地下水原位空气扰动修复中气流分布实验模拟系统及方法与流程

本发明涉及污染场地控制与修复技术领域，特别涉及一种地下水原位空气扰动修复中气流分布实验模拟系统及方法。

背景技术：

地下水作为水资源的重要组成部分，是饮用水的重要来源之一；但是随着社会经济的快速发展，土壤和地下水有机污染日益严重。在中国人口众多，水资源短缺的现状下，如何有效地利用和保护珍贵的水资源，是一个现实而紧迫的问题，直接关系到国民经济健康、持续的发展。有机污染物造成的地下水和土壤污染具有复杂性，隐蔽性和危害性。美国环保署(USEPA)报道，在美国，储存石油产品的大小地下储罐有大约250万个，超过41万个储罐有泄漏问题。截止到2012年，我国具有合法营业执照的加油站数量已超过11万个，有众多地下储油罐和输油管道接近使用寿命，存在泄漏问题。此外，由于防护措施不到位以及管理不善等原因，爆炸、泄漏等重大环境污染事件也时有发生。随着国家《水污染防治行动计划》和《土壤污染防治行动计划》的颁布，对于地下水和土壤有机物污染问题亟待解决。

目前，地下水有机污染的修复技术主要分两类：原位修复和异位修复。异位修复因其成本高、工程量大等特点，一般只适用于污染物浓度高、污染范围小的地下水污染。原位修复技术包括：原位空气扰动修复技术（AS）、可渗透反应墙（PRB）、原位电化学动力修复、微生物修复技术等。其中AS技术被认为是去除土壤和地下水中挥发性有机污染物最有效的方法之一。该技术因高效率、快速和低成本而被广泛应用。其原理是通过向饱和地层中注入新鲜空气，由于气液间的浓度差，污染物不断挥发进入气相，气体在浮力的作用下携带污染物逐步上移，达到去除污染的目的。

已有的实验技术方法虽然可以模拟观测地下水修复中AS影响区域，但对于AS修复中影响区域内不同位置气流分布定量描述还无相关实验方法进行测量和研究。对于AS修复中影响区域内不同高度气流分布定量描述更是没有合适的实验方法来进行测量和研究。尤其AS修复技术中气体流量是污染物去除效率的重要影响因素之一。到目前为止，大多数研究表明气流分布是不均匀的：曝气井附近的气体流量明显大于影响区域边缘的气体流量。但对于具体曝气井垂直方向上不同高度气流流量的定量描述或是AS修复中影响区域内同一高度处曝气井正上方与影响区域边缘的气流流量大小定量比较是没有合适的实验方法进行测量和研究。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种地下水原位空气扰动修复中气流分布实验模拟系统及方法，解决了现有技术存在的上述问题。本发明具有简便可行，仿真程度高，可模拟实际场地的优点。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

地下水原位空气扰动修复中气流分布实验模拟系统，包括：

摄像机101和光源102，摄像机101用于记录地下水曝气修复过程模拟实验现象；

有机玻璃模拟槽201，位于摄像机101和光源102之间，有机玻璃模拟槽201中填充有模拟砂土的石英砂和模拟地下水的纯水；有机玻璃模拟槽201底部设有曝气头A202，所述曝气头A202顶部设置两个可拆卸曝气头B205，用于测量曝气修复过程中影响区域内不同高度处的气流流量；有机玻璃模拟槽201上部设置气流隔板204将有机玻璃模拟槽201分成不同单元，每个单元是4cm长，2cm宽，50cm高；有机玻璃模拟槽201两边设置若干个溢流口203，用于保持液面高度不变；有机玻璃模拟槽201顶部与盖体206螺纹连接，所述盖体206上设有出气口207，所述出气口与气体收集装置600连接，用于收集曝气修复过程中影响区域内不同位置处的气流；

空气压缩瓶302提供的压缩空气通过曝气头A202进入有机玻璃模拟槽201；

流量计400，安装在空气压缩瓶302和压力传感器500之间，控制曝气过程中的压缩气体的流量；

压力传感器500安装在空气压缩瓶302和曝气头A202之间；

气体收集装置600包括气密袋601及三通602，所述气密袋601通过三通602与盖体206上的出气口207相连，用来收集气体，三通602上带有开关K1、K2，所述开关K2置于气密袋601与三通602的连接处，所述开关K1置于外界环境与三通602的连接处；气密袋601中的气体体积通过排水法测量得到；

