一種模擬往復(fù)流作用下沉積物再懸浮的循環(huán)直水槽裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種模擬往復(fù)流作用下底泥沉積物再懸浮的循環(huán)直水槽裝置。該裝置包括長(zhǎng)直水槽，雙向供水和排水管道系統(tǒng)，水流動(dòng)力和控制裝置以及流速測(cè)量和采樣裝置。所述長(zhǎng)直水槽通過(guò)雙向供水和排水管道系統(tǒng)連接水流動(dòng)力和控制裝置，在長(zhǎng)直水槽的邊壁上固定安裝流速測(cè)量和采樣裝置；所述水流和動(dòng)力和控制裝置為水流提供動(dòng)力并控制流速和流向，經(jīng)雙面供水和排水的管道系統(tǒng)為長(zhǎng)直水槽提供往復(fù)水流，實(shí)現(xiàn)沉積物再懸浮。本發(fā)明優(yōu)點(diǎn)是可以真實(shí)模擬底泥在感潮河段潮汐往復(fù)水流作用下的起動(dòng)和再懸浮過(guò)程，并能在一定水力條件下進(jìn)行不同深度水體樣品的采集。本發(fā)明適用于水體-泥沙-污染物之間的定量關(guān)系研究要求，是從事河口地區(qū)底泥污染物再懸浮釋放效應(yīng)研究的有效裝置。
【專利說(shuō)明】一種模擬往復(fù)流作用下沉積物再懸浮的循環(huán)直水槽裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種模擬往復(fù)流作用下沉積物再懸浮的循環(huán)直水槽裝置，屬于水利工程和環(huán)境工程【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及水體水環(huán)境中底泥污染物在水動(dòng)力擾動(dòng)下再懸浮釋放的模擬，特別是在河口受潮汐作用的往復(fù)流作用下，不同流量和不同周期擾動(dòng)下的污染沉積物再懸浮模擬循環(huán)直水槽裝置。

【背景技術(shù)】
[0002]河口地區(qū)底泥沉積物一般為粘性細(xì)顆粒泥沙，是重金屬和有機(jī)物等污染物的主要載體。隨著長(zhǎng)期的外源污染物輸入，底泥沉積物成為污染物的重要?dú)w宿和主要積蓄庫(kù)。底泥-水界面是底泥顆粒(固相)和上覆水體(液相)之間的重要環(huán)境邊界，是產(chǎn)生和控制水體與沉積底泥之間物質(zhì)擴(kuò)散和交換的重要區(qū)域，也是河流、湖泊水體和底泥之間污染物遷移轉(zhuǎn)化的主要場(chǎng)所。河流、湖泊等自然水體的底泥-水界面存在復(fù)雜的物理、化學(xué)反應(yīng)和生物作用。河口地區(qū)的天然河流一般受到潮汐作用的影響，感潮河道的水流流速大小、方向和水深都呈現(xiàn)周期性的變化。受周期性往復(fù)回蕩潮流影響，在漲潮和落潮之間還存在憩流階段，泥沙運(yùn)動(dòng)相應(yīng)地要經(jīng)過(guò)落淤和起動(dòng)的周期變化，而徑流有洪、枯季節(jié)的周年變化，這些動(dòng)力因素的多樣性和多變性使得感潮河道的水流和泥沙輸移具有顯著的非定常性，也對(duì)底泥-水界面的污染物釋放和輸運(yùn)機(jī)理有重要影響。在潮周期的不同時(shí)段，上覆水體水力特性的改變會(huì)導(dǎo)致水體與底泥之間強(qiáng)烈而頻繁的污染物遷移和交換，相應(yīng)地感潮河道水體、再懸浮泥沙顆粒和底泥中的污染物分配關(guān)系，以及底泥-水界面的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)釋放規(guī)律也呈現(xiàn)出時(shí)空變化的特征。漲落潮水流的擾動(dòng)會(huì)使表層底泥反復(fù)揚(yáng)起、懸浮，底泥中和底層界面水之間的重金屬動(dòng)態(tài)平衡不斷被打破，束縛在底泥中的重金屬極易被釋放出來(lái)，在潮汐作用下加速水體的二次污染。因此，底泥不但是河流水污染物遷移的主要?dú)w宿，同時(shí)也是引起水體再污染的潛在污染源。研究這種隨潮變化的底泥污染物動(dòng)態(tài)釋放機(jī)理具有重要的意義。
