環境汙染物在地下水不同含水層中遷移轉化的模擬裝置製造方法
2023-05-07 14:47:31
環境汙染物在地下水不同含水層中遷移轉化的模擬裝置製造方法
【專利摘要】一種環境汙染物在地下水不同含水層中遷移轉化的模擬裝置，包括蓄水裝置、上遊水頭調節裝置、含水層模擬裝置、樣品投放裝置、抽注水井裝置和下遊水頭調節裝置。本發明的優點是：該裝置可以模擬飽水帶中的承壓水含水層、潛水含水層，也可以模擬飽氣帶中毛細水帶等；可以根據所模擬含水層性質的需要靈活多變的設置含水層的性質；通過對滲流場，水力壓力場、水化學場的監測，用物理模擬的方式研究納米顆粒等新型環境汙染物在地下水含水層中的遷移轉化規律。
【專利說明】環境汙染物在地下水不同含水層中遷移轉化的模擬裝置
【技術領域】
[0001]本發明涉及環境汙染物對地下水汙染的研究，特別是一種環境汙染物在地下水不同含水層中遷移轉化的模擬裝置。
【背景技術】
[0002]在上世紀末，碳和一些金屬氧化物納米材料陸續被人們發現，人類從此進入了納米時代。隨著納米材料的大量運用，例如氧化石墨烯、富勒烯納米顆粒等新材料在生活的各個方面都得到了大量的應用。因此大規模生產和應用導致其進入環境中，尤其當人們合成出改性後的納米材料，其具有良好的分散性能因而能夠穿透地表土壤層進入地下水含水系統中對地下水進行汙染。納米材料逐漸演變成對地下水環境造成潛在威脅的環境汙染物。
[0003]這類環境汙染物是近些年才出現的汙染物，它在自然界中的含量低，並不是很普遍。但是隨著工農業的發展，這些環境汙染物的環境汙染效應必然會凸顯。目前人們對它的了解處於初始階段，所以為了系統的研究其在地下水環境中的行為，必須考慮在不同的含水條件、不同的水化學場、水力壓力場等因素的影響。本發明結合上述所需考慮的方面，能夠有效的揭示這類環境汙染物的遷移規律。
[0004]納米顆粒等環境汙染物對地下水汙染的研究迫在眉睫，其中這類環境汙染物在地下水含水層中的遷移和轉化規律是解決地下水汙染問題的先決條件。室內物理模擬研究能夠控制地下水含水系統的水力條件和含水層性質，如設置水頭高度、多孔介質性質、流動相的水化學條件等變量。能夠模擬出在不同條件下環境汙染物在地下水不同含水層中的遷移過程，從而得出相關的結論。
【發明內容】
[0005]本發明目的在於針對上述存在問題，提供一種環境汙染物在地下水不同含水層中遷移轉化的模擬裝置，該裝置可以模擬不同地下水含水層滲流場、地下水水化學場等不同外界環境條件，研究不同環境條件下，汙染物遷移轉化的規律。
[0006]本發明的技術方案:
一種環境汙染物在地下水不同含水層中遷移轉化的模擬裝置，包括蓄水裝置、上遊水頭調節裝置、含水層模擬裝置、樣品投放裝置、抽注水井裝置和下遊水頭調節裝置，蓄水裝置包括抽水泵和水箱，抽水泵進口通過水管與水箱連接；上遊水頭調節裝置，由蓄水盒和螺旋杆組成並通過螺紋連接，通過螺旋杆的旋轉調節蓄水盒的高度，螺旋杆支撐於鐵架臺上，蓄水盒內設有隔板並將蓄水盒分隔為前蓄水盒和後蓄水盒，前蓄水盒和後蓄水盒底部分別設有前出水口、後出水口，前出水口通過矽膠管與水箱連接，後出水口通過矽膠管與含水層模擬裝置的箱體連接，抽水泵出口通過水管與後蓄水盒連接；含水層模擬裝置為帶有頂蓋的有機玻璃箱體並固定於底座上，箱體內垂直固定有兩塊包覆有200目紗網的多孔有機玻璃板將箱體分隔為上遊水槽、滲流槽和下遊水槽，上遊水槽底部設有進水口，下遊水槽底部設有出水口，箱體側壁上設有35個取樣孔並通過設置有於側壁上的35個取樣孔直通銅管固定，其中縱向設有間距相同的五列取樣孔，每列橫向設有間距相同的七個取樣孔，每個取樣孔直通銅管的外端連接有銅質寶塔和矽膠管，直通銅管的外端與銅質寶塔之間設有200目緻密紗網並利用矽膠墊片密封，矽膠管上設有止水夾；箱體頂蓋上固定有七個測壓探頭並通過導線與水力壓力監測儀連接構