CN103335817A - 一种模拟浅水湖泊复杂环流条件下原位底泥再悬浮的装置及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种模拟浅水湖泊复杂环流条件下原位底泥再悬浮的装置及使用方法。本发明的装置包括由流速测量仪、升降平台、螺旋杆和垂向标尺组成的流速测量装置，其特征在于还包括由水槽本体和水槽底座组成的圆形水槽、由变频电机、齿轮、轴承转盘和可伸缩桨板组成的水平环流发生系统以及由进水口、进水渐变软管、进水变频水泵、吸水管、出水口、出水渐变软管、出水变频水泵、出水管和水桶组成的垂向补偿环流发生系统。本发明的使用方法简便、实用和可靠。本发明能够模拟不同强度风场形成的水平环流和垂向补偿环流叠加作用下的复杂环流结构，进行不同深度水体样品的采集和不同深度流速的测定。本发明广泛适用于水体生态环境技术领域的模拟试验。

Description

一种模拟浅水湖泊复杂环流条件下原位底泥再悬浮的装置及使用方法

 

技术领域

本发明属于水体生态环境技术领域，特别是涉及一种模拟浅水湖泊复杂环流条件下原位底泥再悬浮的装置及使用方法。

背景技术

我国幅员辽阔、湖泊众多，因对湖泊资源的不合理利用或过度排放污废水等都会破坏湖泊的生态环境，近几年来长江中下游地区浅水湖泊的水质及富营养化问题日益突出。研究认为，在浅水湖泊中风生流产生的水动力条件对表层底泥的再悬浮有重要影响，特别是在不同强度，不同持续时间的风场作用下，大部分浅水湖区不仅会在水平方向上发生环流，而且在垂直方向上由于水体的流失也会发生垂向的补偿环流，该双重复杂环流结构在太湖、巢湖等典型浅水湖泊中都被得到验证。改善湖泊水质的关键措施是要控制湖泊中水体与表层底泥物质交换和能量的传输。

公知的浅水湖泊表层底泥再悬浮的方法大多为室内模拟，主要有锥形瓶式、直管式和水槽式三种。锥形瓶式使用振荡器将置于瓶中的底泥与上覆水一起震荡；直管式用活塞上下运动或旋桨旋转造成上覆水体扰动；水槽式是用旋桨推进器、造波机等造成底泥上方水体运动，从而产生底泥再悬浮。这些方法对上覆水所产生的动力扰动、左右震动、上下挤压或水体整体水平运动，都未能真实反映出浅水湖泊风生流作用下产生的垂向环流结构。因此，有的学者提出了模拟表层底泥在垂向环流作用下再悬浮的方法，该方法虽然考虑了风应力作用下水体的垂向环流对表层底泥再悬浮的影响，但未能考虑水体水平方向流场的作用，无法真实反映浅水湖泊由风应力引起的复杂环流条件下表层底泥再悬浮过程。

中国专利申请 20041014329.X，提出了一种“一种室内模拟水下沉积物再悬浮状态的方法及装置”，该技术方案主要由Y型连接管和旋桨器组成。虽然具有可斜向施加强度大小可变的水下动力，使水柱中悬浮物颗粒成垂直分布状态的优点，但还存在以下不足，一是旋桨器斜向施加的水下动力产生的流场不能真实模拟浅水湖泊实际风生流场，因流场状态不同而不能很好的模拟复杂流场情况下的底泥再悬浮过程；二是旋桨器施加的水下动力，其对沉积物扰动的紊流特征与野外实际复杂流场对沉积物扰动的紊流特征不同，紊流扰动特征的不同导致沉积物再悬浮过程的不同，从而直接影响沉积物再悬浮的模拟结果。

 

