一種水靜力條件下模擬土壤地下水含氧量梯度分布的裝置的製作方法

2023-05-11 23:52:01

本發明涉及一種在水靜力條件下土壤及地下水非飽和-飽和帶中汙染物遷移反應轉化試驗模擬裝置，尤其考慮汙染物在垂直遷移過程中受到地下水氧氣含量不同影響的研究。

技術背景

隨著國家工業化的迅速推進，經濟的持續發展，環境汙染也日趨嚴重，尤其是水資源環境問題更加突出，伴隨著地表水資源的嚴重汙染和短缺，地下水汙染也日益嚴峻。而地下水由於其位於地表以下的不可見性，以及地下環境的複雜性，難以依靠土壤-地下水系統自身修復，一旦被汙染後處理難度巨大。因此研究汙染物在土壤和地下水中的遷移反應規律及其影響因素十分重要，將有助於預測和評定地下水汙染程度，並為控制修復土壤和地下水汙染提供科學依據。

垂直土柱試驗模型是國內外研究土壤和地下水中汙染物遷移的重要手段，應用該模型在研究地下水中汙染物遷移反應規律十分直觀，是揭示汙染物在地下水系統中遷移轉化機理的良好途徑。目前，實驗室所用的垂直土柱試驗模型較為簡單，功能單一，具體存在以下問題：

1、 忽略降雨的作用。由於降雨入滲是地下水補給重要的來源，在這一過程中地下水中多種組分變化如地下水含氧量的增加，汙染物隨入滲雨水進入土壤中，土壤孔隙中氧氣含量的減少等等，而傳統模型無法有效的改變降雨強度。

2、 忽略地下水體隨深度增加氧氣不同分布問題。由於非飽和-飽和帶中水-氣體分布不均勻狀況，由此產生的好氧、厭氧、缺氧環境，不同氧氣含量的地下水，汙染物在其中的反應過程截然不同。溶解氧是重要的電子受體，例如在氧氣存在的情況下, NH4+離子先在特定細菌作用下被氧化成 NO-；在缺氧環境下, NO- 繼而被很多細菌作為呼吸電子接受體。因此, 氧氣濃度直接影響著 N 發生轉化的方向。

3、 功能模塊沒有後續升級空間。隨著研究的深入，模型功能和參數需要不斷調整，然而現有模型一般沒有考慮後續改進，不能適應不同長度或深度的試驗，重複利用率低。

技術實現要素：

本發明為一種水靜力條件下模擬土壤地下水含氧量梯度分布的裝置，克服了上述現有裝置技術中的不足，該模型考慮降雨與含氧量因素，結構較簡單，設計合理，系統誤差小，取樣方便且重複利用率高，便於科研以及推廣使用。

本發明提出的一種水靜力條件下模擬土壤地下水含氧量梯度分布的裝置，包括降雨裝置1、試驗土柱2和無氧水供給裝置3，所述降雨裝置1可以調節流量閥控制降雨強度，包括水箱11、連接管道12、進水泵13、流量閥14和蓮蓬頭15，水箱11通過連接管道12、進水泵13和流量閥14連接蓮蓬頭15；所述試驗土柱2包括由若干同規格的組件21拼裝而成，每個組件21由兩個半圓柱管材通過帶孔法蘭盤22和開孔側邊固定塊23連接而成，半圓柱管材內部採用磨砂處理，側邊開有若干取樣孔，用於連接注射器式取樣裝置24；所述無氧水供給裝置3由馬氏瓶4、帶閥門連接管46和帶透水石內芯的連接盤5組成，馬氏瓶4底部通過帶閥門連接管46連接帶透水石內芯的連接盤5，所述帶透水石內芯的連接盤5位於試驗土柱2底部，所述蓮蓬頭15位於試驗土柱2頂部。

本發明中，所述組件21內徑為150-160mm，外徑為160-170mm，高度為200mm，內壁磨砂處理消除水流短路；所述法蘭盤22內徑為150-160mm,外徑為190-200mm,厚度為10mm；所述開孔側邊固定塊23長寬均為10-15mm，厚度為5mm，位於距離半圓柱管材頂部和底部80mm處，各設置有2個；所述法蘭盤22沿著圓周開均勻開8個孔，與側邊固定塊23開孔直徑均為3-5 mm，適配相應直徑的螺栓；所述取樣孔密閉連接注射器式取樣裝置24，在圓柱面組件21中一個半圓柱管材面橫向1/3處,豎直方向每隔65mm布置，用以取樣以供後續試驗分析。

本發明中，所述改進的馬氏瓶4由玻璃管41、橡膠塞42、帶閥門的納米鐵添加管43、帶閥門的進水管44、底部緻密濾網膜45組成；所述馬氏瓶通過帶閥門管道46與土柱底部連接器5連接，用以向試驗土柱中供給不同高度的模擬深層地下水厭氧環境的無氧水。

本發明中，馬氏瓶4側部連接有帶閥門的納米鐵添加管43，可以向馬氏瓶4中加入去氧劑，馬氏瓶4底部設置有濾網45，通過帶閥門的納米鐵添加管43可以向馬氏瓶4中加入去氧劑，形成的Fe(OH)3被濾網45阻攔。

本發明中，所述連接盤5由兩層圓柱管51疊加而成，上部圓柱管51帶法蘭盤，上層圓柱管51內鑲嵌透水石52，下層圓柱管51內放置玻璃珠53，下層圓柱管51底部連接進水管46，下層圓柱管51底部設有帶閥門出水管54，用以使水流進入土柱時候更加均勻，水力性質更好。

