一种模拟滨海浅层非均质海滩污染物运移的装置及方法
【专利摘要】本发明公开了一种模拟滨海浅层非均质海滩污染物运移的装置，其特征在于：包括依次连接的正弦海潮发生器、非均质土层试样装载槽和地下水定水头模拟装置，所述非均质土层试样装载槽左右两侧底部分别连接有导流管用于分别连接正弦海潮发生器和地下水定水头模拟装置；本发明提供一种模拟滨海浅层非均质海滩污染物运移的装置，解决以往研究滨海地下潜水污染物运移特性时，无法有效的控制海潮边界水头以及海滩中污染物测量的问题。
【专利说明】
一种模拟滨海浅层非均质海滩污染物运移的装置及方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种实验室内模拟滨海浅层非均质海滩污染物运移规律的装置，能很 好的模拟具有正弦函数解析式的潮汐水头，并且能准确的测量水压与溶质的浓度，属于滨 海水文地质学研究技术领域。
【背景技术】
[0002] 滨海地区人口密集、经济发达，且由于同时受陆地和海洋的影响，水资源、生态和 环境问题都比较严重和复杂，例如近年来频频出现的海滩油污和赤潮，以及海水入侵现象。 因此有必要去深入认识各因素作用下的海滩含水层中的地下水动态规律以及盐分、污染物 运移规律。解析法以及实验法是滨海含水层中地下水流以及溶质运移研究相对较为普遍的 方法。而实验法的关键是设计出一整套模拟滨海浅层非均质海滩污染物运移的装置。
【发明内容】
[0003] 本发明为了克服以往的实验装置对于孔隙水取样、潮汐水头不够精准等问题，提 供一种模拟滨海浅层非均质海滩中污染物运移规律的装置，该装置不仅能够实时测量海滩 中污染物浓度与水位，而且可以很好的模拟潮汐正弦波动水头的效果，进一步地，在保持整 体流场不变的情况下对非均质土层试样装载槽内的水样进行取样，以探明污染物在非均质 含水层中受到正弦波动水头与内陆补给的共同作用下的运移规律。
[0004] 为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：.一种模拟滨海浅层非均质海滩 污染物运移的装置，其特征在于:包括依次连接的正弦海潮发生器、非均质土层试样装载槽 和地下水定水头模拟装置，所述非均质土层试样装载槽左右两侧底部分别连接有导流管用 于分别连接正弦海潮发生器和地下水定水头模拟装置。
[0005] 进一步的，所述正弦海潮发生器由动力制造系统、水头制造系统、水流循环系统三 部分构成。
[0006] 进一步的，所述正弦海潮发生器可以通过钢筋杆的匀速圆周运动带动水头制造系 统产生一个正弦波动的水头，并且通过调节水头制造系统在钢筋杆上的位置调节正弦波动 水头的振幅，通过调节电机的功率可以控制正弦波动水头的周期，水头制造系统内连接有 进流管与溢流管，当水位超过溢流高度时，多余海水从溢流管通过第一蠕动栗流至第一蓄 水池。
[0007] 进一步的，所述非均质土层试样装载槽由水槽、水压传感器、水样采集装置和溶质 注射器组成，所述非均质土层试样装载槽分别在距离左右两端20cm~40cm处安装有金属 网，所述非均质土层试样装载槽两端分别通过金属网隔开为海水蓄水室与淡水蓄水室，其 中，海水蓄水室通过导流管连接在正弦海潮发生器，淡水蓄水室通过导流管连接在地下水 定水头模拟装置。
[0008] 进一步的，所述非均质土层试样装载槽底部设置有若干水压传感器，自动记录不 同时间的水压数据。
[0009]进一步的，所述非均质土层试样装载槽中，除海水蓄水室与淡水蓄水室的水压传 感器以外，其他水压传感器垂直方向l〇cm以上全部设置有水样采集装置，所述水样采集装 置由PVC管与医用输液管制成，可以在不同深度取样。
[0010]进一步的，地下水定水头模拟装置由第二蓄水池、橡胶管、第二蠕动栗以及蓄水箱 构成，橡胶管两端分别与蓄水箱与非均质土层试样装载槽右侧底部相连，蓄水箱上部设有 溢流口，可将第二蠕动栗提供的多余流量导流回第二蓄水池。
[0011] -种模拟滨海浅层非均质海滩污染物运移方法，其特征在于:包括以下步骤：
[0012] S01，依次连接正弦海潮发生器、非均质土层试样装载槽和地下水定水头装置；
