專利名稱：河湖包氣帶滲濾性能的模擬調(diào)控系統(tǒng)及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及水土資源與環(huán)境工程研究技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種河湖包氣帶滲濾性能的模擬調(diào)控系統(tǒng)及其方法。
背景技術(shù)：
河湖包氣帶作為河湖的滲濾系統(tǒng)，被認(rèn)為是天然的凈化器，它通過一系列的物理、 化學(xué)與生物作用，可以使?jié)B流水中的污染物部分或完全去除。而不同的河湖包氣帶對(duì)滲流水的凈污效應(yīng)差異較大，這主要與包氣帶自身的滲濾性能有關(guān)。影響河湖包氣帶滲濾性能的因素很多，主要包括沉積層組成、包氣帶結(jié)構(gòu)、滲濾速度與滯留時(shí)間、溫度等。其中，沉積層組成是河湖包氣帶滲濾性能的主要影響因素。沉積層-水界面作用對(duì)河湖實(shí)現(xiàn)對(duì)地下水水量和水質(zhì)的影響有著相當(dāng)重要的作用。然而，我國(guó)及世界各地的許多河湖卻幾乎不存在天然沉積層，這導(dǎo)致地表水滲濾速度過快，污染物去除率較低。目前，人工為河湖填鋪具有一定阻水與攔污能力的控滲層，可以有效地控制河湖包氣帶的滲濾性能，提高其凈污能力及對(duì)地下水安全的保護(hù)作用。我國(guó)對(duì)利用天然河床沉積層或人工控滲層控制河湖包氣帶滲濾性能的研究仍處于起步階段，尚未形成完善的研究理論體系，相關(guān)的試驗(yàn)裝置及技術(shù)方法也不夠成熟。 目前，對(duì)不同河湖滲濾性能條件下包氣帶土壤水分與溶質(zhì)運(yùn)移規(guī)律的研究主要通過在室內(nèi)構(gòu)建可調(diào)控天然河湖包氣帶滲濾性能的模擬系統(tǒng)來開展。例如，實(shí)用新型專利申請(qǐng) CN201575963U中公開了一種水鹽動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)裝置，實(shí)現(xiàn)了溫度_水分_鹽分_地下水聯(lián)合作用下的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的直接讀取及處理。但總體而言，設(shè)計(jì)裝置尺寸較小，模擬尺度有限，尺度效應(yīng)與邊壁效應(yīng)明顯，模擬結(jié)果局限性大，不便于廣泛應(yīng)用于科學(xué)研究。

發(fā)明內(nèi)容
(一)要解決的技術(shù)問題本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種河湖包氣帶滲濾性能的模擬調(diào)控系統(tǒng)及其方法，實(shí)現(xiàn)層狀土壤結(jié)構(gòu)的分層準(zhǔn)確模擬，并可根據(jù)不同的模擬需要，來模擬不同控滲層厚度和不同控滲措施，準(zhǔn)確控制河湖包氣帶的滲濾性能，大大提高不同類型層狀土壤的模擬精度。( 二)技術(shù)方案為解決上述問題，本發(fā)明提供了一種河湖包氣帶滲濾性能的模擬調(diào)控系統(tǒng)，包括 地表水位調(diào)控裝置、控滲裝置、包氣帶模擬裝置、地下水位調(diào)控裝置以及數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；所述地表水位調(diào)控裝置連接所述控滲裝置；所述控滲裝置包括控滲柱，用于通過填裝不同的控滲材料來調(diào)控包氣帶的滲透性能；緩沖調(diào)節(jié)柱，上層通過法蘭盤與控滲柱連接，下層通過供水管路和蠕動(dòng)泵與包氣帶模擬裝置相連接，用于加設(shè)找平層和反濾層；
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所述包氣帶模擬裝置包括多個(gè)串聯(lián)的土柱，由蠕動(dòng)泵和供水管路串聯(lián)，用于盛裝河床土壤以模擬包氣帶結(jié)構(gòu)；所述土柱分為多節(jié)，用于方便更換和調(diào)控；所述土柱側(cè)壁開設(shè)滲濾液取樣口、土壤溫度-水分-鹽分傳感器布設(shè)口和采土口，用于定時(shí)監(jiān)測(cè)包氣帶的溫度、水分以及鹽分狀況，提取土壤水來監(jiān)測(cè)包氣帶污染物的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律；所述地下水位調(diào)控裝置包括地下水供水馬氏瓶和地下水平衡器，通過地下水補(bǔ)充管路相互連接，用于通過調(diào)節(jié)地下水供水馬氏瓶相對(duì)土柱的高度來控制地下水位，模擬不同地下水位情景；所述地下水平衡器，與所述包氣帶模擬裝置相連接，用于觀測(cè)土壤水與地下水之間的轉(zhuǎn)化量，以量化土壤水與地下水的轉(zhuǎn)化規(guī)律；所述數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，用于從所述包氣帶模擬裝置獲取水量與水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，包括 土壤水自動(dòng)采集器和土壤溫度-水分-鹽分傳感器。