申请日2006.10.16
公开(公告)日2008.04.16
IPC分类号G01N13/00; G01N33/00
摘要
本发明公开了一种填埋气体和渗滤液传输过程的监测试验系统，它包括平流泵、空气压缩机、压力土柱、降雨土柱、温控土柱，自然土柱，计算机，压力传感器、液体体积计量器、温度传感器、天平分别与计算机相连，阀门分别与空气压缩机、过滤器相连，气体质量流量计分别与天平、计算机相连，压力土柱分别与活塞、阀门相连，降雨土柱分别与活塞、阀门相连，温控土柱分别与活塞加热制冷浴槽相连，自然土柱与阀门相连，活塞容器与阀门相连。本发明结构简单，操作方便，测试数据准确，缩短了试验周期，测试数据精度高，自动化采集数据快。
权利要求书
1.一种填埋气体和渗滤液传输过程的监测试验系统，它包括平流泵(62)、空气压 缩机(1)、压力土柱(6)、降雨土柱(22)、温控土柱(33)，自然土柱(43)，计算机 (68)，其特征在于：压力传感器(5、21、32、42)、液体体积计量器(15、30、41、 51)、温度传感器(13、28、39、49)、天平(12、27、38、48)分别与计算机(68)相 连，阀门(52)分别与空气压缩机(1)、过滤器(53)相连，气体质量流量计(55)分 别与天平(15、30、41、51)、计算机(68)相连，压力土柱(6)分别与活塞(7)、阀 门(14)相连，降雨土柱(22)分别与活塞(20)、阀门(29)相连，温控土柱(33) 分别与活塞(34、40)加热制冷浴槽(31)相连，自然土柱(43)与阀门(44、50)相 连，活塞容器(63)与阀门(6465、66、67)相连。
2.根据权利要求1所述的一种填埋气体和渗滤液传输过程的监测试验系统，其特 征在于：空气压缩机(1)与阀门(2)连接，阀门(2)与调压阀(3)连接，调压阀(3) 与压力传感器(4)和活塞(7)相连，压力土柱(6)分别与活塞(7)、七个压力传感 器(5)及七个温度传感器(13)相连，阀门(14)与液体体积计量仪(15)相连，活 塞(7)与阀门(8)相连，阀门(8)与气体体积计量仪(9)相连，气体体积计量仪(9) 与阀门(10)相连，阀门(10)与容器(11)相连，容器(11)与天平(12)相连。
3.根据权利要求1所述的一种填埋气体和渗滤液传输过程的监测试验系统，其特 征在于：活塞(20)与阀门(19)相连，阀门(19)通过平流泵(18)与流量计(17) 和水槽(16)相连，降雨土柱(22)分别与两侧的七个压力传感器(21)和七个温度传 感器(28)相连，阀门(29)与液体体积计量仪(30)相连，降雨土柱(22)与阀门(23) 相连，阀门(23)与气体体积记量仪(24)相连，气体体积计量仪(24)与阀门(25) 相连，阀门(25)与容器(26)相连，容器(26)与天平(27)相连。
4.根据权利要求1所述的一种填埋气体和渗滤液传输过程的监测试验系统，其特 征在于：加热制冷浴槽(31)与温控土柱(33)相连，温控土柱(33)分别与两侧的七 个压力传感器(32)和七个温度传感器(39)相连，阀门(40)与液体体积计量仪(41) 相连，温控土柱(33)与阀门(34)相连，阀门(34)与气体体积记量仪(35)相连， 气体体积计量仪(35)与阀门(36)相连，阀门(36)与容器(37)相连，容器(37) 与天平(38)相连。
5.根据权利要求1所述的一种填埋气体和渗滤液传输过程的监测试验系统，其特 征在于：自然土柱(43)分别与两侧的七个压力传感器(42)和七个温度传感器(49) 相连，阀门(50)与液体体积计量仪(51)相连，自然土柱(43)与阀门(44)相连， 阀门(44)与气体体积记量仪(45)相连，气体体积计量仪(45)与阀门(46)相连， 阀门(46)与容器(47)相连，容器(47)与天平(48)相连。
