一种研究污染物在河流与地下水相互作用下运移规律的实验装置的制作方法

本发明涉及污染物运移规律技术领域，尤其涉及一种研究污染物在河流与地下水相互作用下运移规律的实验装置。

背景技术：

地下水与地表水始终是密不可分的整体，地表水(如河流等)经过入渗、泄漏等作用进入地下水，地下水通过在干旱时期向河流补给进入地表水。因此随着季节的变迁，地表水与地下水相互作用并明显影响地下水流场。污染物可能进入地表水并随着地下水流场污染地下水，也可能通过对河流的补给，污染物从地下水直接进入地表水，此污染物的运移，明显受河流与地下水相互作用影响。

目前，大多集中于利用柱实验或槽实验进行地下水流场的研究，对于污染物迁移的研究也都未曾考虑地下水和河流的相互作用，因此在研究河流与地下水相互作用下污染物在地下水中运移规律的实验室装置尚处于空白阶段。

现有的研究污染物地下水中运移的实验室装置大都是在单纯地下水流场的条件下，中国专利(cn103994951b)介绍了一种环境污染物在地下水不同含水层中迁移转化的模拟装置，可以模拟饱水带中的承压水含水层、潜水含水层，也可以模拟饱气带中毛细水带等，但是仅为地下水流场中的研究，不涉及地下水与地表水的交互作用，更无法研究流场改变条件下污染物的运移规律；中国专利(cn104483240a、cn105300843a等)也都只考虑了只有地下水流场条件下的污染物的或纳米材料的运移；中国专利(例如cn203148652u)介绍了河水与地下水的温度示踪装置，但是只河床内部仅为静止水，无法很好的模拟河流，也缺少降水装置，难以更好的模拟河水补给地下水的实际环境，也不涉及污染物的运移研究。

因此，急需开发一种研究污染物在河流与地下水相互作用下运移规律的实验室装置。

技术实现要素：

为解决缺乏研究河流与地下水相互作用下污染物在地下水中运移规律的技术问题，本发明公开了一种研究污染物在河流与地下水相互作用下运移规律的实验装置。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种研究污染物在河流与地下水相互作用下运移规律的实验装置，包括：

模拟水槽，用于模拟填充含水层和包气带；

活动水槽，用于控制模拟水槽的左侧水头；

固定水槽，用于控制模拟水槽的右侧水头；

模拟河床，置于模拟水槽的上部凹槽中。

作为本发明的进一步优选，所述模拟水槽为阶梯形结构，且在模拟水槽底部的左侧、右侧分别设置一个出水开关。

作为本发明的进一步优选，所述模拟水槽的顶部开设安装模拟河床的凹槽，凹槽上均匀开设若干个河床排水孔。

作为本发明的进一步优选，在所述模拟水槽的侧壁上开设有污染物注入孔。

作为本发明的进一步优选，所述模拟水槽的上方还安装有淋水器，喷淋器与外部水管相连接。

作为本发明的进一步优选，所述淋水器上均匀开设若干个喷淋孔。

作为本发明的进一步优选，所述活动水槽安装于模拟水槽的左侧，其高度可调节。

作为本发明的进一步优选，所述活动水槽、固定水槽与模拟水槽相连通处设置有多孔板或紊流器。

作为本发明的进一步优选，所述模拟河床采用有机玻璃制成，且为三片式等腰梯形结构形式。

作为本发明的进一步优选，所述模拟河床上均匀布设若干个河床透水孔，且河床透水孔的孔径小于含水层石英砂的粒径。

作为本发明的进一步优选，所述活动水槽、固定水槽的外部还分别设置一个泵水用的蠕动泵，所述模拟河床的外部设置一泵水用的水泵。

本发明的有益效果是，

1、在模拟水槽中安装模拟河床，并通过调节水泵的注水速度来改变模拟河床内水位的深浅，再根据两侧的水头差与降水强度，来改变地表水和地下水的相互作用关系，以此改变地下水流场；

2、通过从模拟河床直接注入污染物可以模拟河流被污染后对地下水的影响，也可通过将污染物从模拟水槽侧壁的污染物注入孔注入，可模拟河流与地下水相互作用多种情况下污染物的运移规律；

