CN108318386A - 河流污染质迁移及下渗规律的多功能模拟实验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于多孔介质中水分和污染质迁移转化规律实验研究领域，尤其是一种研究河流污染质迁移及下渗规律的多功能模拟实验装置及方法。本装置主要包括主箱槽体、模拟河流水箱、循环供水***、接液部件以及模拟板。通过改变主箱槽体左右侧透水或隔水板类型及顶部模拟河床过水，模拟污染质随河水径流与渗流过程中浓度在不同河段和河床底部不同层位的变化、河间地块中地下水运移过程的流网绘制及农田水利中土壤水分各参数的测定等。采用本发明可实现河流与地下水间水分与污染质不同迁移转化规律的研究及各种参数的测定，且能通过方便地改变少量部件实现多种实验目的的切换，很好地服务于科学研究和教学过程。
Description
技术领域
本发明属于多孔介质中水分和污染质迁移转化规律实验研究领域，尤其是一种研究河流污染质迁移及下渗规律的多功能模拟实验装置及方法。用于土壤学与农业科学领域的水分和养分等运移参数测定、环境科学中河流底泥重金属污染转化规律模拟、地下水动力学中河间地块内水流状态及蒸发与降雨过程地下水变动规律的研究、包气带和潜水层中水流与污染质迁移教学演示等。
背景技术
农田土壤水分和养分是影响农作物产量的关键因素，土壤理化性状的测定在野外具有一定的难度。通过室内模拟实验装置测定相关参数，可为土壤特性研究提供一定的科学依据；结合田间降水和蒸发过程模拟包气带中地下水的运移规律，可指导农业生产活动。
底泥是河流污水中重金属沉积和赋存的主要场所，它们可通过河道疏浚等人类活动、生物及微生物扰动，向上重新回归河水或发生迁移转化；底泥中重金属等污染质在从底泥-包气带-饱水带随水分向下入渗过程会发生迁移转化。模拟研究河流到地下水之间污染质迁移转化规律，可为河道污染治理和地下水污染防治提供一定的科学依据。
河渠水位和流量的变化是影响河渠附近地区地下水动态（补给和***、水位和流速等）的重要因素，通过研究河渠间地下水运动规律，对地下水资源评价、人工排水和灌溉等都具有重要的指导作用。
以上问题的野外实验研究工作受各种因素影响存在一定的困难，而目前的实验装置要么结构复杂，要么仅适用于某一单一目的，不能多用途灵活运用。
发明内容
本发明所解决现有技术中存在的技术问题是野外实验研究工作受各种因素影响存在一定的困难，而目前的实验装置要么结构复杂，要么仅适用于某一单一目的，不能多用途灵活运用；本发明设计了一款可根据研究目的和内容进行自由调整的室内模拟***。
本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种河流污染质迁移及下渗规律的多功能模拟实验装置，包括主箱槽体、模拟河流水箱、循环供水***、接液部件以及模拟板，所述主箱槽体为扁方形的玻璃体，其内部可填充介质，所述主箱槽体下部为有小孔的镂空淋滤板，所述主箱槽体腰间和底部可用焊接的三脚架进行支撑；所述模拟河流水箱共有两个分别位于主箱槽体的左右两侧镂空透水板的外侧，并且它们与主箱槽体的接触面上可抽离的设置隔离板；所述循环供水***包括供水瓶及配套的水管、蠕动泵、阀门，供水***连通了所述的两个模拟河流水箱；所述接液部件有两部分，一部分设置在主箱槽体上，另一部分设置在主箱槽体下方，均用于接取液体；所述模拟板隔空架设在主箱槽体上，用于模拟降雨、蒸发、扰动的环境特征。
