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原文传递一种地下水动态模拟实验系统及实验方法

专利名称：	一种地下水动态模拟实验系统及实验方法
摘要：	本发明公开了一种地下水动态模拟实验系统及实验方法，该实验系统包括模拟实验箱、除氧装置、实验装置和辅助器具；该方法包括：一、土柱试样的制备；二、在有氧环境中配制地表水模拟水样；三、模拟缺氧环境；四、在缺氧环境中配制地下水模拟水样；五、地表水渗流模拟实验；六、地下水回渗模拟实验；七、地表水和地下水交互渗流模拟实验；八、测定采集的地表渗流水、地下回渗水和交互渗流水的酸碱度值、溶解氧的含量和抗生素浓度。本发明在模拟试验箱内，利用实验装置和辅助器具能够进行地表水渗流模拟实验、地下水回渗模拟实验以及地表水和地下水交互渗流模拟实验，解决了现有技术中不能准确研究污染物进入地下水的动态过程的问题。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	陕西;61
申请人：	长安大学
发明人：	杨胜科;王宗周;王润泽;李宇;申思奇;罗梦雅;解亚丽;胡瑞新
专利状态：	有效
申请日期：	2019-07-15T00:00:00+0800
发布日期：	2019-09-24T00:00:00+0800
申请号：	CN201910639951.6
公开号：	CN110274852A
代理机构：	西安创知专利事务所
代理人：	谭文琰
分类号：	G01N13/04(2006.01);G;G01;G01N;G01N13
申请人地址：	710064 陕西省西安市南二环中段33号
主权项：	1.一种地下水动态模拟实验系统，其特征在于：包括用于模拟地下水环境的模拟实验箱、设置在所述模拟实验箱外侧且与所述模拟实验箱连通的除氧装置、设置在所述模拟实验箱内部的实验装置和辅助器具，所述模拟实验箱包括由有机玻璃板制作而成的箱体(1)，所述箱体(1)的外侧覆盖有与所述箱体(1)外形结构相匹配的保温板，所述箱体(1)的侧面上开设有矩形观测窗(1-9)和两个位于所述矩形观测窗(1-9)下方且对称布设的操作孔(1-1)，所述矩形观测窗(1-9)的顶部设置有遮光帘(3)，两个所述操作孔(1-1)的孔口位置上分别套装有左手操作手套(2-1)和右手操作手套(2-2)，所述箱体(1)上设置有进气接管(1-2)和出气接管(1-3)，所述箱体(1)的顶面上设置有进水接管(1-4)，所述箱体(1)上设置有出水接管(1-5)，所述箱体(1)上开设有曝气孔(1-6)，所述箱体(1)上设置有可拆卸带密封圈门(1-8)，所述箱体(1)内设置有用于检测所述箱体(1)内氧气含量的复合气体检测仪(20)和用于检测所述箱体(1)内温度的温度变送器(21)，所述箱体(1)内设置有用于通入冷却水的水管(31)，所述除氧装置包括设置在所述箱体(1)外侧的第一氮气瓶(14)、空气循环泵(4)和与所述空气循环泵(4)的回气管(4-2)连接的盛放有焦性没食子酸的碱性溶液的孟氏洗瓶(5)，所述孟氏洗瓶(5)的出气管通过氮气回流管(6)与所述出气接管(1-3)连接，所述箱体(1)的外部设置有用于盛放地表水模拟水样的第一地表水模拟水样瓶(9-1)和第二地表水模拟水样瓶(9-2)，所述第一地表水模拟水样瓶(9-1)和所述第二地表水模拟水样瓶(9-2)分别与两个所述进水接管(1-4)相连接，所述实验装置包括设置在所述箱体(1)内部用于支撑土柱试样的可移动支架(7)、用于盛放地下水模拟水样的三口烧瓶(11)和与所述三口烧瓶(11)连通的蠕动泵(10)，所述三口烧瓶(11)内插接有氮气导入管(12)，所述氮气导入管(12)穿过所述曝气孔(1-6)与设置在所述箱体(1)外侧的第二氮气瓶(15)连通，所述三口烧瓶(11)的下方设置有恒温水浴锅(13)。 2.按照权利要求1所述的一种地下水动态模拟实验系统，其特征在于：所述进水接管(1-4)的数量为至少两个，所述出水接管(1-5)的数量为至少三个，所述进气接管(1-2)上安装有进气阀(22)，所述出气接管(1-3)上安装有出气阀(23)，所述进水接管(1-4)上安装有进水阀(24)，所述出水接管(1-5)上安装有出水阀(29)，所述箱体(1)上设置有泄压孔(1-7)，所述泄压孔(1-7)的孔口位置处安装有泄压阀(30)。 3.