本實用新型涉及土壤和地下水污染修復領(lǐng)域，具體涉及一種模擬地下環(huán)境中污染物在飽和非均質(zhì)含水層中遷移轉(zhuǎn)化的三維可視模擬裝置。

背景技術(shù)：

土壤和地下水作為重要的自然資源，在維護我國經(jīng)濟社會健康發(fā)展和生態(tài)環(huán)境等方面發(fā)揮了重要作用。然而，隨著經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，土壤和地下水污染卻日趨嚴重。對于土壤和地下水的污染修復離不開污染物在地下環(huán)境中的遷移行為與轉(zhuǎn)化規(guī)律研究，理論上可通過建立野外大型試驗場獲取污染物濃度的時空分布及水文地質(zhì)條件，結(jié)合數(shù)值模型模擬預測污染特征及修復規(guī)律，但野外原位試驗的密集采樣存在操作復雜、成本高等特點，難以實施。因此，通過搭建科學可行的地下水環(huán)境試驗裝置來模擬污染物遷移規(guī)律可為地下水污染防治工作提供技術(shù)指導。

針對地下水環(huán)境是一個三維、水文條件復雜的系統(tǒng)，目前室內(nèi)針對地下水環(huán)境中污染物的遷移行為研究主要限于一維柱試驗或二維水槽模擬裝置，且對于地下環(huán)境中非均質(zhì)含水層影響污染物遷移規(guī)律的研究相對較少，以致其難以真實反映野外水文地質(zhì)情況。含水層的宏觀非均質(zhì)性影響了污染物的遷移，宏觀非均質(zhì)性地層通常由高透水帶和低透水帶緊密交錯，使得污染物在透水帶以對流為主，在低透水帶以分子擴散為主，當高透水帶的污染物濃度低于低透水帶濃度時，污染物將通過擴散返回高透水帶，因此，在這類系統(tǒng)中去除污染物所需時間較久。模擬研究該類系統(tǒng)中污染物的三維尺度遷移行為尤為迫切，這將為地下環(huán)境中土壤和地下水污染修復提供參數(shù)指導，可為修復技術(shù)選擇和方案設(shè)計提供了理論支撐。此外，模擬裝置中目標污染物的取樣方法(如取樣頻率、取樣體積和取樣速度)對于含水層的流水場影響很大，合理的取樣方法對于模擬的精確性至關(guān)重要。而且現(xiàn)有裝置多為有機玻璃和PVC等材質(zhì)，因其成分含酞酸脂類等污染物，導致無法開展部分有機物的研究，該類型材質(zhì)可能含有毒添加劑和增塑劑，老化后易造成環(huán)境污染及危害實驗人員健康。因此需要選擇一種大尺度模擬裝置用以模擬地下三維水文環(huán)境，并通過設(shè)置污染物投放方式、介質(zhì)填充裝置、取樣裝置、污染物檢測裝置等條件，設(shè)計適宜的取樣體積和取樣速度等參數(shù)，使得該實用新型可三維尺度模擬飽和非均質(zhì)含水層中污染物的遷移及轉(zhuǎn)化研究。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

解決的技術(shù)問題：本實用新型目的在于針對上述存在不足，提供一種模擬地下環(huán)境中污染物在飽和非均質(zhì)含水層中遷移轉(zhuǎn)化的三維可視模擬裝置。該裝置通過設(shè)計不同類型的填充介質(zhì)以模擬地下非均質(zhì)含水層，設(shè)置地下含水層的不同流水場等條件，設(shè)計科學合理的取樣方法，同時連續(xù)監(jiān)測不同水位的污染物和示蹤劑等濃度，分析目標污染物在不同時間、空間的分布與轉(zhuǎn)化，適用于三維尺度研究污染物在地下飽和非均質(zhì)含水層環(huán)境中的遷移轉(zhuǎn)化。

技術(shù)方案：一種模擬地下環(huán)境中污染物在飽和非均質(zhì)含水層中遷移轉(zhuǎn)化的三維可視模擬裝置，包括依次連接的供水裝置、模擬裝置和蓄水裝置，所述模擬裝置為一個帶有上蓋的方形槽體，槽體內(nèi)通過兩個不銹鋼絲網(wǎng)裝置將槽體內(nèi)空間分隔為入水池、含水層和出水池，所述供水裝置與入水池相連，所述蓄水裝置與出水池相連，且槽體位于含水層區(qū)域的側(cè)壁上以及上蓋上均設(shè)有一組采樣孔，采樣孔內(nèi)設(shè)有采樣裝置。

