一种基于地下水动态模拟实验平台的自然降雨模拟实验方法

摘要

本发明涉及一种基于地下水动态模拟实验平台的自然降雨模拟实验方法，具体是先设置地下水动态模拟实验平台，再在所述地下水动态模拟实验平台中装填入模拟典型水文地质单元的含水层介质，最后在所述地下水动态模拟实验平台上进行自然降雨模拟实验。本发明针对不同药品可通过多种方式进入箱式壳体内的包气带和含水层介质中，通过模拟雨淋装置加入“面状”药品，可以观察药品从地表如何穿过包气带进入含水层，并在含水层中如何实现迁移转化的过程。本发明提高了模拟实验的保真度，降低了模拟实验的成本，为地下水的原位生物修复技术、可渗透性反应墙工艺、土壤原位淋洗修复工艺等水文地质的研究实验项目提供了可靠的实验基础。

主权项

一种基于地下水动态模拟实验平台的自然降雨模拟实验方法，其特征是，先设置地下水动态模拟实验平台，再在所述地下水动态模拟实验平台中装填入模拟典型水文地质单元的包气带和含水层介质，最后在所述地下水动态模拟实验平台上进行自然降雨模拟实验；所述地下水动态模拟实验平台包括动态模拟装置、曝气装置、模拟雨淋装置和中控计算机；所述动态模拟装置的主体为长方形的箱式壳体，所述箱式壳体采用有机玻璃板加工而成，外围采用不锈钢方管加固和支撑；在所述箱式壳体的前壁板与后壁板的内侧按100mm的间距设置有若干直立的凹形卡槽，所述卡槽的下沿与所述箱式壳体的底板相接触，所述卡槽的上沿与所述箱式壳体的上口平齐；在所述箱式壳体的前壁板与后壁板上的位置相对的两个所述卡槽之间插接一张矩形的多孔配水板，在所述多孔配水板的板面上密布有孔径为2mm的过流孔眼，所述多孔配水板的下沿与所述箱式壳体的底板相接触，所述多孔配水板的上沿与所述箱式壳体的上口相平齐；在所述箱式壳体的一端侧壁板上接有分层设置的若干进水口，在所述箱式壳体的另一端的侧壁板上接有分层设置的若干出水口，所述进水口和所述出水口均由孔径为8mm的有机玻璃管制成，在所述箱式壳体的侧壁板上呈矩阵分布；在所述箱式壳体的前壁板与后壁板上分别设置有若干分层设置的由孔径为8mm有机玻璃管制成的采样口，所述采样口分布在由所述多孔配水板分隔开的每个样品空间所对应的前壁板或后壁板上，在每个所述采样口上安装有取样器或者封接有封口塞，在所述箱式壳体的前壁板与后壁板的两端分别设置有呈纵向排列的一列由孔径为8mm有机玻璃管制成的溢流口，在所述溢流口处安装有取样器或者接有带控制阀的溢流管；在所述箱式壳体的底板上开有若干排水排泥孔，每个排水排泥孔上接有一个排水排泥管，所述排水排泥管用直径40mm的PVC管制成，在所述排水排泥孔的内孔口处封接有不锈钢纱网，在所述排水排泥管上接有排水排泥控制阀，所有所述排水排泥管的下端共接到一根排水排泥总管上；在所述箱式壳体的底部架设有底盘，所述底盘由若干脚轮支撑连接；在所述底盘的两端各连接一个折叠式矩形吊架，在所述吊架上安放有高度可调的水箱，一个所述水箱通过连通管路连接到所述箱式壳体的所述进水口上，另一个所述水箱通过连通管路连接到所述箱式壳体的所述出水口上；在所述连通管路上分别安装有电磁阀和流量计，所述流量计上的数据线连接到所述中控计算机上； 在所述箱式壳体内的由所述多孔配水板分隔开的每个样品空间中装填有用于模拟水文地质单元的含水层介质，在每个样品空间中分别插接有若干直立的由管径为20mm的PVC管制成的监测/加药孔管，所述监测/加药孔管的底端与所述箱式壳体的底板相接触，所述监测/加药孔管的顶端与所述箱式壳体的上口相平齐；在所述监测/加药孔管的管壁上沿圆周对称开有四列孔径为2mm的孔眼，每列孔眼的上下间距为10mm，在所述监测/加药孔管的外侧包裹有不锈钢纱网；所述监测/加药孔管供在线监测装置的监测探头插入其