CN109839492B - 一种包气带—地下水污染关联模拟实验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种气带—地下水污染关联模拟实验方法，其依托于包气带—地下水污染关联模拟实验平台实现，实验平台包括动态水位模拟装置、包气带模拟装置和降雨灌溉模拟装置。通过在所述包气带模拟装置中不同深度添加各种污染源，立体监测包气带中污染源的迁移转化，及进入含水层后的迁移转化过程，形成一个完整的包气带垂直入渗与含水层水平迁移的立体污染模拟实验方法。
Description
技术领域
本发明涉及地下水污染与修复技术领域，特别是涉及一种包气带—地下水污染关联的模拟实验方法。
背景技术
在水文地质上，包气带是指潜水面至地表间的地质空间。它在地下水资源的形成与变化中的作用十分重要，既具有贮存水分的能力，又有传输地表入渗水的机能。包气带土壤因降水(或灌溉)获得水分，因蒸散发消耗水分。自然界降雨和蒸散发都有一个变化过程，时而降雨大于蒸散发，时而降雨小于蒸散发。这必然导致包气带的土壤含水量有时增加，有时减少，呈现出一个土壤水分的消长变化过程。包气带水分动态是指包气带中水分含量及水分剖面的增长与消退过程，包气带与外界发生水分交换就是在其上、下界面进行的。
地下水中溶质含量受包气带及地表堆放物质影响显著，主要包括以下三个方面：①地表污水通过包气带下渗污染地下水，这在有大量污水排放的城市、工矿地区及农田灌溉地区是非常普遍的现象；②被污染的包气带土体在大气降水或灌溉水的入渗下导致地下水的污染，由于农田喷撤农药、化肥，污水灌概，大气中污染尘埃的降落等等原因，均可导致包气带土体的污染，这些被污染土体中的污染质，在后期入渗水的作用下，进入水中而使地下水污染；③垃圾处理场、废尾矿及矿渣堆放场中的污染物，由降雨及其他水流拥带经过包气带污染地下水。地下水除了天窗、钻孔、洞穴、地下掩埋的废弃物等直接污染途径外，包气带是污染地下水的一个重要媒介。
各种污染物进入包气带土体之后，可能产生一系列复杂的物理、物理化学、生物化学、地球化学作用，有些作用可使污染质被吸附、络合沉降而使污染物的浓度降低，而另一些作用则会导致污染物的浓度增高，迁移速度增快，从而增加地下水的污染概率。如当pH值升高时，可使酸性农药变为阴离子易于迁移进入地下水，含钠的污水可使交换复合体中的钙、镁离子释放出来进入地下水中。
多年来，众多科研工作者不断开展地下水污染防治的科学研究工作，而探索此类科学问题必须依托相应的地下水模拟装置，因此设计合理的包气带—地下水动态模拟实验方法，高度还原污染物的迁移转化途径，成为从事地下水污染修复研究热点问题。
研究发现，目前地下水物理模拟装置存在如下缺点：首先，从功能上看现有模拟装置大多片面针对包气带或者含水层，缺乏包气带与饱水带两方面模拟功能的有机结合，尤其是处于包气带和饱和带的过渡地带的高度还原模拟装置，从而缺少污染物从包气带进入饱水带途经模拟监测功能，不能够从整个循环流程上抓住污染物迁移转化过程，导致模拟装置缺乏整体性；其次，现阶段模拟装置存在着取样扰动大，不能三维立体监测；原位监测手段落后，不能有效的还原污染物在在包气带-地下水中的迁移转化规律。
发明内容
本发明的目的就是提供一种包气带—地下水污染关联模拟实验方法，以解决现有模拟装置对包气带—地下水关联性模拟效果差的问题。
本发明的模拟实验方法通过对应的包气带—地下水污染关联模拟实验平台实现，所述模拟实验平台包括动态水位模拟装置、包气带模拟装置和降雨灌溉模拟装置。
所述动态水位模拟装置的主体为截面为长方形的箱式壳体，所述箱式壳体采用有机玻璃加工而成，***采用不锈钢支架加固和支撑；在所述箱式壳体的内部设置两块平行的多孔透水板，两块多孔透水板分别靠近且平行于一面箱式壳体的壁板，且多孔透水板与其靠近的壁板距离为80～120mm；所述多孔透水板的板面上密布有孔径为1～3mm的过水孔眼；所述多孔透水板的下沿与所述箱式壳体的底板密封接触，上沿与所述箱式壳体的上口相平齐，且多孔透水板另外两边沿与箱式壳体的两平行壁板垂直、密封接触；所述多孔透水板与其平行且靠近的壁板间形成地下水自由潜水面，避免注水孔形成的单独水丘造成局部水位偏高。