所述供水裝置通過帶有流量計的蠕動泵與入水池管道連接。

所述出水池設(shè)有三根出水管，所述出水管通過四通管匯入一個總出水管后與蓄水裝置連接，所述總出水管上設(shè)有二通閥和取樣閥。

所述蓄水裝置內(nèi)設(shè)有隔板，所述隔板用于固定水頭。

所述采樣裝置為帶有魯爾接口的19-gauge不銹鋼取樣針，取樣針的一端由槽體側(cè)壁或上蓋垂直插入含水層，另一端與帶有魯爾接口的止通閥連接，止通閥的外接口設(shè)有魯爾注射器。

所述不銹鋼絲網(wǎng)裝置由不銹鋼管架、不銹鋼絲網(wǎng)和不銹鋼管架外裹構(gòu)成，不銹鋼管架外裹固定于不銹鋼管架上，所述不銹鋼管架外裹上設(shè)有凹槽，不銹鋼絲網(wǎng)插入凹槽內(nèi)，且可在凹槽內(nèi)滑動。

所述模擬裝置設(shè)于推車上，推車底部設(shè)有轉(zhuǎn)向輪，每個轉(zhuǎn)向輪均設(shè)有制動裝置。

所述上蓋為厚10mm的有機玻璃板，玻璃板上設(shè)有孔徑為3mm的孔，縱向孔間距為10cm，橫向孔間距為15cm。

所述含水層模擬裝置長為120cm、寬為60cm、高為85cm。

所述采樣裝置深淺間隔呈中心對稱分布，其中淺取樣設(shè)于相對的兩個側(cè)壁上，自上而下按每行個數(shù)2-3-4-3-2布置，深取樣設(shè)于單個側(cè)壁上，自上而下按每行個數(shù)4-5-4布置。

有益效果：①本實用新型裝置可根據(jù)野外研究區(qū)的水文地質(zhì)情況，最大程度按比例開展室內(nèi)的物理模擬裝置，鑒于地下水環(huán)境的復雜情況，該三維模擬裝置更能準確反映野外實際水文地質(zhì)條件，能夠滿足地下水污染修復中污染物的多維遷移需求，使研究更具實際的代表性和針對性。②該實驗裝置中含水層裝置采用槽體頂部采樣和側(cè)壁采樣相結(jié)合的方式，一方面避免因側(cè)壁鉆孔過多而影響裝置的穩(wěn)固，增加了裝置的安全性，同時減少了側(cè)壁鉆孔及安裝取樣閥門的成本，頂部采樣設(shè)置也提高了采樣的效率。③通過布設(shè)一定孔徑的取樣針、設(shè)定合適的取樣速度與取樣頻率，更加科學地模擬地下水環(huán)境中污染物的遷移規(guī)律。④該實驗裝置中含水層裝置的槽體材質(zhì)為非鋼化玻璃，其具有親水表面，避免優(yōu)先流的產(chǎn)生，此外對污染物的適應性范圍擴大，能夠涵蓋全部種類有機污染物的模擬研究。⑤該實驗裝置中，通過設(shè)置存放含水層槽體的底部裝置和槽體四周的可拆卸的加固裝置，使得該實驗裝置具有更好的可移動性和穩(wěn)固性。⑥該實驗裝置中，含水層槽體內(nèi)固定的不銹鋼絲網(wǎng)隔網(wǎng)裝置，可根據(jù)模擬研究不同填充介質(zhì)的需要，進行更換所需孔徑的不銹鋼絲網(wǎng)，使得填充層的選擇更靈活和便捷。⑦本實用新型結(jié)構(gòu)設(shè)計靈活，檢測數(shù)據(jù)準確，能夠很大程度上降低污染物遷移與轉(zhuǎn)化模擬的成本，提高模擬研究的工作效率，具有廣泛的應用價值。

附圖說明

圖1為該模擬裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為該模擬裝置中隔網(wǎng)裝置示意圖；