優(yōu)選地，所述土壤水自動(dòng)采集器包括多孔陶土管、采樣瓶、真空抽氣泵、過濾器、 多孔通氣變頭和存樣器；所述多孔陶土管安裝于各土柱側(cè)壁的滲濾液取樣口中，各土柱土壤溫度-水分-鹽分傳感器的Hydra探針通過觀測(cè)口埋設(shè)在包氣帶不同斷面。優(yōu)選地，所述數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，還包括數(shù)據(jù)采集與控制裝置；所述數(shù)據(jù)采集與控制裝置包括數(shù)據(jù)采集控制器和上位機(jī)；所述數(shù)據(jù)采集控制器，用于采集土壤溫度-水分-鹽分傳感器的數(shù)據(jù)，并對(duì)蠕動(dòng)泵、電控閥門進(jìn)行控制；上位機(jī)與數(shù)據(jù)采集控制器連接，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)土柱內(nèi)溫度、水分、鹽分?jǐn)?shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、記錄和顯示。優(yōu)選地，所述地表水位調(diào)控裝置包括通過供水管路順次連接的蓄水箱、供水管道泵、地表水位供水馬氏瓶和地表水位調(diào)控柱；所述蓄水箱，用于通過供水管道泵為地表水位供水馬氏瓶提供試驗(yàn)用水；所述地表水位調(diào)控柱，用于通過調(diào)節(jié)相對(duì)土柱的高度來控制地表水位，模擬不同深度地表水入滲的情景；所述地表水位調(diào)控柱通過法蘭盤與所述控滲柱連接。優(yōu)選地，所述地表水位調(diào)控裝置還包括設(shè)于地表水位調(diào)控柱上方的蒸發(fā)模擬裝置；所述蒸發(fā)模擬裝置包括相互連接的功率可調(diào)紅外燈和溫控器，所述溫控器的感溫探頭插入地表淹水水體中，用于通過改變功率可調(diào)紅外燈的功率和數(shù)量，模擬多樣化的蒸發(fā)條件，并實(shí)現(xiàn)特定溫度條件下功率可調(diào)紅外燈的自動(dòng)開閉。優(yōu)選地，所述系統(tǒng)還包括遮光裝置，所述遮光裝置包括遮光布，用于對(duì)模擬包氣帶中污染物的環(huán)境進(jìn)行遮光處理，形成不透光的黑暗效果。優(yōu)選地，所述調(diào)節(jié)柱中部開設(shè)有排氣口，用于在控滲柱更換過程中調(diào)節(jié)柱進(jìn)入空氣時(shí)配合真空泵進(jìn)行抽氣。防止空氣進(jìn)入調(diào)節(jié)柱后破壞原有的土壤結(jié)構(gòu)。一種利用前述系統(tǒng)對(duì)河湖包氣帶滲濾性能進(jìn)行模擬調(diào)控的方法，包括以下步驟更換控滲裝置中的控滲柱；調(diào)控包氣帶模擬裝置中土柱的數(shù)目和土柱中的材料；調(diào)控地表水以及地下水的水位；利用數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)包氣帶的水量與水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。
優(yōu)選地，所述更換控滲裝置中的控滲柱包括更換不同尺寸的控滲柱或者更換不同控滲材料的控滲柱。優(yōu)選地，所述調(diào)控地表水以及地下水的水位包括通過地下水平衡器測(cè)量包氣帶中土壤水與地下水之間的水分轉(zhuǎn)化量。(三)有益效果本發(fā)明利用控滲柱、調(diào)節(jié)柱和大型土柱三種不同功能的土柱模擬裝置，構(gòu)造出了控滲層、緩沖層(找平和反濾)、包氣帶模擬層和地下水層等層狀土壤結(jié)構(gòu)；各層均可根據(jù)不同的模擬需要，通過快速靈活的更換不同尺寸的柱體及柱體中不同類型、不同粒級(jí)的填充材料，模擬不同控滲層厚度、不同控滲措施以及不同層狀河床條件，從而能夠準(zhǔn)確控制河湖包氣帶的滲濾性能，大大提高了深厚包氣帶條件下不同類型層狀土壤的模擬精度。