自由潜水面上方用有机玻璃板密闭，所述玻璃板上开设有进气孔和排气孔，所述进气孔和排气孔直径均为8～12mm；进气孔连接外径与其直径相等的进气管，进气管伸入箱式壳体底部，所述进气管***箱式壳体部分的管壁上设置直径1～2mm的孔；所述进气管外接氮气存储装置，排气孔排出多余气体，包括含水层水位上升时排出的含水层介质中的空气，避免空气对地下水氧化还原环境的影响。
在箱式壳体与多孔透水板平行的壁板上设置多个进水口，在与该壁板平行的另一侧壁板上设置多个出水口；所述进水口和出水口均分为上下共三层，均匀分布，孔径为10～30mm，上下及左右间距为200～300mm，进水口连接水箱，水箱下方配备高度可调装置，从而达到调节自由潜水面，进水口和出水口均设置有流量计、阀门；依据水位高低开关相应的进出水孔，均匀多个进出水孔与箱体内自由水面的设计能更有效模拟地下水径流与***；同时，进水口与出水口相互调节实现对水文地质单元的含水层介质中地下水的流量、流速等参数的模拟和调控。
与多孔透水板垂直的箱式壳体的两面壁板上均匀设置多个采样口，所述采样口直径为10～20mm；所述采样口由玻璃管制成；每个采样口上安装有原位监测仪器或者密封膜；采样口可用于采样或者连接原位监测仪器；采样口的密封方式为，两侧粘贴密封胶膜，孔内填充石英砂与纯净水，隔绝空气，从而保持模拟装置内部不受干扰。
在所述箱式壳体内装填用于模拟水文地质单元的含水层介质，在含水层顶部覆盖黏土层，模拟含水层顶板，同时起到隔绝空气的作用；所述黏土层厚度为80～120mm。
所述包气带模拟装置包括有机玻璃柱及其内部填充介质；有机玻璃柱***黏土层内且与箱式壳体顶面垂直；有机玻璃柱利用不锈钢支架与主体支架相连，有机玻璃柱内不含黏土层，且有机玻璃柱底部与含水层介质接触；有机玻璃柱内部装填模拟包气带岩性结构的填充介质，有机玻璃柱柱体上均匀分布有采样口，采样口规格与箱式壳体上设置的采样口相同，采样口可用于取样与原位监测设备的安置；所述有机玻璃柱的直径均为280～320mm；
在箱式壳体中与有机玻璃柱平行设置若干有机玻璃管；所述有机玻璃管管径为50～80mm，管壁设置直径1～3mm的孔；有机玻璃管用于模拟监测井，监测井上方黏土层段无渗水孔，上端密封，设置进气孔、排气孔，下端与箱式壳体底部连接；进气孔连接进气管，所述进气管位于有机玻璃管内的管壁上设置有直径1～2mm的孔，进气管伸入箱式壳体底部；所述进气管外接氮气存储装置；氮气有助于保持模拟装置的氧化还原环境。
有机玻璃柱内部装填模拟包气带岩性结构的填充介质时，可在不同深度放置多种污染源，同时埋设相关原位监测探头，所述监测探头为水质监测探头、水位监测探头、pH监测探头、氧化还原电位监测探头、电导率监测探头、温度监测探头及溶解氧监测探头中的一种或数种。
所述降雨灌溉模拟装置包括水箱、输水管道、流量计、阀门和花洒。通过调控水箱中水源性质，可以实现不同pH值、各种离子含量模拟酸雨、污灌等不同外来水源对包气带及其中污染源迁移转化的影响。
本发明通过在所述包气带模拟装置中不同深度添加各种污染源，立体监测包气带中污染源的迁移转化，及进入含水层后的迁移转化过程，形成一个完整的包气带垂直入渗与含水层水平迁移的立体污染模拟实验方法；在所述污染关联模拟实验方法中通过在模拟降雨装置中添加药物，模拟动态水位变幅，在所述污染关联模拟实验中实现了污染物在包气带向含水层迁移转化的模拟。
本发明技术方案的优异效果如下：
1)本发明构成一种完善的包气带含水层的立体水文地质单元模型，可模拟污染物从包气带进入到地下含水层过程，模拟污染物从垂向到水平方向的迁移转化过程，及相关环境参数的搜集，可清晰地观测污染物在包气带土壤及含水层中的运移过程，便于深入分析污染物在包气带土壤及含水层中的溶质运移及迁移转化规律。
2)本发明改变了原有物理模拟装置的组成、结构和工作原理，实现包气带、饱水带、含水层的有机结合，能满足包气带土壤非饱和渗流模拟，而且具有多维流动模拟、立体监测能力，高度还原包气带中污染物迁移至地下水并进一步扩散的迁移转化途径。
