突发污染事件下污染物迁移的实验模拟操作方法
【专利摘要】本发明涉及突发污染事件下污染物迁移的实验模拟操作方法，通过采用不同特性的物质作为污染物示踪剂，用循环水槽模拟天然河床，控制水位、流速等关键因素，模拟一个污染脉冲过程：包括污染物进入过程和释放过程。当河流受污染一段时间后，部分污染物进入河床；将上覆水中的“受污染水体”换成去离子水，受污染河床开始释放污染物。本发明通过合理换水、在进水口设阻水装置等技术手段以及程序化的实验设计，确保进入过程和释放过程有效衔接，解决了污染物在上覆水和孔隙水之间迁移的不连续问题和一致性问题，很好地把突发性污染事件下的污染物迁移过程在室内实验室中模拟实现，揭示河湖底质受污染规律以及污染事件停止后河床中污染迁移和释放规律。
【专利说明】突发污染事件下污染物迁移的实验模拟操作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及的是突发污染事件下污染物迁移的实验模拟操作方法。属于水利工程和环境工程领域。
【背景技术】
[0002]由于在国内外突发性污染事件频发，造成的环境危害也特别严重，特别是对河湖底质的影响巨大，然而很多研究多集中在突发性污染事件发生后，对河湖造成的持续污染还认识不足，特别是对河湖底质的影响巨大，上覆水污染物浓度迁移转化情况，忽略在河湖底质多孔介质中的迁移转化。由于实验操作技术的滞后，目前关于突发性污染事件下的研究操作困难，缺乏相应的实验设计以及操作技术，无法进一步揭示突发性污染事件发生后，污染云团的在上覆水和地下水中迁移机制。
[0003]突发性污染物事件发生后，对于污染物在上覆水和孔隙水之间的转换存在两个主要的过程，即进入和释放过程，进入与释放联合实验存在两大技术难点:不连续问题和一致性问题。进入状态与释放状态在自然情况下是连续发生的，自然界河床与上覆水是一个有机整体，符合物质守恒定律，保持动态平衡，但联合实验不能做到连续性，不连续体现在两方面即时间上不连续和空间上不连续。模型实验是实际情况的抽象，为保证释放实验的研究可行，必须先满足释放条件下浓度的一致性即必须将进入状态下表征污染物的浓度降低，使上覆水变成不含(或含量很低)污染物的“清水”。
【发明内容】
[0004]发明目的:为了弥补现有技术的缺陷，把突发性污染事件发生后，污染物在河流系统中输运过程模拟出来，揭示突发性事件下污染物河湖多孔介质中迁移释放特征及其机理，为突发性污染事件发生后，河湖健康管理提供必要方法和技术支持。
[0005]技术方案:为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为:突发性污染事件下污染物迁移的实验模拟操作方法，包括如下步骤:
[0006](一 )设置环境泥沙循环水槽及沙波，在一个循环周期内加入污染物示踪剂，使其充分循环；
[0007](二)达到一定时间(脉冲污染时间)后，关闭多功能水质仪和恒温棒，采用堵流法阻水，调整水槽坡度到水平，同时关阀停泵；
[0008](三)缓慢降低水槽溢流槽的高度，放掉水槽中“受污染”的水，当露出进水口阻水木块时，开阀放掉进水口和回水管道里面“受污染”的水，在水槽中的水面与沙波波峰相距
2?5mm时，停止降低溢流槽高度；
[0009](四)采用由预配制技术配制的去离子水(为非反应性污染物实验)，或一定pH的缓冲溶液(为反应性污染物实验)冲洗进水段、出水段和回水管道，在含沙水槽段上游缓慢加入与水槽中预留水相同体积的去离子水，排出水库中的水并清洗水库；
[0010](五)向水库中加入配好的水，开阀开泵，缓慢开启阀门并控制加水速度，同时缓慢升高溢流槽高度到预定高度，当水槽到一定高度时关阀停泵，去掉进水口阻水装置，开启多功能水质仪和恒温棒，开泵、快速开阀到预定流量，同时调整坡度到预定值；
[0011](六)按预定的时间表抽取上覆水和孔隙水浓度，保持水槽系统中的水体总量不变和pH值恒定，当上覆水的浓度达到基本平衡时停止实验。
[0012]作为优选，所述步骤(一)中污染物示踪剂，包括非反应性污染物和反应性污染物。
[0013]作为优选，所述步骤(二 )采用堵流法:用阻水木块和橡皮泥在进口段堵水，以防止水从进水口排出破坏沙波。
[0014]作为优选，所述步骤(三)中水槽中的水面与沙波波峰相距3mm时，停止降低溢流
