CN102539644A - 模拟水生植物对沉积物污染释放过程发生装置及使用方法 - Google Patents

Abstract

模拟水生植物对沉积物污染释放影响过程的发生装置及其制备方法，属于环境保护领域。该装置包括有机玻璃环形水槽、水流推进动力系统及流速测量固定装置。水槽尺寸根据试验需要确定，横断面为矩形，其高度为50~100cm，直道部分长宽比不小于4，弯道内径不小于10cm。水槽底部平铺厚度为15cm的沉积物，沉积物上栽种水生植物，以模拟有水生植物生长的天然水体；通过可调电机驱动安置于水体表面的转碟，带动槽内水体发生流动，以模拟天然水体在不同风场下形成的风生流对底部沉积物的扰动作用；通过流速测量固定装置精准定位流速测量仪器，观测水槽断面尤其是沉积物-水界面水流运动情况。此装置可以很好地模拟不同强度的风场作用下，湖泊水生植物对沉积物污染释放影响的过程。

Description

模拟水生植物对沉积物污染释放过程发生装置及使用方法

技术领域

本发明涉及环境保护技术领域，具体地说是涉及室内模拟水生植物对沉积物污染释放过程发生装置及其使用方法，适用于不同强度风场作用下，有水生植物生长的浅水湖泊沉积物污染释放过程的模拟，是用于水体生态环境研究的实验设备。

背景技术

水体沉积物是水体生态系统的重要组成部分，是水体的各种营养物、污染物的汇和源。长期的外源输入和水生生物残渣的沉积，沉积物中往往富集了大量的有机质、N、P等营养物质、重金属以及其他污染物质。沉积物-水界面是浅水湖泊中最重要的界面之一，水体扰动会引起表层沉积物再悬浮，进而引起表层沉积物污染物质的释放，进而引起上覆水体水质、水体光照度、生物数量的变化等。目前模拟无水生植物生长的沉积物污染释放的装置已较多。而在实际情况中，河道、湖泊边缘生长着各种水生植物，这部分区域的沉积物却恰恰存在着受污染特别严重，污染释放量大的特征。水生植物不仅能吸收水体中的氮磷等营养元素，还可以起到消浪，减少沉积物再悬浮的作用，研究在水动力作用下，水生植物对沉积物污染释放过程的影响具有重要意义。

目前研究水生植物对沉积物污染释放的影响主要采用野外观测和室内模拟这两类方法。野外观测受限于风情等不可控因素，难以在控制条件下进行研究，也需要耗费较大的人力和物力，难以推广；且观测数据有限，难以给理论分析带来全面支撑，限制了人们对现象研究的理论提升，因此多用于现状调查。目前较多的是利用室内模拟方法，室内模拟的关键在于提供扰动模拟的外部动力装置和模拟有水生植物生长的天然水体的装置。

目前模拟外部动力扰动的常用方法有振荡式、活塞式、旋桨式、造波式和鼓风式。(1)振荡式是在容器中装入一定量沉积物和水样，放于振荡器中，由振荡产生的作用力使沉积物发生污染释放，以振荡频率模拟风速的大小；(2)活塞式是运用可调节振幅和频率的活塞作用于水体，造成对沉积物表层的扰动产生污染释放；(3)旋桨式是通过垂直于水面或与水面成一定角度的旋桨在水中扰动使沉积物在一定强度发生污染释放；(4)造波式利用造波机造出的波浪扰动沉积物使其发生污染释放；(5)鼓风式是通过多台鼓风机联合使用模拟不同风强施加于上浮水体，使其产生水流运动进而造成沉积物污染释放。可见，振荡式直接同时施力于水体和沉积物，与天然水体中风扰动产生水体运动进而作用于沉积物造成沉积物污染释放的机理有较大差距。活塞式采用水中活塞上下往复运动直接扰动水体的方式模拟风场对水体及沉积物的扰动，这显然与实际情况相差很大。旋桨式在实际应用中又分为桶式和水槽式，但是受旋桨本身施力的局限性，水体受力不均匀，无法模拟天然水体受风扰动所形成的流态及沉积物污染释放过程。因此，这三种方法虽然体系小，方法简单，易于控制条件且可多组平行，但产生的外部扰动与天然水体受风扰动产生沉积物污染释放的机理相差很大，都不能较好的模拟天然水体的沉积物污染释放过程。造波式和鼓风式虽与实际情况接近，但造波装置复杂且费用太大。使用鼓风机模拟动力扰动，鼓风口的位置及其与上覆水面的夹角难以准确调整，不易保证水槽内流场均匀，并且鼓风式必须在顶部加盖以安装鼓风系统，水生植物无法生长。