中国专利申请 201210366663.6，提出了一种“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和方法”，该技术方案主要由矩形水槽、水流推进动力系统及流速测量装置组成。虽然具有在矩形水槽中用传送带滚动带动表层水体流动形成浅水湖泊中存在的风生垂向环流的优点，但还存在以下不足，一是该装置水流推进动力系统只能产生垂向环流，无法模拟形成长江中下游地区浅水湖泊（尤其是太湖）普遍存在的水平环流；二是由传送带带动表面水体运动，水体遇水槽边壁后下潜至底泥表面以相反方向运动从而形成垂向环流，此垂向环流受水槽边壁影响较大，因而与实际浅水湖泊风生流中由于水体流失而形成的垂向补偿环流结构不同；三是由传送带带动上覆水形成的垂向环流与野外实际的复杂流场不同，不能很好的模拟复合作用下复杂流场情况下的底泥再悬浮过程；四是该装置底泥装卸过程需先拆除水流推进动力系统及流速测量装置，装卸极不方便，在装卸过程中对底泥原状结构破坏较大。

中国专利申请 201310184563.6，提出了“一种软布封底式浅水域原状表层沉积物采样器”，该采样器主要由采样套筒、采样机构和采样内胆组成。虽然具有采样面积大、采样成功率高和不破坏表层沉积物物理结构及层序结构等优点，但是该采样器仅能够采集浅水域原状表层沉积物，不能利用采集的表层沉积物开展进一步的模拟再悬浮试验研究。 

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足而提供一种模拟浅水湖泊复杂环流条件下原位底泥再悬浮的装置及使用方法，本发明能够模拟不同强度风场形成的水平环流和垂向补偿环流叠加作用下的复杂环流结构，进行不同深度水体样品的采集和不同深度流速的测定。

根据本发明提出的一种模拟浅水湖泊复杂环流条件下原位底泥再悬浮的装置，它包括由流速测量仪、升降平台、螺旋杆和垂向标尺组成的流速测量装置，其特征在于还包括由水槽本体和水槽底座组成的圆形水槽、由变频电机、齿轮、轴承转盘和可伸缩桨板组成的水平环流发生系统以及由进水口、进水渐变软管、进水变频水泵、吸水管、出水口、出水渐变软管、出水变频水泵、出水管和水桶组成的垂向补偿环流发生系统，其中：水槽本体上口四周设有小孔和凹槽，并与水平环流发生系统固连，轴承转盘通过小孔与水槽本体固连，变频电机穿过凹槽与齿轮固连，轴承转盘下方边缘轴向分别设置可伸缩桨板，水槽本体靠近上口部位的一侧设置进水口、靠近底部的同侧位置设置出水口，进水口和出水口与垂向补偿环流发生系统一侧固连，出水变频水泵通过出水渐变软管与出水口固连，进水变频水泵通过进水渐变软管与进水口固连，将出水变频水泵的出水管和进水变频水泵的吸水管共同置于水桶中，垂向补偿环流发生系统另一侧外壁至上而下设置4~8个可启闭取样孔，流速测量仪与升降平台固连，升降平台与螺旋杆固连，垂向标尺与螺旋杆固连，水槽底座通过法兰盘与水槽本体固连。

根据本发明提出的如上述一种模拟浅水湖泊复杂环流条件下原位底泥再悬浮装置的使用方法，包括利用软布封底式浅水域原状表层沉积物采样器，采集20cm厚的未扰动底泥，其特征在于还包括如下步骤：

A．底泥准备：将采集后的未扰动底泥置于水槽底座中备用；

B．圆形水槽装配：利用法兰盘将水槽本体固定在水槽底座上；

C．上覆水准备：利用虹吸法向水槽本体中加入水深为28~32cm的上覆水；

D．水平环流发生系统装配：将变频电机穿过凹槽与齿轮固连，使齿轮与轴承转盘卡口紧密接触，调整可伸缩桨板高度，使得上覆水浸没可伸缩桨板1~8cm；

E．垂向环流发生系统装配：出水变频水泵通过出水渐变软管与出水口固连，进水变频水泵通过进水渐变软管与进水口固连；将出水变频水泵的出水管和进水变频水泵的吸水管共同置于水桶中，该水桶中注入2~10L原水； 