[0013] S02,关闭非均质土层试样装载槽与正弦海潮发生器以及地下水定水头模拟装置 之间的导流管，并在非均质土层试样装载槽中加入除去气体的去离子水，然后铺设含水层， 静置后，避免开始试验后出现沉降的问题，重复以上步骤铺设底层为细沙上层为粗砂的双 层非均质潜水含水层；
[0014] S03,打开非均质土层试样装载槽与地下水定水头模拟装置之间的导流管，并调节 地下水定水头模拟装置的位置，使得非均质土层试样装载槽内的水位达到预设水位；
[0015] S04,调节正弦海潮发生器预设水头位置，并且在整个系统中加入含NaCl与不吸附 性染色剂的模拟海水，模拟海水为除去气体、密度为1. 〇25kg/m3;
[0016] S05,解除非均质土层试样装载槽与正弦海潮发生器之间导流管的封闭状态，在不 开启正弦海潮发生器的动力制造系统的情况下静置，直到形成稳定状态的海水入侵地下水 蓝色锋面；
[0017] S06,设置好正弦海潮发生器所产生的波动水头的周期与振幅，开启动力制造系统 的电动机开关，动态模拟过程开始；
[0018] S07,转动使用PVC管制成的溶质承载容器，使污染物同时在一条与非均质土层试 样装载槽宽度方向平行的直线上入渗进海滩；
[0019] S08,分别记录于不同时刻取样并且浓度记录装置的数据，用于分析讨论污染物的 运移规律；
[0020] 进一步的，正弦海潮发生器的水头解析式为ff=..4sin(奴+的+ A/'其中，Η为正弦 海潮发生器中的水头;Α为海潮振幅；ω为角速度;t为运行时间#为相位角;把为正弦海潮 发生器中钢筋杆不动点距离地面的高度。
[0021] 本发明所达到的有益效果:本发明提供一种模拟滨海浅层非均质海滩污染物运移 的装置，解决以往研究滨海地下潜水污染物运移特性时，无法有效的控制海潮边界水头以 及海滩中污染物测量的问题。
【附图说明】
[0022]图1为本发明的流程图；
[0023]图2为本发明的结构不意图。
【具体实施方式】
[0024]下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明 的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
[0025] 如图1和图2所示，一种模拟滨海浅层非均质海滩污染物运移的装置，其特征在于： 包括依次连接的正弦海潮发生器1、非均质土层试样装载槽2和地下水定水头模拟装置3,所 述非均质土层试样装载槽2左右两侧底部分别连接有导流管用于分别连接正弦海潮发生器 1和地下水定水头模拟装置3,所述正弦海潮发生器1由动力制造系统、水头制造系统、水流 循环系统三部分构成，所述正弦海潮发生器可以通过钢筋杆7的匀速圆周运动带动水头制 造系统6产生一个正弦波动的水头，并且通过调节水头制造系统6在钢筋杆7上的位置调节 正弦波动水头的振幅，通过调节电机的功率可以控制正弦波动水头的周期，水头制造系统6 内连接有进流管与溢流管，当水位超过溢流高度时，多余海水从溢流管流至第一蓄水池5， 第一蓄水池5通过第一蠕动栗4连接进流管。
[0026] 所述动力制造系统主要调节潮汐正弦水头的周期，包括可调节恒定输出功率电动 机，变速齿轮箱，连接轴。根据所需制造的潮汐正弦水头的周期设定恒定输出功率，通过连 接轴与变速齿轮箱与水头制造系统相连接并带动水头制造系统做匀速圆周运动。
[0027] 自然情况下潮汐会出现大潮、小潮，周期也可能产生变化，针对潮汐的这种现象， 该制造潮汐正弦波动水位的方法可以针对潮汐该特点模拟大潮、小潮，以及周期的改变。潮 汐解析式H = ㈧4- //'，其中，Η为正弦海潮发生器中的水头;A为海潮振幅；ω为角 速度;t为运行时间；炉为相位角;把为正弦海潮发生器中钢筋杆不动点距离地面的高度。
[0028] 水头制造系统6通过调节在钢筋杆的位置以达到调节振幅A的目的，调节整体装置 的高度可以调节相对地面的高度把，进而实现调节正弦海潮发生器中的水头。