模拟天然水体的常用方法有三角瓶式、直管式和水槽式三种。模拟天然水体的方法中，三角瓶式是将沉积物放入装有适量水的三角瓶中，在振荡器下振荡使沉积物在控制强度下污染释放；直管式是将沉积物放入直管底部，上覆水体，用活塞或旋桨造成水体扰动，从而造成对沉积物表层的动力扰动，产生污染释放；水槽式是将原位沉积物铺放在室内水槽底部，用造波机或鼓风机造成水体扰动，从而使沉积物发生污染释放。三角瓶式和直管式体系过小，不能反映出风场扰动下水体的流场状况及河道底泥在水动力条件下污染释放的实际情况，并且无法种植水生植物。水槽式模拟天然水体与实际情况接近，目前水槽式装置分为直槽和环形水槽。直槽需要设置贮水箱和回流装置来实现水的循环，不可避免受到进水泵的扰动，而且要求直槽有足够的长度，这些均难以真实模拟扰动下沉积物污染释放。使用环形水槽是把直槽的长度转化为时间尺度，以模拟无限长的水槽，由于其水流运动的封闭性，没有出流、入流的物理边界，可克服直槽的上述缺点，因而得以较多的应用。环形水槽又包括同心圆环形水槽和跑道型环形水槽。同心圆环型水槽由上、下盘或者内、外壁旋转驱动，通过装置本身的相向运动产生切向力，进而使水体产生流场运动，结构较为复杂，而且其旋转产生的离心力易于形成横向副流和流速沿径向分布不均等现象，使得底泥污染释放过程的研究变得更为复杂。另外，在有水生植物生长的湖泊中，水生植物对沉积物污染释放具有很大的影响，而目前的室内模拟方法尚未能实现对有各种水生植物生长的水体中沉积物污染释放的模拟，满足风场扰动-水生植物-流场结构-沉积物污染释放间关系的研究需求。

发明内容

本发明的目的在于针对目前模拟装置存在的缺陷，提供一种模拟水生植物对沉积物污染释放过程发生装置及其使用方法，该装置能在有水生植物生长的前提下，模拟不同强度风场扰动水体表面条件下沉积物污染释放的过程。进行不同深度水体样品的精确采集和不同深度流速的测定，以满足研究风场扰动-水生植物-流场结构-沉积物污染释放间关系的研究需求。

本发明的技术解决方案如下：

一种模拟水生植物对沉积物污染释放过程发生装置，该装置结构由一个跑道型环形水槽，水流推进动力系统及流速测量固定装置三部分所构成，其中有机玻璃环形水槽由环形水槽槽体2与底座1连接所组成，环形水槽槽体2是由环形水槽外壁10和内壁9所组成，两个水流推进动力系统分别安装在水槽体2两端的弯道处，它包括转碟4、电机5和可调式变频控制器6，其中转碟4通过转轴20与电机5连接，转轴20安置于环形水槽槽体2的内壁9和外壁10上部的凹槽中，一端连接于固定在内壁的轴承23，另一端连接于固定在外壁的电机5机芯，可调式变频控制器6与电机5连接，控制电机的输出功率；流速量测固定装置架于环形水槽槽体2的内壁9和外壁10上部，它包括垂向标尺13、纵向标尺14、测速仪固定夹15、旋转螺杆16、纵向滑轨17和固定底板18，其中固定底板18横架在水槽体2的内壁9和外壁10上，在固定底板18的正中开一矩形长孔，与水槽内壁至外壁的宽度相同，沿长孔的纵向边安装纵向滑轨17，在滑轨的中垂线位置安装旋转螺杆16，螺杆底部装有滚轮与滑轨连接，在旋转螺杆上安装测速仪固定夹15，滑轨和螺杆均配有标尺；将测速仪测杆11固定在测速仪固定夹15上，测杆下端装有测速仪探头12，将采集到的沉积物7平铺在水槽底部，在沉积物上种植水生植物。

所述的环形水槽外壁10正中，自上而下设有6～11个带阀取样口3，取样口直径0.4cm，孔间距根据试验采样需要而定；并在两侧下端各设置一个带阀排水口19，孔口直径0.4cm。

所述的水流推进动力系统中转碟4由14个宽1cm、直径20cm的圆形碟片21组成，碟片21并列固定于穿过碟片圆心的转轴20上，以1cm间隔等距布置，碟片数量视水槽宽度而定，每片碟片的一侧面上胶粘有32个长条形插板22，插板22厚0.3cm，宽0.3cm，长5cm，呈等间隔辐射状分布，以增加碟片21与水体接触面积；所述碟片21及插板22均用有机玻璃板制。

