CN105466815B - 越流条件下地下水污染物迁移的模拟装置及使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种越流条件下地下水污染物迁移的模拟装置及使用方法，属于地下水污染模拟仪器设备技术领域，包括供压、供水、土柱和接样单元；供压单元包括出口设有减压阀的压力气瓶，供水单元包括可承压的密闭有机玻璃柱Ⅰ；土柱单元包括可承压的密闭有机玻璃柱Ⅱ，有机玻璃柱Ⅱ内设有模拟土柱，模拟土柱的顶部和底部为含水层沉积物，中部为弱透水层沉积物介质；接样单元包括稳水箱和标有刻度的取样器；减压阀、有机玻璃柱Ⅰ和有机玻璃柱Ⅱ通过导管依次连接，有机玻璃柱Ⅱ、稳水箱和取样器依次通过导管连通。本发明提供了地下水越流补给的高水头差和弱透水层的还原环境，越流水头差0‑15m，操作简单，调节方便，试验数据更加准确、可靠。
Description
技术领域
本发明涉及地下水污染模拟仪器设备技术领域。
背景技术
伴随着工业化和城镇化进程的加速，地表水和地下水污染趋势不断加重。浅层地下水因水质恶化而开采强度降低，深层地下水因水质较好而开采强度不断增加；浅层与深层地下水水头不断加大，进而使已污染的浅层地下水越流补给深层水，导致深层地下水水质恶化。
弱透水层是浅层与深层含水层连接的纽带，起传导水压力和传输溶质组分功能。弱透水层介质颗粒小、微孔隙多，地下水主要以结合水的形式存在，常处于弱还原环境。因此，弱透水层中水分运移特征与污染物的迁移动力学规律同含水层存在显著差异。土柱模型作为污染物迁移动力学问题的重要研究方法，已得到普遍关注和广泛应用，并涌现了一大批土柱实验装置。例如，李培军等人设计的“一种分析污染物在不同介质中迁移的装置”，连接马氏瓶后可以模拟等水头的稳定下渗；王敏健等设计的“一种研究污染物在土壤中迁移和转化的方法与装置”可以研究土壤中污染物的挥发、渗滤和降解，为非饱和土柱实验；马传明等人设计的“温控-压控地下水越流污染模拟***”可以用来恒定温度和压力，其中压力通过增压泵控制从而实现物理模拟越流***。
以往的研究中反映出目前的土柱模型存在如下几个缺陷：其一，现阶段使用的土柱装置大多设计为非饱和或者低承压的水力条件，无法模拟地下水越流条件下污染物的迁移动力学规律；其二，仅有的几个高压土柱却没有考虑化学环境，如弱透水层中地下水多处于还原环境，若用增压泵增压则会产生氧化环境，并导致氧化还原敏感的污染物(如NH4+、SO42-等)在弱透水层中的迁移转化与地下实际情况相悖。目前的装置均无法实现化学场-物理场耦合的试验模拟，而只能针对单场(仅考虑压力、水化学)进行试验模拟。
因此，如何研发一种更加接近越流补给时的实际情况、提供越流补给的高水头差和弱透水层的还原环境、并能够精确、方便地调节压力水头的污染物迁移模拟装置，并避免氧化还原敏感的污染物在实验模拟时发生与实际情况相悖的形态转化，是本领域技术人员亟需解决的技术问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题，是提供一种越流条件下地下水污染物迁移的模拟装置及其使用方法，其试验环境更接近实际情况，提供了越流补给的高水头差和弱透水层的还原环境，能够精确、方便地调节压力水头，并避免氧化还原敏感的污染物在实验模拟时发生与实际情况相悖的形态转化，使试验数据更加准确、可靠。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：