进一步，所述供水瓶位于左模拟河水箱的上部，底部设置带有控制阀门的水管并通向左模拟河水箱，上部敞开以便供水和配液，所述右模拟河水箱中有一根带有蠕动泵的水管，所述带有蠕动泵的水管的一端也与供水瓶的上部连接，另一端伸入到右模拟河水箱中，可将右模拟河水箱的液体抽回供水瓶。
进一步，所述接液部件设置在所述主箱槽体上的部分为设置在主箱槽体正面面板上的出水孔水管，所述出水孔水管呈15°斜***箱体中部位置，以便接收不同河段不同层位渗出的溶液。
进一步，所述接液部件设置在所述主箱槽体下方的部分为带有两个方形漏斗的接液支架，所述接液支架匹配着镂空淋滤板的大小设置在主箱槽体下方，以便收集模拟河流上下游河段渗漏出的溶液。
进一步，所述模拟板用金属杆和螺丝固定于主箱槽体背面侧壁上缘，用于模拟降雨、蒸发、河床扰动的环境特征；当模拟降水时，由矩形花洒面板组成；当模拟蒸发时，由几组加热灯管或加热丝组成电热面板；当模拟河床扰动时，由几根搅拌棒组成。
进一步，所述隔离板为封闭型隔离板或者透水性隔离板；所述封闭型隔离板的两板上沿均做成圆弧或三角堰型，右侧略低于左侧，以便水流从左向右流淌；所述透水性隔离板为排列有小孔的镂空透水板，所述小孔孔径小于主箱槽体内填充介质的粒径。
一种河流污染质迁移规律的实验方法，利用上述的一种河流污染质迁移及下渗规律的多功能模拟实验装置，其中隔离板为封闭型隔离板，按照如下步骤进行：
步骤一，根据实验目的向主箱槽体内铺设介质，可分层铺上不同的模拟介质或仅仅铺上单一介质，铺到槽体上沿形成模拟河床；
步骤二，供水瓶内配备一定浓度的污染质，以模拟污染河流；
步骤三，打开控制阀门，模拟污染河水沿着模拟河床流入右模拟河水箱，蠕动泵将右模拟河水箱内的溶液重新泵回供水箱内；
步骤四，用量筒接取壁上不同出水孔渗出的溶液及底部漏斗收取的不同河段入渗的溶液，进行浓度测定；
步骤五，根据浓度测定数据进行分析并得出结论。
步骤六，进行模拟河床扰动时的污染质迁移规律的实验，将模拟板更换为搅拌棒，重复步骤一到步骤五的实验步骤。
一种河流下渗规律的实验方法，其特征在于，利用上述的一种河流污染质迁移及下渗规律的多功能模拟实验装置，其中隔离板为透水型隔离板，按照如下步骤进行：
步骤一，根据实验目的向主箱槽体内铺设介质，可分层铺上不同的模拟介质或仅仅铺上单一介质，铺到槽体上沿；
步骤二，供水瓶内盛装一定量的水；
步骤三，打开控制阀门以及蠕动泵，给左模拟河水箱和右模拟河水箱中注入不同水位的水；
步骤四，开启模拟板，根据实验需求模拟降水/蒸发情景，相应的将模拟板更换为花洒面板/电热面板，观测主箱槽体内介质中水流动态；
步骤五，根据观测结果以及地下水位变化，绘制流网。
本发明与现有技术相比所具有的有益效果是：本发明设计了一款以灵活、方便、简单为特点，达到在不必重新加工新装置的前提下，通过简单地改换相关部件，切换不同研究目的的多用途室内模拟河流与地下水间水分与污染质运移规律研究的效果；该装置美观实用，安装和操作简便，除了科研用途之外，还可以作为水文学、水文地质学、环境工程学、生态学等课程的实验教学演示用具，具有一定的实用价值。
附图说明
图1为本发明中的装置整体结构示意图。
图2为本发明研究河流污染质迁移规律的实验示意图。
图3为本发明研究河流下渗规律的实验示意图(即为河间地块中地下水流状态模拟示意图)。
其中：1-供水瓶，2-控制阀门，3-左模拟河水箱，4-隔离板，5-壁上出水孔，6-接水漏斗，7-量筒，8-镂空淋滤板，9-右模拟河水箱，10-主箱槽体，11-蠕动泵，12-模拟板（降水/蒸发/扰动）。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
