CN113281235A - 一种地下水人工回灌渗流模拟监测***及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种地下水人工回灌渗流模拟监测***及方法，涉及实验分析仪器技术领域。该地下水人工回灌渗流模拟监测***，包括进水箱、第一氮气袋、厌氧渗流柱、第二氮气袋、取样探头、取样器、压力传感器、压力数据采集单元和出水箱。本发明的地下水人工回灌渗流模拟监测方法，应用本发明的地下水人工回灌渗流模拟监测***，以模拟在地下厌氧环境下进行人工回灌渗流，对地下水人工回灌过程中含水层氧化还原敏感指标和孔隙水压力进行监测，表征各层含水层的氧化还原分带特征，同时，计算各含水层的渗透系数，分析人工回灌各层含水层上微生物堵塞过程。
Description
技术领域
本发明涉及地下水环境修复技术领域，具体地说是涉及一种地下水人工回灌渗流模拟监测***及方法。
背景技术
目前通过地下水人工回灌是实现对地下水补给的一种重要方式，对地下水补给可以增加地下水资源，调蓄地表水，防止或控制地面沉降，改善地下水水质，调节水温以达到地下储能的目的，改造地下咸水，建立地下淡水水力屏障阻止海水倒灌或地下咸水入侵等。通过地下水人工回灌模拟装置可以为科研工程人员分析研究回灌过程机理、解决工程技术问题提供帮助。目前的地下水人工回灌模拟装置一般为敞口开放***，不能模拟地下厌氧环境，对研究人工回灌含水层微生物堵塞过程和氧化还原分带耦合特征造成困难。
发明内容
本发明的目的在于提供一种地下水人工回灌渗流模拟监测***及方法，以模拟在地下厌氧环境下进行人工回灌渗流并实现监测分析。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术解决方案如下：
一种地下水人工回灌渗流模拟监测***，包括进水箱、第一氮气袋、厌氧渗流柱、第二氮气袋、取样探头、取样器、压力传感器、压力数据采集单元和出水箱；
厌氧渗流柱包括顶盖、底盖和柱体，柱体由若干段套筒沿竖直方向拼接为一体结构，相邻段的套筒之间可拆卸密封连接，最上方的套筒可拆卸密封连接顶盖，最下方的套筒可拆卸密封连接底盖；
柱体内自下而上填装有多层含水介质，柱体内于含水介质的上方放置第一上布水板，最上方的套筒与顶盖之间设置第二上布水板，第一上布水板与第二上布水板之间设置上支撑架，柱体内于含水介质的下方放置第一下布水板，最下方的套筒与底盖之间设置第二下布水板，第一下布水板与第二下布水板之间设置下支撑架；
柱体的圆柱侧面的一侧等间距开设多个取样孔，柱体的圆柱侧面的另一侧等间距开设多个测压孔；
柱体内等间距放置与取样孔数量相同的取样探头，取样探头位于含水介质内，取样探头经取样管路连接取样器，取样管路穿过所述取样孔；
测压孔上连接压力传感器，压力传感器经信号线缆连接压力数据采集单元；
进水箱设置为封闭箱体，进水箱连接有补水管路，补水管路上设置有第一阀门，进水箱的底部经进水管路连接厌氧渗流柱的顶盖，厌氧渗流柱的底盖经出水管路连接出水箱，进水箱的顶部经第一输气管路连接第一氮气袋，厌氧渗流柱的顶盖连接有排气管路，排气管路上设置有第二阀门，厌氧渗流柱的顶盖经第二输气管路连接第二氮气袋。
优选的，相邻段的套筒之间经法兰可拆卸密封连接，最上方的套筒经法兰可拆卸密封连接顶盖，最下方的套筒经法兰可拆卸密封连接底盖。
优选的，所述柱体内壁壁面设置为粗糙表面。
优选的，所述进水管路上设置有第一流量阀，所述出水管路上设置有第二流量阀。
优选的，第一上布水板、第二上布水板、第一下布水板和第二下布水板上均开设多个透水孔。
优选的，所述底盖设置为漏斗，所述出水管路连接漏斗的底部位置。
优选的，所述取样探头设置有亲水性多微孔滤膜。
