水动力阻截技术实验装置、实验方法和水污染风控方法与流程

1.本发明涉及环境污染风险管控技术领域，具体而言，涉及水动力阻截技术实验装置、实验方法和水污染风控方法。


背景技术：

2.近年来，工业化进程加快的过程中出现了大量严重的污染场地，研究如何控制这些污染场地污染物的快速扩散并配合适当的处理方法来治理此类污染场地具有重要意义。如果污染源的污染程度严重，或是一些事故导致的局部污染，利用修复技术的成本将会非常高，且修复时间很长；另外，对于多种污染物复合污染的场地，利用修复技术将非常复杂，并且很难彻底去除污染物。在这些情况下，应考虑采用工程技术策略进行场地污染风险控制。工程控制技术通常通过控制地下水的流动来限制污染物的迁移，降低污染物暴露风险，从而达到风险控制的目的，因此也可称为水动力阻截技术。工程控制技术的优势在于施工技术成熟，成本相对较低，工程建设周期短，对不同类型的污染都具有较好的风险控制效果。因此对未来土地利用不紧迫的场地，工程控制技术可以作为场地污染风险控制的主要策略。
3.然而由于工程技术的实施需要消耗大量人力物力，因此在施工前需要对施工方案进行完备的设计与评估。例如，最常用的防污屏障类型——垂直防污屏障的设计要素就包括防渗墙的形状和尺寸，墙底嵌入难渗透性、低渗透性地层的深度，场地的岩土工程和水文地质情况，墙体回填材料的渗透性和隔离污染物的长期化学相容性，墙体材料的无侧限抗压强度以及墙体的水平受力等多项指标参数，而其中大部分参数都需要经过论证后才能确定。因此，往往有必要通过实验来研究污染物在一定水文地质条件下的迁移扩散规律，从而预估工程控制技术的实施效果，进而指导工程技术方案的设计和施工。
4.鉴于此，特提出本发明。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供水动力阻截技术实验装置、实验方法和水污染风控方法。
6.本发明是这样实现的：
7.第一方面，本发明提供一种水动力阻截技术实验装置，包括：砂箱、水位监测仪、污染物浓度在线监测系统、第一输水泵以及第一输水管；
8.所述砂箱内设置有筛板，所述筛板将所述砂箱分隔为水槽和砂槽，所述砂槽内填充有用于模拟地层结构的砂，并设置有多个井，所述水槽用于模拟地下水流场的上游，所述水位监测仪用于测定各个井的水位；
9.所述多个井由筛管置于所述砂槽内形成，所述多个井至少包含1个上游水力控制井、1个下游水力控制井、1个投料井和1个污染物监测井，所述下游水力控制井位于砂箱中心线最下游位置处，所述上游水力控制井位于所述投料井的上游；
10.所述污染物浓度在线监测系统包括分光光度计、循环水泵以及循环输水管，所述
分光光度计内设置有流通比色池，所述流通比色池和所述循环水泵设置在循环输水管的管线上，使用时，所述循环输水管的进水端和出水端均置于某一个所述污染物监测井内；
11.所述第一输水泵和第一输水管用于建立地下水自然流场，所述第一输水管的进水端置于所述下游水力控制井内，所述第一输水管的出水端置于所述水槽内，输水动力由所述第一输水泵提供。
12.在可选的实施方式中，水动力阻截技术实验装置还包括垂直屏障，使用时，所述垂直屏障放置在所述投料井上游。
13.在可选的实施方式中，水动力阻截技术实验装置还包括第二输水泵和第二输水管，使用时，所述第二输水管的进水端置于所述上游水力控制井内，所述第二输水管的出水端置于所述下游水力控制井内，输水动力由所述第二输水泵提供。
14.在可选的实施方式中，砂槽内填充的砂为石英砂，所述砂槽下部填充细颗粒石英砂，所述砂槽上部填充粗颗粒石英砂。
15.第二方面，本发明提供一种基于水动力阻截技术的模拟实验方法，采用上述任一实施方式提供的水动力阻截技术实验装置进行实验。