如图1所示，一种研究河流污染质迁移及下渗规律的多功能模拟实验装置，本装置主要研究河流污染质迁移规律规律，主要包括主箱槽体10、模拟河流水箱、循环供水***、接液部件以及模拟板12；所述主箱槽体为扁方形的玻璃体，所述主箱槽体下部为有小孔的镂空淋滤板8，主箱槽体腰间和底部可用焊接的三脚架进行支撑，其内部可按照模拟目的分层或者混合填充土、砂等多孔介质，所述主箱槽体上部敞开，以方便装砂土样，同时便于安装模拟板；所述模拟河流水箱共有两个，分别为左模拟河水箱3和右模拟河水箱9，它们分别与主箱槽体的左右两侧连接，并且它们与主箱槽体的接触面上可抽离的设置隔离板4，所述隔离板4可设置成封闭型隔离板，所述隔离板上沿做成圆弧或三角堰型，所述封闭型隔离板在进行设置时，右侧的封闭型隔离板略低于左侧的封闭型隔离板，以便水流在模拟河床上从左向右流淌，从而进行污染质迁移转化规律研究实验，此实验中左模拟河水箱3不用，水流是在模拟河床上从做向右运移同时下渗；所述接液部件包括两个部分，其中一部分为均匀的分别在所述主箱槽体正面面板上的出水孔水管5，所述出水孔水管呈15°斜***箱体中部位置，以便接收不同河段不同层位渗出的溶液，其另外一部分为接液支架，所述主箱槽体10下部为有小孔的镂空淋滤板8，其放置在设置有两个方形漏斗的接液支架6上，所述接液支架与镂空淋滤板8的尺寸相匹配，并且这两个方形漏斗下方均放置有量筒7，以便收集模拟河流上下游河段渗漏出的溶液；所述循环供水***包括供水瓶1及配套的水管，所述供水瓶位于左模拟河水箱的上部，底部设置带有控制阀门2的水管，上部敞开以便供水和配液，所述右模拟河水箱中有一根带有蠕动泵11的水管，所述带有蠕动泵11的水管也与供水瓶的上部连接，可将右模拟河水箱9中溶液抽回供水瓶，也可将蠕动泵关闭，从而停止将右模拟河水箱9中的溶液抽回供水瓶；所述模拟板12为电动扰流排刷，用金属杆与螺丝固定于主箱槽体背面侧壁上缘，开启电源时模拟河床扰动情景。
如图2所示，一种研究河流污染质迁移的模拟实验方法，利用上述的一种研究河流污染质迁移及下渗规律的多功能模拟实验装置，其中的隔离板4为封闭型隔离板，按照如下步骤进行：
步骤一，根据实验目的向主箱槽体10内铺设介质，可分层铺上不同的模拟介质或仅仅铺上单一介质，铺到槽体上沿形成模拟河床；
步骤二，供水瓶1内配备一定浓度的污染质，以模拟污染河流；
步骤三，打开控制阀门2，模拟污染河水沿着模拟河床流入右模拟河水箱9，蠕动泵11将右模拟河水箱9内的溶液重新泵回供水箱1内；
步骤四，用量筒7接取壁上不同出水孔5渗出的溶液及底部漏斗6收取的不同河段入渗的溶液，进行浓度测定；
步骤五，根据浓度测定数据进行分析并得出结论。
步骤六，如需做河床扰动情况下，污染质沿河流的浓度变化规律研究实验，将模拟板12更换为搅动棒，,开启主箱槽体10上部的模拟板12，重复步骤一至五的实验步骤，取沿河床不同段溶液进行测定，分析规律并得出结论。
实施例2
