CN102879176B - 用于模拟浅水湖泊风生垂向环流作用下沉积物再悬浮的装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种用于模拟沉积物在浅水湖泊风生垂向环流条件下再悬浮的装置及方法。该装置包括矩形水槽、水流推进动力系统及流速测量装置。水槽底部平铺采集的沉积物。通过变频调速电机带动传送带，通过传送带带动表面水体运动，水体遇水槽边壁后下潜至沉积物表面以相反方向运动，在纵剖面形成浅水湖泊风生流中普遍存在的垂向环流结构，以模拟不同风强和不同水深条件下浅水湖泊风生垂向环流下的沉积物再悬浮的过程。通过流速测量装置精准定位流速测量仪器，观测矩形水槽纵断面所形成的风生环流流场。该装置的优点在于真实模拟了浅水湖泊在不同风强和不同水深条件下湖内形成的垂向风生环流结构，进而可以测得在风生环流驱动下湖底沉积物再悬浮的过程。

Description

用于模拟浅水湖泊风生垂向环流作用下沉积物再悬浮的装置及方法

技术领域

本发明涉及浅水湖泊风生垂向环流作用下沉积物再悬浮的一种装置及方法，适用于模拟在不同风强与水深条件下，浅水湖泊垂向形成的不同大小环流流速作用情况下的湖泊底部沉积物发生的再悬浮与污染物释放过程，是用于浅水湖泊水与沉积物交界面特性研究的实验设备。

背景技术

我国湖泊众多，随着经济快速发展和人口增加,对湖泊资源的不合理利用、随意排放污水、废物，带来了越来越严重的环境问题，尤其是长江中下游地区浅水湖泊的水质污染与富营养化问题十分突出。目前湖泊水环境的治理与改善已受到广泛的关注，其中内源释放研究是一个关键问题。在浅水湖泊中水动力条件对沉积物的再悬浮有重要影响，而影响湖泊水动力过程的主要因素是风，在风应力作用下，各层稳定状态的流场之间存在着切变，水体由上层至下层依次由风应力影响区过渡到底摩擦力影响区。在不同强度，不同持续时间的风场作用下，大部分浅水湖区会发生流向在垂直方向上的切变，形成表层与底层流向相反的环流结构，该环流结构在太湖、巢湖等典型浅水湖泊中都被观测到，并得到验证，该水力结构对湖泊中水体与沉积物的物质交换和能量的传输有重大影响。

现阶段，通过模拟出垂向环流来研究天然浅水湖泊中沉积物再悬浮的装置在环保领域还是空白，目前模拟天然湖泊沉积物再悬浮的常用方法有锥形瓶式、直管式和水槽式三种。锥形瓶式使用振荡器将置于瓶中的沉积物与上覆水一起震荡，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再悬浮的过程有较大差距；直管式用活塞上下运动或旋桨旋转造成上覆水体扰动，与实际情况也相差很大；水槽式是用旋桨推进器、造波机或鼓风机造成沉积物上方水体运动，从而产生沉积物再悬浮。以上这些方法对上覆水产生的动力扰动或者是左右震动、或者是上下挤压、或者是离心转动，或者是水体整体水平运动，都未能真实反映出浅水湖泊风生流作用下产生的表层流与底层流反向运动的特性，即无法模拟出浅水湖泊中存在的垂向环流。

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，提供一种更符合天然浅水湖泊风生流条件下沉积物再悬浮过程的装置与方法。此装置能模拟不同强度风场形成的垂向环流结构，进行不同深度水体样品的采集和不同深度流速的测定，有效再现了风生环流作用下沉积物的悬浮释放过程。

本发明的技术解决方案是：

一种用于模拟浅水湖泊风生垂向环流作用下沉积物再悬浮的装置，其特征在于该装置由一个矩形水槽、水流推进动力系统和流速测量装置构成，其中，水槽1为矩形，上口四周带有翻边，其上安装水流推进动力系统，该系统包括动力系统固定架2和水流推进动力设备两部分，其中固定架2由一个可嵌入水槽的长方形内框和4个带有钻孔8的有机玻璃条9组成，长钉7穿过钻孔8将固定架2搁置在水槽的翻边上；水流推进动力设备中变频调速电机3安装在固定架2上边框拐角，电机转轴通过橡胶履带4带动下方的轴承5转动，前后两个轴承两端固定在动力系统固定架2的长方形内框上，轴承上安装两条传送带6；流速测量装置通过底板14安置在动力系统固定架2上，垂向标尺15和螺旋杆16垂直固定在底板14上，测速仪探头18通过流速仪固定夹17与螺旋杆16相连接。

