地下水污染遷移轉化與最終歸宿一體化移動模擬平臺及模擬實驗方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種地下水污染修復模擬實驗裝置及方法，具體地說是一種地下水污染迀移轉化與最終歸宿一體化移動模擬平臺及模擬實驗方法。
【背景技術】
[0002]隨著人類活動對生存環境的影響不斷加大，特別是受金屬采選與冶煉、化工、印染等行業發展的影響，導致我國一些地區地下水水質超過IV類或V類，其主要污染因子為“三氮”、重金屬和有機污染物等，而根據《全國地下水污染防治規劃(2010 - 2020年)》數據顯示，我國90%城市地下水遭受不同程度有毒污染物的污染，因此，我國地下水環境質量不容樂觀。地下水作為重要的城鄉供水水源，在維護經濟社會健康發展、生態環境等方面發揮著不可替代的作用。因此，多年來，眾多的科研工作者從事著地下水污染防治與修復的科學研宄工作，而探索此類科學問題的重要手段就是通過構建模擬地下水環境實驗裝置，因此搭建設計科學、操作簡易、經濟成本低廉的地下水污染過程模擬與修復裝置成為從事地下水污染防治與修復研宄的熱點問題，受到越來越多科研工作者的關注。
[0003]可滲透性反應障(Permeable Reactive Barriers，PRB)技術是興起于20世紀90年代的地下水污染原位修復技術，由可透水的活性介質組成，通常置于地下水污染羽狀體的下游，與地下水流相垂直。當受污染的地下水通過PRB時，污染物與格柵中活性介質之間發生沉淀、吸附、氧化-還原和生物降解等一系列反應，從而有效去除地下水中的污染物，使污染的地下水的到凈化，從而幫助地下水環境趨于優化。該技術具有處理費用少，處理效果好，對環境擾動小等優點，因而在地下水原位修復技術中具有廣泛的應用前景。
[0004]研宄發現，當今的地下水可滲透性反應障物理模擬裝置存在如下缺點:①從功能上看，現有模擬裝置大多片面針對包氣帶或者含水層進行模擬研宄，缺乏包氣帶與飽水帶兩方面模擬功能的有機組合裝置，特別是缺乏污染物從包氣帶進入飽水帶途經模擬監測功能，不能從整個循環流程上抓住污染物迀移轉化特點，很難對非飽和帶滲流和含水層溶質運移同時進行模擬研宄，從而導致模擬裝置缺乏模擬水文地質單元的整體性。包氣帶在地下水資源的形成與演化過程中起到非常重要的作用，它即具有貯存水分的能力，又有傳輸地表入滲水的機能，而就地下水污染來說，也是貯存和傳輸隨入滲水攜入的污染物的地質空間，同時還是污染質發生復雜的物理化學、地球化學、生物化學作用的空間，如何有效模擬污染物從包氣帶到飽水帶，以及污染物如何在飽水帶實現迀移轉化都將是物理模擬裝置的巨大挑戰。②從效果上看，相對地下水環境的復雜性，模擬砂柱可模擬包氣帶土壤非飽和滲流，能模擬一維水動力彌散，但模擬砂柱滲流場很小，其邊壁對土壤水流與溶質運移過程影響很大，缺乏二維及多維流動模擬能力，無法模擬復雜的包氣帶水文地質條件，不能較準確的反映野外真實地質條件，使得實驗缺乏代表性。③從PRB技術特點上看，PRB技術在實際應用過程中深受現場水文地質條件制約，如不針對典型區域進行有針對性的系統結構優化設計，輕則降低PRB系統使用年限，重則可能導致PRB系統的構建或運行失敗，并且對PRB系統第二次施工增加難度，提高成本，還應妥善處理第一次的失活填料，否則會對環境造成二次污染。④從現實意義上看，地下水污染迀移轉化與最終歸宿規律的研宄離不開污染物在土壤和地下水中傳輸特性的把握，雖然借助于數值模擬軟件可更為有效的把握污染特征和修復規律，但數值模擬涉及到許多復雜的污染物迀移輸送過程，包含許多水文地質參數的精準刻畫，而建立野外大型實驗場需要密集的污染物濃度時空分布及場區水文地質情況的時空變化等數據對模型進行校正，操作復雜，且成本較高，雖然可通過野外大型實驗場觀測獲得場區數據，但野外原位進行實驗和數據采集往往很困難，因此獲得的數據有限，而且獲取的數據不能準確反映場區水文地質特性的不均勻性以及污染物時空濃度分布等情況，從而影響地下水污染水動力學數值模型的預測精度。
【發明內容】
[0005]本發明的目的之一就是提供一種地下水污染迀移轉化與最終歸宿一體化移動模擬平臺，以解決現有地下水污染修復物理模擬裝置的實驗數據精準性差和地下水污染水動力學數值模型的預測精度低的問題。