如图1所示，一种研究河流污染质迁移及下渗规律的多功能模拟实验装置，本装置主要用于研究河流下渗规律的模拟实验，主要包括主箱槽体10、模拟河流水箱、循环供水***、接液部件以及模拟板12；所述主箱槽体为扁方形的玻璃体，主箱槽体腰间和底部可用焊接的三脚架进行支撑，其内部可按照模拟目的分层或者混合填充土、砂等多孔介质，所述主箱槽体上部敞开，以方便装砂土样，同时便于安装模拟板；所述模拟河流水箱共有两个，分别为左模拟河水箱3和右模拟河水箱9，它们分别与主箱槽体的左右两侧连接，并且它们与主箱槽体的接触面上可抽离的设置隔离板4，所述隔离板4可设置成透水型隔离板，所述透水性隔离板为排列有小孔的镂空透水板，所述小孔孔径小于主箱槽体内填充介质的粒径，使得水流是在介质中从左模拟河水箱3到右模拟河水箱9流动；所述接液部件包括两个部分，其中一部分为均匀的分别在所述主箱槽体正面面板上的出水孔水管5，所述出水孔水管呈15°斜***箱体中部位置，其另外一部分为接液支架，所述主箱槽体10下部为有小孔的镂空淋滤板8，其放置在设置有两个方形漏斗的接液支架6上，并且这两个方形漏斗下方均放置有量筒7，所述接液部件均用橡胶塞进行封闭；所述左模拟河水箱3和右模拟河水箱9的上部均开敞，除了与主箱槽体联结面可透水外，其余面均为密封隔水面板，并且最外侧可设刻度，以便人为通过进水阀门调节水位；所述循环供水***包括供水瓶1及配套的水管，所述供水瓶位于左模拟河水箱的上部，底部设置带有控制阀门2的水管，上部敞开以便供水和配液，所述右模拟河水箱中有一根带有蠕动泵11的水管，所述带有蠕动泵11的水管也与供水瓶的上部连接，打开控制阀门2和蠕动泵11向左模拟河水箱及右模拟河水箱注水；所述模拟板12为降雨或蒸发模拟装置等单独的分离部件，即为板式淋头或加热丝板，用金属杆和螺丝固定于主箱槽体背面侧壁上缘。
如图3所示，一种研究河流下渗规律的实验方法，利用上述的一种研究研究地表水与地下水间物质移动规律的模拟装置，其中的隔离板4为透水型隔离板，按照如下步骤进行：
步骤一，根据实验目的向主箱槽体10内铺设介质，可分层铺上不同的模拟介质或仅仅铺上单一介质，铺到槽体上沿；
步骤二，供水瓶1内盛装一定量的水；
步骤三，打开控制阀门2以及蠕动泵11，给左模拟河水箱3和右模拟河水箱9中注入不同水位的水；
步骤四，开启模拟板12，根据实验需求模拟降水/蒸发情景，相应的将模拟板更换为花洒面板/电热面板，观测主箱槽体内介质中水流动态；
步骤五，根据观测结果以及地下水位变化，绘制流网。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，除以上实验案例外，该装置亦可在模拟河床上种植作物，结合以上两实施例，开展农田土壤水分和养分参数测定及生态环境污染问题的实验研究工作，该装置不仅可用于科学规律研究，也可用于相关专业学生教学的演示；任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出更动或修饰等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (10)
1.一种河流污染质迁移及下渗规律的多功能模拟实验装置，其特征在于，包括主箱槽体、模拟河流水箱、循环供水***、接液部件以及模拟板，所述主箱槽体为扁方形的玻璃体，其内部可填充介质，所述主箱槽体下部为有小孔的镂空淋滤板，所述主箱槽体腰间和底部可用焊接的三脚架进行支撑；所述模拟河流水箱共有两个分别位于主箱槽体的左右两侧的外侧，并且它们与主箱槽体的接触面上可抽离的设置隔离板；所述循环供水***包括供水瓶及配套的水管、蠕动泵、阀门，供水***连通了所述的两个模拟河流水箱；所述接液部件有两部分，一部分设置在主箱槽体上，另一部分设置在主箱槽体下方，均用于接取液体；所述模拟板隔空架设在主箱槽体上，用于模拟降雨、蒸发、扰动的环境特征。