成水壓監測裝置，其中兩個測壓探頭分別位於上遊水槽和下遊水槽部分，五個測壓探頭別位於滲流槽部分並分別與五列取樣孔對應，下遊水槽的外壁上固定有四個電極直通銅管，PH電極、電導電極、溶氧電極和氧化還原電位電極分別穿過電極直通銅管並利用矽膠墊片密封，PH電極、電導電極、溶氧電極和氧化還原電位電極分別通過導線與監測表連接構成水化學場監測裝置；樣品投放裝置包括注射器泵、注射器、直通閥和多孔陶瓷頭，注射器泵與注射器連接，直通閥設於注射器的出口並通過四氟乙烯管、有機玻璃管和矽膠管與多孔陶瓷頭連接，其中矽膠管和多孔陶瓷頭伸入含水層模擬裝置的箱體內；抽注水井裝置包括抽注水泵和模擬水井管並通過管道連接，模擬水井管垂直設於含水層模擬裝置的箱體內，模擬水井管管壁均布滲水孔，通過用膠帶封堵滲水孔調節井滲水層的厚度；下遊水頭調節裝置與上遊水頭調節裝置結構基本相同，但隔板兩邊的蓄水盒底部分別設有輸水口和排水口，其中蓄水盒的輸水口通過矽膠管與含水層模擬裝置的箱體底部出水口連接。
[0007]本發明的優點是:該裝置可以模擬飽水帶中的承壓水含水層、潛水含水層，也可以模擬包氣帶中毛細水帶等；可以根據所模擬含水層性質的需要靈活多變的設置含水層的性質；通過對滲流場，水力壓力場、水化學場的監測，用物理模擬的方式揭示納米顆粒等類型環境汙染物在地下水含水層中的遷移轉化規律。
[0008]【專利附圖】
【附圖說明】
圖1為該模擬裝置結構示意圖。
[0009]圖2為該模擬裝置中樣品投放裝置部分放大示意圖。
[0010]圖3為該模擬裝置中水力壓力監測裝置部分放大示意圖。
[0011]圖4為該模擬裝置中水化學場監測裝置部分放大示意圖。
[0012]圖5為該模擬裝置中取樣孔部分放大示意圖。
[0013]圖6為該模擬裝置中抽注水井裝置部分放大示意圖。
[0014]圖中:1.抽水泵2.水箱3.蓄水盒4.螺旋杆5.鐵架臺6.隔板7.前出水口 8.後出水口 9.箱體10.底座11.多孔有機玻璃板
12.進水口 13.出水口 14.取樣孔15.取樣孔直通銅管16.銅質寶塔17.矽膠管18.200目緻密紗網19a、b.矽膠墊片20.止水夾21.測壓探頭22.水力壓力監測儀23.電極直通銅管24.pH電極25.電導電極
26.溶氧電極27.氧化還原電位電極28.監測表29.注射器泵30.注射器31.直通閥32.多孔陶瓷頭33.四氟乙烯管34.有機玻璃管35.矽膠管36.抽注水泵37.模擬水井管38.滲水孔39.輸水口 40.排水口。
【具體實施方式】
[0015]實施例:
一種環境汙染物在地下水不同含水層中遷移轉化的模擬裝置，包括蓄水裝置、上遊水頭調節裝置、含水層模擬裝置、樣品投放裝置、抽注水井裝置和下遊水頭調節裝置，蓄水裝置包括抽水泵I和水箱2，抽水泵I進口通過水管與水箱2連接；上遊水頭調節裝置，由蓄水盒3和螺旋杆4組成並通過螺紋連接，通過螺旋杆的旋轉調節蓄水盒的高度，螺旋杆4支撐於鐵架臺5上，蓄水盒4內設有隔板6並將蓄水盒3分隔為前蓄水盒和後蓄水盒，前蓄水盒和後蓄水盒底部分別設有前出水口 7、後出水口 8，前出水口 7通過矽膠管與水箱2連接，後出水口 8通過矽膠管與含水層模擬裝置的箱體連接，抽水泵I出口通過水管與後蓄水盒連接；含水層模擬裝置為帶有頂蓋的有機玻璃箱體9並固定於底座10上，箱體9內垂直固定有兩塊包覆有200目紗網的多孔有機玻璃板11將箱體9分隔為上遊水槽、滲流槽和下遊水槽，上遊水槽底部設有進水口 12，下遊水槽底部設有出水口 13，箱體側壁上設有35個取樣孔14並通過設置有於側壁上的35個取樣孔直通銅管15固定，其中縱向設有間距相同的五列取樣孔，每列橫向設有間距相同的七個取樣孔，每個取樣孔直通銅管15的外端連接有銅質寶塔16和矽膠管17，直通銅管15的外端與銅質寶塔16之間設有200目緻密紗網18並利用矽膠墊片19a密封，矽膠管17上設有止水夾20 ;箱體9頂蓋上固定有七個測壓探頭21並通過導線與水力壓力監測儀22連接構成水壓監測裝置，其中兩個測壓探頭分別位於上遊水槽和下遊水槽部分，五個測壓探頭別位於滲流槽部分並分別與五列取樣孔對應，下遊水槽的外壁上固定有四個電極直通銅管23，pH電極24、電導電極25、溶氧電極26和氧化還原電位電極27分別穿過電極直通銅管23並利用矽膠墊片19b密封，pH電極24、電導電極25、溶氧電極26和氧化還原電位電極27分別通過導線與監測表28連接構成水化學場監測裝置；樣品投放裝置包括注射器泵29、注射器30、直通閥31和多孔陶瓷頭32，注射器泵29與注射器30連接，直通閥31設於注射器30的出口並通過四氟乙烯管33、有機玻璃管34和矽膠管35與多孔陶瓷頭32連接，其中矽膠管35和多孔陶瓷頭32伸入含水層模擬裝置的箱體內；抽注水井裝置包括抽注水泵36和模擬水井管37並通過管道連接，模擬水井管36垂直設於含水層模擬裝置的箱體內，模擬水井管37管壁均布滲水孔38，通過用膠帶封堵滲水孔調節井滲水層的厚度；下遊水頭調節裝置與上遊水頭調節裝置結構基本相同，但隔板兩邊的蓄水盒底部分別設有輸水口 39和排水口 40，其中蓄水盒的輸水口 39通過矽膠管與含水層模擬裝置的箱體底部出水口 13連接。
[0016]該實施例中，含水層模擬裝置的長為42釐米、寬為7釐米、高度為24釐米，採用有機玻璃板製備；前部有機玻璃板上設置的取樣孔的直徑為I釐米，橫向孔間距為5釐米，縱向孔間距為3釐米；箱體頂蓋上的測壓探頭的孔間距為5釐米。
[0017]本發明的工作機理:
上遊水頭調節裝置與上遊水箱相連控制上遊水箱中的液面高度，下遊水頭調節裝置與下遊水箱相連控制水箱中的液面高度。在模擬潛水含水層時，上遊水箱液面和下遊水箱液面均在滲流槽的高度範圍內。當模擬承壓含水層時，上遊水箱液面、下遊水箱液面與滲流槽的液面高度一致，但水力壓力高於液面產生的壓力。通過上遊水箱和下遊水箱的進、出水孔控制滲流槽的水力條件。
[0018]抽注水井裝置中模擬完整井時，將有機玻璃管完全放入砂槽中即可。當模擬非完整井時，用不透水膠帶密封部分有機玻璃管後在放入砂槽中。兩種情況下均利用抽注水泵進行抽注水。
[0019]該模擬裝置為了滿足對納米顆粒等環境汙染物在地下水的遷移規律的需要，可以模擬飽水帶中的潛水含水層和承壓含水層，此外也可以模擬包氣帶中的支持毛細水帶中的遷移情況。通過改變多孔介質的性質也可以設計在均質各向同性、均質各向異性、非均質各向同性、非均質各向異性等條件下的遷移情況。為了揭示環境汙染物的遷移規律，儘量的簡化試驗條件，該裝置只需控制單一含水層性質，通過上下遊的蓄水盒的高度來控制滲流槽內的水力學性質。通過水頭調節裝置調節上下遊水頭高度，兩水頭存在一定的水頭差，形成穩定的流場。在滲流段內填裝均質的多孔介質，通過投樣裝置注入納米顆粒等環境汙染物質。在取樣孔中進行取樣，監測汙染物遷移規律。若模擬承壓含水層時，則需要將上下遊水頭裝置中蓄水盒的高度調節到高於滲流槽頂板。
[0020]利用該模擬裝置進行檢測的具體步驟如下:
I)裝置密封檢測
將裝置各個部分連接好後，通過螺旋杆調節上下遊水頭裝置的高度，使其均高於滲流槽頂板高度。往上遊水頭調節裝置中的水箱中加入去離子水，開啟小型水泵，形成水循環。往上遊水頭調節裝置中的蓄水盒內緩慢注水，滲流槽內的液面也隨著水的注入緩慢升高，直至穩定為止。查看裝置有無滲漏現象。
[0021]2)多孔介質的裝填
本裝置中裝填的多孔介質為經過硝酸、氫氧化鈉等酸鹼漂洗過的石英砂顆粒。粒徑分布在0.2-0.3mm之間。將多孔介質一層一層的加入滲流段,每加一層壓實後在加下一層,直至裝填好整個滲流槽。將樣品投放裝置的多孔陶瓷頭也埋進滲流槽中。
[0022]3)多孔介質飽水