优选的，取样管路的一端连接取样探头，取样管路的另一端经快速接头连接取样器。
优选的，所述压力数据采集单元包括压力数据采集器和计算机，多个压力传感器经信号线缆连接压力数据采集器，压力数据采集器经信号线缆连接计算机。
一种地下水人工回灌渗流模拟监测方法，应用上述的地下水人工回灌渗流模拟监测***；
所述方法包括如下步骤：
步骤一、将厌氧渗流柱的顶盖从柱体上拆卸下来，向柱体内依次分层填装多层含水介质并夯实，将柱体最上方的套筒密封连接顶盖；
步骤二、开启排气管路上的第二阀门，通过出水管路向厌氧渗流柱内充满无氧蒸馏水，将厌氧渗流柱内的空气通过排气管路排空并关闭第二阀门，通过补水管路向进水箱及进水管路充满无氧蒸馏水并关闭第一阀门；
步骤三、开启进水管路上的第一流量阀，开启出水管路上的第二流量阀，调节第一流量阀和第二流量阀至设定流量值，进水箱内的无氧蒸馏水经进水管路流入厌氧渗流柱并继续经出水管路流至出水箱，第一氮气袋向进水箱内充入氮气以补偿大气压并使进水箱内保持无氧环境，第二氮气袋向厌氧渗流柱内充入氮气以补偿大气压并使厌氧渗流柱内保持无氧环境；
步骤四、定期通过取样器采集孔隙水样，测定水样的氧化还原敏感指标，表征各层含水介质的氧化还原分带特征；
实时通过压力数据采集单元采集孔隙水压力数据，计算各层含水介质的渗透系数；
步骤五、经过设定时间，拆卸下厌氧渗流柱，封闭厌氧渗流柱两端的接头，第二氮气袋持续向厌氧渗流柱内充入氮气，使厌氧渗流柱在氮气的保护下转移至厌氧工作站，采集各层含水介质上的微生物样本并进行微生物学分析，结合各层含水介质的渗透系数，分析人工回灌各层含水介质上微生物堵塞过程。
本发明的有益技术效果是：
本发明的地下水人工回灌渗流模拟监测方法，应用本发明的地下水人工回灌渗流模拟监测***，以模拟在地下厌氧环境下进行人工回灌渗流，对地下水人工回灌过程中含水层氧化还原敏感指标和孔隙水压力进行监测，表征各层含水层的氧化还原分带特征，同时，计算各含水层的渗透系数，分析人工回灌各层含水层上微生物堵塞过程。
附图说明
图1为本发明实施例地下水人工回灌渗流模拟监测***的结构示意图；
图2为本发明实施例地下水人工回灌渗流模拟监测***中厌氧渗流柱的结构示意图；
图3为本发明实施例地下水人工回灌渗流模拟监测***中取样器等部件的结构示意图；
图4为本发明实施例地下水人工回灌渗流模拟监测***中压力数据采集单元等部件的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。本发明某些实施例于后方将参照所附附图做更全面性地描述，其中一些但并非全部的实施例将被示出。实际上，本发明的各种实施例可以许多不同形式实现，而不应被解释为限于此数所阐述的实施例；相对地，提供这些实施例使得本发明满足适用的法律要求。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“内”、“外”、“上”、“下”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
本实施例的一种地下水人工回灌渗流模拟监测***，请参考图1至图4所示。
一种地下水人工回灌渗流模拟监测***，包括进水箱1、第一氮气袋21、第二氮气袋22、厌氧渗流柱3、取样探头41、取样器42、压力传感器51、压力数据采集单元和出水箱6等。
厌氧渗流柱3包括顶盖31、底盖32和柱体，其中，柱体由三段套筒33沿竖直方向拼接为一体结构，相邻段的套筒33之间可拆卸密封连接，最上方的套筒33可拆卸密封连接顶盖31，最下方的套筒33可拆卸密封连接底盖32。具体的，相邻段的套筒33之间经法兰34可拆卸连接，最上方的套筒33经法兰34可拆卸连接顶盖31，最下方的套筒33经法兰34可拆卸连接底盖32，在法兰34的法兰盘接合处贴堵漏胶带实现密封连接。如此，使厌氧渗流柱3拆卸、组装方便。