F．水平环流发生系统和垂向环流发生系统的使用：开启设定转速为100~300 r/min的变频电机（5），使得水体产生水平环流；同时分别设定流量为200~500L/h的出水变频水泵（11）和进水变频水泵（14），使得水体垂向循环流动，进而形成垂直方向的补偿环流；保证这两种流动状态叠加后形成复杂环流结构下的扰动；

G．流速测量装置装配与使用：将流速测量仪置于水槽本体内，并与水槽本体上方升降平台固连，升降平台与螺旋杆固连，垂向标尺固定在螺旋杆上，流速测量仪的采样频率设定为10HZ，通过螺旋杆与垂向标尺实现流速测量仪的垂向移动和精确定位，每条垂线测完可通过升降平台上的水平标尺实现流速测量仪的水平移动和精确定位，并进行下一条垂线测量；

H．水样结果测定：通过垂向补偿环流发生系统另一侧外壁设置的可启闭取样孔(19)采集不同高度的上覆水(23)进行水样结果测定。

本发明实现的原理是：根据运动相似理论，利用出水变频水泵抽水使得水槽本体底部在某一时刻形成水体流失状态来模拟浅水湖泊风生流中由于水体流失而形成的垂向补偿环流；又根据动力相似理论，利用可伸缩桨板对水体机械拖曳作用模拟风场对水体的拖曳作用而形成的流动状态；这两种流动状态叠加后所形成的流场符合浅水湖泊复杂环流特征，由此而设计的本发明装置及使用方法完全能够模拟浅水湖泊底泥再悬浮过程。

本发明与现有技术相比其显著优点在于：一是利用本发明装置的圆形水槽中的可伸缩桨板来带动水体转动，产生浅水湖泊风生流中广泛存在的水平环流，又利用出水变频水泵和进水变频水泵循环抽水产生浅水湖泊风生流中广泛存在的垂向补偿环流，由此保证了水平环流和垂向补偿环流叠加的复杂环流结构下的扰动更接近浅水湖泊中水体中底泥再悬浮的实际流场状况；二是利用本发明装置的水槽底座来有效接收中国专利申请201310184563.6提出的一种软布封底式浅水域原状表层沉积物采样器采集的底泥样品，以确保试验底泥垂向原状结构不被破坏，维持了底泥原有特性；三是通过调节变频电机转速、出水变频水泵和进水变频水泵流量可任意控制水平环流和垂向补偿环流的结构，以适应不同风强条件下湖流对底泥的动力要求；四是本发明的使用方法简便、实用和可靠。本发明广泛适用于水体生态环境技术领域的模拟试验。 

附图说明

图1是本发明的装置的总体结构剖面示意图。

图2是本发明所述的设置流速测量装置的圆形水槽的侧视示意图。

图3是本发明所述的水平环流发生系统的装置结构示意图。

图4是本发明所述的在水深30cm、变频电机转速为180 r/min、出水变频水泵和进水变频水泵流量为300L/h条件下的装置的中心纵剖面流场示意图。

图5是本发明所述的在水深30cm、变频电机转速为180 r/min、出水变频水泵和进水变频水泵流量为300L/h水面以下10cm层的水平流场示意图。

图6是本发明所述的在水深30cm、变频电机转速为180 r/min、出水变频水泵和进水变频水泵流量为300L/h水面以下25cm层的水平流场示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