越流条件下地下水污染物迁移的模拟装置，包括依次顺序连接的供压单元、供水单元、土柱单元和接样单元；
所述供压单元包括出口设有减压阀的压力气瓶，所述压力气瓶为高纯氩气瓶；所述供水单元包括一个内部装有模拟污染地下水的可承压的密闭有机玻璃柱Ⅰ，所述有机玻璃柱Ⅰ上端通过导管与减压阀连接，所述土柱单元包括一个可承压的密闭有机玻璃柱Ⅱ，所述模拟土柱从上至下依次为石英砂层Ⅰ、粘性土层和石英砂层Ⅱ，有机玻璃柱Ⅱ内设有模拟土柱即模拟沉积物介质(包含上下含水层和中部弱透水层)，所述有机玻璃柱Ⅰ的底端通过导管与有机玻璃柱Ⅱ的顶端连通，所述接样单元包括稳水箱和标有刻度的取样器，所述有机玻璃柱Ⅱ的底端通过导管与稳水箱底端连通，所述稳水箱通过导管与取样器连通。
作为优选，所述高纯氩气瓶中的氩气纯度≥99.999％。
作为优选，所述模拟土柱中每两种介质间设有尼龙纱布，所述石英砂层Ⅱ底部与出水口之间也设有尼龙纱布，尼龙纱布孔径密度为50至500目。
作为优选，所述有机玻璃柱Ⅰ和有机玻璃柱Ⅱ均包括柱体、位于柱体顶部的紧固件Ⅰ、筛网滤膜槽板和位于柱体底部的紧固件Ⅱ，筛网滤膜槽板位于柱体内的土柱上部，紧固件Ⅰ与紧固件Ⅱ分别与柱体通过垫圈及螺母固定。
作为优选，所述柱体高100cm，内径10cm，柱体自下而上均标有刻度，精度为1mm，筛网滤膜槽板孔径为500目。
作为优选，所述导管为聚四氟乙烯管。
作为优选，所述减压阀与有机玻璃柱Ⅰ之间的导管内设有不锈钢内衬管，减压阀的接头内设有卡槽，内孔3mm，螺纹连接，导管与有机玻璃柱Ⅰ连接处通过锥形胶塞堵头密封。
作为优选，所述有机玻璃柱Ⅰ和有机玻璃柱Ⅱ底部均设有三角支架。
作为优选，所述稳水箱由聚丙烯离心管制成，容积为10ml，内径为10mm，稳水箱入水口在底部，出口位于稳水箱侧部二分之一处。
越流条件下地下水污染物迁移的模拟装置的使用方法，使用上述中任一项所述的越流条件下地下水污染物迁移的模拟装置，具体步骤如下：
第一步，粘性土经风干研磨后过多孔筛，并按原状土的容重装入有机玻璃柱Ⅱ中，在粘性土的顶层和底层铺设石英砂，填装时采用分层填装法，每1cm一层，每层填完用压实器压实，把土层表面抓毛，再填下一层，以避免实验过程中模拟土柱出现断层现象；
第二步，从有机玻璃柱Ⅱ下端注入去离子水，以驱除模拟土柱中气泡，保证实验过程中模拟土柱处于饱水状态，等到模拟土柱顶端出现水层时，即模拟土柱达到饱水状态；
第三步，饱水后，将有机玻璃柱Ⅱ与有机玻璃柱Ⅰ、压力气瓶顺序连接，调节减压阀的出口压力到试验设定的数值，用模拟污染地下水在顶端渗透，每2h取一次样，可用于后续水化学分析，同时记录出流液的流量、体积。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明一是利用压力气瓶加压，通过减压阀控制开关调节试验所需的压力水头，既避免通过马氏瓶模拟的水头差范围较小的局限性，又避免了增压泵加压对化学环境的扰动，其试验环境更接近实际情况，提供了越流补给的高水头差和弱透水层的还原环境，能够精确、方便地调节压力水头，使试验数据更加准确、可靠，并避免氧化还原敏感的污染物在实验模拟时发生与实际情况相悖的形态转化；二是本发明提供的***中各个单元既是相互有机结合的一个整体，同时各单元之间又可灵活拆卸，组装方便，各个单元简单易得，为实验室常见材料。