[0029] 所述非均质土层试样装载槽由水槽10、水压传感器12、水样采集装置9和溶质注射 器16组成，所述非均质土层试样装载槽2分别在距离左右两端，30cm处安装有金属网，非均 质土层试样装载槽2通过金属网隔开为海水蓄水室8与淡水蓄水室11，其中，海水蓄水室8通 过导流管连接在正弦海潮发生器1，淡水蓄水室11通过导流管连接在地下水定水头模拟装 置3,所述非均质土层试样装载槽2底部设置有若干水压传感器12,所述非均质土层试样装 载槽2中，除海水蓄水室与淡水蓄水室的水压传感器以外，其他水压传感器垂直方向10cm以 上全部设置有水样采集装置9,所述水样采集装置9由PVC管与医用输液管制成，可以在不同 深度取样。
[0030] 水槽10由有机玻璃制成，长、宽、高分别为6m、0.8m、1.5m。水槽左侧30cm由0.2mm铁 丝网隔开，模拟地下水定水头边界，570cm处也由0.2mm铁丝网隔开，模拟海潮边界。传感器 为水压传感器，分别布置在距水槽左侧有机玻璃15cm、100cm、200cm、300cm、400cm、500cm、 585cm处，共计7个水压传感器，水压传感器用于记录实时水位，示踪剂注射管由PVC管制作 而成，管长1.6m，内径2cm，垂直安装在与水槽宽度方向上平行的水槽前后两壁上，安装位置 可以调节。PVC管两侧封闭，管壁上开有一条沿径向延伸且平行于水槽宽度方向、宽约2mm的 整齐缝隙，一侧接有摇杆。取样及分析部分由空心铁丝网柱、内径2_塑料管、医用注射器、 分析仪组成，空心铁丝网柱由2mm铁丝网组成，尺寸为lcmX lcmX 100cm，在空心铁丝网柱高 10cm，20 cm，30 cm，40 cm，50cm，60cm，70cm，80cm，90 cm，100 cm 处接有内径 2mm 塑料管。取样时 使用医用注射器取样2mL，送样至实验室，采用ICP-0ptima7300DV型全谱直读等离子体发射 光谱仪测试样品中重金属污染物浓度。
[0031] 地下水定水头模拟装置3由第二蓄水池13、橡胶管、第二蠕动栗14、以及蓄水箱15 构成，橡胶管两端分别与蓄水箱15与非均质土层试样装载槽2右侧底部相连;蓄水箱15上部 设有溢流口，可将第二蠕动栗14提供的多余流量导流回第二蓄水池13。利用连通器原理可 以保持蓄水箱15与非均质土层试样装载槽2的水槽右侧水位始终一致，在蓄水箱15位置保 持不变的情况下能保证非均质土层试样装载槽2右侧地下水水头保持恒定。
[0032] -种模拟滨海浅层非均质海滩污染物运移方法，其特征在于:包括以下步骤：
[0033] S01，从左至右依次连接正弦海潮发生器1、非均质土层试样装载槽2和地下水定水 头装置3;
[0034] S02,关闭非均质土层试样装载槽2与正弦海潮发生器1以及地下水定水头模拟装 置3之间的导流管，并在非均质土层试样装载槽2中加入除去气体的去离子水20cm，然后铺 设15cm含水层，静置10分钟后，重复以上步骤铺设底层为细沙上层为粗砂的双层非均质潜 水含水层；
[0035] S03,打开非均质土层试样装载槽2与地下水定水头模拟装置3之间的导流管，并调 节地下水定水头模拟装置3的位置，使得非均质土层试样装载槽2内的水位达到预设水位； [0036] S04,调节正弦海潮发生器1预设水头位置，并且在整个系统中加入含NaCl与不吸 附性染色剂(亮蓝)且除去气体、密度为1. 〇25kg/m3的模拟海水；
[0037] S05,解除非均质土层试样装载槽2与正弦海潮发生器1之间导流管的封闭状态，在 不开启正弦海潮发生器1的动力制造系统的情况下静置，直到形成稳定状态的海水入侵地 下水蓝色锋面；
[0038] S06,设置好正弦海潮发生器1所产生的波动水头的周期与振幅，开启动力制造系 统的电动机开关，动态模拟过程开始；
[0039] S07,转动使用PVC管制成的溶质承载容器16,使污染物同时在一条与非均质土层 试样装载槽2宽度方向平行的直线上入渗进海滩；
[0040] S08，分别记录于不同时刻取样并且浓度记录装置9的数据，用于分析讨论污染物 的运移规律。
[0041]以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人 员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形 也应视为本发明的保护范围。
【主权项】
