一种流动相石油污染多孔介质运移的实验装置及方法与流程

本发明属于环境监测设备技术领域，涉及一种流动相石油污染多孔介质运移的实验装置及方法。

背景技术：

地下水是水资源的重要组成部分，水量稳定水质好，是农业灌溉、工矿和城市的重要水源之一，然而随着工业的持续蓬勃发展，地下水正遭遇严重的污染危机。

土壤中的石油污染物作为地下水的主要污染源之一，其淋滤和下渗是地下水长期污染的重要原因，会直接或间接对地下水环境造成危害。许多沿海油田区和石油化工区土壤更是严重受到了石油机器裂化、裂解产物的污染。同时，石油作为具有高疏水性、低水溶性特征的污染物，在土壤等多孔介质中呈现出复杂的相态。由于其特殊的物理化学性质，泄漏后长期存在于地下土-水系统中，稳定性强，不易降解。随着蒸发降雨等水文地质过程及植物吸收等生物过程，残留及聚积在土壤或地下水中的石油会发生二次迁移，会危害生态环境及人类健康。

此外，流动相石油在土体中发生横向或垂向的空间迁移行为，实际地层内部通常不可见，因此有必要通过一定的模拟试验间接获得其地下运移过程及空间分布。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有的技术存在上述问题，提出了一种流动相石油污染多孔介质运移的实验装置及方法，能够模拟流动相石油在不同介质中的运移情况，简单实用。

本发明的目的可通过下列技术方案来实现：一种流动相石油污染多孔介质运移的实验装置，包括试验箱和两个水槽，所述试验箱内设有试验腔，两个所述水槽分别设置在试验箱的左右侧壁上，所述水槽为上端具有开口的箱体结构，所述水槽与试验腔之间通过若干个通孔相连通，所述水槽内设有能够调节水槽内水位高度的调节装置，所述试验箱的前端面上开设有若干个取样孔，所述取样孔上设有座板，所述座板上设有能够检测取样孔处的含油饱和度的检测装置，所述试验箱的顶部通过底座一设有漏油箱，所述漏油箱的底部设有漏油管，所述试验箱的顶部设有漏油孔，所述漏油管穿过漏油孔延伸至试验腔内，所述漏油管上设有阀门一。

将石油装入漏油箱内，介质装入试验箱内，左右两个水槽均装有水，打开漏油管上的阀门一，石油通过漏油孔流入到介质上，阀门一可以控制石油渗漏的速度，操作水槽内的调节装置，调节两个水槽内的水位高度，模拟不同水位波动的情况下石油在介质中的运移情况，来分析石油污染情况。

在上述的一种流动相石油污染多孔介质运移的实验装置中，所述试验箱和两个水槽均由透明的有机玻璃制成，所述试验箱内的左右侧壁上均设有滤网。

有机玻璃具有硬度高、透光性好、耐腐蚀等优点，方便试验人员观察试验箱内的水位流动情况，所述滤网可以防止介质从通孔流入水槽中，影响实验结果。

在上述的一种流动相石油污染多孔介质运移的实验装置中，所述调节装置包括固定管、水位调节管，所述固定管下端封闭且垂直设置在水槽的底部，所述水位调节管下端的外侧设有橡胶圈，所述水位调节管通过橡胶圈滑动且密封设置在固定管内，所述水位调节管上端的外侧水平设有刻度杆，所述水槽靠近刻度杆的侧壁上设有能够读取水槽内水位高度的刻度，所述水槽远离试验箱的侧壁上设有进水管和出水管，所述进水管上设有阀门二，所述出水管上设有阀门三，所述进水管与水槽相连通，所述出水管与固定管的底部相连通，所述刻度杆上设有能够驱动水位调节管在固定管内上下滑动的驱动机构。

当需要提高水槽的水位时，启动驱动机构带动水位调节管向上滑动，当水位调节管上的刻度杆到达指定刻度的高度时，关闭驱动机构，打开进水管上的阀门二，向水槽内放水，当水位达到指定刻度时，打开出水管上的阀门三，多余的水从水位调节管的上端流入固定管内，固定管内的水从出水管流出，当出水管有水流出时，关闭进水管上的阀门二，停止加水，等待水槽内的水位达到指定刻度；同理，当需要降低水槽的水位时，启动驱动机构带动水位调节管向下移动，当水位调节管上的刻度杆到达指定刻度高度时，关闭驱动机构，打开出水管上的阀门三，位于指定刻度之上的水从水位调节管的上端流入固定管内，固定管内的水从出水管流出，实现精确控制水槽内的水位高度的目的。