16.第三方面，本发明提供一种污染物扩散的模拟实验方法，采用上述的水动力阻截技术实验装置进行模拟实验，方法包括：
17.向所述水槽内注水，当水槽内水位达到一定高度时停止注水，启动所述第一输水泵以恒定流量从所述下游水力控制井向所述水槽内抽水，待所述水槽内水位再次稳定后，所述砂槽内形成具有一定水利梯度的地下水流场；
18.将所述循环输水管的进水端和出水端均置于某一个所述污染物监测井内，启动循环水泵，待出水端有水流出且管路中无气泡后启动所述分光光度计，使用时间扫描模式进行空白测定，待空白基线稳定后停止空白测定，向所述投料井内加入有色指示剂溶液并搅拌均匀，之后使用时间扫描模式进行污染物监测，测定完毕后根据事先绘制的标准曲线确定不同时间点测得的有色指示剂浓度；
19.在可选的实施方式中，有色指示剂为高锰酸钾，所述分光光度计为紫外-可见光分光光度计；更优选地，所述分光光度计的测定波长设置为525nm。
20.第四方面，本发明提供一种垂直屏障方案的模拟实验方法，采用上述的水动力阻截技术实验装置进行模拟实验，方法包括：
21.将所述垂直屏障放置在所述投料井上游；
22.向所述水槽内注水，当水槽内水位达到一定高度时停止注水，启动所述第一输水泵开始以恒定流量从所述下游水力控制井向所述水槽内抽水，待所述水槽内水位再次稳定后，所述砂槽内形成具有一定水利梯度的地下水流场；
23.将所述循环输水管的进水端和出水端均置于某一个所述污染物监测井内，启动循环输水泵，待出水端有水流出且管路中无气泡后启动所述分光光度计，使用时间扫描模式进行空白测定，待空白基线稳定后停止空白测定，向所述投料井内加入有色指示剂溶液并搅拌均匀，之后使用时间扫描模式进行污染物监测，测定完毕后根据事先绘制的标准曲线确定不同时间点测得的有色指示剂浓度。
24.在可选的实施方式中，有色指示剂为高锰酸钾，所述分光光度计为紫外-可见光分光光度计；更优选地，所述分光光度计的测定波长设置为525nm。
25.第五方面，本发明提供一种下游输水方案的模拟实验方法，采用上述的水动力阻截技术实验装置进行模拟实验，方法包括：
26.将所述第二输水管的进水端置于所述位于投料井上游的水力控制井内，将所述第二输水管的出水端置于所述下游水力控制井内，输水动力由所述第二输水泵提供。
27.向所述水槽内注水，当水槽内水位达到一定高度时停止注水，启动所述第一输水泵以恒定流量从所述下游水力控制井向所述水槽内抽水，启动所述第二输水泵以恒定流量从所述位于投料井上游的水力控制井向所述下游水力控制井内抽水，待所述水槽内水位再次稳定后，所述砂槽内形成具有一定水利梯度的地下水流场；
28.将所述循环输水管的进水端和出水端均置于某一个所述污染物监测井内，启动循环输水泵，待出水端有水流出且管路中无气泡后启动所述分光光度计，使用时间扫描模式进行空白测定，待空白基线稳定后停止空白测定，向所述投料井内加入有色指示剂溶液并搅拌均匀，之后使用时间扫描模式进行污染物监测，测定完毕后根据事先绘制的标准曲线确定不同时间点测得的有色指示剂浓度；
29.更优选地，所述有色指示剂为高锰酸钾，所述分光光度计为紫外-可见光分光光度计；更优选地，所述分光光度计的测定波长设置为525nm。
30.第六方面，本发明提供一种地下水污染风险管控方法，包括先采上述任一实施方式提供的基于水动力阻截技术的模拟实验方法进行模拟，以模拟结果作为参考，评估方案可行性后再进行实地实施。
31.本发明的有益效果包括：
32.(1)砂箱自由度高，可模拟多种水文地质条件
33.本技术通过使用砂箱作为实验模拟场地，自由度非常高。可通过在砂槽中填充不同性质的材料来模拟不同的地质情况，例如在不同层次填充不同级配的土料来还原真实的土层结构；此外，还可通过调控蠕动泵的流量和抽/注水井的位置来建立不同梯度和流向的地下水流场。