槽高度。
[0015]作为优选，所述步骤(四)中用去离子水或一定pH的缓冲溶液冲洗进水段、出水段和回水管道3次，清洗水库3遍。
[0016]作为优选，所述步骤(四)中预配制技术:对释放实验所需要的去离子水或一定PH的缓冲溶液进行预先配置，控制其温度和pH值。
[0017]作为优选，所述步骤(五)中配好的水是指在实验开始时，根据实验设计，加热并控制在预定温度的去离子水或一定pH的缓冲溶液，对于反应性污染物实验，通过在去离子水中加入PH缓冲溶液，使pH值达到预定值。
[0018]作为优选，所述步骤(五)中加水速度控制为0.28-0.41L / S。
[0019]作为优选，所述多功能水质仪自动监测上覆水的温度、电导、pH和盐度，测量时间间隔为3?5分钟。
[0020]作为优选，在实验过程中控制坡度、水温、pH值、水位在污染物进入状态和释放状态时相同。
[0021]针对进入状态与释放状态时间不连续的问题，本发明采取了三点技术对策进行解决:
[0022]I)预配制技术。在进行进入实验的同时，根据实验设计，对释放实验所需要的去离子水进行预先配制，控制其温度和PH值；在系统清洗完毕后，水库所需用水进行预先配制，从而有效缩短换水时间。
[0023]2)程序化的实验设计。由于进入状态与释放状态不连续，行之有效的措施就是通过科学的程序化的实验设计指导实验，即通过预先考虑实验中可能出现的问题合理确定实验步骤，规范实验细节，避免换水过程中不必要的时间损耗。
[0024]3)确定的控制标准。对实验中每个规定的步骤进行明确的数字指标控制，采用科学精确的数字化指标，有助于判别每个实验步骤的完成度，便于控制实验进度，缩短实验时间，同时也有利于实验的记录和科学分析。
[0025]针对进入状态与释放状态空间不连续的问题，本发明采取了如下技术对策进行解决:
[0026]保持沙波形态不变。这是该实验控制的关键条件之一，为了保持沙波形态的不变，进行了多次实验，在反复实践中得到了一些规律。
[0027]a.为保持沙波形态不变，需采用堵流法。堵流法就是采用一定的技术手段及合适的材料在进口段堵水，防止水槽中的水从进口段流出破坏沙波，这对于循环水槽实验很重要，因为它由循环水槽的特性决定即在水泵关停并降低溢流槽高度后，水槽中的水可以从进水口和出水口同时流出，若无此措施，则会破坏沙波。
[0028]b.保证其它实验条件不变，通过仪器监测结合预配制技术控制坡度、水温、pH值、水位在进入状态和释放状态两者相同，从而解决实验状态不连续问题。
[0029]通过考虑循环水槽系统的各个部分，采取最优化原则，通过冲洗、稀释、抽取等手段分块逐步降低污染物的浓度到误差允许范围。在具体的实验设计中，考虑了最佳的降低浓度的步骤，先抽取，再冲洗，并规定了冲洗遍数，提高了实验精度，从而解决了实验上覆水浓度与实际上覆水浓度的一致性。
[0030]有益效果:1)本发明不仅用去离子水或一定pH的缓冲溶液更换水槽中上覆水，同时用去离子水或一定pH的缓冲溶液对循环管路系统和水库进行冲洗，能够最大限度用去离子水或一定PH的缓冲溶液更换上覆水中的“受污染水体”，更加真实地模拟突发性污染事件，为监测污染物在河床中迁移和释放打下基础。
[0031]2)本发明通过严密的实验设计，在实际操作中按照设计步骤有条不紊地进行，同时还对操作顺序及方法进行了优化，使得换水迅速，从而尽量保证了从进入状态到释放状态的连续性，最大限度地模拟了实际情况。
[0032]3)本发明换水中不会破坏或改变原有污染物进入状态，保持沙波形态不变。通过控制排水最低水位(以防止沙波破坏的最低水位)，封堵进口和排水通路，用流量计控制去离子水加水速度等措施，以保证沙波形态不变，同样维持了从进入状态到释放状态实验条件的一致。
【专利附图】
【附图说明】
[0033]图1为上覆水NaCl浓度随时间变化图；(a)进入过程；(b)释放过程；
[0034]图2为孔隙水浓度随深度变化图；其中，(a) NI排孔隙水浓度随深度变化(进入过程)，(b) NI排孔隙水浓度随深度变化(释放过程)，(c) N2排孔隙水浓度随深度变化(释放过程)；
[0035]图3为污染物云团在河床中迁移过程图，深色表示高浓度，浅色表示低浓度。【具体实施方式】
