地下水氮循环转化机制研究专用模拟试验系统的制作方法

本发明涉及水文地质领域，尤其是涉及一种地下水氮循环转化机制研究专用模拟试验系统。

背景技术：

1、我国农村地区普遍通过水泵和手压等方式获取并直饮地下水，地层含水介质中过量无色、无味、不易察觉的无机态氮污染潜在威胁着村民的健康。为有效控制过量氮素污染扩散及污染恶化，需深入探讨氮来源、转化及富集机制，刻画第四纪以来沉积物氮源及富集机制，于理论层次厘清过量无机态氮素污染模式。氮素转化机制研究能够为平原区劣质水成因分析提供辅助策略，从而保障农村居民的供水安全，并为进一步水土环境保护治理提供理论依据。

2、目前，自然来源和人为活动干预的协同作用逐渐被认为是促使地下水或浅层孔隙水氨氮富集的重要因素。然而，对原生环境下两者因素推动的无机态氮素转化机制及转化量的影响研究尚未有实体对照模型细致刻画。因此，如何刻画原生介质场耦合模拟氮氧化还原循环机制模型对氮污染防治具有重要意义。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提出了一种地下水氮循环转化机制研究专用模拟试验系统，本发明刻画了原生介质场并耦合氮转化机制模型，可通过本发明获取原生条件下氮自然转化和人为活动干预条件下无机态氮转化机理及转化量，为地下水中氮污染防治提供理论基础。

2、为实现上述目的，本发明采取下述技术方案：

3、本发明所述的地下水氮循环转化机制研究专用模拟试验系统，包括模拟介质场、与所述模拟介质场连接的抽排水系统、取样系统和加样系统，所述模拟介质场包括至少两个砂槽和填充在每个砂槽内的介质，至少两个所述砂槽之间通过混凝土挡墙和位于混凝土挡墙两侧的隔水挡板隔开，砂槽的每个端部均设置有内透水隔板，两个所述内透水隔板将砂槽隔成第一水位控制室、介质填充室和第二水位控制室，所述第一水位控制室和第二水位控制室均设置有密封盖；所述介质填充在所述介质填充室内，包括自下而上填充的细砂层和粘土层，所述细砂层来自地下20m～30m深度的含水层沉积物；

4、所述抽排水系统包括供水单元和排水单元，所述排水单元包括第三泵和排水管，所述排水管深入所述第一水位控制室内；所述供水单元包括玻璃水箱、氩气罐、厌氧瓶、第一泵和第二泵，所述氩气罐通过管路与所述厌氧瓶连接，所述玻璃水箱和厌氧瓶通过第一管路连接，且所述第一泵设置在所述第一管路上，所述厌氧瓶通过第二管路与所述第二水位控制室连接，所述第二泵设置在所述第二管路上，第二管路的一端部深入第二水位控制室的底部；

5、其中，所述第一水位控制室、第二水位控制室和介质填充室内均设置有水位监测件，所述水位监测件的信号输出端与控制器的信号输出端连接，且所述第二水位监控室内的水位高于第一水位控制室内的水位。

6、有益效果是：本发明构建了模拟介质场，基于抽排水系统实现介质场内模拟地下水的流动，可进行原生条件下氮自然转化机理研究，也可以用于人为活动干预条件下无机态氮转化机理及转化量的研究，通过比对分析深入地下含水介质氮素来源及迁移转化机理，为地下水中氮污染防治提供理论基础。

7、优选的，所述细砂层是由含水沉积物粉碎而成，具体包括以下内容：钻取地下20m～30m处的含水层沉积物，在取样现场厌氧瓶中处理去除岩心表面的曝光沉积物，现场抽真空并冷藏，转移至实验室冷冻干燥后用球磨机磨碎，得到粒径为100目～300目的粉细砂。更优选的，冷冻干燥时间控制在24h及以上。本发明用便携式厌氧箱先除去含水层沉积物的曝光部分和表层与空气接触部分，再抽真空，然后冷冻干燥，减少外界环境的影响，保证细砂层的原始结构和理化性质。

8、优选的，所述细砂层的厚度为30cm～50cm，所述粘土层的厚度为20cm～40cm，所述细砂层的厚度大于粘土层的厚度。

9、优选的，所述取样系统包括多个间隔插装在所述介质填充室内的采样管和设置在每个所述采样管内的多个取样胶管，每个采样管内的多个所述取样胶管的取样深度距离所述砂槽底壁的高度依次增加；

10、所述介质填充室内间隔布设有多个竖向的水位监测管，介质填充室内的水位监测控件分别设置在所述水位监测管内；其中，所述采样管和水位监测管的管壁上均布设有多个透水孔，采样管和水位监测管上均包覆有透水土工布；

11、所述内透水隔板上均布开设有透水孔，内透水隔板上包覆有透水土工布。

12、更优选的，每个所述采样管内安装有三个所述取样胶管，三个取样胶管的底管口与所述砂槽的底壁之间的高度差依次为10cm、20cm和30cm。每个取样胶管的顶部延伸出采样管，可与实验室内的抽水泵连接，实现不同深度的取样。