在上述的一种流动相石油污染多孔介质运移的实验装置中，所述驱动机构包括连接板、设备箱和螺杆，所述刻度杆上垂直设有连接杆，所述连接杆的上端伸出水槽上端的开口，所述设备箱通过底座二设置在水槽远离试验箱的侧壁上，所述设备箱内设有设备腔，所述螺杆竖直转动设置在设备腔内，所述设备腔的底部设有电机，所述电机与螺杆传动连接，所述螺杆上通过螺纹连接有螺母，所述螺母的外侧与连接板固连，所述设备箱靠近水槽的侧壁上设有长条形的滑槽孔，所述连接板穿过滑槽孔延伸至设备箱外，所述连接板延伸至设备箱外的一端与连接杆的上端固连。

当需要提高水槽的水位时，启动设备箱内的电机，带动螺杆顺时针转动，使螺母向上移动，通过连接板和连接杆带动水位调节管向上移动，当水位调节管上的刻度杆到达指定刻度的高度时，关闭电机，打开进水管上的阀门二，向水槽内放水，当水位达到指定刻度时，打开出水管上的阀门三，多余的水从水位调节管的上端流入固定管内，固定管内的水再从出水管流出，当出水管有水流出时，关闭进水管上的阀门二，停止加水，等待水槽内的水位达到指定刻度；同理，当需要降低水槽的水位时，启动设备箱内的电机，带动螺杆逆时针转动，使螺母向下移动，通过连接板和连接杆带动水位调节管向下移动，当水位调节管上的刻度杆到达指定刻度的高度时，关闭电机，打开出水管上的阀门三，位于指定刻度之上的水从水位调节管的上端流入固定管内，固定管内的水再从出水管流出，由电机带动水位调节管的上下滑动，省时省力，有效提高试验过程中水位调节的精确度。

在上述的一种流动相石油污染多孔介质运移的实验装置中，所述检测装置包括电容传感器和计算机，所述电容传感器位于座板靠近试验腔的一侧，所述计算机和电容传感器电连接。

所述电容传感器可以检测取样孔处介质的含油饱和度，计算机根据不同位置的电容传感器的检测结果绘制含油饱和度的分布图。

在上述的一种流动相石油污染多孔介质运移的实验装置中，所述座板上开设有贯穿孔，所述贯穿孔上设有取样管，所述取样管通过贯穿孔与试验腔相连通，所述取样管上设有抽水泵，所述取样管的出口端连接有油水分离装置，所述油水分离装置包括偏心异径管、输水管和输油管，所述偏心异径管左右两端分别设有开口一和开口二，所述开口一的尺寸小于开口二的尺寸，所述开口一和开口二的底部在同一水平线上，所述开口一上设有封板一，所述开口二上设有封板二，所述取样管的出口端穿过封板一与开口一相连通，所述输油管的进口端穿过封板二与开口二的顶部相连通，所述输水管的进口端穿过封板二与开口二的底部相连通，所述输油管的出口端连接有集油瓶，所述输水管的出口端连接有集水瓶。

所述抽水泵从取样孔中抽出水样，水样流入到取样管中，取样管的出口端穿过封板一与偏心异径管的开口一相连通，偏心异径管的开口一尺寸小于开口二的尺寸，开口一和开口二的底部平齐，由于油的密度小于水的密度，油漂浮在水面之上，油在开口二的上端聚集，通过输油管流入到集油瓶中，水从开口二下端的输水管流入集水瓶中，实现油水分离，结构简单。

一种利用流动相石油污染多孔介质运移的实验装置来模拟石油在沿海土水系统中运移过程的方法，其特征在于包括以下步骤:

1)、依次往试验箱内装填粉土与粉质亚粘土混合土、砂土、亚砂土、粉质亚粘土四种不同组合的土体，厚度分别为4cm、10cm、40cm、16cm。

2)、将石油倒入漏油箱内，打开漏油管上的阀门一，控制石油的泄漏速度。

3)、然后通过启动电机来调节水位调节管的高度，使左右两个水槽出现水位差，模拟不同水位波动条件下流动相石油空间运移过程及空间分布，观测其运移情况。

4)、座板上的电容传感器实时检测土样的含油饱和度，将数据传送到计算机后自动绘出土样含油饱和度分布图。

5)、不同位置的取样孔流出的水样通过各自取样管流入到偏心异径管内，经过偏心异径管将油水分离，油流入到集油瓶内，水流入到集水瓶内，将分离出来的油通过重量法测定，将分离出来的水通过紫外分光光度法测定含油率，确定水样的油水比。