溢流接收装置700，与溢流口203相连，用于收集压缩气体泵入有机玻璃模拟槽201时溢流出的纯水。

所述的有机玻璃模拟槽201为透明有机玻璃模拟槽，石英砂为透明熔融石英砂，气流隔板204为有机玻璃板，曝气头B205为可拆卸曝气头。

3、根据权利要求1所述的地下水原位空气扰动修复中气流分布实验模拟系统，其特征在于：所述的空气压缩瓶302上连接有调压阀301。

所述的流量计402上连接有调节流量的旋钮。

本发明的另一目的在于提供一种地下水原位空气扰动修复中气流分布实验模拟系统的模拟方法，可以收集曝气修复过程中影响区域内不同位置处的气流以及通过移动曝气头和溢流口位置可以满足曝气修复过程中影响区域内不同高度处的气流，从而分析曝气修复过程中影响区域内气流分布规律，包括如下步骤：

S1、检测地下水原位空气扰动修复中气流分布模拟实验系统中气体收集装置的气密性；具体的，将气体收集装置600打开开关K2，关闭开关K1，然后注入气体至装满气密袋，关闭开关K2密封放入水中，查看气体收集装置的气密性，确保实验中气体收集过程没有发生泄漏，检查结束后，打开开关K1和K2，排出气体收集装置中的气体，然后关闭开关K2；

S2、采用撒砂法在有机玻璃模拟槽201中装填石英砂介质；具体的，用烧杯将石英砂缓慢从有机玻璃模拟槽201上部撒入有机玻璃模拟槽201中，并沿着有机玻璃模拟槽201长度方向来回水平移动；装填过程中保持水面高于砂面2~3cm，以保证石英砂介质中不会有残留的空气；此外，在装填的同时需要轻轻敲击模拟槽边壁，以保证石英砂介质装填得比较均匀和密实；

S3、将有机玻璃模拟槽201置于平坦的空地，两侧置放摄像机101和光源102，空气压缩瓶302与流量计400、压力传感器500及曝气头A202相连，盖体206盖于有机玻璃模拟槽201上，盖体206上的出气口207与气体收集装置600相连，溢流接收装置700与溢流口203相连，每次实验选取所需要的一个曝气头A202及相应的溢流口203；

S4、检测地下水原位空气扰动修复中气流分布模拟实验系统的气密性；具体的，夹住曝气头A202处管路，调节空气压缩瓶302处的调压阀301，增大压力，打开流量计400的旋钮，检查流量计400、压力传感器500附近连接口的气密性，确保实验中气体在到达模拟槽之前没有发生泄漏；检查结束后，关闭调压阀301和流量计400；

S5、开始曝气实验，缓慢调整流量计使压缩气体的压力等于静水压力值之后，打开摄像机拍摄试验现象；

S6、压缩气体进入有机玻璃模拟槽201后，稳定曝气流量，待压缩气体的压力稳定而且溢流口没有水排出之后，记录气体的流量和排水量，拍摄试验现象，并开始进行气体收集测量；具体的，关闭三通602开关K1，打开开关K2，同时开始计时，待气体收集结束，关闭开关K2，打开开关K1，同时取下气体收集装置600；不同位置处气体收集过程通过规定的时间内气体收集装置600收集的气体体积计算得到单位时间内平均气流流量，气体收集装置600中气密袋601中的气体体积通过排水法测量得到；

S7、影响区域内不同高度处气体收集过程通过变换可拆卸曝气头B205以及改变相应的溢流口203的位置实现；具体的，观察本次实验选用可拆卸曝气头B205相较初始曝气头A202上移的距离，在S2步骤中，在向有机玻璃模拟槽201中装填石英砂过程中石英砂填装高度也要增加等同曝气头上移的距离，溢流口203的位置选择也要增加等同曝气头上移的距离；重复步骤S4-S6，测量得到曝气修复中影响区域内曝气头B205距离气流隔板204的垂直高度的气流平均流量；

S8、变换可拆卸曝气头B205的位置、不同的曝气压力、石英砂粒径，开展多次曝气修复中气流分布实验，采集数据。

本发明的有益效果在于：

（1）采用透明熔融石英砂模拟砂土，自然的含水层不透明性使它很难观测到气流运移，因此研究人员无法直接观察气体在土体的运动过程，选取物理特性和天然土壤相近的石英砂替代砂土颗粒是行之有效的方法。

（2）采用有机玻璃板将槽子上部分成不同单元，在曝气修复过程中就可以采用气体收集装置收集不同位置处的气流，从而定量描述出曝气修复中影响区域内不同位置处的气流分布情况，用以分析曝气修复中影响区域内不同位置处的气流分布规律。