所述的一种用于模拟浅水湖泊风生垂向环流作用下沉积物再悬浮的装置，其特征在于所述水槽1为矩形，水槽一侧的外壁正中自上而下设有4～6个带阀取样孔10，并在下端设置一个带阀排水孔11。

所述的一种用于模拟浅水湖泊风生垂向环流作用下沉积物再悬浮的装置，其特征在于所述传送带6上带有均匀分布的齿轮状小凹槽，并通过粘贴有机玻璃薄片19进行加糙。

一种使用模拟浅水湖泊风生垂向环流作用下沉积物再悬浮的装置进行沉积物再悬浮的方法，其特征在于该方法步骤如下：

A. 将未扰动采集到的沉积物12置于矩形水槽1底部；

B. 用虹吸法向水槽1中加入上覆水13；

C. 将长钉7穿过不同高度的钻孔8来调节动力系统固定架2的高度，从而使固定架2上的传送带6的底面与上覆水13表面相接触；

D. 开启变频调速电机3，电机转轴通过橡胶履带4带动下方的轴承5转动，与轴承5相连接的两条传送带6一起运动，由传送带6带动上覆水13表层水体运动，水体遇水槽1边壁后下潜至沉积物12表层以相反方向运动，以形成不同流速的垂向环流，实现浅水湖泊风生流条件下的沉积物再悬浮的模拟；

E．通过螺旋杆16调节测速仪探头18的上下高度进行流速测量；

F．通过不同高度的带阀取样孔10采集不同深度的上覆水13进行水样测定。

本发明的优点和效果在于：（1）在矩形水槽中用传送带滚动带动表层水体流动可形成浅水湖泊中广泛存在的风生垂向环流，比振荡式、活塞式、旋桨式、风吹式等方法产生的扰动更接近浅水湖泊水体中沉积物再悬浮的实际流场情况；（2）传送带设有均匀排布的小凹槽，并进行了加糙处理，这样能够保证达到试验所需要的底部水体剪切流速大小值；（3）通过调节变频电机驱动传送带可以模拟不同风强条件下湖流对沉积物的动力作用；（4）动力系统固定架可上下调节位置，以实现不同深度上覆水的试验要求；（5）可以接入流速测量装置，准确测量观察槽内流场分布状况；（6）本装置产生的流场稳定，从而保证水样采集时也有相对稳定的再悬浮条件；（7）本装置与现有的水槽式装置相比，具有构造简单，占地面积小，价格便宜，操作方便等优势。

附图说明

图1是用于模拟浅水湖泊风生垂向环流作用下沉积物再悬浮装置的立体示意图。

图2是用于模拟浅水湖泊风生垂向环流作用下沉积物再悬浮装置的横断面示意图。

图3是用于模拟浅水湖泊风生垂向环流作用下沉积物再悬浮装置的动力系统装置细节示意图。

图4是水深25cm，电机转速90r/min的流场图。

图5是水深25cm，电机转速110r/min的流场图。

图6是水深30cm，电机转速90r/min的流场图。

图7是水深30cm，电机转速110r/min的流场图。

附图标记：图中1是矩形水槽、2是动力系统固定架、3是可变频调速电机、4是橡胶履带、5是轴承、6是传送带、7是长钉、8是钻孔、9是有机玻璃条、10是带阀取样孔、11是带阀排水孔、12是沉积物、13是上覆水、14是底板、15是垂向标尺、16是螺旋杆、17是流速仪固定夹、18是测速仪探头、19嵌于传送带上的有机玻璃薄片