附图说明
图1为本发明一个实施例的结构示意图；
图2为减压阀与导管连接处的接头结构示意图；
图3为本发明的工作原理框图；
各图号名称为：1—压力气瓶，2—减压阀，3—接头，4—导管，5—紧固件Ⅰ，6—筛网滤膜槽板，7—柱体，8—紧固件Ⅱ，9—尼龙纱布，10—三角支架，11—稳水箱，12—取样器，13—有机玻璃柱Ⅰ，14—有机玻璃柱Ⅱ，15—内衬管，16—锥形胶塞堵头，17—螺母。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，本发明包括依次顺序连接的供压单元、供水单元、土柱单元和接样单元；所述供压单元包括出口设有减压阀2的提供压力和还原环境的压力气瓶1，所述减压阀2将进口压力减至设定的出口压力并保持稳定，所述压力气瓶1优选为高纯氩气瓶，氩气纯度≥99.999％；所述供水单元包括一个内部装有地下水污染模拟液、可承压的、密闭有机玻璃柱Ⅰ13，所述有机玻璃柱Ⅰ13上端通过导管与减压阀2连接；所述土柱单元包括一个可承压的密闭有机玻璃柱Ⅱ14，有机玻璃柱Ⅱ14的顶部和底部填装含水层沉积物，中部填装弱透水层沉积物介质(即模拟沉积物介质)，所述模拟土柱从上至下依次为石英砂层Ⅰ(模拟含水层沉积物)、粘性土层(模拟弱透水层沉积物)和石英砂层Ⅱ(模拟含水层沉积物)，土柱中每两种介质间设有尼龙纱布9，避免顶部石英砂层Ⅰ渗漏进入中部的粘性土层，同时防止粘性土层中的土散落到底部的石英砂层Ⅱ中，所述石英砂层Ⅱ底部与出水口之间也设有尼龙纱布，最底层的尼龙纱布9则对出水进行过滤，避免将颗粒物带出模拟土柱，所述尼龙纱布孔径密度为50至500目(根据介质粒径的大小选择合适的目数)，所述有机玻璃柱Ⅰ13的底端通过导管4与有机玻璃柱Ⅱ14的顶端连通，所述有机玻璃柱Ⅰ13和所述有机玻璃柱Ⅱ14自下而上均标有刻度，精度为1mm；所述接样单元包括稳水箱11和标有刻度的取样器12，优选的，所述稳水箱11由聚丙烯离心管制成，容积为10ml，内径为10mm，稳水箱11入水口在底部，出口位于稳水箱11侧部二分之一处，可以防止空气进入模拟土柱中的介质的孔隙中，避免堵塞地下水的运移通道，所述有机玻璃柱Ⅱ14的底端通过导管4与稳水箱11底端连通，所述稳水箱11通过导管4与取样器12连通，所述取样器12优选的采用量筒，量筒为玻璃材质，可以准确读出流出液的体积；上述的导管4均采用聚四氟乙烯管。
本实验装置中，石英砂层Ⅰ和石英砂层Ⅱ高度为50mm、粒径为2至4mm，用于模拟上下含水层，粘性土层用于模拟处于两含水层之间的弱透水层，高纯氩气瓶来模拟地下水越流补给时通过弱透水层的渗透压力和弱还原环境。实验温度控制在13至15℃，以接近地下水的实际环境。高纯氩气瓶减压阀2出口处压力调节至0.25MPa来模拟越流压力(15m水头差)，并提供地下水的弱还原环境。实验时，可采用90mg/L的NH4Cl模拟铵态氮污染的地下水，其中Cl-可以作为示踪剂指示地下水中保守性离子的迁移转化规律。填装模拟土柱时采用分层填装法，每1cm一层，每层填完用压实器压实，把土层表面抓毛，再填下一层，以避免实验过程中土柱出现断层现象。