系統(tǒng)分層調(diào)控方法簡(jiǎn)便，可操作性強(qiáng)，能夠大大減少實(shí)驗(yàn)人員的工作量，縮短試驗(yàn)時(shí)間；并且本發(fā)明在地下水位調(diào)控裝置中增設(shè)地下水平衡器，實(shí)現(xiàn)了地下水位的精確、問題調(diào)控；另外， 本發(fā)明所采用的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以大幅降低監(jiān)測(cè)成本，利用本發(fā)明中的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可使試驗(yàn)成果反饋給系統(tǒng)，從而即時(shí)調(diào)整監(jiān)測(cè)方法，包括監(jiān)測(cè)點(diǎn)位與監(jiān)測(cè)頻率，動(dòng)態(tài)考察監(jiān)測(cè)方法的經(jīng)濟(jì)性，可根據(jù)需要采用較經(jīng)濟(jì)的監(jiān)測(cè)方法使系統(tǒng)運(yùn)行。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例中所述河湖包氣帶滲濾性能的模擬調(diào)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明實(shí)施例中所述控滲裝置的填裝結(jié)構(gòu)圖；圖3為本發(fā)明實(shí)施例中所述土柱的填裝結(jié)構(gòu)圖；圖4為本發(fā)明實(shí)施例中所述多孔陶土管的安裝示意圖；圖5為本發(fā)明實(shí)施例中所述隔離擋板的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作進(jìn)一步詳細(xì)描述。以下實(shí)施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。如圖1所示，本發(fā)明所述的河湖包氣帶滲濾性能的模擬調(diào)控系統(tǒng)，包括地表水位調(diào)控裝置、控滲裝置、包氣帶模擬裝置、地下水位調(diào)控裝置以及數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；所述地表水位調(diào)控裝置連接所述控滲裝置；所述控滲裝置包括控滲柱1，用于通過填裝不同的控滲材料來調(diào)控包氣帶的滲透性能；控滲材料可以裝填同一種，也可以根據(jù)研究需要將多種材料進(jìn)行級(jí)配，控滲柱高度可以根據(jù)控滲層的需要而設(shè)置，一般為20-60cm之間；緩沖調(diào)節(jié)柱2，上層通過法蘭盤與控滲柱1連接，下層通過供水管路3和蠕動(dòng)泵4 與包氣帶模擬裝置相連接，用于加設(shè)找平層和反濾層；所述調(diào)節(jié)柱2中部開設(shè)有排氣口 28， 用于在控滲柱1更換過程中調(diào)節(jié)柱2進(jìn)入空氣時(shí)配合真空泵進(jìn)行抽氣，防止空氣進(jìn)入調(diào)節(jié)柱2后破壞原有的土壤結(jié)構(gòu)；例如調(diào)節(jié)柱2高30cm，可根據(jù)模擬需要填裝找平層，若找平層不需裝滿調(diào)節(jié)柱2， 則其下部應(yīng)裝填與土柱5填裝材料相同的河湖天然河床質(zhì)，且應(yīng)在其表層和底部填裝一定
6厚度的反濾層。為了減小邊壁效應(yīng)，控滲柱1和調(diào)節(jié)柱2的內(nèi)徑不應(yīng)小于50cm，壁厚不應(yīng)小于10mm，土柱5邊壁分別設(shè)置寬不小于6cm、厚度不小于IOcm的法蘭盤，且控滲柱1頂端和底端均開放，調(diào)節(jié)柱2底端封閉。所述包氣帶模擬裝置包括多個(gè)串聯(lián)的土柱5，由蠕動(dòng)泵4和供水管路3串聯(lián)，用于盛裝河床土壤以模擬包氣帶結(jié)構(gòu)；所述土柱5分為多節(jié)，用于方便更換和調(diào)控；所述土柱5側(cè)壁開設(shè)滲濾液取樣口 6、土壤溫度-水分-鹽分傳感器布設(shè)口 7和采土口 8，用于定時(shí)監(jiān)測(cè)包氣帶的溫度、水分以及鹽分狀況，提取土壤水來監(jiān)測(cè)包氣帶污染物的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律；每個(gè)土柱5的高度可為300cm，每節(jié)高度可為100cm，每節(jié)上下均設(shè)有法蘭盤，各土柱5上口可加蓋機(jī)玻璃蓋，起到密閉作用，有機(jī)玻璃蓋與供水及進(jìn)排氣設(shè)備采用螺紋接口連接。調(diào)節(jié)柱2與第一個(gè)土柱之間設(shè)置蠕動(dòng)泵4，將調(diào)節(jié)柱2經(jīng)過反濾層反濾后的滲濾液通過蠕動(dòng)泵4送到第一個(gè)土柱上端的供水及進(jìn)排氣設(shè)備，所述供水及進(jìn)排氣設(shè)備由進(jìn)氣閥門、排氣閥門和三通組成。