越流條件下地下水污染物遷移的模擬裝置及使用方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明涉及地下水污染模擬儀器設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]伴隨著工業(yè)化和城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加速，地表水和地下水污染趨勢(shì)不斷加重。淺層地下水因水質(zhì)惡化而開采強(qiáng)度降低，深層地下水因水質(zhì)較好而開采強(qiáng)度不斷增加；淺層與深層地下水水頭不斷加大，進(jìn)而使已污染的淺層地下水越流補(bǔ)給深層水，導(dǎo)致深層地下水水質(zhì)惡化。
[0003]弱透水層是淺層與深層含水層連接的紐帶，起傳導(dǎo)水壓力和傳輸溶質(zhì)組分功能。弱透水層介質(zhì)顆粒小、微孔隙多，地下水主要以結(jié)合水的形式存在，常處于弱還原環(huán)境。因此，弱透水層中水分運(yùn)移特征與污染物的迀移動(dòng)力學(xué)規(guī)律同含水層存在顯著差異。土柱模型作為污染物迀移動(dòng)力學(xué)問(wèn)題的重要研究方法，已得到普遍關(guān)注和廣泛應(yīng)用，并涌現(xiàn)了一大批土柱實(shí)驗(yàn)裝置。例如，李培軍等人設(shè)計(jì)的“一種分析污染物在不同介質(zhì)中迀移的裝置”，連接馬氏瓶后可以模擬等水頭的穩(wěn)定下滲;王敏健等設(shè)計(jì)的“一種研究污染物在土壤中迀移和轉(zhuǎn)化的方法與裝置”可以研究土壤中污染物的揮發(fā)、滲濾和降解，為非飽和土柱實(shí)驗(yàn)；馬傳明等人設(shè)計(jì)的“溫控-壓控地下水越流污染模擬系統(tǒng)”可以用來(lái)恒定溫度和壓力，其中壓力通過(guò)增壓栗控制從而實(shí)現(xiàn)物理模擬越流系統(tǒng)。
[0004]以往的研究中反映出目前的土柱模型存在如下幾個(gè)缺陷:其一，現(xiàn)階段使用的土柱裝置大多設(shè)計(jì)為非飽和或者低承壓的水力條件，無(wú)法模擬地下水越流條件下污染物的迀移動(dòng)力學(xué)規(guī)律;其二，僅有的幾個(gè)高壓土柱卻沒(méi)有考慮化學(xué)環(huán)境，如弱透水層中地下水多處于還原環(huán)境，若用增壓栗增壓則會(huì)產(chǎn)生氧化環(huán)境，并導(dǎo)致氧化還原敏感的污染物(如NH4+、S042—等)在弱透水層中的迀移轉(zhuǎn)化與地下實(shí)際情況相悖。目前的裝置均無(wú)法實(shí)現(xiàn)化學(xué)場(chǎng)-物理場(chǎng)耦合的試驗(yàn)?zāi)M，而只能針對(duì)單場(chǎng)(僅考慮壓力、水化學(xué))進(jìn)行試驗(yàn)?zāi)M。
[0005]因此，如何研發(fā)一種更加接近越流補(bǔ)給時(shí)的實(shí)際情況、提供越流補(bǔ)給的高水頭差和弱透水層的還原環(huán)境、并能夠精確、方便地調(diào)節(jié)壓力水頭的污染物迀移模擬裝置，并避免氧化還原敏感的污染物在實(shí)驗(yàn)?zāi)M時(shí)發(fā)生與實(shí)際情況相悖的形態(tài)轉(zhuǎn)化，是本領(lǐng)域技術(shù)人員亟需解決的技術(shù)問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題，是提供一種越流條件下地下水污染物迀移的模擬裝置及其使用方法，其試驗(yàn)環(huán)境更接近實(shí)際情況，提供了越流補(bǔ)給的高水頭差和弱透水層的還原環(huán)境，能夠精確、方便地調(diào)節(jié)壓力水頭，并避免氧化還原敏感的污染物在實(shí)驗(yàn)?zāi)M時(shí)發(fā)生與實(shí)際情況相悖的形態(tài)轉(zhuǎn)化，使試驗(yàn)數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確、可靠。
