地下水污染迁移转化与最终归宿一体化移动模拟平台及模拟实验方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种地下水污染修复模拟实验装置及方法，具体地说是一种地下水污染迀移转化与最终归宿一体化移动模拟平台及模拟实验方法。
【背景技术】
[0002]随着人类活动对生存环境的影响不断加大，特别是受金属采选与冶炼、化工、印染等行业发展的影响，导致我国一些地区地下水水质超过IV类或V类，其主要污染因子为“三氮”、重金属和有机污染物等，而根据《全国地下水污染防治规划(2010 - 2020年)》数据显示，我国90%城市地下水遭受不同程度有毒污染物的污染，因此，我国地下水环境质量不容乐观。地下水作为重要的城乡供水水源，在维护经济社会健康发展、生态环境等方面发挥着不可替代的作用。因此，多年来，众多的科研工作者从事着地下水污染防治与修复的科学研宄工作，而探索此类科学问题的重要手段就是通过构建模拟地下水环境实验装置，因此搭建设计科学、操作简易、经济成本低廉的地下水污染过程模拟与修复装置成为从事地下水污染防治与修复研宄的热点问题，受到越来越多科研工作者的关注。
[0003]可渗透性反应障(Permeable Reactive Barriers，PRB)技术是兴起于20世纪90年代的地下水污染原位修复技术，由可透水的活性介质组成，通常置于地下水污染羽状体的下游，与地下水流相垂直。当受污染的地下水通过PRB时，污染物与格栅中活性介质之间发生沉淀、吸附、氧化-还原和生物降解等一系列反应，从而有效去除地下水中的污染物，使污染的地下水的到净化，从而帮助地下水环境趋于优化。该技术具有处理费用少，处理效果好，对环境扰动小等优点，因而在地下水原位修复技术中具有广泛的应用前景。
[0004]研宄发现，当今的地下水可渗透性反应障物理模拟装置存在如下缺点:①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进行模拟研宄，缺乏包气带与饱水带两方面模拟功能的有机组合装置，特别是缺乏污染物从包气带进入饱水带途经模拟监测功能，不能从整个循环流程上抓住污染物迀移转化特点，很难对非饱和带渗流和含水层溶质运移同时进行模拟研宄，从而导致模拟装置缺乏模拟水文地质单元的整体性。包气带在地下水资源的形成与演化过程中起到非常重要的作用，它即具有贮存水分的能力，又有传输地表入渗水的机能，而就地下水污染来说，也是贮存和传输随入渗水携入的污染物的地质空间，同时还是污染质发生复杂的物理化学、地球化学、生物化学作用的空间，如何有效模拟污染物从包气带到饱水带，以及污染物如何在饱水带实现迀移转化都将是物理模拟装置的巨大挑战。②从效果上看，相对地下水环境的复杂性，模拟砂柱可模拟包气带土壤非饱和渗流，能模拟一维水动力弥散，但模拟砂柱渗流场很小，其边壁对土壤水流与溶质运移过程影响很大，缺乏二维及多维流动模拟能力，无法模拟复杂的包气带水文地质条件，不能较准确的反映野外真实地质条件，使得实验缺乏代表性。③从PRB技术特点上看，PRB技术在实际应用过程中深受现场水文地质条件制约，如不针对典型区域进行有针对性的系统结构优化设计，轻则降低PRB系统使用年限，重则可能导致PRB系统的构建或运行失败，并且对PRB系统第二次施工增加难度，提高成本，还应妥善处理第一次的失活填料，否则会对环境造成二次污染。④从现实意义上看，地下水污染迀移转化与最终归宿规律的研宄离不开污染物在土壤和地下水中传输特性的把握，虽然借助于数值模拟软件可更为有效的把握污染特征和修复规律，但数值模拟涉及到许多复杂的污染物迀移输送过程，包含许多水文地质参数的精准刻画，而建立野外大型实验场需要密集的污染物浓度时空分布及场区水文地质情况的时空变化等数据对模型进行校正，操作复杂，且成本较高，虽然可通过野外大型实验场观测获得场区数据，但野外原位进行实验和数据采集往往很困难，因此获得的数据有限，而且获取的数据不能准确反映场区水文地质特性的不均匀性以及污染物时空浓度分布等情况，从而影响地下水污染水动力学数值模型的预测精度。
【发明内容】
[0005]本发明的目的之一就是提供一种地下水污染迀移转化与最终归宿一体化移动模拟平台，以解决现有地下水污染修复物理模拟装置的实验数据精准性差和地下水污染水动力学数值模型的预测精度低的问题。
[0006]本发明的目的之二就是提供一种地下水污染迀移转化与最终归宿一体化模拟实验方法，以完善对地下水污染迀移转化与最终归宿规律的研宄和探讨。