圖3為該模擬裝置中槽體穩(wěn)固架構(gòu)示意圖；

圖4為該移動模擬裝置中槽體側(cè)壁取樣裝置示意圖(俯視)。

供水裝置1、模擬裝置2、蓄水裝置3、不銹鋼絲網(wǎng)裝置4、入水池5、含水層6、出水池7、上蓋采樣孔8、蠕動泵9、出水管10、四通管11、二通閥12、取樣閥13、隔板14、側(cè)壁采樣孔15、不銹鋼管架16、不銹鋼絲網(wǎng)17、不銹鋼管架外裹18、推車19、轉(zhuǎn)向輪20、制動裝置21、螺絲22、螺桿23、不銹鋼框24、帶有魯爾接口的19-gauge不銹鋼取樣針25、止通閥26、魯爾注射器27。

具體實施方式

以下實施例只為說明本實用新型的技術(shù)構(gòu)思及特點，其目的在于讓熟悉此項技術(shù)的人是能夠了解本實用新型的內(nèi)容并據(jù)以實施，并不能以此限制本實用新型的保護范圍。凡根據(jù)本實用新型精神實質(zhì)所做的等效變換或修飾，都應涵蓋在本實用新型的保護范圍之內(nèi)。

實施例1

一種模擬地下環(huán)境中污染物在飽和非均質(zhì)含水層中遷移轉(zhuǎn)化的三維可視模擬裝置，包括依次連接的供水裝置1、模擬裝置2和蓄水裝置3，所述模擬裝置2為一個帶有上蓋的方形槽體，槽體內(nèi)通過兩個不銹鋼絲網(wǎng)裝置4將槽體內(nèi)空間分隔為入水池5、含水層6和出水池7，所述供水裝置1與入水池5相連，所述蓄水裝置3與出水池7相連，且槽體位于含水層區(qū)域的側(cè)壁上以及上蓋上均設(shè)有一組采樣孔，采樣孔內(nèi)設(shè)有采樣裝置。

所述供水裝置通過帶有流量計的蠕動泵9與入水池管道連接。

所述出水池設(shè)有三根出水管10，所述出水管通過四通管11匯入一個總出水管后與蓄水裝置3連接，所述總出水管上設(shè)有二通閥12和取樣閥13。

所述蓄水裝置內(nèi)設(shè)有隔板14，所述隔板用于固定水頭。

所述采樣裝置為帶有魯爾接口的19-gauge不銹鋼取樣針25，取樣針的一端由槽體側(cè)壁或上蓋垂直插入含水層，另一端與帶有魯爾接口的止通閥26連接，止通閥的外接口設(shè)有魯爾注射器27。

所述不銹鋼絲網(wǎng)裝置4由不銹鋼管架16、不銹鋼絲網(wǎng)17和不銹鋼管架外裹18構(gòu)成，不銹鋼管架外裹18固定于不銹鋼管架16上，所述不銹鋼管架外裹18上設(shè)有凹槽，不銹鋼絲網(wǎng)17插入凹槽內(nèi)，且可在凹槽內(nèi)滑動。

所述模擬裝置設(shè)于推車19上，推車底部設(shè)有轉(zhuǎn)向輪20，每個轉(zhuǎn)向輪均設(shè)有制動裝置21。

所述上蓋為厚10mm的有機玻璃板，玻璃板上設(shè)有孔徑為3mm的孔，縱向孔間距為10cm，橫向孔間距為15cm。

所述含水層模擬裝置長為120cm、寬為60cm、高為85cm。

所述采樣裝置深淺間隔呈中心對稱分布，其中淺取樣設(shè)于相對的兩個側(cè)壁上，自上而下按每行個數(shù)2-3-4-3-2布置，深取樣設(shè)于單個側(cè)壁上，自上而下按每行個數(shù)4-5-4布置。

