本發明涉及土壤環境科學研究領域，具體地，涉及一種模擬溫度-水分耦合作用下污染物遷移過程的試驗裝置。

背景技術：

1、在垃圾填埋場、水資源管理以及環境科學等領域，了解污染氣體在土壤中的遷移機理至關重要。然而，由于土壤結構的復雜性和非均質性，污染氣體在土壤中的運移過程難以直接觀測和分析。目前，主要通過理論模型和數值模擬來探討氣體遷移機理，但這些方法往往基于簡化的假設，缺乏實驗驗證。因此，開發一種能夠模擬溫度-水分耦合作用下污染物遷移過程的試驗裝置及試驗方法，對于深入理解污染氣體遷移機理、評估土壤環境風險及制定相應管理措施具有重要意義。

2、目前，在現有技術中：

3、中國專利cn118425474a提供了《模擬地下水位變化、降雨對土壤污染影響的溫控試驗裝置》，該溫控試驗裝置包括試驗土柱、降雨模擬組件、地下水位模擬組件、溫控組件以及污染物添加筒；通過降雨模擬組件模擬不同強度和時長的降雨情況，通過地下水位模擬組件模擬地下水位升降，控制地下水位波動幅度，通過溫控組件模擬環境溫度，提供了一個可控、安全、高效的平臺，可以幫助研究者更深入地了解地下水位變化和降雨對土壤污染的影響機制，探究地下水位的波動幅度和周期、土壤特性和地下水位深度等對有機復合污染物的相間分配、吸附-解吸、遷移擴散規律影響，為土壤污染的預防和治理提供科學依據。

4、中國專利cn104777271a提供了《一種多功能干濕沉降滴濾試驗系統》，該系統包括氣體混合體系、液體循環體系及滴濾實驗系統，其發明能夠采用不同濃度污染氣體在不同濕度下對土壤進行通量交換擴散及淋溶滴濾，模擬干濕沉降運移場景，并與污染物質的沉降通量、分布濃度比對，通過遷移數值模型對污染物質在大氣-土壤中的遷移累積過程進行定量描述，揭示污染物特性等因素在污染物質遷移過程中的影響水平。

5、綜合分析上述單位的試驗裝置，還存在以下不足：

6、1)均未對環境溫度進行精確模擬和控制。在土壤中，溫度對氣體在土壤中的遷移有著重要影響，它會改變氣體分子的熱運動速率，進而影響氣體的擴散速度。

7、2)對于濕度的模擬，無法反映環境濕度的動態變化，但在濕度的整體模擬上不夠全面和精確。

8、3)土壤類型單一：均未充分考慮土壤類型的多樣性，缺乏如砂土、壤土和粘土種類的研究。

9、4)土壤特性固定：土壤的壓實程度、含水量的自然波動以及土壤微生物群落的演變等問題

技術實現思路

1、本發明所要解決的技術問題是現有技術中污染氣體在土壤中遷移機理研究不足的問題，提供一種能夠全面、準確、真實地模擬污染氣體在土壤中遷移過程的試驗裝置及試驗方法。該裝置能夠揭示污染氣體在土壤中的擴散、對流和吸附等運移規律，為相關領域的研究和應用提供有力支持。

2、為了實現上述目的，本發明提供了一種模擬溫度-水分耦合作用下污染物遷移過程的試驗裝置，所述試驗裝置包括變壓供氣設備、土柱管、排氣設備、模擬降雨系統、模擬蒸發及光照設備、數據采集及分析系統：

3、所述變壓供氣設備包括依次連通的污染氣體存儲罐、下閥門和壓力控制器；所述排氣設備包括依次連通的廢氣收集罐、上閥門和壓力表；

4、所述土柱管為兩端封閉且垂直放置的空心圓管，由三個空腔組成，由下至上分別為進氣腔、模擬土柱腔和排氣腔；所述進氣腔的底部開有一個進氣口，所述壓力控制器通過一段進氣管與該進氣口相通，所述進氣腔的頂部通過水平放置的一個多孔板與模擬土柱腔隔開；所述模擬土柱腔中裝有分層壓實至規定干密度的土體并形成試驗土柱；所述排氣腔的頂部開有一個排氣口，所述壓力表通過一段排氣管與該排氣口相通；在所述模擬土柱腔對應的管壁上沿著一條垂直線均勻布設多個取樣孔，且每個取樣孔上配有一個堵頭；

