可观测含水土层中曝气气流流量分布的试验系统及方法与流程

本发明涉及水利水电工程和环保工程技术领域，具体地说是一种可观测含水土层中曝气气流流量分布的试验系统及方法。

背景技术：

地下水是我国生活和工业用水的重要水源，近期调查结果显示，全国18%的供水量来自于地下水，在北方地区的用水供给中，地下水开采占比更高，约提供了65%的生活用水、33%的灌溉用水以及50%的工业用水。近年来我国城市化和工业化进程快速推进，然而伴随而来的是日趋严重的地下水有机污染。根据2013年对京津冀地区地下水污染的调查结果，京津冀地区29.17%的浅层地下水受到严重的有机污染，污染物主要为二氯丙烷、四氯化碳和苯等易挥发有机物。除了京津冀地区，珠三角和长三角地区同样存在不同程度的地下水有机污染。2011年针对珠三角地区地下水污染的调查结果表明，深圳市、广州市和佛山市地下水有机污染物检出率分别高达71.4%、65.3%和49.0%，并且多为挥发或半挥发性有机污染物；同年，南京地调中心调查结果显示，长三角地区地下水有机指标检出率高，主要有卤代烃、单环芳烃和多环芳烃等几类。可以看出，当前我国华北和华东大部分地区均存在不同程度的地下水有机污染。

目前，针对地下水有机污染修复，地下水曝气（airsparging；简称as）是最常用的原位修复技术之一。曝气修复通过将洁净的空气通入含水土层以促进有机污染物的挥发和降解，结合包气带内的土壤气抽提系统（sve）对挥发的污染物进行回收处理，最终达到修复地下水有机污染的目的。曝气修复技术具有高效、经济和对环境影响小等优势，经过几十年的发展，曝气修复已成为治理地下水有机污染的重要方法，其合理应用对于我国地下水有机污染治理和生态环境可持续发展战略实施来说意义重大。

含水土层中曝气气流分布特征决定了曝气气流与污染物的接触程度，因而对曝气修复效果产生重要影响，是曝气研究的重点。曝气气流分布特征具体又可以细分为曝气气流运动形式、曝气影响区形状和大小以及土层中曝气气流流量分布特征。

在目前的室内曝气试验中，还多局限于对曝气气流运动形式和曝气影响区进行观测，而现有用于观测土层曝气气流分布特征的试验装置，存在制样困难、流量测量过程繁琐且精度低等缺点，尚缺少能够准确高效观测土层中曝气气流流量分布特征的试验装置及方法。

技术实现要素：

本发明的目的就是提供一种可观测含水土层中曝气气流流量分布的试验系统及方法，以解决现有技术中缺少能够准确高效观测土层中曝气气流流量分布特征的试验装置的问题。

本发明的目的是这样实现的：一种可观测含水土层中曝气气流流量分布的试验系统，包括：

透明试样箱，为顶部敞口的矩形箱体，在透明试样箱内的底部中间位置设有矩形的曝气头，在曝气头的两侧设有与曝气头高度一致的玻璃珠过渡层，在透明试样箱的两侧壁的底部各自设有进水孔；

曝气模块，包括依次连接的空气压缩机、调压器、气体流量计和气压传感器，所述气压传感器通过管路与曝气头连接；

气流流量测量装置，包括底部敞口的气流分隔箱、与气流分隔箱顶部相连通的若干三通阀以及气体流量计；气流分隔箱的底部与透明试样箱顶部密封对接，在气流分隔箱内间隔设有若干竖直的气流隔板，气流隔板的顶面和侧面均与气流分隔箱内壁相粘结，气流隔板的底端延伸至透明试样箱顶部，气流隔板将气流分隔箱分隔为若干独立的腔室，每个腔室的顶部开孔并安装所述三通阀，各三通阀左侧阀门通过管道汇集后连接收集排放通道，各三通阀右侧阀门通过管道汇集后连接所述气体流量计；

