土壤冻融循环模拟装置及NAPL相迁移定量识别方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种土壤冻融循环模拟装置及NAPL相迁移定量识别方法，所述装置包括冻融循环温度控制模块、NAPLs迁移转化模拟槽及水土参数监测模块、拍摄模块；冻融循环温度控制模块用于控制NAPLs迁移转化模拟槽和其所处环境的温度；NAPLs迁移转化模拟槽设置在冻融循环温度控制模块的温控柜中，是NAPLs在土壤中迁移的场所，并受水土参数监测模块的监控，以实现实验过程中各指标的自动监测和输出；拍摄模块用于对实验中染色后的NAPLs分布进行拍照，以便于后续通过图片分析定量确定NAPLs的动态分布特征。本发明专利技术结构简单、使用方便、重复性好且可实现无损、实时及定量化监测冻融过程中土壤NAPLs组分分布。中土壤NAPLs组分分布。中土壤NAPLs组分分布。

【技术实现步骤摘要】
土壤冻融循环模拟装置及NAPL相迁移定量识别方法


[0001]本专利技术涉及土壤研究
，特别涉及一种基于温度控制的土壤冻融循环模拟装置及基于该装置的NAPL相迁移定量识别方法。

技术介绍

[0002]季节性冻土区在全球广泛分布，其面积约占北半球陆地总面积的30％，在我国则占国土面积的一半以上。而我国北方主要的石油资源产区均分布于季节性冻土区，全国土壤污染状况调查公报(2014)数据显示，我国采油区监测点污染物超标率超过20％，且主要的污染物是以NAPLs形式存在的石油烃类物质，具有对人体的“三致”等毒害性和对生态环境威胁的持久性等特征。随着我国《水污染防治行动计划》和《土壤污染防治行动计划》相继发布实施，作为上述行动计划中的重点控制目标，对NAPLs污染的修复工作已经受到广泛关注。然而，季节性冻土区极端的环境条件严重限制了常规污染修复方法的使用，必须针对其特殊条件研发NAPLs的污染修复技术，改进其评价和管理方案，科学合理地完成这些工作的前提是对冻融作用下NAPLs迁移转化机制的深入理解。但冻融作用的影响使得原本复杂的多组分、多相态和多种作用的复杂过程增添了更多变异条件，目前对上述过程的认识仍存在不足，阻碍了污染修复工作的进行。因此，了解冻融循环下冻土中NAPLs相在地下的分布和迁移对寒冷地区土壤和地下水环境的评估和保护具有重要意义。
[0003]专利CN105115882提出了一种土壤冻融过程的室内模拟方法，专利CN107462594提出了一种利用制冷片进行土壤冻融过程的室内模拟方法，上述专利的优点均在于能够较长时间、较为真实的模拟自然情况下土壤的冻融过程。但是，在上述专利中，不仅需要进行复杂繁琐的装置设计、结构复杂、价格昂贵、操作不便、实验周期长和可重复性差，而且没有考虑到冰相对实验数据的干扰，做不到无损、实时且定量化的监测冻融过程中土壤污染物组分的分布。
[0004]由此可见，上述现有的对土壤冻融循环下NAPLs的分布和迁移的研究在设备结构、方法与使用上，仍存在有不便与缺陷，而亟待加以进一步改进。如何能创设一种结构简单、使用方便、重复性好且可实现无损、实时及定量化的监测冻融过程中土壤NAPLs组分分布的土壤冻融模拟装置，成为当前业界极需改进的目标。

