[发明专利]一种污染物迁移转化的三维可视模拟装置的取样方法

摘要

一种模拟地下环境中污染物在多孔介质中迁移转化的三维可视模拟装置。包括依次连接的供水装置、模拟装置和蓄水装置，所述模拟装置为一个带有上盖的方形槽体，槽体内通过两个不锈钢丝网装置将槽体内空间分隔为入水池、含水层和出水池，所述供水装置与入水池相连，所述蓄水装置与出水池相连，且槽体位于含水层区域的侧壁上以及上盖上均设有一组采样装置。该装置通过设计不同类型的填充介质以模拟地下非均质含水层，设置地下含水层的不同流水场等条件，设计科学合理的取样方法，同时连续监测不同水位的污染物和示踪剂等浓度，分析目标污染物在不同时间、空间的分布与转化，适用于三维尺度研究污染物在地下饱和非均质含水层环境中的迁移转化。

主权项

1.一种模拟地下环境中污染物在多孔介质中迁移转化的三维可视模拟装置的取样方法，其特征在于所述装置包括依次连接的供水装置（1）、模拟装置（2）和蓄水装置（3），所述模拟装置（2）为一个带有上盖的方形玻璃槽体，槽体内通过两个不锈钢丝网装置（4）将槽体内空间分隔为入水池（5）、含水层（6）和出水池（7），所述供水装置（1）与入水池（5）相连，所述蓄水装置（3）与出水池（7）相连，且槽体位于含水层区域的侧壁上以及上盖上均设有一组采样孔，采样孔内设有采样装置；所述供水装置通过带有流量计的蠕动泵（9）与入水池管道连接；所述出水池设有三根出水管（10），所述出水管通过四通管（11）汇入一个总出水管后与蓄水装置（3）连接，所述总出水管上设有二通阀（12）和取样阀（13）；所述蓄水装置内设有隔板（14），所述隔板用于固定水头；所述采样装置为带有鲁尔接口的19‑gauge不锈钢取样针（25），取样针的一端由槽体侧壁或上盖垂直插入含水层，另一端与带有鲁尔接口的止通阀（26）连接，止通阀的外接口设有鲁尔注射器（27）；所述不锈钢丝网装置（4）由不锈钢管架（16）、不锈钢丝网（17）和不锈钢管架外裹（18）构成，不锈钢管架外裹（18）固定于不锈钢管架（16）上，所述不锈钢管架外裹（18）上设有凹槽，不锈钢丝网（17）插入凹槽内，且可在凹槽内滑动；所述模拟装置设于推车（19）上，推车底部设有转向轮（20），每个转向轮均设有制动装置（21）；所述上盖为厚10mm的有机玻璃板，玻璃板上设有孔径为3mm的孔，纵向孔间距为10cm，横向孔间距为15cm；所述含水层模拟装置长为120cm、宽为60cm、高为85cm；所述采样装置深浅间隔呈中心对称分布，其中浅取样设于相对的两个侧壁上，自上而下按每行个数2‑3‑4‑3‑2布置，深取样设于单个侧壁上，自上而下按每行个数4‑5‑4布置；模拟装置的密闭性和稳固性测试：模拟装置的密闭性和稳固性测试分三步进行，①首先在安装取样针及不锈钢丝网装置前，将硅酮玻璃胶密封玻璃槽体的钻孔，经过24h胶体固化后，槽体贮满水测试玻璃板连接处及钻孔的密封效果，并确保无渗透且钻孔密封性能良好；②其次将取样针和穿板接头分别安装在槽体侧壁和槽体两端，并通过玻璃胶黏合固定，然后槽体注水测试取样针及穿板街头是否有渗漏情况；③在确保前面两步无渗透现象，在槽体内侧两端分别安装不锈钢丝网装置，并贮满水检查装置的密封效果；填充非均质含水层介质：本装置中含水层通过填充石英砂或野外土壤，分层填充不同渗透系数的介质模拟地下含水层的非均质性，其中石英砂分别经过硝酸和氢氧化钠浸泡，然后用去离子水洗净，最后烘干；而野外土壤则经过烘干、研磨成粉和过筛步骤，使得含水层介质的粒径为0.1~0.8mm；通过填充不同渗透系数的介质模拟地下非均质含水层环境，含水层介质的渗透系数介于2×10^‑5~6×10^‑1cm/s，高渗透含水层的渗透系数高于低渗透含水层10倍；填充含水层介质选择湿法填充方式，以保证含水层始终处于饱水状态，避免含水层中的空气残留；具体填充过程为始终保持高于含水层5cm的自由水面，然后通过烧杯均匀铺设含水层，为保持不锈钢丝网装置的稳固，在入水池和出水池中同时填充直径2~4cm的鹅卵石，并使得鹅卵石的填充高度与含水层的填充高度保持一致；投加目标污染物与示踪剂：配制人工模拟地下水矿物营养盐溶液，模拟地下水中的大量元素FeSO₄、MgSO₄、NH₄Cl和Na₂HPO₄，以及痕量元素MnCl₂、CoCl₂、CaSO₄和ZnSO₄，将污染物和示踪剂溶解在地下水溶液中，然后根据测定含水层渗透系数值设定地下水流速，并通过蠕动泵将含有目标污染物和示踪剂的地下水溶液连续泵入槽体入水池；污染物取样方法：装置正常稳定运转之后，取样速度不超过槽体水流速度的5%，本装置的采样速度在1~2mL/min，在保证足够样品用于化学定量分析的前提下，每个取样孔的单次取样体积在2~4mL；含水层定期消毒处理：为抑制含水层中微生物的生长，将甲醛混匀在缓冲溶液中，并通过蠕动泵定期进行冲刷含水层，避免微生物繁殖代谢对含水层渗透性及污染物迁移和转化行为造成干扰。