[0003]目前，河流底泥釋放特征及動(dòng)力學(xué)研究主要集中在自然江河底泥釋放或城市河涌底泥的非感潮實(shí)驗(yàn)?zāi)M，而對(duì)感潮河道，特別是潮汐作用對(duì)底泥釋放影響的研究相對(duì)較少。受潮汐作用影響是感潮河道獨(dú)特的水力特征，一方面漲落潮水流擾動(dòng)會(huì)使表層底泥反復(fù)揚(yáng)起懸??；另一方面，受污染河水在潮汐作用下在河道及下游區(qū)來(lái)回蕩漾，使污染物不斷累積。模擬感潮條件下重金屬的釋放特征，發(fā)現(xiàn)潮汐作用影響下，底泥重金屬的釋放量及釋放速率明顯提高。與靜態(tài)釋放相比，感潮作用明顯加速了底泥重金屬的釋放速率及釋放量。漲潮與落潮是感潮河道與其它自然河流不同的地方，不同的潮汐類型、在同一潮汐周期內(nèi)因不同的潮位差以及潮期差會(huì)引起水位及流速的差別，從而表現(xiàn)出不同的污染特征。
[0004]目前研究動(dòng)態(tài)水流條件下底泥再懸浮的污染物動(dòng)態(tài)釋放規(guī)律的方法主要采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和室內(nèi)模擬這兩種方法。現(xiàn)場(chǎng)條件復(fù)雜多變，難以在控制的條件下進(jìn)行研究，且物力人力消耗較大，無(wú)法做長(zhǎng)期的推廣應(yīng)用；且實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的隨機(jī)性變化較大，對(duì)理論分析有一定的限制，通常只作為一般的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和理論驗(yàn)證。目前針對(duì)水體沉積物再懸浮的水動(dòng)力特性常常采用室內(nèi)模擬方法，主要包括模擬水動(dòng)力條件和天然水體水環(huán)境條件兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。
[0005]目前結(jié)合模擬水動(dòng)力條件和天然水體水環(huán)境的方法有三角瓶式，直管式、水槽式。裝置包括三角瓶、圓柱形水槽，環(huán)行水槽以及其它類型的直水槽等。三角瓶式是采用振蕩器等作為外部擾動(dòng)條件，使沉積物在不同強(qiáng)度下釋放污染物；直管式是將底泥沉積物先放置在底部，采用振蕩格柵、活塞、旋槳等造成水體擾動(dòng)使沉積物發(fā)生再懸浮釋放污染物；環(huán)行水槽或直水槽是通過(guò)水泵輸送、造波機(jī)及鼓風(fēng)機(jī)產(chǎn)生上覆水體的定向流動(dòng)使底泥發(fā)生再懸浮，從而產(chǎn)生沉積污染物釋放。三角瓶式和直管式由于容積有限，且其水動(dòng)力擾動(dòng)機(jī)制與實(shí)際情況相差很大，不能反映出真實(shí)水體的流場(chǎng)和底泥污染物再懸浮釋放的情況，具有相當(dāng)大的局限性，因此無(wú)法研究水動(dòng)力-沉積物再懸浮-污染物釋放之間的定量關(guān)系。水槽式裝置可以分為直槽和環(huán)形水槽。直槽模擬環(huán)境與天然水體較為接近，但一般都是單向流動(dòng)，對(duì)潮汐往復(fù)流的水動(dòng)力環(huán)境無(wú)法實(shí)現(xiàn)。環(huán)形水槽是把直槽的長(zhǎng)度轉(zhuǎn)化為時(shí)間尺度，可以任意改變旋轉(zhuǎn)方向和速度，但是其水流運(yùn)動(dòng)具有封閉性，無(wú)出入流條件，且裝置在運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生切向力和離心力，改變水流流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，使得底泥再懸浮的水動(dòng)力條件變得相當(dāng)復(fù)雜。目前的室內(nèi)模擬方法均未實(shí)現(xiàn)針對(duì)在潮汐往復(fù)流條件下的底泥再懸浮的模擬。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于針對(duì)目前模擬感潮河道底泥沉積物再懸浮的缺失，提供一種模擬往復(fù)流作用下沉積物再懸浮的循環(huán)直水槽。該裝置能在不破壞底泥整體結(jié)構(gòu)的情況下，較好地模擬天然感潮河道中沉積物在不同周期和不同流量的往復(fù)流作用下的再懸浮釋放污染物的過(guò)程。該水槽裝置提供了先進(jìn)的動(dòng)力裝置、控制裝置和測(cè)試裝置，使之具有更有效和更實(shí)用的特點(diǎn)。