34.(2)可实现污染物浓度的在线监测
35.本技术使用分光光度计作为污染物浓度的测定装置，可实现对所有在紫外/可见光波长范围内有特征吸收的物质的定量，分光光度计作为实验室的常规分析仪器，具有简便、快速、污染少、费用低等优点。此外，本技术使用流通样品池，通过建立样品池—监测井循环回路，实现了污染物浓度的实时监测。
36.(3)可用于指导工程技术方案的设计和施工
37.本技术可用于不同类型的污染场地风险管控工程技术的实验研究。除了本技术实施例中介绍的几个具体应用方法以外，还可以通过插入不锈钢板来模拟板桩墙阻隔技术；可以通过在填充材料上开槽并灌注泥浆来模拟泥浆沟防渗墙阻隔技术；也可通过将污染源下游的地下水抽出并去除污染物后回灌来模拟抽出—处理技术。
附图说明
38.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这
些附图获得其他相关的附图。
39.图1为本技术实施例提供的水动力阻截技术实验装置的结构图；
40.图2为本技术实施例提供的水动力阻截技术实验装置中涉及到的污染物浓度在线监测系统的结构示意图；
41.图3为本技术实施例提供的水动力阻截技术实验装置的实物图；
42.图4为本技术实施例提供的水动力阻截技术实验装置中涉及到的砂箱的三视图；
43.图5为本技术实施例2提供的4种不同形状的圆弧形挡板的结构示意图；
44.图6为本技术实施例2实施时圆弧形挡板插入砂槽中的位置示意图；
45.图7为本技术实施例1的等水位线图；
46.图8-11分别为实施例2采用4种不同的圆弧形挡板进行模拟实验得到的等水位线图；
47.图12为实施例2采用4种不同的圆弧形挡板进行模拟实验得到的污染物迁移曲线图；
48.图13-15分别为实施例3中第二输水泵采用3种不同输水速率输水时进行模拟实验得到的等水位线图；
49.图16为实施例3中第二输水泵采用3种不同输水速率输水时进行模拟实验得到的污染物迁移曲线。
50.图标：100-水动力阻截技术实验装置；110-砂箱；111-水槽；112-砂槽；113-筛板；130-水位监测仪；140-污染物浓度在线监测系统；141-分光光度计；142-循环输水泵；143-循环输水管；144-流通比色池；150-第一输水泵；160-第二输水泵；170-井；171-投料井；172-污染物监测井；173-下游水力控制井；174-上游水力控制井；180-垂直屏障。
具体实施方式
51.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
52.下面对本技术提供的水动力阻截技术实验装置100以及基于水动力阻截技术的模拟实验方法进行具体描述。
53.如图1和图2所示，本技术实施例提供了一种水动力阻截技术实验装置100，包括：砂箱110、水位监测仪130、污染物浓度在线监测系统140、第一输水泵150以及第一输水管；
54.砂箱110内设置有筛板113，筛板113将砂箱110分隔为水槽111和砂槽112，砂槽112内填充有用于模拟地层结构的砂，并设置有多个井170，水槽111为模拟地下水流场的上游，水位监测仪130用于测定各个井170的水位；
55.多个井170由筛管置于砂槽112内形成，其中包含1个下游水力控制井173、1个上游水力控制井174、1个投料井171和1个污染物监测井172，下游水力控制井173位于砂箱110中心线最下游位置处，上游水力控制井174位于投料井171的上游；