试验箱内装入不同的土样组合，模拟石油在沿海土水系统中三维物理运移过程，通过漏油管上的阀门一控制石油渗漏的速度，通过调节水位调节管的高度实现左右两个水槽的水位差，模拟不同水位流动情况，所述电容传感器检测不同位置土样的含油饱和度，通过计算机绘制含油饱和度分布图，使用偏心异径管来实现初步的油水分离，分离取得的油通过重力法测定，水通过紫外分光度法测定含油量，确定水样的油水比，和电容传感器检测得到的土样含油饱和度数据相互补充，既可以得到土样的污染情况，又可以得到地下水样的污染情况，简单高效。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、当需要提高水槽的水位时，启动设备箱内的电机，带动螺杆顺时针转动，使螺母向上移动，通过连接板和连接杆带动水位调节管向上移动，当水位调节管上的刻度杆到达指定刻度的高度时，关闭电机，打开进水管上的阀门二，向水槽内放水，当水位达到指定刻度时，打开出水管上的阀门三，多余的水从水位调节管的上端流入固定管内，固定管内的水再从出水管流出，当出水管有水流出时，关闭进水管上的阀门二，停止加水，等待水槽内的水位达到指定刻度；同理，当需要降低水槽的水位时，启动设备箱内的电机，带动螺杆逆时针转动，使螺母向下移动，通过连接板和连接杆带动水位调节管向下移动，当水位调节管上的刻度杆到达指定刻度高度时，关闭电机，打开出水管上的阀门三，位于指定刻度之上的水从水位调节管的上端流入固定管内，固定管内的水再从出水管流出，实现精确控制水槽内的水位高度的目的；

2、所述试验箱和水槽均采用透明的有机玻璃制成，具有硬度高、透光性好、耐腐蚀等优点，方便试验人员观察试验箱内的水位流动情况；

3、所述电容传感器能够检测试验箱内介质的含油饱和度，由于试验箱的前端面上设有若干个不同位置的取样孔，可以检测介质在不同位置的含油饱和度，电容传感器将信息发送给计算机，计算机自动绘制含油饱和度的分布图；

4、所述偏心异径管的开口一尺寸小于开口二的尺寸，开口一和开口二的底部平齐，取样管内的水样从开口一流入，由于油的密度小于水的密度，油漂浮在水面之上，油在开口二的上端聚积，通过输油管流入到集油瓶中，水从开口二下端的输水管流入集水瓶中，实现油水分离，结构简单。

附图说明

图1是本流动相石油污染多孔介质运移的实验装置的平面示意图；

图2是试验箱的结构示意图；

图3是图2中a-a处的剖视图；

图4是图2中b处的局部放大图；

图5是偏心异径管和集水瓶、集油瓶的连接示意图。

图中，1、试验箱；1a、试验腔；1b、取样孔；1c、漏油孔；1d、滤网；2、水槽；2a、进水管；2b、出水管；2c、通孔；3、固定管；4、水位调节管；4a、橡胶圈；5、刻度杆；5a、连接杆；5b、连接板；6、设备箱；6a、设备腔；6b、电机；6c、螺杆；6d、螺母；6e、滑槽孔；6f、支撑板；7、漏油箱；7a、漏油管；8、座板；8a、取样管；8b、抽水泵；8c、电容传感器；9、偏心异径管；9a、开口一；9b、开口二；9c、波纹板；10、集水瓶；10a、输水管；11、集油瓶；11a、输油管；12、计算机。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

实施列一：

参考图1至5，一种流动相石油污染多孔介质运移的实验装置，包括试验箱1和两个水槽2，所述试验箱1内设有试验腔1a，两个所述水槽2分别设置在试验箱1的左右侧壁上，所述水槽2为上端具有开口的箱体结构，所述水槽2与试验腔1a之间通过若干个通孔2c相连通，所述水槽2内设有能够调节水槽2内水位高度的调节装置，所述试验箱1的前端面上开设有若干个取样孔1b，所述取样孔1b上设有座板8，所述座板8上设有能够检测取样孔1b处的含油饱和度的检测装置，所述试验箱1的顶部通过底座一设有漏油箱7，所述漏油箱7的底部设有漏油管7a，所述试验箱1的顶部设有漏油孔1c，所述漏油管7a穿过漏油孔1c延伸至试验腔1a内，所述漏油管7a上设有阀门一。