[0007]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的構(gòu)思是:
本模擬往復(fù)流作用下沉積物再懸浮的直水槽裝置，包括主體長(zhǎng)直水槽，雙向供水和排水管道系統(tǒng)，水流動(dòng)力和控制裝置以及流速測(cè)量和采樣裝置。長(zhǎng)直水槽整體為鋼結(jié)構(gòu)，其中長(zhǎng)直水槽由底部及邊壁鋼結(jié)構(gòu)和長(zhǎng)方形玻璃邊壁組成，長(zhǎng)直水槽和回水箱由管道系統(tǒng)連接成閉合回路，管道系統(tǒng)由正向進(jìn)水管道，正向排水管道，反向進(jìn)水管道，反向排水管道和主排水管道組成，正向排水管道及反向排水管道均由主排水管道連接回水箱，流速測(cè)定裝置固定在長(zhǎng)直水槽中部的邊壁鋼架上，包括測(cè)速儀固定架，采樣裝置固定架，兩個(gè)固定架和上均有滑軌和螺桿，垂向標(biāo)尺和縱向標(biāo)尺，將測(cè)速儀測(cè)試桿固定在固定架上，測(cè)桿下端裝有微型旋槳，將虹吸采樣裝置固定在固定架上，將河道中采集的底泥沉積物平鋪在長(zhǎng)直水槽中的凹槽中。
[0008]所述的長(zhǎng)直水槽玻璃外壁上，在凹槽水平方向均布有6個(gè)帶閥取樣口，取樣口直徑0.5cm,用于水平方向的平均采樣。
[0009]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比較，具有如下顯而易見(jiàn)的突出實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著技術(shù)進(jìn)步:(I)利用水泵抽取回水箱中的水產(chǎn)生往復(fù)流而模擬底泥沉積污染物的釋放過(guò)程，長(zhǎng)直水槽內(nèi)形成穩(wěn)定的水流，比振蕩式、活塞式、旋槳式、環(huán)形水槽等方法更接近天然河流中水流作用下的底泥污染物再懸浮釋放機(jī)理。(2)利用變頻水泵和電磁閥的控制，可以改變水流的流速、水深和流向。(3)采用鋼化玻璃來(lái)制造水槽槽體，可以方便地查看水流特征和水深情況，可以接入各種測(cè)試儀器和采樣裝置。(4)本裝置的水體取樣方便，可以實(shí)現(xiàn)不同深度水樣的采集，分層采樣裝置采用虹吸原理，不會(huì)干擾水體中流場(chǎng)和懸浮物的分布。(5)采用控制柜直接控制水泵的頻率和電磁閥的開(kāi)度，很方便地調(diào)節(jié)水流條件。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0010]附圖1是一種模擬往復(fù)流下沉積物再懸浮的循環(huán)直水槽裝置平面布置圖附圖2是一種模擬往復(fù)流下沉積物再懸浮的循環(huán)直水槽裝置中直槽段的側(cè)視圖附圖3是一種模擬往復(fù)流下沉積物再懸浮的循環(huán)直水槽裝置中直槽段的橫截面圖附圖4是一種模擬往復(fù)流下沉積物再懸浮的循環(huán)直水槽裝置的水槽控制柜原理框圖。

【具體實(shí)施方式】
[0011]本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)例結(jié)合附圖詳述如下:
實(shí)施例一:
參見(jiàn)圖f圖4，本模擬往復(fù)流作用下沉積物再懸浮的循環(huán)直水槽裝置，包括長(zhǎng)直水槽，雙向供水和排水管道系統(tǒng)，水流動(dòng)力和控制裝置以及流速測(cè)量和采樣裝置。其特征在于所述長(zhǎng)直水槽通過(guò)雙向供水和排水管道系統(tǒng)連接水流動(dòng)力和控制裝置，在長(zhǎng)直水槽的邊壁上固定安裝流速測(cè)量和采樣裝置；所述水流和動(dòng)力和控制裝置為水流提供動(dòng)力并控制流速和流向，經(jīng)雙面供水和排水的管道系統(tǒng)為長(zhǎng)直水槽提供往復(fù)水流，實(shí)現(xiàn)沉積物再懸浮。
[0012]實(shí)施例二:
本實(shí)例與實(shí)例一基本相同，特別之處是:
所述雙向供水和排水的管道系統(tǒng)包括由正向進(jìn)水管道，正向排水管道，反向進(jìn)水管道，反向排水管道和主排水管道組成，正向排水管道及反向排水管道分別從長(zhǎng)直水槽兩端經(jīng)一根主排水管道連接回水箱。所述正向進(jìn)水管道和反向進(jìn)水管道分別從長(zhǎng)直水槽兩端經(jīng)一根主進(jìn)水管道連接回水箱。
[0013]所述長(zhǎng)直水槽是底部和邊框?yàn)殇摻Y(jié)構(gòu)而邊壁為長(zhǎng)方形玻璃壁，所述流速和采樣裝置固定在長(zhǎng)直水槽中部的邊框鋼架上，包括測(cè)速儀固定架，采樣裝置固定架，該兩個(gè)固定架上均有滑軌和螺桿，垂向標(biāo)尺和縱向標(biāo)尺，將測(cè)速儀的測(cè)試桿固定在測(cè)速儀固定架上，測(cè)桿下端裝有微型旋槳，將虹吸采樣裝置固定在采樣裝置固定架上。
[0014]所述水流動(dòng)力和控制裝置包括水泵和水泵電機(jī)，由正向進(jìn)水管道控制閥，正向排水管道控制閥，反向進(jìn)水管道控制閥，反向排水管道控制閥，主排水管道控制閥，一個(gè)水泵電機(jī)構(gòu)成和一套界面化的PLC系統(tǒng)組成，所述水泵電機(jī)連接驅(qū)動(dòng)水泵，水泵進(jìn)水口連接水源，出水口連接主進(jìn)水管道；所述正向進(jìn)水管道控制閥，正向排水管道控制閥，反向進(jìn)水管道控制閥，反向排水管道控制閥和主排水管道控制閥分別連接在正向進(jìn)水管道，正向排水管道，反向進(jìn)水管道，反向排水管道和主進(jìn)水管道上；所述PLC系統(tǒng)電連接控制水泵電機(jī)、正向進(jìn)水管道控制閥，正向排水管道控制閥，反向進(jìn)水管道控制閥，反向排水管道控制閥和主排水管道控制閥。
[0015]所述取樣裝置由虹吸取樣，取樣鋼管的直徑為0.01m，取樣采樣點(diǎn)距離分別為lcm、l.5cm、2cm、3cm、5cm、7cm0
[0016]試驗(yàn)操作和工作原理如下:
本模擬往復(fù)流下沉積物再懸浮試驗(yàn)平臺(tái)，具體操作如下: ①將采集的底泥沉積物移入直槽段I中的5cm的凹槽25中，水箱中事先注入1.5m3的河道采集的原水或自來(lái)水。
[0017]G將流速測(cè)定桿22固定測(cè)速儀固定架16上，流速測(cè)定桿22伸入直槽段I中，待水槽有水時(shí)使微型旋槳23浸沒(méi)在上覆水中，通過(guò)滑軌18和螺桿19移動(dòng)測(cè)速桿22，通過(guò)垂向標(biāo)尺20和縱向標(biāo)尺21來(lái)定位微型旋槳23。
[0018]③實(shí)驗(yàn)開(kāi)始，從左至右為正向水流，若選擇正向水流，則關(guān)閉反向進(jìn)水管道控制閥
11、反向排管道控制閥12 ;若選擇反向水流，則關(guān)閉正向進(jìn)水管道控制閥9、正向排管道控制閥10，打開(kāi)水泵電機(jī)14，調(diào)節(jié)至較小頻率，使得水流緩慢流經(jīng)凹槽25的底泥表面，直至直水槽I中的水浸沒(méi)底泥表面5cm左右。
[0019]@調(diào)節(jié)垂向標(biāo)尺17和縱向標(biāo)尺18，將微型旋槳23浸沒(méi)入水體中。
[0020]I根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要，調(diào)節(jié)水泵電機(jī)14的頻率，若選擇正向水流，則調(diào)整正向進(jìn)水管道控制閥9和正向排水管道控制閥10，若選擇反向水流，則調(diào)整反向進(jìn)水管道控制閥11和反向排水管道控制閥12的開(kāi)度，通過(guò)觀察旋槳流速儀和水深比尺，得到實(shí)驗(yàn)所需要的流速和水深。
[0021]⑥采用虹吸采樣裝置24，在底泥位置的進(jìn)口段，中間段和出口段，分別進(jìn)行采樣。
[0022](D根據(jù)實(shí)際測(cè)量需要，對(duì)采集的上覆水樣進(jìn)行理化測(cè)試分析。
[0023]?實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，關(guān)閉水泵電機(jī)13，排出直水槽I和回水箱2中的水。
