一种模拟岩溶间污染物迁移-扩散过程的装置

1.本发明涉及资源与环境技术领域，尤其涉及一种模拟岩溶间污染物迁移-扩散过程的装置。


背景技术：

2.我国岩溶地貌十分普遍，岩溶区约占我国国土面积的三分之一。随着社会经济的不断发展，我国岩溶区发生污染的状况也愈演愈烈。因岩溶含水介质具有强烈的非均一性，可分为孔、隙、缝、管、洞多种个体及组合形态，从而形成了复杂的岩溶地下水循环特征，这对地下水的污染修复带来了极大的挑战。这其中地下溶潭(洞穴)是岩溶发育程度最高的一级岩溶含水介质，对地下水起暂时储存和稀释的作用。当污染事件发生时，污染物有的直接进入到岩溶管道，有的经由包气带中的裂隙进入地下含水层，再进入到岩溶管道中的地下暗河，当地下暗河中存在地下溶潭或存在虹吸式岩溶管道与溶潭组合结构时，污染物能够在地下溶潭中暂时储存、吸附或降解。因此，利用物理模型定量研究污染物在多种因素协同作用下在地下水中存在、扩散和弥散变化的情况便有着重要的意义。目前技术对溶潭的认知一般为：地下溶潭能对污染物峰值浓度具有错峰作用，但是存在增加污染物拖尾时间的情况，对溶潭的影响依然停留于定性分析的层面，且很少考虑到复杂的地下岩性分布往往出现并非单一溶潭存在的情况。更是缺乏对污染物在溶潭结构、包气带和地下岩溶管道构成的虹吸管等的协同作用下扩散与弥散作用的定量化研究。


技术实现要素：

3.针对上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种模拟岩溶间污染物迁移-扩散过程的装置，
4.为达到上述目的，一种模拟岩溶间污染物迁移-扩散过程的装置，包括：流水注入阀、溶质注入装置和溶潭载体；所述溶质注入装置包括污染物注入阀，污染物注入阀位于流水注入阀上方，所述流水注入阀和污染物注入阀均连接于溶潭载体，溶潭载体入口、溶潭载体内和溶潭载体出口处均插入有电导率自动检测仪器探针，用于实时监测溶潭载体入口前、溶潭载体内、溶潭出口处溶液中的溶质浓度的变化情况。
5.进一步地，所述污染物注入阀为带有可加装带卡口砂槽的污染物注入阀。
6.进一步地，当需要模拟污染物下渗的包气带条件时，污染物注入阀下方设置砂槽，通过改变砂槽内充填物用来模拟不同的包气带。
7.进一步地，所述砂槽为一具有上下接口的圆柱桶。
8.进一步地，所述装置还包括若干三通管和金属管，所述若干三通管包括三通管一、三通管二及三通管三；三通管一左端接口和右端接口分别连接流水注入阀和污染物注入阀，三通管一下端接口通过软管连接三通管二左端接口，三通管二右端接口通过软管与溶潭载体连接，三通管三左端接口通过金属管与溶潭载体连接，三通管三右端接口通过软管直接出水；通过改变进入三通管一右端接口的污染物的注入方式来模拟瞬时性注入源、持
续污染源以及间歇性污染物进入溶潭载体的场景；
9.当模拟注入污染源为持续污染源或间歇性污染源时，三通管一右端接口连接污染物注入阀分别来持续注入溶质或间歇注入溶质；
10.当模拟注入污染源为一次性注入式污染源时，三通管一右端接口使用针管注射器的方式注入溶质；
11.当模拟污染源直接排入溶潭载体中时，只需将污染物注入阀直接和三通管一右端接口相连接。
12.进一步地，所述污染物注入阀与砂槽和三通管一右端接口依次相连，三通管一下端接口连接三通管二左端接口，三通管二右端接口连接溶潭载体；通过改变三通管二右端接口接入溶潭载体的位置，用来模拟改变溶潭载体入口的水力梯度差、流动水与非流动水区域比例以及溶潭与相接的岩溶管道的接口位置。
13.进一步地，所述装置还包括金属管，该金属管分别连接溶潭载体出口和三通管三左端接口。
14.进一步地，所述装置还包括若干铁架台，所述若干铁架台包括铁架台一及铁架台二，铁架台一用于固定三通管一及调节三通管一所在的高度，铁架台二用于固定金属管，通过调节金属管的高度来设置虹吸条件，以改变溶潭的出水周期。