[0007]為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明所采取的技術(shù)方案是:
越流條件下地下水污染物迀移的模擬裝置，包括依次順序連接的供壓?jiǎn)卧?、供水單元、土柱單元和接樣單元? 所述供壓?jiǎn)卧ǔ隹谠O(shè)有減壓閥的壓力氣瓶，所述供水單元包括一個(gè)內(nèi)部裝有模擬污染地下水的可承壓的密閉有機(jī)玻璃柱I，所述有機(jī)玻璃柱I上端通過(guò)導(dǎo)管與減壓閥連接，所述土柱單元包括一個(gè)可承壓的密閉有機(jī)玻璃柱Π，有機(jī)玻璃柱Π內(nèi)設(shè)有模擬土柱即模擬沉積物介質(zhì)(包含上下含水層和中部弱透水層)，所述有機(jī)玻璃柱I的底端通過(guò)導(dǎo)管與有機(jī)玻璃柱Π的頂端連通，所述接樣單元包括穩(wěn)水箱和標(biāo)有刻度的取樣器，所述有機(jī)玻璃柱Π的底端通過(guò)導(dǎo)管與穩(wěn)水箱底端連通，所述穩(wěn)水箱通過(guò)導(dǎo)管與取樣器連通。
[0008]作為優(yōu)選，所述壓力氣瓶為高純氬氣瓶，氬氣純度299.999%O
[0009]作為優(yōu)選，所述模擬土柱從上至下依次為石英砂層1、粘性土層和石英砂層Π，土柱中每?jī)煞N介質(zhì)間設(shè)有尼龍紗布，所述石英砂層Π底部與出水口之間也設(shè)有尼龍紗布，尼龍紗布孔徑密度為50至500目。
[0010]作為優(yōu)選，所述有機(jī)玻璃柱I和有機(jī)玻璃柱Π均包括柱體、位于柱體頂部的緊固件
1、篩網(wǎng)濾膜槽板和位于柱體底部的緊固件Π，篩網(wǎng)濾膜槽板位于柱體內(nèi)的土柱上部，緊固件I與緊固件Π分別與柱體通過(guò)墊圈及螺母固定。
[0011]作為優(yōu)選，所述柱體高100cm，內(nèi)徑10cm，柱體自下而上均標(biāo)有刻度，精度為1mm，篩網(wǎng)濾膜槽板孔徑為500目。
[0012]作為優(yōu)選，所述導(dǎo)管為聚四氟乙烯管。
[0013]作為優(yōu)選，所述減壓閥與有機(jī)玻璃柱I之間的導(dǎo)管內(nèi)設(shè)有不銹鋼內(nèi)襯管，減壓閥的接頭內(nèi)設(shè)有卡槽，內(nèi)孔3mm，螺紋連接，導(dǎo)管與有機(jī)玻璃柱I連接處通過(guò)錐形膠塞堵頭密封。
[0014]作為優(yōu)選，所述有機(jī)玻璃柱I和有機(jī)玻璃柱Π底部均設(shè)有三角支架。
[0015]作為優(yōu)選，所述穩(wěn)水箱由聚丙烯離心管制成，容積為1ml，內(nèi)徑為1mm，穩(wěn)水箱入水口在底部，出口位于穩(wěn)水箱側(cè)部二分之一處。
[0016]越流條件下地下水污染物迀移的模擬裝置的使用方法，具體步驟如下:
第一步，粘性土經(jīng)風(fēng)干研磨后過(guò)多孔篩，并按原狀土的容重裝入有機(jī)玻璃柱Π中，在粘性土的頂層和底層鋪設(shè)石英砂，填裝時(shí)采用分層填裝法，每Icm—層，每層填完用壓實(shí)器壓實(shí)，把土層表面抓毛，再填下一層，以避免實(shí)驗(yàn)過(guò)程中模擬土柱出現(xiàn)斷層現(xiàn)象；
第二步，從有機(jī)玻璃柱Π下端注入去離子水，以驅(qū)除模擬土柱中氣泡，保證實(shí)驗(yàn)過(guò)程中模擬土柱處于飽水狀態(tài)，等到模擬土柱頂端出現(xiàn)水層時(shí)，即模擬土柱達(dá)到飽水狀態(tài)；
第三步，飽水后，將有機(jī)玻璃柱Π與有機(jī)玻璃柱1、壓力氣瓶順序連接，調(diào)節(jié)減壓閥的出口壓力到試驗(yàn)設(shè)定的數(shù)值，用模擬污染地下水在頂端滲透，每2h取一次樣，可用于后續(xù)水化學(xué)分析，同時(shí)記錄出流液的流量、體積。