【權(quán)利要求】
1.一種模擬往復(fù)流作用下沉積物再懸浮的循環(huán)直水槽裝置，包括長(zhǎng)直水槽(1)，雙向供水和排水管道系統(tǒng)(3)，水流動(dòng)力和控制裝置以及流速測(cè)量和采樣裝置，其特征在于所述長(zhǎng)直水槽(I)通過(guò)雙向供水和排水管道系統(tǒng)連接水流動(dòng)力和控制裝置，在長(zhǎng)直水槽(I)的邊壁上固定安裝流速測(cè)量和采樣裝置；所述水流和動(dòng)力和控制裝置為水流提供動(dòng)力并控制流速和流向，經(jīng)雙面供水和排水的管道系統(tǒng)(3)為長(zhǎng)直水槽(I)提供往復(fù)水流，實(shí)現(xiàn)沉積物再懸浮。
2.根據(jù)權(quán)利要求1述的模擬往復(fù)流作用下沉積物再懸浮的循環(huán)直水槽裝置，其特征在于:所述雙向供水和排水的管道系統(tǒng)(3 )包括由正向進(jìn)水管道(4 ),正向排水管道(5 ),反向進(jìn)水管道(6)，反向排水管道(7)和主排水管道8組成，正向排水管道5及反向排水管道(7)分別從長(zhǎng)直水槽(3)兩端經(jīng)一根主排水管道(8)連接回水箱(2);所述正向進(jìn)水管道(4)和反向進(jìn)水管道(6 )分別從長(zhǎng)直水槽(3 )兩端經(jīng)一根主進(jìn)水管道(27 )連接回水箱(2 )。
3.根據(jù)權(quán)利要求1述的模擬往復(fù)流作用下沉積物再懸浮的循環(huán)直水槽裝置，其特征在于:所述長(zhǎng)直水槽(I)是底部和邊框?yàn)殇摻Y(jié)構(gòu)而邊壁為長(zhǎng)方形玻璃壁，所述流速和采樣裝置固定在長(zhǎng)直水槽(I)中部的邊框鋼架上，包括測(cè)速儀固定架(16)，采樣裝置固定架(17)，該兩個(gè)固定架(16 )和(17 )上均有滑軌(18 )和螺桿(19 )，垂向標(biāo)尺(20 )和縱向標(biāo)尺(21)，將測(cè)速儀的測(cè)試桿(22)固定在測(cè)速儀固定架(16)上，測(cè)桿下端裝有微型旋槳(23)，將虹吸采樣裝置(24)固定在采樣裝置固定架(17)上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模擬往復(fù)流下沉積物再懸浮的直水槽裝置，其特征在于:所述水流動(dòng)力和控制裝置包括水泵(26)和水泵電機(jī)(14)，由正向進(jìn)水管道控制閥(9)，正向排水管道控制閥(10)，反向進(jìn)水管道控制閥(11)，反向排水管道控制閥(12)，主排水管道控制閥(13), 一個(gè)水泵電機(jī)(14)構(gòu)成和一套界面化的PLC系統(tǒng)(15)組成,所述水泵電機(jī)(14)連接驅(qū)動(dòng)水泵(26)，水泵(26)進(jìn)水口連接水源，出水口連接主進(jìn)水管道(27);所述正向進(jìn)水管道控制閥(9)，正向排水管道控制閥(10)，反向進(jìn)水管道控制閥(11)，反向排水管道控制閥(12)和主排水管道控制閥(13)分別連接在正向進(jìn)水管道(4)，正向排水管道(5)，反向進(jìn)水管道(6)，反向排水管道(7)和主進(jìn)水管道(8)上；所述PLC系統(tǒng)(15)電連接控制水泵電機(jī)(14)、正向進(jìn)水管道控制閥(9)，正向排水管道控制閥(10)，反向進(jìn)水管道控制閥(11)，反向排水管道控制閥(12)和主排水管道控制閥(13)。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的模擬往復(fù)流作用下沉積物再懸浮的直水槽裝置，其特征在于取樣裝置(24)由虹吸取樣，取樣鋼管的直徑為0.01m，取樣采樣點(diǎn)距離分別為lcm、1.5cm、2cm、3cm、5cm、7cm0
【文檔編號(hào)】G01M10/00GK104075872SQ201410175672
【公開(kāi)日】2014年10月1日 申請(qǐng)日期:2014年4月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月28日
【發(fā)明者】王道增, 朱紅偉, 鐘寶昌, 程鵬達(dá), 郭加宏, 樊靖郁 申請(qǐng)人:上海大學(xué)