CN112577856A - 一种研究人工扰动下污染物在地下水中运移规律的实验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种研究人工扰动下污染物在地下水中运移规律的实验装置，涉及污染物运移规律技术领域，包括：实验槽，用于模拟含水层和包气带；两个模拟水槽，设置于实验槽内部左右两侧，用于控制水头高度形成稳定流场；模拟水井，用于模拟抽水或注水制造人工干扰。本发明的有益效果是，通过两侧模拟水槽的位置高低以及淋水器喷淋的强度，来调整地下水流场的情况，可实现实验室内研究污染物在人工扰动地下水流场中的运移规律；在实验槽中加入模拟水井，模拟取水与回灌等人工扰动行为，能在一定程度上模拟人工干扰条件下的地下水流场变化，进而研究在人工干扰条件下污染物的运移轨迹和规律，实验可重复性和操作性强。
Description
技术领域
本发明涉及污染物运移规律技术领域，尤其涉及一种研究人工扰动下污染物在地下水中运移规律的实验装置。
背景技术
随着地表水资源的日益枯竭和经济社会的快速发展，大规模抽取地下水的情况屡见不鲜，地下水资源快速消耗极易形成了地下水漏斗，地下水侧向流动会对地下水漏斗区有明显的补给作用，严重影响地下水流场，在平原地区表现尤为明显。污水的大量回灌，会强烈影响地下水流场，污染物在变化的地下水流场中，其运移规律定会与原始地下水流场有较大区别。
目前，大多集中于利用柱实验或槽实验进行地下水流场的模拟研究，对于污染物迁移的研究也都未曾考虑人工扰动的情况，即使有布置水井等也仅作为曝气使用，因此在研究人工干扰情况下污染物在地下水中运移规律的实验室装置尚处于空白阶段。
现有的研究污染物地下水中运移或污染的地下水土壤修复的实验室装置都是在无人工干扰的条件下，中国专利(例如CN105152393B)介绍了利用模拟井等曝气装置研究了曝气条件下受污染的地下水和土壤中污染物的去除效果，但是无法进行污染物的自由注入，也无法研究污染物的运移轨迹，更不涉及人工扰动行为；中国专利(CN103994951B)介绍了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，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，但是仅为稳定流场中的研究，不涉及人工干扰条件下，也无法研究流场改变条件下污染物的运移规律；中国专利(CN104483240A、CN105300843A等)也都没有实现在有人工扰动条件下(抽水或回灌)研究污染物的迁移转化。
因此，急需开发一种能够研究人工扰动下污染物在地下水中运移规律的实验室装置。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明公开了一种研究人工扰动下污染物在地下水中运移规律的实验装置。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种研究人工扰动下污染物在地下水中运移规律的实验装置，包括：
实验槽，用于模拟含水层和包气带；
两个模拟水槽，设置于实验槽内部左右两侧，用于控制水头高度形成稳定流场；
模拟水井，用于模拟抽水或注水制造人工干扰。
作为本发明的进一步优选，所述实验槽为阶梯形结构，且在实验槽底部的左侧、右侧分别设置一个出水开关。
作为本发明的进一步优选，所述实验槽内设置一个模拟水井，模拟水井的底部四周均匀开设若干个开孔。
作为本发明的进一步优选，模拟水井采用PVC-U材质制成，模拟水井底部开孔的孔径小于含水层石英砂的粒径。
作为本发明的进一步优选，在所述实验槽的侧壁上还开设有多个污染物注入孔，污染物注入孔包括套接的玻璃管和橡胶套。
作为本发明的进一步优选，所述实验槽的正上方还安装有淋水器，淋水器与外部水管相连接。
作为本发明的进一步优选，所述淋水器上均匀开设若干个喷淋孔。
作为本发明的进一步优选，两个模拟水槽的一侧均与实验槽相连通，相连通处还设置有多孔板或紊流器。
作为本发明的进一步优选，两个所述模拟水槽的外部分别设置一个泵水用的蠕动泵，所述模拟水井的外部还设置一注水或排水用的水泵。