2.如权利要求1所述的一种河流污染质迁移及下渗规律的多功能模拟实验装置，其特征在于，所述供水瓶位于左模拟河水箱的上部，底部设置带有控制阀门的水管并通向左模拟河水箱，上部敞开以便供水和配液，所述右模拟河水箱中有一根带有蠕动泵的水管，所述带有蠕动泵的水管的一端也与供水瓶的上部连接，另一端伸入到右模拟河水箱中，可将右模拟河水箱的液体抽回供水瓶。
3.如权利要求1所述的一种河流污染质迁移及下渗规律的多功能模拟实验装置，其特征在于，所述接液部件设置在所述主箱槽体上的部分为设置在主箱槽体正面面板上的出水孔水管，所述出水孔水管呈15°斜***箱体中部位置，以便接收不同河段不同层位渗出的溶液。
4.如权利要求1所述的一种河流污染质迁移及下渗规律的多功能模拟实验装置，其特征在于，所述接液部件设置在所述主箱槽体下方的部分为带有两个方形漏斗的接液支架，所述接液支架匹配着镂空淋滤板设置在主箱槽体下方，以便收集模拟河流上下游河段渗漏出的溶液。
5.如权利要求1所述的一种河流污染质迁移及下渗规律的多功能模拟实验装置，其特征在于，所述模拟板用金属杆和螺丝固定于主箱槽体背面侧壁上缘，用于模拟降雨、蒸发、河床扰动的环境特征；当模拟降水时，由矩形花洒面板组成；当模拟蒸发时，由几组加热灯管或加热丝组成电热面板；当模拟河床扰动时，由几根搅拌棒组成。
6.如权利要求1~5中任意一项所述的一种河流污染质迁移及下渗规律的多功能模拟实验装置，其特征在于，所述隔离板为封闭型隔离板或者透水性隔离板。
7.如权利要求6所述的一种河流污染质迁移及下渗规律的多功能模拟实验装置，其特征在于，所述封闭型隔离板的两板上沿均做成圆弧或三角堰型，右侧略低于左侧，以便水流从左向右流淌。
8.如权利要求6所述的一种河流污染质迁移及下渗规律的多功能模拟实验装置，其特征在于，所述透水性隔离板为排列有小孔的镂空透水板，所述小孔孔径小于主箱槽体内填充介质的粒径。
9.一种河流污染质迁移规律的实验方法，其特征在于，利用如权利要求7中所述的一种河流污染质迁移及下渗规律的多功能模拟实验装置，按照如下步骤进行：
步骤一，根据实验目的向主箱槽体内铺设介质，可分层铺上不同的模拟介质或仅仅铺上单一介质，铺到槽体上沿形成模拟河床；
步骤二，供水瓶内配备一定浓度的污染质，以模拟污染河流；
步骤三，打开控制阀门，模拟污染河水沿着模拟河床流入右模拟河水箱，蠕动泵将右模拟河水箱内的溶液重新泵回供水箱内；
步骤四，用量筒接取壁上不同出水孔渗出的溶液及底部漏斗收取的不同河段入渗的溶液，进行浓度测定；
步骤五，根据浓度测定数据进行分析并得出结论；
步骤六，进行模拟河床扰动时的污染质迁移规律的实验，将模拟板更换为搅拌棒，重复步骤一到步骤五的实验步骤。
10.一种河流下渗规律的实验方法，其特征在于，利用如权利要求8中所述的一种河流污染质迁移及下渗规律的多功能模拟实验装置，按照如下步骤进行：
步骤一，根据实验目的向主箱槽体内铺设介质，可分层铺上不同的模拟介质或仅仅铺上单一介质，铺到槽体上沿；
步骤二，供水瓶内盛装一定量的水；
步骤三，打开控制阀门以及蠕动泵，给左模拟河水箱和右模拟河水箱中注入不同水位的水；
步骤四，开启模拟板，根据实验需求模拟降水/蒸发情景，相应的将模拟板更换为花洒面板/电热面板，观测主箱槽体内介质中水流动态；
步骤五，根据观测结果以及地下水位变化，绘制流网。
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