突發汙染事件下汙染物遷移的實驗模擬操作方法
2023-06-17 03:31:56 1
突發汙染事件下汙染物遷移的實驗模擬操作方法
【專利摘要】本發明涉及突發汙染事件下汙染物遷移的實驗模擬操作方法，通過採用不同特性的物質作為汙染物示蹤劑，用循環水槽模擬天然河床，控制水位、流速等關鍵因素，模擬一個汙染脈衝過程：包括汙染物進入過程和釋放過程。當河流受汙染一段時間後，部分汙染物進入河床；將上覆水中的「受汙染水體」換成去離子水，受汙染河床開始釋放汙染物。本發明通過合理換水、在進水口設阻水裝置等技術手段以及程序化的實驗設計，確保進入過程和釋放過程有效銜接，解決了汙染物在上覆水和孔隙水之間遷移的不連續問題和一致性問題，很好地把突發性汙染事件下的汙染物遷移過程在室內實驗室中模擬實現，揭示河湖底質受汙染規律以及汙染事件停止後河床中汙染遷移和釋放規律。
【專利說明】突發汙染事件下汙染物遷移的實驗模擬操作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及的是突發汙染事件下汙染物遷移的實驗模擬操作方法。屬於水利工程和環境工程領域。
【背景技術】
[0002]由於在國內外突發性汙染事件頻發，造成的環境危害也特別嚴重，特別是對河湖底質的影響巨大，然而很多研究多集中在突發性汙染事件發生後，對河湖造成的持續汙染還認識不足，特別是對河湖底質的影響巨大，上覆水汙染物濃度遷移轉化情況，忽略在河湖底質多孔介質中的遷移轉化。由於實驗操作技術的滯後，目前關於突發性汙染事件下的研究操作困難，缺乏相應的實驗設計以及操作技術，無法進一步揭示突發性汙染事件發生後，汙染雲團的在上覆水和地下水中遷移機制。
[0003]突發性汙染物事件發生後，對於汙染物在上覆水和孔隙水之間的轉換存在兩個主要的過程，即進入和釋放過程，進入與釋放聯合實驗存在兩大技術難點:不連續問題和一致性問題。進入狀態與釋放狀態在自然情況下是連續發生的，自然界河床與上覆水是一個有機整體，符合物質守恆定律，保持動態平衡，但聯合實驗不能做到連續性，不連續體現在兩方面即時間上不連續和空間上不連續。模型實驗是實際情況的抽象，為保證釋放實驗的研究可行，必須先滿足釋放條件下濃度的一致性即必須將進入狀態下表徵汙染物的濃度降低，使上覆水變成不含(或含量很低)汙染物的「清水」。
【發明內容】
[0004]發明目的:為了彌補現有技術的缺陷，把突發性汙染事件發生後，汙染物在河流系統中輸運過程模擬出來，揭示突發性事件下汙染物河湖多孔介質中遷移釋放特徵及其機理，為突發性汙染事件發生後，河湖健康管理提供必要方法和技術支持。
[0005]技術方案:為了實現上述發明目的，本發明採用的技術方案為:突發性汙染事件下汙染物遷移的實驗模擬操作方法，包括如下步驟:
[0006](一 )設置環境泥沙循環水槽及沙波，在一個循環周期內加入汙染物示蹤劑，使其充分循環；
[0007](二)達到一定時間(脈衝汙染時間)後，關閉多功能水質儀和恆溫棒，採用堵流法阻水，調整水槽坡度到水平，同時關閥停泵；
[0008](三)緩慢降低水槽溢流槽的高度，放掉水槽中「受汙染」的水，當露出進水口阻水木塊時，開閥放掉進水口和回水管道裡面「受汙染」的水，在水槽中的水面與沙波波峰相距
2?5mm時，停止降低溢流槽高度；
[0009](四)採用由預配製技術配製的去離子水(為非反應性汙染物實驗)，或一定pH的緩衝溶液(為反應性汙染物實驗)衝洗進水段、出水段和回水管道，在含沙水槽段上遊緩慢加入與水槽中預留水相同體積的去離子水，排出水庫中的水並清洗水庫；