[0006]本發明的目的之二就是提供一種地下水污染迀移轉化與最終歸宿一體化模擬實驗方法，以完善對地下水污染迀移轉化與最終歸宿規律的研宄和探討。
[0007]本發明的目的之一是這樣實現的:
一種地下水污染迀移轉化與最終歸宿一體化移動模擬平臺，包括:迀移轉化模擬裝置、曝氣裝置、模擬雨淋裝置、在線監測裝置和中控計算機。
[0008]所述迀移轉化模擬裝置的主體為頂部敞口的長方形箱體，所述箱體采用有機玻璃板加工而成，外圍設有用以加固和支撐的不銹鋼方管；在所述箱體的前、后壁板的板面內側按10mm的間距設置有若干直立的凹形卡槽，所述卡槽的下沿與所述箱體的底板相接觸，所述卡槽的上沿與所述箱體的上口平齊；在所述箱體的前、后壁板上位置相對的兩個所述卡槽之間插接一張矩形的多孔配水板，所述多孔配水板的下沿與所述箱體的底板相接觸，所述多孔配水板的上沿與所述箱體的上口相平齊，在所述多孔配水板的板面上密布有孔徑為2mm的過流孔眼。
[0009]在所述箱體的一端側壁板上接有分層設置的若干進水口，在所述箱體的另一端的側壁板上接有分層設置的若干出水口，所述進水口和所述出水口均由孔徑為8_的有機玻璃管制成，在所述箱體的側壁板上呈矩陣分布。
[0010]在所述箱體的前、后壁板上分別設置有若干分層設置的由孔徑為8_有機玻璃管制成的采樣口，所述采樣口分布在由所述多孔配水板分隔開的每個樣品空間所對應的前壁板和后壁板上，在每個所述采樣口上安裝有取樣器或者封接有封口塞，在所述箱體的前、后壁板的兩端分別設置有呈縱向排列的一列由孔徑為8mm有機玻璃管制成的溢流口，在所述溢流口處安裝有取樣器或者接有帶控制閥的溢流管。
[0011]在所述箱體的底板上開有若干排水排泥孔，每個排水排泥孔的底口上接有一個排水排泥管，所述排水排泥管用直徑為40mm的PVC管制成，在所述排水排泥孔的頂口處封接有不銹鋼紗網，在所述排水排泥管上接有排水排泥控制閥，所有所述排水排泥管的下端共接到一根橫置的排水排泥總管上。
[0012]所述箱體設置在一個底盤上，在所述底盤的底面接有若干腳輪；在所述底盤的兩端分別設置有升降架，在所述升降架上安放有水箱，一個水箱通過連通管路連接到所述箱體的進水口上，另一個水箱通過連通管路連接到所述箱體的出水口上；在所述連通管路上分別安裝有電磁閥和流量計，所述流量計上的數據線連接到所述中控計算機上。
[0013]在所述箱體內的由所述多孔配水板分隔開的每個樣品空間中分別插接有若干直立的由管徑為20mm的PVC管制成的監測/加藥孔管，所述監測/加藥孔管的底端與所述箱體的底板相接觸，所述監測/加藥孔管的頂端與所述箱體的上口相平齊；在所述監測/加藥孔管的管壁上沿圓周對稱開有四列孔徑為2mm的孔眼，每列孔眼中兩個相鄰孔眼的間距為10mm，在所述監測/加藥孔管上包裹有遮擋孔眼的不銹鋼紗網。
[0014]在所述箱體內的兩個端部的2~3樣品空間中按上下位置放置有由選定研宄區域采得的作為模擬包氣帶的土壤樣品和作為模擬含水層介質的土壤樣品，在所述箱體內中部的其余樣品空間中放置有污染物修復介質；所述模擬包氣帶的土壤樣品為砂質粉土，其粒徑為0.005-0.075 mm，滲透系數為0.38-0.54m/d ;所述模擬含水層介質的土壤樣品為級配河沙，其粒徑為0.1-2.0 mm，滲透系數為18~21m/d0
[0015]所述在線監測裝置包括水質監測儀、水位監測儀、溫度檢測儀、pH監測儀、溶解氧監測儀、電導率監測儀和氧化還原電位監測儀，上述各監測儀上的監測探頭插接在所述監測/加藥孔管中，在實驗選定的所述監測/加藥孔管中插接有一種或數種檢測儀的監測探頭，所述監測儀的數據線連接到所述中控計算機上，以傳輸和處理所采集的實驗檢測信號。
[0016]在所述箱體的上口設置有可掀起或扣合的密封蓋，在所述密封蓋上接有排氣孔，在所述排氣孔上接有帶控制閥的排氣管。
[0017]所述曝氣裝置包括供氣總管、配氣管和曝氣管；所述曝氣管為管徑1mm的PVC管，在管壁上沿管體軸向開有雙排氣孔，每個氣孔的孔徑為1mm，每排氣孔中兩個相鄰氣孔的孔距為5mm，兩排氣孔在管體徑向截面上的圓心夾角為45° ;所述曝氣管水平設置在所述箱體內的由所述多孔配水板分隔開的每個樣品空間的底部，所述曝氣管的一端連接到插接在所述箱體內各樣品空間中的所述配氣管上，所述配氣管的上端連接到設置于所述箱體上方的所述供氣總管上，在每根所述配氣管上裝有曝氣控制閥，所