一种基于地下水动态模拟实验平台的地表及含水层污染源模拟实验方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种环境水文地质模拟装置及模拟方法，具体地说是一种基于地下水动态模拟实验平台的地表及含水层污染源模拟实验方法。
【背景技术】
[0002]地下水资源在我国水资源中占有举足轻重的地位，在维护生态环境安全和经济社会健康发展等方面发挥着不可替代的作用。然而，随着社会经济发展，大量不合理排放的生活废水废物、工业废水废物、农业污染物等，以及地下水无序开发，导致大量污染物进入地下水环境，引起包气带土壤和地下水污染愈加严重，致使地下水环境污染问题日益复杂。
[0003]地下水污染是我国面临的严峻问题，控制和修复地下水污染是保护水资源的重要工作之一。包气带结构复杂，污染物通过水流等作用极其缓慢向下迀移转化，因此包气带既是污染物通道，也是污染物储存空间，导致污染物进入含水层，以及在含水层中运动都比较缓慢，污染往往是逐渐发生，发现地下水污染后，确定污染源也远不如地表水那么容易。因此，多年来，众多科研工作者不断开展地下水污染防治的科学研宄工作，而探索此类科学问题必须依托相应的模拟地下水环境实验装置，因此设计合理的地下水动态模拟装置成为从事地下水污染修复研宄热点问题。
[0004]研宄发现，当今的地下水物理模拟装置存在如下缺点:首先，从功能上看现有模拟装置大多片面针对包气带或者含水层，缺乏包气带与饱水带两方面模拟功能的有机组合装置，从而缺少污染物从包气带进入饱水带途经模拟监测功能，不能够从整个循环流程上抓住污染物迀移转化过程，导致模拟装置缺乏整体性；其次，野外原位进行实验和数据采集往往难以实现。
【发明内容】
[0005]本发明的目的就是提供一种基于地下水动态模拟实验平台的地表及含水层污染源模拟实验方法，以解决现有模拟装置的污染源模拟实验保真度低的问题。
[0006]本发明是这样实现的:一种基于地下水动态模拟实验平台的地表及含水层污染源模拟实验方法，先设置地下水动态模拟实验平台，再在所述地下水动态模拟实验平台中装填入模拟典型水文地质单元的包气带和含水层介质，最后在所述地下水动态模拟实验平台上进行地表及含水层污染源模拟实验。
[0007]所述地下水动态模拟实验平台包括动态模拟装置、曝气装置、模拟雨淋装置和中控计算机。
[0008]所述动态模拟装置的主体为长方形的箱式壳体，所述箱式壳体采用有机玻璃板加工而成，外围采用不锈钢方管加固和支撑；在所述箱式壳体的前壁板与后壁板的内侧按10mm的间距设置有若干直立的凹形卡槽，所述卡槽的下沿与所述箱式壳体的底板相接触，所述卡槽的上沿与所述箱式壳体的上口平齐；在所述箱式壳体的前壁板与后壁板上的位置相对的两个所述卡槽之间插接一张矩形的多孔配水板，在所述多孔配水板的板面上密布有孔径为2_的过流孔眼，所述多孔配水板的下沿与所述箱式壳体的底板相接触，所述多孔配水板的上沿与所述箱式壳体的上口相平齐；
在所述箱式壳体的一端侧壁板上接有分层设置的若干进水口，在所述箱式壳体的另一端的侧壁板上接有分层设置的若干出水口，所述进水口和所述出水口均由孔径为8mm的有机玻璃管制成，在所述箱式壳体的侧壁板上呈矩阵分布；
在所述箱式壳体的前壁板与后壁板上分别设置有若干分层设置的由孔径为8mm有机玻璃管制成的采样口，所述采样口分布在由所述多孔配水板分隔开的每个样品空间所对应的前壁板或后壁板上，在每个所述采样口上安装有取样器或者封接有封口塞，在所述箱式壳体的前壁板与后壁的两端分别设置有呈纵向排列的一列由孔径为8_有机玻璃管制成的溢流口，在所述溢流口处安装有取样器或者接有带控制阀的溢流管；
在所述箱式壳体的底板上开有若干排水排泥孔，每个排水排泥孔上接有一个排水排泥管，所述排水排泥管用直径40mm的PVC管制成，在所述排水排泥孔的内孔口处封接有不锈钢纱网，在所述排水排泥管上接有排水排泥控制阀，所有所述排水排泥管的下端共接到一根排水排泥总管上；
