一种模拟海岸水库营养盐迁移转化的实验装置及其实施方法

本发明涉及海岸带溶质运移模拟装置，尤其涉及一种模拟海岸水库营养盐迁移转化的实验装置及实验方法。

背景技术：

1、海岸水库是指建立在沿海地区河口或海岸用于存储淡水的综合水利工程，其水源大多是截留的河流入海淡水，是缓解沿海地区水资源短缺的有效途径之一。海岸水库修建使用后取得了良好的经济社会效益，但运行过程中出现的营养盐浓度过高现象严重限制了水库的供水功能，现有一些水库运行后因总氮与氨氮严重超标，超过了水质ii类标准限值的40倍，不仅无法满足生产生活用水需求，还引起当地水生态环境恶化；揭示营养盐在海岸水库及相邻含水层的迁移转化过程不仅是科学解决水体富营养化的关键之一，也可以为海岸带地表-地下污染物控制提供有力的理论支持。

2、关于海岸水库及相邻含水层营养盐迁移转化的机制研究，常用的研究方法包括现场监测和数值模拟。现场观测主要是通过在海岸水库和侧岸布设监测点，通过固定时间间隔的取样与水化学分析，对海岸水库及相邻含水层不同深度的营养盐赋存形态和浓度分布进行对比，确定营养盐时空分布规律。数值模拟是通过对海岸水库及相邻含水层水文地质条件进行概化，利用变密度变饱和度特征数值模拟软件，构建数值模型并分析营养盐的迁移路径。然而现场观测需要大量人力物力资源，且无法做到长期连续监测，很难刻画海岸水库及相邻含水层迁移转化规律；而数值模拟受水文地质概化、边界条件、网格离散方法和迭代算法的影响，只能提供营养盐的近似数值解。

3、通过室内实验反演海岸水库污染物的运移过程，也是研究海岸水库及相邻含水层污染物迁移转化的重要手段。但目前是室内实验装置，主要集中在海岸水库的海水入侵过程的定性或定量研究上，缺乏营养盐反应运移的模拟与监控装置，很难直接观测营养盐的赋存形态、浓度、硝化反硝化反应速率的时空分布，无法进行海岸水库营养盐迁移转化的实验。

4、因此，亟待解决上述问题。

技术实现思路

1、发明目的：本发明的第一目的是提供一种模拟海岸水库营养盐迁移转化的实验装置，既能够定性观测复杂动力条件下营养盐含量的时空分布特征，也可以通过对海岸水库关键垂向断面地表-地下水取样，在不破坏取样断面内营养盐赋存形态和反应过程的前提下，定量测量垂向断面不同高程营养盐的赋存形态、浓度、硝化反应和反硝化反应速率，建立海岸水库、水动力条件和营养盐迁移转化的响应关系，为海岸水库及相邻含水层水质营养程度管控提供科学指导。

2、本发明的第二目的是提供一种模拟海岸水库营养盐迁移转化的实验装置的实验方法。

3、技术方案：为实现以上目的，本发明公开了一种模拟海岸水库营养盐迁移转化的实验装置，包括从左到右分隔为地下水补给区、海岸水库模拟区和海水区的模拟水槽、与地下水补给区相连通的陆源补给系统、与海水区相连的潮汐生成系统、位于海岸水库模拟区和海水区分界处且用于调控堤坝参数模拟海岸水库环境的堤坝模拟系统、用于模拟点源污染物从地表地下进入海岸水库及相邻含水层的营养盐模拟系统、用于采集海岸水库地表地下垂向全断面土壤和水体的垂向全断面采样装置、用于监测点源污染物从地表地下进入海岸水库及相邻含水层营养盐浓度实时变化的营养盐监测系统以及用于拍摄营养盐迁移转化过程的摄像系统。

4、其中，海岸水库模拟区内填充有白色石英砂，白色石英砂的高度高于地下水补给区和海水区的液面高度，海岸水库模拟区用于模拟海岸水库及相邻滨海含水层，地下水补给区模拟内陆地下水边界，海水区模拟变水头的海洋边界，地下水补给区与海岸水库模拟区的分界处设置有透水分隔板。