15.进一步地，通过改变设置溶潭载体的倾斜程度和/或封盖来模拟不同形态的溶潭。
16.进一步地，所述溶潭载体上设置有若干对称分布的接口，其顶端设置有经过防水处理的掀盖，其底部设置有旋杆、受旋杆控制的上升活塞装置、水平仪和若干可调节底脚，通过旋转旋杆可以用于改变溶潭载体的容量。
17.进一步地，所述三通管二上端接口和溶潭载体内插入有电导率自动检测仪器探针，用于通过电导率自动监测仪实时监测进入溶潭、溶潭内及从溶潭处离开的溶液当中溶质浓度的变化情况，根据溶质浓度变化情况得到各个位置的浓度变化曲线，模拟分析得到溶潭内部溶质清除干净所需时间受溶潭自身、污染源注入方式以及虹吸作用介入与否的影响，即研究污染方式、水力条件以及介质结构对污染物迁移扩散规律的影响。
18.本发明提供的技术方案带来的有益效果是：本发明能够通过改变模拟污染物的源头、是否增加包气带条件、溶潭形态结构、虹吸管条件等因素，对污染物在不同情况下扩散与弥散的情况进行分析研究，快速得到不同条件下各处溶液中溶质的浓度曲线，结构简单，操作方便，能够定量化地分析研究污染物运移受到包气带、地下溶潭、地下岩溶管道等诸多因素综合作用的影响。
附图说明
19.下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
20.图1是本发明实施例中模拟污染物运移受污染物进入方式、溶潭及虹吸管等综合作用影响的装置的结构图。
21.图2是本发明实施例中圆柱桶正视图。
22.图3是本发明实施例中砂槽正视图。
具体实施方式
23.为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
24.如图1所示，本发明的一种模拟岩溶间污染物迁移-扩散过程的装置，作为一个用来模拟污染物运移受污染物进入方式、溶潭及虹吸管等综合作用影响的装置，具体包括：流水注入阀1、污染物注入阀2、砂槽3、三通管一4、铁架台一5、三通管二6、溶潭载体7、金属管8、铁架台二9、三通管三10和电导率自动监测仪器。本实施例中，该溶潭载体为圆柱型桶，如图2所示，其设置有对称分布的接口，从上往下，从左到右依次为接口a-f，旋杆控制上升活塞装置g、水平仪h，均布圆柱桶底部的可调节底脚i-l，经过防水处理的掀盖m。通过旋转旋杆可以用于改变圆柱型桶的容量。本实施例中，三通管一4、三通管二6、三通管三10、溶潭载体7中接口a-f以及砂槽上下接口均为100mm接口，金属管10为多节的具备一定侧向伸缩能力的不锈钢管。
25.所述污染物注入阀2为带有可加装带卡口砂槽的污染物注入阀，砂槽3位于污染物注入阀2下方，三通管一4左端接口和右端接口分别连接流水注入阀1和污染物注入阀2，三通管一4下端接口连接三通管二6左端接口，溶潭载体分别连接三通管二6右端接口和金属管8入口，金属管8出口连接三通管三10左端接口，三通管三10右端接口通过软管直接出水；通过改变进入三通管一4右端接口的污染物的注入方式来模拟瞬时性注入源、持续污染源以及间歇性污染物进入溶潭载体的场景。铁架台一5用于固定三通管一4及调节三通管一4所在的高度，铁架台二9用于固定金属管8，通过调节金属管8的高度来设置虹吸条件，可以改变溶潭的出水周期。通过改变三通管二6右端接口接入溶潭载体7的位置，可以用来模拟改变溶潭入口的水力梯度差、流动水与非流动水区域比例以及溶潭与相接的岩溶管道的接口位置。通过改变设置溶潭载体7的倾斜程度和/或封盖等可以用来模拟不同形态的溶潭。
26.当模拟注入污染源为持续污染源时，三通管一4右端接口连接污染物注入阀2来持续注入溶质；
27.当模拟注入污染源为间歇性污染源时，三通管一4右端接口连接污染物注入阀2来间歇注入溶质；
28.当模拟注入污染源为一次性注入式污染源时，三通管一4右端接口使用针管注射器的方式注入溶质；
