一种基于地下水动态模拟实验平台的地下水位动态模拟实验方法

技术领域

本发明涉及一种环境水文地质模拟装置及模拟实验方法，具体地说是一种基于地下水动态模拟实验平台的地下水位动态模拟实验方法。

背景技术

地下水资源在我国水资源中占有举足轻重的地位，在维护生态环境安全和经济社会健康发展等方面发挥着不可替代的作用。然而，随着社会经济发展，大量不合理排放的生活废水废物、工业废水废物、农业污染物等，以及地下水无序开发，导致大量污染物进入地下水环境，引起包气带土壤和地下水污染愈加严重，致使地下水环境污染问题日益复杂。

地下水污染是我国面临的严峻问题，控制和修复地下水污染是保护水资源的重要工作之一。包气带结构复杂，污染物通过水流等作用极其缓慢向下迁移转化，因此包气带既是污染物通道，也是污染物储存空间，导致污染物进入含水层，以及在含水层中运动都比较缓慢，污染往往是逐渐发生，发现地下水污染后，确定污染源也远不如地表水那么容易。因此，多年来，众多科研工作者不断开展地下水污染防治的科学研究工作，而探索此类科学问题必须依托相应的模拟地下水环境实验装置，因此设计合理的地下水动态模拟装置成为从事地下水污染修复研究热点问题。

研究发现，当今的地下水物理模拟装置存在如下缺点：首先，从功能上看现有模拟装置大多片面针对包气带或者含水层，缺乏包气带与饱水带两方面模拟功能的有机组合装置，从而缺少污染物从包气带进入饱水带途经模拟监测功能，不能够从整个循环流程上抓住污染物迁移转化过程，导致模拟装置缺乏整体性；其次，野外原位进行实验和数据采集往往难以实现。

发明内容

本发明的目的就是提供一种基于地下水动态模拟实验平台的地下水位动态模拟实验方法，以解决现有模拟装置的模拟实验保真度低和模拟实验成本高的问题。

本发明是这样实现的：一种基于地下水动态模拟实验平台的地下水位动态模拟实验方法，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地下水位动态模拟实验。

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封接有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典型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、水位监测探头、pH监测探头、氧化还原电位监测探头、电导率监测探头、温度监测探头及溶解氧监测探头中的一种或数种，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。

在所述箱式壳体的上口设置有可掀起或扣合的密封盖。

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。

所述模拟降雨装置包括供水总管、配水管、蛇形管和喷淋管，所述喷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°；所述喷淋管分成若干组，水平设置在所述箱式壳体的上方，每组所述喷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，通过调控所述雨淋控制阀形成降雨模拟。

模拟典型水文地质单元的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。

所述地下水位动态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，所述水位监测探头的插入深度按照实验规程的需要确定，各水位监测探头的数据线均连接到中控计算机上；

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、利用中控计算机不断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，此时即达到设定的水循环模拟条件，即可开始进行水循环过程的观测模拟；变换不同的设定值，即可实现典型水文地质单元的地下水位的动态模拟和地下水动力场的模拟。

本发明能够实现全方位水动力场、水化学场的模拟再现，可用于水质演化机理的探讨，还可用于弥散系数等参数测定以及研究降雨对污染物在包气带中迁移转化的模拟实验，可清晰的观测药品在包气带土壤及含水层中的运移过程，便于深入分析药品在包气带土壤及含水层中的溶质运移及迁移转化规律。

本发明提高了模拟实验的保真度，降低了模拟实验的成本，为地下水的原位曝气技术、原位化学氧化技术、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修复技术的研究实验提供了一种可靠的实验基础，扩大了模拟装置的普适性。

附图说明

图1是地下水动态模拟实验平台的结构示意图。

图2是箱式壳体的俯视结构示意图。

图3是喷淋管的平面布置图。

图4是曝气管的平面布置图。

图中：1、箱式壳体，2、进水口，3、溢流口，4、曝气控制阀，5、喷淋管，6、雨淋控制阀，7、蛇形管，8、配气管，9、采样口，10、出水口，11、卡槽，12、底盘，13、排水排泥管，14、排水排泥控制阀，15、脚轮，16、吊架，17、供水总管，18、配水管，19、供气总管，20、排水排泥总管，21、监测/加药孔管，22、排水排泥孔，23、多孔配水板，24、曝气管，25、加药管口。

具体实施方式

本发明地下水位动态模拟实验方法的操作步骤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试验平台中装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试验平台上进行地下水位动态模拟试验。