按照权利要求2所述的一种地下水动态模拟实验系统，其特征在于：所述辅助器具包括设置在所述箱体(1)内设置的三层试管架(16)、用于配制并盛放地下水模拟水样的烧杯和多个用于对所述地下水模拟水样中抗生素的水解率进行测定的锥形瓶，所述三层试管架(16)上放置有多个地表渗流水采集试管(17)、多个地下回渗水采集试管(27)和多个交互渗流水采集试管(28)。 4.按照权利要求2所述的一种地下水动态模拟实验系统，其特征在于：所述箱体(1)内设置有水解池(18)，所述水解池(18)内设置有加热棒(19)。 5.一种利用如权利要求3所述的实验系统对地下水进行动态模拟实验的方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：步骤一、土柱试样的制备：向三个体积大小相同的有机玻璃圆管内分别装入在同一河道内的三个不同采集点内采集的且已经自然风干的沉积物，制备成三个体积大小相同的土柱试样，并将三个所述土柱试样分别标记为第一个土柱试样(8)、第二个土柱试样(25)和第三个土柱试样(26)，在所述第一个土柱试样(8)的底部垂直安装有第一底部取样导管(8-1)，所述第一个土柱试样(8)的侧壁上水平安装有多个沿着所述第一个土柱试样(8)的高度方向等间距布设的第一侧壁取样导管(8-2)，所述第二个土柱试样(25)的底部垂直安装有第二底部取样导管(25-1)，所述第二个土柱试样(25)的侧壁上水平安装有多个沿着所述第二个土柱试样(25)的高度方向等间距布设的第二侧壁取样导管(25-2)，所述第三个土柱试样(26)的底部垂直安装有第三底部取样导管(26-1)，所述第三个土柱试样(26)的侧壁上水平安装有多个沿着所述第三个土柱试样(26)的高度方向等间距布设的第三侧壁取样导管(26-2)；步骤二、在有氧环境中配制地表水模拟水样：在所述箱体(1)的外部，在容量瓶内配制得到地表水模拟水样；步骤三、模拟缺氧环境，具体过程包括以下步骤：步骤301、将步骤一中制备的第一个土柱试样(8)、第二个土柱试样(25)和第三个土柱试样(26)均安装在可移动支架(7)上，使第一个土柱试样(8)和第三个土柱试样(26)分别位于两个所述进水接管(1-4)的正下方；步骤302、向所述孟氏洗瓶(5)里注入焦性没食子酸的碱性溶液，且所述焦性没食子酸的碱性溶液的液面高度不低于所述孟氏洗瓶(5)高度的三分之二；向所述三口烧瓶(11)中注入自来水；之后，清点所述箱体(1)内的所述辅助器具的数量；步骤303、关闭所述可拆卸带密封圈门(1-8)，清除所述箱体(1)内部的氧气，使所述箱体(1)内的氧气含量低于0.2mg/L；步骤四、在缺氧环境中配制地下水模拟水样：在所述箱体(1)的内部，首先，利用恒温水浴锅(13)将所述三口烧瓶(11)内的自来水加热至100℃，打开第二氮气瓶(15)，向所述三口烧瓶(11)内部充入氮气，消除所述三口烧瓶(11)内的自来水中的氧气，使所述三口烧瓶(11)内的自来水形成无氧水；接着，关闭所述恒温水浴锅(13)，将所述三口烧瓶(11)内的无氧水静置降温至箱体(1)内的温度，然后向所述水管(31)内通入冷却水，同时读取所述温度变送器(21)所检测到的所述箱体(1)内的温度，当所述箱体(1)内的温度和三口烧瓶(11)内的无氧水的温度均在16℃～22℃范围内时，停止向所述水管(31)内通入冷却水，再将所述三口烧瓶(11)内的无氧水全部倒入至烧杯内，在所述烧杯内配制得到地下水模拟水样；步骤五、地表水渗流模拟实验，具体包括以下步骤：步骤501、向所述第一地表水模拟水样瓶(9-1)内注入步骤二中配制得到的地表水模拟水样，并将所述第一地表水模拟水样瓶(9-1)与一个所述进水接管(1-4)之间接通，铺开遮光帘(3)，使所述箱体(1)的内部处于黑暗状态，此时，将所述第一地表水模拟水样瓶(9-1)内的所述地表水模拟水样导通至所述第一个土柱试样(8)的顶端，使所述第一地表水模拟水样瓶(9-1)内的所述地表水模拟水样沿着所述第一个土柱试样(8)的高度方向逐渐向下渗流；步骤502、在所述第一地表水模拟水样瓶(9-1)内的所述地表水模拟水样沿着所述第一个土柱试样(8)的高度方向逐渐向下渗流的过程中，得到地表渗流水，需要多次卷起遮光帘(3)，在所述箱体(1)的内部，沿着所述地表水模拟水样的渗流方向由上至下依次在多个第一侧壁取样导管(8-2)的出口处和第一底部取样导管(8-1)的出口处采集所述地表渗流水，多次采集的所述地表渗流水分别放置在多个地表渗流水采集试管(17)内，在对多个地表渗流水采集试管(17)进行一一标记后，将多个地表渗流水采集试管(17)放置在三层试管架(16)的第一层；步骤六、地下水回渗模拟实验，具体包括以下步骤：步骤601、在所述箱体(1)的内部，向所述三