29.当模拟污染源直接排入溶潭载体7中时，只需将污染物注入阀2直接和三通管一4右端接口相连接。
30.三通管二6上端接口、溶潭载体7内和溶潭载体7出口处设置的三通管三10上端接口内均插入有电导率自动检测仪器探针11，用于通过电导率自动监测仪实时监测进入溶潭、溶潭内及从溶潭处离开的溶液当中溶质浓度的变化情况，根据溶质浓度变化情况得到各个位置的溶质浓度变化曲线，模拟分析得到溶潭内部溶质清除干净所需时间受溶潭自身、污染源注入方式以及虹吸作用介入与否的影响，这里的溶质就是通过污染物注入阀2注入的污染物。通过该方式可以很清楚快速方便地研究出污染方式、水力条件以及介质结构等对污染物迁移-扩散规律的影响。
31.本装置具备有多种模拟溶潭、岩溶裂隙等不同岩溶结构、包气带等组合协同作用的功能，可以根据功能的选择对装置结构进行调整，可以实现的模拟功能包括如下：
32.功能1：模拟污染物直接进入单一非承压规则溶潭，在溶潭作用后直接排出，此时不需要设置包气带作用与虹吸管作用，即不需要设置砂槽3和铁架台二9，直接将污染物注入阀2和三通管一4相连，溶潭载体上方掀盖m打开，根据需要设置溶潭载体7底部高程，通过底部配备的水平仪h进行矫正溶潭载体7水平。
33.功能2：模拟污染物经过包气带作用后，进入单一非承压规则溶潭，在溶潭作用后直接排出，此时需要设置包气带作用，不需要设置虹吸管作用，即设置砂槽3，不设置铁架台二9，选择合适的砂槽填充物，溶潭载体7上方掀盖m打开，根据需要设置溶潭载体7底部高程，通过底部配备的水平仪h进行矫正溶潭载体7水平。
34.功能3：模拟污染物直接进入单一非承压规则溶潭，经过虹吸作用(设置铁架台二9)后排出，此时不需要设置砂槽3，溶潭载体7上方掀盖m打开，根据需要设置溶潭载体7高程，通过底部配备的水平仪h进行矫正溶潭载体7水平。需要根据模拟对象虹吸作用的强弱，使用铁架台二9设置金属管8相对溶潭载体7的最大高程。
35.功能4：模拟污染物经过包气带作用后，进入单一非承压规则溶潭，经过虹吸作用后排出，此时需要设置包气带作用，选择合适的砂槽填充物，溶潭载体7上方掀盖m打开，根据需要设置溶潭载体7底部高程，通过底部配备的水平仪h进行矫正溶潭载体7水平。需要根据模拟对象虹吸作用的强弱，使用铁架台二9设置金属管8相对溶潭载体7的最大高程。
36.功能5：模拟污染物经过包气带作用后，进入串联多个非承压规则溶潭，经过虹吸作用后排出，此时需要设置包气带作用，选择合适的砂槽填充物，通过金属管8分别连接溶潭载体7的多个接口，溶潭载体上方掀盖m打开，根据需要设置不同的溶潭载体7高程，通过底部配备的水平仪h进行矫正溶潭载体7水平。需要根据模拟对象虹吸作用的强弱，使用铁架台二9设置金属管8相对溶潭载体7的最大高程。
37.功能6：模拟污染物经过包气带作用后，进入单一承压承压规则溶潭，经过虹吸作用后排出，此时需要设置包气带作用，选择合适的砂槽填充物，溶潭载体7上方掀盖m关闭，根据需要设置溶潭载体7高程，通过底部配备的水平仪h进行矫正溶潭载体7水平。需要根据模拟对象虹吸作用的强弱，使用铁架台二9设置金属管8相对溶潭载体7的最大高程。在实验前，需要进行排气处理。
38.功能7：模拟污染物经过包气带作用后，进入单一非承压不规则溶潭，经过虹吸作用后排出，此时需要设置包气带作用，选择合适的砂槽填充物，溶潭载体7上方掀盖m打开，根据需要设置溶潭载体7高程，通过溶潭载体7的底脚i、j、k、l设置不同的溶潭形态。需要根据模拟对象虹吸作用的强弱，使用铁架台二9设置金属管8相对溶潭载体7的最大高程。
39.功能8：探究溶潭体积变化对溶质运移过程的影响，此时不需要设置包气带作用与虹吸管作用，溶潭载体上方掀盖m打开，根据需要设置溶潭载体7高程，通过底部配备的水平仪h进行矫正溶潭载体7水平。设置多组实验改变溶潭载体7底部高程，设置对照试验。
