一种研究原位注入药剂在土层中运移扩散的装置及方法

1.本发明属于环境岩土工程技术研究领域，具体涉及一种研究原位注入药剂在土层中运移扩散的装置及方法。


背景技术：

2.化学氧化原位注入因其修复技术施工简单，对地层结构破坏小、适应性强、修复效率高、持续性好、成本低等特点，已成为污染场地原位修复的常用技术方法，其技术特点是借助一定的设备系统，将复配好的修复药剂在常压或高压下通过注入设备注入污染土层中，进而在纵向和横向上运移扩散充满土层，与污染物接触反应后将土体和地下水中的有机污染物同时降解，达到土体和地下水同时修复的目的。
3.化学氧化原位注入技术的修复效果不仅受药剂浓度和用量的影响，其在土层中的运移扩散特征也是影响其修复效率的关键。其次，在化学氧化原位注入修复系统设计中，注入点位的间距和深度以及各种注入参数（如注入压力、流量等）均要依据修复药剂在土层中横向和纵向的扩散距离等特征来设定。
4.目前，对于修复药剂等溶质在土体中运移扩散研究主要集中于土柱试验、二维砂箱和数值模拟等方法。其中，土柱试验和二维砂箱难以获得溶质在三维土层空间中的运移扩散特征，而数值模拟方法在建模过程中往往存在一定的简化，难以模拟现场实际土层的特性。
5.因此，有必要提供一种研究原位注入药剂在土层中运移扩散的装置及方法。


技术实现要素：

6.本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种研究原位注入药剂在土层中运移扩散的装置及方法，研究修复药剂在三维地层中的运移扩散特征，为现场原位注入系统技术参数设置提供理论支持。
7.为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种研究原位注入药剂在土层中运移扩散的装置，包括模型箱系统和药剂注入系统；模型箱系统包括模型箱、第一管道和两块隔板；隔板沿模型箱的长度方向对称设置于模型箱内部，隔板上设置有多个渗水孔；两块隔板把模型箱分为第一腔室、第二腔室和第三腔室，第一腔室和第三腔室的顶部开设有注水孔，第一腔室和第三腔室的底部开设有排水孔，第一腔室和第三腔室通过外置的第一管道连通；药剂注入系统包括注入设备、溶液桶、第二管道和加压设备；加压设备、溶液桶和注入设备通过第二管道依次连接；溶液桶和加压设备设置于模型箱外部，注入设备置于第二腔室中。
8.作为本发明进一步优选，所述注入设备包括注液管、套管和管筛；套管的底部设有用于刺入土层的底座，管筛上分布有多个孔；套管、管筛和注液管由外到内依次设置；注液管一端与第二管道连接，另一端放置于底座上；套管和筛管连接于底座上。
9.作为本发明进一步优选，所述底座为圆锥形。
10.作为本发明进一步优选，第一腔室的顶部设置有压力孔。
11.作为本发明进一步优选，所述模型箱的材质为透明pvc塑料。
12.作为本发明进一步优选，还包括卡槽，四个卡槽分别设置于模型箱内部，用于固定两块隔板。
13.作为本发明进一步优选，溶液桶底部设有流出孔，第二管道与溶液桶底部的流出孔连接。
14.作为本发明进一步优选，第一管道和第二管道的材质为透明pe材质，第二管道的孔径与流出孔、注液管和加压设备的接口孔径一致。
15.作为本发明进一步优选，所述加压设备为蠕动泵。