口烧瓶(11)中倒入步骤403中配制得到的地下水模拟水样，将所述蠕动泵(10)的软管的一端与所述三口烧瓶(11)的任意一个开口端连接，将所述蠕动泵(10)的软管的另一端与安装在第二个土柱试样(25)底部的第二底部取样导管(25-1)连接，之后，打开所述蠕动泵(10)，铺开遮光帘(3)，由所述蠕动泵(10)抽取所述三口烧瓶(11)内部的步骤403中配制得到的地下水模拟水样，使所述地下水模拟水样沿着所述第二个土柱试样(25)的高度方向逐渐向上回渗；步骤602、在所述三口烧瓶(11)内的所述地下水模拟水样沿着所述第二个土柱试样(25)的高度方向向上回渗的过程中，得到地下回渗水，需要多次卷起遮光帘(3)，在所述箱体(1)的内部，沿着所述地下水模拟水样的回渗方向由下至上依次在第二底部取样导管(25-1)的出口处和多个第二侧壁取样导管(25-2)的出口处采集所述地下回渗水，多次采集的所述地下回渗水分别放置在多个地下回渗水采集试管(27)内，在对多个地下回渗水采集试管(27)进行一一标记后，将多个地下回渗水采集试管(27)放置在三层试管架(16)的第二层；步骤七、地表水和地下水交互渗流模拟实验，具体包括以下步骤：步骤701、向所述第二地表水模拟水样瓶(9-2)内注入步骤二中配制得到的地表水模拟水样，并将所述第二地表水模拟水样瓶(9-2)与另一个所述进水接管(1-4)之间连通，铺开遮光帘(3)，使所述箱体(1)的内部处于黑暗状态，此时，将所述第二地表水模拟水样瓶(9-2)内的所述地表水模拟水样导通至所述第三个土柱试样(26)的顶端，使所述第二地表水模拟水样瓶(9-2)内的所述地表水模拟水样沿着所述第三个土柱试样(26)的高度方向逐渐向下渗流；步骤702、待步骤701中所述地表水模拟水样沿着所述第三个土柱试样(26)的高度方向逐渐向下渗流持续24h以后，卷起遮光帘(3)，在所述箱体(1)的内部，将所述蠕动泵(10)的软管的另一端与安装在第二个土柱试样(25)底部的第二底部取样导管(25-1)之间断开，并将所述蠕动泵(10)的软管的另一端与安装在第三个土柱试样(26)底部的第三底部取样导管(26-1)连接，之后，打开所述蠕动泵(10)，铺开遮光帘(3)，由所述蠕动泵(10)抽取所述三口烧瓶(11)内部的所述地下水模拟水样，使所述地下水模拟水样沿着所述第三个土柱试样(26)的高度方向逐渐向上回渗；步骤703、在所述三口烧瓶(11)内的所述地表水模拟水样沿着所述第三个土柱试样(26)的高度方向向上回渗的过程中，得到交互渗流水，需要多次卷起遮光帘(3)，在所述箱体(1)的内部，沿着所述地下水模拟水样的回渗方向由下至上依次在第三底部取样导管(26-1)的出口处和多个第三侧壁取样导管(26-2)的出口处采集所述交互渗流水，多次采集的所述交互渗流水分别放置在多个交互渗流水采集试管(28)内，在对多个交互渗流水采集试管(28)进行一一标记后，将多个交互渗流水采集试管(28)放置在三层试管架(16)的第三层；步骤八、测定采集的地表渗流水、地下回渗水和交互渗流水的酸碱度值、溶解氧的含量和抗生素浓度。 6.按照权利要求5所述的地下水动态模拟实验的方法，其特征在于：步骤303中清除所述箱体1内的氧气具体过程包括以下步骤：步骤3031、关闭所述可拆卸带密封圈门(1-8)，使所述箱体(1)呈封闭状态，之后，在所述进气接管(1-2)上连接第一氮气瓶(14)，向所述箱体(1)内充入氮气，当充入氮气的时间持续3min～5min之后，停止向所述箱体(1)内充入氮气，并拆除第一氮气瓶(14)；步骤3032、将空气循环泵(4)的进气管(4-1)与进气接管(1-2)连接，打开空气循环泵(4)，利用空气循环泵(4)将箱体(1)内的混合气体吸入到孟氏洗瓶(5)内，孟氏洗瓶(5)内的焦性没食子酸的碱性溶液吸收混合气体中的氧气，流经孟氏洗瓶(5)的混合气体中的氮气通过氮气回流管(6)和出气接管(1-3)进入箱体(1)内部，复合气体检测仪(20)能够检测箱体(1)内的氧气含量，当箱体(1)内的氧气含量低于0.2mg/L时，关闭空气循环泵(4)。 7.按照权利要求5所述的地下水动态模拟实验的方法，其特征在于：步骤八中，在测定所述地表渗流水、地下回渗水和交互渗流水的酸碱度值、溶解氧的含量和抗生素浓度时，多个地表渗流水采集试管(17)、多个地下回渗水采集试管(27)和多个交互渗流水采集试管(28)需要逐一从所述箱体(1)取出进行测定，在测定的过程中，所述地表渗流水、所述地下回渗水和所述交互渗流水暴露在空气内的时间不超过10min。
所属类别：	发明专利