3)本发明结构简单，测量数据精确，用途广泛；可模拟不同污染物、不同降雨条件、不同地下水流场条件下污染物在包气带-含水层的迁移转化途径；本发明有效避免了空气进入模拟装置内部，高度还原了包气带含水层环境特征；本发明可模拟污染物在包气带中的垂向迁移，在水位波动带的扩散迁移，在含水层的水平迁移模拟，可全方位立体还原污染物在包气带-地下水中的迁移转化过程。
附图说明
图1：本发明涉及的包气带—地下水污染关联模拟实验平台侧视示意图
图2：本发明涉及的包气带—地下水污染关联模拟实验平台俯视示意图
附图标记说明：
1-动态水位模拟装置、2-包气带模拟装置、3-降雨灌溉模拟装置、4-多孔透水板、5-有机玻璃板、6-进气孔、7-排气孔、8-进气管、9-氮气存储装置、10-水箱、11-高度可调装置、12-流量计、13-阀门、14-进水口、15-出水口、16-采样口、17-黏土层、18-有机玻璃柱、19-有机玻璃管、20-输水管道、21-花洒
具体实施方式
下面结合说明书和具体实施例对本发明做进一步详细、完整地说明，但并非限制本发明，本发明也并非仅局限于下属实施例的内容，下述所使用的试验方法若无特殊说明，均为本技术领域现有的常规方法。
本发明的模拟实验方法通过对应的包气带—地下水污染关联模拟实验平台实现，模拟实验平台包括动态水位模拟装置1、包气带模拟装置2和降雨灌溉模拟装置3。
动态水位模拟装置1的主体为截面为长方形的箱式壳体，箱式壳体采用有机玻璃加工而成，***采用不锈钢支架加固和支撑；在箱式壳体的内部设置两块平行的多孔透水板4，两块多孔透水板4分别靠近且平行于一面箱式壳体的壁板，且多孔透水板4与其靠近的壁板距离为100mm；多孔透水板4的板面上密布有孔径为2mm的过水孔眼；多孔透水板4的下沿与箱式壳体的底板密封接触，上沿与箱式壳体的上口相平齐，且多孔透水板4另外两边沿与箱式壳体的两平行壁板垂直、密封接触；多孔透水板4与其平行且靠近的壁板间形成地下水自由潜水面，避免注水孔形成的单独水丘造成局部水位偏高；
自由潜水面上方用有机玻璃板5密闭，玻璃板上开设有进气孔6和排气孔7，进气孔6和排气孔7直径均为10mm；进气孔6连接外径10mm的进气管8，进气管8伸入箱式壳体底部，进气管8***箱式壳体部分的管壁上设置直径1mm的孔；进气管8外接氮气存储装置9，排气孔7排出多余气体，包括含水层水位上升时排出的含水层介质中的空气，避免空气对地下水氧化还原环境的影响；
在箱式壳体与多孔透水板4平行的壁板上设置多个进水口14，在与该壁板平行的另一侧壁板上设置多个出水口15；进水口14和出水口15均分为上下共三层，均匀分布，孔径为30mm，上下间距250mm，左右间距250mm，进水口14连接水箱10，水箱10下方配备高度可调装置11，从而达到调节自由潜水面，进水口14和出水口15均设置有流量计12、阀门13；依据水位高低开关相应的进出水孔，均匀多个进出水孔与箱体内自由水面的设计能更有效模拟地下水径流与***；同时，进水口14与出水口15相互调节实现对水文地质单元的含水层介质中地下水的流量、流速等参数的模拟和调控。
与多孔透水板4垂直的箱式壳体的两面壁板上均匀设置多个由有机玻璃管制成的采样口16，有机玻璃直径为20mm；每个采样口16上安装有原位监测仪器或者密封膜，采样口16的密封方式为，两侧粘贴密封胶膜，孔内填充石英砂与纯净水，隔绝空气，从而保持模拟装置内部不受干扰。
在箱式壳体内装填用于模拟水文地质单元的含水层介质，在含水层顶部覆盖黏土层17，模拟含水层顶板，同时起到隔绝空气的作用；黏土层17厚度为100mm。
在黏土层17中开一圆形天窗，放置有机玻璃柱18，有机玻璃柱18利用不锈钢支架与主体支架相连，有机玻璃柱18底部与含水层介质接触，有机玻璃柱18内部装填模拟包气带岩性结构的填充介质，有机玻璃柱18柱体上均匀分布有采样口16，采样口规格与箱式壳体上设置的采样口相同，采样口可用于取样与原位监测设备的安置；圆形天窗及有机玻璃柱18的直径均为300mm；上述有机玻璃柱18及其内部填充介质构成了包气带模拟装置2。