光学观测模块，包括摄像机和平行光源，摄像机位于透明试样箱前侧，平行光源位于透明试样箱后侧，光学观测模块用于记录试样图像。

所述透明试样箱由透明有机玻璃板制作而成，在透明试样箱顶部和气流分隔箱底部均设有连接外沿，透明试样箱的连接外沿通过螺栓和橡胶垫与气流分隔箱的连接外沿密封相连。

所述曝气头是由两块角板构成的呈矩形腔室状的曝气头，两块角板内侧相对设于透明试样箱的底面上，透明试样箱的前侧壁和后侧壁构成矩形腔室状曝气头的两端面，透明试样箱的底面构成矩形腔室状曝气头的底面，两角板在顶面留有间隙，从而形成曝气缝。

在所述气流分隔箱的侧壁上设有溢流孔。

所述气流隔板为有机玻璃板。

一种可观测含水土层中曝气气流流量分布的试验方法，包括以下步骤：

（a）设置上述试验系统；

（b）在透明试样箱中堆积特定密实程度的土样，然后安装所述气流分隔箱，并采用管道将透明试样箱与所述曝气模块相连，安装完毕后，通过进水孔向透明试样箱中注水饱和试样；

（c）在曝气前，打开三通阀中连接收集排放通道的阀门，关闭三通阀中连接气体流量计的阀门；

（d）打开平行光源和摄像机，对摄像机进行调焦，并开始记录试样图像；

（e）开启空气压缩机，通过调压阀调整到特定的曝气压力；

（f）逐个测量气流分隔箱内各独立腔室中的气流流量；当需要测量某个腔室内气流流量时，首先将该腔室三通阀中连接气体流量计的阀门打开，然后关闭其连接收集排放通道的阀门，即可通过气体流量计记录该腔室内的气流流量；一个腔室的气流流量测量完毕后，将该腔室三通阀的开闭状态恢复为测量之前的状态，继续采用相同的方法测量下一个腔室的气流流量，直到获得所有腔室的气流流量，即得到土层表层气流流量分布；

（g）变换不同的曝气压力、土层颗粒级配，开展若干次曝气试验，并记录试样图像，进而研究曝气参数和土层特性对含水土层中曝气气流流量分布特征的影响。

步骤（b）中，在土样上方铺设一层玻璃珠堆积层，在玻璃珠堆积层上设置一层滤网。

本发明与现有技术相比，至少具有以下优点：

(1)在试样箱顶部增加了可拆卸的气流分隔箱，用于土层表层气流流量分布的观测。在气流分隔箱中，采用若干有机玻璃板分隔出相对独立的腔室，能够实现土层表层气流的分隔出流，进而便于测量土层表层气流流量分布。另外，气流分隔箱与试样箱之间通过螺栓和橡胶垫连接，即能保证密封性，又实现了气流分隔箱的拆卸，便于装样。

(2)在气流分隔箱各独立腔室顶部出流口安装了三通阀，能够简便且准确得测量土层表层气流流量分布。各三通阀通过若干管道与一个流量计连接，通过改变各三通阀的开闭状态，即可通过一个流量计测得各独立腔室内的气体流量，进而获得土层表层气流流量分布；不仅大大减少了所需流量计的数量，而且保证了操作的简便易行以及测量的高精度。

(3)试样箱底部增加了玻璃珠过渡层。玻璃珠过渡层能够缓解通水饱和时水流对土样的冲刷作用，防止水流对试样产生过大的扰动。

综上所述，本发明具有可观测土层气流流量分布、制样方便、操作简洁以及气流流量观测精度高等优点。可拆卸的气流分隔箱通过螺栓和橡胶垫与试样箱相连，方便制样；气流分隔箱顶部安装的三通阀，便于准确快速地观测曝气流量分布。