6.根据权利要求1所述的一种填埋气体和渗滤液传输过程的监测试验系统，其特 征在于：气体质量流量计(55)分别与阀门(56、57、58、59)相连，阀门(56)连接 到压力土柱(6，)阀门(57)连接到降雨土柱(22)，阀门(58)连接到温控土柱(33)， 阀门(59)连接到自然土柱(43)。
7.根据权利要求1所述的一种填埋气体和渗滤液传输过程的监测试验系统，其特 征在于：活塞器(63)通过平流泵(62)、过滤器(61)与水槽(60)相连，阀门(64) 与压力土柱(6)相连，阀门(65)与降雨土柱(22)相连，阀门(66)与温控土柱(33) 相连，阀门(67)与自然土柱(43)相连。
说明书
填埋气体和渗滤液传输过程的监测试验系统
技术领域
本发明涉及一种监测试验系统，更具体涉及一种填埋气体和渗滤液传输过程的监测 试验系统，主要用于定量化动态监测垃圾填埋气体和渗滤液在多场(温度-水分-压力) 耦合作用下的传输的规律及行为，不仅可用于城市垃圾填埋场中污染物的监测研究，同 时对于岩土工程中水气两相流测试、石油工程中油类污染质的传输试验、水利水电工程 中岩土体的渗透试验、核废料地质处理中核素迁移试验以及矿业工程中煤矸石淋溶试验 等研究也具有广泛的应用价值。
背景技术
垃圾填埋场污染物造成的环境污染已成为当前和今后最突出的环境问题之一，污染 物以其量多、污染范围广、污染程度重等特点已成为当今生态环境重的热点和焦点问题。 国际资料统计显示，早期垃圾填埋场普遍发生渗漏，它们在不停地下渗到水环境中。监 测表明，我国的垃圾填埋场已普遍发生渗漏，在各大城市垃圾填埋场现场监测评价中， 北京的垃圾填埋场渗漏更加明显和突出。在被检出的几种毒性污染物，大都属于联合国 环境规划署以及我国有毒化学品登记中心(NRPTC)划定的优先控制的难降解有机物 (POPs)。这些污染物已远远超出其环境容量，形成生态环境的脆弱环节。目前地下水 污染空前严重，为各类灾害性病变的发生铺好了温床，形势十分严峻。当前，我国垃圾 填埋进入了高峰期，城市垃圾填埋场渗漏污染地下水的现象屡屡发生，已成为各界密切 关注而又感到束手无策的难题。尤其是地处城市地下水上游方向的填埋场的渗漏，它直 接影响到城市民众的饮用水源。同时，填埋气体可透过填埋场周边的土壤或砂质土流动， 在100-200m以外的建筑物内可测得5%的填埋气体CH4。填埋气体的泄露和散发严重 威胁着周围的环境，在填埋场附近，它可以成为致命的物质，当甲烷的浓度在空气中达 到5-15%时，就会发生爆炸和燃烧，如在垃圾填埋场附近开发时都必须对其潜在的危 险性进行评价。近年来，国外土耳其首都伊斯坦布尔、菲律宾首都马尼拉，国内上海、 岳阳、成都、北京等地都有由于填埋场内填埋气体引起的场外隐蔽性事故发生。致使这 些事故发生的根本原因在于对垃圾填埋气体和渗滤液潜在性传输的规律方面的研究工 作没有引起足够的重视，并没有开展相关的基础性研究。
垃圾一经填埋，就伴随着垃圾的微生物降解消耗内部氧气产生大量的热量，填埋场 内部温度升高，不但影响岩土体的物理性质，而且对岩土的应力场和流体(填埋气体和 渗滤液)的渗流场也有重要的作用。同时流体作为一种环境因素对岩土的物理力学性质 和热对流传输具有重要的影响;另一方面，岩土的热物理特性对流体的渗流和热传导起 着重要的控制作用。这三者之间的相互联系、相互制约的性质是由变形场、渗流场和温 度场耦合效应引起的。填埋污染物(填埋气体和渗滤液)在填埋场中的运移是一个非常 复杂的过程，其中涉及到许多确定或不确定性因素，为了控制和减少填埋气体和渗滤液 无组织的释放、减轻其对生态环境的污染，最大限度的回收填埋气体中的能源气体以及 降低渗滤液的排放浓度，就必须对填埋气体和渗滤液的传输的动态特性进行定量化测 试，须以试验的手段对填埋污染物的传输过程进行监测研究。