56.污染物浓度在线监测系统140包括分光光度计141、循环输水泵142以及循环输水管143，分光光度计141内设置有流通比色池144，流通比色池144和循环输水泵142设置在循
环输水管143的管线上，使用时，循环输水管143的进水端和出水端均置于污染物监测井172内；
57.第一输水泵150和第一输水管用于建立地下水自然流场，第一输水管的进水端置于下游水力控制井173内，第一输水管的出水端置于水槽111内，输水动力由第一输水泵150提供。
58.需要说明的是，在本技术的其他实施例中，多个井还可以包括多个下游水力控制井，当需要在下游多个点位向水槽内循环输水时可以设置多个下游水力控制井，具体数量和设置方式可根据进行的具体实验调整；在本技术的其他实施例中，多个井还可以包括多个上游水力控制井，当需要向上游多个点位输水时可以设置多个上游水力控制井，具体数量和设置方式可根据进行的具体实验调整；在本技术的其他实施例中，多个井还可以包括多个投料井，当需要模拟多个点位污染物扩散情况时，可以设置多个投料井，具体数量和设置方式可以根据进行的具体实验调整。
59.优选地，筛板113和筛管都为透明材质，例如有机玻璃，以便于实验者进行观察。
60.优选地，砂槽112内填充的砂为石英砂，砂槽112下部填充细颗粒石英砂，砂槽112上部填充粗颗粒石英砂。在具体实验过程中，实验者可根据不同的地层结构以及土壤性状选择不同粒径的石英砂。
61.优选地，如图1所示，井170的数量为10个，10个井170的具体位置参考表1中提供的坐标确定，并进行编号，其中水槽111被编为0#井。
62.表1各井的位置坐标
[0063][0064]
优选地，水动力阻截技术实验装置还包括垂直屏障180，本实施例中使用圆弧形的不锈钢挡板作为垂直屏障180，垂直屏障180的放置位置参考图6。
[0065]
优选地，水动力阻截技术实验装置还包括第二输水泵160和第二输水管，使用时，第二输水管的进水端置于上游水力控制井174内，第二输水管的出水端置于下游水力控制井173内，输水动力由第二输水泵160提供。
[0066]
优选地，本技术实施例提供的水动力阻截技术实验装置的实物图如图3所示，本技术实施例提供的水动力阻截技术实验装置中涉及到的砂箱110的具体尺寸数据如图4所示，除此之外，砂箱110的壁厚为2cm，监测井170壁厚为0.5cm。
[0067]
优选地，本技术实施例提供的水动力阻截技术实验装置中所使用的输水泵(第一输水泵150、第二输水泵160以及循环输水泵142)均为蠕动泵，实验前先对第一输水泵150、第二输水泵160进行流量标定，具体方法为：将装配有固定型号水管的蠕动泵的进水口插入水槽111中，打开蠕动泵并设置一转速，将出水管插入干净的250ml空量筒中，在进水瞬间开始计时，记录一段时间内泵的输水量，从而计算出该条件下泵的流量，每个转速测定3次，取平均值，每台泵共测定3个转速下的流量。蠕动泵标定结果见表2。
[0068]
表2蠕动泵流量标定结果
[0069][0070]
下面对本技术提供的几个具体的模拟实验方法进行具体说明：
[0071]
实施例1
[0072]
本技术实施例提供了污染物扩散的模拟实验方法，具体为：
[0073]
1.向水槽111内注水，当水槽111内水位达到33.5cm时停止注水，启动第一输水泵150以恒定为33.2ml/s的流量从下游水力控制井173向水槽111内抽水，待水槽111内水位再次稳定后，砂槽112内形成具有一定水利梯度的地下水流场，此时用水位监测仪130测定1～10#井的水位，根据各井的水位可得到地下水流场的等水位线图，如图7所示；
[0074]