實施例2

一種模擬地下環(huán)境中污染物在飽和非均質(zhì)含水層中遷移轉(zhuǎn)化的三維可視模擬裝置及其取樣方法，包括供水裝置1、模擬裝置2和蓄水裝置3。如圖1所示，所述移動模擬裝置的主體為頂部帶有蓋的方形槽體，將儲存人工地下水的供水裝置1放置在平臺，通過蠕動泵9將流體泵入入水池5，并采用流量計校正蠕動泵流速。出水池端通過聚四氟乙烯穿板接頭將出水管與出水池7連通，三個出水管10通過四通管11匯入一個水管，出水管接有二通閥12和取樣閥13。出水端最終接入蓄水裝置3，蓄水裝置內(nèi)通過隔板14隔開用于固定水頭，蓄水裝置3放置在可自由調(diào)節(jié)高度的卡槽支架。槽體采用12mm厚的非鋼化玻璃加工而成，在非鋼化玻璃板外側(cè)通過不銹角鋼進行加固，并固定于底部可移動推車19上，加固方式具體見圖3，槽體四周由不銹鋼框24架包裹固定，槽體兩側(cè)的不銹鋼框架為厚度3mm、寬40mm的不銹角鋼制成，槽體兩側(cè)框架的下邊分別鉆有3個直徑10mm孔，通過螺絲22固定于推車19底部，在該框架的四角位置分別有直徑20mm孔，在槽體與框架支架填充5mm厚緩沖物，繼而通過4根螺桿23將槽體兩側(cè)的框架箍緊。同樣，在槽體底部兩端分別在角鋼與玻璃之間填充5mm緩沖物，然后通過螺絲22將角鋼固定于槽體底部的推車19上。槽體裝置底部的推車材質(zhì)為不銹鋼，底部裝有可承重的轉(zhuǎn)向輪20，每個輪分別配備制動裝置21。其中不銹鋼絲網(wǎng)裝置如圖2，由不銹鋼管架16、不銹鋼絲網(wǎng)17和不銹鋼架外裹18構(gòu)成，不銹鋼管架近含水層一側(cè)等間距鉆有24個孔，將不銹鋼絲網(wǎng)覆蓋于不銹鋼管架，然后將不銹鋼管架外裹卡在不銹鋼管架上，通過螺絲聯(lián)合固定，最后將該裝置裝入水槽中，并將不銹鋼管架外裹與玻璃接觸的地方用玻璃膠黏合固定，不銹鋼管架外裹上端留有開口槽，便于含水層填充不同介質(zhì)需要進行更換不同孔徑的不銹鋼絲網(wǎng)。為模擬地下飽和含水層的非均質(zhì)性，宏觀非均質(zhì)性常見模式為低透水帶的地段與高透水帶地段相互緊密交錯?？煞謨蓪臃謩e填充低滲透介質(zhì)和高滲透介質(zhì)，每層介質(zhì)的厚度為40cm，同時通過安裝不同長度的取樣針分析污染物在不同空間的濃度，研究污染物在不同滲透系數(shù)介質(zhì)之間的質(zhì)量傳輸系數(shù)，最終研究污染物在飽和非均質(zhì)含水層的遷移規(guī)律。針對本實用新型的樣品采集方式，若僅采用側(cè)壁鉆孔取樣方式，需在側(cè)壁鉆孔41個，其中需安裝30cm取樣針13枚，15cm取樣針28枚。若僅采用頂端垂直取樣，則無法滿足采集同一垂向不同深度的樣品。為此，含水層采樣裝置分為側(cè)壁設(shè)置采樣和頂端設(shè)置采樣，側(cè)壁采樣裝置見圖4(俯視圖)，將帶有魯爾接口的19-gauge不銹鋼取樣針25由側(cè)壁垂直插入含水層，并通過玻璃膠將其固定，不銹鋼針的外端與帶有魯爾接口的聚四氟乙烯止通閥26連接，平常保持閥門處于關(guān)閉狀態(tài)。在進行一定時間間隔采集樣品時，旋轉(zhuǎn)止通閥至開通狀態(tài)，然后通過魯爾注射器27插入止通閥的接口進行樣品采集，一次取樣約2～4mL，并根據(jù)填充含水層介質(zhì)設(shè)置一定取樣速度。在槽體頂部覆有厚10mm有機玻璃板，玻璃板鉆有孔徑為3mm的孔，縱向孔間距為10cm，橫向孔間距為15cm。該實施例中，含水層模擬裝置長為120cm、寬為60cm、高為85cm。所述采樣裝置深淺間隔呈中心對稱分布，其中淺取樣設(shè)于相對的兩個側(cè)壁上，自上而下按每行個數(shù)2-3-4-3-2布置，深取樣設(shè)于單個側(cè)壁上，自上而下按每行個數(shù)4-5-4布置。

表1該實用新型中不同填充介質(zhì)的水體取樣速度(以水力梯度I＝0.005為例)

該模擬裝置為了滿足有機物等污染物在地下水環(huán)境中遷移行為的需求，可通過設(shè)計不同填充介質(zhì)及厚度以模擬污染物在非均質(zhì)含水層中的遷移規(guī)律。