本發明中，所述連接盤5中的圓柱管51內徑為150-160mm，外徑為160-170mm，高度為40-60mm；所述法蘭盤內徑為150-160mm,外徑為190-200mm,厚度為10mm，沿著圓周開均勻開8個孔，開孔直徑為3-5 mm，適配相應直徑的螺栓，與上部土柱通過螺栓固定連接；內置20-30mm厚透水石52，20-30mm後的玻璃珠層53，底部進水管46內徑孔徑50-60mm，外徑55-65mm，底部出水管54內徑孔徑為20-30mm，外徑為25-35mm，管長為30-40mm。

本發明的有益效果：

1、 本發明提供能改變雨強的降水裝置，從而能夠研究通過降雨入滲補給地下水過程中地下水中多種組分變化如地下水含氧量的增加，汙染物隨入滲雨水進入土壤中，土壤孔隙中氧氣含量的減少等等對地下水中汙染物遷移反應的影響。

2、 解決了以前裝置未考慮地下水體隨深度增加氧氣分布梯度的問題。通過改進的馬氏瓶以向試驗土柱中供給不同高度的模擬深層地下水厭氧環境的無氧水。下層無氧水與上層降雨入滲的充滿氧氣的水混合，從而在垂直方向上形成有氧氣梯度的地下水分布。為今後相關的模擬土壤-地下水系統中氧氣含量作為重要影響因子的相關實驗提供實驗裝置參考。

3、 在取樣上具有極大的靈活性和可操作性。土柱一側有連接注射器式取樣裝置，便於對實驗水樣進行觀測和採集；同時取樣孔可改造為不同深度的點源汙染物注入口，研究不同深度汙染物注入的影響；此外，實驗結束後，通過對模型的橫向以及垂向拆解，可取各位置土樣進行化驗分析，更利於準確把握汙染物擴散情況和在土壤中的吸附情況。

4、 土柱組件具有提供標準件，通過組合即可組裝滿足不同要求的長度模型，極大提高單個組件的重複利用率，可進行批量生產，便於大規模推廣。

附圖說明

圖1為本發明總體結構示意圖；

圖2為本發明土柱組件圓柱管材示意圖；

圖中標號：1為降雨裝置，11為水箱，12為連接管道，13為進水泵，14為流量閥，15為蓮蓬頭，2為試驗土柱，21圓柱管材組件，22為法蘭盤，23為側邊連接塊，24為注射器取樣裝置，3為無氧水供給裝置，4為改進的馬氏瓶，41為玻璃管，42為橡膠塞，43為帶閥門的納米鐵添加管，44為帶閥門進水管，45為過濾網膜，46為帶閥門連接管道，5為連接盤，51帶法蘭盤的圓柱管，52為透水石，53為玻璃珠，54為帶閥門出水管道。

具體實施方式

下面通過實施例結合附圖進一步說明本發明。

l 實施例１：如圖１所示，用文字說明各部件之間的連接關係，補充

l 如圖２所示，用文字說明各部件之間的連接關係，補充

實施例２：採用實施例１所述的裝置，進行硝酸鹽遷移轉化試驗。

1、 備土：在距地表 10~15m深度進行採樣。在實驗室內，將中砂進行風乾，經 2mm 篩進行篩選，測定容重，孔隙率，硝態氮含量，亞硝態氮含量，氨氮含量，有機質含量，PH。

2、 組裝：連接好降雨裝置1和無氧水供給裝置3，將試驗土柱的各個部分通過螺栓在法蘭盤22，側邊連接塊23拼接，土柱與連接盤拼接，所有管道的閥門均保持關閉。

3、 填土：將篩后土壤進行分層填裝，並進行輕微夯實，確保水流能夠在土柱中實現升降和土壤結構的均一性。

4、 注入無氧水：調整馬氏屏4的玻璃管41至合適高度，打開注水管44的閥門，往裡面充入氮氣5分鐘，隨後充入處理過不含氧氣的水體直至馬氏瓶4水滿；關閉注水管44的閥門，打開管道46的閥門，靜靜等待土柱中液位穩定，關閉連接管道46閥門；在這個過程中打開出水管道54閥門在密封條件下測水中溶解氧含量，如果檢測到氧氣則打開納米鐵除氧劑43閥門，緊急去除氧氣直至檢測到氧氣含量為零，隨後關閉納米鐵添加管43閥門，出水口54處閥門，繼續等液位穩定，關閉連接管道46閥門。

5、 降雨：控制一定雨強，打開流量閥閥門14在固定流量位置，打開進水泵15，開始降雨，等到表層土體出現一定積水後，立即關進水泵15和流量控制閥14。

6、 汙染物注入：靜置2h後，在土柱頂部瞬間注入2L、500mg/L硝酸鉀溶液，隨後靜置。

7、 採樣：依實驗方案在不同時刻、不同位置進行採樣，用紫外分光光度法測硝態氮，N-(1 萘基)-乙二胺分光光度法測亞硝態氮，納氏試劑光度法測氨態氮，DO測試裝置測溶解氧含量。

8、 待試驗結束後，打開出水管道54閥門，將水放空，將模型逆序拆解，即可完成對試驗後的土樣分層採集，以及事後清洗工作，方便重複使用。