所述地下水位調(diào)控裝置包括地下水供水馬氏瓶10和地下水平衡器11，通過地下水補(bǔ)充管路9相互連接，用于通過調(diào)節(jié)地下水供水馬氏瓶10相對(duì)土柱5的高度來控制地下水位，模擬不同地下水位情景；所述地下水平衡器11，與所述包氣帶模擬裝置相連接，用于觀測(cè)土壤水與地下水之間的轉(zhuǎn)化量，以量化土壤水與地下水的轉(zhuǎn)化規(guī)律；所述數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，用于從所述包氣帶模擬裝置獲取水量與水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，包括 土壤水自動(dòng)采集器和土壤溫度-水分-鹽分傳感器12。當(dāng)土柱5中的土壤水分蒸發(fā)時(shí)，地下水平衡器11中的水分由連接管路補(bǔ)充給土壤，地下水平衡器11中下降的水面由地下水供水馬氏瓶10中的水補(bǔ)充。當(dāng)土壤水補(bǔ)給地下水是，補(bǔ)給量就會(huì)由平衡器下側(cè)的玻璃管流入量筒中。地下水供水馬氏瓶10和量筒外表面均帶有刻度線，可以由量筒及地下水供水馬氏瓶10中的水位變換量測(cè)得包氣帶中土壤水與地下水之間的水分轉(zhuǎn)化量。采用地下水平衡器11及量筒，可將土壤水與地下水間的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律量化，加強(qiáng)了地下水位控制系統(tǒng)的調(diào)控功能。所述土壤水自動(dòng)采集器包括多孔陶土管13、采樣瓶14、真空抽氣泵15、過濾器 16、多孔通氣變頭17和存樣器18 ；所述多孔陶土管13安裝于各土柱5側(cè)壁的滲濾液取樣口 6中，各土柱土壤溫度-水分-鹽分傳感器12的Hydra探針19通過觀測(cè)口埋設(shè)在包氣帶不同斷面。所述數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，還包括數(shù)據(jù)采集與控制裝置；所述數(shù)據(jù)采集與控制裝置包括數(shù)據(jù)采集控制器20和上位機(jī)21 ；所述數(shù)據(jù)采集控制器20，用于采集土壤溫度-水分-鹽分傳感器12的數(shù)據(jù)，并對(duì)蠕動(dòng)泵4、電控閥門四進(jìn)行控制；上位機(jī)21與數(shù)據(jù)采集控制器20連接，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)土柱5 內(nèi)溫度、水分、鹽分?jǐn)?shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、記錄和顯示。所述地表水位調(diào)控裝置包括通過供水管路順次連接的蓄水箱22、供水管道泵 23、地表水位供水馬氏瓶M和地表水位調(diào)控柱25 ；所述蓄水箱22，用于通過供水管道泵23為地表水位供水馬氏瓶M提供試驗(yàn)用水；
所述地表水位調(diào)控柱25，用于通過調(diào)節(jié)相對(duì)土柱5的高度來控制地表水位，模擬不同深度地表水入滲的情景；所述地表水位調(diào)控柱25通過法蘭盤與所述控滲柱1連接。所述地表水位調(diào)控裝置還包括設(shè)于地表水位調(diào)控柱25上方的蒸發(fā)模擬裝置；所述蒸發(fā)模擬裝置包括相互連接的功率可調(diào)紅外燈26和溫控器27，所述溫控器27的感溫探頭插入地表淹水水體中，用于通過改變功率可調(diào)紅外燈的功率和數(shù)量，模擬多樣化的蒸發(fā)條件，并實(shí)現(xiàn)特定溫度條件下功率可調(diào)紅外燈的自動(dòng)開閉。系統(tǒng)還包括遮光裝置，所述遮光裝置包括遮光布，用于對(duì)模擬包氣帶中污染物的環(huán)境進(jìn)行遮光處理，形成不透光的黑暗效果。如圖2所示，本發(fā)明所述的河湖包氣帶滲濾性能模擬調(diào)控方法，包括以下步驟更換控滲裝置中的控滲柱；本步驟中，所述更換控滲裝置中的控滲柱包括更換不同尺寸的控滲柱或者更換不同控滲材料的控滲柱。調(diào)控包氣帶模擬裝置中土柱的數(shù)目和土柱中的材料；調(diào)控地表水以及地下水的水位；本步驟中，所述調(diào)控地表水以及地下水的水位包括通過地下水平衡器測(cè)量包氣帶中土壤水與地下水之間的水分轉(zhuǎn)化量。利用數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)包氣帶的水量與水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。本發(fā)明的實(shí)驗(yàn)例本試驗(yàn)面向永定河豐臺(tái)段，其包氣帶厚度為27m，系統(tǒng)以最優(yōu)尺度模擬，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)取土，將表層碎石清理，縱向取土深度為27m，共取土 12t，利用10根大型土柱完成河床包氣帶土壤的填裝。