16.一种研究原位注入药剂在土层中运移扩散的方法，步骤（1）：将隔板安装在模型箱内部对应的卡槽处，将模型箱分隔成第一腔室，第二腔室和第三腔室；第一腔室和第三腔室通过外置的第一管道连通；步骤（2）：依据实际污染场地的地层信息及地质参数等，在第二腔室从下往上依次堆填各类现场土层，构成现场地层模型；堆填一层新土层时需等前面堆填的土层稳定，稳定后的最终土层高度与隔板高度一致；步骤（3）：通过注水孔分别向第一腔室和第三腔室注入地下水，并依据污染场地的水文地质资料，通过压力孔控制两个腔室的水位和水力梯度与实际场地相一致；第一腔室为地下水上游区域，第三腔室为地下水下游区域，第一腔室和第三腔室共同构成地下水流场模型；步骤（4）：待现场地层模型和地下水流场模型较为稳定后，竖直将注入设备从土层顶部插入到土层预定深度，预定深度通过与现有实际污染场地相似土层特性的以往工程实施经验来确定，并缓慢拔出套管，然后压实土层使注入设备埋没达到密封效果；步骤（5）：在溶液桶中配备预定浓度的氧化剂溶液和活化剂溶液，并按照一定的配比混合，目前采用的配比方法是从现场钻取污染土样，分析污染物类型、浓度和土壤特性，进行室内小试试验来确定对土壤中污染物降解相对较优的氧化剂和活化剂类型，以及氧化剂/活化剂浓度配比参数；步骤（6）：使用第二管道将注入设备、溶液桶和加压设备连通；步骤（7）：打开加压设备，缓慢升高注射压力、注射流速等注入参数直至达到预定最优参数值，最优参数值是指根据对比不同注入参数下药剂在该模型土层中运移扩散特征情况，选择扩散深度最深、扩散半径最大所对应的注入参数作为最优注入参数，溶液桶中配置的修复药剂通过第二管道和注入设备持续注入到污染土层中，在达到根据小试试验计算得到的所需注入流量后关闭加压设备；步骤（8）：达到预定修复天数后，使用检测设备测定距注入点位横向和纵向不同位置处土层和地下水中污染物浓度、氧化剂浓度及各离子浓度，获得其在不同地点空间分布图的变化情况，分析修复药剂三维土层中的运移扩散特征。获得修复药剂运移扩散与注入参数系统的相关对应关系。。
17.本发明具有如下有益效果：1、本发明提供的研究化学氧化原位注入药剂在现场污染土层中运移扩散的试验装置可模拟溶质在三维介质中的运移扩散，丰富了溶质运移的研究方法，不仅仅局限于柱
试验和二维沙箱试验；2、本发明能够真实的模拟现场实际污染土层和地下水流场，模拟的原位注入修复过程也与现场实际工程一致；3、本发明的模型箱系统的材质为耐腐蚀可视化材料，一方面可以直接观察模拟试验过程中的土层和地下水流场的情况，另一方面可以有效避免外部试验材料对试验的干扰；4、本发明的试验装置可以用于模拟不同地层模型、不同地下水流场和不同注入技术参数下修复药剂在土层中的运移扩散特征，使室内试验最大限度的符合现场化学氧化原位注入修复系统的真实数据，极大地提高了室内试验的结果。
附图说明
18.图1是本发明的整体结构示意图；图2是本发明的正视图；图3是注入设备的结构示意图。
19.其中有：1. 模型箱；2. 隔板；3.第一腔室；4.第二腔室；5.第三腔室；6.第一管道；7.注入设备；8.溶液桶；9.加压设备；10.卡槽；11.注水孔；12.排水孔；13.压力孔；14.注液管；15.管筛；16.套管；17.流出孔；18.第二管道；19.底座。
具体实施方式
20.下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。
21.本发明的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。
22.如图1-3所示，本发明提供一种研究原位注入药剂在土层中运移扩散的装置，包括模型箱系统和药剂注入系统。
23.模型箱系统包括模型箱1、第一管道6和两块隔板2；隔板2沿模型箱1的长度方向对称设置于模型箱1内部，隔板2上设置有多个渗水孔，渗水孔为孔径微小的圆孔。两块隔板2把模型箱1分为第一腔室3、第二腔室4和第三腔室5，第一腔室3和第三腔室5的顶部开设有注水孔11，第一腔室3和第三腔室5的底部开设有排水孔12，第一腔室3和第三腔室5通过外置的第一管道6连通。第一腔室3的顶部设置有压力孔13。第二腔室4中用于从下至上填充各类土层，构成底层模型部分。