[0036]下面结合实施例对本发明的技术方案进行详细说明，应当指出:以下所述仅是本发明的优选实施方式，但是本发明的保护范围不局限于实施例，对于本【技术领域】的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
[0037]实施例
[0038]河沙从长江中采集，d50=0.30mm，孔隙率为0.33，渗透系数为8.84X l(T4m / S。在实验开始前需要把河沙清洗干净，具体洗沙方法参见申请公布号CN102500458A “一种洗沙方法及其专用装置”。实验所用装置及采样测量技术参见申请公布号CN102507140A “环境泥沙循环水槽的实验方法”。
[0039]环境泥沙循环水槽的实验方法，先将洗干净的泥沙装填入水槽，然后制成沙波，开启水泵，调整水槽坡度和水位，控制水槽温度，待水流和温度稳定后，在水箱加入污染物或胶体，抽取孔隙水，测量上覆水和孔隙水的污染物或胶体浓度。在水槽的中部设置几排垂直取样孔，用来抽取孔隙水。在水槽的尾部安装多功能水质仪(MPTR0LL-9500)，自动监测上覆水的温度、电导、PH和盐度，测量时间间隔为4分钟。在水槽的出口部分安装自动恒温棒，当水温达不到实验预定值时，恒温棒自动加热；当温度达到实验预定值时，恒温棒自动停止加热，加热的水流经过回水系混合后，进入测试段水温的较均匀，通过调温后，水槽的上覆水昼夜温差较小，控制环境温度波动对水槽实验的影响。水流循环通过不锈钢泵从水库中抽水实现，在泵的出水口安装了不锈钢水阀，可以控制整个循环系统的流量，在离水阀4.5m的距离安装了电磁流量计，用以控制去离子水加水速度。
[0040]NaCl用来做为污染物示踪剂，在控制水力参数(坡度、水温、水位等)恒定后加入水槽。孔隙水抽取和稀释后，将样品拿到电导率仪(DDS-308A)上进行测量。平均流速和水深分别为 11- 62cm / s 和 9.31cm。
[0041]采用预配制技术，把释放实验所需的去离子水放到几个300L和130L水箱、水桶中，加热到预定的温度；加缓冲溶液调整PH值为实验预定值，为水库加水备用。
[0042]突发性污染事件下污染物迁移的实验模拟操作方法，包括如下步骤:
[0043](一 )按照上述方法设置环境泥沙循环水槽及沙波，在一个循环周期内加入NaCl和PH缓冲溶液，实验时上覆水初始浓度为1.55kg / m3，河床内盐度为0，这样的过程持续了一个脉冲时间即3小时；
[0044]( 二 )关闭多功能水质仪和恒温棒，进口段靠近床沙的地方用高6.5cm、宽4cm和长29.7cm的木块和橡皮泥堵住水槽中的水，以防止开阀后水槽中的水从进口段流出破坏沙波，调整水槽坡度到水平，同时关阀停泵，尽量减小操作对污染物迁移的影响；
[0045](三)缓慢降低水槽溢流槽的高度，当露出进水口阻水装置时，开阀放掉进水口和回水管道里面的水，在水槽中的水面与沙波波峰相距3_时，停止降低溢流槽高度；切记不能让沙波露出来，因为当沙波露出来后，无论以多么缓慢的速度加水，都会破坏沙波的形状，通过多次实验得出要保护沙波形状完好且换水量最大，预留3_高的水位是最佳选择；
[0046](四)采用由预配制技术配置配制的去离子水冲洗进水段、出水段和回水管道3次，去除这三个部分含有的污染物，在含沙水槽段上游缓慢加入与水槽中预留水相同体积的去离子水，这是为了减少预留水对释放实验的干扰；同时用潜水泵从水库中抽水，排出水库中的水，再清洗水库3遍；
[0047](五)同时用3个15L的桶向水库中加入配好的水，开阀开泵，缓慢开启阀并把加水速度控制在0.28-0.41L / S，同时缓慢升高溢流槽高度到预定高度，当水槽到一定高度时关阀停泵，去掉阻水木块和橡皮泥，开启多功能水质仪(MPTR0LL-9500)和恒温棒，开泵、快速开阀到预定流量，同时调整坡度到预定值；
[0048](六)按预定的时间表抽取上覆水和孔隙水，上覆水从水槽的尾部抽取,每4小时加去离子水400ml，补充蒸发部分，保证水槽系统中的水体总量不变；对于金属离子实验，要定期查看pH, pH值偏离预定值,通过加醋酸或者醋酸钠调整,水槽实验持续2?4天,当上覆水的浓度达到基本平衡时停止实验。
[0049]通过迅速操作上述步骤(二)?(五)，把“受污染水体”更换为去离子水，以开始污染物在河床中迁移和释放过程的监测即步骤(六)的测量。测量抽取的样品，对于NaCl抽完后立即就送到实验室测量，胶体测量最多不超过12小时，金属离子实验结束后统一到化学实验室测量。