13、优选的，所述加样系统包括并列设置在所述介质填充室内的加注管，所述加注管靠近所述第二水位控制室；加注管的底部向下延伸至细砂层内且位于所述砂槽的底壁上方10 cm～30 cm；每个加注管均具有透水孔且包覆有透水土工布。更优选的，所述加注管的管径为所述水位监控管的1/3～2/3。本发明的第二水位控制室的液位高度高于第一水位控制室，使得水始终由第二水位控制室向第一水位控制室的方向流动，将加注管设置在靠近第二水位控制室的一侧，有助于氮素（可以是实验室配制，也可以是含氮的污水等）在模拟介质场中流动。

14、优选的，位于所述第一水位控制室内的所述排水管底部设置有第一配重块，位于所述第二水位控制室内的所述第二管路的供水端部设置有第二配重块，所述第一配重块和第二配重块均为不锈钢块。本发明在深入控制室内的管子上安装配重块，有效保证整个系统的正常供水和抽水，不锈钢块有效避免发生化学反应。

15、优选的，所述玻璃水箱和厌氧瓶均处于4℃避光环境中。

16、与现有技术相比，本发明构建模拟介质场，基于抽排水系统实现介质场内模拟地下水的流动，可进行原生条件下氮自然转化机理研究，也可以用于人为活动干预条件下无机态氮转化机理及转化量的研究，基于对照实验深入分析地下含水介质氮素来源及迁移转化机理，为地下水中氮污染防治提供理论基础。

技术特征：

1.一种地下水氮循环转化机制研究专用模拟试验系统，其特征在于：包括模拟介质场、与所述模拟介质场连接的抽排水系统、取样系统和加样系统，所述模拟介质场包括至少两个砂槽和填充在每个砂槽内的介质，至少两个所述砂槽之间通过混凝土挡墙和位于混凝土挡墙两侧的隔水挡板隔开，砂槽的每个端部均设置有内透水隔板，两个所述内透水隔板将砂槽隔成第一水位控制室、介质填充室和第二水位控制室，所述第一水位控制室和第二水位控制室均设置有密封盖；所述介质填充在所述介质填充室内，包括自下而上填充的细砂层和粘土层，所述细砂层取自地下20m～30m深度的含水层沉积物；

2.根据权利要求1所述的地下水氮循环转化机制研究专用模拟试验系统，其特征在于：所述细砂层是由含水沉积物冻干研磨粉碎而成，具体包括以下内容：钻取地下20m～30m处的含水层沉积物，置于厌氧瓶中处理去除岩心表面的曝光沉积物，在取样现场抽真空并冷藏，转移至实验室冷冻干燥后用球磨机磨碎，得到粒径为100目～300目的粉细砂。

3.根据权利要求1或2所述的地下水氮循环转化机制研究专用模拟试验系统，其特征在于：所述细砂层的厚度为30cm～50cm，所述粘土层的厚度为20cm～40cm，所述细砂层的厚度大于粘土层的厚度。

4.根据权利要求1所述的地下水氮循环转化机制研究专用模拟试验系统，其特征在于：所述取样系统包括多个间隔插装在所述介质填充室内的采样管和设置在每个所述采样管内的多个取样胶管，每个采样管内的多个所述取样胶管的取样深度距离所述砂槽底壁的高度依次增加；

5.根据权利要求4所述的地下水氮循环转化机制研究专用模拟试验系统，其特征在于：每个所述采样管内安装有三个所述取样胶管，三个取样胶管的底管口与所述砂槽的底壁之间的高度差依次为10cm、20cm和30cm。

6.根据权利要求4所述的地下水氮循环转化机制研究专用模拟试验系统，其特征在于：所述加样系统包括并列设置在所述介质填充室内的加注管，所述加注管靠近所述第二水位控制室；

7.根据权利要求6所述的地下水氮循环转化机制研究专用模拟试验系统，其特征在于：所述加注管的管径为所述水位监测管的1/3～2/3。

8.根据权利要求1所述的地下水氮循环转化机制研究专用模拟试验系统，其特征在于：位于所述第一水位控制室内的所述排水管底部设置有第一配重块，位于所述第二水位控制室内的所述第二管路的供水端部设置有第二配重块，所述第一配重块和第二配重块均为不锈钢块。

9.根据权利要求1所述的地下水氮循环转化机制研究专用模拟试验系统，其特征在于：所述玻璃水箱和厌氧瓶均处于4℃避光环境中。

技术总结本发明公开了一种地下水氮循环转化机制研究专用模拟试验系统，包括模拟介质场、抽排水系统、取样系统和加样系统，模拟介质场包括至少两个砂槽和填充在每个砂槽内的介质，砂槽的每个端部均设置有内透水隔板，两个内透水隔板将砂槽隔成第一水位控制室、介质填充室和第二水位控制室，介质包括自下而上填充的细砂层和粘土层，细砂层取自地下20m～30m深度的含水层沉积物。本发明构建了模拟介质场，基于抽排水系统实现介质场内模拟地下水的流动，可进行原生条件下氮自然转化机理研究，也可用于人为活动干预条件下无机态氮素转化机理及转化量研究，基于对照实验深入分析地下含水介质氮素来源及迁移转化机理，为地下水氮污染防治提供理论基础。技术研发人员：孙立群,万伟锋,王俊智,李超群,和乐为,白正雄,邹剑峰,翟亚飞受保护的技术使用者：黄河勘测规划设计研究院有限公司技术研发日：技术公布日：2024/12/2