1. 一种模拟滨海浅层非均质海滩污染物运移的装置，其特征在于:包括依次连接的正 弦海潮发生器、非均质土层试样装载槽和地下水定水头模拟装置，所述非均质土层试样装 载槽左右两侧底部分别连接有导流管用于分别连接正弦海潮发生器和地下水定水头模拟 装置。2. 根据权利要求1所述的一种模拟滨海浅层非均质海滩污染物运移的装置，其特征在 于:所述正弦海潮发生器由动力制造系统、水头制造系统、水流循环系统三部分构成。3. 根据权利要求2所述的一种模拟滨海浅层非均质海滩污染物运移的装置其特征在 于:所述正弦海潮发生器可以通过钢筋杆的匀速圆周运动带动水头制造系统产生一个正弦 波动的水头，并且通过调节水头制造系统在钢筋杆上的位置调节正弦波动水头的振幅，通 过调节电机的功率可以控制正弦波动水头的周期，水头制造系统内连接有进流管与溢流 管，当水位超过溢流高度时，多余海水从溢流管通过第一蠕动栗流至第一蓄水池。4. 根据权利要求1所述的一种模拟滨海浅层非均质海滩污染物运移的装置，其特征在 于:所述非均质土层试样装载槽由水槽、水压传感器、水样采集装置和溶质注射器组成。5. 根据权利要求4所述的一种模拟滨海浅层非均质海滩污染物运移的装置，其特征在 于:所述非均质土层试样装载槽分别在距离左右两端20cm~40cm处安装有金属网，所述非 均质土层试样装载槽两端分别通过金属网隔开为海水蓄水室与淡水蓄水室，其中，海水蓄 水室通过导流管连接在正弦海潮发生器，淡水蓄水室通过导流管连接在地下水定水头模拟 装置。6. 根据权利要求5所述的一种模拟滨海浅层非均质海滩污染物运移的装置，其特征在 于:所述非均质土层试样装载槽底部设置有若干水压传感器。7. 根据权利要求6所述的一种模拟滨海浅层非均质海滩污染物运移的装置，其特征在 于:所述非均质土层试样装载槽中，除海水蓄水室与淡水蓄水室的水压传感器以外，其他水 压传感器垂直方向l〇cm以上全部设置有水样采集装置，所述水样采集装置由PVC管与医用 输液管制成，可以在不同深度取样。8. 根据权利要求1所述的一种模拟滨海浅层非均质海滩污染物运移的装置，其特征在 于:地下水定水头模拟装置由第二蓄水池、橡胶管、第二蠕动栗以及蓄水箱构成，橡胶管两 端分别与蓄水箱与非均质土层试样装载槽右侧底部相连，蓄水箱上部设有溢流口，可将第 二蠕动栗提供的多余流量导流回第二蓄水池。9. 根据权利要求1~8任一权利要求所述装置的一种模拟滨海浅层非均质海滩污染物 运移方法，其特征在于:包括以下步骤： S01，依次连接正弦海潮发生器、非均质土层试样装载槽和地下水定水头装置； S02,关闭非均质土层试样装载槽与正弦海潮发生器以及地下水定水头模拟装置之间 的导流管，并在非均质土层试样装载槽中加入除去气体的去离子水，然后铺设含水层，静置 后，重复以上步骤铺设底层为细沙上层为粗砂的双层非均质潜水含水层； S03，打开非均质土层试样装载槽与地下水定水头模拟装置之间的导流管，并调节地下 水定水头模拟装置的位置，使得非均质土层试样装载槽内的水位达到预设水位； 504, 调节正弦海潮发生器预设水头位置，并且在整个系统中加入含NaCl与不吸附性染 色剂的模拟海水； 505, 解除非均质土层试样装载槽与正弦海潮发生器之间导流管的封闭状态，在不开启 正弦海潮发生器的动力制造系统的情况下静置，直到形成稳定状态的海水入侵地下水蓝色 锋面； 506, 设置好正弦海潮发生器所产生的波动水头的周期与振幅，开启动力制造系统的电 动机开关，动态模拟过程开始； 507, 转动使用PVC管制成的溶质承载容器，使污染物同时在一条与非均质土层试样装 载槽宽度方向平行的直线上入渗进海滩； 508, 分别记录于不同时刻取样并且浓度记录装置的数据，用于分析讨论污染物的运移 规律。10.根据权利要求9所述的一种模拟滨海浅层非均质海滩污染物运移方法，其特征在 于：正弦海潮发生器的水头解析式为# = sin(技+纠+ //S其中：Η为正弦海潮发生器中的 水头;Α为海潮振幅；ω为角速度;t为运行时间；货为相位角;把为正弦海潮发生器中钢筋杆 不动点距离地面的高度。
【文档编号】G01N33/24GK105866379SQ201610220390
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年4月11日
【发明人】郭巧娜, 张宇霆, 窦智
【申请人】河海大学