作为本发明的进一步优选，所述实验槽中的模拟含水层选用粒径适宜的石英砂填充。
本发明的有益效果是，
1、通过两侧模拟水槽的位置高低以及淋水器喷淋的强度，调整地下水流场的情况，弥补了现有实验装置不能模拟人工扰动条件下的地下水流场的空缺，可实现实验室内研究污染物在人工扰动地下水流场中的运移规律；
2、在模拟地下水的实验槽中加入模拟水井，并通过抽水或注水的方式，模拟取水与回灌等人工扰动行为，并可以通过调节流速等改变人工干扰的强度与持久度，能在一定程度上模拟人工干扰条件下的地下水流场变化，进而研究在人工干扰条件下污染物的运移轨迹和规律，实验可重复性和操作性强，具有较好的应用前景。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为本发明中淋水器结构示意图；
图3为本发明中污染物注入孔结构示意图
其中，1、模拟水槽；2、多孔板；3、实验槽；4、污染物注入孔；5、出水开关；6、蠕动泵；7、模拟水井；8、淋水器；9、橡胶套；10、玻璃管；11、注射器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，一种研究人工扰动下污染物在地下水中运移规律的实验装置，包括：
实验槽3，用于模拟含水层和包气带；
两个模拟水槽1，设置于实验槽3内部左右两侧，用于控制水头高度形成稳定流场；
模拟水井7，用于模拟抽水或注水制造人工干扰。
特别的，上述实验槽3为阶梯形结构，且在实验槽3底部的左侧、右侧分别设置一个出水开关5，可将排出模拟水槽1的水进行收集并循环使用。
特别的，上述实验槽3内设置一个模拟水井7，模拟水井7的底部四周均匀开设若干个开孔，便于从模拟水井7的顶部向实验槽3中注入水。
特别的，模拟水井7采用PVC-U材质制成，模拟水井7底部开孔的孔径小于含水层石英砂的粒径，以防石英砂从开孔处进入到模拟水井7中。
特别的，在上述实验槽3的侧壁上还开设有多个污染物注入孔4，如图3所示，污染物注入孔4包括套接的玻璃管和橡胶套，可用于向模拟水槽1中注入污染物。
特别的，上述实验槽3的正上方还安装有淋水器8，淋水器8与外部水管相连接，用于增加降水条件，改变降水强度。
特别的，上述淋水器8上均匀开设若干个喷淋孔，喷淋孔用于向模拟水槽1均匀喷洒水。
特别的，两个模拟水槽1的一侧均与实验槽3相连通，相连通处还设置有多孔板2或紊流器。
特别的，两个上述模拟水槽1的外部分别设置一个泵水用的蠕动泵6，上述模拟水井7的外部还设置一注水或排水用的水泵。
特别的，上述实验槽3中的模拟含水层选用粒径适宜的石英砂填充。
该实验装置实验过程：
将经酸洗、碱洗过的石英砂填充于实验槽3中，均匀铺到实验槽3的底层，作为孔隙度良好的含水层，填充一定厚度后在上方填充一定厚度的砂质土，完成模拟含水层和包气带，装填时需要适当抖动，保证填充均匀；填砂过程中，将模拟水井7置于合适的位置，其周围可用石英砂等填充物进行包裹和固定；启动外部的两个蠕动泵6向模拟水槽1中注水，超过水槽界面的水会直接溢出并排出，也可打开出水开关5，将排出的水收集并循环使用；此时若有需要，可打开淋水器8，并根据需要模拟一定强度的降水；持续3h后，等待流场基本稳定后，将与模拟水井7连通的水泵打开，以一定流速模拟抽水或注水的人工干扰，等待30min稳定后，再将污染物用注射器11经污染物注入孔4向实验槽3中注入，若只需定性判断则可将污染物染色，观察污染物的流向；若需定量，则可从污染物注入口取样分析。
实施例1：
一种研究人工扰动下污染物在地下水中运移规律的实验装置，包括：
实验槽3，用于模拟含水层和包气带；上述实验槽3为阶梯形结构，且在实验槽3底部的左侧、右侧分别设置一个出水开关5，可将排出模拟水槽1的水进行收集并循环使用；上述实验槽3内设置一个模拟水井7，模拟水井7的底部四周均匀开设若干个开孔；在上述实验槽3的侧壁上还开设有多个污染物注入孔4，可用于向模拟水槽1中注入污染物；上述实验槽3的正上方还安装有淋水器8，淋水器8与外部水管相连接，用于增加降水条件，改变降水强度；上述淋水器8上均匀开设若干个喷淋孔，喷淋孔用于向模拟水槽1均匀喷洒水；