一种模拟水生植物对沉积物污染释放过程发生装置，其使用方法步骤如下：

①将根据实验设计选取的15cm厚的野外原状沉积物7移入环形水槽槽体2底部，在环形水槽槽体2中缓慢注入野外采集的原水或自来水作为上覆水8，水深为30～80cm，在沉积物7上部种植试验所需水生植物；

②将流速测量固定装置架于环形水槽槽体2的内壁9和外壁10上部，将测速仪测杆11固定于测速仪固定夹15上，伸入环形水槽体2中，使测速仪探头12没入上覆水8，通过旋转螺杆16和纵向滑轨17来移动测速仪探头，通过垂向标尺13和纵向标尺14对测速仪探头进行精准定位；

③分别连接两个水流推进动力系统的电源，同步开动电机5带动转碟4，使两个转碟4同方向转动，水槽内形成稳定流场，根据测速仪观测结果，通过可调式变频控制器6调整电机5转速，改变水体表面速度以达到实验设计要求，模拟不同风强施加于上覆水体8造成的水体扰动，在水动力作用下，水槽底部的沉积物7发生污染释放；

④在维持转碟4转速稳定的条件下，自上而下依次开启带阀取样口3的阀门分别采集上覆水样；

⑤根据实验需要，在上覆水样采集完毕后，可开启带阀排水口19的阀门放尽槽内上覆水，采集沉积物样品以及水生植物样品；

⑥根据实验需要，将采集的上覆水样、沉积物样品及水生植物样品进行理化指标及生物指标的分析。

本发明的优点和效果在于：(1)利用转碟转动带动水体表面流动以模拟风生流进而模拟沉积物污染释放，比振荡式、活塞式、旋桨式等方法更接近湖泊水体受风扰动造成沉积物污染释放的机理；水槽内形成稳定流场，比三角瓶式、直管式等方法更接近湖泊在风场扰动下的实际流场情况。(2)通过改变电机转速，转盘入水深度以及转碟碟片上插板大小，来调节槽内水流流速，以模拟作用于水体表面的不同强度风场产生的水动力扰动。(3)表面开敞，整个水槽槽体采用透明有机玻璃板，采光良好，易于水槽中各种形态的水生植物的栽种与生长，用于室内模拟有水生植物生长的湖泊中沉积物污染释放。(4)表面开敞，可接入测速仪及各种水质在线监测仪器，实现在底泥污染释放过程中对上覆水流场及各物化指标的实时准确测量，测速仪固定装置可满足任意断面精确定位、探头稳定的流速测量要求。(5)本装置水体取样精度高，槽内稳定流场保证了样品采集时相对稳定的污染释放条件，自上而下设置带阀取样口可以实现不同深度水样的采集。(6)水槽内、外壁侧壁，两端弧形板及底板均采用平口螺丝拧合，易于拆装。与现有的水槽式模拟装置相比，本装置具有构造简单、造价相对较低、使用方便、适用范围广等优势。

附图说明

附图1是一种模拟水生植物对沉积物污染释放影响过程的发生装置的立体示意图。

附图2是一种模拟水生植物对沉积物污染释放影响过程的发生装置的纵断面示意图。

附图3是一种模拟水生植物对沉积物污染释放影响过程的发生装置的转碟示意图。

附图4是碟片示意图。

图中的1是底座、2是环形水槽槽体、3是带阀取样口、4是转碟、5是电机、6是可调式变频控制器、7是沉积物、8是上覆水、9是环形水槽的内壁、10是环形水槽的外壁、11是测速仪测杆、12是测速仪探头、13是垂向标尺、14是纵向标尺、15是测速仪固定夹、16是旋转螺杆、17是纵向滑轨、18是固定底板、19是带阀排水口、20是转碟转轴、21是碟片、22是插板、23是轴承。

