CN101880073B - 水体中悬移质泥沙、表层沉积物一体化快速采集分离装置 - Google Patents

Abstract

本发明水体中悬移质泥沙、表层沉积物一体化快速采集分离装置，包括收集器，与收集器顶部密封连接相通的分离器，与分离器顶部密封连接相通的溢流导流锥，与溢流导流锥出口连接的溢流管，分离器从下向上依次设置有第一倒圆锥形腔、第二倒圆锥形腔，第一倒圆锥形腔的锥度大于第二倒圆锥形腔，压力管一端从分离器第二倒圆锥形腔上部内壁圆周切线方向进入分离器。本发明成本低廉、结构合理，易操作、维护，使用寿命长，便于携带，有助于水体中水沙分离、悬移质泥沙及表层沉积物的高效采集。

Description

水体中悬移质泥沙、表层沉积物一体化快速采集分离装置

技术领域：

本发明与水体泥沙采集分离装置有关。特别与可应用于水体中悬移质泥沙以及表层沉积物一体化快速采集分离装置有关。

背景技术：

天然河流中的泥沙分为悬移质和推移质。推移质泥沙粒径较大(如卵砾石)，在河流中滚动、滑动、跳跃、层移。悬移质泥沙粒径较小，在河流中处于长期悬浮状态，是污染物质迁移、转化的主要载体。因而在水-沙-污染物相互作用的研究中主要以悬移质泥沙为主导。此外，与悬移质泥沙接触的表层沉积物(又称床面泥沙、底泥)也是吸附、蓄积、释放污染物的主要载体。悬移质泥沙、底泥的采集对于环境污染水文等方面的研究至关重要。

水体中悬移质泥沙粒径非常小(一般＜63μm)，可在水体中长期悬浮，很难使其沉降。为能够取到足够量的泥沙样品，往往需要抽取大量的水带回实验室后再用离心机分离。以长江上游三峡库区水体为例，悬移质泥沙多年平均含量在0.5～2.0kg/m³，若需取500克悬移质泥沙样品，则至少需要抽取0.25～1吨水，注意这里还没考虑样品在运输及分离操作上可能带来的损失，实际采水量可能大于1吨。显然这种方法不可能满足大流域的样品采集达到监测该流域水土流失状况的目的。

目前采集悬移质泥沙常用的仪器有瞬时式和积时式两类。①瞬时式采样器，主要是横式采样器。取样筒由薄壁钢管制成，容积0.5～2.0升，两端有盖，盖缘装有拉力弹簧。采样时，张开筒盖，水流从筒中流过，然后操纵开关，借弹簧拉力将筒盖关闭，采集水样。这种仪器结构简单，适用范围广。缺点是受泥沙脉动影响严重，单点取样成果的代表性差。采集泥沙效率低，在实际使用时常需要三个月至1年时间才有可能采集到足够样品。因为采样器需系在线缆上或沉入河底，所以在洪水期易被水流冲走。此外还常出现遗失或被盗的现象。②积时式采样器，有积点式和积深式两种。积点式采样器是在测点上吸取水样，测定某一时段内平均含沙量的仪器，器内有水样仓和调压仓，两者用连通管连接，仪器入水后，调压仓内进水，空气受压缩使采样器内外静水压力相平衡，以保持仪器取样时进水管内流速与天然流速一致。积深式采样器是一种沿垂线连续吸取水样，测定垂线平均含沙量的仪器，适用于浅水河流取样。取样时，要求仪器提放速度均匀并小于垂线平均流速的三分之一。可见该类采样器操作复杂，采样量也难以满足要求。有研究者曾试过泵抽水后滤芯过滤的方法，由于悬移质泥沙粒径非常小(如长江上游三峡库区水体中悬移质泥沙70％低于50微米，30％小于4微米)，滤芯孔径要求在数微米范围内，滤芯很容易阻塞，过滤速度很慢。滤芯一旦阻塞难以回收利用，因而使用成本很高，效率很低。因无快速有效的即时采样器，在洪水期水土保持工作者常因取不到足够量的样品而错失研究良机。