2.将循环输水管143的进水端和出水端均置于污染物监测井172内，启动循环输水泵142，待出水端有水流出且管路中无气泡后启动紫外-可见光分光光度计141，设置测定波长为525nm，使用时间扫描模式进行空白测定，待空白基线稳定后停止空白测定，向投料井171内加入3ml饱和高锰酸钾溶液并搅拌均匀，之后使用时间扫描模式进行污染物监测，扫描总时长为120min，测定间隔为1min，测定完毕后根据事先绘制的标准曲线确定不同时间点测得的高锰酸钾浓度，从而得到高锰酸钾迁移曲线，如图12和图16中空白曲线所示。
[0075]
本实施例提供的污染物扩散的模拟实验方法，可模拟地下水污染物的扩散情况，在实际污染物处理过程中，可以模拟的污染物扩散情况作为参考依据来设计应对措施。
[0076]
实施例2
[0077]
本技术实施例提供的垂直屏障方案的模拟实验方法，具体为：
[0078]
1.本实施例使用4种不同弧度的圆弧形不锈钢挡板作为垂直屏障180，如图5所示，垂直屏障180厚度均为0.5mm，高度均为50cm，内径均为1m。所有垂直屏障180均放置在如图6
所示位置，即垂直屏障180与一条和筛板113平行且相距50cm的直线相切，且挡板开口端连线与该切线平行；
[0079]
2.向水槽111内注水，当水槽111内水位达到33.5cm时停止注水，启动第一输水泵150以恒定为33.2ml/s的流量从下游水力控制井173向水槽111内抽水，待水槽111内水位再次稳定后，砂槽112内形成具有一定水利梯度的地下水流场，此时用水位监测仪130测定1～10#井的水位，根据各井的水位可得到地下水流场的等水位线图，如图8-11所示；
[0080]
3.将循环输水管143的进水端和出水端均置于污染物监测井172内，启动循环输水泵142，待出水端有水流出且管路中无气泡后启动紫外-可见光分光光度计141，设置测定波长为525nm，使用时间扫描模式进行空白测定，待空白基线稳定后停止空白测定，向投料井171内加入3ml饱和高锰酸钾溶液并搅拌均匀，之后使用时间扫描模式进行污染物监测，扫描总时长为120min，测定间隔为1min，测定完毕后根据事先绘制的标准曲线确定不同时间点测得的高锰酸钾浓度，从而得到高锰酸钾迁移曲线，如图12所示。
[0081]
从图8-11可看出，在同一自然流场下，在污染源上游插入不同形状的垂直屏障180后，上、下游水位发生了不同形式的变化。垂直屏障180上游等水位线变得更为密集，水位梯度随着垂直屏障180长度的增加逐渐增大；垂直屏障180内侧则形成了不同范围的低流速区，此区域内的水位梯度随着垂直屏障180长度的增加而逐渐减小，且区域范围随着垂直屏障180长度的增加逐渐扩大。在低流速区内水流方向沿垂直屏障180切线的方向逐渐偏移。而在低流速区下游，水流又恢复自然流向，且流速几乎与自然流场相同。
[0082]
从图12可看出，在第一输水泵150流量恒定为33.2ml/s时，垂直屏障180的弧长越长，高锰酸钾的保留时间越长，但差异并不明显。对于a、b、c、d四种圆弧形垂直屏障180，高锰酸钾的保留时间分别为28min、31min、32min和42min。此外，垂直屏障180存在时高锰酸钾的峰值浓度有所降低，但不同长度的垂直屏障180之间无明显差异。
[0083]
本实施例提供的垂直屏障方案的模拟实验方法，可以模拟垂直屏障对污染物的阻隔效果，可将不同尺寸形状的垂直屏障的模拟实验结果作为实际实施方案的参考。
[0084]
实施例3
[0085]
本技术实施例提供的下游输水方案的模拟实验方法，具体为：
[0086]
1.将第二输水管的进水端置于上游水力控制井174内，将第二输水管的出水端置于下游水力控制井173内，输水动力由所述第二输水泵160提供。
[0087]
