[发明专利]组件式垂直饱和土柱污染物迁移试验装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种土壤及地下水污染物迁移试验模拟装置，尤其是污染物在垂直饱和土柱中的迁移试验。

技术背景

近年来，随着国家经济的迅猛发展，国内环境遭到一定程度的破坏，水资源环境也受到严重的污染，随着地表淡水资源污染的加剧，地下水污染问题也将日益突出。因此，研究污染物在土壤和地下水中的迁移规律及其影响因素十分重要。将有助于地下水污染物的治理，以及污染情况的预测和评定。垂直饱和土柱试验模型是国内外研究土壤和地下水中污染物迁移的重要手段，通过该模型试验可以掌握污染物纵向迁移的基本规律。该类模型试验是研究土壤和地下水污染的基础，对进一步的研究有重要的指导作用。

目前，实验室所用的垂直饱和土柱模型较为简单，原理基本相同，但在实际使用过程中存在以下三个方面的问题：模型误差系统问题、土样采集问题和模型利用重复率问题。

第一方面，模型系统误差问题，该问题是所有物理试验模型都存在的。现有的模型存在以下问题：

（1）定水头供水问题。部分淋滤试验采用花洒或直接滴水的方式供水，不同土柱渗透能力不同，顶部滞留的水体厚度不同也不稳定，不能为土柱提供稳定水头的供水，同时也难以使用大水头的条件，使得试验时间较长，效率较低。

（2）上边界浓度空间分布不均匀问题。现有的模型均未考虑上边界浓度的空间差异性，但由于边界效应，在同一平面内，中心部与周围边界部污染物的迁移速率存在差异，导致上边界浓度出现空间差异；此外，现有的供水方式（无论是开放式滴入抑或密闭式注入），均导致注入的溶液存在一定的流速，流速的空间分布不均匀（中部大，周围小）同样导致上边界浓度空间分布不均匀；再者，土柱本身渗透系数和弥散度也存在空间的差异，也会导致相同的问题。

（3）上边界溶液更换问题。现有的模型试验至少需要用到两种溶液，一种为纯水，用来降低土柱中本底溶质的浓度，以及使土柱内溶液流速预先达到稳定状态，另一种为试验所用污染物溶液。若不将原溶液排出，当直接加入污染物溶液时，两者的混合将导致上边界初始浓度较预想的浓度低，使得试验进展缓慢，将极大的影响后续试验，造成很大的系统误差。

（4）模型内壁水流短路问题。现有的模型内壁较为平直，部分模型会磨砂处理，但效果不明显，仍然有可能使得溶液易于在内壁流动，使得模型产生较大误差。

第二个方面，土样采集问题。除了需要采集底部出流水样外，在试验结束后还需要分层采集不同深度的土壤样本。现有的模型大多为一体成型，土柱细长，且只有上端开口，难以采集特定部位的土样；而部分分段式的模型不能再一分为二，这样的设计都难以满足采集土样的要求。

另一个方面，模型重复利用率问题。由于现有的模型没有固定的规格，或者不分段，不能适应多种不同长度或深度的试验，模型重复利用率低。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术中的不足，提供一种组件式垂直饱和土柱污染迁移试验装置，其结构简单，设计合理，系统误差小，取样方便且重复利用率高，便于推广使用。

本发明提出的组件式垂直饱和土柱污染迁移试验装置，包括试验土柱和供水装置2，其中：

所述试验土柱由上部进水组件15、中部装样组件12和下部出水组件11组成，所述上部进水组件15、中部装样组件12和下部出水组件11均自带法兰盘14，中部装样组件12按一定角度错开后连接，通过组装不同数量和规格的中部装样组件12，以满足不同试验要求；

所述供水装置2由马氏瓶1、玻璃管3和橡胶塞4组成，马氏瓶1通过管道连接玻璃管3，玻璃管3从橡胶塞4中间穿过，橡胶塞4与上部进水组件15密闭连接，通过改变马氏瓶高度，提供不同水头的定水头供水条件；

所述上部进水组件15包括外壳、内芯5和透水石6，所述内芯5放置于外壳内，所述外壳底部有排水口7，待测土样装样于中部装样组件15后将所述透水石6放置于土层顶部；所述内芯5包括上部扰流层和下部螺旋混合层，所述上部扰流层包括扰流片5-1和扰流环5-2，所述扰流片5-1为圆盘，所述扰流片5-1和扰流环5-2间隔布置；通过扰流层，改变了水流路径，使柱状水流转化为扩散的面流，束窄的断面增大了平均流速，加强了上部边界溶液的混合；所述下部螺旋混合层为涡轮叶片5-3，水流带动涡轮叶片5-3转动，使上部边界溶液进一步混合；

所述中部装样组件12内间隔布置阻水环8；

所述下部出水组件内置透水石，底部为出水管。

本发明中，所述阻水环8突出内壁2-3mm，坡度为1:3-1:2，间隔30-40mm布置。