具体实施方式

现结合附图对本发明实施方式作进一步说明。

实施例1

一种模拟水生植物对沉积物污染释放影响过程的发生装置及其制备方法。具体实施方式是：在图1中及图2中，该装置包括环形水槽、水流推进动力系统和流速测量固定装置，其中环形水槽的环形水槽槽体(2)的内壁(9)和外壁(10)采用厚0.5cm的长方形有机玻璃板，长120cm，高80厘米。两端弯道采用厚0.5cm的半圆形有机玻璃板，弯道内径10厘米，外径40厘米，内、外壁直道与两端弯道的有机玻璃板用平口螺丝拧合的方式连接，缝口用强力胶粘合，整个环形水槽槽体(2)用平口螺丝拧合于底座(1)上，底座(1)采用同槽体横断面同尺寸的有机玻璃板制。环形水槽槽体(2)正面和背面的外壁(10)正中自上而下依次排列设置6个带阀取样口(3)，每个带阀取样口(3)的间距为10cm，孔径0.4cm，环形水槽外壁10两侧下端各设置一个带阀排水口(19)，孔径0.4cm。

水流推进动力系统包括转碟(4)、电机(5)和可调式变频控制器(6)，转碟(4)由14个并列固定于穿过碟片圆心的转轴的厚1cm，直径20cm的圆形碟片(21)组成，等距布置，每两个碟片间隔1cm。每个圆形碟片侧面胶粘有32个长条形插板(22)，插板厚0.3cm，宽0.3cm，长5cm，呈等间隔辐射状分布。碟片(21)与插板(22)材质均采用有机玻璃板。在图1中对称的两个转弯处内外壁顶部均开有宽3cm，高6cm的凹槽，将安装有碟片(21)的转碟转轴(20)置于凹槽内，转轴(20)的一端连接于固定在内壁相应位置的轴承(23)上，另一端连接于固定在外壁相应位置的电机(5)机芯上，转轴(20)直径2cm，电机(5)采用A.Q.L牌的5IK120GU-C型号产品，可调式变频控制器(6)采样SENJU牌的CBB61型号产品，均为成品购置。电机(5)与可调式变频控制器(6)通过导线电路相连接。

流速量测固定装置(18)固定底板横向长50cm，纵向长35cm，用灰色PVC板制，横架在水槽体2的内、外壁上，固定底板正中开一矩形长孔，横向长15cm，纵向长30cm。沿孔的纵向边安装纵向滑轨(17)，在滑轨的中垂线位置安装旋转螺杆(16)，螺杆底部装有滚轮与滑轨连接，在旋转螺杆上安装测速仪固定夹(15)，纵向滑轨和旋转螺杆均配有标尺，将采集到的沉积物7平铺在水槽底部，在沉积物上种植水生植物。

模拟水生植物对沉积物污染释放影响过程的发生装置，其使用方法如下：

①将野外采集的厚15cm的原状沉积物(7)移入环形水槽槽体(2)底部，沉积物(7)采自太湖梅梁湾地区，在环形水槽槽体(2)中缓缓注入自来水作为上覆水(8)，上覆水(8)深50cm；

②将流速量测固定装置架于环形水槽槽体(2)的内壁(9)和外壁(10)上部，连接好测速仪，测速仪采用现有的多普勒流速仪(型号为MicroADV)，将测速仪测杆(11)固定于测速仪固定夹(15)上，伸入环形水槽槽体(2)中，使测速仪探头(12)位于上覆水(8)下，通过旋转螺杆(16)和纵向滑轨(17)来移动测速仪探头，通过垂向标尺(13)和纵向标尺(14)精准定位。垂线上自上至下布置6个流速测点，每个测点间隔10cm，多普勒流速仪采样频率设定为35HZ，每个测点采样时间为1min；

③分别连接两个水流推进动力系统的电源，同步开动电机带动转碟(4)，使两个转碟逆时针方向转动，水槽内形成稳定流场。设计实验工况，水体表面流速分别为9、30、60cm/s，根据测速仪观测结果，调整电机转速分别为20r/min、100r/min、250r/min，使水体表面流速达到实验设计强度，满足模拟不同风场造成不同流速的需要。转碟转动产生的动力作用于上覆水(8)，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污染释放；

④在保持转碟转速稳定的条件下，自上而下依次开启带阀取样口(3)的阀门分别采集上覆水样；

⑤上覆水样采集完毕后，可开启带阀排水口(19)的阀门放尽槽内上覆水；

⑥水样采用国家环境保护总局编《水和废水监测分析方法》(第四版)中方法测定TP。

表1不同电机转速下水体垂向流速分布及TP释放

实施例2

一种模拟水生植物对沉积物污染释放影响过程的发生装置及其实施方法。在具体实施方法中，在沉积物上种植苦草，种植密度为310株/m²，其余同实施例1。

表2不同电机转速下水体垂向流速分布及TP释放

实施例3

一种模拟水生植物对沉积物污染释放影响过程的发生装置及其实施方法。在具体实施方法中，在沉积物上种植菖蒲，种植密度为155株/m²，其余同实施例1。

表3不同电机转速下水体垂向流速分布及TP释放

Claims (4)