2.向水槽111内注水，当水槽111内水位达到33.5cm时停止注水，启动第一输水泵150以恒定为33.2ml/s的流量从下游水力控制井173向水槽111内抽水，启动第二输水泵160分别以恒定为12.7ml/s、17.6ml/s和23.8ml/s的流量从上游水力控制井174向下游水力控制井173内抽水，待水槽111内水位再次稳定后，砂槽112内形成具有一定水利梯度的地下水流场，此时用水位监测仪130测定1～10#井的水位，根据各井的水位可得到地下水流场的等水位线图，如图13-15所示；
[0088]
3.将循环输水管143的进水端和出水端均置于污染物监测井172内，启动循环输水泵142，待出水端有水流出且管路中无气泡后启动紫外-可见光分光光度计141，设置测定波长为525nm，使用时间扫描模式进行空白测定，待空白基线稳定后停止空白测定，向投料井171内加入3ml饱和高锰酸钾溶液并搅拌均匀，之后使用时间扫描模式进行污染物监测，扫描总时长为120min，测定间隔为1min，测定完毕后根据事先绘制的标准曲线确定不同时间
点测得的高锰酸钾浓度，从而得到高锰酸钾迁移曲线，如图16所示。
[0089]
从图13-15可以看出，在上游水力控制井174周围形成了聚集型的高流速区，上游水流向上游水力控制井174靠拢，抽水流量越大，上游水力控制井174周围的水位线越密集，水流流速越快，水流方向越集中。在中游出现了低流速区，此区域内还发现了类似涡流的弯曲水位线，可能是上游抽水和下游输水引起的流场波动与自然流场相互作用的结果。
[0090]
从图16可看出，第一输水泵150流量恒定为33.2ml/s时，通过下游输水可延长高锰酸钾的出峰时间，当第二输水泵160输水流量分别为12.7ml/s、17.6ml/s和23.8ml/s时，高锰酸钾的出峰时间分别为34min、50min和78min。当输水流量分别为12.7ml/s和17.6ml/s时，高锰酸钾的峰值浓度相比空白有所增加，可能是由于建立自然流场时上游积累的高锰酸钾被输送到下游所致。
[0091]
本实施例提供的下游输水方案的模拟实验方法，可以模拟建立反向水力梯度对污染物的阻隔效果，可将不同输水流量的模拟实验结果作为实际实施方案的参考。
[0092]
综上，本技术提供的水动力阻截技术实验装置100以及基于水动力阻截技术的模拟实验方法具有以下优点：
[0093]
(1)砂箱110自由度高，可模拟多种水文地质条件
[0094]
本技术通过使用砂箱110作为实验模拟场地，自由度非常高。可通过在砂槽中填充不同性质的材料来模拟不同的地质情况，例如在不同层次填充不同级配的土料来还原真实的土层结构；此外，还可通过调控蠕动泵的流量和抽/注水井的位置来建立不同梯度和流向的地下水流场。
[0095]
(2)可实现污染物浓度的在线监测
[0096]
本技术使用分光光度计141作为污染物浓度的测定装置，可实现对所有在紫外/可见光波长范围内有特征吸收的物质的定量，光分光光度计141作为实验室的常规分析仪器，具有简便、快速、污染少、费用低等优点。此外，本技术使用流通样品池，通过建立样品池-监测井170循环回路，实现了污染物浓度的实时监测。
[0097]
(3)可用于指导工程技术方案的设计和施工
[0098]
本技术可用于不同类型的污染场地风险管控工程技术的实验研究。除了本技术实施例中介绍的几个具体应用方法以外，还可以通过插入不锈钢板来模拟板桩墙阻隔技术；可以通过在填充材料上开槽并灌注泥浆来模拟泥浆沟防渗墙阻隔技术；也可通过将污染源下游的地下水抽出并去除污染物后回灌来模拟抽出—处理技术。
[0099]
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。