24.药剂注入系统包括注入设备7、溶液桶8、第二管道18和加压设备9。加压设备9、溶液桶8和注入设备7通过第二管道18依次连接；溶液桶8和加压设备9设置于模型箱1外部，注入设备7竖直刺入第二腔室4的土层中。溶液桶8用于储存氧化剂溶液、活化剂溶液及其混合溶液。溶液桶8底部设有流出孔17，第二管道18与溶液桶8底部的流出孔17连接。加压设备9为蠕动泵，能更好的调节注入速率等参数。
25.如图1所示，在本实施例中：模型箱1的优选长宽高为150cm*120cm*100cm，材质为
透明pvc塑料板，厚度为10mm。模型箱内部共设有两对卡槽10，用于安装并固定隔板2，每对卡槽10在模型箱1内部对称分布，距模型箱1侧面的距离为15cm，凹槽宽度为10mm，与隔板2卡合。隔板高度为100cm与模型箱1高度一致，厚度为10mm，其上微孔的直径为5mm，间隔为3mm。注水孔11和排水孔12用于注水和排水，第一腔室3上部设有压力孔13，用于加压，在本实施例中，进水孔11、排水孔12和压力孔13的直径为15mm，且都存在塑料密封盖，在不使用进水孔11、排水孔12和压力孔13时进行盖合，达到密封效果。
26.如图2所示，注入设备7是底部为尖锥，中部镂空，顶部可密封的圆管装置。所述注入设备7包括注液管14、套管16和管筛15；套管16的底部设有用于刺入土层的底座19，管筛15上分布有多个孔；套管16、管筛15和注液管14由外到内依次设置；注液管14一端与第二管道18连接，另一端放置于底座19上；套管16和筛管15连接于底座19上。底座19为圆锥形，方便刺入土层，减少阻力。套管16主要起保护作用，保护注入设备7刺入土层时管筛15和注液管14不受到损害。在本实施例中，注液管14为透明pe管，直径为10mm，管筛15的材质为不锈钢，间距为1mm，直径为30mm，套管16为透明pvc塑料管，内径为31mm，外径为35mm。第二管道18的孔径与流出孔17、注液管14和加压设备9的接口孔径一致。管塞15的底部与底座19密封连接，管筛15的作用是让药剂在压力差作用下缓慢渗入土层，若没有管筛15，药剂的瞬时流量则会过大，从而会在土层中形成优先通道，导致药剂从优先通道流动，这与实际注入修复技术存在偏差。
27.溶液桶8用于储存氧化药剂、活化药剂和两者的混合溶液，在本实施例中，溶液桶8的材质为pvc塑料，高度为30cm，内径为20cm，外径为22cm，溶液储存体积满足本次实施例的用量要求，桶底部流出孔17的直径为10mm，配合第二管道18连通加压设备9和注入设备7。第一管道6和第二管道18为透明pe管，直径为10mm，可根据连接孔的大小而改变。
28.加压设备9采用的是蠕动泵，其规格为：转速《100rpm，传输压力0~0.2mpa，工作转速0.1~50r/min，流速范围0.005~20ml/min。本实施例中，蠕动泵的转速设置为70rpm，传输压力为0.2mpa，流速为0.5-1.5ml/min。