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

一种用于模拟浅水湖泊风生垂向环流作用下沉积物再悬浮的装置。具体实施方式是：

该装置由一个矩形水槽、水流推进动力系统和流速测量装置构成，参看图1-图3，矩形水槽1，采用厚1cm的有机玻璃制成，长50cm、宽38cm、高48cm，上口四周粘贴翻边，翻边为宽5cm、厚2cm的有机玻璃条，水槽1正面的外壁正中自上而下依次排列设置6个带阀取样孔10，每个带阀取样孔10的间距为5㎝，孔径0.4cm，环形水槽外壁下端设置一个带阀排水孔11，孔径0.4cm；

水槽1上方安装水流推进动力系统，该系统包括动力系统固定架2和水流推进动力设备两部分，动力系统固定架2由一个可嵌入水槽的长方形内框和4个带有钻孔8的有机玻璃条9组成，长方形内框由厚2cm的有机玻璃制成，长42cm、宽34cm，高12cm，底部镂空，有机玻璃条9高40cm、宽6.5cm、厚度2cm，其上共有6个孔，间隔5cm，有机玻璃条9通过TG-1932胶粘贴在长方形内框的四个角外侧，钻孔8的孔径为1.5cm，将4个长为4cm的长钉7的一头分别穿入四个有机玻璃条上的钻孔8，另一头搁置于水槽1上口的翻边上，利用长钉7穿过不同高度的钻孔8来调节动力系统固定架2在水槽1上方的高度；

水流推进动力设备由可调频电机3、橡胶履带4以及与轴承5连接的传送带6组成，其中变频调速电机3安装在固定架2上边框拐角，变频调速电机3型号为A.Q.L牌的5IK120GU-C，电机转轴通过橡胶履带4带动下方的轴承5转动，前后两个轴承间距40cm，轴承两端固定在动力系统固定架2的长方形内框上，轴承上安装两条传送带6，每条传送带单边长40cm、宽10cm，传送带6上带有均匀分布的齿轮状小凹槽，并通过粘贴长度为10cm（与传送带等宽）、宽度为0.5cm、高度为 0.8cm的有机玻璃薄片进行加糙；

流速测量装置通过底板14放置在动力系统固定架2上，底板14为长度50 cm、宽度12cm、厚度4cm的PVC塑料板，垂向标尺15和螺旋杆16垂直固定在底板14上，测速仪探头18通过流速仪固定夹17与螺旋杆16相连接，测速仪采用多普勒流速仪(型号为MicroADV)。

实施例2

一种使用模拟浅水湖泊风生垂向环流作用下沉积物再悬浮的装置进行沉积物再悬浮的方法，其特征在于该方法步骤如下：

A. 将未经扰动采集到的5cm厚的沉积物12放置于矩形水槽1底部；

B. 用虹吸法向水槽1中加入水深25cm的上覆水13；

C. 将4个长钉7的一头分别穿入四个有机玻璃条从下往上数的第二个钻孔8，另一头搁置于水槽1上口的翻边上，使水流推进动力设备中的传送带6的底面与上覆水13表面相接触;

D. 开启变频调速电机3，将转速设定为90r/min，电机转轴通过橡胶履带4带动下方的轴承5转动，与轴承5相连接的传送带6一起运动，由传送带6带动上覆水13表层水体运动，水体遇水槽边壁后下潜至沉积物表层以相反方向运动，以形成不同流速和水深条件下的垂向环流，实现浅水湖泊风生流条件下的沉积物再悬浮的模拟；

E．将流速测量装置放置于矩形水槽1槽体上方，用流速仪固定夹17将测速仪连接到螺旋杆16上，测速仪采用多普勒流速仪(型号为MicroADV)，从两条传送带中间将测速仪探头18伸入矩形水槽1内的上覆水13中，通过流速测量装置上的旋转螺杆16来垂向移动测速仪探头，通过垂向标尺15实现不同水深的精准定位，多普勒流速仪采样频率设定为35HZ，每个测点采样时间为1min，共计2100个瞬时流速值，每条垂线测完通过移动底板进行下一条垂线的测量，最终得出水深25cm、转速90r/min的纵剖面流场，具体见图4；

