有顶盖的有机玻璃箱体并固定于底座上，箱体内垂直固定有两块包覆有200目纱网的多孔有机玻璃板将箱体分隔为上游水槽、渗流槽和下游水槽，上游水槽底部设有进水口，下游水槽底部设有出水口，箱体侧壁上设有35个取样孔并通过设置有于侧壁上的35个取样孔直通铜管固定，其中纵向设有间距相同的五列取样孔，每列横向设有间距相同的七个取样孔，每个取样孔直通铜管的外端连接有铜质宝塔和硅胶管，直通铜管的外端与铜质宝塔之间设有200目致密纱网并利用硅胶垫片密封，硅胶管上设有止水夹；箱体顶盖上固定有七个测压探头并通过导线与水力压力监测仪连接构成水压监测装置，其中两个测压探头分别位于上游水槽和下游水槽部分，五个测压探头别位于渗流槽部分并分别与五列取样孔对应，下游水槽的外壁上固定有四个电极直通铜管，pH电极、电导电极、溶氧电极和氧化还原电位电极分别穿过电极直通铜管并利用硅胶垫片密封，pH电极、电导电极、溶氧电极和氧化还原电位电极分别通过导线与监测表连接构成水化学场监测装置；样品投放装置包括注射器泵、注射器、直通阀和多孔陶瓷头，注射器泵与注射器连接，直通阀设于注射器的出口并通过四氟乙烯管、有机玻璃管和硅胶管与多孔陶瓷头连接，其中硅胶管和多孔陶瓷头伸入含水层模拟装置的箱体内；抽注水井装置包括抽注水泵和模拟水井管并通过管道连接，模拟水井管垂直设于含水层模拟装置的箱体内，模拟水井管管壁均布渗水孔，通过用胶带封堵渗水孔调节井渗水层的厚度；下游水头调节装置与上游水头调节装置结构基本相同，但隔板两边的蓄水盒底部分别设有输水口和排水口，其中蓄水盒的输水口通过硅胶管与含水层模拟装置的箱体底部出水口连接。