CN103235018B - 雨水水质监测及入渗模拟综合实验仪 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种雨水水质监测及入渗模拟综合实验仪，至少包括底座以及安装于底座上的有机玻璃壳，有机玻璃壳上以及其内部设有集雨装置、前处理装置、监测系统以及入渗实验模拟装置，其中集雨装置至少包括集雨板、雨水分流器和雨水收集箱；前处理装置至少包括酸试剂投放器、夹压式换膜过滤器以及取样阀；监测系统至少包括流量计和多功能检测装置；入渗实验模拟装置至少包括雨水缓存箱和土柱，土柱位于雨水缓存箱的下方且通过土柱支架竖直固定于有机玻璃壳内的底部，雨水缓存箱底部的出水口经过导管通向土柱的顶端。本发明解决了现有技术中的不足，能够满足上述雨水回灌研究以及各地雨水水文地球化学特征调查的需求。

Description

雨水水质监测及入渗模拟综合实验仪

技术领域

本发明提供了一种雨水水质监测及入渗模拟综合实验仪，用于雨水水质监测和前处理以及回灌入渗实验模拟，属于水文地质领域。

背景技术

随着水资源的匮乏日益加剧，雨水的利用逐渐引起人们的关注，有关雨水收集和利用的方法不断被提出，美国和日本等国家就雨水回灌补给地下水已经开展了大量研究和应用。我国的雨水利用研究起步较晚，但是随着地下水超采引发的水文地质问题不断加剧，雨水的利用也越来越引起社会的关注，雨水的利用首先要考虑到雨水的组成特征。由于工业烟尘的排放，雨水受到严重的污染，雨水的酸化已经带来了严重的后果。近年来，土壤重金属污染不断被检出，有人认为土壤重金属的源污染也与雨水的水质有很大的关系，因此，对雨水水质和水质与包气带土壤之间相互影响机理的研究具有重要的意义。

进行雨水的水质研究必然要进行雨水的收集，收集的雨水必须经过前处理才能进行阴阳离子、有机质等仪器测定。目前市场上没有用于水质监测和前处理以及实时雨水入渗实验模拟装置，已有的装置有的只能进行雨水的收集，有的只能进行降雨强度的测定，有的只能进行PH、温度等参数的简单测定。要完成雨水的收集监测和前处理以及入渗实验模拟必须进行很多复杂的工作，没有时效性而且需要耗费大量的人力。

发明内容

本发明提供了一种用于雨水水质监测和前处理以及回灌入渗实验模拟综合试验仪，解决了上述现有技术中的不足，能够满足上述雨水回灌研究以及各地雨水水文地球化学特征调查的需求。

实现本发明上述目的所采用的技术方案为：

一种雨水水质监测及入渗模拟综合实验仪，至少包括底座以及安装于底座上的有机玻璃壳，有机玻璃壳上以及其内部设有集雨装置、前处理装置、监测系统以及入渗实验模拟装置，其中集雨装置至少包括集雨板、雨水分流器和雨水收集箱，集雨板呈漏斗状且安装于有机玻璃壳的顶部，集雨板的底部出水口通过橡胶管与雨水分流器连接，雨水分流器上至少设有四个出水口，其中一个出水口通过橡胶管与位于有机玻璃壳底部的雨水收集箱连接；前处理装置至少包括酸试剂投放器、夹压式换膜过滤器以及取样阀，酸试剂投放器固定于有机玻璃壳内的中部隔层中且与雨水分流器上的一个出水口连接，酸试剂投放器的底部与位于其下方的夹压式换膜过滤器连接，取样阀固定于有机玻璃壳的外壁上，夹压式换膜过滤器的底部通过橡胶管连接取样阀，雨水经雨水分流器分流进入酸试剂投放器中与酸试剂混合均匀，然后经夹压式换膜过滤器过滤后由取样阀流出；监测系统至少包括流量计和多功能检测装置，流量计连接于集雨板的底部出水口与雨水分流器之间，且固定在有机玻璃壳的外壁上，多功能检测装置包括多功能检测盒和多参数仪，多功能检测盒位于有机玻璃壳内的中部隔层内且通过橡胶管与雨水分流器的一个出水口连接，多功能检测盒中设有用于检测各种水质参数的高灵敏电极，高灵敏电极均通过数据线与多参数仪连接；入渗实验模拟装置至少包括雨水缓存箱和土柱，雨水缓存箱通过橡胶管与雨水分流器上的一个出水口连接，土柱位于雨水缓存箱的下方且通过土柱支架竖直固定于有机玻璃壳内的底部，雨水缓存箱底部的出水口经过导管通向土柱的顶端。