將上下遊水頭的高度調節為一致，通過小型水泵控制蓄水盒的注入水量，由下往上緩慢通入去離子水，並逐漸調高上下遊水頭裝置中蓄水盒的高度，使下遊水頭調節裝置中的蓄水盒的高度略低上遊水頭調節裝置中的蓄水盒高度，待石英砂層全部飽水後，保持上下遊水頭調節裝置高度。
[0023]4)穩定流場的形成
飽水階段完成後，調節上下遊水頭裝置使得兩端液面形成液面差，來控制滲流部分的流速。調節到滿足試驗條件的流速後，開啟水力壓力監測裝置、水化學場監測裝置。定期的監測下遊水頭排水處的流量和水化學性質。待上述各向數據穩定後，可以確定流場是穩定的。
[0024]5)注入環境汙染物質
將納米顆粒等汙染物溶解分散在水溶液中，用注射器吸取溶液後，將汙染溶液的注射器放置在注射器泵上。調節注射器泵注射量來實現模擬點源瞬間投放、點源持續投放等過程。
[0025]6)取樣監測
新型汙染物投放之後，每隔2分鐘從選取的取樣孔中進行取樣，一次取樣約為1-2毫升，利用紫外分光光度計來測樣品的吸光度並記錄，直至取樣孔的數據穩定後停止取樣。
[0026]7)滲流場變換
在原來的實驗條件上，在滲流槽內設置有一個完整井，利用水泵進行定量抽水或注水，重複上述實驗過程。
【權利要求】
1.一種環境汙染物在地下水不同含水層中遷移轉化的模擬裝置，其特徵在於:包括蓄水裝置、上遊水頭調節裝置、含水層模擬裝置、樣品投放裝置、抽注水井裝置和下遊水頭調節裝置，蓄水裝置包括抽水泵和水箱，抽水泵進口通過水管與水箱連接；上遊水頭調節裝置，由蓄水盒和螺旋杆組成並通過螺紋連接，通過螺旋杆的旋轉調節蓄水盒的高度，螺旋杆支撐於鐵架臺上，蓄水盒內設有隔板並將蓄水盒分隔為前蓄水盒和後蓄水盒，前蓄水盒和後蓄水盒底部分別設有前出水口、後出水口，前出水口通過矽膠管與水箱連接，後出水口通過矽膠管與含水層模擬裝置的箱體連接，抽水泵出口通過水管與後蓄水盒連接；含水層模擬裝置為帶有頂蓋的有機玻璃箱體並固定於底座上，箱體內垂直固定有兩塊包覆有200目紗網的多孔有機玻璃板將箱體分隔為上遊水槽、滲流槽和下遊水槽，上遊水槽底部設有進水口，下遊水槽底部設有出水口，箱體側壁上設有35個取樣孔並通過設置有於側壁上的35個取樣孔直通銅管固定，其中縱向設有間距相同的五列取樣孔，每列橫向設有間距相同的七個取樣孔，每個取樣孔直通銅管的外端連接有銅質寶塔和矽膠管，直通銅管的外端與銅質寶塔之間設有200目緻密紗網並利用矽膠墊片密封，矽膠管上設有止水夾；箱體頂蓋上固定有七個測壓探頭並通過導線與水力壓力監測儀連接構成水壓監測裝置，其中兩個測壓探頭分別位於上遊水槽和下遊水槽部分，五個測壓探頭別位於滲流槽部分並分別與五列取樣孔對應，下遊水槽的外壁上固定有四個電極直通銅管，PH電極、電導電極、溶氧電極和氧化還原電位電極分別穿過電極直通銅管並利用矽膠墊片密封，PH電極、電導電極、溶氧電極和氧化還原電位電極分別通過導線與監測表連接構成水化學場監測裝置；樣品投放裝置包括注射器泵、注射器、直通閥和多孔陶瓷頭，注射器泵與注射器連接，直通閥設於注射器的出口並通過四氟乙烯管、有機玻璃管和矽膠管與多孔陶瓷頭連接，其中矽膠管和多孔陶瓷頭伸入含水層模擬裝置的箱體內；抽注水井裝置包括抽注水泵和模擬水井管並通過管道連接，模擬水井管垂直設於含水層模擬裝置的箱體內，模擬水井管管壁均布滲水孔，通過用膠帶封堵滲水孔調節井滲水層的厚度；下遊水頭調節裝置與上遊水頭調節裝置結構基本相同，但隔板兩邊的蓄水盒底部分別設有輸水口和排水口，其中蓄水盒的輸水口通過矽膠管與含水層模擬裝置的箱體底部出水口連接。
【文檔編號】G01N13/00GK103994951SQ201410169827
【公開日】2014年8月20日 申請日期:2014年4月25日 優先權日:2014年4月25日
【發明者】魯濤濤, 李堯, 陳威, 王巍, 侯豔, 杜婷婷, 楊楠, 王昕喆, 王祉昭, 李宇 申請人:南開大學