进一步的，所述有机玻璃柱Ⅰ13和有机玻璃柱Ⅱ14均包括柱体7、位于柱体7顶部的紧固件Ⅰ5、筛网滤膜槽板6和位于柱体7底部的紧固件Ⅱ8，柱体7精度为1mm，采用医用级高精度加厚玻璃制作，紧固件Ⅰ5和紧固件Ⅱ8采用高密度聚甲醛塑料制作，筛网滤膜槽板6位于柱体7内的弱透水层模拟土柱上部，起到均匀布气和布液的作用，紧固件Ⅰ5与紧固件Ⅱ8分别与柱体7通过垫圈及螺母固定；进一步的，所述柱体7高100cm，内径10cm，筛网滤膜槽板6孔径为500目。
进一步的，所述有机玻璃柱Ⅰ13和有机玻璃柱Ⅱ14底部均设有三角支架10。
进一步的，所述减压阀2与有机玻璃柱Ⅰ13之间的导管4内设有不锈钢内衬管15，减压阀2的接头3内设有卡槽，内孔3mm，螺纹连接，导管4与有机玻璃柱Ⅰ13连接处通过锥形胶塞堵头16密封。
越流条件下地下水污染物迁移的模拟装置的使用方法，使用上述中任一项所述的越流条件下地下水污染物迁移的模拟装置，具体步骤如下：
第一步，粘性土经风干研磨后过100目的多孔筛，并按原状土的容重装入有机玻璃柱Ⅱ14中，在粘性土的顶层和底层各铺设5cm的石英砂以模拟上下含水层，顶层为石英砂层Ⅰ，底层为石英砂层Ⅱ，石英砂层Ⅱ底端用200目的尼龙纱布作为反滤层以防止粘性土颗粒堵塞出水通道，每层介质之间用200目尼龙纱布分隔，填装土柱时采用分层填装法，每1cm一层，每层填完用压实器压实，把土层表面抓毛，再填下一层，以避免实验过程中模拟土柱出现断层现象；第二步，从有机玻璃柱Ⅱ14下端注入去离子水，以驱除模拟土柱中的气泡，保证实验过程中模拟土柱处于饱水状态，等到模拟土柱顶端出现水层时，即模拟土柱达到饱水状态；第三步，饱水后，将有机玻璃柱Ⅱ14与有机玻璃柱Ⅰ13、压力气瓶1顺序连接，调节减压阀2的出口压力到试验设定的数值，用模拟污染地下水在顶端渗透，每2h取一次样，可用于后续水化学分析，同时记录出流液的流量、体积。
本发明提供的装置能够模拟污染物在地下水越流补给时的迁移转化作用，试验环境更接近实际情况，提供了越流补给的高水头差和弱透水层的还原环境，能够精确、方便地调节压力水头，并避免氧化还原敏感的污染物在实验模拟时发生与实际情况相悖的形态转化，使试验数据更加准确、可靠，其测定方便、误差小，所创造的高压还原环境接近地下水的真实环境；同时能够可以通过本装置实验过程中获取的数据计算得到弥散系数、渗透系数等参数。本装置是通过连接惰性气体的压力气瓶进行改进，采用90mg/L的NH4Cl模拟铵态氮污染的地下水时，本实施例实验结果显示，出流液中NO3-、NO2-浓度一直维持在较低水平，也就是说在还原环境下，NH4+主要以吸附作用为主，基本不存在形态上的转化，而如果在氧化环境中NH4+可能会发生硝化作用等反应生成NO3-，这将与实际情况相悖，无法达到室内实验模拟装置还原实际地下水中污染物迁移转化过程的目的。
尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.越流条件下地下水污染物迁移的模拟装置，其特征在于：包括依次顺序连接的供压单元、供水单元、土柱单元和接样单元；
所述供压单元包括出口设有减压阀(2)的压力气瓶(1)，所述压力气瓶(1)为高纯氩气瓶，所述高纯氩气瓶来模拟地下水越流补给时通过弱透水层的渗透压力和弱还原环境；所述供水单元包括一个内部装有地下水污染模拟液的、可承压的、密闭有机玻璃柱Ⅰ(13)，所述有机玻璃柱Ⅰ(13)上端通过导管(4)与减压阀(2)连接，所述减压阀(2)与有机玻璃柱I(13)之间的导管(4)内设有不锈钢内衬管(15)；所述土柱单元包括一个内部填装有模拟土柱的密闭有机玻璃柱Ⅱ(14)，