然而，目前国内外已研发的相关试验设备，主要存在以下几个方面的问题：
(1)设备均无法实现温度-水分-压力三场耦合作用的试验模拟，而只能针对单 场(仅考虑压力、水分或温度作用)进行试验模拟。
(2)在试验过程控制和数据采集上，以前的设备多是利用手工操作和记录，有些 设备使用了计算机辅助记录数据，但无法对试验进程进行实时跟踪、操控和监测，易造 成人力资源的浪费和试验数据的过于离散，对试验精度带来不利影响。
(3)多数设备只有单一和固定的接口，进而无法将设备扩充以满足研究的进一步 需要。而且无法对仪器进行合理置换，造成了设备的可拓展性和灵活性不高，功能单一。
(4)现有的设备针对不同环境条件下开展的试验研究其周期长，无法解决多套设 备同时开展正交试验研究。
为此，在测量填埋气体和渗滤液的渗透特性、传输速率和水动力学等相关参数时就 不能简单的考虑某单一因素的影响，必须将温度-水分-应力耦合起来进行系统模拟研 究，这样测得的试验数据更加反映填埋场实际运营状况。填埋气体和渗滤液传输过程的 监测试验系统正是为解决系统耦合分析难，数据监测不准以及试验条件难以控制这一问 题而研制的。该试验系统不仅可以定量来分析垃圾渗滤液和填埋气体动态特性，同时可 为渗滤液的污染的控制和埋气体资源化开发提供基础的试验数据。
发明内容
本发明的目的是在于提供一种填埋气体和渗滤液传输过程的监测试验系统，该系统 结构简单，操作方便，测试数据准确，缩短了试验周期，测试数据精度高，自动化采集 数据快。具体地说，其一是同时能对垃圾体在压力、降雨、温度三场作用下进行试验模 拟;其二是采用传感器和微机技术，集监测、控制与数据采集于一体，实现对试验柱体 的加压、降雨和温度变化的实时显示和监控;其三是能在显示和监控过程中，进行实时 记录，并通过自行开发的数据处理程序对试验结果进行全面的分析和可视化输入与输 出。其四是结构简洁、组装灵活、试验周期短以及应用面广。
试验系统的构成分四部分：
研制设备包括平流泵、空气压缩机、压力土柱、降雨土柱、温控土柱，自然土柱， 计算机，压力传感器、液体体积计量器、温度传感器、天平分别与计算机相连，阀门分 别与空气压缩机、过滤器相连，气体质量流量计分别与天平、计算机相连，压力土柱分 别与活塞、阀门相连，降雨土柱分别与活塞、阀门相连，温控土柱分别与活塞加热制冷 浴槽相连，自然土柱与阀门相连，活塞容器与阀门相连。各装置分别与配套数据转化传 输系统相连，并微机终端形成对接;而且，各测量土柱装置上的液体体积测量仪、气体 体积测量仪、温度传感器、压力传感器和天平分别通过数据线与计算机相连，从而可实 现对试验系统的实时监测，并对采集的数据进行处理。其各装置的连接关系如下：A、 压力土柱装置上的七个压力传感器、七个温度传感器、阀门、液体体积计量器、天平分 别与计算机相连，从而可对试验过程中土柱内的压力进行实时操控和监测，并通过液体 体积计量器和天平计量液体和气体的产量，相关数据则可输入计算机储存和处理，该装 置主要是用来测定在不同压力载荷条件下填埋气体和渗滤液传输的动态行为及浓度分 布;B、降雨土柱装置上的七个压力传感器、液体体积计量器、七个温度传感器、天平 分别与计算机相连，籍此可实时监测降雨模拟试验下土柱的压力和温度波动情况，并通 过液体体积计量器和天平计量液体和气体的产量，相关数据则可同步输入计算机储存和 处理。