一种水静力条件下模拟土壤地下水含氧量梯度分布的装置的制作方法

本发明涉及一种在水静力条件下土壤及地下水非饱和-饱和带中污染物迁移反应转化试验模拟装置，尤其考虑污染物在垂直迁移过程中受到地下水氧气含量不同影响的研究。

技术背景

随着国家工业化的迅速推进，经济的持续发展，环境污染也日趋严重，尤其是水资源环境问题更加突出，伴随着地表水资源的严重污染和短缺，地下水污染也日益严峻。而地下水由于其位于地表以下的不可见性，以及地下环境的复杂性，难以依靠土壤-地下水系统自身修复，一旦被污染后处理难度巨大。因此研究污染物在土壤和地下水中的迁移反应规律及其影响因素十分重要，将有助于预测和评定地下水污染程度，并为控制修复土壤和地下水污染提供科学依据。

垂直土柱试验模型是国内外研究土壤和地下水中污染物迁移的重要手段，应用该模型在研究地下水中污染物迁移反应规律十分直观，是揭示污染物在地下水系统中迁移转化机理的良好途径。目前，实验室所用的垂直土柱试验模型较为简单，功能单一，具体存在以下问题：

1、 忽略降雨的作用。由于降雨入渗是地下水补给重要的来源，在这一过程中地下水中多种组分变化如地下水含氧量的增加，污染物随入渗雨水进入土壤中，土壤孔隙中氧气含量的减少等等，而传统模型无法有效的改变降雨强度。

2、 忽略地下水体随深度增加氧气不同分布问题。由于非饱和-饱和带中水-气体分布不均匀状况，由此产生的好氧、厌氧、缺氧环境，不同氧气含量的地下水，污染物在其中的反应过程截然不同。溶解氧是重要的电子受体，例如在氧气存在的情况下, NH₄⁺离子先在特定细菌作用下被氧化成 NO^-；在缺氧环境下, NO^- 继而被很多细菌作为呼吸电子接受体。因此, 氧气浓度直接影响着 N 发生转化的方向。

3、 功能模块没有后续升级空间。随着研究的深入，模型功能和参数需要不断调整，然而现有模型一般没有考虑后续改进，不能适应不同长度或深度的试验，重复利用率低。

技术实现要素：

本发明为一种水静力条件下模拟土壤地下水含氧量梯度分布的装置，克服了上述现有装置技术中的不足，该模型考虑降雨与含氧量因素，结构较简单，设计合理，系统误差小，取样方便且重复利用率高，便于科研以及推广使用。

本发明提出的一种水静力条件下模拟土壤地下水含氧量梯度分布的装置，包括降雨装置1、试验土柱2和无氧水供给装置3，所述降雨装置1可以调节流量阀控制降雨强度，包括水箱11、连接管道12、进水泵13、流量阀14和莲蓬头15，水箱11通过连接管道12、进水泵13和流量阀14连接莲蓬头15；所述试验土柱2包括由若干同规格的组件21拼装而成，每个组件21由两个半圆柱管材通过带孔法兰盘22和开孔侧边固定块23连接而成，半圆柱管材内部采用磨砂处理，侧边开有若干取样孔，用于连接注射器式取样装置24；所述无氧水供给装置3由马氏瓶4、带阀门连接管46和带透水石内芯的连接盘5组成，马氏瓶4底部通过带阀门连接管46连接带透水石内芯的连接盘5，所述带透水石内芯的连接盘5位于试验土柱2底部，所述莲蓬头15位于试验土柱2顶部。

本发明中，所述组件21内径为150-160mm，外径为160-170mm，高度为200mm，内壁磨砂处理消除水流短路；所述法兰盘22内径为150-160mm,外径为190-200mm,厚度为10mm；所述开孔侧边固定块23长宽均为10-15mm，厚度为5mm，位于距离半圆柱管材顶部和底部80mm处，各设置有2个；所述法兰盘22沿着圆周开均匀开8个孔，与侧边固定块23开孔直径均为3-5 mm，适配相应直径的螺栓；所述取样孔密闭连接注射器式取样装置24，在圆柱面组件21中一个半圆柱管材面横向1/3处,竖直方向每隔65mm布置，用以取样以供后续试验分析。

本发明中，所述改进的马氏瓶4由玻璃管41、橡胶塞42、带阀门的纳米铁添加管43、带阀门的进水管44、底部致密滤网膜45组成；所述马氏瓶通过带阀门管道46与土柱底部连接器5连接，用以向试验土柱中供给不同高度的模拟深层地下水厌氧环境的无氧水。

本发明中，马氏瓶4侧部连接有带阀门的纳米铁添加管43，可以向马氏瓶4中加入去氧剂，马氏瓶4底部设置有滤网45，通过带阀门的纳米铁添加管43可以向马氏瓶4中加入去氧剂，形成的Fe(OH)₃被滤网45阻拦。

本发明中，所述连接盘5由两层圆柱管51叠加而成，上部圆柱管51带法兰盘，上层圆柱管51内镶嵌透水石52，下层圆柱管51内放置玻璃珠53，下层圆柱管51底部连接进水管46，下层圆柱管51底部设有带阀门出水管54，用以使水流进入土柱时候更加均匀，水力性质更好。