在箱式壳体中与有机玻璃柱18平行设置若干有机玻璃管19，均匀分布在有机玻璃柱18周围；有机玻璃管19管径为70mm，管壁设置直径2mm孔；有机玻璃管19用于模拟监测井，监测井上方黏土层段无渗水孔，上端密封，设置进气孔6、排气孔7，下端与箱式壳体底部连接；进气孔6连接进气管8，进气管8上设置直径1mm的孔，进气管8伸入箱式壳体底部；进气管8外接氮气存储装置9；氮气有助于保持模拟装置的氧化还原环境；
有机玻璃柱18内部装填模拟包气带岩性结构的填充介质时，可在不同深度放置多种污染源，同时埋设相关原位监测探头，监测探头为水质监测探头、水位监测探头、pH监测探头、氧化还原电位监测探头、电导率监测探头、温度监测探头及溶解氧监测探头中的一种或数种；
降雨灌溉模拟装置3包括水箱10、输水管道20、流量计12和花洒21。通过调控水箱10中水源性质，可以实现不同pH值、各种离子含量模拟酸雨、污灌等不同外来水源对包气带及其中污染源迁移转化的影响。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种包气带—地下水污染关联模拟实验方法，其特征在于，所述实验方法依托于包气带—地下水污染关联模拟实验平台实现；所述实验平台包括动态水位模拟装置、包气带模拟装置和降雨灌溉模拟装置；
所述动态水位模拟装置的主体为截面为长方形的箱式壳体，在箱式壳体内部设置两块平行的多孔透水板，所述多孔透水板分别靠近且平行于箱式壳体的一面壁板，且多孔透水板与其靠近的壁板距离为80～120mm；所述多孔透水板的板面上设置有孔径为1～3mm的过水孔眼；所述多孔透水板的下沿与箱式壳体的底板密封接触，上沿与箱式壳体的上口相平齐，且多孔透水板另外两边沿与箱式壳体的两平行壁板垂直、密封接触；
所述多孔透水板与其平行且靠近的壁板间形成地下水自由潜水面，自由潜水面上方用有机玻璃板密闭，有机玻璃板开设有进气孔和排气孔；所述有机玻璃板的进气孔和排气孔直径均为8～12mm；所述有机玻璃板的进气孔连接外径与其直径相等的有机玻璃板的进气管，有机玻璃板的进气管伸入箱式壳体底部；所述有机玻璃板的进气管***箱式壳体部分的管壁上设置直径为1～2mm的孔；所述有机玻璃板的进气管外接氮气存储装置；
所述箱式壳体与多孔透水板平行的壁板上设置有多个进水口，与该壁板平行的另一侧壁板上设置多个出水口；所述进水口连接水箱，水箱下方配备高度可调装置，进水口和出水口均设置有流量计、阀门；
与所述多孔透水板垂直的箱式壳体的两面壁板上均匀设置多个采样口，所述采样口直径为10～20mm；每个采样口上有密封膜；采样口内填充石英砂和纯净水；
所述箱式壳体内填有用于模拟水文地质单元的含水层介质，在箱式壳体顶部覆盖用于模拟含水层顶板的黏土层；所述黏土层厚度为80～120mm；
所述包气带模拟装置包括有机玻璃柱及其内部填充介质；所述有机玻璃柱***黏土层内且与箱式壳体顶面垂直；所述有机玻璃柱内不含黏土层，且有机玻璃柱底部与含水层介质接触；
所述箱式壳体中设置有与有机玻璃柱平行的有机玻璃管；所述有机玻璃管管径为50～80mm，管壁设置直径为1～3mm孔；所述有机玻璃管上端密封，设置进气孔、排气孔，下端与箱式壳体底部连接；所述有机玻璃管的进气孔连接有机玻璃管的进气管，有机玻璃管的进气管位于有机玻璃管内的管壁上设置直径1～2mm的孔，有机玻璃管的进气管伸入箱式壳体底部；所述有机玻璃管的进气管外接氮气存储装置。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述有机玻璃柱的内部填充介质为模拟包气带岩性结构的填充介质；所述有机玻璃柱柱体上均匀分布有采样口；所述有机玻璃柱的直径为280～320mm。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述有机玻璃柱内部填充介质的不同深度设置有污染源和原位监测探头；所述原位监测探头为水位监测探头、pH监测探头、氧化还原电位监测探头、电导率监测探头、温度监测探头及溶解氧监测探头中的一种或几种。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述降雨灌溉模拟装置包括水箱、输水管道、流量计、阀门和花洒。
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