40.在确定好需要模拟的功能后，具体实施方法及详细步骤如下：
41.一、设置合适的高度，使用铁架台一5将三通管一4固定。通过软管将流水注入阀1接入三通管一4左端接口，调节流水注入阀1来控制进入三通管一4内注入水的流量。
42.二、选择目标模拟的污染源，调节污染物注入阀2开关。选择需要模拟的污染源注入方式，根据污染源的一次性注入、间歇性注入、持续注入的特点，手动对污染物注入阀2进行调整。为了操作简单，不同的污染物注入形式需要专业技术人员自行定夺。
43.三、依据模拟的流程当中污染物是否需要经过包气带，以及包气带中的岩性分布，对砂槽3布置与否以及砂槽3中岩性分布进行选择。确定需要模拟污染物入渗经过包气带条件后，则需要设置如图3所示的砂槽3，并对砂槽3进行填充。砂槽3上端接污染物注入阀2，砂槽下端接三通管一4右端接口。若是，不需要经过包气带，则不设置砂槽3，污染物注入阀2通过软管直接连接三通管一4右端接口。
44.四、三通管一4下端接口连接软管左端，软管右端接三通管二6左端接口。三通管6上端接口接入电导率自动监测仪器探针11，电导率自动监测仪器探针11与三通管二6上端的相接处需要进行防渗处理，本实施例中使用了防水胶布缠绕的方法进行防渗。
45.在使用电导率自动监测仪器时，仪器探针11部分的位置应该深入三通管二6和三通管三10当中一定部位，这样在能够精准测量的同时，也避免溶质在探针处积累。因此，在模拟实验开始前，需要事先确定探针所在位置。确定方法为：按照目标模拟污染物组装好仪器后，污染物流入阀2处使用持续的注入模式，反复调整探针位置，直到探针布置于三通管二6与三通管三10某处时，所测得的溶质浓度不随时间改变为止，此时探针的布置即达到了深入一定高度的目的，满足了设计要求。
46.五、根据模拟的溶潭条件——是否为承压溶潭，选择是否关闭溶潭载体7当中的掀盖m，其中掀盖m进行了防渗处理，使用卡扣进行固定。当选择模拟承压溶潭时，关闭掀盖m，利用卡口固定掀盖m后，在仪器组装完毕，使用前，应当对溶潭载体7进行排气处理。当选择模拟非承压溶潭时，打开掀盖m。
47.六、根据模拟的溶潭条件——出入口的分布情况以及目标研究的流动区与非流动区的比例，选择溶潭载体7当中的接口a-f接入软管及出水的金属管8。选择需要监测溶质变化情况的水层所在位置对应的接口，插入进行防渗处理后的电导率自动探测仪器探针11，剩余接口使用橡胶塞进行堵塞，橡胶塞应当偏长，足够塞入到溶潭载体7当中并稍突出，以防止溶质在溶潭载体7中的接口处积存。且橡胶塞长度不能过长，否则容易对溶潭内液体流动及溶质扩散与弥散条件产生较大影响。
48.此处模拟目标流动区与非流动区的比例，需要在仪器组装完毕后，根据溶潭载体7中各层位的电导率自动监测仪所得数据进行判断。且由于所设溶潭载体7当中接口有限，仅能得出流动区与非流动区大致比例，本领域专业技术人员在工作时，可以在不脱离实验原理的基础上，进一步对溶潭载体里的接口进行加密分布。
49.七、根据模拟的溶潭条件——溶潭体积，设置溶潭载体水平底板的高低。选择合适溶潭体积后，调节溶潭载体7当中的旋杆控制上升活塞装置g，对溶潭载体7的底部高程进行设置。
50.八、根据模拟的溶潭的形态，对溶潭载体7的四个底脚i-l的高低进行设置，若是需要设置水平条件，可以依据溶潭载体底部装置的水平仪h进行判断。当设置溶潭一侧较高，一侧较低时，可以模拟一些特殊的非规则溶潭。
51.九、根据是否需要设置虹吸作用的条件，设置金属管8的位置。当不需要设置虹吸作用条件时，讲金属管8直接放置于低于出口高度处位置。当需要设置虹吸作用条件时，将金属管9架设于铁架台二9上。虹吸作用的强弱影响溶潭内部水更换的周期大小。在根据需要模拟的岩溶管道的虹吸作用强弱后，调节铁架台二9高度适当，固定安装。
52.十、将金属管8的右端接上三通管三10的左端接口，三通管三10右端接口直接出