在所述箱式壳体的底部架设有底盘，所述底盘由若干脚轮支撑连接；在所述底盘的两端各连接一个折叠式矩形吊架，在所述吊架上安放有高度可调的水箱，一个所述水箱通过连通管路连接到所述箱式壳体的所述进水口上，另一个所述水箱通过连通管路连接到所述箱式壳体的所述出水口上；在所述连通管路上分别安装有电磁阀和流量计，所述流量计上的数据线连接到所述中控计算机上；
在所述箱式壳体内的由所述多孔配水板分隔开的每个样品空间中装填有用于模拟典型水文地质单元的含水层介质，在每个样品空间中分别插接有若干直立的由管径为20mm的PVC管制成的监测/加药孔管，所述监测/加药孔管的底端与所述箱式壳体的底板相接触，所述监测/加药孔管的顶端与所述箱式壳体的上口相平齐；在所述监测/加药孔管的管壁上沿圆周对称开有四列孔径为2mm的孔眼，每列孔眼的上下间距为10mm，在所述监测/加药孔管的外侧包裹有不锈钢纱网；所述监测/加药孔管供在线监测装置的监测探头插入其中，所述监测探头为水质监测探头、水位监测探头、PH监测探头、氧化还原电位监测探头、电导率监测探头、温度监测探头及溶解氧监测探头中的一种或数种，所述监测探头的数据线连接到所述中控计算机上，以传输和处理所采集的实验检测信号。
[0009]在所述箱式壳体的上口设置有可掀起或扣合的密封盖。
[0010]所述曝气装置包括供气总管、配气管和曝气管；所述曝气管是在管径为1mm的PVC管上沿轴向开有双排气孔，每个气孔的孔径为1mm，每排气孔的孔距为5mm，两排气孔的圆心夹角为45° ;所述曝气管水平设置在所述箱式壳体内的由所述多孔配水板分隔开的各样品空间的底部，所述曝气管的一端连接到插接在所述箱式壳体内各样品空间中的所述配气管上，所述配气管的上端连接到设置于所述箱式壳体上方的所述供气总管上，在每根所述配气管上装有曝气控制阀，所述供气总管由鼓风机或高压氮气瓶供气，通过调控所述曝气控制阀形成曝气。
[0011]所述模拟降雨装置包括供水总管、配水管、蛇形管和喷淋管，所述喷淋管包括一根分水管和垂直连接所述分水管上的若干喷淋管，所述喷淋管是管径为1mm的PVC管，在喷淋管上沿轴向开有双排水孔，每个水孔的孔径为1mm，每排水孔的孔距为5mm，两排水孔的圆心夹角为45° ;所述喷淋管分成若干组，水平设置在所述箱式壳体的上方，每组所述喷淋管通过所述蛇形管连接到所述配水管的下端，各组的所述配水管的上端共接到所述供水总管上，在每根所述配水管上装有一个雨淋控制阀；所述供水总管由水泵或自来水管供水，通过调控所述雨淋控制阀形成降雨模拟。
[0012]模拟典型水文地质单元的包气带和含水层介质的装填方法是，从确定的被研宄流域地质剖面的包气带和含水层介质分层采集土壤样品，再对土壤样品分别进行50— 200目筛的细化及干燥处理，最后将处理过的对应地理位置上的土壤样品依据被研宄流域的地质结构关系，逐层均匀填入所述箱式壳体中的所有样品空间中，各样品空间中填入的同一含水层介质层的土壤样品的铺设厚度基本相同，并位于所述箱式壳体内的同一高度上，土壤样品的顶面高度比所述箱式壳体的上口低50mm。
[0013]所述地表及含水层污染源模拟实验包括以下操作步骤:
a、根据实验规程的要求确定检测位置，并在所述箱式壳体内的相关的监测/加药孔管中插入水位监测探头、相应污染因子的监测探头，插入深度按照实验规程的需要确定，所述水位监测探头以及相应污染因子的监测探头的数据线均连接到中控计算机上；根据实验规程的要求确定样品采集的位置，在所述箱式壳体上确定的采样口和溢流口上分别安装好取样器;
b、打开所述箱式壳体的进水口连通管路上的电磁阀，向所述箱式壳体内注水，水流通过进水口进入箱式壳体；随着注水的进行，打开出水口连通管路上的电磁阀，使水流通过出水口流出所述箱式壳体，通过对进水口和/或出水口连通管路上的电磁阀的控制，将流经所述箱式壳体中的模拟地下水位稳定在实验设定值；
C、利用中控计算机接收各水位监测探头输入的水位信息，当地下水位达到设定值时保持水流稳定，此时即达到设定的水循环模拟条件；
d、模拟污染源的给药:将实验使用的作为污染源的药品通过所述地下水动态模拟实验平台的进水口、监测/加药孔管或者喷淋管加入到所述箱式壳体内的含水层介质中，实现持续污染源或临时污染源的模拟；