两个模拟水槽1，设置于实验槽3内部左右两侧，用于控制水头高度形成稳定流场；两个模拟水槽1的一侧均与实验槽3相连通，相连通处还设置有多孔板2；两个上述模拟水槽1的外部分别设置一个泵水用的蠕动泵6，上述模拟水井7的外部还设置一注水或排水用的水泵；上述实验槽3中的模拟含水层选用粒径适宜的石英砂填充。
模拟水井7，用于模拟抽水或注水制造人工干扰；模拟水井7采用PVC-U材质制成，模拟水井7底部开孔的孔径小于含水层石英砂的粒径。
将粒径为200nm的石英砂进行酸洗、碱洗，过夜后烘干，将石英砂均匀平铺到实验槽3中，装填时适当抖动，保证填充均匀，将底部四周开孔的模拟水井7放在实验槽3中，周围用石英砂等填充物包裹固定，再在石英砂上方放置一层6cm左右厚度的土壤层。启动两个蠕动泵6，调节两侧模拟水槽1的高度，使二者水头差为10cm，固定水槽高度后，持续3h体系形成稳定的流场；为增加降水条件下的模拟，调节淋水器8的大小为10mm/d；打开与模拟水井7相连的水泵，以0.1mL/min的流速模拟回灌的人工干扰，保持该速度3h后流场稳定；将染色后的正己烷污染物溶液最下方的污染物注入孔4注入实验槽3中，定性观察污染物的运移。
实施例2
一种研究人工扰动下污染物在地下水中运移规律的实验装置，包括：
实验槽3，用于模拟含水层和包气带；上述实验槽3为阶梯形结构，且在实验槽3底部的左侧、右侧分别设置一个出水开关5，可将排出模拟水槽1的水进行收集并循环使用；上述实验槽3内设置一个模拟水井7，模拟水井7的底部四周均匀开设若干个开孔；在上述实验槽3的侧壁上还开设有多个污染物注入孔4，可用于向模拟水槽1中注入污染物；上述实验槽3的正上方还安装有淋水器8，淋水器8与外部水管相连接，用于增加降水条件，改变降水强度；上述淋水器8上均匀开设若干个喷淋孔，喷淋孔用于向模拟水槽1均匀喷洒水；
两个模拟水槽1，设置于实验槽3内部左右两侧，用于控制水头高度形成稳定流场；两个模拟水槽1的一侧均与实验槽3相连通，相连通处还设置有紊流器；两个上述模拟水槽1的外部分别设置一个泵水用的蠕动泵6，上述模拟水井7的外部还设置一注水或排水用的水泵；上述实验槽3中的模拟含水层选用粒径适宜的石英砂填充。
模拟水井7，用于模拟抽水或注水制造人工干扰；模拟水井7采用PVC-U材质制成，模拟水井7底部开孔的孔径小于含水层石英砂的粒径。
将粒径为300nm的石英砂进行酸洗、碱洗，过夜后烘干，将石英砂均匀平铺到实验槽3中，装填时适当抖动，保证填充均匀，将底部四周开孔的模拟水井7放在实验槽3中，周围用石英砂等填充物包裹固定，再在石英砂上方放置一层3cm左右厚度的土壤层。启动两个蠕动泵6，调节两侧模拟水槽1的高度，使二者水头差为3cm，固定水槽高度后，持续3h体系形成稳定的流场；打开与模拟水井7相连的水泵，以0.1mL/min的流速模拟回灌的人工干扰，保持该速度3h后流场稳定；将染色后的正己烷污染物溶液从最上方的污染物注入孔4注入实验槽3中，定性观察污染物的运移。
实施例3
一种研究人工扰动下污染物在地下水中运移规律的实验装置，包括：
实验槽3，用于模拟含水层和包气带；上述实验槽3为阶梯形结构，且在实验槽3底部的左侧、右侧分别设置一个出水开关5，可将排出模拟水槽1的水进行收集并循环使用；上述实验槽3内设置一个模拟水井7，模拟水井7的底部四周均匀开设若干个开孔；在上述实验槽3的侧壁上还开设有多个污染物注入孔4，可用于向模拟水槽1中注入污染物；上述实验槽3的正上方还安装有淋水器8，淋水器8与外部水管相连接，用于增加降水条件，改变降水强度；上述淋水器8上均匀开设若干个喷淋孔，喷淋孔用于向模拟水槽1均匀喷洒水；
两个模拟水槽1，设置于实验槽3内部左右两侧，用于控制水头高度形成稳定流场；两个模拟水槽1的一侧均与实验槽3相连通，相连通处还设置有多孔板2；两个上述模拟水槽1的外部分别设置一个泵水用的蠕动泵6，上述模拟水井7的外部还设置一注水或排水用的水泵；上述实验槽3中的模拟含水层选用粒径适宜的石英砂填充。