目前采集底泥常用的仪器有拖曳式(如拖沙筒等)、挖掘式(如挖斗式采样器等)和钻式(如活塞式采样器等)三类，用于采集床面或床面以下一定深度内泥沙样品，粒径在10毫米以下的砾石和粗、细沙样品，但对卵石床层的底泥，此类仪器采集具有相当大的难度。

发明内容：

本发明的目的是为了克服现有不足，提供一种成本低廉、结构合理、便于携带，易操作、维护、使用寿命长，有助于悬移质泥沙、表层沉积物一体化快速采集分离的装置。

本发明的目的是这样来实现的：

本发明水体中悬移质泥沙、表层沉积物一体化快速采集分离装置，包括收集器，与收集器顶部密封连接相通的分离器，与分离器顶部密封连接相通的溢流导流锥，与溢流导流锥出口连接的溢流管，分离器从下向上依次设置有第一倒圆锥形腔、第二倒圆锥形腔，第一倒圆锥形腔的锥度大于第二倒圆锥形腔，压力管一端从分离器第二倒圆锥形腔上部内壁圆周切线方向进入分离器，收集器安装在分离器下部并密封便于沙样排出后的储存，溢流管连接溢流导流锥排出去除泥沙的水。

上述的第一倒圆锥形腔、第二倒圆锥形腔的锥度分别为14～18度、3～5度。

上述的第一倒圆锥形腔、第二倒圆锥形腔的锥度分别为16度、4度。

上述的溢流导流锥伸入分离器中的锥体从下向上有导流圆锥形腔、圆柱形喉部。

上述的导流圆锥形腔的锥度为4～6度。

上述的导流圆锥形腔的锥度为5度。

上述的溢流导流锥伸入分离器中的锥体长高为分离器中第二倒圆锥形腔高度的50～70％，溢流导流锥中锥体与第二倒圆锥形腔内壁间形成上大下小的环形腔，补偿水在流动中的能量损失及调整沙的速度。

上述的分离器通过连接螺钉与收集器顶部密封螺纹连接，溢流导流锥通过连接螺钉和密封与分离器顶部密封螺纹连接，装、拆、使用方便。

上述的压力管伸出分离器的另一端装有有外大内小的圆锥形腔的第一连接法兰，与第一连接法兰连接的第二连接法兰中有与第一连接法兰圆锥形腔连通的进水管道，进水管道内径小于第一连接法兰的圆锥形腔与进水管道接触面内径，水流经进水管道进入第一连接法兰圆锥形腔，压力上升，使水流迅速通过压力管进入分离器中。

将本发明装置中的进水管道通过输送管道与泵连接，将泵进水口与水体连通。取样时，一定压力和流速的水从压力管切向进入到分离器中作圆周运动，因为水体中的间断相(沙)颗粒均匀悬浮在连续相(水)中，经泵抽取上来的水中颗粒质量浓度与原水体中的颗粒质量浓度基本相同，故间断相与连续相应有相同的速度矢量切向进入到分离器中。两相拥有不同的密度，在作圆周运动时连续相分子与间断相颗粒所受到的离心力、浮力、阻尼力、重力不相同会在径向出现明显的分离现象，这样就会形成两种基本的旋转液流，向下的外旋流和向上的内旋流，间断相颗粒在作圆周运动时同时向下运动形成外旋流，逐渐进入到收集器中，连续相向上运动进入到溢流导流锥中形成内旋流。分离器带有两个不同的圆锥形腔，第二倒圆锥形腔主要用于规整流场特性，补偿间断相和连续相在圆周运动过程中的能量损失，第一倒圆锥形腔使间断相和连续相分离，帮助排沙。在整个场内每一个位置点瞬时速度和压力不是完全一致的，因此不同轴向层高位置上会出现层间扰动流，为了抑制这种扰动流，改善分离器内压力和流速分布，需要合理设置溢流导流锥的锥度的大小，锥段伸入分离器的长度。将连续相的最大速度放在溢流导流锥的喉部内，减少直接进入溢流导流锥的间断相颗粒数量，适度延长分离时间，降低水力损失，避免较大的压损，降低泵的功耗。

