CN101110174A - 环形水槽模拟风浪扰动下水下沉积物再悬浮的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明是环形水槽模拟风浪扰动下水下沉积物再悬浮的方法，将未扰动采集的沉积物置于环形水槽底部，在沉积物上种植沉水植物并上覆水体；通过多台鼓风机联合使用模拟不同风强施加于上覆水体，使其产生水流运动，并通过调整鼓风口的位置及其与上覆水面的夹角使得水槽内流场基本均匀，水槽底部的沉积物在水动力作用下发生再悬浮，实现对有沉水植物生长的湖泊和河流等水体中不同强度风浪扰动下沉积物再悬浮的模拟。优点：真实模拟有沉水植物生长的湖泊、河流等天然水体中，不同强度的风浪扰动下水体产生流场运动进而引起沉积物再悬浮的过程，在沉积物再悬浮相对稳定条件下进行不同深度水体样品采集，满足风浪扰动－流场运动－沉积物再悬浮间定量关系的研究需求，装置构造简单造价低且使用方便。
Description
技术领域
本发明涉及浅水湖泊和河流系统水体生态环境的模拟，特别是利用环形水槽模拟有沉水植物生长的湖泊、河流等水体中，不同强度风浪扰动下沉积物再悬浮的方法及装置。
背景技术
沉积物是湖泊及其流域中营养盐和其它污染物的重要归宿和积蓄库，营养物经过一系列物理、化学及生物作用，其中一部分沉积于湖泊底部，成为湖体营养物的内负荷。对于浅水湖泊和河流，外部动力扰动(风、浪等)易使水体底部的表层沉积物产生再悬浮，对水体-沉积物界面的物理、化学和生物性状及水体的生态环境特征产生较大影响，因此，研究外部动力扰动作用下沉积物悬浮的发生过程与机理具有重要意义。
研究外部动力扰动对沉积物再悬浮的影响主要采用野外观测和室内模拟这两类方法。野外观测由于风浪、水流等条件的随机性和不可控性太强，常常产生较大的系统误差，给理论分析带来较大限制，因此常只用作调查和验证研究。目前开展水体中沉积物再悬浮的相关理论研究常常是利用室内模拟方法，模拟的关键涉及外部动力扰动模拟与天然水体模拟两方面，其中模拟外部动力扰动的目前常用方法可分为旋桨式、活塞式、振荡式、造波式，模拟天然水体的目前常用方法可分为三角瓶式、直管式和水槽式三种。模拟外部动力扰动的方法中，旋桨式通过旋桨在水中扰动带动水体运动进而引起沉积物悬浮，活塞式利用活塞在水中上下往复运动造成对沉积物表层的扰动从而产生悬浮，振荡式通过振荡器的振荡作用使沉积物发生悬浮，造波式利用造波机造出的波浪扰动沉积物使其产生悬浮，可见，旋桨式、活塞式、振荡式均采用机械力直接扰动水体的方式模拟风浪对水体及沉积物的扰动，这显然与实际情况差异很大，造波式虽然与实际情况接近，但造波装置复杂且费用太大。模拟天然水体的方法中，三角瓶式、直管式模拟天然水体显然具有相当大的局限性，不能放映出风浪扰动下水体的流场状况，因此无法研究风浪扰动-流场运动-沉积物再悬浮之间的定量关系，水槽式模拟天然水体与实际情况接近，但目前水槽式模拟方法中由于采用造波式模拟动力扰动的方法，因而常常结构复杂、造价昂贵、操作烦琐。另外，在有沉水植物生长的湖泊和河流里，沉水植物对沉积物的再悬浮具有很大影响，而目前的室内模拟方法均未能实现对有沉水植物生长水体中沉积物再悬浮的模拟。
发明内容
