一种用于模拟重金属离子在土体中迁移扩散的模型试验装置的制作方法

本实用新型属于地质工程、岩土工程中污染土迁移扩散技术领域，尤其是涉及一种定量研究不同类型、不同浓度重金属离子在土中的试验模拟装置。

背景技术：

广西矿产资源丰富，分布着大量优质的铅锌矿、锰矿和有色金属矿，矿产经济推动着社会经济发展，但由于开采技术有限、管理不善等问题，也带来了重金属污染，导致锌、铅、镉、铜、汞、铬等重金属污染问题日益加剧，污染土按照污染物的类型可分为无机污染土和有机污染土，其中无机污染土主要为重金属污染土体。重金属污染不仅危害生态环境，影响人体健康，且由于重金属离子活跃性较高，进入土体后不能被分解，对其污染的岩土体结构将会有很强的破坏作用，这种改变土体力学性质的现象，常常会诱发路基失稳、地基不均匀沉降等岩土工程灾害事故。

重金属离子在土壤及地下水中迁移转化是一个十分复杂的物理化学过程，主要的控制机制包括对流、分子弥散、机械逸散、不动水效应、吸附及蜕变以及土壤孔隙结构分布的特性参数、土壤孔隙含水率、孔隙水流速、压力水头分布、重金属离子的类型及其浓度、重金属离子释放方式等，重金属离子在土壤及地下水中迁移浓度的时空分布，对于不同重金属离子而言，各种控制机制对于传输过程的影响程度也有所差别，是上述诸因素综合作用的结果。采用重金属离子在土体中迁移扩散的模型试验装置主要考虑地下污染水和地表污染水在土中迁移扩散的过程，探索不同浓度、不同深度、不同渗流速度以及不同压力情况下不同类型的重金属离子在土中的迁移扩散规律。

技术实现要素：

为了能够探究地下污染水和地表污染水在土中的迁移扩散规律，解决现有技术的不足，本实用新型所要解决的技术问题是提供一种定量研究重金属离子迁移扩散的试验模拟装置。

本实用新型解决上述问题可以通过以下技术方案来实现：

一种用于模拟重金属离子在土体中迁移扩散的模型试验装置，其包括主体模型结构、供水系统和控制监测系统。

所述的主体模型结构包括玻璃箱(1)、土层模拟箱(2)、空腔(3)。玻璃箱(1)由透明有机玻璃材料制成；玻璃箱(1)内的土层模拟箱(2)由不同颗粒级配、不同密实度制成，空腔(3)的目的是为了使地下污染水均匀渗入土层中。

所述的玻璃箱(1)上盖预制有若干大圆孔与小圆孔，大孔用来做测压管(9)和进水管(7-1)，小孔用来通过集水管(13)，集水管(13)穿过小圆孔后用玻璃胶固定密封；玻璃箱(1)底部预制一个圆孔通过进水管(7-2)。

所述的供水系统分为供水系统1和供水系统2，供水系统1包括水箱(5)、水阀(14-1)、进水管(7-1)、喷雾设备(4)、水表(8-1)；水箱(5)装满重金属污染水溶液(自行控制重金属类型及其浓度)；供水系统2包括水槽(6)、水阀(14-2)、高压变频水泵(15)、水表(8-2)、进水管(7-2)、水压表(10)。

所述的供水系统1的喷雾设备(4)是以水箱(5)作供水水源，用胶管连接喷雾器固定在玻璃箱(1)上盖，模拟地表污染水对土体的污染过程，使样土表面有一薄层水体均匀下渗，通过水阀(14-1)控制开关，水表(8-1)测量进水量。

所述的供水系统2进水管(7-2)连接在玻璃箱(1)底部，用水阀(14-2)控制开关，用高压变频水泵(15)控制进水的流速，污染水通过进水管(7-2)进入空腔(3)，水表(8-2)记录排出水量，水压表(10)控制水压。

所述的控制监测系统包括监测水流量的水表、监测土中压力的测压管、监测进水压力的压力表、监测水位整体变化的刻度尺和摄像机、收集污染水的集水管、控制进水的水阀和高压变频水泵。通过高压变频水泵和水阀控制地下水位和水速来模拟地下污染水变化，或通过水箱和喷雾器模拟地表污染水的渗流情形。

所述的测压管(9)来测量土层模拟箱(2)内土体压力的变化，不同位置不同深度的集水管(13)用来收集在土中迁移扩散后的污染水，然后进行测试其溶液浓度，并通过对比得到其污染液的迁移扩散规律。