具體的試驗(yàn)步驟1、系統(tǒng)的安裝(1)填裝控滲柱將調(diào)節(jié)柱固定放置，在柱中先裝填石英砂作為反濾層，高度為 5cm ；分層填裝細(xì)砂，上端再填裝一定厚度的石英砂，再根據(jù)模擬需要選用20cm的控滲柱， 將控滲柱與調(diào)節(jié)柱相連接，兩柱法蘭盤間鋪設(shè)橡膠墊，通過螺栓將法蘭盤連接緊密。選用孔徑為200目的錦綸反濾布，將其裁剪為直徑略大于50cm的圓形，在控滲柱底部平鋪兩層，并將周邊多余部分向上卷起，緊貼于土柱內(nèi)邊壁，在控滲柱中填裝人工控滲材料鈉基膨潤(rùn)土配比閻村土料廠粘土，粘土的質(zhì)量比重為12%，分層填裝，每5cm壓實(shí)一次，相鄰兩次裝填時(shí)接觸平面要用刀片刮毛，使上下兩層土壤充分接觸，避免分層現(xiàn)象的產(chǎn)生。在控滲材料與柱體內(nèi)表面接觸的周邊孔隙中均勻填補(bǔ)一圈配比完全相同的濕潤(rùn)的控滲材料；最后，在控滲層上端鋪設(shè)石英砂和卵礫石組成的保護(hù)層，用于防止地表水入滲過程對(duì)控滲層的擾動(dòng)， 起到均勻布水和定型保護(hù)作用。所有的反濾材料以及保護(hù)材料的石英砂和卵礫石要事先經(jīng)過去離子水的浸泡與沖洗，時(shí)長(zhǎng)不小于Mh。(2)填裝包氣帶土柱在各大型土柱底部鋪設(shè)反濾層，厚度為30cm。反濾層填裝順序由下到上依次為粒徑為2cm的卵礫石，粒徑為1 2cm的卵礫石，粒徑小于5mm的石英砂，孔徑為200目的錦綸反濾布兩層。所有的反濾材料以及保護(hù)材料的石英砂和卵礫石要事先經(jīng)過去離子水的浸泡與沖洗，時(shí)長(zhǎng)不小于Mh。然后將試驗(yàn)用河床原狀土分層裝入大型土柱，按照測(cè)定初始含水率、土壤干容重和填裝土體積計(jì)算裝填土樣的重量，用電子秤稱量土樣，分層填裝壓實(shí)，每次填裝高度為10cm。填裝時(shí)，用與土柱內(nèi)徑相仿的夯實(shí)器將土壤反復(fù)壓實(shí)，相鄰兩次裝填時(shí)接觸平面要用刀片刮毛，使上下兩層土壤充分接觸，避免分層現(xiàn)象的產(chǎn)生。填裝完畢之后，用土柱有機(jī)玻璃蓋將土柱頂端密封。(3)供水系統(tǒng)的安裝用PVC管將蓄水箱通過水泵與地表水及地下水供水馬氏瓶相連接，利用乳膠軟管將地表水供水馬氏瓶的出水口閥門與地表水位調(diào)控柱的進(jìn)水口閥門相連接；利用乳膠軟管將地下水供水馬氏瓶的進(jìn)水口閥門通過平衡器與最后一根大型土柱末端相連接。(4)多個(gè)土柱裝置之間的串聯(lián)連接各土柱之間由有機(jī)玻璃管相連，將纏有生料帶的有機(jī)玻璃管旋口端與土柱的底蓋和頂蓋上的進(jìn)排氣設(shè)備之間的旋口緊密結(jié)合，擰緊各土柱的頂蓋與底蓋，調(diào)節(jié)柱與第一個(gè)大型土柱之間以及各大型土柱之間均設(shè)置供水蠕動(dòng)泵，將調(diào)節(jié)柱經(jīng)過反濾層反濾后的滲濾液通過加壓泵送到相應(yīng)大型土柱頂端的供水及進(jìn)排氣設(shè)備，第一個(gè)大型土柱與后面的各土柱間的連接方式均通過串聯(lián)裝置連接。(5)取樣器及傳感器的安裝在各大型土柱側(cè)壁滲濾液取水口處埋設(shè)陶土管，埋設(shè)陶土管前，用去離子水將其浸泡池，然后在埋設(shè)口處的土壤中打孔，孔徑應(yīng)略大于陶土管的直徑；打孔后，將取出的土攪成泥漿，作為埋設(shè)陶土管時(shí)的灌漿。埋設(shè)時(shí)，將陶土管的排氣管出口處向上方。陶土管的埋設(shè)方式采用斜插式，陶土管與水平線的夾角為30°，陶土管深入預(yù)定深度后，再把泥漿灌入孔中，待泥漿沉實(shí)后再填土。將土壤溫度-水分-鹽分傳感器的Hydra探針通過觀測(cè)口埋設(shè)在土柱的各不同斷面上，自然插入土體，用生料帶纏繞埋設(shè)口，用數(shù)據(jù)線將土壤溫度-水分-鹽分傳感器的Hydra探針與計(jì)算機(jī)及控制器相連。(6)遮光布的安裝在大型土柱柱體周圍牽引鐵絲，懸掛遮光布的高度位于地表水面線，用窗簾掛鉤將遮光布懸掛于鐵絲上，拉引遮光布將整個(gè)系統(tǒng)遮擋，用粘扣將遮光布側(cè)縫粘合。制作尺寸符合馬氏瓶及蓄水箱的遮光布保護(hù)套套于相應(yīng)馬氏瓶及蓄水箱上。2、系統(tǒng)的啟動(dòng)試驗(yàn)運(yùn)行前，需將地表水及地下水供水馬氏瓶加滿水待用。加水方法將供水馬氏瓶底端的通氣口和出水口控水閥門關(guān)閉，打開瓶頂排氣口膠塞，依次開啟管路泵和馬氏瓶進(jìn)水口閥門，迅速為供水馬氏瓶加水，待試驗(yàn)用水加滿馬氏瓶后，迅速關(guān)閉馬氏瓶進(jìn)水閥門，將外部裹有生料帶的瓶頂膠塞以旋轉(zhuǎn)按壓式塞緊馬氏瓶排氣口，確保馬氏瓶密封。加水必須加滿，以將馬氏瓶中的氣體完全排除。