本實用新型的工作原理：

本裝置可根據(jù)野外地層的實際水文地質(zhì)，等比例縮小以模擬野外不同地層。當研究目標污染物的面源污染時的遷移行為，可通過將污染物稀釋到地下水中由蠕動泵連續(xù)泵入槽體，也可將目標污染物放置于含水層中作為點源污染研究。根據(jù)填充介質(zhì)粒徑更換所需孔徑的不銹鋼絲網(wǎng)，根據(jù)污染物的分析方法確定污染物取樣體積，根據(jù)填充介質(zhì)的滲透系數(shù)和水力梯度設(shè)置取樣速度。通過同時連續(xù)監(jiān)測不同水位的污染物和示蹤劑等濃度，分析目標污染物在不同時間、空間的分布與轉(zhuǎn)化，適用于三維尺度研究污染物在地下環(huán)境中遷移轉(zhuǎn)化。

該模擬裝置具體操作步驟包括以下內(nèi)容：

(1)模擬裝置的密閉性和穩(wěn)固性測試

模擬裝置的密閉性和穩(wěn)固性測試分三步進行，①首先在安裝取樣針及隔網(wǎng)裝置前，將硅酮玻璃膠密封玻璃槽體的鉆孔，經(jīng)過24h膠體固化后，槽體貯滿水測試玻璃板連接處及鉆孔的密封效果，并確保無滲透且鉆孔密封性能良好；②其次將取樣針和穿板接頭分別安裝在槽體側(cè)壁和槽體兩端，并通過玻璃膠黏合固定，然后水槽注水測試取樣針及穿板街頭是否有滲漏情況；③在確保前面兩步無滲透現(xiàn)象，在水槽內(nèi)側(cè)兩端分別安裝隔網(wǎng)裝置，并貯滿水檢查裝置的密封效果。

(2)填充非均質(zhì)含水層介質(zhì)

本裝置中含水層可通過填充石英砂或野外土壤，分層填充不同滲透系數(shù)的介質(zhì)模擬地下含水層的非均質(zhì)性，其中石英砂需分別經(jīng)過一定濃度的硝酸和氫氧化鈉等浸泡若干時間，然后用去離子水洗凈，最后高溫烘干；而野外土壤則需經(jīng)過烘干、研磨成粉和過篩等步驟，使得含水層介質(zhì)的粒徑約為0.1～0.8mm。通過填充不同滲透系數(shù)的介質(zhì)模擬地下非均質(zhì)含水層環(huán)境，含水層介質(zhì)的滲透系數(shù)介于2×10^-5～6×10^-1cm/s，高滲透含水層的滲透系數(shù)高于低滲透含水層10倍。填充含水層介質(zhì)選擇濕法填充方式，以保證含水層始終處于飽水狀態(tài)，避免含水層中的空氣殘留。具體填充過程為始終保持高于含水層5cm的自由水面，然后通過燒杯均勻鋪設(shè)含水層，為保持隔網(wǎng)的穩(wěn)固，在入水池和出水池中同時填充直徑2～4cm的鵝卵石，并使得鵝卵石的填充高度與含水層的填充高度保持一致。

(3)投加目標污染物與示蹤劑

配制人工模擬地下水礦物營養(yǎng)鹽溶液，模擬地下水中的大量元素(FeSO₄、MgSO₄、NH₄Cl、Na₂HPO₄)和痕量元素(MnCl₂、CoCl₂、CaSO₄、ZnSO₄等)，可將污染物和示蹤劑溶解在地下水溶液中，然后根據(jù)測定含水層滲透系數(shù)值設(shè)定地下水流速，并通過蠕動泵將含有目標污染物和示蹤劑的地下水溶液連續(xù)泵入槽體入水池。

(4)污染物取樣方法

裝置正常穩(wěn)定運轉(zhuǎn)之后，為獲取目標污染物和示蹤劑的時間、空間分布情況，需按照目標污染物分析方法和地下水流速大小等進行設(shè)置取樣體積和取樣頻率，為降低取樣對含水層流場的影響，取樣速度不得超過槽體水流速度的5％，本裝置的采樣速度在1～2mL/min，在保證足夠樣品用于化學定量分析的前提下，每個取樣孔的單次取樣體積在2～4mL。

(5)含水層定期消毒處理

為抑制含水層中微生物的生長，將一定量甲醛混勻在緩沖溶液中，并通過蠕動泵定期進行沖刷含水層，避免微生物繁殖代謝對含水層滲透性及污染物遷移和轉(zhuǎn)化行為造成干擾。