所述的集水管(13)是空心纤维制成，底部封闭，顶端开口，集水管(13)中间部位有对称圆孔，插入土中后，当污染水经过时一部分溶液会进入进水管。

所述的摄像机(12)在试验过程中记录每一刻重金属污染溶液水位的变化及渗流的整个过程，刻度尺(11)固定在玻璃箱(1)的侧面，用以测量水位变化量及土体的沉降量。

综上，本实用新型方法原理是通过建立重金属离子在土体中迁移扩散的模型试验装置，利用供水系统模拟地表污染水或地下污染水在土中的动态变化，利用控制监测系统控制气压、水位，并监视迁移扩散发生的过程，测量水压、水流量、水位、土中压力、以及污染液的浓度等。进而探究重金属离子在土体中迁移扩散的规律。与现有技术相比，本实用新型有如下优点：

1、供水系统分别为供水系统1和供水系统2，可以分别模拟地表污染水和地下污染水的自然环境，进水速度与进水量、进水压力都可以量化，可自行控制气压。

2、实时观测土中各点压力以及水位变化，得到污染水在土中动态变化过程。

3、可设置多个变量，如重金属离子类型和浓度、水压、渗流速度、迁移位置等，利用控制变量法探索重金属离子迁移扩散规律

4、模型设计合理、结构简单、材料易得，操作方便，成本低。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图(正视图)。

图2为本实用新型的俯视图。

图3为本实用新型的侧视图。

图4为集水管(13)的放大示意图

符号说明；1玻璃箱、2土层模拟箱、3空腔、4喷雾设备、5水箱、6水槽、7进水管，8水表、9测压管、10水压表、11刻度尺、12摄像机、13集水管、14水阀、15高压变频水泵。

具体实施方式

下面结合附图和具体操作对本实用新型的作进一步的详述，以更好地理解本实用新型的内容。

一种用于模拟重金属离子在土体中迁移扩散的模型试验装置，主体结构如图1、2、3所示，该试验装置包括玻璃箱(1)、土层模拟箱(2)、空腔(3)、喷雾设备(4)、水箱(5)、水槽(6)、进水管(7)、水表(8)、测压管(9)、水压表(10)、刻度尺(11)、摄像机(12)、集水管(13)、水阀(14)、高压变频水泵(15)。

如图1所示，首先将测压管(9)固定在玻璃箱(1)内侧，将土层模拟箱(2)加入并固定在玻璃箱(1)内，留出空腔(3)位置，集水管(13)通过玻璃箱(1)上盖预留的小圆孔插入土层模拟箱(2)中并固定，在上盖上固定喷雾设备(4)使其进水管(7-1)通过预制大圆孔并连接水箱(5)，并在进水管(7-1)上安装水表(8-1)、水阀(14-1)，在玻璃箱(1)底部的预制圆孔安装进水管(7-2)并用玻璃胶密封，进水管(7-2)依次按上水压表(10)、水阀(14-2)、高压变频水泵(15)、水表(8-2)，将进水管(7-2)插入水槽(6)内，最后在玻璃箱(1)外侧安装刻度尺(11)，在玻璃箱(1)正面适当位置架好摄像机(12)。

待模型稳定一段时间以后，设定仪器设备的初始值，打开摄像机(12)，再打开水阀(14-1)，水箱(5)中的重金属污染水通过进水管(7-1)上的水阀(14-1)、水表(8-1)、进入喷雾设备(10)，用水表(8-1)监测进水量、用刻度尺(11)测量水位、用测压管(9)测量土中压力，当水位到达集水管(13)预留的进水口后一段时间，关闭水阀(14-1)和摄像机(12)，取出集水管(13)测量其溶液浓度，地表污染水模拟完成。

重置装置，打开摄像机(12)，再依次打开水阀(14-2)和高压变频水泵(15)，污染水从水槽(6)经过进水管(7-2)上的水表(8-2)、高压变频水泵(15)、水阀(14-2)和水压表(10)进入空腔(3)，用水表(8-2)监测进水量、用刻度尺(11)测量水位、用测压管(9)测量土中压力，当水位到达集水管(13)预留的进水口后一段时间，关闭水阀(14-2)和摄像机(12)，取出集水管(13)测量其溶液浓度，地下污染水模拟完成。

综上，一种用于模拟重金属离子在土体中迁移扩散的模型试验装置，可以为研究在不同浓度重金属离子的地表水和地下水污染土体中的迁移扩散规律提供参考。

此实施例仅仅涵盖该实用新型技术特点和试用范围的一部分，任何对本使用新型相关技术特点和方法进行临摹，都应该涵盖于本实用新型的保护范围。