調(diào)整升降臺(tái)至適合高度，將地下水供水馬氏瓶固定，調(diào)整馬氏瓶通氣管底端位置至設(shè)計(jì)的地下水水位線處，打開出水口控水閥門，地下水供水馬氏瓶開始向土柱底端供水以形成地下水定水位，待地下水水位至水位線并穩(wěn)定后，關(guān)閉土柱底端進(jìn)水口控水閥門，利用地下水供給管路將地下水供水馬氏瓶、地下水平衡器與大型土柱底端進(jìn)水口相連接。為地下水平衡器加水至水位線處，并將供水馬氏瓶重新加滿水后，打開土柱底端進(jìn)水閥門，啟動(dòng)地下水調(diào)控系統(tǒng)。將地表水供水馬氏瓶加滿水，地表水調(diào)控柱進(jìn)水閥門開啟，在地表水調(diào)控柱內(nèi)壁和底部鋪蓋一層塑料薄膜，薄膜底端要封閉，在薄膜內(nèi)加入試驗(yàn)用水至地表水位控制線處， 形成恒定水頭后，迅速抽出塑料薄膜，同時(shí)將供水馬氏瓶底端的通氣口和出水口控水閥門同時(shí)打開，地表水系統(tǒng)啟動(dòng)。
此時(shí)，立即觀察水流入滲的濕潤(rùn)鋒以及馬氏瓶水量的變化量，在入滲試驗(yàn)進(jìn)行的過程中，連續(xù)觀察這兩個(gè)數(shù)值。模擬土柱底端有滲濾液出流時(shí)，用燒杯盛接滲濾液，保存水樣檢測(cè)水質(zhì)。3、試驗(yàn)的運(yùn)行系統(tǒng)啟動(dòng)后，試驗(yàn)的日常運(yùn)行維護(hù)包括三方面的內(nèi)容(1)水量連續(xù)監(jiān)測(cè)模擬系統(tǒng)自2010年5月12日起正式運(yùn)行，至2011年5月17 日，連續(xù)370d觀測(cè)土柱的入滲過程，穿透期間連續(xù)觀測(cè)入滲水體濕潤(rùn)鋒的變化，整個(gè)試驗(yàn)過程連續(xù)記錄供水馬氏瓶中水量隨時(shí)間的變化，確定包氣帶的入滲率和累計(jì)入滲量。濕潤(rùn)鋒的觀測(cè)方法為定點(diǎn)法，讀取入滲水流經(jīng)過預(yù)先設(shè)定的土柱深度觀測(cè)點(diǎn)的時(shí)間，將時(shí)間與深度做成關(guān)系曲線，即得到土柱入滲的濕潤(rùn)鋒變化，本試驗(yàn)穿透歷時(shí)916min， 水流入滲到達(dá)各預(yù)定點(diǎn)位置的時(shí)間點(diǎn)為:7:41、7:42、7:49、7:55、8:00、8:06、8:31、10:01、 11:51、13:51、15:31、16:31、17:56、19:28、20:35、22:01、22:57。累積入滲量的觀測(cè)頻率每天一次，歷時(shí)75天后，入滲量趨于平穩(wěn)，故將觀測(cè)頻率改為每一個(gè)加水周期觀測(cè)一次，平均的加水周期為4d。(2)水質(zhì)連續(xù)監(jiān)測(cè)模擬系統(tǒng)自2010年5月12日起正式運(yùn)行，至2011年5月17 日，當(dāng)再生水穿透土柱后，開始采集各柱底端出水口處的滲濾液，并同時(shí)利用土壤水采集器定期采集土柱側(cè)面不同深度斷面的水樣。陶土管的間距設(shè)置為20cm，第一個(gè)陶土管底端距土柱頂端23cm，每節(jié)大型土柱埋設(shè)13個(gè)陶土管。當(dāng)滲濾液從土柱底端出流后，開始水樣的定期采集與檢測(cè)工作。每24h采集一次，歷時(shí)3d后，增加取樣間隔天數(shù)，每3d采集一次，歷時(shí)30d后，再減小取樣頻率，每7d采集一次，歷時(shí)60d后，各指標(biāo)的變化趨于平穩(wěn)，改為每 15d采集一次，歷時(shí)90d后，各指標(biāo)的變化很小，改為每30d采集一次直到試驗(yàn)結(jié)束。經(jīng)過 180d的運(yùn)行之后，各污染物的濃度在深度方向上的變化趨于穩(wěn)定，故對(duì)取樣口的間隔也作出了調(diào)整前三個(gè)取樣口的間距仍為20cm，第四到第六個(gè)取樣口的間隔調(diào)整為60cm，同時(shí)第四個(gè)取樣口距第三個(gè)的距離也為60cm，前六個(gè)取樣口均位于第一根大土柱，第七個(gè)取樣口距第六個(gè)取樣口的距離為140cm，位于第二根大土柱，第八個(gè)取樣口距第七個(gè)取樣口的距離為^K)cm，位于第三根大土柱，之后的每一根大土柱中均包含一個(gè)取樣口，所有取樣口的間距均為^Ocm。(3)變換控滲柱在換柱前，首先應(yīng)將新的控滲柱放置隔離擋板上在，按照控滲層填裝順序依次填裝材料，新裝好的控滲層。隔離擋板為鋼制，直徑大于法蘭盤外徑，設(shè)有兩個(gè)斜向固定把手(1號(hào)和2號(hào))和兩個(gè)對(duì)設(shè)的活動(dòng)把手(3號(hào)和4號(hào))。將地表水位調(diào)控柱中的水通過底部出流口排凈，取掉將地表水位調(diào)控柱和控滲柱間的螺栓，將地表水位調(diào)控柱取下，卸下控滲柱和調(diào)節(jié)柱間的螺栓，在膠皮墊與控滲柱法蘭盤間快速對(duì)插兩個(gè)隔離擋板， 提拎上層擋板側(cè)邊的3、4號(hào)把手，快速移開原控滲柱，提拎新控滲柱下部擋板的活動(dòng)把手， 將其平穩(wěn)放置在調(diào)節(jié)柱表面的擋板上。