结合图1、图2和图3，本发明提出的一种模拟浅水湖泊复杂环流条件下原位底泥再悬浮的装置，它包括由流速测量仪（15）、升降平台（16）、螺旋杆（17）和垂向标尺（18）组成的流速测量装置、由水槽本体(1)和水槽底座（20）组成的圆形水槽、由变频电机（5）、齿轮（6）、轴承转盘（4）和可伸缩桨板（7）组成的水平环流发生系统以及由进水口（8）、进水渐变软管（13）、进水变频水泵（14）、吸水管（26）、出水口（9）、出水渐变软管（10）、出水变频水泵（11）、出水管（25）和水桶（12）组成的垂向补偿环流发生系统，其中：水槽本体（1）上口四周设有小孔（2）和凹槽（3），并与水平环流发生系统固连，轴承转盘（4）通过小孔（2）与水槽本体（1）固连，变频电机（5）穿过凹槽（3）与齿轮（6）固连，由变频电机（5）带动齿轮（6）转动，进而带动轴承转盘（4）转动，轴承转盘（4）下方边缘轴向分别设置可伸缩桨板（7），可伸缩桨板（7）随轴承转盘（4）转动，进而带动表层水体产生水平环流并向下传递；水槽本体（1）靠近上口部位的一侧设置进水口（8）、靠近底部的同侧位置设置出水口（9），进水口（8）和出水口（9）分别与垂向补偿环流发生系统一侧固连，出水渐变软管（10）与出水口（9）固连，出水变频水泵（11）通过出水渐变软管（10）抽取水槽本体（1）内试验原水经出水管（25）送至水桶（12），进水渐变软管（13）与进水口（8）固连，进水变频水泵（14）通过进水渐变软管（13）抽取水桶（12）内试验原水经吸水管（26）回流入水槽本体（1）内，使得水体垂向循环流动，进而形成垂直方向的补偿环流，垂向补偿环流发生系统另一侧外壁至上而下设置4~8个可启闭取样孔（19）；流速测量仪（15）与升降平台（16）固连，升降平台（16）与螺旋杆（17）固连，垂向标尺（18）与螺旋杆（17）固连；水槽底座（20）通过法兰盘（21）与水槽本体（1）固连。

本发明提出的一种模拟浅水湖泊复杂环流条件下原位底泥再悬浮的装置的具体实施例的技术参数如下：

本发明的装置由流速测量装置、圆形水槽、水平环流发生系统以及垂向补偿环流发生系统组成，其中主要部件的规格及要求如下：

圆形水槽的水槽本体（1）采用1cm厚的有机玻璃或工程塑料制成；水槽本体（1）的底部和上口镂空，内径30cm、高43cm，上口四周均匀设置四个直径1cm小孔（2）以及一个直径3cm凹槽（3），底部外壁设置法兰盘（21）；水槽本体（1）一侧分别设置直径8cm的出水口（9）和直径8cm的进水口（8），出水口（9）圆心距水槽本体（1）底部5cm，进水口（8）圆心距底部22cm，进水口（8）另一侧外壁至下而上依次排列4个孔径0.4cm可启闭取样孔（19），最下部的可启闭取样孔（19）距水槽本体（1）底部3cm，可启闭取样孔（19）相互之间的距离为5cm；水槽底座（20）采用1cm厚的有机玻璃制成；水槽底座（20）的底部密封，上口镂空，内径30cm、高20cm；水槽底座（20）通过法兰盘（21）与水槽本体（1）固连。

水平环流发生系统的变频电机（5）选用A.Q.L 牌的5IK120GU-C型电机；齿轮（6）的材质为钢制、直径4cm；轴承转盘（4）的材质为钢制、直径22cm，可伸缩桨板（7）长6cm、高2cm、厚2mm，可伸缩桨板（7）的材质为不锈钢。

垂向补偿环流发生系统的进水口（8）直径8cm；进水变频水泵（14）流量范围为100L/h~750 L/h；进水渐变软管（13）和吸水管（26）的材质均为塑料或橡胶；出水口（9）直径8cm；出水变频水泵（11）流量范围为100L/h~750 L/h；出水渐变软管（10）和出水管（25）的材质均为塑料或橡胶；水桶（12）的容积大于25L、本实施例以30L为宜，水桶（12）的材质为塑料。

流速测量装置的流速测量仪（15）为MicroADV声学多普勒流速仪；升降平台（16）的材质为钢制，升降平台（16）长30cm、宽30cm、厚5mm；螺旋杆（17）的材质为钢制，螺旋杆（17）的垂向标尺（18）的最小刻度为1mm。