该装置主要是用来测定在不同降雨条件下填埋气体和渗滤液传输的动态行为及浓 度分布;C、温控土柱装置上的七个压力传感器、液体体积计量器、七个温度传感器、天 平分别与计算器相连，从而实现对土柱的温度进行微机监控，利用液体体积计量器和天 平计量液体和气体的产量，相关数据亦可同步传输进计算机储存和处理，该装置主要是 用来测定在不同温度条件下填埋气体和渗滤液传输的动态行为及浓度分布;D、自然土 柱装置上的七个压力传感器、液体体积计量器、七个温度传感器、天平分别与计算机相 连，从而形成无任何外界作用，自然状态下的土柱系统，并通过液体体积计量器和天平 量测该状态下液体、气体的产量，相关数据则可同步输入计算机储存和处理，该装置主 要是用来测定在无无界载荷条件下填埋气体和渗滤液传输的动态行为及浓度分布，主要 是为了与压力土柱装置、降雨土柱系统和温度土柱装置的试验结果进行对比分析。调压 阀分别与压实土柱、阀门相连，空气压缩与阀门相连，在空气压缩机的阀门之间装阀门， 过滤器分别与阀门、调压阀相连，从而可实现对压力土柱的加压的调控。调压阀与气体 质量流量计相连，气体质量流量计分别与天平相连，气体质量流量计与计算机相连，方 可对通过四个土柱系统的气体流量进行实时监测。过滤器分别与容器、平流泵相连，平 流泵与活塞容器相连，活塞容器分别与阀门相连，从而实现待测流体在四个土柱系统的 流动。
(1)压力土柱系统：该系统可由空气压缩机、压力土柱、气体体积计量仪、天平、液 体体积计量仪，调压阀、压力计、活塞，计算机和打印机共同组装而成：由空气 压缩机，连接阀门，再将阀门与调压阀的输入端相连接， 调压阀的输出端与压 力传感器和活塞相连，活塞，七个压力传感器，七个温度传感器与压力土柱相连， 土柱下方与阀门相连，阀门与液体体积计量仪输入端对接，液体体积计量仪的数 据输出端与计算机通过数据线相连，活塞上部与阀门相连，阀门与气体体积计量 计相连，气体体积计量计与阀门对接，阀门与容器相连，容器的下部与天平相连。 天平的量测数据通过数据线传入计算机，所需的数据结果可用打印机打印输出。 压力土柱的内径φ300mm，净高1200mm，自上而下分布七个测温点(从上至下15cm 一个)和七个测压点(从上至下15cm一个)，温度传感器和压力传感器位于同一 水平位置。在试验过程中，可将温度传感器和压力传感器分别嵌入相应的测温点 和测压点，并有数据传输线路将传感器和微机相连，以实现对土柱内部温度和压 力的实时监测和记录。通过在压实活塞(与空气压缩机相连)上施加气压可模拟 在土柱上施加20T/m2的压力，并且可通过改变气压来改变施加在土柱上的压力。
(2)降雨土柱系统：该系统可由降雨土柱、气体体积计量仪、天平、液体体积计量仪、 水槽、平流泵、过滤器、压力计、温度计、活塞，计算机和打印机共同组装而成： 由水槽与流量计相连，流量计与平流泵相连，平流泵的输出端与阀门相连，阀门 与活塞上部相连，活塞下部与降雨土柱相连，土柱两侧分别是七个压力传感器和 七个温度传感器，土柱下方与阀门相连，阀门下方与液体体积计量仪相连，液体 体积计量仪的输出端与计算机通过数据线相连，土柱上方与阀门相连，阀门输出 端与气体体积记量仪输入端相连，气体体积计量仪输出端与阀门相连，阀门下方 与容器相连，容器与天平相连，天平由数据线与计算机输入接口相连，所需的数 据结果可用打印机打印输出。降雨土柱的内径φ300mm，净高1200mm，自上而下分 布七个测温点和七个测压点[传感器的安装、功能及其与微机的连接同(1)所述]。 安装在顶部的降雨器可模拟降雨过程，降雨量由平流泵的流量控制，平流泵流量 调节范围为：0.01ml/min～5ml/min。