緩慢旋轉(zhuǎn)上層擋板，使得控滲柱下端和調(diào)節(jié)柱上端法蘭盤的螺栓口對(duì)齊，最后，人工固定控滲柱，輕拉下層擋板1、2號(hào)把手，將擋板平穩(wěn)抽離， 再用同樣的方法抽出上層擋板，用螺栓固定法蘭盤，最后，安裝上地表水位調(diào)控柱。若操作方法不當(dāng)，氣體不慎進(jìn)入調(diào)節(jié)柱中，可以在整個(gè)裝置連接好后，將真空抽氣泵、過濾器與調(diào)節(jié)柱兩側(cè)排氣口上的排氣軟膠管連接，然后，打開軟膠管上的止水夾，啟動(dòng)抽氣真空泵，通過排氣口向外持續(xù)緩慢的抽氣。
以上實(shí)施方式僅用于說明本發(fā)明，而并非對(duì)本發(fā)明的限制，有關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，還可以做出各種變化和變型，因此所有等同的技術(shù)方案也屬于本發(fā)明的范疇，本發(fā)明的專利保護(hù)范圍應(yīng)由權(quán)利要求限定。
權(quán)利要求
1.一種河湖包氣帶滲濾性能的模擬調(diào)控系統(tǒng)，其特征在于，包括地表水位調(diào)控裝置、 控滲裝置、包氣帶模擬裝置、地下水位調(diào)控裝置以及數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；所述地表水位調(diào)控裝置連接所述控滲裝置； 所述控滲裝置包括控滲柱(1)，用于通過填裝不同的控滲材料來調(diào)控包氣帶的滲透性能； 緩沖調(diào)節(jié)柱O)，上層通過法蘭盤與控滲柱(1)連接，下層通過供水管路C3)和蠕動(dòng)泵 (4)與包氣帶模擬裝置相連接，用于加設(shè)找平層和反濾層；所述包氣帶模擬裝置包括多個(gè)串聯(lián)的土柱(5)，由蠕動(dòng)泵(4)和供水管路(3)串聯(lián)， 用于盛裝河床土壤以模擬包氣帶結(jié)構(gòu)；所述土柱( 分為多節(jié)，用于方便更換和調(diào)控；所述土柱( 側(cè)壁開設(shè)滲濾液取樣口 (6)、土壤溫度-水分-鹽分傳感器布設(shè)口(7)和采土口(8)，用于定時(shí)監(jiān)測(cè)包氣帶的溫度、 水分以及鹽分狀況；提取土壤水來監(jiān)測(cè)包氣帶污染物的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律；所述地下水位調(diào)控裝置包括地下水供水馬氏瓶(10)和地下水平衡器(11)，通過地下水補(bǔ)充管路(9)相互連接，用于通過調(diào)節(jié)地下水供水馬氏瓶(10)相對(duì)土柱( 的高度來控制地下水位，模擬不同地下水位情景；所述地下水平衡器(11)，與所述包氣帶模擬裝置相連接，用于觀測(cè)土壤水與地下水之間的轉(zhuǎn)化量，以量化土壤水與地下水的轉(zhuǎn)化規(guī)律；所述數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，用于從所述包氣帶模擬裝置獲取水量與水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，包括土壤水自動(dòng)采集器和土壤溫度-水分-鹽分傳感器(12)。
2.如權(quán)利要求1所述的河湖包氣帶滲濾性能的模擬調(diào)控系統(tǒng)，其特征在于，所述土壤水自動(dòng)采集器包括多孔陶土管(13)、采樣瓶(14)、真空抽氣泵(15)、過濾器(16)、多孔通氣變頭(17)和存樣器(18)；所述多孔陶土管(13)安裝于各土柱(5)側(cè)壁的滲濾液取樣口 (6)中，各土柱土壤溫度-水分-鹽分傳感器(1 的Hydra探針(19)通過觀測(cè)口埋設(shè)在包氣帶不同斷面。
3.如權(quán)利要求1所述的河湖包氣帶滲濾性能的模擬調(diào)控系統(tǒng)，其特征在于，所述數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，還包括數(shù)據(jù)采集與控制裝置；所述數(shù)據(jù)采集與控制裝置包括數(shù)據(jù)采集控制器00)和上位機(jī)； 所述數(shù)據(jù)采集控制器(20)，用于采集土壤溫度-水分-鹽分傳感器(1 的數(shù)據(jù)，并對(duì)蠕動(dòng)泵G)、電控閥門09)進(jìn)行控制；上位機(jī)與數(shù)據(jù)采集控制器OO)連接，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)土柱(5)內(nèi)溫度、水分、鹽分?jǐn)?shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、記錄和顯示。