（3）采用可移动及可拆卸的曝气头和对应的溢流接收装置，不仅考虑了装置气密性以及避免不同曝气头之间相互影响，而且满足曝气修复过程中影响区域内不同高度气流分布的测量，用以分析曝气修复中影响区域内不同高度处气流分布规律，为曝气修复中影响区域内气流分布理论和数值分析提供大量实验数据，有效的为数学模型的建立及校正提供数据支持，为实际修复场地中无法对影响区域内气流流量进行量化预测提供了解决方法。

（4）使用图像采集系统对曝气过程进行图像采集，并进行后处理，该方法可以直观展现曝气的影响区域及气流分布区域，研究其与曝气压力、砂土粒径和气体运动方式等的关系。

综上所述，本发明的地下水原位空气扰动修复过程中气流分布实验模拟系统及方法具有简便可行，仿真程度高的优点。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明的系统结构示意图

图2为本发明的有机玻璃模拟槽的结构示意图；

图3为本发明的可拆卸曝气头的安装示意图；

图4为本发明的气体收集装置的结构示意图；

图5为本发明的方法流程图；

图6为本发明实施例的透明熔融石英砂的示意图；

图7至图9为本发明实施例的曝气图像。

图中：101、摄像机；102、光源；201、有机玻璃模拟槽；202、曝气头A；203、溢流口；204、气流隔板；205、可拆卸曝气头B；206、盖体；207、出气口；301、调压阀；302、空气压缩瓶；400、流量计；500、压力传感器；600、气体收集装置；601、气密袋；602、三通；700、溢流接收装置。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。

对地下水原位空气扰动修复过程的室内实验是研究曝气修复过程的重要手段。尤其原位空气扰动修复技术中气体流量是污染物去除效率的重要影响因素之一。本发明涉及到一种地下水原位空气扰动修复中气流分布模拟实验系统及方法，可以通过该系统对地下水曝气过程进行观测试验，定量描述出曝气修复中影响区域内不同位置处的气流分布情况以及满足曝气修复过程中影响区域内不同高度气流分布的测量，并且研究曝气压力、砂土粒径、气体运动方式等对于曝气过程中影响区域内气流分布规律的影响。其中，系统方面主要包括：透明熔融石英砂，二维有机玻璃模拟槽，有机玻璃隔板，可拆卸曝气头，空气压缩瓶，管路，流量计，压力传感器及气体收集装置。方法方面主要是指通过图像采集进行处理的方式对曝气过程进行分析，以及通过隔板分区收集曝气修复过程中影响区域内不同位置处的气流和通过移动曝气头和溢流口位置可以满足曝气修复过程中影响区域内不同高度处的气流，从而分析曝气修复过程中影响区域内气流分布规律。其核心思想介绍如下：使用不同粒径的透明熔融石英砂模拟砂土，以便于观测气体在其中的运动过程采用抛砂法装填于有机玻璃模拟槽内，以保证石英砂介质中不会有残留的空气以及石英砂介质装填得比较均匀和密实。通过管路在模拟槽底部注入压缩空气，使用图像采集系统对曝气过程进行图像拍摄，并进行后处理，并且在此过程中使用气体收集装置收集曝气修复过程中影响区域内不同位置处的气流，以及通过移动曝气头和溢流口位置可以满足曝气修复过程中影响区域内不同高度处的气流，为进一步分析曝气修复过程中影响区域内不同位置及不同高度处气流分布规律做准备。

参见图1至图9所示，本发明的地下水原位空气扰动修复中气流分布实验模拟系统，包括：

摄像机101和光源102，摄像机101用于记录地下水曝气修复过程模拟实验现象；

有机玻璃模拟槽201，位于摄像机101和光源102之间，有机玻璃模拟槽201中填充有模拟砂土的石英砂和模拟地下水的纯水；有机玻璃模拟槽201底部设有曝气头A202，所述曝气头A202顶部设置两个可拆卸曝气头B205，可拆卸曝气头B205可以分成两部分，固定在有机玻璃模拟槽201上内置螺纹的底座以及中间添加有L型有机玻璃管的有机玻璃螺杆和未添加有L型有机玻璃管的有机玻璃螺杆，用于测量曝气修复过程中影响区域内不同高度处的气流流量；有机玻璃模拟槽201上部设置气流隔板204将有机玻璃模拟槽201分成不同单元，每个单元是4cm长，2cm宽，50cm高；有机玻璃模拟槽201两边设置若干个溢流口203，用于保持液面高度不变；有机玻璃模拟槽201顶部与盖体206螺纹连接，所述盖体206上设有出气口207，所述出气口与气体收集装置600连接，用于收集曝气修复过程中影响区域内不同位置处的气流；