1.一种模拟水生植物对沉积物污染释放过程发生装置，其特征在于该装置结构由一个跑道型环形水槽，水流推进动力系统及流速测量固定装置三部分所构成，其中有机玻璃环形水槽由环形水槽槽体（2）与底座（1）连接所组成，环形水槽槽体（2）是由环形水槽外壁（10）和内壁（9）所组成，两个水流推进动力系统分别安装在水槽体（2）两端的弯道处，它包括转碟（4）、电机（5）和可调式变频控制器（6），其中转碟（4）通过转轴（20）与电机（5）连接，转轴（20）安置于环形水槽槽体（2）的内壁（9）和外壁（10）上部的凹槽中，一端连接于固定在内壁的轴承（23），另一端连接于固定在外壁的电机（5）机芯，可调式变频控制器（6）与电机（5）连接，控制电机的输出功率；流速量测固定装置架于环形水槽槽体（2）的内壁（9）和外壁（10）上部，它包括垂向标尺（13）、纵向标尺（14）、测速仪固定夹（15）、旋转螺杆（16）、纵向滑轨（17）和固定底板（18），其中固定底板（18）横架在水槽体（2）的内壁（9）和外壁（10）上，在固定底板（18）的正中开一矩形长孔，与水槽内壁至外壁的宽度相同，沿长孔的纵向边安装纵向滑轨（17），在滑轨的中垂线位置安装旋转螺杆（16），螺杆底部装有滚轮与滑轨连接，在旋转螺杆上安装测速仪固定夹（15），滑轨和螺杆均配有标尺；将测速仪测杆（11）固定在测速仪固定夹（15）上，测杆下端装有测速仪探头（12），将采集到的沉积物（7）平铺在水槽底部，在沉积物上种植水生植物。

2.根据权利要求1所述的模拟水生植物对沉积物污染释放过程发生装置，其特征在于所述的环形水槽外壁（10）正中，自上而下设有6~11个带阀取样口（3），取样口直径0.4cm，孔间距根据试验采样需要而定；并在两侧下端各设置一个带阀排水口（19），孔口直径0.4cm。

3.根据权利要求1所述的模拟水生植物对沉积物污染释放过程发生装置，其特征在于所述的水流推进动力系统中转碟（4）由14个宽1cm、直径20cm的圆形碟片（21）组成，碟片（21）并列固定于穿过碟片圆心的转轴（20）上，以1cm间隔等距布置，碟片数量视水槽宽度而定，每片碟片的一侧面上胶粘有32个长条形插板（22），插板（22）厚0.3cm，宽0.3cm，长5cm，呈等间隔辐射状分布，以增加碟片（21）与水体接触面积；所述碟片（21）及插板（22）均用有机玻璃板制。

4.一种用权利要求1所述的模拟水生植物对沉积物污染释放过程发生装置，其使用方法步骤如下：

① 将根据实验设计选取的15cm厚的野外原状沉积物（7）移入环形水槽槽体（2）底部，在环形水槽槽体（2）中缓慢注入野外采集的原水或自来水作为上覆水（8），水深为30~80cm，在沉积物（7）上部种植试验所需水生植物；

② 将流速测量固定装置架于环形水槽槽体（2）的内壁（9）和外壁（10）上部，将测速仪测杆（11）固定于测速仪固定夹（15）上，伸入环形水槽体（2）中，使测速仪探头（12）没入上覆水（8），通过旋转螺杆（16）和纵向滑轨（17）来移动测速仪探头，通过垂向标尺（13）和纵向标尺（14）对测速仪探头进行精准定位；

 ③ 分别连接两个水流推进动力系统的电源，同步开动电机（5）带动转碟（4），使两个转碟（4）同方向转动，水槽内形成稳定流场，根据测速仪观测结果，通过可调式变频控制器（6）调整电机（5）转速，改变水体表面速度以达到实验设计要求，模拟不同风强施加于上覆水体（8）造成的水体扰动，在水动力作用下，水槽底部的沉积物（7）发生污染释放；

 ④ 在维持转碟（4）转速稳定的条件下，自上而下依次开启带阀取样口（3）的阀门分别采集上覆水样；

⑤ 根据实验需要，在上覆水样采集完毕后，可开启带阀排水口（19）的阀门放尽槽内上覆水，采集沉积物样品以及水生植物样品；

⑥ 根据实验需要，将采集的上覆水样、沉积物样品及水生植物样品进行理化指标及生物指标的分析。

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