(3)温控土柱系统：该系统可由加热制冷浴槽、温控土柱、气体体积计量仪、天平、 液体体积计量仪，调压阀、压力计、活塞，计算机和打印机共同组装而成：由加 热制冷浴槽与温控土柱相连，土柱两侧分别是七个压力传感器和七个温度传感 器，土柱下方与阀门相连，阀门下方与液体体积计量仪相连，液体体积计量仪的 输出端与计算机通过数据线连接，土柱上方与阀门相连，阀门输出端与气体体积 记量仪输入端相连，气体体积计量仪输出端与阀门相连，阀门下方与容器相连， 容器与天平相连，天平的测量数据可通过数据线传入计算机，所需的数据结果可 用打印机打印输出。温控土柱的内径φ300mm，净高1200mm，自上而下分布七个测 温点和七个测压点[传感器的安装、功能及其与微机的连接同(1)所述]。采用 夹套形式温控。温度由既可温控又可制冷的恒温浴槽循环控制，控温范围：-15～ 100℃。
(4)自然土柱系统：该系统可由空气压缩机、自然土柱、气体体积计量仪、液体体积 计量仪，调压阀、压力计、活塞，计算机和打印机共同组装而成：自然土柱两侧 分别是七个压力传感器和七个温度传感器，土柱下方与阀门相连，阀门下方与液 体体积计量仪相连，液体体积计量仪的输出端与计算机相连，土柱上方与阀门相 连，阀门输出端与气体体积记量仪输入端相连，气体体积计量仪输出端与阀门相 连，阀门下方与容器相连，容器与天平相连，天平与计算机输入端相连，所需的 数据结果可用打印机打印输出。自然的内径φ300mm，净高1200mm，自上而下分布 7个测温点和7个测压点[传感器的安装、功能及其与微机的连接同(1)所述]。
这四个试验系统可开展不同可控条件下的独立试验研究，并且自成体系。具体而言， 其一压力土柱系统，利用空气压缩机驱动，使活塞对试验土柱施压，在此过程中，可根 据试验要求对压力进行调控，压力调控的范围是0-0.5Mpa;同时，嵌入土柱内的传感器 可以实时监测土柱内压力和温度的变化，微机通过数据采集系统将压力和温度的时空变 化数据进行采集。其二降雨土柱系统，在该系统组装完毕以后，启动安装在土柱顶部的 降雨器，可模拟降雨过程，降雨量由平流泵的流量控制，平流泵与微机相连，即可实现 对降雨模拟的实时控制，降雨强度控制的范围0.01-5ml/min;与此同时，安置在土柱下 端的液体计量器亦开始工作，并利用光电技术对液面进行实时跟踪，用微机对相关数据 进行实时记录。其三温控土柱系统：通过加热制冷浴槽对土柱进行水浴循环温控，控温 范围在-15～100℃。由于浴槽与微机连接，故可依据试验需要在控温范围内对土柱温 度进行调控;传感器，气体、液体计量仪亦在微机的控制下协同采集、记录数据。其四 自然土柱系统：即对土柱不施加任何作用，让其在自然状态下，对其进行气体、液体的 计量和测试，其主要的目的是为了与压力土柱系统、降雨土柱系统和温控土柱系统所开 展的试验结果进行对比。
试验系统测定的关键性技术主要有：
(1)流体(填埋气体和渗滤液)计量技术
①气体体积计量：在每个土柱上各安装一个气体体积计量装置。气体体积采用排水 称重法计量，计算机按采集周期自动采集排出水的质量，计算气体在不同时刻 的累积量。
②液体体积计量：在每个土柱下各安装一个液体体积计量装置。液体体积采用光电 跟踪液面的方法，通过位移传感器测长计算液体体积。计算机按采集周期自动 采集不同时刻的累积产液量。
(2)温度和压力测定技术
①温度测量：在每个土柱上，自上而下安装七个温度传感器(共28个)，计算机通 过数据采集卡及其采集软件，按采集周期自动采集各点的温度值。
②压力测量：在每个土柱上，自上而下安装七个压力传感器(共28个)，计算机通 过数据采集卡及其采集软件，按采集周期自动采集各点的压力值。
(3)流体(填埋气体和渗滤液)渗透率测定技术
①气相渗透率测试流程：流程由空气压缩机、过滤器、调压阀、气体质量流量计及 其管阀件组成。测试压力由调压阀调节，计算机通过采集气体流量，土柱进出 口压力，结合土柱尺寸、气体粘度等参数，由达西定律计算土柱气体渗透率值。