F．选取从下至上的第二个和第四个带阀取样孔10采集不同深度的上覆水13进行ss测定，测得ss值分别为870mg/l和820mg/l。

实施例3

一种使用模拟浅水湖泊风生垂向环流作用下沉积物再悬浮的装置进行沉积物再悬浮的方法，在具体的实施方法中，改变调速电机3的转速为110r/min，其余同实施例2，可以得出水深25cm、转速110r/min的纵剖面流场，具体见图5，测得ss值分别为940mg/l和920mg/l。

实施例4

一种使用模拟浅水湖泊风生垂向环流作用下沉积物再悬浮的装置进行沉积物再悬浮的方法，在具体的实施方法中，改变上覆水的水深为30cm，其余同实施例2，可以得出水深30cm转速、90r/min的纵剖面流场，具体见图6，测得ss值分别为780mg/l和740mg/l。

实施例5

一种使用模拟浅水湖泊风生垂向环流作用下沉积物再悬浮的装置进行沉积物再悬浮的方法，在具体的实施方法中，改变上覆水的水深为30cm，并改变调速电机3转速为110r/min，其余同实施例2，可以得出水深30cm、转速110r/min的纵剖面流场，具体见图7，测得ss值分别为830mg/l和800mg/l。

Claims (4)

1.一种用于模拟浅水湖泊风生垂向环流作用下沉积物再悬浮的装置，其特征在于该装置由一个矩形水槽、水流推进动力系统和流速测量装置构成，其中，矩形水槽(1)的上口四周粘贴翻边，其上安装水流推进动力系统，该系统包括动力系统固定架(2)和水流推进动力设备两部分，其中动力系统固定架(2)由一个能嵌入矩形水槽的长方形内框和4个带有钻孔(8)的有机玻璃条(9)组成，四个长钉(7)分别穿过有机玻璃条上的钻孔(8)将动力系统固定架(2)搁置在矩形水槽(1)的翻边上；水流推进动力设备中变频调速电机(3)安装在动力系统固定架(2)上边框拐角，电机转轴通过橡胶履带(4)带动下方的轴承(5)转动，前后两个轴承(5)两端分别固定在动力系统固定架(2)的长方形内框上，前后两个轴承上安装两条传送带(6)；流速测量装置通过底板(14)安置在动力系统固定架(2)上，垂向标尺(15)和螺旋杆(16)垂直固定在底板(14)上，测速仪探头(18)通过流速仪固定夹(17)与螺旋杆(16)相连接。

2.根据权利要求1所述的一种用于模拟浅水湖泊风生垂向环流作用下沉积物再悬浮的装置，其特征在于所述矩形水槽(1)的一侧的外壁正中自上而下设有4～6个带阀取样孔(10)，并在下端设置一个带阀排水孔(11)。

3.根据权利要求1所述的一种用于模拟浅水湖泊风生垂向环流作用下沉积物再悬浮的装置，其特征在于所述传送带(6)上带有均匀分布的齿轮状小凹槽，每个小凹槽内分别粘贴一条有机玻璃薄片(19)进行加糙。

4.一种使用如权利要求2所述用于模拟浅水湖泊风生垂向环流作用下沉积物再悬浮的装置进行沉积物再悬浮的方法，其特征在于该方法步骤如下：

A.将未扰动采集到的沉积物(12)置于矩形水槽(1)底部；

B.用虹吸法向水槽(1)中加入上覆水(13)；

C.将长钉(7)穿过不同高度的钻孔(8)来调节动力系统固定架(2)的高度，从而使固定架(2)上的传送带(6)的底面与上覆水(13)表面相接触；

D.开启变频调速电机(3)，电机转轴通过橡胶履带(4)带动下方的轴承(5)转动，与轴承(5)相连接的两条传送带(6)一起运动，由传送带(6)带动上覆水(13)表层水体运动，水体遇水槽(1)边壁后下潜至沉积物(12)表层以相反方向运动，以形成不同流速的垂向环流；

E.通过螺旋杆(16)调节测速仪探头(18)的上下高度进行流速测量；

F.通过不同高度的带阀取样孔(10)采集不同深度的上覆水(13)进行水样测定。