将石油装入漏油箱7内，介质装入试验箱1内，左右两个水槽2均装有水，打开漏油管7a上的阀门一，石油通过漏油孔1c流入到介质上，阀门一可以控制石油渗漏的速度，操作水槽2内的调节装置，调节两个水槽2内的水位高度，模拟不同水位波动的情况下石油在介质中的运移情况，来分析石油污染情况。

具体来说，所述试验箱1和两个水槽2均由透明的有机玻璃制成，所述试验箱1内的左右侧壁上均设有滤网1d。

有机玻璃具有硬度高、透光性好、耐腐蚀等优点，方便试验人员观察试验箱1内的水位流动情况，所述滤网1d可以防止介质从通孔2c流入水槽2中，影响实验结果。

具体来说，所述调节装置包括固定管3、水位调节管4，所述固定管3下端封闭且垂直设置在水槽2的底部，所述水位调节管4下端的外侧设有橡胶圈4a，所述水位调节管4通过橡胶圈4a滑动且密封设置在固定管3内，所述水位调节管4上端的外侧水平设有刻度杆5，所述水槽2靠近刻度杆5的侧壁上设有能够读取水槽2内水位高度的刻度，所述水槽2远离试验箱1的侧壁上设有进水管2a和出水管2b，所述进水管2a上设有阀门二，所述出水管2b上设有阀门三，所述进水管2a与水槽2相连通，所述出水管2b与固定管3的底部相连通，所述刻度杆5上设有能够驱动水位调节管4在固定管3内上下滑动的驱动机构。

当需要提高水槽2的水位时，启动驱动机构带动水位调节管4向上滑动，当水位调节管4上的刻度杆5到达指定刻度的高度时，关闭驱动机构，打开进水管2a上的阀门二，向水槽2内放水，当水位达到指定刻度时，打开出水管2b上的阀门三，多余的水从水位调节管4的上端流入固定管3内，固定管3内的水从出水管2b流出，当出水管2b有水流出时，关闭进水管2a上的阀门二，停止加水，等待水槽2内的水位达到指定刻度；同理，当需要降低水槽2的水位时，启动驱动机构带动水位调节管4向下移动，当水位调节管4上的刻度杆5到达指定刻度高度时，关闭驱动机构，打开出水管2b上的阀门三，位于指定刻度之上的水从水位调节管4的上端流入固定管3内，固定管3内的水从出水管2b流出，实现精确控制水槽2内的水位高度的目的。

具体来说，所述驱动机构包括连接板5b、设备箱6和螺杆6c，所述刻度杆5上垂直设有连接杆5a，所述连接杆5a的上端伸出水槽2上端的开口，所述设备箱6通过底座二设置在水槽2远离试验箱1的侧壁上，所述设备箱6内设有设备腔6a，所述螺杆6c通过支撑板6f竖直转动设置在设备腔6a内，所述设备腔6a的底部设有电机6b，所述螺杆6c的下端伸出支撑板6f与电机6b的输出轴固连，所述螺杆6c的上端转动设置在设备腔6a的顶部，所述螺杆6c上通过螺纹连接有螺母6d，所述螺母6d的外侧与连接板5b固连，所述设备箱6靠近水槽2的侧壁上设有长条形的滑槽孔6e，所述连接板5b穿过滑槽孔6e延伸至设备箱6外，所述连接板5b延伸至设备箱6外的一端与连接杆5a的上端固连。

当需要提高水槽2的水位时，启动设备箱6内的电机6b，带动螺杆6c顺时针转动，使螺母6d向上移动，通过连接板5b和连接杆5a带动水位调节管4向上移动，当水位调节管4上的刻度杆5到达指定刻度的高度时，关闭电机6b，打开进水管2a上的阀门二，向水槽2内放水，当水位达到指定刻度时，打开出水管2b上的阀门三，多余的水从水位调节管4的上端流入固定管3内，固定管3内的水再从出水管2b流出，当出水管2b有水流出时，关闭进水管2a上的阀门二，停止加水，等待水槽2内的水位达到指定刻度；同理，当需要降低水槽2的水位时，启动设备箱6内的电机6b，带动螺杆6c逆时针转动，使螺母6d向下移动，通过连接板5b和连接杆5a带动水位调节管4向下移动，当水位调节管4上的刻度杆5到达指定刻度的高度时，关闭电机6b，打开出水管2b上的阀门三，位于指定刻度之上的水从水位调节管4的上端流入固定管3内，固定管3内的水再从出水管2b流出，由电机6b带动水位调节管4的上下滑动，省时省力，有效提高试验过程中水位调节的精确度。