5、优选的，陆源补给系统包括通过第一蠕动泵与地下水补给区底部相连通的陆源补给水箱，该陆源补给水箱内装有模拟内陆地下水的第一液体。

6、再者，潮汐生成系统包括与海水区底部相连的潮波生成器以及通过潜水泵与潮波生成器相连的海水箱，海水箱内装有模拟海水且用第一染色剂进行染色的第二液体，潜水泵将第二液体从海水箱中泵入潮波生成器，潮波生成器产生的周期性变化水位信号进入海水区，形成有潮汐波动条件的海洋边界。

7、进一步，堤坝模拟系统包括位于海岸水库模拟区和海水区分界处且可透水的滑动槽、位于滑动槽内且可沿着滑动槽上下移动的不透水隔板。

8、优选的，营养盐模拟系统包括装有模拟点源污染物且用第二染色剂进行染色的第三液体的标准溶液箱、垂直阵列设置在靠近地下水补给区右侧且横向阵列设置在靠近海水区左侧和模拟水槽顶部的多个营养盐输入器、通过软管与竖向设置的营养盐输入器和标准溶液箱相连的第二蠕动泵以及通过软管与横向设置的营养盐输入器和标准溶液箱相连的第三蠕动泵。

9、再者，垂向全断面采样装置包括工作平台、竖直设置于工作平台上且可上下伸缩的多节伸缩电机、与多节伸缩电机的端部相连且水平设置在模拟水槽上方的连接板以及间隔设置在连接板上且可垂直插入模拟水槽内的若干个取样器，其中模拟水槽的海岸水库和侧岸区域至少设置4个取样器，模拟水槽的内陆区域至少设置2个取样器；取样器包括空心管、通过折叠合页铰接于空心管下端口处的不锈钢贴片、固定于空心管顶部外壁上的第一铁环、固定于不锈钢贴片内侧的第二铁环、一端固定于第二铁环上且穿过第一铁环的钢丝绳以及与钢丝绳另一端相连的转接块，所述连接板的上表面开设有用于放置转接块的接口凹槽以及与接口凹槽相适配用于将转接块固定于接口凹槽内的封闭板。

10、优选的，营养盐监测系统包括分布于模拟水槽背面的取样孔、在模拟水槽内且避开垂向全断面采样装置位置处设置有多列氮磷钾传感器、与氮磷钾传感器相连的营养盐数据处理器以及显示器，其中至少有4列氮磷钾传感器用于监测海岸水库堤坝周围、底部和侧岸的氮磷钾数据，至少有1列氮磷钾传感器监测内陆地下水和靠近内陆边界点源营养液的氮磷钾数据。

11、进一步，所述摄像系统包括位于模拟水槽正面的照相机、与照相机相连的台式计算机、围设在照相机和模拟水槽周围的遮光帷幕以及位于模拟水槽正上方的照明灯板。

12、本发明一种模拟海岸水库营养盐迁移转化的实验装置的实验方法，包括如下步骤：

13、(1)配置实验用白色石英砂和营养盐溶液，筛分白色石英砂后通过去离子水多次清洗，清洗完成白色石英砂通过饱水方式放置在水桶中备用；内陆补给地下水采用去离子水和硝酸钾标准溶液混合，根据不同工况设置陆源补给地下水的硝态氮浓度；配置海水由去离子水、工业用盐、氯化铵标准溶液和第一染色剂混合配制，根据不同工况设置海水氨氮浓度和盐度，区分内陆地下水的同时模拟不同海源氨氮对海岸水库营养盐迁移转化的影响；标准溶液箱中污染物由去离子水、硝酸钾、氯化铵和第二染色剂配制，区分内陆地下水和海源氮素；

14、(2)调节海岸水库环境，通过调节不透水隔板在滑动槽的相对位置，调整海岸水库堤坝与防渗墙尺寸；通过潮波生成器的平均海水位、潮汐振幅与周期控制影响海岸水库的潮汐信号；打开第一蠕动泵，将软管放入陆源补给水箱中，等待软管中的气泡全部排除，通过调节第一蠕动泵来调节地下淡水的输入；

15、(3)布置实验用白色石英砂与营养盐输入器，在模拟水槽中放置一定高度的去离子水后利用漏斗将清洗好的实验用白色石英砂均匀的装填在模拟水槽底部，装填过程控制去离子水位高于实验用白色石英砂一定高度，保证饱水装砂的同时按照预定海岸水库形状完成装填过程；在距离地下水补给区右侧一定距离处，以相同间距垂直布设多个营养盐输入器，在在距离海水区左侧一定距离和模拟水槽顶部以下一定距离处，按等间距水平布置多个营养盐输入器，营养盐输入器通过软管与第二蠕动泵和第三蠕动泵相连，在实验开始前，蠕动泵均处于关闭状态；