[0010](五)向水庫中加入配好的水，開閥開泵，緩慢開啟閥門並控制加水速度，同時緩慢升高溢流槽高度到預定高度，當水槽到一定高度時關閥停泵，去掉進水口阻水裝置，開啟多功能水質儀和恆溫棒，開泵、快速開閥到預定流量，同時調整坡度到預定值；
[0011](六)按預定的時間表抽取上覆水和孔隙水濃度，保持水槽系統中的水體總量不變和pH值恆定，當上覆水的濃度達到基本平衡時停止實驗。
[0012]作為優選，所述步驟(一)中汙染物示蹤劑，包括非反應性汙染物和反應性汙染物。
[0013]作為優選，所述步驟(二 )採用堵流法:用阻水木塊和橡皮泥在進口段堵水，以防止水從進水口排出破壞沙波。
[0014]作為優選，所述步驟(三)中水槽中的水面與沙波波峰相距3mm時，停止降低溢流
槽高度。
[0015]作為優選，所述步驟(四)中用去離子水或一定pH的緩衝溶液衝洗進水段、出水段和回水管道3次，清洗水庫3遍。
[0016]作為優選，所述步驟(四)中預配製技術:對釋放實驗所需要的去離子水或一定PH的緩衝溶液進行預先配置，控制其溫度和pH值。
[0017]作為優選，所述步驟(五)中配好的水是指在實驗開始時，根據實驗設計，加熱並控制在預定溫度的去離子水或一定pH的緩衝溶液，對於反應性汙染物實驗，通過在去離子水中加入PH緩衝溶液，使pH值達到預定值。
[0018]作為優選，所述步驟(五)中加水速度控制為0.28-0.41L / S。
[0019]作為優選，所述多功能水質儀自動監測上覆水的溫度、電導、pH和鹽度，測量時間間隔為3?5分鐘。
[0020]作為優選，在實驗過程中控制坡度、水溫、pH值、水位在汙染物進入狀態和釋放狀態時相同。
[0021]針對進入狀態與釋放狀態時間不連續的問題，本發明採取了三點技術對策進行解決:
[0022]I)預配製技術。在進行進入實驗的同時，根據實驗設計，對釋放實驗所需要的去離子水進行預先配製，控制其溫度和PH值；在系統清洗完畢後，水庫所需用水進行預先配製，從而有效縮短換水時間。
[0023]2)程序化的實驗設計。由於進入狀態與釋放狀態不連續，行之有效的措施就是通過科學的程序化的實驗設計指導實驗，即通過預先考慮實驗中可能出現的問題合理確定實驗步驟，規範實驗細節，避免換水過程中不必要的時間損耗。
[0024]3)確定的控制標準。對實驗中每個規定的步驟進行明確的數字指標控制，採用科學精確的數位化指標，有助於判別每個實驗步驟的完成度，便於控制實驗進度，縮短實驗時間，同時也有利於實驗的記錄和科學分析。
[0025]針對進入狀態與釋放狀態空間不連續的問題，本發明採取了如下技術對策進行解決:
[0026]保持沙波形態不變。這是該實驗控制的關鍵條件之一，為了保持沙波形態的不變，進行了多次實驗，在反覆實踐中得到了一些規律。
[0027]a.為保持沙波形態不變，需採用堵流法。堵流法就是採用一定的技術手段及合適的材料在進口段堵水，防止水槽中的水從進口段流出破壞沙波，這對於循環水槽實驗很重要，因為它由循環水槽的特性決定即在水泵關停並降低溢流槽高度後，水槽中的水可以從進水口和出水口同時流出，若無此措施，則會破壞沙波。
[0028]b.保證其它實驗條件不變，通過儀器監測結合預配製技術控制坡度、水溫、pH值、水位在進入狀態和釋放狀態兩者相同，從而解決實驗狀態不連續問題。