所述地下水动态模拟实验平台包括有动态模拟装置、曝气装置、模拟雨淋装置和中控计算机等四部分。

如图1所示，所述动态模拟装置的主体为长方形的箱式壳体1，箱式壳体1采用10mm厚是有机玻璃板加工而成，在有机玻璃板的外围用不锈钢方管加固和支撑。在箱式壳体1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（图 2），卡槽11的下沿与箱式壳体1的底板相接触，卡槽11的上沿与箱式壳体1的上口平齐。在箱式壳体1的前壁板与后壁板上的位置相对的两个卡槽11之间插接一张矩形的多孔配水板23，在多孔配水板23的板面上密布有过流孔眼，过流孔眼的孔径为2mm，孔距为4mm，呈梅花阵分布。多孔配水板23的下沿与箱式壳体1的底板相接触，多孔配水板23的上沿与箱式壳体1的上口相平齐。

在箱式壳体1的右端侧壁板上接有分五层设置的进水口2，每层进水口有至少两个，形成矩阵式分布。在箱式壳体1的左端侧壁板上接有分五层设置的出水口10，每层出水口有至少两个，形成矩阵式分布。进水口2和出水口10均由孔径为8mm的有机玻璃管制成。这样就使得动态模拟装置从右到左依次形成地下水的补给区、径流区和排泄区。

图1中，在箱式壳体1的前壁板与后壁板上分别设置有分五层设置的采样口9，采样口9由孔径为8mm的有机玻璃管制成，分布在由多孔配水板23分隔开的每个样品空间所对应的前壁板或后壁板上。在每个采样口9上安装有取样器或者封接有封口塞。在箱式壳体1的前壁板与后壁的左右两端分别设置有呈纵向排列的一列溢流口3，溢流口由孔径为8mm有机玻璃管制成。在溢流口3处安装有取样器或者接有带控制阀的溢流管。

图1中，在箱式壳体1的底板上开有八个排水排泥孔22（图2），每个排水排泥孔22上接有一个排水排泥管13，排水排泥管13用直径40mm的PVC管制成，在排水排泥孔的内孔口处封接有不锈钢纱网，在排水排泥管13上接有排水排泥控制阀14，所有排水排泥管13的下端共接到一根横置的排水排泥总管20上。

在箱式壳体1的底部架设有底盘12，底盘12由6—8个脚轮15支撑连接。在底盘12的两端各连接一个折叠式矩形吊架16，在吊架16上安放有高度可调的水箱（未图示），右端的水箱通过连通管路连接到箱式壳体1右端的进水口2上，左端的水箱通过连通管路连接到箱式壳体1左端的出水口10上。在连通管路上分别安装有电磁阀和流量计，流量计上的数据线连接到中控计算机上。

在箱式壳体1内的由多孔配水板23分隔开的每个样品空间中装填有用于模拟典型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监测/加药孔管21，监测/加药孔管21由管径为20mm的PVC管制成。监测/加药孔管21的底端与箱式壳体1的底板相接触，监测/加药孔管21的顶端与箱式壳体1的上口相平齐。在监测/加药孔管21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。在监测/加药孔管21的外侧包裹有不锈钢纱网，以防止泥沙封堵孔眼。各监测/加药孔管21供模拟实验使用的各种在线监测装置上的监测探头插入其中，所述监测探头为水质监测探头、水位监测探头、pH监测探头、氧化还原电位监测探头、电导率监测探头、温度监测探头及溶解氧监测探头等多种专业监测探头中的一种或数种，在一个监测/加药孔管21中可以插接一种或数种监测探头。监测探头的数据线连接到中控计算机上，以传输和处理所采集的实验检测信号。

本发明还制有一个封盖箱式壳体1上口的密封盖（未图示），密封盖可以是通过合页连接在箱式壳体1上，也可以是单独设置，在使用时扣盖到箱式壳体1的上口。

如图1、图4所示，所述曝气装置包括供气总管19、配气管8和曝气管24等部分。曝气管24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°。曝气管24水平设置在箱式壳体1内的由多孔配水板23分隔开的各样品空间的底部（图4），曝气管24的一端连接到配气管8上，配气管8插接在箱式壳体1内每个样品空间的边缘（图4），配气管8的上端连接到设置于箱式壳体1上方的供气总管19上（图1）。在每根配气管8上装有曝气控制阀4，供气总管19与鼓风机或高压氮气瓶连接，以提供空气或氮气，在曝气控制阀4的调控下，通入箱式壳体1内的含水介质中的空气或氮气形成曝气。