本发明中，所述连接盘5中的圆柱管51内径为150-160mm，外径为160-170mm，高度为40-60mm；所述法兰盘内径为150-160mm,外径为190-200mm,厚度为10mm，沿着圆周开均匀开8个孔，开孔直径为3-5 mm，适配相应直径的螺栓，与上部土柱通过螺栓固定连接；内置20-30mm厚透水石52，20-30mm后的玻璃珠层53，底部进水管46内径孔径50-60mm，外径55-65mm，底部出水管54内径孔径为20-30mm，外径为25-35mm，管长为30-40mm。

本发明的有益效果：

1、 本发明提供能改变雨强的降水装置，从而能够研究通过降雨入渗补给地下水过程中地下水中多种组分变化如地下水含氧量的增加，污染物随入渗雨水进入土壤中，土壤孔隙中氧气含量的减少等等对地下水中污染物迁移反应的影响。

2、 解决了以前装置未考虑地下水体随深度增加氧气分布梯度的问题。通过改进的马氏瓶以向试验土柱中供给不同高度的模拟深层地下水厌氧环境的无氧水。下层无氧水与上层降雨入渗的充满氧气的水混合，从而在垂直方向上形成有氧气梯度的地下水分布。为今后相关的模拟土壤-地下水系统中氧气含量作为重要影响因子的相关实验提供实验装置参考。

3、 在取样上具有极大的灵活性和可操作性。土柱一侧有连接注射器式取样装置，便于对实验水样进行观测和采集；同时取样孔可改造为不同深度的点源污染物注入口，研究不同深度污染物注入的影响；此外，实验结束后，通过对模型的横向以及垂向拆解，可取各位置土样进行化验分析，更利于准确把握污染物扩散情况和在土壤中的吸附情况。

4、 土柱组件具有提供标准件，通过组合即可组装满足不同要求的长度模型，极大提高单个组件的重复利用率，可进行批量生产，便于大规模推广。

附图说明

图1为本发明总体结构示意图；

图2为本发明土柱组件圆柱管材示意图；

图中标号：1为降雨装置，11为水箱，12为连接管道，13为进水泵，14为流量阀，15为莲蓬头，2为试验土柱，21圆柱管材组件，22为法兰盘，23为侧边连接块，24为注射器取样装置，3为无氧水供给装置，4为改进的马氏瓶，41为玻璃管，42为橡胶塞，43为带阀门的纳米铁添加管，44为带阀门进水管，45为过滤网膜，46为带阀门连接管道，5为连接盘，51带法兰盘的圆柱管，52为透水石，53为玻璃珠，54为带阀门出水管道。

具体实施方式

下面通过实施例结合附图进一步说明本发明。

l 实施例１：如图１所示，用文字说明各部件之间的连接关系，补充

l 如图２所示，用文字说明各部件之间的连接关系，补充

实施例２：采用实施例１所述的装置，进行硝酸盐迁移转化试验。

1、 备土：在距地表 10~15m深度进行采样。在实验室内，将中砂进行风干，经 2mm 筛进行筛选，测定容重，孔隙率，硝态氮含量，亚硝态氮含量，氨氮含量，有机质含量，PH。

2、 组装：连接好降雨装置1和无氧水供给装置3，将试验土柱的各个部分通过螺栓在法兰盘22，侧边连接块23拼接，土柱与连接盘拼接，所有管道的阀门均保持关闭。

3、 填土：将筛后土壤进行分层填装，并进行轻微夯实，确保水流能够在土柱中实现升降和土壤结构的均一性。

4、 注入无氧水：调整马氏屏4的玻璃管41至合适高度，打开注水管44的阀门，往里面充入氮气5分钟，随后充入处理过不含氧气的水体直至马氏瓶4水满；关闭注水管44的阀门，打开管道46的阀门，静静等待土柱中液位稳定，关闭连接管道46阀门；在这个过程中打开出水管道54阀门在密封条件下测水中溶解氧含量，如果检测到氧气则打开纳米铁除氧剂43阀门，紧急去除氧气直至检测到氧气含量为零，随后关闭纳米铁添加管43阀门，出水口54处阀门，继续等液位稳定，关闭连接管道46阀门。

5、 降雨：控制一定雨强，打开流量阀阀门14在固定流量位置，打开进水泵15，开始降雨，等到表层土体出现一定积水后，立即关进水泵15和流量控制阀14。

6、 污染物注入：静置2h后，在土柱顶部瞬间注入2L、500mg/L硝酸钾溶液，随后静置。

7、 采样：依实验方案在不同时刻、不同位置进行采样，用紫外分光光度法测硝态氮，N-(1 萘基)-乙二胺分光光度法测亚硝态氮，纳氏试剂光度法测氨态氮，DO测试装置测溶解氧含量。

8、 待试验结束后，打开出水管道54阀门，将水放空，将模型逆序拆解，即可完成对试验后的土样分层采集，以及事后清洗工作，方便重复使用。