[0007]本发明的目的之一是这样实现的:
一种地下水污染迀移转化与最终归宿一体化移动模拟平台，包括:迀移转化模拟装置、曝气装置、模拟雨淋装置、在线监测装置和中控计算机。
[0008]所述迀移转化模拟装置的主体为顶部敞口的长方形箱体，所述箱体采用有机玻璃板加工而成，外围设有用以加固和支撑的不锈钢方管；在所述箱体的前、后壁板的板面内侧按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体的底板相接触，所述卡槽的上沿与所述箱体的上口平齐；在所述箱体的前、后壁板上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，所述多孔配水板的下沿与所述箱体的底板相接触，所述多孔配水板的上沿与所述箱体的上口相平齐，在所述多孔配水板的板面上密布有孔径为2mm的过流孔眼。
[0009]在所述箱体的一端侧壁板上接有分层设置的若干进水口，在所述箱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8_的有机玻璃管制成，在所述箱体的侧壁板上呈矩阵分布。
[0010]在所述箱体的前、后壁板上分别设置有若干分层设置的由孔径为8_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和后壁板上，在每个所述采样口上安装有取样器或者封接有封口塞，在所述箱体的前、后壁板的两端分别设置有呈纵向排列的一列由孔径为8mm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。
[0011]在所述箱体的底板上开有若干排水排泥孔，每个排水排泥孔的底口上接有一个排水排泥管，所述排水排泥管用直径为40mm的PVC管制成，在所述排水排泥孔的顶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横置的排水排泥总管上。
[0012]所述箱体设置在一个底盘上，在所述底盘的底面接有若干脚轮；在所述底盘的两端分别设置有升降架，在所述升降架上安放有水箱，一个水箱通过连通管路连接到所述箱体的进水口上，另一个水箱通过连通管路连接到所述箱体的出水口上；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。
[0013]在所述箱体内的由所述多孔配水板分隔开的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体的底板相接触，所述监测/加药孔管的顶端与所述箱体的上口相平齐；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，每列孔眼中两个相邻孔眼的间距为10mm，在所述监测/加药孔管上包裹有遮挡孔眼的不锈钢纱网。
[0014]在所述箱体内的两个端部的2~3样品空间中按上下位置放置有由选定研宄区域采得的作为模拟包气带的土壤样品和作为模拟含水层介质的土壤样品，在所述箱体内中部的其余样品空间中放置有污染物修复介质；所述模拟包气带的土壤样品为砂质粉土，其粒径为0.005-0.075 mm，渗透系数为0.38-0.54m/d ;所述模拟含水层介质的土壤样品为级配河沙，其粒径为0.1-2.0 mm，渗透系数为18~21m/d0
[0015]所述在线监测装置包括水质监测仪、水位监测仪、温度检测仪、pH监测仪、溶解氧监测仪、电导率监测仪和氧化还原电位监测仪，上述各监测仪上的监测探头插接在所述监测/加药孔管中，在实验选定的所述监测/加药孔管中插接有一种或数种检测仪的监测探头，所述监测仪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。
[0016]在所述箱体的上口设置有可掀起或扣合的密封盖，在所述密封盖上接有排气孔，在所述排气孔上接有带控制阀的排气管。
[0017]所述曝气装置包括供气总管、配气管和曝气管；所述曝气管为管径1mm的PVC管，在管壁上沿管体轴向开有双排气孔，每个气孔的孔径为1mm，每排气孔中两个相邻气孔的孔距为5mm，两排气孔在管体径向截面上的圆心夹角为45° ;所述曝气管水平设置在所述箱体内的由所述多孔配水板分隔开的每个样品空间的底部，所述曝气管的一端连接到插接在所述箱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