如图1、图3所示，所述模拟降雨装置设置在所述动态模拟装置的上方，包括有供水总管17、配水管18、蛇形管7和喷淋管5等部分。喷淋管5包括一根分水管和若干喷淋管5，若干喷淋管5平行设置，端部与一根分水管垂直连接，形成一组固接的喷淋管。喷淋管5是由管径为10mm的PVC管制成，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°，两排水孔的对称中心面垂直向下设置。图3中的喷淋管有三组，水平设置在箱式壳体1的上方，每组喷淋管5通过一根蛇形管7连接到配水管18的下端，以适当调整每组喷淋管的设置高度；配水管18的上端共接到一根横置的供水总管17上，在每根配水管18上装有一个雨淋控制阀6，雨淋控制阀6为电磁阀。供水总管17与水泵或自来水管网相接，由水泵或自来水管供水，通过调控雨淋控制阀6形成降雨模拟。在供水总管17上开有一个加药管口25（图1），管口上设有封堵，打开后可向里加药，通过降雨的淋漓作用，将药品带入箱式壳体1内，从而可以在箱式壳体1内形成持续性的面源污染扩散模拟。模拟降雨装置可通过升降架吊装在箱式壳体1的上方，通过升降架的调节，使喷淋管距箱式壳体1顶面的高度在100~500mm之间，同时还可根据实验要求进行左右平移，平移距离可在400mm左右。模拟降雨装置的作用是模拟自然环境中的降雨，可以模拟小雨、中雨、大雨、暴雨等各种自然环境中所出现的降雨状态。

中控计算机是整个模拟实验平台的一部分，其功能是实时、自动的在线采集和处理各种传感器监测的水循环过程数据；通过对动态模拟装置进水流量和水压的调控，实现对典型水文地质单元的含水层介质中地下水的流量、流速等参数的模拟和调控。

中控计算机通过设置于动态模拟装置中各种监测装置的监测探头的信息采集，在动态模拟装置中实现对典型水文地质单元的含水层介质中地下水动力场、地下水化学场的模拟。

本发明中的模拟典型水文地质单元的含水层介质的装填方法包括以下步骤：

一、在动态模拟装置的箱式壳体1中安装固定好配气管18、曝气管24、监测/加药孔管21，用不锈钢纱网将各监测/加药孔管的上口包住，再用不锈钢纱网遮挡在箱式壳体底部的排水排泥孔22上，然后将各多孔配水板23依次插入到箱式壳体1中对应的卡槽11中，将箱式壳体1分隔为若干样品空间。

二、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，土壤样品的采集方式是，根据被研究流域地质剖面，依次针对包气带结构和含水层介质分层采集土壤样品，采样时一般采取S形布点采样，在地形变化小、地力较均匀、采样单元面积较小的情况下，也可采用梅花布点取样；每个采样点的取土深度及采样量保持均匀一致，土壤样品的上层与下层的比例要相同；采集的土壤样品分别放入样品袋，写下同样的两张标签，在样品袋的内外各具一张，注明采样地点、日期、采样深度、土壤名称、编号等信息，同时做好采样记录。

三、将分层采集的土壤样品带回后，对土壤样品分别进行细化干燥处理，具体处理方式是，对所有采集的同层土壤样品进行均匀混合，即将采集的所有同层土壤样品放在塑料布上，压碎，混匀，摊铺成四方形，在土壤样品上划两条十字交叉的对角线，将土壤样品分成四份，把对角位置的两份土壤样品合并成一份，形成两份合并的土样，取其中一份留用；各层的留用土壤样品分别进行细化处理，具体是将土壤样品碾细，挑出其中的石子杂物，再将土壤样品置于烘干炉中，在60℃的温度下连续烘干12个小时，经烘干处理后，从炉内取出，用土壤振动机和50—200目的土壤筛对土壤样品进行过筛处理。

四、将细化干燥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。

五、从箱式壳体1的进水口2连续注水，先从最下层的进水口2缓缓注入清水，每隔24小时向上变换一次进水口的位置，直到变换到最上层进水口并注水后，使箱式壳体1中的土壤样品充分湿润至饱和，通过由下往上缓慢进水，分段提高供水装置的水头，保证箱式壳体1中的填充物缓慢饱水，整个饱水过程充分保证多孔介质中的气体排出，至此地下水动态模拟实验平台构建完毕。

本发明地下水位动态模拟实验包括以下步骤：

一、根据实验规程的要求确定检测位置，并在所述箱式壳体1内的相关的监测/加药孔管21中插入水位监测探头，水位监测探头的插入深度按照实验规程的需要确定，各水位监测探头的数据线均连接到中控计算机上。

二、打开所述箱式壳体1的进水口连通管路上的电磁阀，向箱式壳体1内注水，水流通过进水口2进入箱式壳体1。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10流出箱式壳体1，通过对进水口和/或出水口连通管路上的电磁阀的控制，将流经箱式壳体1中的模拟地下水位稳定在实验设定值。

三、利用中控计算机不断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，此时即达到设定的水循环模拟条件，即可开始进行水循环过程的观测模拟。变换不同的水位设定值，即可实现典型水文地质单元的地下水位的动态模拟和地下水动力场的模拟。