本发明提出的如上述的一种用于模拟浅水湖泊复杂环流条件下原位底泥再悬浮装置的使用方法的具体实施步骤如下： 

A、底泥准备：应用中国专利申请201310184563.6提出的软布封底式浅水域原状表层沉积物采样器，采集20cm厚的未扰动底泥（22），然后将采集后的未扰动底泥（22）置于水槽底座（20）中备用；

B、圆形水槽装配：利用法兰盘（21）将水槽本体（1）固定在水槽底座（20）上；

C、上覆水准备：利用虹吸法向水槽本体（1）中加入水深为30cm的上覆水（23）；

D、水平环流发生系统装配：将变频电机（5）穿过凹槽（3）与齿轮（6）固连，使齿轮（6）与轴承转盘（4）卡口紧密接触，调整可伸缩桨板（7）高度，使得上覆水（23）浸没可伸缩桨板（7）1~8cm；

E、垂向环流发生系统装配：出水变频水泵（11）通过出水渐变软管（10）与出水口（9）固连，进水变频水泵（14）通过进水渐变软管（13）与进水口（8）固连；将出水变频水泵(11)的出水管（25）和进水变频水泵(14)的吸水管（26）共同置于水桶(12)中，该水桶(12)中注入2~10L原水、以5L原水为佳；

F、水平环流发生系统和垂向环流发生系统的使用：开启设定转速为100~300 r/min的变频电机（5），使得水体产生水平环流；同时开启分别设定流量为200~500L/h的出水变频水泵（11）和进水变频水泵（14），使得水体垂向循环流动，进而形成垂直方向的补偿环流；保证这两种流动状态叠加后形成复杂环流结构下的扰动；

G、测量装置装配与使用：将流速测量仪(15)置于水槽本体(1)内，并与水槽本体(1)上方升降平台(16)固连，升降平台(16)与螺旋杆(17) 固连，垂向标尺(18)固定在螺旋杆(17)上，流速测量仪（15）的采样频率设定为10HZ，通过螺旋杆(17)与垂向标尺(18)实现流速测量仪(15)的垂向移动和精确定位，每条垂线测完可通过升降平台（16）上的水平标尺（24）实现流速测量仪（15）的水平移动和精确定位，并进行下一条垂线测量，最终得出水深30cm、变频电机转速为180 r/min、出水变频水泵和进水变频水泵流量为300L/h时的装置中心纵剖面流场，详见图4；水面以下10cm层的水平流场，详见图5；水面以下25cm层的水平流场，详见图6；

H、水样结果测定：通过垂向补偿环流发生系统另一侧外壁至上而下设置的4个可启闭取样孔(19)采集不同高度的上覆水(23)进行水样结果测定，依次测得第一至第四个可启闭取样孔(19)水样的SS浓度值分别为1260mg/L、1220mg/L、1200mg/L、1180mg/L。

以上具体实施方式及实施例是对应用本发明提出的一种用于模拟浅水湖泊复杂环流条件下原位底泥再悬浮的装置及使用方法技术思想的具体支持，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在本技术方案基础上所做的任何等同变化或等效的改动，均仍属于本发明技术方案保护的范围。

Claims (5)