上述套筒33由有机玻璃制成，在向柱体内分层填装多层含水介质并夯实时，便于试验操作人员透过有机玻璃进行可视化操作。在试验过程中，用遮光布将厌氧渗流柱3遮盖，以模拟地层的无光环境。套筒33的厚度为10mm、内径为150mm，三段套筒33的高度分别为350mm、400mm和350mm。
柱体(套筒33)内壁壁面设置为粗糙表面，以避免在内壁壁面产生壁效应。
柱体内自下而上填装有多层含水介质，含水介质由砂土等相似材料制成，柱体内于含水介质的上方放置第一上布水板711，最上方的套筒33与顶盖31之间的法兰34接合处设置第二上布水板712，第一上布水板711与第二上布水板712之间设置上支撑架731，柱体内于含水介质的下方放置第一下布水板721，最下方的套筒与底盖32之间的法兰34接合处设置第二下布水板722，第一下布水板721与第二下布水板722之间设置下支撑架732。第一上布水板711、第二上布水板712、第一下布水板721和第二下布水板722上均开设多个透水孔，以使水流可以穿过。
第二上布水板712和第二下布水板722装配于法兰34上，使第二上布水板712、第二下布水板722装配牢固，第二上布水板712经上支撑架731将第一上布水板711抵接于含水介质的上表面，第二下布水板722经下支撑架732将第二上布水板712抵接于含水介质的下表面。如此，通过第一上布水板711、第二上布水板712共同夹持多层含水介质，使多层含水介质能够保持形状，避免被水流冲散。第二上布水板712可以将进水管82流出的水分较均匀地散开，第二下布水板722可以实现对从多层含水介质流出水的过滤，避免流出水流携带杂物堵塞出水管路83。
柱体的圆柱侧面的左侧等间距开设十个取样孔331。柱体内等间距放置十个取样探头41，取样探头41位于含水介质内，取样探头41经取样管路43连接取样器42，取样管路43穿过取样孔331。通过取样探头41对各层含水介质进行水样采集。其中，取样探头41设置有亲水性多微孔滤膜，取样过程中，含水介质中的水经可经取样探头41进入取样器42，而避免含水介质进入，且采集的水样不需要过滤。取样管路43的一端连接取样探头41，取样管路43的另一端经快速接头连接取样器42。待取样器42取样后，将取样器42从快速接头上拆卸下来，将取样器42内的水样取出后，再将取样器42连接于快速接头上。本实施例的取样器42设置为注射器，成本较低，也便于试验操作使用。在取样器42处于非采集状态时，在取样器42的活塞柄421与挡边422之间设置阻挡件44，以保持取样器42处于非采集状态。
柱体的圆柱侧面的右侧等间距开设十个测压孔332，测压孔332上连接压力传感器51，压力传感器51经信号线缆52连接压力数据采集单元。压力数据采集单元包括压力数据采集器53和计算机54，十个压力传感器51经信号线缆52连接压力数据采集器53，压力数据采集器43经信号线缆52连接计算机54。由压力传感器51采集孔隙水压力数据上传至压力数据采集器53，再继续上传至计算机54进行计算分析。
进水箱1设置于支撑架11上，进水箱1设置为封闭箱体，进水箱1连接有补水管路81，补水管路81上设置第一阀门911，通过补水管路81向进水箱1及进水管路82充满无氧蒸馏水。进水箱1的底部经进水管路82连接厌氧渗流柱3的顶盖31，厌氧渗流柱3的底盖32经出水管路83连接出水箱6，以使进水箱1内的无氧蒸馏水流入厌氧渗流柱3并继续流至出水箱6。其中，上述底盖32设置为漏斗，出水管路83的一端连接漏斗的底部位置。进水箱1的顶部经第一输气管路84连接第一氮气袋21。在进水箱1内的水逐渐排出时，通过第一氮气袋21向进水箱1内充入氮气以补偿大气压并使进水箱1内保持无氧环境。厌氧渗流柱3的顶盖31连接排气管路85，排气管路85上设置第二阀门912。厌氧渗流柱3的顶盖31经第二输气管路86连接第二氮气袋22，在厌氧渗流柱3内的水量减少时，第二氮气袋22向厌氧渗流柱3内充入氮气以补偿大气压并使厌氧渗流柱3内保持无氧环境。