3、通过利用粒径大小适宜的酸洗、碱洗后的石英砂进行含水层的模拟，通过模拟河床的布设，调节两侧固定水槽、活动水槽之间水头差模拟降水量的多少，来改变地下水流场，并通过水泵改变模拟水槽的水位来变化地下水与地表水的不同补给关系，从而影响地下水流场；

4、实验装置设计合理、操作简单，具有可重复性和操作性强的特点，能有效研究河流与地下水相互作用下污染物在地下水中运移规律，具有广阔的应用前景。

附图说明

图1为本发明整体结构示意图；

图2为本发明中模拟河床结构示意图；

图3为发明中模拟水槽俯视图

其中，1、活动水槽；2、多孔板；3、模拟水槽；4、污染物注入孔；5、固定水槽；6、出水开关；7、蠕动泵；8、模拟河床；9、淋水器；10、河床排水孔；11、河床透水孔。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1、2所示，一种研究污染物在河流与地下水相互作用下运移规律的实验装置，包括：

模拟水槽3，用于模拟填充含水层和包气带；

活动水槽1，用于控制模拟水槽3的左侧水头；

固定水槽5，用于控制模拟水槽3的右侧水头；

模拟河床8，置于模拟水槽3的上部凹槽中。

特别的，上述模拟水槽3为阶梯形结构，如图3所示，且在模拟水槽3底部的左侧、右侧分别设置一个出水开关6，可将排出模拟水槽3的水进行收集并循环使用。

特别的，上述模拟水槽3的顶部开设安装模拟河床8的凹槽，凹槽上均匀开设若干个河床排水孔10，河床排水孔10用于排除模拟水槽3中多余的水。

特别的，在上述模拟水槽3的侧壁上开设有污染物注入孔4，可用于向模拟水槽3中注入污染物。

特别的，上述模拟水槽3的上方还安装有淋水器9，喷淋器9与外部水管相连接，用于增加降水条件，改变降水强度。

特别的，淋水器9上均匀开设若干个喷淋孔，喷淋孔用于向模拟水槽3均匀喷洒水。

特别的，上述活动水槽1安装于模拟水槽3的左侧，其高度可调节，活动水槽1可整体向上改变高度。

特别的，上述活动水槽1、固定水槽5与模拟水槽3相连通处设置有多孔板或紊流器以保证水流对含水层的冲击较小。

特别的，上述模拟河床8采用有机玻璃制成，且为三片式等腰梯形结构形式，如图2所示。

特别的，上述模拟河床8上均匀布设若干个河床透水孔11，且河床透水孔11的孔径小于含水层石英砂的粒径。

特别的，上述活动水槽1、固定水槽5的外部还分别设置一个泵水用的蠕动泵7，上述模拟河床8的外部设置一泵水用的水泵。

该实验装置实验过程：

将经酸洗、碱洗过的石英砂填充于模拟水槽3中，均匀铺到模拟水槽3的底层，作为孔隙度良好的含水层，填充一定厚度后在上方填充一定厚度的砂质土，完成模拟含水层和包气带，装填时需要适当抖动，保证填充均匀；填砂过程中，将有机玻璃制成的模拟河床8置于模拟水槽3的顶部的凹槽中，其周围可用石英砂等填充物进行包裹和固定；启动左侧向活动水槽1泵水的蠕动泵7以及右侧向固定水槽5泵水的蠕动泵7，超过水槽界面的水会直接溢出并排出，也可打开出水开关6，将排出的水收集并循环使用，可调节左侧活动水槽1、右侧固定水槽5的高度差，水头差达到一定的数值，并持续稳定3h后，体系形成稳定的流场。

如需增加降水条件下的模拟，则可根据所需降水强度来调节淋水器9喷淋量的大小，模拟一定强度的降水；保持该速度3h后，水流场基本稳定，打开向模拟河床8注入的水泵，以一定流速注水，模拟河流流动，多余的水会直接从河床排水孔10排出，等待30min稳定后，再将染色后的污染物溶液从污染物注入孔4或模拟河床8直接注入模拟水槽3中，可定性观察染色后的污染物运移，也可从取样孔中取样检测，若只需定性判断则可将污染物染色，观察污染物的流向，若需定量则从污染物注入口中进行取样分析。