还设有自动化控制系统，所述自动化控制系统包括电路板、单片机、电磁阀、蓄电池以及多档式开关，电路板安装于有机玻璃壳的内壁上，单片机安装于电路板上，电磁阀安装在与雨水分流器出水口连接的橡胶管上，且电磁阀与雨水分流器出水口的数量对应设有四个，分别为电磁阀A、电磁阀B、电磁阀C和电磁阀D，四个电磁阀依次通过橡胶管连接酸试剂投放器、多功能检测盒、雨水收集箱以及雨水缓存箱，蓄电池作为自动化控制系统的电源，位于有机玻璃壳的底部，电磁阀A、电磁阀B、电磁阀C和电磁阀D均通过数据线与电路板连接。

自动化控制系统中还设有三个光电液位传感器，三个光电液位传感器分别位于雨水缓存箱、雨水收集箱以及酸试剂投放器中。

自动化控制系统中还设有红外线接收器以及远程遥控器，红外线接收器安装于电路板上，接收来自远程遥控器的信号指令并将指令传输至单片机。

底座为可升降底座，分为上下两层，其中下层为固定底架，底架下方安装有滑轮；上层为有机玻璃板，上层通过升降螺杆安装于下层上且能够在下层上升降，升降螺杆的顶部设有便于调节有机玻璃板高度的调节手轮，上层中还设有微调螺丝。

集雨板的上方设有挡风板，集雨板的出水口的上方设有防尘罩。

酸试剂投放器包括橡胶管、投放手柄以及混匀瓶，混匀瓶通过橡胶管与雨水分流器上的一个出水口连接，混匀瓶上设有试剂投放口，混匀瓶的底部设有三通管，混匀瓶通过三通管与夹压式换膜过滤器连接。

夹压式换膜过滤器由上压板、上下压膜环、微孔垫板、下压板、0.45μm混合纤维滤膜、硅胶垫圈、弹簧、长螺丝及槽扣组成，上下压膜环、微孔垫板、0.45μm混合纤维滤膜以及硅胶垫圈被夹在上压板和下压板之间，长螺丝、弹簧及扣槽将上压板和下压板进行相对固定。

监测系统中还设有风向仪和电脑，风向仪安装于集雨板的上方，电脑通过数据线与多参数仪连接。

入渗实验模拟装置中的土柱设有两个，均为三段式原状土柱，每个土柱均分为上、中、下三段，段与段之间可拆卸且段与段之间通过硅胶垫圈和铁扣密封，相邻两段之间以及土柱的底部均设有监测电极，监测电极通过数据线与多参数仪连接；两土柱的上段中一个装入过滤材料，另一个不装过滤材料，中段均装入集雨地点附近的表层原状土壤，下段中均装入集雨地点附近的深层原状土壤。

本发明所提供的雨水水质监测及入渗模拟综合实验仪与现有技术相比有以下优点：一是本仪器利用漏斗状集雨板和挡风板，保证集雨的面积总是固定的，从而可以利用玻璃转子流量计测定的流量计算出降雨强度，风向仪可以测得降雨时的风向变化情况。二是雨水分流器保证了雨水平均流向各个功能模块的检测、收集以及实验需求，前处理装置中的夹压式换膜过滤器可以预处理雨水。三是雨水经过多功能检测盒自下而上的作用下保持雨水的实时监测，雨水可以不断更新，使得多参数仪总是测量雨水实时参数，仪器能够随时监测降雨过程中雨水的水质变化情况。四是入渗实验模拟功能，通过多层式原状土柱能够灵活模拟雨水入渗包气带土壤的过程，对分析研究雨水回灌影响土壤和地下水的机理以及地下水污染的防治具有重要的应用价值和科研意义。同时本发明中设有的自动化控制系统能够通过远程自动化控制实验仪，从而避免了人为操作对雨水各数据产生的影响。本发明所提供的综合实验仪实时的监测了降雨过程中雨水水质的各种变化情况同时模拟了雨水实时入渗包气带土壤，对分析研究雨水回灌影响土壤和地下水的机理，重金属污染物在包气带土壤中的迁移规律的研究以及地下水污染的防治具有重要的应用价值和科研意义，本发明所提供的实验仪还可以应用于实验室雨水样品采集的专用仪器，具有很大的产品开发价值。