5、所述模擬降雨系統包括降雨器、蠕動泵和儲水池，所述降雨器為內含空腔的圓柱體，其橫截面直徑與排氣腔直徑相適配，并安裝在排氣腔的上部；在降雨器的頂部開有一個進水口，底部均勻開有多個出水口，以實現對試驗土柱的均勻模擬降雨；所述蠕動泵的一端與儲水池相通、另一端通過一段進水管與降雨器頂部的進水口相通；

6、所述模擬蒸發及光照設備包括風扇和熱源，均安裝在土柱管頂部內壁上且位于降雨器的上部；

7、所述數據采集和分析設備包括分布式光纖、數據采集儀、氣相色譜儀和計算機；所述分布式光纖設置于模擬土柱腔中，且貫穿試驗土柱。

8、優選地，所述進氣腔、模擬土柱腔和排氣腔的比例為1:5-8:1。

9、優選地，所述進氣口與壓力控制器之間、所述排氣口與壓力表之間分別裝有一個流量計。

10、優選地，所述進氣管與進氣口接觸處、所述排氣管與排氣口接觸處均裝有密封圈，以保證試驗過程中的密封性。

11、優選地，所述氣相色譜儀與計算機相連，用于對通過取樣孔采樣得到的污染土體樣本進行分析，并將分析結果發送給計算機；所述分布式光纖埋設于試驗土柱中心處，用于測定試驗土柱不同深度的溫度和水分，所述數據采集儀的一端與分布式光纖相連，另一端與計算機相連，將采集結果發送給計算機。

12、優選地，所述分布式光纖測試溫度的精度為0.1℃，含水率的精度為0.1％，數據輸出點間隔為1cm。

13、優選地，所述模擬溫度-水分耦合作用下污染物遷移過程的試驗包括以下步驟：

14、步驟1，將上閥門和下閥門關閉，多個取樣孔用堵頭封閉；然后將土體分層壓實至一定的干密度放置于模擬土柱腔內；設置蠕動泵的功率并供水，使降雨器穩定降雨；打開風扇和熱源；

15、步驟2，打開下閥門，使得污染氣體進入土體底部，通入1分鐘后關閉下閥門，以保證裝置的閉氣性；同時每隔1min打開取樣孔的堵頭取樣并利用氣相色譜儀進行檢測，得到不同深度處污染氣體的濃度；利用comsol數值模擬軟件擬合得到污染氣體的擴散系數；

16、步驟3，打開上閥門和下閥門，使得污染氣體進入土體底部，通過壓力控制器改變進氣壓強，待排氣流量穩定后記錄進氣壓強、進氣流量、排氣流量、排氣壓強；逐步增加進氣壓強，記錄進氣壓強、進氣流量、排氣流量、排氣壓強，并利用達西定律計算可得污染氣體在土體中的滲透系數；

17、改變溫度和降雨條件重復步驟2-3，即模擬不同溫度-水分耦合條件下污染氣體的傳輸過程，得到多組污染氣體的擴散系數和多組污染氣體在土體中的滲透系數的數據；

18、步驟4，利用分布式光纖分別記錄不同深度土體的溫度和水分，將采集到的數據傳輸到數據采集儀，再通過數據采集儀傳輸至計算機。

19、與現有技術相比，本發明的有益效果為：

20、1.本發明提供了一種全面、準確的模擬氣體在土壤中運輸機理的試驗裝置，利用該試驗裝置進行相應模擬試驗能夠揭示污染氣體在土壤中的擴散、對流和吸附等運移規律。

21、2.本發明通過控制光照、降雨、風速等，能反映自然條件下各種復雜因素綜合作用，使研究結果更貼合實際

22、3.通過更換土壤類型，本發明能夠模擬不同土壤質地、孔隙結構、顆粒大小分布、和含水量條件下的氣體運移過程，滿足多種研究需求。

23、4.監測系統的分布式光纖能夠快速以及準確的監測土壤溫度、水分；數據分析儀實時記錄污染氣體流量和壓力差等關鍵數據，為研究人員提供詳實的數據支持。

24、5.本發明結構緊湊、操作簡便，易于維護和升級，適用于各種實驗室和科研場所。