水，三通管三10上端接口接入电导率自动监测仪器探针，需要对电导率自动监测仪器探针与三通管三10上端接口的相接处进行防渗处理，本实施中此处也是使用防水胶布缠绕的方法进行防渗处理。
53.十一、完成模拟实验的设置工作后，检查装置连接组装的密封性。在密封性完好的情况且符合实验要求情况下，将电导率自动监测仪器探针与数据分析与记录设备连接，接通电源后通过三处的电导率自动监测仪器对入溶潭前、溶潭内，出溶潭后的溶质浓度进行监测，得到三处的浓度变化曲线，模拟分析得到溶潭内部溶质清除干净所需时间受溶潭自身、污染源注入方式以及虹吸作用介入与否的影响。本实例中使用的溶液为高浓度nacl溶液，得到相关结果。
54.此外，本装置可以额外对溶潭载体等进行适当加热，研究加入温度等因素对污染物的弥散与扩散的影响。
55.根据上述原理，本实施例以实现上述功能4(即模拟模拟污染物经过包气带作用后，进入单一非承压规则溶潭，经过虹吸作用后排出)为例，探究在包气带、溶潭和发挥虹吸作用的岩溶管道的协同作用下，溶潭内污染物受水流冲刷净化达标所需时长与虹吸作用大小的关系。示例实验是在常温的实验室环境中进行的，下面对实例进行详细描述：
56.1、仪器的组装与放置：砂槽3中填充入粒径1mm的砂，在填充过程中逐层压实。将三通管一4通过铁架台一5设置高度在以实验室地面为基准的150cm处，三通管一4上左端接口通过软管接入流水注入阀1，三通管一4右端接口与砂槽3下端相连接，砂槽3上端连接污染物注入阀2。三通管一4下端接口通过软管与三通管二6左端接口相连。三通管二6右端接口通过软管连接溶潭载体7中的b接口。溶潭载体7放置于地面，四个底脚均设置最低，水平底板通过旋杆g设置到最低处，此时底部设置的水平仪h其内气泡居中，代表溶潭载体7整体水平，若是水平仪h内气泡不居中，则需要调整溶潭载体底脚使其气泡居中。溶潭载体7中的f接口连接金属管8一端。调节金属管8形状为一上凸形态，使用铁架台二9将金属管8架起到金属管8凸起顶部高度为以实验室地面为基准的80cm处。金属管8另一端通过软管过渡与三通管三10相连。三通管三10右端接口直接连接软管后出水。在三通管二6与三通管三11上端接口均接入了使用防渗胶布包裹的电导率自动监测仪探针11，探针11接通电导率自动监测仪的数据分析与记录部分。在溶潭载体7剩余的a、c、d、e接口同样接入使用了防渗胶布包裹的电导率自动监测仪探针11，探针11接通电导率自动监测仪的数据分析与记录部分，接通电导率自动监测仪电源。
57.2、实验具体操作：在示例实验中，首先打开并调节流水注入阀1，在溶潭载体7内形成周期性稳定水流后(此处水流高度由于存在的用以模拟发挥虹吸作用的岩溶管道金属管8，因此在达到动态平衡后，溶潭载体7水流周期性变化)。在观察几个变化周期，溶潭载体7中的水位变化趋于稳定规律后，打开污染物注入阀2，往砂槽3内注入高浓度的nacl溶液50ml。通过六处接入的电导率自动监测仪探针11监测三通管二6、溶潭载体7各处以及三通管三10这几个位置处的溶质变化情况，记录相关数据。这里的溶质模拟的是污染物。随后调节铁架台二9的高度来改变模拟岩溶管道的金属管8的最大高度，再次重复上述操作。通过分析金属管8不同最大高度情况下，溶潭内部水体在流水冲刷下溶质的变化情况，探究污染物受水流冲刷净化达标所需时长与虹吸作用大小的关系。
58.本发明的有益效果是：本发明能够通过改变模拟污染物的源头、是否增加包气带
条件、溶潭形态结构、虹吸管条件等因素，对污染物在不同情况下扩散与弥散的情况进行分析研究，快速得到不同条件下各处溶液中溶质的浓度曲线，结构简单，操作方便，能够定量化地分析研究污染物运移受到包气带、地下溶潭、地下岩溶管道等诸多因素综合作用的影响。
59.以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。