本发明的目的就在于克服上述各种水下沉积物再悬浮模拟方法和装置所存在的缺陷，提出一种综合性效果佳的水下沉积物再悬浮室内模拟方法和装置。真实地模拟有沉水植物生长的湖泊、河流等天然水体中，不同强度的风浪扰动下水体产生流场运动进而引起沉积物再悬浮的过程，并在沉积物再悬浮相对稳定的条件下进行不同深度水体样品的精确采集，以满足风浪扰动-流场运动-沉积物再悬浮之间定量关系的研究需求，且实现模拟装置构造简单、造价便宜、使用方便。
本发明的技术解决方案是：环形水槽模拟风浪扰动下水下沉积物再悬浮的方法，其特征是将未扰动采集的沉积物置于环形水槽底部，在沉积物上种植沉水植物并上覆水体；通过多台鼓风机联合使用模拟不同风强施加于上覆水体，使其产生水流运动，并通过调整鼓风口的位置及其与上覆水面的夹角使得水槽内流场基本均匀，水槽底部的沉积物在水动力作用下发生再悬浮，实现有沉水植物生长的湖泊和河流等水体中不同强度风浪扰动下沉积物再悬浮的定量模拟。
环形水槽模拟风浪扰动下水下沉积物再悬浮装置，其结构是一个环形水槽，该环形水槽的底部以长方体底座密合，顶部以半圆环体顶盖密合，环形水槽的内、外壁均由两块长方形和两块弧形有机玻璃板组合而成，环形水槽的正面和背面外壁正中自上而下依次排列设置若干带阀取样嘴，每个带阀取样嘴的间距相等或不等，环形水槽两侧下端各设置一个带阀排水口，顶盖通过活页与环形水槽的外壁连接，顶盖上预留有两个通气孔和两个流速测孔分别供鼓风系统中的风管和流速仪测杆伸入。
本发明的优点和效果在于：(1)利用鼓风模拟风浪条件，比旋桨式、活塞式、振荡式等方法更接近湖泊、河流受风浪外部动力扰动的实际情况。(2)利用环形水槽模拟天然水体，通过鼓风的人为调控可实现槽内流场基本均匀，比锥形瓶式、直管式等方法更接近湖泊、河流在风浪扰动下的实际流场情况。(3)环形水槽中可种植沉水植物，用于室内模拟有沉水植物生长的湖泊和河流等水体中沉积物再悬浮。(4)通过调节多台鼓风机的联合使用，可模拟不同强度的风浪扰动对沉积物的动力作用。(5)可接入流速仪，实现风浪扰动下上覆水体流速的测量。(6)本装置水体取样精度高，槽内均匀流场保证了样品采集时相对稳定的再悬浮条件，自上而下设置带阀取样嘴可以实现不同深度水样的采集。(7)本装置与现有的水槽式模拟装置相比，具有构造简单、造价便宜、使用方便等优势。
附图说明
附图1是本发明的立体示意图。
附图2是本发明的横断面示意图。
附图3是本发明的纵断面示意图。
图中的1是底座、2是环形槽体、3是顶盖、4是活页、5是通气孔、6是带阀取样嘴、7是带阀排水口、8是沉积物、9是上覆水、10是风管、11是鼓风口、12是环形水槽的外壁、13是环形水槽的内壁、14是流速测孔、15是流速仪测杆、16是流速仪探头。
具体实施方式
对照附图，模拟风浪扰动下水下沉积物再悬浮的环形水槽装置，其结构它是一个环形水槽，包括底座1、环形水槽2、顶盖3、活页4、带阀取样嘴6、带阀排水口7、鼓风系统及一些紧固部件等。其中环形水槽2的内、外壁均由两块长方形和两块弧面有机玻璃板组合而成，其底部以底座1密合，顶部与顶盖3密合，环形水槽2正面和背面的外壁正中自上而下依次排列设置若干带阀取样嘴6，每个带阀取样嘴6的间距可根据实验目的取等间距或不等间距，环形水槽2两侧下端各设置一个带阀排水口7；
顶盖3由六块弧面铁皮组合而成，顶盖3通过活页4与环形水槽2的外壁连接，顶盖3上一定位置预留有两个通气孔5和两个流速测孔14分别供鼓风系统中的风管10和流速仪测杆15伸入，通气孔5和流速测孔14的大小分别与风管10和流速仪测杆15一致以保持系统的密闭性。