模拟水井7，用于模拟抽水或注水制造人工干扰；模拟水井7采用PVC-U材质制成，模拟水井7底部开孔的孔径小于含水层石英砂的粒径。
将粒径为250nm的石英砂进行酸洗、碱洗，过夜后烘干，将石英砂均匀平铺到实验槽3中，装填时适当抖动，保证填充均匀，将底部四周开孔的模拟水井7放在实验槽3中，周围用石英砂等填充物包裹固定，再在石英砂上方放置一层4cm左右厚度的土壤层。启动两个蠕动泵6，调节两侧模拟水槽1的高度，使二者水头差为6cm，固定水槽高度后，持续3h体系形成稳定的流场；为增加降水条件下的模拟，调节淋水器8的大小为20mm/d；打开与模拟水井7相连的水泵，以0.2mL/min的流速模拟回灌的人工干扰，保持该速度3h后流场稳定；将染色后的正己烷污染物溶液从中间位置的污染物注入孔4注入实验槽3中，定性观察污染物的运移。
本发明能够模拟在人工扰动条件下地下水流场变化，以及随之引起的地下水中污染物运移规律变化研究，通过利用粒径大小适宜的酸洗、碱洗后的石英砂进行含水层的模拟，酸洗、碱洗减少石英砂表面的细粉尘以及成分不清的杂质，作为孔隙度良好的含水层，上方根据实验目的铺设同粒径石英砂或原状土壤，模拟含水层到包气带的实际条件，然后通过调节两边模拟水槽1的高度变化模拟地下水不同流场，并通过水泵改变模拟水井7的水位来模拟人工扰动条件下的地下水流场，再通过淋水器8的淋水速度模拟不同程度降水，改变了研究现状中单一简单的地下水流场环境，并且污染物可从模拟含水层进入也可从模拟包气带位置处进入实验槽3中，可模拟多种情况下污染物的运移规律。
在模拟地下水的实验槽3中加入模拟水井7，并通过抽水或注水的方式，模拟取水与回灌过程，并可以通过调节流速等改变人工干扰的强度与持久度，能在一定程度上模拟人工干扰条件下的地下水流场变化，进而研究在人工干扰条件下污染物的运移轨迹和规律，实验可重复性和操作性强，具有较好的应用前景。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种研究人工扰动下污染物在地下水中运移规律的实验装置，其特征在于，包括：
实验槽，用于模拟含水层和包气带；
两个模拟水槽，设置于实验槽内部左右两侧，用于控制水头高度形成稳定流场；
模拟水井，用于模拟抽水或注水制造人工干扰。
2.如权利要求1所述的一种研究人工扰动下污染物在地下水中运移规律的实验装置，其特征在于，所述实验槽为阶梯形结构，且在实验槽底部的左侧、右侧分别设置一个出水开关。
3.如权利要求2所述的一种研究人工扰动下污染物在地下水中运移规律的实验装置，其特征在于，所述实验槽内设置一个模拟水井，模拟水井的底部四周均匀开设若干个开孔。
4.如权利要求3所述的一种研究人工扰动下污染物在地下水中运移规律的实验装置，其特征在于，模拟水井采用PVC-U材质制成，模拟水井底部开孔的孔径小于含水层石英砂的粒径。
5.如权利要求3所述的一种研究人工扰动下污染物在地下水中运移规律的实验装置，其特征在于，在所述实验槽的侧壁上还开设有多个污染物注入孔，污染物注入孔包括套接的玻璃管和橡胶套。
6.如权利要求5所述的一种研究人工扰动下污染物在地下水中运移规律的实验装置，其特征在于，所述实验槽的正上方还安装有淋水器，淋水器与外部水管相连接。
7.如权利要求6所述的一种研究人工扰动下污染物在地下水中运移规律的实验装置，其特征在于，所述淋水器上均匀开设若干个喷淋孔。
8.如权利要求1所述的一种研究人工扰动下污染物在地下水中运移规律的实验装置，其特征在于，两个模拟水槽的一侧均与实验槽相连通，相连通处还设置有多孔板或紊流器。
9.如权利要求8所述的一种研究人工扰动下污染物在地下水中运移规律的实验装置，其特征在于，两个所述模拟水槽的外部分别设置一个泵水用的蠕动泵，所述模拟水井的外部还设置一注水或排水用的水泵。
10.如权利要求6所述的一种研究人工扰动下污染物在地下水中运移规律的实验装置，其特征在于，所述实验槽中的模拟含水层选用粒径适宜的石英砂填充，模拟包气带使用粒径更大一级的石英砂填充。
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