进水管路82上设置第一流量阀921，通过第一流量阀921调节至设定流量值，以调节经进水管路82进入厌氧渗流柱3的水量。出水管路83上设置第二流量阀922，通过第二流量阀922调节至设定流量值，以调节从厌氧渗流柱3经出水管路83排出的水量。
本实施例还提供一种地下水人工回灌渗流模拟监测方法，应用本实施例上述的地下水人工回灌渗流模拟监测***；
所述方法包括如下步骤：
步骤一、将厌氧渗流柱3的顶盖31从柱体上拆卸下来，向柱体内依次分层填装多层含水介质(用于模拟实际地下含水层)并夯实，夯实后的含水介质高度约为1000mm，将柱体最上方的套筒33密封连接顶盖31；
步骤二、开启排气管路85上的第二阀门912，通过出水管路83向厌氧渗流柱3内充满无氧蒸馏水，将厌氧渗流柱3内的空气通过排气管路85排空并关闭第二阀门912，通过补水管路81向进水箱1及进水管路82充满无氧蒸馏水并关闭第一阀门911；
步骤三、开启进水管路82上的第一流量阀921，开启出水管路83上的第二流量阀922，调节第一流量阀921和第二流量阀922至设定流量值，进水箱1内的无氧蒸馏水经进水管路82流入厌氧渗流柱3并继续经出水管路83流至出水箱6，第一氮气袋21向进水箱1内充入氮气以补偿大气压并使进水箱1内保持无氧环境，第二氮气袋22向厌氧渗流柱3内充入氮气以补偿大气压并使厌氧渗流柱3内保持无氧环境；
步骤四、定期通过取样器42采集孔隙水样，测定水样的氧化还原敏感指标(DO、OPR、NO3-、Fe2+、Mn2+等)，表征各层含水介质的氧化还原分带特征；
实时通过压力数据采集单元采集孔隙水压力数据，计算各层含水介质的渗透系数；
步骤五、经过设定时间，拆卸下厌氧渗流柱3，封闭厌氧渗流柱3两端的接头，第二氮气袋22持续向厌氧渗流柱3内充入氮气，使厌氧渗流柱3在氮气的保护下转移至厌氧工作站，采集各层含水介质上的微生物样本并进行微生物学分析，结合各层含水介质的渗透系数，分析人工回灌各层含水介质上微生物堵塞过程。
至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明的一种地下水人工回灌渗流模拟监测***及方法有了清楚的认识。本发明的地下水人工回灌渗流模拟监测方法，应用本发明的地下水人工回灌渗流模拟监测***，以模拟在地下厌氧环境下进行人工回灌渗流，对地下水人工回灌过程中含水层氧化还原敏感指标和孔隙水压力进行监测，表征各层含水层的氧化还原分带特征，同时，计算各含水层的渗透系数，分析人工回灌各层含水层上微生物堵塞过程。
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 (10)
1.一种地下水人工回灌渗流模拟监测***，其特征在于：包括进水箱、第一氮气袋、厌氧渗流柱、第二氮气袋、取样探头、取样器、压力传感器、压力数据采集单元和出水箱；
厌氧渗流柱包括顶盖、底盖和柱体，柱体由若干段套筒沿竖直方向拼接为一体结构，相邻段的套筒之间可拆卸密封连接，最上方的套筒可拆卸密封连接顶盖，最下方的套筒可拆卸密封连接底盖；
柱体内自下而上填装有多层含水介质，柱体内于含水介质的上方放置第一上布水板，最上方的套筒与顶盖之间设置第二上布水板，第一上布水板与第二上布水板之间设置上支撑架，柱体内于含水介质的下方放置第一下布水板，最下方的套筒与底盖之间设置第二下布水板，第一下布水板与第二下布水板之间设置下支撑架；