4.如權(quán)利要求1所述的河湖包氣帶滲濾性能的模擬調(diào)控系統(tǒng)，其特征在于，所述地表水位調(diào)控裝置包括通過供水管路順次連接的蓄水箱(22)、供水管道泵(23)、地表水位供水馬氏瓶04)和地表水位調(diào)控柱05)；所述蓄水箱(22)，用于通過供水管道泵為地表水位供水馬氏瓶04)提供試驗(yàn)用水；所述地表水位調(diào)控柱(25)，用于通過調(diào)節(jié)相對(duì)土柱(5)的高度來控制地表水位，模擬不同深度地表水入滲的情景；所述地表水位調(diào)控柱0 通過法蘭盤與所述控滲柱(1)連接。
5.如權(quán)利要求4所述的河湖包氣帶滲濾性能的模擬調(diào)控系統(tǒng)，其特征在于，所述地表水位調(diào)控裝置還包括設(shè)于地表水位調(diào)控柱0 上方的蒸發(fā)模擬裝置；所述蒸發(fā)模擬裝置包括相互連接的功率可調(diào)紅外燈06)和溫控器(27)，所述溫控器、2Τ)的感溫探頭插入地表淹水水體中，用于通過改變功率可調(diào)紅外燈的功率和數(shù)量，模擬多樣化的蒸發(fā)條件，并實(shí)現(xiàn)特定溫度條件下功率可調(diào)紅外燈的自動(dòng)開閉。
6.如權(quán)利要求1所述的河湖包氣帶滲濾性能的模擬調(diào)控系統(tǒng)，其特征在于，還包括遮光裝置，所述遮光裝置包括遮光布，用于對(duì)模擬包氣帶中污染物的環(huán)境進(jìn)行遮光處理，形成不透光的黑暗效果。
7.如權(quán)利要求1所述的河湖包氣帶滲濾性能的模擬調(diào)控系統(tǒng)，其特征在于，所述調(diào)節(jié)柱O)中部開設(shè)有排氣口(觀)，用于在控滲柱(1)更換過程中調(diào)節(jié)柱(2)進(jìn)入空氣時(shí)配合真空泵進(jìn)行抽氣。
8.一種利用權(quán)利要求1-7所述系統(tǒng)對(duì)河湖包氣帶滲濾性能進(jìn)行模擬調(diào)控的方法，其特征在于，包括以下步驟更換控滲裝置中的控滲柱；調(diào)控包氣帶模擬裝置中土柱的數(shù)目和土柱中的材料；調(diào)控地表水以及地下水的水位；利用數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)包氣帶的水量與水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。
9.如權(quán)利要求8所述對(duì)河湖包氣帶滲濾性能進(jìn)行模擬調(diào)控的方法，其特征在于，所述更換控滲裝置中的控滲柱包括更換不同尺寸的控滲柱或者更換不同控滲材料的控滲柱。
10.如權(quán)利要求8所述對(duì)河湖包氣帶滲濾性能進(jìn)行模擬調(diào)控的方法，其特征在于，所述調(diào)控地表水以及地下水的水位包括通過地下水平衡器測(cè)量包氣帶中土壤水與地下水之間的水分轉(zhuǎn)化量。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種河湖包氣帶滲濾性能的模擬調(diào)控系統(tǒng)及其方法，涉及水土資源與環(huán)境工程研究技術(shù)領(lǐng)域，所述系統(tǒng)包括控滲裝置、包氣帶模擬裝置、地下水位調(diào)控裝置以及數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；所述控滲裝置包括控滲柱和調(diào)節(jié)柱；所述調(diào)節(jié)柱上層通過法蘭盤與控滲柱連接，下層通過供水管路和蠕動(dòng)泵與包氣帶模擬裝置相連接；所述包氣帶模擬裝置包括多個(gè)串聯(lián)的土柱，所述地下水位調(diào)控裝置包括通過地下水補(bǔ)充管路連接的地下水供水馬氏瓶和地下水平衡器，所述地下水平衡器通過所述地下水補(bǔ)充管路與所述包氣帶模擬裝置相連接；本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了層狀土壤結(jié)構(gòu)的分層準(zhǔn)確模擬，準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)河湖包氣帶滲濾性能的監(jiān)測(cè)，大大提高了不同類型層狀土壤的模擬精度。
文檔編號(hào)E02B1/02GK102359084SQ20111021689
公開日2012年2月22日 申請(qǐng)日期2011年7月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月29日
發(fā)明者劉澄澄, 李云開, 李鵬翔, 楊培嶺, 梁名超, 毛曉敏 申請(qǐng)人:中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)