[0029]通過考慮循環水槽系統的各個部分，採取最優化原則，通過衝洗、稀釋、抽取等手段分塊逐步降低汙染物的濃度到誤差允許範圍。在具體的實驗設計中，考慮了最佳的降低濃度的步驟，先抽取，再衝洗，並規定了衝洗遍數，提高了實驗精度，從而解決了實驗上覆水濃度與實際上覆水濃度的一致性。
[0030]有益效果:1)本發明不僅用去離子水或一定pH的緩衝溶液更換水槽中上覆水，同時用去離子水或一定pH的緩衝溶液對循環管路系統和水庫進行衝洗，能夠最大限度用去離子水或一定PH的緩衝溶液更換上覆水中的「受汙染水體」，更加真實地模擬突發性汙染事件，為監測汙染物在河床中遷移和釋放打下基礎。
[0031]2)本發明通過嚴密的實驗設計，在實際操作中按照設計步驟有條不紊地進行，同時還對操作順序及方法進行了優化，使得換水迅速，從而儘量保證了從進入狀態到釋放狀態的連續性，最大限度地模擬了實際情況。
[0032]3)本發明換水中不會破壞或改變原有汙染物進入狀態，保持沙波形態不變。通過控制排水最低水位(以防止沙波破壞的最低水位)，封堵進口和排水通路，用流量計控制去離子水加水速度等措施，以保證沙波形態不變，同樣維持了從進入狀態到釋放狀態實驗條件的一致。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0033]圖1為上覆水NaCl濃度隨時間變化圖；(a)進入過程；(b)釋放過程；
[0034]圖2為孔隙水濃度隨深度變化圖；其中，(a) NI排孔隙水濃度隨深度變化(進入過程)，(b) NI排孔隙水濃度隨深度變化(釋放過程)，(c) N2排孔隙水濃度隨深度變化(釋放過程)；
[0035]圖3為汙染物雲團在河床中遷移過程圖，深色表示高濃度，淺色表示低濃度。【具體實施方式】
[0036]下面結合實施例對本發明的技術方案進行詳細說明，應當指出:以下所述僅是本發明的優選實施方式，但是本發明的保護範圍不局限於實施例，對於本【技術領域】的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護範圍。
[0037]實施例
[0038]河沙從長江中採集，d50=0.30mm，孔隙率為0.33，滲透係數為8.84X l(T4m / S。在實驗開始前需要把河沙清洗乾淨，具體洗沙方法參見申請公布號CN102500458A 「一種洗沙方法及其專用裝置」。實驗所用裝置及採樣測量技術參見申請公布號CN102507140A 「環境泥沙循環水槽的實驗方法」。
[0039]環境泥沙循環水槽的實驗方法，先將洗乾淨的泥沙裝填入水槽，然後製成沙波，開啟水泵，調整水槽坡度和水位，控制水槽溫度，待水流和溫度穩定後，在水箱加入汙染物或膠體，抽取孔隙水，測量上覆水和孔隙水的汙染物或膠體濃度。在水槽的中部設置幾排垂直取樣孔，用來抽取孔隙水。在水槽的尾部安裝多功能水質儀(MPTR0LL-9500)，自動監測上覆水的溫度、電導、PH和鹽度，測量時間間隔為4分鐘。在水槽的出口部分安裝自動恆溫棒，當水溫達不到實驗預定值時，恆溫棒自動加熱；當溫度達到實驗預定值時，恆溫棒自動停止加熱，加熱的水流經過回水系混合後，進入測試段水溫的較均勻，通過調溫後，水槽的上覆水晝夜溫差較小，控制環境溫度波動對水槽實驗的影響。水流循環通過不鏽鋼泵從水庫中抽水實現，在泵的出水口安裝了不鏽鋼水閥，可以控制整個循環系統的流量，在離水閥4.5m的距離安裝了電磁流量計，用以控制去離子水加水速度。