附图说明

图1是本发明试验系统的结构示意图。

图2是本发明的试验系统的剖面结构示意图。

图3是本发明试验系统中曝气头的结构示意图。

图4是本发明方法的流程图。

图中：1、透明试样箱；2、气流分隔箱；3、气流流量测量装置；4、空气压缩机；5、调压器；6、入口流量计；7、气压传感器；8、高清摄像机；9、平行光源；10、螺栓；11、橡胶垫；12、曝气头；13、玻璃珠过渡层；14、土样；15、玻璃珠堆积层；16、滤网；17、气流隔板；18、腔室；19、三通阀；20、出口流量计；21、溢流孔；22、进水孔；23、曝气缝。

具体实施方式

下面结合说明书附图和实施例对本发明做进一步具体说明。

图1和图2是本发明的可观测含水土层中曝气气流流量分布的试验系统。如图1所示，该系统包括顶部敞口的透明试样箱1、气流流量测量装置3、光学观测模块以及曝气模块四部分。其中，如图2所示，透明试样箱1是由透明有机玻璃板制作的方形模型箱，其尺寸为150cm×60cm×5cm，在其底部中间位置设置有曝气头12，试样箱两侧靠近底部位置设有进水孔22，试样箱内曝气头12两侧设置了与曝气头高度一致的玻璃珠过渡层13。如图3所示，曝气头12是由两块角板构成的呈矩形腔室状的曝气头，两块角板内侧相对设于透明试样箱1的底面上，透明试样箱的前侧壁和后侧壁构成矩形腔室状曝气头的两端面，透明试样箱的底面构成矩形腔室状曝气头的底面，两角板在顶面留有间隙，从而形成曝气缝23。

气流流量测量装置由底部敞口的气流分隔箱2、若干三通阀19和连接管道以及一个出口流量计20组成；气流分隔箱2位于透明试样箱1顶部，在透明试样箱顶部和气流分隔箱底部均设有连接外沿，透明试样箱的连接外沿通过螺栓10和橡胶垫11与气流分隔箱的连接外沿密封相连。气流分隔箱2内部设置有若干气流隔板17，且气流隔板17与气流分隔箱2的侧面和顶面粘结，形成若干相互独立的腔室18，气流隔板17的底端延伸至透明试样箱1顶部。气流分隔箱2中各个腔室18顶部开孔并安装三通阀19，各三通阀19左侧阀门通过管道汇集后连接收集排放通道，右侧阀门通过管道汇集后连接出口流量计20。在气流分隔箱2的侧壁设有溢流孔21。

光学观测模块由高清摄像机8和平行光源9组成，高清摄像机8和平行光源9分别位于试样箱的前侧和后侧。曝气模块包括依次连接的空气压缩机4、调压器5、入口流量计6和气压传感器7，且气压传感器7通过管路与曝气头12连接。

图4是本发明可观测含水土层中曝气气流流量分布的试验方法流程图。该方法包括以下步骤：

s1.在透明试样箱1中堆积一定密实程度的土样14，然后安装试样箱顶部的气流分隔箱2，并采用管道连接试样箱与曝气模块，安装完毕后，通过进水孔22向试样箱中注水饱和试样；

s2.在曝气前，打开气流分隔箱2顶部三通阀19中连接收集排放通道的阀门，关闭三通阀19中连接出口流量计20的阀门；

s3.打开平行光源9和高清摄像机8，对高清摄像机8进行调焦，开始记录试样图像；

s4.开启空气压缩机4，通过调压器5调整到合适的曝气压力；

s5.逐个测量气流分隔箱2内各独立腔18中的气体流量；当需要测量某个腔室内气流流量时，首先将该腔室三通阀19中连接出口流量计20的阀门打开，然后关闭其连接收集排放通道的阀门，这样即可通过出口流量计20记录该腔室内的气流流量；一个腔室的气流流量测量完毕后，将该腔室三通阀19的开闭状态恢复为测量之前的状态，继续采用相同的方法测量下一个腔室的气流流量；对每一个腔室都重复如此操作，便可获得各个腔室内的气流流量，即得到土层表层气流流量分布；

s6.变换不同的曝气压力、土层颗粒级配，开展多次曝气试验，记录试样图像，采集土层表层气流流量分布数据，研究曝气参数和土层特性对含水土层中曝气气流流量分布特征的影响。