启动泵，水经过压力管切向进入到分离器中的第二倒圆锥形腔中做高速旋转远动，在连续相和间断相分离的同时流场得到规整，间断相得到部分能量补充；在进入到第一倒圆锥形腔时，使连续相和间断相分离，间断相介质向上旋转形成内旋并通过溢流导流锥和其后与大气连通的溢流管排入河道，间断相则继续向下进入到收集器中，经过一段时间后打开收集器取出样品，完成泥沙收集。

本发明采用新的研究思路，水用泵抽上来后，因势利导，利用水和泥沙重力差异筛选出泥沙，可快速即时地采集到足量样品。对于悬移质泥沙，采样时间为半小时-数小时(具体时间见水中悬移质含沙量)；对于表层沉积物，采样时间仅为数分钟-半小时(取决于泵的功率)。本发明便于携带，操作简单，收集高效。

本发明不需要抽取大量的水带回实验室分析，不用絮凝剂加速沉淀，也没有高速旋转的离心机转子。本发明装置成本低廉结构合理，操作简单、维护方便，使用安全，铝合金材质使总质量在4kg左右(不包含泵)便于携带，可以在线即时取样。在不同的季节下河道含沙量不同的情况下有比较好的适应性。

水体中悬移质泥沙不仅影响水体感观，还因易吸附各种污染物有害于人体健康。目前在饮用水或污染处理厂所用的沉沙池占地面积大，而且只能去除大颗粒的泥沙，对于小于100微米的悬移质泥沙只能使用加入明矾、氯化铁等絮凝剂的方法去除，前者絮凝沉降效果差，后者水解产酸从而腐蚀设备。本发明可根据实际运行条件灵活设计，无需土建工程，占地面积小；无需添加化学试剂引入二次污染，避免了后续处理的麻烦，特别是对于小型处理厂具有显著的成本上的优势。

长期以来农村的传统方法是水抽上来放到水缸等大容器中，然后加明矾等待澄清，费时耗力，而且明矾食用多了可能造成金属铝在肾、肝、脾等器官产生蓄积，如果在大脑中产生沉积就容易引起老年痴呆、记忆力减退、智力下降等症状。目前我国新农村已建的饮用水处理厂因缺乏足够的资金维护日常运转，使用效率很低。本发明泥沙分离装置成本低廉，占地很小，地下水抽上来后通过本装置既可分离掉大部分悬浮颗粒物，视水质情况既可饮用。本发明有助于解决分散农户饮水难的问题，对于我国新农村建设具有重要意义。

本发明成本低廉、结构合理、便于携带，易操作、维护、使用寿命长，有助于悬移质泥沙、表层沉积物一体化快速采集分离

附图说明：

图1为本发明装置结构示意图。

图2为本发明装置俯视示意图。

图3为图2中的A向视图。

图4为图3中的B-B剖视图。

图5为本发明装置轴侧示意图。

图6为采用本发明装置采集的悬移质泥沙粒度分布图。

图7为采用本发明装置采集的表层沉积物粒度分布图。

具体实施方式：

参见图1～图5，本实施例水体中悬移质泥沙、表层沉积物一体化快速采集分离装置，包括收集器1，通过连接螺钉和O型密封圈与收集器顶部密封连接的分离器3，通过连接螺钉和O型密封圈与分离器顶部密封连接的溢流导流锥4，与溢流导流锥出口连接的溢流管5。分离器中的圆锥体2伸入收集器中。分离器从下向上依次设置有第一倒圆锥形腔7，第二倒圆锥形腔8。第一倒圆锥形腔、第二倒圆锥形腔的锥度分别为16度、4度。压力管6一端从分离器第二倒圆锥形腔上部内壁圆周切线方向进入分离器。

上述的溢流导流锥伸入分离器中的锥体4-1中从下向上有锥度为5度的导流圆锥形腔9、圆柱形喉部10。溢流导流锥伸入分离器中的锥体高度为分离器中第二倒圆锥形腔高度的60％。

参见图3、图4、图5，压力管伸出分离器的另一端有有外大内小的圆锥形腔11的第一连接法兰12。与第一连接法兰连接的第二连接法兰13中有与第一连接法兰圆锥形腔连通的进水管道14，进水管道内径小于第一连接法兰的圆锥形腔与进水管道接触面内径。