16、(4)布设氮磷钾传感器，将氮磷钾传感器通过营养盐标准溶液校准后与营养盐数据处理器相连，在实验用白色石英砂装填过程中，同步将氮磷钾传感器放置到模拟水槽背部预设位置，对氮磷钾传感器周围实验用砂进行压实；

17、(5)运行实验，打开模拟水槽上的连接阀门，使内陆地下水与海水进入海岸水库及相邻含水层，实验过程中使用微量取样器通过水槽背部的取样孔抽取海岸水库水体及相邻含水层孔隙水，通过营养盐监测系统实时记录氮磷钾营养盐时间和空间变化数据；打开第二蠕动泵和第三蠕动泵，使地表-地下营养盐污染物进入海岸水库及相邻含水层；通过照相机实时记录不同颜色的海水和点源营养盐污染物在海岸水库中迁移过程；

18、(6)稳定状态采样，当实验已经进入稳定状态时采集垂向全断面地表-地下水和石英砂，对模拟水槽中垂向全断面地表-地下水和石英砂取样之前，将转接块从接口凹槽中取出，使得钢丝绳处于放松状态并保持不锈钢贴片与空心管底部垂直，当实验已经进入稳定状态时准备开始取样，通过多节伸缩电机控制空心管匀速插入对应断面，空心管底部在距离水槽底部一定距离时控制多节伸缩电机停止下降，而后旋转转接块使得钢丝绳缠绕并紧绷，并通过第二铁环同时控制多个空心管底部得到不锈钢贴片向上转动，直至每一个取样器的底部均完全闭合，将缠绕着钢丝绳的转接块放回接口凹槽内，通过固定螺丝将封闭板固定在接口凹槽内，确保转接块无法移动，最后控制多节伸缩电机将空心管向上移动并取下；空心管内的实验用砂根据不同高程分层后装入培养瓶，测定海岸水库及相邻含水层淡水区和盐水-淡水混合区内的硝化和反硝化速率；

19、(7)停止实验和数据分析，实验结束后关闭电源，将实验用砂取出后使用去离子水清洗，再按照上述步骤重新进行下一组实验；整理不同时刻的照片，定性分析海源、陆源和点源营养盐入侵距离和扩散范围；通过分析不同位置营养盐浓度变化原位数据，定量阐述海岸水库营养盐时空分布规律和营养化程度；测定稳定状态海岸水库垂向断面硝化和反硝化速率；通过将海岸水库水体的总体积vre与含水层地下水总体积vaq作为控制体，拟合以下公式使得海岸水库和含水层内营养盐浓度变化和地下水流的数学关系描述为：

20、

21、其中水槽海岸水库中取样孔和氮磷钾传感器监测的营养盐平均浓度为cre,i，公式中小标i表示第i个营养盐浓度，含水层地下水中取样孔和氮钾传感器监测的营养盐平均浓度caq,i，标准溶液箱的营养盐浓度为cpoint,i，陆源补给水箱的营养盐浓度为cinland,i，海水箱的营养盐浓度为csea,i、海岸水库内营养盐生物化学反应速率为rre,i、含水层内营养盐生物化学反应速率为raq,i，第一蠕动泵的流量为qinland，第二蠕动泵的流量为qpoint1，第三蠕动泵的流量为qpoint2，潮汐驱动的海水流量为qsea。

22、有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下显著优点：本发明能够直观模拟和表征海岸水库地表-地下营养盐迁移转化过程；本发明通过营养盐模拟系统可以实现不同浓度和流量的地表、地下污染物释放影响下海岸水库及相邻含水层营养盐迁移转化的模拟；本发明的营养盐监测系统可以实时记录海岸水库及相邻含水层内氮、磷、钾营养盐时空变化数据，节约人力成本的同时数据结果可靠性较高；本发明的垂向全断面采样装置可以监测海岸水库地表-地下水体中营养盐反应(硝化反应、反硝化反应)速率的变化规律，从而可以研究不同条件下海岸水库营养盐运移反应的机理，为海岸水库及相邻含水层的营养盐污染控制提供科学指导。