技术实现思路

[0005]针对上述问题，本专利技术的目的在于提供一种结构简单、使用方便、重复性好且可实现无损、实时及定量化监测冻融过程中土壤NAPLs组分分布的土壤冻融循环模拟装置及基于该装置的NAPL相迁移定量识别方法。
[0006]为解决上述技术问题，本专利技术的实施例提供如下方案：
[0007]一方面，提供了一种土壤冻融循环模拟装置，包括冻融循环温度控制模块、NAPLs迁移转化模拟槽及水土参数监测模块、拍摄模块；
[0008]所述冻融循环温度控制模块用于控制所述NAPLs迁移转化模拟槽的温度；
[0009]所述NAPLs迁移转化模拟槽设置在所述冻融循环温度控制模块的温控柜中，是NAPLs在土壤中迁移的场所，并受所述水土参数监测模块的监控，以实现实验过程中各指标的自动监测和输出，同时所述NAPLs迁移转化模拟槽设置采样孔以采集水位波动带水土中水化学和微生物的指标样品；
[0010]所述拍摄模块设置在所述冻融循环温度控制模块的温控柜中，用于对实验中染色后的NAPLs分布进行拍照，以便于后续通过图片分析定量确定NAPLs的动态分布特征。
[0011]优选地，所述冻融循环温度控制模块包括温控柜、恒温顶板、恒温底板、两个冷浴箱；所述恒温顶板和所述恒温底板位于所述温控柜内，分别覆盖在所述NAPLs迁移转化模拟槽的顶部开窗处和底部，并通过控温管与位于所述温控柜外部的两个所述冷浴箱分别相连，从上而下控制所述NAPLs迁移转化模拟槽温度。
[0012]优选地，所述NAPLs迁移转化模拟槽为由两面位于前、后方位的钢化玻璃和两面位于左、右方位的钢板组成的长方形槽体，左、右两侧的钢板上均匀开设多个插孔，其中一侧的插孔用于连接介质温度探头和含水率探头，另一侧的插孔用于连接水位测压探头、毛细负压探头和氧化还原电位探头；所述NAPLs迁移转化模拟槽的一侧设置有多个所述采样孔以采集水位波动带水土中水化学和微生物的指标样品；未使用的插孔和采样孔通过玻璃胶密封。
[0013]优选地，所述NAPLs迁移转化模拟槽两侧设置的各个探头均与外部处理器连接，构成水土参数监测模块，以实现实验过程中各指标的自动监测和输出。
[0014]优选地，所述拍摄模块包括数码相机、USB滤镜轮和LED灯箱；所述LED灯箱位于所述冻融循环温度控制模块的控温柜内，放置于所述NAPLs迁移转化模拟槽之后预设距离处，所述数码相机固定在所述控温柜内的所述NAPLs迁移转化模拟槽之前，以接收穿过所述NAPLs迁移转化模拟槽的光线；所述数码相机与所述水土参数监测模块的处理器相连；
[0015]所述LED灯箱由48个均匀分布的LED灯组成，并设置有光扩散器以保证光源的均匀性；所述数码相机采用Nikon EOS M2数码相机，镜头为尼康52mm镜头，镜头安装所述USB滤镜轮，用于更换两个中心波长分别为515和575nm的10nm窄带滤光片，以拍摄两个特定波长下的图像。
[0016]一方面，提供了一种基于上述土壤冻融循环模拟装置的NAPL相迁移定量识别方法，包括以下步骤：
[0017]S1、准备实验土壤，并填充至NAPLs迁移转化模拟槽；
[0018]S2、向所述NAPLs迁移转化模拟槽中注入NAPL特征污染物，形成NAPLs相；
[0019]S3、调节冻融循环温度控制模块，对所述NAPLs迁移转化模拟槽进行自上而下的冻融循环，并利用拍摄模块采集所述NAPLs迁移转化模拟槽中的图像；
[0020]S4、对采集的图像进行数据处理与分析，获取NAPLs相的分布情况。
[0021]优选地，所述步骤S1具体包括：
[0022]使用蒸馏水反复清洗二氧化硅砂，直到最后一次清洗液的吸收系数与前一次相同，然后将清洗后的半透明二氧化硅砂放入干燥箱中进行干燥；冻融循环温度控制模块的控温柜设置恒温20℃下，将干燥的二氧化硅砂填充入NAPLs迁移转化模拟槽内，每填充定量二氧化硅砂则填入相应蒸馏水搅拌均匀并压实，确保没有出现明显的分层界面与玻璃体。
[0023]优选地，所述步骤S2具体包括：
[0024]在二氧化硅砂顶部以间隔时间注射四次1ml用油红O染料染色的十二烷，每次注射后拍摄序列图像比照直至NAPL不再迁移后再次注射；其中，选取十二烷为NAPL，十二烷用油红O染料染色，染色浓度为0.1g/L。该染色浓度不会影响NAPL性质。
[0025]优选地，所述步骤S3具体包括：