实施例1

一种研究污染物在河流与地下水相互作用下运移规律的实验装置，包括：模拟水槽3，用于模拟填充含水层和包气带；上述模拟水槽3为阶梯形结构，且在模拟水槽3底部的左侧、右侧分别设置一个出水开关6，可将排出模拟水槽3的水进行收集并循环使用；上述模拟水槽3的顶部开设安装模拟河床8的凹槽，凹槽上均匀开设若干个河床排水孔10，河床排水孔10用于排除模拟水槽3中多余的水；在上述模拟水槽3的侧壁上开设有污染物注入孔4，可用于向模拟水槽3中注入污染物；上述模拟水槽3的上方还安装有淋水器9，喷淋器9与外部水管相连接，用于增加降水条件，改变降水强度；淋水器9上均匀开设若干个喷淋孔，喷淋孔用于向模拟水槽3均匀喷洒水。

活动水槽1，用于控制模拟水槽3的左侧水头；上述活动水槽1安装于模拟水槽3的左侧，其高度可调节，活动水槽1可整体向上改变高度；上述活动水槽1与模拟水槽3相连通处设置有多孔板。

固定水槽5，用于控制模拟水槽3的右侧水头；上述活动水槽1、固定水槽5的外部还分别设置一个泵水用的蠕动泵7，上述模拟河床8的外部设置一泵水用的水泵。

模拟河床8，置于模拟水槽3的上部凹槽中；上述模拟河床8采用有机玻璃制成，且为三片式等腰梯形结构形式，如图2所示。上述模拟河床8上均匀布设若干个河床透水孔11，且河床透水孔11的孔径小于含水层石英砂的粒径。

将粒径为300nm的石英砂进行酸洗、碱洗，过夜后烘干，将石英砂均匀填充于模拟水槽3，填充一定厚度后在上方填充一定厚度的砂质土，装填时适当抖动，保证填充均匀；填砂过程中，将有机玻璃制成的模拟河床8置于模拟水槽3的顶部的凹槽中，其周围可用石英砂等填充物进行包裹和固定；启动左侧向活动水槽1泵水的蠕动泵7以及右侧向固定水槽5泵水的蠕动泵7，可调节左侧活动水槽1、右侧固定水槽5的高度差，使水头差为10cm，并持续稳定3h后，体系形成稳定的流场；为增加降水条件下的模拟，可调节淋水器9的大小为10mm/d；

打开向模拟河床8泵水用的水泵，以0.1ml/min的流速来模拟河流，保持该速度30min后，水流场稳定，再将染色后的正己烷污染物溶液用注射器从最下方的污染物注入孔4注入模拟水槽3中，定性观察污染物的运移。

实施例2

一种研究污染物在河流与地下水相互作用下运移规律的实验装置，包括：模拟水槽3，用于模拟填充含水层和包气带；上述模拟水槽3为阶梯形结构，且在模拟水槽3底部的左侧、右侧分别设置一个出水开关6，可将排出模拟水槽3的水进行收集并循环使用；上述模拟水槽3的顶部开设安装模拟河床8的凹槽，凹槽上均匀开设若干个河床排水孔10，河床排水孔10用于排除模拟水槽3中多余的水；在上述模拟水槽3的侧壁上开设有污染物注入孔4，可用于向模拟水槽3中注入污染物；上述模拟水槽3的上方还安装有淋水器9，喷淋器9与外部水管相连接，用于增加降水条件，改变降水强度；淋水器9上均匀开设若干个喷淋孔，喷淋孔用于向模拟水槽3均匀喷洒水。

活动水槽1，用于控制模拟水槽3的左侧水头；上述活动水槽1安装于模拟水槽3的左侧，其高度可调节，活动水槽1可整体向上改变高度；上述活动水槽1与模拟水槽3相连通处设置有紊流器。

固定水槽5，用于控制模拟水槽3的右侧水头；上述活动水槽1、固定水槽5的外部还分别设置一个泵水用的蠕动泵7，上述模拟河床8的外部设置一泵水用的水泵。

模拟河床8，置于模拟水槽3的上部凹槽中；上述模拟河床8采用有机玻璃制成，且为三片式等腰梯形结构形式，如图2所示。上述模拟河床8上均匀布设若干个河床透水孔11，且河床透水孔11的孔径小于含水层石英砂的粒径。