中，所述监测探头为水质监测探头和水位监测探头，所述监测探头的数据线连接到所述中控计算机上，以传输和处理所采集的实验检测信号；所述曝气装置包括供气总管、配气管和曝气管；所述曝气管是在管径为10mm的PVC管上沿轴向开有双排气孔，每个气孔的孔径为1mm，每排气孔的孔距为5mm，两排气孔的圆心夹角为45°；所述曝气管水平设置在所述箱式壳体内的由所述多孔配水板分隔开的各样品空间的底部，所述曝气管的一端连接到插接在所述箱式壳体内各样品空间中的所述配气管上，所述配气管的上端连接到设置于所述箱式壳体上方的所述供气总管上，在每根所述配气管上装有曝气控制阀，所述供气总管由鼓风机或高压氮气瓶供气，通过调控所述曝气控制阀形成曝气；所述模拟雨淋装置包括供水总管、配水管、蛇形管和雨淋管，所述雨淋管包括一根分水管和垂直连接所述分水管上的若干喷淋管，所述喷淋管是管径为10mm的PVC管，在喷淋管上沿轴向开有双排水孔，每个水孔的孔径为1mm，每排水孔的孔距为5mm，两排水孔的圆心夹角为45°；所述雨淋管分成若干组，其中的喷淋管水平设置在所述箱式壳体的上方，每组所述雨淋管通过所述蛇形管连接到所述配水管的下端，各组的所述配水管的上端共接到所述供水总管上，在每根所述配水管上装有一个雨淋控制阀；所述供水总管由水泵或自来水管供水，通过开关控制即可形成降雨模拟；模拟典型水文地质单元的包气带和含水层介质的装填方法是，从确定的被研究流域地质剖面的包气带和含水层介质分层采集土壤样品，再对土壤样品分别进行50—200目筛的细化及干燥处理，最后将处理过的对应地理位置上的土壤样品依据被研究流域的地质结构关系，逐层均匀填入所述箱式壳体中的所有样品空间中，各样品空间中填入的同一含水层介质层的土壤样品的铺设厚度基本相同，并位于所述箱式壳体内的同一高度上，土壤样品的顶面高度比所述箱式壳体的上口低50mm；所述自然降雨模拟实验包括以下操作步骤：a、根据实验规程的要求确定检测位置，并在所述箱式壳体内的相关的监测/加药孔管中插入水位监测探头、水质监测探头，插入深度按照实验规程的需要确定，所述水位监测探头以及所述水质监测探头的数据线均连接到中控计算机上；根据实验规程的要求确定样品采集的位置，在所述箱式壳体上确定的采样口和溢流口上分别安装好取样器；b、打开所述箱式壳体的进水口连通管路上的电磁阀，向所述箱式壳体内注水，水流通过进水口进入箱式壳体；随着注水的进行，打开出水口连通管路上的电磁阀，使水流通过出水口流出所述箱式壳体，通过对进水口和/或出水口连通管路上的电磁阀的控制，将流经所述箱式壳体中的模拟地下水位稳定在实验设定值；c、利用中控计算机接收各水位监测探头输入的水位信息，当地下水位达到设定值时保持水流稳定，即达到设定的水循环模拟条件；d、根据实验规程的要求设定降雨强度、降雨时间，通过控制自来水管或水泵进行供水加压，通过雨淋控制阀调整箱式壳体内包气带的表面淋雨区域，即可在箱式壳体内的包气带表面的设定区域形成自然环境中的小雨、中雨、大雨或暴雨各种降雨状态的模拟；e、含特定污染因子的降雨过程模拟：首先，根据实验规程，选择作为污染源的药品，加入到水泵供水箱中，充分搅拌混合后，根据实验规程的要求选择箱式壳体内包气带表面的某个或整个区域作为药品投放区；其次，调整好箱式壳体内含水层介质中地下水动力场，控制所述模拟雨淋装置在选定的药品投放区模拟降雨，形成含特定污染因子的降雨过程模拟；通过降雨淋漓作用，将药品带入箱式壳体内包气带的表面，即可在箱式壳体内的包气带的表面形成持续性的面源污染扩散模拟；f、在模拟特定污染因子的降雨过程中，利用中控计算机对所述地下水动态模拟实验平台内的水循环过程中的各种参数进行实时、自动采集，以得到地下水迁移转化的变化数据。