[0040]NaCl用來做為汙染物示蹤劑，在控制水力參數(坡度、水溫、水位等)恆定後加入水槽。孔隙水抽取和稀釋後，將樣品拿到電導率儀(DDS-308A)上進行測量。平均流速和水深分別為 11- 62cm / s 和 9.31cm。
[0041]採用預配製技術，把釋放實驗所需的去離子水放到幾個300L和130L水箱、水桶中，加熱到預定的溫度；加緩衝溶液調整PH值為實驗預定值，為水庫加水備用。
[0042]突發性汙染事件下汙染物遷移的實驗模擬操作方法，包括如下步驟:
[0043](一 )按照上述方法設置環境泥沙循環水槽及沙波，在一個循環周期內加入NaCl和PH緩衝溶液，實驗時上覆水初始濃度為1.55kg / m3，河床內鹽度為0，這樣的過程持續了一個脈衝時間即3小時；
[0044]( 二 )關閉多功能水質儀和恆溫棒，進口段靠近床沙的地方用高6.5cm、寬4cm和長29.7cm的木塊和橡皮泥堵住水槽中的水，以防止開閥後水槽中的水從進口段流出破壞沙波，調整水槽坡度到水平，同時關閥停泵，儘量減小操作對汙染物遷移的影響；
[0045](三)緩慢降低水槽溢流槽的高度，當露出進水口阻水裝置時，開閥放掉進水口和回水管道裡面的水，在水槽中的水面與沙波波峰相距3_時，停止降低溢流槽高度；切記不能讓沙波露出來，因為當沙波露出來後，無論以多麼緩慢的速度加水，都會破壞沙波的形狀，通過多次實驗得出要保護沙波形狀完好且換水量最大，預留3_高的水位是最佳選擇；
[0046](四)採用由預配製技術配置配製的去離子水衝洗進水段、出水段和回水管道3次，去除這三個部分含有的汙染物，在含沙水槽段上遊緩慢加入與水槽中預留水相同體積的去離子水，這是為了減少預留水對釋放實驗的幹擾；同時用潛水泵從水庫中抽水，排出水庫中的水，再清洗水庫3遍；
[0047](五)同時用3個15L的桶向水庫中加入配好的水，開閥開泵，緩慢開啟閥並把加水速度控制在0.28-0.41L / S，同時緩慢升高溢流槽高度到預定高度，當水槽到一定高度時關閥停泵，去掉阻水木塊和橡皮泥，開啟多功能水質儀(MPTR0LL-9500)和恆溫棒，開泵、快速開閥到預定流量，同時調整坡度到預定值；
[0048](六)按預定的時間表抽取上覆水和孔隙水，上覆水從水槽的尾部抽取,每4小時加去離子水400ml，補充蒸發部分，保證水槽系統中的水體總量不變；對於金屬離子實驗，要定期查看pH, pH值偏離預定值,通過加醋酸或者醋酸鈉調整,水槽實驗持續2?4天,當上覆水的濃度達到基本平衡時停止實驗。
[0049]通過迅速操作上述步驟(二)?(五)，把「受汙染水體」更換為去離子水，以開始汙染物在河床中遷移和釋放過程的監測即步驟(六)的測量。測量抽取的樣品，對於NaCl抽完後立即就送到實驗室測量，膠體測量最多不超過12小時，金屬離子實驗結束後統一到化學實驗室測量。
[0050]實驗數據結果見圖1-3。
[0051]由圖1上覆水相對濃度的變化可知，本發明很好的支持了進入狀態和釋放狀態汙染物遷移的研究，從右圖起始時刻的點可知，換水後上覆水濃度幾乎下降為0，證明換水效果顯著，滿足釋放實驗所需要的精度要求。
[0052]圖2為N1、N2兩排測孔測到的汙染物遷移脈衝信號，從180min與207min兩幅圖可以說明，由於科學合理的程序化實驗設計，在兩狀態交界處，很好地保證了進入與釋放的連續性。
[0053]圖3可以很直觀地表徵汙染物濃度遷移的規律，從207min可以發現靠近沙波長邊段區域為淺色，即表示換水後上覆水汙染物濃度很低，不再有高濃度的汙染物進入河床，即從207min起為釋放狀態的模擬過程。該圖由該時刻實驗數據導入建立的COMSOL耦合模型並分色顯示，207min上覆水清晰地顯示接近白色，證明滿足釋放實驗精度要求，換水效果顯著。