附图说明

图1为本发明提供的雨水水质监测及入渗模拟综合实验仪的整体结构示意图。

图中：1-集雨板，2-防尘罩，3-雨水分流器，4-流量计，5-电磁阀A，6-电磁阀B，7-光电液位传感器,8-混匀瓶，9-电磁阀C，10-多功能检测盒，11-三通管，12-夹压式换膜过滤器，13-取样阀，14-采样瓶，15-雨水收集箱，16-滑轮，17-底架，18-微调螺丝，19-有机玻璃板，20-升降螺杆，21-土柱支架，22-高灵敏电极，23-铁扣，24-三段式原状土柱，25-监测电极,26-电磁阀D，27-硅胶垫圈，28-橡皮塞，29-雨水缓存箱，30-多参数仪，31-蓄电池，32-有机玻璃壳,33-风向仪，34-USB数据接口，35-电路板。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做详细具体的说明。

本实施例中所提供的雨水水质监测及入渗模拟综合实验仪的结构如图1所示，其主体为底座以及安装于底座上的有机玻璃壳32，有机玻璃壳32上以及有机玻璃壳32内部设有集雨装置、前处理装置、监测系统、入渗实验模拟装置以及自动化控制系统五个功能单元。为了使综合实验仪适用于各种地面环境，本实施例中的底座为可升降底座，分为上下两层，其中下层为固定底架，底架17下方安装有滑轮16；上层为有机玻璃板19，上层通过升降螺杆20安装于下层上且能够在下层上升降，升降螺杆20的顶部设有便于调节有机玻璃板高度的调节手轮，上层中还设有微调螺丝18。当综合实验仪所工作的地面为倾斜或凸凹不平时，能够通过调节升降螺杆20以及微调螺丝18，从而使有机玻璃板19整体处于水平状。

集雨装置包括集雨板1、雨水分流器3和雨水收集箱15，集雨板1呈漏斗状且安装于有机玻璃壳32的顶部，集雨板1的上方设有挡风板。集雨板1的底部出水口通过橡胶管与雨水分流器3连接，集雨板1的出水口的上方设有防尘罩2，雨水分流器3上至少设有四个出水口，其中一个出水口通过橡胶管与位于有机玻璃壳底部的雨水收集箱15连接。

前处理装置至少包括酸试剂投放器、夹压式换膜过滤器12以及取样阀13，酸试剂投放器固定于有机玻璃壳32内的中部隔层中且与雨水分流器3上的一个出水口连接，酸试剂投放器的底部与位于其下方的夹压式换膜过滤器12连接，在本实施例中酸试剂投放器包括橡胶管、投放手柄以及混匀瓶8，混匀瓶8通过橡胶管与雨水分流器3上的一个出水口连接，混匀瓶8上设有试剂投放口，混匀瓶8的底部设有三通管11，混匀瓶8通过三通管11与夹压式换膜过滤器12连接。夹压式换膜过滤器12由上压板、上下压膜环、微孔垫板、下压板、0.45μm混合纤维滤膜、硅胶垫圈、弹簧、长螺丝及槽扣组成，其中上下压膜环、微孔垫板、0.45μm混合纤维滤膜以及硅胶垫圈被夹在上压板和下压板之间，长螺丝、弹簧及扣槽将上压板和下压板进行相对固定。取样阀13固定于有机玻璃壳32的外壁上，夹压式换膜过滤器12的底部通过橡胶管连接取样阀13，雨水经雨水分流器3分流进入混匀瓶8中与酸试剂混合均匀，然后经夹压式换膜过滤器12过滤后由取样阀13流进采样瓶14中，对采样瓶14中的雨水进行分析化验。

监测系统包括流量计4、多功能检测装置、风向仪33和电脑，流量计4连接于集雨板1的底部出水口与雨水分流器3之间，且固定在有机玻璃壳32的外壁上，流量计4采用玻璃转子流量计。多功能检测装置包括多功能检测盒10和多参数仪30，多功能检测盒10位于有机玻璃壳32内的中部隔层内且通过橡胶管与雨水分流器3的一个出水口连接，多功能检测盒10中设有用于检测各种水质参数的高灵敏电极22，高灵敏电极22均通过数据线与多参数仪30连接，将各个电极测得的雨水数据通过多参数仪30显示并储存。多参数仪30上还设有USB数据接口34，电脑通过数据线与多参数仪30连接，从而对多参数仪中保存的雨水数据进行分析计算。风向仪33安装于挡风板的上方，监测实时风向。