所述模拟土柱从上至下依次为石英砂层Ⅰ、粘性土层和石英砂层Ⅱ，所述模拟土柱中每两种介质间设有尼龙纱布，所述石英砂层Ⅱ底部与出水口之间也设有尼龙纱布，尼龙纱布孔径密度为50至500目；所述有机玻璃柱Ⅰ(13)和有机玻璃柱Ⅱ(14)均包括柱体(7)、位于柱体(7)顶部的紧固件Ⅰ(5)、筛网滤膜槽板(6)和位于柱体(7)底部的紧固件Ⅱ(8)，筛网滤膜槽板(6)位于柱体(7)内的模拟土柱上部，紧固件Ⅰ(5)与紧固件Ⅱ(8)分别与柱体(7)通过垫圈及螺母固定；所述有机玻璃柱Ⅰ(13)的底端通过导管(4)与有机玻璃柱Ⅱ(14)的顶端连通，所述导管(4)与有机玻璃柱Ⅱ(14)的顶端连接位置高于所述有机玻璃柱I(13)的底端；所述接样单元包括稳水箱(11)和标有刻度的取样器(12)，所述稳水箱(11)入水口在底部，出口位于稳水箱(11)右侧，所述有机玻璃柱Ⅱ(14)的底端通过导管(4)与稳水箱(11)底端连通，所述稳水箱(11)的出口处高于所述有机玻璃柱II(14)的底端，所述稳水箱(11)通过导管(4)与取样器(12)连通。
2.根据权利要求1所述的越流条件下地下水污染物迁移的模拟装置，其特征在于：所述高纯氩气瓶中的氩气纯度≥99.999％。
3.根据权利要求1所述的越流条件下地下水污染物迁移的模拟装置，其特征在于：所述柱体(7)高100cm，内径10cm，筛网滤膜槽板(6)孔径为500目。
4.根据权利要求1所述的越流条件下地下水污染物迁移的模拟装置，其特征在于：所述导管(4)为聚四氟乙烯管。
5.根据权利要求1所述的越流条件下地下水污染物迁移的模拟装置，其特征在于：所述减压阀(2)的接头(3)内设有卡槽，内孔3mm，螺纹连接，导管与有机玻璃柱Ⅰ(13)连接处通过锥形胶塞堵头(16)密封。
6.根据权利要求1所述的越流条件下地下水污染物迁移的模拟装置，其特征在于：所述有机玻璃柱Ⅰ(13)和有机玻璃柱Ⅱ(14)底部均设有三角支架(10)。
7.根据权利要求1所述的越流条件下地下水污染物迁移的模拟装置，其特征在于：所述稳水箱(11)由聚丙烯离心管制成，容积为10ml，内径为10mm，稳水箱(11)入水口在底部，出口位于稳水箱(11)侧部二分之一处。
8.越流条件下地下水污染物迁移的模拟装置的使用方法，其特征在于：所述越流条件下地下水污染物迁移的模拟装置采用权利要求1-7任一项所述的越流条件下地下水污染物迁移的模拟装置，具体使用步骤包括：
第一步，粘性土经风干研磨后过多孔筛，并按原状土的容重装入有机玻璃柱Ⅱ(14)中，在粘性土的顶层和底层铺设石英砂，填装时采用分层填装法，每1cm一层，每层填完用压实器压实，把土层表面抓毛，再填下一层，以避免实验过程中模拟土柱出现断层现象；
第二步，从有机玻璃柱Ⅱ(14)下端注入去离子水，以驱除模拟土柱中气泡，保证实验过程中模拟土柱处于饱水状态，等到模拟土柱顶端出现水层时，即模拟土柱达到饱水状态；
第三步，饱水后，将有机玻璃柱Ⅱ(14)与有机玻璃柱Ⅰ(13)、压力气瓶(1)顺序连接，所述压力气瓶(1)为高纯氩气瓶，所述高纯氩气瓶来模拟地下水越流补给时通过弱透水层的渗透压力和弱还原环境，调节减压阀(2)的出口压力到试验设定的数值，用模拟污染地下水在顶端渗透，每2h取一次样，同时记录出流液的流量、体积。
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