【權利要求】
1.突發汙染事件下汙染物遷移的實驗模擬操作方法，其特徵在於，包括如下步驟: (一)設置環境泥沙循環水槽，在一個循環周期內加入汙染物示蹤劑，使其充分循環； (二)達到一定時間後，關閉多功能水質儀和恆溫棒，採用堵流法阻水，調整水槽坡度到水平，同時關閥停泵； (三)緩慢降低水槽溢流槽的高度，當露出進水口阻水裝置時，開閥放掉進水口和回水管道裡面的水，在水槽中的水面與沙波波峰相距2?5_時，停止降低溢流槽高度； (四)採用由預配製技術配製的去離子水或一定PH的緩衝溶液衝洗進水段、出水段和回水管道，在含沙水槽段上遊緩慢加入與水槽中預留水相同體積的去離子水，排出水庫中的水並清洗水庫； (五)向水庫中加入配好的水或一定PH的緩衝溶液，開閥開泵，緩慢加入，同時緩慢升高溢流槽到預定高度，當水槽到一定高度時關閥停泵，去掉進水口阻水裝置，開啟多功能水質儀和恆溫棒，開泵、快速開閥到預定流量，同時調整坡度到預定值； (六)按預定的時間表抽取上覆水和孔隙水，保持水槽系統中的水體總量不變和PH值恆定，待上覆水的濃度基本不變後停止實驗。
2.根據權利要求1所述的突發汙染事件下汙染物遷移的實驗模擬操作方法，其特徵在於:所述步驟(一)中汙染物示蹤劑，包括非反應性汙染物和反應性汙染物。
3.根據權利要求1所述的突發汙染事件下汙染物遷移的實驗模擬操作方法，其特徵在於:所述步驟(二)採用堵流法:用阻水木塊和橡皮泥在進口段堵水，以防止水從進水口排出破壞沙波。
4.根據權利要求1所述的突發汙染事件下汙染物遷移的實驗模擬操作方法，其特徵在於:所述步驟(三)中水槽中的水面與沙波波峰相距3mm時，停止降低溢流槽高度。
5.根據權利要求1所述的突發汙染事件下汙染物遷移的實驗模擬操作方法，其特徵在於:所述步驟(四)中用去離子水或一定PH的緩衝溶液衝洗進水段、出水段和回水管道3次，清洗水庫3遍。
6.根據權利要求1所述的突發汙染事件下汙染物遷移的實驗模擬操作方法，其特徵在於:所述步驟(四)中預配製技術:對釋放實驗所需要的去離子水或一定PH的緩衝溶液進行預先配置，控制其溫度和PH值。
7.根據權利要求1所述的突發汙染事件下汙染物遷移的實驗模擬操作方法，其特徵在於:所述步驟(五)中的配好的水是指在實驗開始時，根據實驗設計，加熱並控制在預定溫度的去離子水或一定pH的緩衝溶液，對於反應性汙染物實驗，通過在去離子水中加入pH緩衝溶液，使PH值達到預定值。
8.根據權利要求1所述的突發汙染事件下汙染物遷移的實驗模擬操作方法，其特徵在於:所述步驟(五)中加水速度控制為0.28-0.41L / S。
9.根據權利要求1所述的突發汙染事件下汙染物遷移的實驗模擬操作方法，其特徵在於:所述多功能水質儀自動監測上覆水的溫度、電導、PH和鹽度，測量時間間隔為3?5分鐘。
10.根據權利要求1所述的突發汙染事件下汙染物遷移的實驗模擬操作方法，其特徵在於:在實驗過程中控制坡度、水溫、pH值、水位在汙染物進入狀態和釋放狀態時相同。
【文檔編號】G01N33/18GK103743879SQ201310754366
【公開日】2014年4月23日 申請日期:2013年12月31日 優先權日:2013年12月31日
【發明者】金光球, 徐慧宇, 唐洪武, 張沛, 李凌 申請人:河海大學