[0050]实验数据结果见图1-3。
[0051]由图1上覆水相对浓度的变化可知，本发明很好的支持了进入状态和释放状态污染物迁移的研究，从右图起始时刻的点可知，换水后上覆水浓度几乎下降为0，证明换水效果显著，满足释放实验所需要的精度要求。
[0052]图2为N1、N2两排测孔测到的污染物迁移脉冲信号，从180min与207min两幅图可以说明，由于科学合理的程序化实验设计，在两状态交界处，很好地保证了进入与释放的连续性。
[0053]图3可以很直观地表征污染物浓度迁移的规律，从207min可以发现靠近沙波长边段区域为浅色，即表示换水后上覆水污染物浓度很低，不再有高浓度的污染物进入河床，即从207min起为释放状态的模拟过程。该图由该时刻实验数据导入建立的COMSOL耦合模型并分色显示，207min上覆水清晰地显示接近白色，证明满足释放实验精度要求，换水效果显著。
【权利要求】
1.突发污染事件下污染物迁移的实验模拟操作方法，其特征在于，包括如下步骤: (一)设置环境泥沙循环水槽，在一个循环周期内加入污染物示踪剂，使其充分循环； (二)达到一定时间后，关闭多功能水质仪和恒温棒，采用堵流法阻水，调整水槽坡度到水平，同时关阀停泵； (三)缓慢降低水槽溢流槽的高度，当露出进水口阻水装置时，开阀放掉进水口和回水管道里面的水，在水槽中的水面与沙波波峰相距2?5_时，停止降低溢流槽高度； (四)采用由预配制技术配制的去离子水或一定PH的缓冲溶液冲洗进水段、出水段和回水管道，在含沙水槽段上游缓慢加入与水槽中预留水相同体积的去离子水，排出水库中的水并清洗水库； (五)向水库中加入配好的水或一定PH的缓冲溶液，开阀开泵，缓慢加入，同时缓慢升高溢流槽到预定高度，当水槽到一定高度时关阀停泵，去掉进水口阻水装置，开启多功能水质仪和恒温棒，开泵、快速开阀到预定流量，同时调整坡度到预定值； (六)按预定的时间表抽取上覆水和孔隙水，保持水槽系统中的水体总量不变和PH值恒定，待上覆水的浓度基本不变后停止实验。
2.根据权利要求1所述的突发污染事件下污染物迁移的实验模拟操作方法，其特征在于:所述步骤(一)中污染物示踪剂，包括非反应性污染物和反应性污染物。
3.根据权利要求1所述的突发污染事件下污染物迁移的实验模拟操作方法，其特征在于:所述步骤(二)采用堵流法:用阻水木块和橡皮泥在进口段堵水，以防止水从进水口排出破坏沙波。
4.根据权利要求1所述的突发污染事件下污染物迁移的实验模拟操作方法，其特征在于:所述步骤(三)中水槽中的水面与沙波波峰相距3mm时，停止降低溢流槽高度。
5.根据权利要求1所述的突发污染事件下污染物迁移的实验模拟操作方法，其特征在于:所述步骤(四)中用去离子水或一定PH的缓冲溶液冲洗进水段、出水段和回水管道3次，清洗水库3遍。
6.根据权利要求1所述的突发污染事件下污染物迁移的实验模拟操作方法，其特征在于:所述步骤(四)中预配制技术:对释放实验所需要的去离子水或一定PH的缓冲溶液进行预先配置，控制其温度和PH值。
7.根据权利要求1所述的突发污染事件下污染物迁移的实验模拟操作方法，其特征在于:所述步骤(五)中的配好的水是指在实验开始时，根据实验设计，加热并控制在预定温度的去离子水或一定pH的缓冲溶液，对于反应性污染物实验，通过在去离子水中加入pH缓冲溶液，使PH值达到预定值。
8.根据权利要求1所述的突发污染事件下污染物迁移的实验模拟操作方法，其特征在于:所述步骤(五)中加水速度控制为0.28-0.41L / S。
9.根据权利要求1所述的突发污染事件下污染物迁移的实验模拟操作方法，其特征在于:所述多功能水质仪自动监测上覆水的温度、电导、PH和盐度，测量时间间隔为3?5分钟。
10.根据权利要求1所述的突发污染事件下污染物迁移的实验模拟操作方法，其特征在于:在实验过程中控制坡度、水温、pH值、水位在污染物进入状态和释放状态时相同。
【文档编号】G01N33/18GK103743879SQ201310754366
【公开日】2014年4月23日 申请日期:2013年12月31日 优先权日:2013年12月31日
【发明者】金光球, 徐慧宇, 唐洪武, 张沛, 李凌 申请人:河海大学