[0017]采用上述技術(shù)方案所產(chǎn)生的有益效果在于:本發(fā)明一是利用壓力氣瓶加壓，通過(guò)減壓閥控制開關(guān)調(diào)節(jié)試驗(yàn)所需的壓力水頭，既避免通過(guò)馬氏瓶模擬的水頭差范圍較小的局限性，又避免了增壓栗加壓對(duì)化學(xué)環(huán)境的擾動(dòng)，其試驗(yàn)環(huán)境更接近實(shí)際情況，提供了越流補(bǔ)給的高水頭差和弱透水層的還原環(huán)境，能夠精確、方便地調(diào)節(jié)壓力水頭，使試驗(yàn)數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確、可靠，并避免氧化還原敏感的污染物在實(shí)驗(yàn)?zāi)M時(shí)發(fā)生與實(shí)際情況相悖的形態(tài)轉(zhuǎn)化;二是本發(fā)明提供的系統(tǒng)中各個(gè)單元既是相互有機(jī)結(jié)合的一個(gè)整體，同時(shí)各單元之間又可靈活拆卸，組裝方便，各個(gè)單元簡(jiǎn)單易得，為實(shí)驗(yàn)室常見(jiàn)材料。
【附圖說(shuō)明】
[0018]圖1為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)不意圖；
圖2為減壓閥與導(dǎo)管連接處的接頭結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3為本發(fā)明的工作原理框圖；
各圖號(hào)名稱為:I一壓力氣瓶，2—減壓閥，3—接頭，4一導(dǎo)管，5—緊固件I，6—篩網(wǎng)濾膜槽板，7—柱體，8—緊固件Π，9一尼龍紗布，10—三角支架，11一穩(wěn)水箱，12—取樣器，13—有機(jī)玻璃柱I，14一有機(jī)玻璃柱Π，15—內(nèi)襯管，16—錐形膠塞堵頭，17—螺母。
【具體實(shí)施方式】
[0019]下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。
[0020]如圖1所示，本發(fā)明包括依次順序連接的供壓?jiǎn)卧⒐┧畣卧?、土柱單元和接樣單?所述供壓?jiǎn)卧ǔ隹谠O(shè)有減壓閥2的提供壓力和還原環(huán)境的壓力氣瓶I，所述減壓閥2將進(jìn)口壓力減至設(shè)定的出口壓力并保持穩(wěn)定，所述壓力氣瓶I優(yōu)選為高純氬氣瓶，氬氣純度2 99.999%;所述供水單元包括一個(gè)內(nèi)部裝有地下水污染模擬液、可承壓的、密閉有機(jī)玻璃柱113，所述有機(jī)玻璃柱113上端通過(guò)導(dǎo)管與減壓閥2連接;所述土柱單元包括一個(gè)可承壓的密閉有機(jī)玻璃柱Π 14，有機(jī)玻璃柱Π 14的頂部和底部填裝含水層沉積物，中部填裝弱透水層沉積物介質(zhì)(即模擬沉積物介質(zhì))，所述模擬土柱從上至下依次為石英砂層1(模擬含水層沉積物)、粘性土層(模擬弱透水層沉積物)和石英砂層Π(模擬含水層沉積物)，土柱中每?jī)煞N介質(zhì)間設(shè)有尼龍紗布9，避免頂部石英砂層I滲漏進(jìn)入中部的粘性土層，同時(shí)防止粘性土層中的土散落到底部的石英砂層Π中，所述石英砂層Π底部與出水口之間也設(shè)有尼龍紗布，最底層的尼龍紗布9則對(duì)出水進(jìn)行過(guò)濾，避免將顆粒物帶出模擬土柱，所述尼龍紗布孔徑密度為50至500目(根據(jù)介質(zhì)粒徑的大小選擇合適的目數(shù))，所述有機(jī)玻璃柱113的底端通過(guò)導(dǎo)管4與有機(jī)玻璃柱Π 14的頂端連通，所述有機(jī)玻璃柱113和所述有機(jī)玻璃柱Π 14自下而上均標(biāo)有刻度，精度為Imm;所述接樣單元包括穩(wěn)水箱11和標(biāo)有刻度的取樣器12，優(yōu)選的，所述穩(wěn)水箱11由聚丙烯離心管制成，容積為1ml，內(nèi)徑為1mm，穩(wěn)水箱11入水口在底部，出口位于穩(wěn)水箱11側(cè)部二分之一處，可以防止空氣進(jìn)入模擬土柱中的介質(zhì)的孔隙中，避免堵塞地下水的運(yùn)移通道，所述有機(jī)玻璃柱Π 14的底端通過(guò)導(dǎo)管4與穩(wěn)水箱11底端連通，所述穩(wěn)水箱11通過(guò)導(dǎo)管4與取樣器12連通，所述取樣器12優(yōu)選的采用量筒，量筒為玻璃材質(zhì)，可以準(zhǔn)確讀出流出液的體積;上述的導(dǎo)管4均采用聚四氟乙烯管。
[0021 ] 本