29.一种研究原位注入药剂在土层中运移扩散的方法，包括以下步骤：步骤（1）：将隔板2安装在模型箱1内部对应的卡槽10处，将模型箱1分隔成第一腔室3，第二腔室4和第三腔室5；第一腔室3和第三腔室5通过外置的第一管道6连通；步骤（2）：依据实际污染场地的地层信息及地质参数等，在第二腔室4从下往上依次压实堆填各类现场土层，构成现场地层模型；堆填一层新土层时需等前面堆填的土层稳定，稳定后的最终土层高度与隔板（2）高度一致；步骤（3）：通过注水孔11分别向第一腔室3和第三腔室5注入地下水，并依据污染场地的水文地质资料，通过压力孔13控制两个区域的水位和水力梯度与实际场地相一致；第一腔室3为地下水上游区域，第三腔室5为地下水下游区域，第一腔室3和第三腔室5共同构成地下水流场模型。由于压实后的土层的渗透性非常小，地下水仅会向土层进行非常缓慢的流动，几乎相当于密封状态。
30.步骤（4）：待现场地层模型和地下水流程模型较为稳定后，竖直将注入设备7从土层顶部插入到土层预定深度，并缓慢拔出套管16，然后压实土层使注入设备7埋没达到密封效果。预定深度的预估往往是通过与现有实际污染场地相似土层特性的以往工程实施经验来大致确定，要求实验者根据实际情况来确定；
步骤（5）：在溶液桶8中配备预定浓度的氧化剂溶液和活化剂溶液，并按照一定的配比混合，目前采用配比混合的方法是从现场钻取污染土样，分析污染物类型、浓度和土壤特性，然后进行另外的室内小试试验来确定对土壤中污染物降解相对较优的氧化剂和活化剂类型，以及氧化剂/活化剂浓度配比参数。针对不同的有机污染物，氧化剂、活化剂的类型以及氧化剂/活化剂的浓度配比是不同的。
31.步骤（6）：使用第二管道18将注入设备7、溶液桶8和加压设备9连通；步骤（7）：打开加压设备9，缓慢升高注射压力、注射流速等注入参数直至达到最优参数值，溶液桶8中配置的修复药剂通过第二管道18和注入设备7持续注入到污染土层中，在达到预定的注入流量后关闭加压设备9，最优注入参数要根据药剂在该模型土层中具体的运移扩散特征来确定，对比不同注入参数下药剂在土层中的运移扩散特征情况，选择扩散深度最深、扩散半径最大所对应的注入参数作为最优注入参数，预定的注入流量是根据实验室小试试验确定的最优污染物浓度/氧化剂浓度/活化剂浓度配比、水土比来确定的实际需要的氧化剂、活化剂和水的体积和；步骤（8）：达到预定修复天数后，实用测定设备测定距注入点位横向和纵向不同位置处土层和地下水中污染物浓度、钠离子、硫酸根离子等其他离子浓度，获得其在不同空间分布图的变化情况，分析修复药剂三维土层中的运移扩散特征。获得修复药剂运移扩散与注入参数系统的相关对应关系。。每种污染物测定的方法不一样，像挥发性有机物往往采用气相色谱质谱仪，氧化剂过硫酸盐采用分光光度计测定，离子浓度采用离子色谱测定。由于隔板2上分布有孔，注入药剂会随地下水缓慢移动，达到修复效果。
32.上述方法在具体试验场景内的应用：例如：步骤（1）：将隔板2安装在模型箱1内部对应的卡槽10处，将模型箱1分隔成第一腔室3、第二腔室4和第三腔室5；步骤（2）：在第二腔室4从下往上依次堆填现场土层，先将高度为80cm的污染黏土层均匀铺平，洒水，使土壤与水分充分接触，3天后用工具压实，排出空气，最终高度为40cm，测定压实后土壤的密度为1.86g/cm3。然后依据上述方法依次堆填现场粉质砂土层、粉质黏土层和杂填土层，压实后的各土层高度分别为25cm、30cm、5cm，密度分别为1.85g/cm3、1.82g/cm3、1.78g/cm3。
33.步骤（3）：通过注水孔11分别向第一腔室3和第三腔室区域5注入地下水，并依据污染场地的水文地质资料，控制左右两个区域的水位分别为1m和0.8m，通过压力孔13向第一腔室3加压40kpa，控制水力梯度为50；步骤（4）：待重塑现场土层和地下水流场稳定后，在土层顶部距模型箱1侧面75cm，距前面60cm位置处，将注入设备7插入到40cm深度处，药剂在横向上的扩散范围大致为一定半径的圆形区域，所以注入点位考虑设置在土层中间处，而注入深度的选择是考虑注入点需要具有一定深度，并且该注入点的上部空间和下部空间容许药剂向上和向下扩散，从而可以清晰的获得药剂在横向上的扩散半径和纵向上向上和向下扩散的距离。在注入设备插入后，即抽出套管16，然后将注液管14伸进管筛15，并缓慢拔出套管16，然后用土层将其注入设备7的与土层埋没密封；步骤（5）：在溶液桶8中配备浓度为0.2mol/l的过硫酸盐溶液和浓度为0.05mol/l的七水硫酸亚铁溶液，并按照的1:1的比例混合，氧化剂过硫酸盐浓度和活化剂七水硫酸亚