1.一种模拟浅水湖泊复杂环流条件下原位底泥再悬浮的装置，它包括由流速测量仪（15）、升降平台（16）、螺旋杆（17）和垂向标尺（18）组成的流速测量装置，其特征在于还包括由水槽本体(1)和水槽底座（20）组成的圆形水槽、由变频电机（5）、齿轮（6）、轴承转盘（4）和可伸缩桨板（7）组成的水平环流发生系统以及由进水口（8）、进水渐变软管（13）、进水变频水泵（14）、吸水管（26）、出水口（9）、出水渐变软管（10）、出水变频水泵（11）、出水管（25）和水桶（12）组成的垂向补偿环流发生系统，其中：水槽本体（1）上口四周设有小孔（2）和凹槽（3），并与水平环流发生系统固连，轴承转盘（4）通过小孔（2）与水槽本体（1）固连，变频电机（5）穿过凹槽（3）与齿轮（6）固连，轴承转盘（4）下方边缘轴向分别设置可伸缩桨板（7），水槽本体（1）靠近上口部位的一侧设置进水口（8）、靠近底部的同侧位置设置出水口（9），进水口（8）和出水口（9）分别与垂向补偿环流发生系统一侧固连，出水变频水泵（11）通过出水渐变软管（10）与出水口（9）固连，进水变频水泵（14）通过进水渐变软管（13）与进水口（8）固连；将出水变频水泵(11)的出水管（25）和进水变频水泵(14)的吸水管（26）共同置于水桶(12)中，垂向补偿环流发生系统另一侧外壁至上而下设置4~8个可启闭取样孔（19），流速测量仪（15）与升降平台（16）固连，升降平台（16）与螺旋杆（17）固连，垂向标尺（18）与螺旋杆（17）固连；水槽底座（20）通过法兰盘（21）与水槽本体（1）固连。

2.根据权利要求1所述的一种模拟浅水湖泊复杂环流条件下原位底泥再悬浮的装置，其特征在于垂向补偿环流发生系统另一侧外壁至上而下设置4个可启闭取样孔（19）。

3.如权利要求1或2所述的一种模拟浅水湖泊复杂环流条件下原位底泥再悬浮装置的使用方法，包括利用软布封底式浅水域原状表层沉积物采样器，采集20cm厚的未扰动底泥（22），其特征在于还包括如下步骤：

A．底泥准备：将采集后的未扰动底泥（22）置于水槽底座（20）中备用；

B．圆形水槽装配：利用法兰盘（21）将水槽本体（1）固定在水槽底座（20）上；

C．上覆水准备：利用虹吸法向水槽本体（1）中加入水深为28~32cm的上覆水（23）；

D．水平环流发生系统装配：将变频电机（5）穿过凹槽（3）与齿轮（6）固连，使齿轮（6）与轴承转盘（4）卡口紧密接触，调整可伸缩桨板（7）高度，使得上覆水（23）浸没可伸缩桨板（7）1~8cm；

E．垂向环流发生系统装配：出水变频水泵（11）通过出水渐变软管（10）与出水口（9）固连，进水变频水泵（14）通过进水渐变软管（13）与进水口（8）固连；将出水变频水泵(11)的出水管（25）和进水变频水泵(14)的吸水管（26）共同置于水桶(12)中，该水桶(12)中注入2~10L原水； 

F．水平环流发生系统和垂向环流发生系统的使用：开启设定转速为100~300 r/min的变频电机（5），使得水体产生水平环流；同时分别设定流量为200~500L/h的出水变频水泵（11）和进水变频水泵（14），使得水体垂向循环流动，进而形成垂直方向的补偿环流；保证这两种流动状态叠加后形成复杂环流结构下的扰动；

G．流速测量装置装配与使用：将流速测量仪(15)置于水槽本体(1)内，并与水槽本体(1)上方升降平台(16)固连，升降平台(16)与螺旋杆(17) 固连，垂向标尺(18)固定在螺旋杆(17)上，流速测量仪(15)的采样频率设定为10HZ，通过螺旋杆(17)与垂向标尺(18)实现流速测量仪(15)的垂向移动和精确定位，每条垂线测完可通过升降平台(16)上的水平标尺(24)实现流速测量仪(15)的水平移动和精确定位，并进行下一条垂线测量；

H．水样结果测定：通过垂向补偿环流发生系统另一侧外壁设置的可启闭取样孔(19)采集不同高度的上覆水(23)进行水样结果测定。

4.根据权利要求3所述的一种模拟浅水湖泊复杂环流条件下原位底泥再悬浮装置的使用方法，其特征在于利用虹吸法向水槽本体（1）中加入水深为30cm的上覆水（23）。

5.根据权利要求3所述的一种模拟浅水湖泊复杂环流条件下原位底泥再悬浮装置的使用方法，其特征在于所述的水桶(12)中注入5L原水。

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