鼓风系统由鼓风机、风管10和鼓风口11连接组成，鼓风机多台联合使用以模拟不同风浪强度，风管10经过通气孔5通入环形水槽2内，鼓风口11位于上覆水9水面之上，鼓风机产生的风通过风管10最终由鼓风口11吹出作用于上覆水9。
流速仪采用多普勒流速仪，流速仪测杆15经过流速测孔14通入环形水槽2内，流速仪探头16位于上覆水9下。沉积物8和上覆水9水面的高度可以根据实验要求设计，但水面不超过环形水槽2的上端。
本装置的操作方法如下：
(1)打开顶盖3，将根据实验设计选取的一定厚度的野外原状沉积物8移入环形水槽2底部，在环形水槽2中缓缓注入上覆水9(通常野外采集于沉积物所处水体)，沉积物8和上覆水9水面的高度根据实验要求设计，但水面不超过环形水槽2的上端。若模拟有沉水植物生长的湖泊和河流等水体中的沉积物再悬浮，则可在沉积物上种植沉水植物(如菹草、苦草等)。
(2)连接好鼓风系统，风管10经过顶盖3上的通气孔5通入环形水槽2内，鼓风口11位于上覆水9水面之上，鼓风机多台联合使用以满足模拟不同风强的需要。
(3)连接好流速仪，流速仪可采用现有的多普勒流速仪(型号为MicroADV)，将流速仪测杆15伸入环形槽体2中，使流速仪探头16位于上覆水9下，盖好顶盖3；
(4)联合开启多台鼓风机，使风强达到实验设计强度，鼓风机产生的风通过风管10最终由鼓风口11吹出作用于上覆水9，模拟不同风强施加于上覆水体使其产生水流运动，水槽底部的沉积物在水动力作用下发生再悬浮。
(5)根据流速仪实时测量结果，调整鼓风口的位置及其与上覆水面的夹角使得水槽内流场基本均匀，在系统运行稳定一定时间后，在保持稳定鼓风状态下，自上而下依次开启带阀取样嘴6的阀门采集上覆水样；
(6)根据实验需要，在上覆水样采集完毕后，可开启带阀排水口7的阀门放尽槽内水体，打开顶盖3进行沉积物样品的采集。
Claims (3)
1.环形水槽模拟风浪扰动下水下沉积物再悬浮的方法，其特征是将未扰动采集的沉积物置于环形水槽底部，在沉积物上种植沉水植物并上覆水体；通过多台鼓风机联合使用模拟不同风强施加于上覆水体，使其产生水流运动，并通过调整鼓风口的位置及其与上覆水面的夹角使得水槽内流场基本均匀，水槽底部的沉积物在水动力作用下发生再悬浮，实现对有沉水植物生长的湖泊和河流等水体中不同强度风浪扰动下沉积物再悬浮的模拟。
2.环形水槽模拟风浪扰动下水下沉积物再悬浮装置，其特征是一个环形水槽，该环形水槽的底部以长方体底座密合，顶部以半圆环体顶盖密合，环形水槽的内、外壁均由两块长方形和两块弧形有机玻璃板组合而成，环形水槽的正面和背面外壁正中自上而下依次排列设置若干带阀取样嘴，每个带阀取样嘴的间距相等或不等，环形水槽两侧下端各设置一个带阀排水口，顶盖通过活页与环形水槽的外壁连接，顶盖上预留有两个通气孔和两个流速测孔分别供鼓风系统中的风管和流速仪测杆伸入。
3.根据权利要求2所述的模拟风浪扰动下水下沉积物再悬浮的环形水槽装置，其特征在于鼓风系统由为多台鼓风机、风管和鼓风口连接组成，其中风管经过通气孔通入环形水槽内，鼓风口位于上覆水水面之上。
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