铁浓度是根据室内小试试验确定的，且按照1:1比例混合后的配比是相对较优配比；步骤（6）：使用第二管道18将注入设备7、混合溶液储存桶8和加压设备9连通；步骤（7）：打开蠕动泵，缓慢升高注入压力、注入流速等注入参数直至达到压力为0.2mpa，流速为1.2ml/min，修复药剂被持续注入到污染土层中，在达到注入流量2.5l后关闭蠕动泵注入压力和注入流速的参数是根据类似土层污染场地施工经验确定的，注入流量根据污染物浓度和修复药剂配比计算后获得；步骤（8）：达到预定修复天数3天、7天、15天、30天后，测定距注入点位横向和纵向每隔0.2m位置处土层和地下水中污染物浓度、过硫酸钠浓度、钠离子、硫酸根离子等其他离子浓度，获得其在不同时间、不同空间分布图的变化情况，分析修复药剂三维土层中的运移扩散特征。
34.以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种研究原位注入药剂在土层中运移扩散的装置，其特征在于：包括模型箱系统和药剂注入系统；模型箱系统包括模型箱（1）、第一管道（6）和两块隔板（2）；隔板（2）沿模型箱（1）的长度方向对称设置于模型箱（1）内部，隔板（2）上设置有多个渗水孔；两块隔板（2）把模型箱（1）分为第一腔室（3）、第二腔室（4）和第三腔室（5），第一腔室（3）和第三腔室（5）的顶部开设有注水孔（11），第一腔室（3）和第三腔室（5）的底部开设有排水孔（12），第一腔室（3）和第三腔室（5）通过外置的第一管道（6）连通；药剂注入系统包括注入设备（7）、溶液桶（8）、第二管道（18）和加压设备（9）；加压设备（9）、溶液桶（8）和注入设备（7）通过第二管道（18）依次连接；溶液桶（8）和加压设备（9）设置于模型箱（1）外部，注入设备（7）置于第二腔室（4）中。2.根据权利要求1所述的一种研究原位注入药剂在土层中运移扩散的装置，其特征在于：所述注入设备（7）包括注液管（14）、套管（16）和管筛（15）；套管（16）的底部设有用于刺入土层的底座（19），管筛（15）上分布有多个孔；套管（16）、管筛（15）和注液管（14）由外到内依次设置；注液管（14）一端与第二管道（18）连接，另一端放置于底座（19）上；套管（16）和筛管（15）连接于底座（19）上。3.根据权利要求2所述的一种研究原位注入药剂在土层中运移扩散的装置，其特征在于：所述底座（19）为圆锥形。4.根据权利要求1所述的一种研究原位注入药剂在土层中运移扩散的装置，其特征在于：第一腔室（3）的顶部设置有压力孔（13）。5.根据权利要求1所述的一种研究原位注入药剂在土层中运移扩散的装置，其特征在于：所述模型箱（1）的材质为透明pvc塑料。6.根据权利要求1所述的一种研究原位注入药剂在土层中运移扩散的装置，其特征在于：还包括卡槽（10），四个卡槽（10）分别设置于模型箱（1）内部，用于固定两块隔板（2）。7.根据权利要求1所述的一种研究原位注入药剂在土层中运移扩散的装置，其特征在于：溶液桶（8）底部设有流出孔（17），第二管道（18）与溶液桶（8）底部的流出孔（17）连接。