柱体的圆柱侧面的一侧等间距开设多个取样孔，柱体的圆柱侧面的另一侧等间距开设多个测压孔；
柱体内等间距放置与取样孔数量相同的取样探头，取样探头位于含水介质内，取样探头经取样管路连接取样器，取样管路穿过所述取样孔；
测压孔上连接压力传感器，压力传感器经信号线缆连接压力数据采集单元；
进水箱设置为封闭箱体，进水箱连接有补水管路，补水管路上设置有第一阀门，进水箱的底部经进水管路连接厌氧渗流柱的顶盖，厌氧渗流柱的底盖经出水管路连接出水箱，进水箱的顶部经第一输气管路连接第一氮气袋，厌氧渗流柱的顶盖连接有排气管路，排气管路上设置有第二阀门，厌氧渗流柱的顶盖经第二输气管路连接第二氮气袋。
2.根据权利要求1所述的一种地下水人工回灌渗流模拟监测***，其特征在于：相邻段的套筒之间经法兰可拆卸密封连接，最上方的套筒经法兰可拆卸密封连接顶盖，最下方的套筒经法兰可拆卸密封连接底盖。
3.根据权利要求1所述的一种地下水人工回灌渗流模拟监测***，其特征在于：所述柱体内壁壁面设置为粗糙表面。
4.根据权利要求1所述的一种地下水人工回灌渗流模拟监测***，其特征在于：所述进水管路上设置有第一流量阀，所述出水管路上设置有第二流量阀。
5.根据权利要求1所述的一种地下水人工回灌渗流模拟监测***，其特征在于：第一上布水板、第二上布水板、第一下布水板和第二下布水板上均开设多个透水孔。
6.根据权利要求1所述的一种地下水人工回灌渗流模拟监测***，其特征在于：所述底盖设置为漏斗，所述出水管路连接漏斗的底部位置。
7.根据权利要求1所述的一种地下水人工回灌渗流模拟监测***，其特征在于：所述取样探头设置有亲水性多微孔滤膜。
8.根据权利要求1所述的一种地下水人工回灌渗流模拟监测***，其特征在于：取样管路的一端连接取样探头，取样管路的另一端经快速接头连接取样器。
9.根据权利要求1所述的一种地下水人工回灌渗流模拟监测***，其特征在于：所述压力数据采集单元包括压力数据采集器和计算机，多个压力传感器经信号线缆连接压力数据采集器，压力数据采集器经信号线缆连接计算机。
10.一种地下水人工回灌渗流模拟监测方法，其特征在于，应用权利要求1至9任一项所述的地下水人工回灌渗流模拟监测***；
所述方法包括如下步骤：
步骤一、将厌氧渗流柱的顶盖从柱体上拆卸下来，向柱体内依次分层填装多层含水介质并夯实，将柱体最上方的套筒密封连接顶盖；
步骤二、开启排气管路上的第二阀门，通过出水管路向厌氧渗流柱内充满无氧蒸馏水，将厌氧渗流柱内的空气通过排气管路排空并关闭第二阀门，通过补水管路向进水箱及进水管路充满无氧蒸馏水并关闭第一阀门；
步骤三、开启进水管路上的第一流量阀，开启出水管路上的第二流量阀，调节第一流量阀和第二流量阀至设定流量值，进水箱内的无氧蒸馏水经进水管路流入厌氧渗流柱并继续经出水管路流至出水箱，第一氮气袋向进水箱内充入氮气以补偿大气压并使进水箱内保持无氧环境，第二氮气袋向厌氧渗流柱内充入氮气以补偿大气压并使厌氧渗流柱内保持无氧环境；
步骤四、定期通过取样器采集孔隙水样，测定水样的氧化还原敏感指标，表征各层含水介质的氧化还原分带特征；
实时通过压力数据采集单元采集孔隙水压力数据，计算各层含水介质的渗透系数；
步骤五、经过设定时间，拆卸下厌氧渗流柱，封闭厌氧渗流柱两端的接头，第二氮气袋持续向厌氧渗流柱内充入氮气，使厌氧渗流柱在氮气的保护下转移至厌氧工作站，采集各层含水介质上的微生物样本并进行微生物学分析，结合各层含水介质的渗透系数，分析人工回灌各层含水介质上微生物堵塞过程。
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