入渗实验模拟装置至少包括雨水缓存箱29和土柱，雨水缓存箱29通过橡胶管与雨水分流器3上的一个出水口连接，土柱位于雨水缓存箱29的下方且通过土柱支架21竖直固定于有机玻璃壳32内的底部，雨水缓存箱29底部的出水口经过导管通向土柱的顶端。本实施例中土柱设有两个，均为三段式原状土柱24，每个土柱均分为上、中、下三段，段与段之间可拆卸且段与段之间通过硅胶垫圈27和铁扣23密封，土柱的顶端设有橡皮塞28密封，相邻两段之间以及土柱的底部均设有监测电极25，监测电极25通过数据线与多参数仪30连接；两土柱的上段中一个装入过滤材料，另一个不装过滤材料，中段均装入集雨地点附近的表层原状土壤，下段中均装入集雨地点附近的深层原状土壤，以此作对照实验。

自动化控制系统包括电路板35、单片机、电磁阀、蓄电池31、多档式开关、光电液位传感器7、红外线接收器以及远程遥控器，其中电路板35安装于有机玻璃壳32的内壁上，单片机安装于电路板35上，电磁阀安装在与雨水分流器3出水口连接的橡胶管上，且电磁阀与雨水分流器3出水口的数量对应设有四个，分别为电磁阀A5、电磁阀B6、电磁阀C9和电磁阀D26，四个电磁阀依次通过橡胶管连接混匀瓶8、多功能检测盒10、雨水收集箱15以及雨水缓存箱29，蓄电池31作为自动化控制系统的电源，位于有机玻璃壳32的底部，电磁阀A5、电磁阀B6、电磁阀C9和电磁阀D26均通过数据线与电路板35连接。光电液位传感器7设有三个，三个光电液位传感器7分别位于雨水缓存箱29、雨水收集箱15以及混匀瓶8中，用于监测液位。红外线接收器安装于电路板上，接收来自远程遥控器的信号指令并将指令传输至单片机。

本发明所提供的用于雨水水质监测及入渗模拟综合实验仪的工作原理如下：整个仪器中的集雨装置、前处理装置、监测系统、入渗实验模拟装置都通过自动化控制系统自动控制着；降雨过程中通过远程遥控仪器的运行；雨水通过集雨板承接到雨水分流器中，雨水分流器将雨水平均分成四股水流分别通过橡胶导管提供给各个功能单元，电路板通过光电液位传感器控制着电磁阀的开合，实现了整个仪器自动化的运作。仪器中的集雨装置及前处理装置将雨水样品采集后保存，以备实验室对雨水的阴阳离子进行检测和分析，监测系统和土柱入渗模拟装置监测得到的水质数据通过数据线传输到多参数仪中显示并储存，数据还可以通过USB数据接口传输到电脑里面进行进一步数据处理和分析。这样就可以监测得到某地的降雨过程中的雨强、雨水样品、雨水水质状况、某地水文地球化学特征、雨水入渗状况、雨水与包气带土壤间的相互影响机理。对雨水的回灌，重金属在包气带中迁移规律的研究以及地下水污染防治工作都有着重大的指导意义。

Claims (9)