[0026]待到十二烷保持稳定不再迁移后，分别用515nm、575nm滤光片进行拍摄获取初始原始图像；之后开始冻融循环，通过设置冷浴箱和温控柜的温度来控制冻融循环的温度、次数和持续时间，并在每次冻融循环结束与温控柜余颤结束后，利用拍摄本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种土壤冻融循环模拟装置，其特征在于，包括冻融循环温度控制模块、NAPLs迁移转化模拟槽及水土参数监测模块、拍摄模块；所述冻融循环温度控制模块用于控制所述NAPLs迁移转化模拟槽和其所处环境的温度；所述NAPLs迁移转化模拟槽设置在所述冻融循环温度控制模块的温控柜中，是NAPLs在土壤中迁移的场所，并受所述水土参数监测模块的监控，以实现实验过程中各指标的自动监测和输出，同时所述NAPLs迁移转化模拟槽设置采样孔以采集水位波动带水土中水化学和微生物的指标样品；所述拍摄模块设置在所述冻融循环温度控制模块的温控柜中，用于对实验中染色后的NAPLs分布进行拍照，以便于后续通过图片分析定量确定NAPLs的动态分布特征。2.根据权利要求1所述的土壤冻融循环模拟装置，其特征在于，所述冻融循环温度控制模块包括温控柜、恒温顶板、恒温底板、两个冷浴箱；所述恒温顶板和所述恒温底板位于所述温控柜内，分别覆盖在所述NAPLs迁移转化模拟槽的顶部开窗处和底部，并通过控温管与位于所述温控柜外部的两个所述冷浴箱分别相连，从上而下控制所述NAPLs迁移转化模拟槽温度。3.根据权利要求1所述的土壤冻融循环模拟装置，其特征在于，所述NAPLs迁移转化模拟槽为由两面位于前、后方位的钢化玻璃和两面位于左、右方位的钢板组成的长方形槽体，左、右两侧的钢板上均匀开设多个插孔，其中一侧的插孔用于连接介质温度探头和含水率探头，另一侧的插孔用于连接水位测压探头、毛细负压探头和氧化还原电位探头；所述NAPLs迁移转化模拟槽的一侧设置有多个所述采样孔以采集水位波动带水土中水化学和微生物的指标样品；未使用的插孔和采样孔通过玻璃胶密封。4.根据权利要求3所述的土壤冻融循环模拟装置，其特征在于，所述NAPLs迁移转化模拟槽两侧设置的各个探头均与外部处理器连接，构成水土参数监测模块，以实现实验过程中各指标的自动监测和输出。5.根据权利要求1所述的土壤冻融循环模拟装置，其特征在于，所述拍摄模块包括数码相机、USB滤镜轮和LED灯箱；所述LED灯箱位于所述冻融循环温度控制模块的控温柜内，放置于所述NAPLs迁移转化模拟槽之后预设距离处，所述数码相机固定在所述控温柜内的所述NAPLs迁移转化模拟槽之前，以接收穿过所述NAPLs迁移转化模拟槽的光线；所述数码相机与所述水土参数监测模块的处理器相连；所述LED灯箱由48个均匀分布的LED灯组成，并设置有光扩散器以保证光源的均匀性；所述数码相机采用Nikon EOS M2数码相机，镜头为尼康52mm镜头，镜头安装所述USB滤镜轮，用于更换两个中心波长分别为515和575nm的10nm窄带滤光片，以拍摄两个特定波长下的图像。6.一种基于权利要求1至5中任一项所述的土壤冻融循环模拟装置的NAPL相迁移定量识别方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、准备实验土壤，并填充至NAPLs迁移转化模拟槽；S2、向所述NAPLs迁移转化模拟槽中注入NAPL特征污染物，形成NAPLs相；S3、调节冻融循环温度控制模块，对所述NAPLs迁移转化模拟槽进行自上而下的冻融循环，并利用拍摄模块采集所述NAPLs迁移转化模拟槽中的图像；
S4、对采集的图像进行数据处理与分析，获取NAPLs相的分布情况。7.根据权利要求6所述的NAPL相迁移定量识别方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括：使用蒸馏水反复清洗二氧化硅砂，直到最后一次清洗液的吸收系数与前一次相同，然后将清洗后的半透明二氧化硅砂放入干燥箱中进行干燥；冻融循环温度控制模块的控温柜设置恒温20℃下，将干燥的二氧化硅砂填充入NAPLs迁移转化模拟槽内，每填充定量二氧化硅砂则填入相应蒸馏水搅拌均匀并压实，确保没有出现明显的分层界面与玻璃体。8.根据权利要求6所述的NAPL相迁移定量识别方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括：在二氧化硅砂顶部以间隔时间注射四次1ml用油红O染料染色的十二烷，每次注射后拍摄序列图像比照直至NAPL不再迁移后再次注射；其中，选取十二烷为NAPL，十二烷用油红O染料染色，染色浓度为0.1g/L。9.根据权利要求6所述的NAPL相迁移定量识别方法，...

【专利技术属性】
技术研发人员：吕航，姚稳，王超，苏小四，周靖，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：