具体来说，所述检测装置包括电容传感器8c和计算机12，所述电容传感器8c位于座板8靠近试验腔1a的一侧，所述计算机12和电容传感器8c电连接。

所述电容传感器8c可以检测取样孔处介质的含油饱和度，计算机12根据不同位置的电容传感器8c的检测结果绘制含油饱和度的分布图。

具体来说，所述座板8上开设有贯穿孔，所述贯穿孔上设有取样管8a，所述取样管8a通过贯穿孔与试验腔1a相连通，所述取样管8a上设有抽水泵8b，所述取样管8a的出口端连接有油水分离装置，所述油水分离装置包括偏心异径管9、输水管10a和输油管11a，所述偏心异径管9左右两端分别设有开口一9a和开口二9b，所述开口一9a的尺寸小于开口二9b的尺寸，所述开口一9a和开口二9b的底部在同一水平线上，所述开口一9a上设有封板一，所述开口二9b上设有封板二，所述取样管8a的出口端穿过封板一与开口一9a相连通，所述输油管11a的进口端穿过封板二与开口二9b的顶部相连通，所述输水管10a的进口端穿过封板二与开口二9b的底部相连通，所述输油管11a的出口端连接有集油瓶10，所述输水管10a的出口端连接有集水瓶10。

所述抽水泵8b从取样孔1b中抽出水样，水样流入到取样管8a中，取样管8a的出口端穿过封板一与偏心异径管9的开口一9a相连通，偏心异径管9的开口一9a尺寸小于开口二9b的尺寸，开口一9a和开口二9b的底部平齐，由于油的密度小于水的密度，油漂浮在水面之上，油在开口二9b的上端聚集，通过输油管11a流入到集油瓶11中，水从开口二9b下端的输水管10a流入集水瓶10中，实现油水分离，结构简单。

一种利用流动相石油污染多孔介质运移的实验装置来模拟石油在沿海土水系统中运移过程的方法，其特征在于包括以下步骤:

1)、依次往试验箱1内装填粉土与粉质亚粘土混合土、砂土、亚砂土、粉质亚粘土四种不同组合的土体，厚度分别为4cm、10cm、40cm、16cm。

2)、将石油倒入漏油箱7内，打开漏油管7a上的阀门一，控制石油的泄漏速度。

3)、然后通过启动电机6b来调节水位调节管4的高度，使左右两个水槽2出现水位差，模拟不同水位波动条件下流动相石油空间运移过程及空间分布，观测其运移情况。

4)、座板8上的电容传感器8c实时检测土样的含油饱和度，将数据传送到计算机12后自动绘出土样含油饱和度分布图。

5)、不同位置的取样孔1b流出的水样通过各自取样管8a流入到偏心异径管9内，经过偏心异径管9将油水分离，油流入到集油瓶11内，水流入到集水瓶10内，将分离出来的油通过重量法测定，将分离出来的水通过紫外分光光度法测定含油率，确定水样的油水比。

试验箱1内装入不同的土样组合，模拟石油在沿海土水系统中三维物理运移过程，通过漏油管7a上的阀门一控制石油渗漏的速度，通过调节水位调节管4的高度实现左右两个水槽2的水位差，模拟不同水位流动情况，所述电容传感器8c检测不同位置土样的含油饱和度，通过计算机12绘制含油饱和度分布图，使用偏心异径管9来实现初步的油水分离，分离取得的油通过重力法测定，水通过紫外分光度法测定含油量，确定水样的油水比，和电容传感器8c检测得到的土样含油饱和度数据相互补充，既可以得到土样的污染情况，又可以得到地下水样的污染情况，简单高效。

实施例二：

本实施例二与实施例一基本相同，不同点在于，所述偏心异径管9内水平装有若干个波纹板9c，所述波纹板9c的长度方向与偏心异径管9的长度方向一致，上下相邻的两个波纹板9c上波纹互相平行，形成波纹状的流道，所述波纹板9c上设有若干个散液孔，水样在波纹板9c上流动，由于过流断面不断变化和波纹状的流道，使水样中的油滴碰撞聚结的几率增大，油滴在波纹板9c的表面形成油膜，油膜通过散液孔上升聚积至开口二9b的顶部，通过输油管11a流入到集油瓶11内，根据重力分离和聚结分离的原理，实现更高效离的分离油水。

本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例作各种修改、补充或采用类似的方法替代，但并不会偏离本发明的精神或超越所附权利要求书所定义的范围。