1.一种雨水水质监测及入渗模拟综合实验仪，其特征在于：至少包括底座、安装于底座上的有机玻璃壳、集雨装置、前处理装置、监测系统以及入渗实验模拟装置，其中集雨装置至少包括集雨板、雨水分流器和雨水收集箱，集雨板呈漏斗状且安装于有机玻璃壳的顶部，集雨板的底部出水口通过橡胶管与雨水分流器连接，雨水分流器上至少设有四个出水口，其中一个出水口通过橡胶管与位于有机玻璃壳底部的雨水收集箱连接；前处理装置至少包括酸试剂投放器、夹压式换膜过滤器以及取样阀，酸试剂投放器固定于有机玻璃壳内的中部隔层中且与雨水分流器上的一个出水口连接，酸试剂投放器的底部与位于其下方的夹压式换膜过滤器连接，取样阀固定于有机玻璃壳的外壁上，夹压式换膜过滤器的底部通过橡胶管连接取样阀，雨水经雨水分流器分流进入酸试剂投放器中与酸试剂混合均匀，然后经夹压式换膜过滤器过滤后由取样阀流出；监测系统至少包括流量计和多功能检测装置，流量计连接于集雨板的底部出水口与雨水分流器之间，且固定在有机玻璃壳的外壁上，多功能检测装置包括多功能检测盒和多参数仪，多功能检测盒位于有机玻璃壳内的中部隔层内且通过橡胶管与雨水分流器的一个出水口连接，多功能检测盒中设有用于检测各种水质参数的高灵敏电极，高灵敏电极均通过数据线与多参数仪连接；入渗实验模拟装置至少包括雨水缓存箱和土柱，雨水缓存箱通过橡胶管与雨水分流器上的一个出水口连接，土柱位于雨水缓存箱的下方且通过土柱支架竖直固定于有机玻璃壳内的底部，雨水缓存箱底部的出水口经过导管通向土柱的顶端；实验仪中还设有自动化控制系统，所述自动化控制系统包括电路板、单片机、电磁阀、蓄电池以及多档式开关，电路板安装于有机玻璃壳的内壁上，单片机安装于电路板上，电磁阀安装在与雨水分流器出水口连接的橡胶管上，且电磁阀与雨水分流器出水口的数量对应设有四个，分别为电磁阀A、电磁阀B、电磁阀C和电磁阀D，四个电磁阀依次通过橡胶管连接酸试剂投放器、多功能检测盒、雨水收集箱以及雨水缓存箱，蓄电池作为自动化控制系统的电源，位于有机玻璃壳的底部，电磁阀A、电磁阀B、电磁阀C和电磁阀D均通过数据线与电路板连接。

2.根据权利要求1所述的雨水水质监测及入渗模拟综合实验仪，其特征在于：自动化控制系统中还设有三个光电液位传感器，三个光电液位传感器分别位于雨水缓存箱、雨水收集箱以及酸试剂投放器中。

3.根据权利要求1所述的雨水水质监测及入渗模拟综合实验仪，其特征在于：自动化控制系统中还设有红外线接收器以及远程遥控器，红外线接收器安装于电路板上，接收来自远程遥控器的信号指令并将指令传输至单片机。

4.根据权利要求1所述的雨水水质监测及入渗模拟综合实验仪，其特征在于：底座为可升降底座，分为上下两层，其中下层为固定底架，底架下方安装有滑轮；上层为有机玻璃板，上层通过升降螺杆安装于下层上且能够在下层上升降，升降螺杆的顶部设有便于调节有机玻璃板高度的调节手轮，上层中还设有微调螺丝。

5.根据权利要求1所述的雨水水质监测及入渗模拟综合实验仪，其特征在于：集雨板的上方设有挡风板，集雨板的出水口的上方设有防尘罩。

6.根据权利要求1所述的雨水水质监测及入渗模拟综合实验仪，其特征在于：酸试剂投放器包括橡胶管、投放手柄以及混匀瓶，混匀瓶通过橡胶管与雨水分流器上的一个出水口连接，混匀瓶上设有试剂投放口，混匀瓶的底部设有三通管，混匀瓶通过三通管与夹压式换膜过滤器连接。

7.根据权利要求1所述的雨水水质监测及入渗模拟综合实验仪，其特征在于：夹压式换膜过滤器由上压板、上下压膜环、微孔垫板、下压板、0.45μm混合纤维滤膜、硅胶垫圈、弹簧、长螺丝及槽扣组成，上下压膜环、微孔垫板、0.45μm混合纤维滤膜以及硅胶垫圈被夹在上压板和下压板之间，长螺丝、弹簧及扣槽将上压板和下压板进行相对固定。

8.根据权利要求1所述的雨水水质监测及入渗模拟综合实验仪，其特征在于：监测系统中还设有风向仪和电脑，风向仪安装于集雨板的上方，电脑通过数据线与多参数仪连接。

9.根据权利要求1所述的雨水水质监测及入渗模拟综合实验仪，其特征在于：入渗实验模拟装置中的土柱设有两个，均为三段式原状土柱，每个土柱均分为上、中、下三段，段与段之间可拆卸且段与段之间通过硅胶垫圈和铁扣密封，相邻两段之间以及土柱的底部均设有监测电极，监测电极通过数据线与多参数仪连接；两土柱的上段中一个装入过滤材料，另一个不装过滤材料，中段均装入集雨地点附近的表层原状土壤，下段中均装入集雨地点附近的深层原状土壤。