8.根据权利要求7所述的一种研究原位注入药剂在土层中运移扩散的装置，其特征在于：第一管道（6）和第二管道（18）的材质为透明pe材质，第二管道（18）的孔径与流出孔（17）、注液管（14）和加压设备（9）的接口孔径一致。9.根据权利要求1所述的一种研究原位注入药剂在土层中运移扩散的装置，其特征在于：所述加压设备（9）为蠕动泵。10.一种基于权利要求1-9任一项所述的一种研究原位注入药剂在土层中运移扩散的方法，其特征在于：步骤（1）：将隔板（2）安装在模型箱（1）内部对应的卡槽（10）处，将模型箱（1）分隔成第一腔室（3），第二腔室（4）和第三腔室（5）；第一腔室（3）和第三腔室（5）通过外置的第一管道（6）连通；步骤（2）：依据实际污染场地的地层信息及地质参数等，在第二腔室（4）从下往上依次堆填各类现场土层，构成现场地层模型；堆填一层新土层时需等前面堆填的土层稳定，稳定后的最终土层高度与隔板（2）高度一致；步骤（3）：通过注水孔（11）分别向第一腔室（3）和第三腔室（5）注入地下水，并依据污染
场地的水文地质资料，通过压力孔（13）控制两个腔室的水位和水力梯度与实际场地相一致；第一腔室（3）为地下水上游区域，第三腔室（5）为地下水下游区域，第一腔室（3）和第三腔室（5）共同构成地下水流场模型；步骤（4）：待现场地层模型和地下水流场模型较为稳定后，竖直将注入设备（7）从土层顶部插入到土层预定深度，预定深度通过与现有实际污染场地相似土层特性的以往工程实施经验来确定，并缓慢拔出套管（16），然后压实土层使注入设备（7）埋没达到密封效果；步骤（5）：在溶液桶（8）中配备预定浓度的氧化剂溶液和活化剂溶液，并按照一定的配比混合，目前采用的配比方法是从现场钻取污染土样，分析污染物类型、浓度和土壤特性后，进行室内小试试验来确定对土壤中污染物降解相对较优的氧化剂和活化剂类型，以及氧化剂/活化剂浓度配比参数；步骤（6）：使用第二管道（18）将注入设备（7）、溶液桶（8）和加压设备（9）连通；步骤（7）：打开加压设备（9），缓慢升高注射压力、注射流速等注入参数直至达到预定最优参数值，最优参数值是指根据对比分析不同注入参数下药剂在该模型土层中运移扩散特征情况，选择扩散深度最深、扩散半径最大所对应的注入参数作为最优注入参数，溶液桶（8）中配置的修复药剂通过第二管道（18）和注入设备（7）持续注入到污染土层中，在达到根据小试试验计算得到的所需注入流量后关闭加压设备（9）；步骤（8）：达到预定修复天数后，使用检测设备测定距注入点位横向和纵向不同位置处土层和地下水中污染物浓度、氧化剂浓度及各离子浓度，获得其在不同地点空间分布图的变化情况，分析修复药剂在三维土层中的运移扩散特征，获得修复药剂运移扩散与注入参数体系的相关对应关系。

技术总结
本发明公开了一种研究原位注入药剂在土层中运移扩散的装置及方法，包括模型箱系统和药剂注入系统；模型箱系统包括模型箱、第一管道和两块隔板；隔板沿模型箱的长度方向对称设置于模型箱内部，隔板上设置有多个渗水孔；两块隔板把模型箱分为第一腔室、第二腔室和第三腔室，第一腔室和第三腔室的顶部开设有注水孔，第一腔室和第三腔室的底部开设有排水孔，第一腔室和第三腔室通过外置的第一管道连通；药剂注入系统包括注入设备、溶液桶、第二管道和加压设备；加压设备、溶液桶和注入设备通过第二管道依次连接；溶液桶和加压设备设置于模型箱外部，注入设备置于第二腔室中。注入设备置于第二腔室中。注入设备置于第二腔室中。


技术研发人员：王菲 苗文权
受保护的技术使用者：东南大学
技术研发日：2021.11.15
技术公布日：2022/3/8