本发明装置工作时，将泵的出水口和第二法兰的进水口用软管连通，启动泵，水通过压力管进入分离器，在分离器中水分子和泥沙颗粒一同作圆周运动。泥沙边旋转边向下运动进入到收集器中，水在分离器中形成内旋向上通过溢流导流锥、溢流管排回河道。收集完毕后，取下收集器和分离器上的连接螺钉，取下分离器，打开收集器，将收集器中的泥沙倒出。

采用本实施例采样装置和尼龙纤维布、过滤布袋分别通过采样作业比较下面是试验情况记录：

一、三种采样方法采集悬移质泥沙的比较结果

二、本发明采样装置测试结果

本发明采样装置对悬移质泥沙和表层沉积物的采集结果进行了测试。

d(0.5)表征该样品的累计粒度分布百分数达到50％时所对应的粒径。它的物理意义是粒径大于它的颗粒占50％，小于它的颗粒也占50％，其亦称为中位径或中值粒径。常用来表示固体颗粒的平均粒度。

d(0.9)表征该样品的累计粒度分布数达到90％时所对应的粒径。它的物理意义是粒径小于它的颗粒占90％。常用来表示固体颗粗端的粒度指标。

SSA表征样品的比表面积，表征单位质量颗粒的表面积之和。

1)收集悬移质泥沙

采样程序：泵入口距河底30厘米处抽取水样50分钟后，将收集器内的水样连同泥沙(约1.5L)装瓶，带回实验室经0.45μm过滤分离后干燥称重。

采样质量：141.7g(干重)。

泥沙样品粒度(见图6)：

d(0.5)＝38.047μm

d(0.9)＝81.546μm

SSA＝0.319m²/g

＜10μm的累积百分比为13.58％

＜5μm的累积百分比为5.66％

结论：本发明采样装置可快速收集悬移质泥沙，收集效率可达85％以上。

2)收集表层沉积物

采样程序：泵入口放置在河底床面上，抽取水样30分钟后，收集器内的水样静置半小时后倾去上层水样，收集器内底部的泥沙装入塑料样袋，带回实验室干燥称重。

采样质量：358g(干重)。

泥沙样品粒度(见图7)：

d(0.5)＝76.648μm

d(0.9)＝127.665μm

结论：本发明装置可方便快速收集表层沉积物，收集效率95％以上。

上述实施例是对本发明的上述内容作进一步的说明，但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于上述实施例。凡基于上述内容所实现的技术均属于本发明的范围。

Claims (5)

1.水体中悬移质泥沙、表层沉积物一体化快速采集分离装置，其特征在于包括收集器，与收集器顶部密封连接相通的分离器，与分离器顶部密封相通的溢流导流锥，与溢流导流锥出口连接的溢流管，分离器从下向上依次设置有第一倒圆锥形腔、第二倒圆锥形腔，第一倒圆锥形腔的锥度大于第二倒圆锥形腔，压力管一端从分离器第二倒圆锥形腔上部内壁圆周切线方向进入分离器，溢流导流锥伸入分离器中的锥体从下向上有导流圆锥形腔、圆柱形喉部，导流圆锥形腔的锥度为4～6度，溢流导流锥伸入分离器中的锥体高度为分离器中第二倒圆锥形腔高度的50～70％。

2.如权利要求1所述的水体中悬移质泥沙、表层沉积物一体化快速采集分离装置，其特征在于第一倒圆锥形腔、第二倒圆锥形腔的锥度分别为14～18度、3～5度。

3.如权利要求2所述的水体中悬移质泥沙、表层沉积物一体化快速采集分离装置，其特征在于第一倒圆锥形腔、第二倒圆锥形腔的锥度分别为16度、4度。

4.如权利要求1或2或3所述的水体中悬移质泥沙、表层沉积物一体化快速采集分离装置，其特征在于导流圆锥形腔的锥度为5度。

5.如权利要求1或2或3所述的水体中悬移质泥沙、表层沉积物一体化快速采集分离装置，其特征在于压力管伸出分离器的另一端装有有外大内小的圆锥形腔的第一连接法兰，与第一连接法兰连接的第二连接法兰中有与第一连接法兰圆锥形腔连通的进水管道，进水管道内径小于第一连接法兰的圆锥形腔与进水管道接触面内径。

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