②液相渗透率测试流程：流程由平流泵、缓冲容器及其管阀件等组成。测试流量由 平流泵控制，计算机通过采集平流泵的流量，土柱进出口压力，结合土柱尺寸、 液体粘度等参数，由达西定律计算土柱液体渗透率值。
(4)数据自动采集处理系统
该系统由数据采集卡、数据采集处理软件、工控机、打印机等组成;数据处理包括： 模型本构参数的反演计算、液体渗透率计算、气体渗透率计算;软件系统包括：系统设 置、参数录入、数据处理、系统退出等功能菜单。
采集的参数包括：
29路压力值(1路压力为压实压力);29路温度值(1路温度为恒温浴槽温度);4路天 平值(计算排出气量);4路位移值(计算排出液量);2路平流泵流量(1路降雨量、1 路液体渗透率测量)。
数据采集处理软件：
试验过程总所采集的数据均通过已开发的数据采集程序CDA-LG(Code of Data Acquisition for Leachate and Gas)来实现。
本试验系统实现过程：
(1)对本试验系统进行合理组装，即可实现对耦合作用的模拟，其具体实施过程： 若开展三场(压力、水分和温度)耦合作用条件的试验研究，首先将土样置于土柱内， 在土柱上端装加压活塞，该活塞具有透水功能，并同时与空气压缩机和平流泵相连，从 而可实现对土柱的压力、降雨耦合作用。然后将加热制冷浴槽以及水浴循环系统装配在 土柱上，若同时启动空气压缩机、平流泵、加热制冷浴槽，即可实现对土柱的三场耦合 作用。同时，将压力传感器、温度传感器从测试点插入，气体体积测量仪和天平共同构 成气体测量装置与土柱上端出口连接，对溢出的气体进行测量，液体体积计量仪则与土 柱下端出口相连，对渗滤出的液体进行计量。而且，所有传感，计量仪器均设有微机接 口，以实现与计算机的数据交换和对数据的实时监测、记录和处理。
(2)若开展单场(压力、水分或温度)作用条件的研究，则可根据需要选择与单 场作用相应的仪器，进行适当组装，开展相关的试验研究。以考虑压力作用的试验为例， 其具体过程：将压力土柱，通过调压阀和活塞与空气压缩机连接，从而可实现对土柱的 压力作用模拟，同时将温度传感器和压力传感器插入测试点，并与微机连接，实现对土 柱内温度和压力变化的实时跟踪记录，气体体积计量仪和天平构成气体测量装置与压力 土柱的上端出口连接，对溢出气体进行跟踪计量;液体体积计量仪则与压力土柱的下端 出口连接，对试验过程中渗滤的液体进行跟踪量测。所有测量结果均可输入计算机，并 进行相关后期处理。其他两场的单独模拟实验过程与压力作用类似，只要将相应的仪器 进行置换即可。
本监测试验系统与现有设备相比，具有以下优点：
(1)本试验系统可以实现多场耦合条件下填埋气体和渗滤液传输动态特性试 验研究，解决了仅考虑单场条件下试验的研究的缺陷和试验数据的不准;
(2)可以开展不同环境条件下相同介质或同一环境条件下不同介质特性的同 步正交试验研究，缩短了试验的周期;
(3)内嵌自主编制的数据采集程序CDA-LG，可对测试数据进行高精度自动化 采集。
(4)在试验柱体系统上方和下方均设置智能转换阀，可以根据需要开展单场或 者多场耦合的试验研究。且本试验系统具有多功能性和扩充性，能够满足 相关试验基础研究。
本试验系统可实现的技术指标：
(1)可以实现压力在0-0.5MPa作用下可控试验研究;
(2)可以实现温度在-15-100℃作用下可控试验研究;
(3)可以实现流量在0.01-5ml/min范围内降雨模拟试验研究;
(4)可以实现的气体渗透率测量范围：0.01-5.0达西;
(5)可以实现的液体渗透率测量范围：0.10-120.0达西。