将粒径为200nm的石英砂进行酸洗、碱洗，过夜后烘干，将石英砂均匀填充于模拟水槽3，填充一定厚度后在上方填充一定厚度的砂质土，装填时适当抖动，保证填充均匀。

填砂过程中，将有机玻璃制成的模拟河床8置于模拟水槽3的顶部的凹槽中，其周围可用石英砂等填充物进行包裹和固定；启动左侧向活动水槽1泵水的蠕动泵7以及右侧向固定水槽5泵水的蠕动泵7，可调节左侧活动水槽1、右侧固定水槽5的高度差，使水头差为10cm，并持续稳定3h后，体系形成稳定的流场，体系形成稳定的水流场；为增加降水条件下的模拟，可调节淋水器9的大小为10mm/d。

打开向模拟河床8泵水用的水泵，以0.2ml/min的流速来模拟河流，保持该速度30min后，水流场稳定，再将染色后的正己烷污染物溶液从模拟河床8上方注入模拟水槽3中，每20min从下方的污染物注入口进行取样，最后利用气相进行检测。

实施例3

一种研究污染物在河流与地下水相互作用下运移规律的实验装置，包括：模拟水槽3，用于模拟填充含水层和包气带；上述模拟水槽3为阶梯形结构，且在模拟水槽3底部的左侧、右侧分别设置一个出水开关6，可将排出模拟水槽3的水进行收集并循环使用；上述模拟水槽3的顶部开设安装模拟河床8的凹槽，凹槽上均匀开设若干个河床排水孔10，河床排水孔10用于排除模拟水槽3中多余的水；在上述模拟水槽3的侧壁上开设有污染物注入孔4，可用于向模拟水槽3中注入污染物；上述模拟水槽3的上方还安装有淋水器9，喷淋器9与外部水管相连接，用于增加降水条件，改变降水强度；淋水器9上均匀开设若干个喷淋孔，喷淋孔用于向模拟水槽3均匀喷洒水。

活动水槽1，用于控制模拟水槽3的左侧水头；上述活动水槽1安装于模拟水槽3的左侧，其高度可调节，活动水槽1可整体向上改变高度；上述活动水槽1与模拟水槽3相连通处设置有多孔板。

固定水槽5，用于控制模拟水槽3的右侧水头；上述活动水槽1、固定水槽5的外部还分别设置一个泵水用的蠕动泵7，上述模拟河床8的外部设置一泵水用的水泵。

模拟河床8，置于模拟水槽3的上部凹槽中；上述模拟河床8采用有机玻璃制成，且为三片式等腰梯形结构形式，如图2所示。上述模拟河床8上均匀布设若干个河床透水孔11，且河床透水孔11的孔径小于含水层石英砂的粒径；将粒径为300nm的石英砂进行酸洗、碱洗，过夜后烘干，将石英砂均匀填充于模拟水槽3，填充一定厚度后在上方填充一定厚度的砂质土，装填时适当抖动，保证填充均匀；填砂过程中，将有机玻璃制成的模拟河床8置于模拟水槽3的顶部的凹槽中，其周围可用石英砂等填充物进行包裹和固定；启动左侧向活动水槽1泵水的蠕动泵7以及右侧向固定水槽5泵水的蠕动泵7，可调节左侧活动水槽1、右侧固定水槽5的高度差，使水头差为10cm，并持续稳定3h后，体系形成稳定的流场；为增加降水条件下的模拟，可调节淋水器9的大小为15mm/d。

打开向模拟河床8泵水用的水泵，以0.3ml/min的流速来模拟河流，保持该速度30min后，水流场稳定，再将染色后的正己烷污染物溶液用注射器从最下方的污染物注入孔4注入模拟水槽3中，定性观察污染物的运移。

本发明在模拟水槽3中安装模拟河床8，并通过调节水泵的注水速度来改变模拟河床8内水位的深浅，再根据两侧的水头差与降水强度，来改变地表水和地下水的相互作用关系，以此改变地下水流场；通过从模拟河床8直接注入污染物可以模拟河流被污染后对地下水的影响，也可通过将污染物从模拟水槽3侧壁的污染物注入孔4注入，可模拟河流与地下水相互作用多种情况下污染物的运移规律；该实验装置具有可重复性和操作性强的特点，具有广阔的应用前景。

本发明适用于在地表径流非常丰富条件下或长期干旱缺水条件下的河流与地下水相互补给情况下，地下水中污染物的运移规律的研究。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。