空气压缩瓶302提供的压缩空气通过曝气头A202进入有机玻璃模拟槽201；

流量计400，安装在空气压缩瓶302和压力传感器500之间，控制曝气过程中的压缩气体的流量；

压力传感器500安装在空气压缩瓶302和曝气头A202之间；

气体收集装置600包括气密袋601及三通602，所述气密袋601通过三通602与盖体206上的出气口207相连，用来收集气体，三通602上带有开关K1、K2，所述开关K2置于气密袋601与三通602的连接处，所述开关K1置于外界环境与三通602的连接处；气密袋601中的气体体积通过排水法测量得到；

溢流接收装置700，与溢流口203相连，用于收集压缩气体泵入有机玻璃模拟槽201时溢流出的纯水。

所述的有机玻璃模拟槽201为透明有机玻璃模拟槽，石英砂为透明熔融石英砂，气流隔板204为有机玻璃板。

所述的空气压缩瓶302上连接有调压阀301。

所述的流量计402上连接有调节流量的旋钮。压力传感器500可以是气体压力表。

本发明的地下水原位空气扰动修复中气流分布实验模拟方法可以收集曝气修复过程中影响区域内不同位置处的气流以及通过移动曝气头位置可以满足曝气修复过程中影响区域内不同高度处的气流，从而分析曝气修复过程中影响区域内气流分布规律，包括如下步骤：

S1、检测地下水原位空气扰动修复中气流分布模拟实验系统中气体收集装置的气密性；具体的，将气体收集装置600打开开关K2，关闭开关K1，然后注入气体至装满气密袋，关闭开关K2密封放入水中，查看气体收集装置600的气密性，确保实验中气体收集过程没有发生泄漏，检查结束后，打开开关K1和K2，排出气体收集装置中的气体，然后关闭开关K2；

S2、采用撒砂法在有机玻璃模拟槽201中装填石英砂介质；具体的，用烧杯将石英砂缓慢从有机玻璃模拟槽201上部撒入有机玻璃模拟槽201中，并沿着有机玻璃模拟槽201长度方向来回水平移动；装填过程中保持水面高于砂面2~3cm，以保证石英砂介质中不会有残留的空气；此外，在装填的同时需要轻轻敲击模拟槽边壁，以保证石英砂介质装填得比较均匀和密实；

S3、将有机玻璃模拟槽201置于平坦的空地，两侧置放摄像机101和光源102，空气压缩瓶302与流量计400、压力传感器500及曝气头A202相连，盖体206盖于有机玻璃模拟槽201上，盖体206上的出气口207与气体收集装置600相连，溢流接收装置700与溢流口203相连，每次实验选取所需要的一个曝气头A202及相应的溢流口203；

S4、检测地下水原位空气扰动修复中气流分布模拟实验系统的气密性；具体的，夹住曝气头A202处管路，调节空气压缩瓶302处的调压阀301，增大压力，打开流量计400的旋钮，检查流量计400、压力传感器500附近连接口的气密性，确保实验中气体在到达模拟槽之前没有发生泄漏；检查结束后，关闭调压阀301和流量计400；

S5、开始曝气实验，缓慢调整流量计使压缩气体的压力等于静水压力值之后，打开摄像机拍摄试验现象；

S6、压缩气体进入有机玻璃模拟槽201后，稳定曝气流量，待压缩气体的压力稳定而且溢流口没有水排出之后，记录气体的流量和排水量，拍摄试验现象，并开始进行气体收集测量；具体的，关闭气体收集装置600开关K1，打开开关K2，同时开始计时，待气体收集结束，关闭开关K2，打开开关K1，同时取下气体收集装置；不同位置处气体收集过程通过规定的时间内气体收集装置600收集的气体体积计算得到单位时间内平均气流流量，气体收集装置600中气密袋601中的气体体积通过排水法测量得到；

S7、影响区域内不同高度处气体收集过程通过变换可拆卸曝气头B205以及改变相应的溢流口203的位置实现；具体的，观察本次实验选用可拆卸曝气头B205相较初始曝气头A202上移的距离，在S2步骤中，在向有机玻璃模拟槽201中装填石英砂过程中石英砂填装高度也要增加等同曝气头上移的距离，溢流口203的位置选择也要增加等同曝气头上移的距离；重复步骤S4-S6，测量得到曝气修复中影响区域内曝气头B205距离气流隔板204的垂直高度的气流平均流量；

S8、变换可拆卸曝气头B205的位置、不同的曝气压力、石英砂粒径，开展多次曝气修复中气流分布实验，采集数据。

以上所述仅为本发明的优选实例而已，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。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。