CN103869048A

CN103869048A - 一种模拟底泥污染物再悬浮释放的环形水槽装置

Info

Publication number: CN103869048A
Application number: CN201410057326.8A
Authority: CN
Inventors: 王道增; 朱红伟; 钟宝昌; 程鹏达; 樊靖郁
Original assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Current assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2014-02-19
Filing date: 2014-02-19
Publication date: 2014-06-18

Abstract

本发明涉及一种模拟底泥污染物再悬浮释放的环形水槽装置，包括环形水槽主体，底座，旋转动力装置，升降动力装置以及流速测量和采样装置；所述环形水槽主体放置于底座上，所述升降动力装置安装在底座的中心处，所述旋转动力装置安装在所述升降动力装置上端，所述流速测量和采样装置安装在环形水槽主体的外壁上部。本发明体积小，不需要贮水池，不需要水泵，可以方便地移动，甚至可以搬运到现场采样做试验，所需试样少，调整流速方便易行，便于观测及操作，无机械干扰，可以模拟无限长水流。装置采用了漂浮在水面上的偏心剪力环装置，它还使环形水槽中的水流保持水平，从而有效地抑制了次生流的发展。

Description

一种模拟底泥污染物再悬浮释放的环形水槽装置

技术领域

本发明涉及一种模拟底泥污染物再悬浮释放的环形水槽装置，属于水利工程，环境科学领域。

背景技术

水体富营养化和重金属污染等水环境问题日益突出，污染物在河流湖泊中底泥的淤积和聚集，使得底泥的内源性污染越来越严重，尤其在水力条件比较复杂的河口地区，受污染底泥的内源释放越来越明显。对于受到水动力扰动较大的浅水湖泊和河流中，水体底泥沉积污染物容易产生再悬浮，对整个水体水环境产生较大的影响。因此，构建模型来模拟水力条件，研究底泥中的污染物再悬浮现象是十分必要的。

目前室内水槽实验是开展水动力作用下水体底泥污染物再悬浮释放相关理论研究的主要方式。模拟的关键是水动力扰动的模拟和底泥泥沙的起动再悬浮模拟，其中水动力扰动的模拟方式主要为旋桨式、活塞式、振荡式，模拟底泥泥沙再悬浮水体环境的方法分为烧杯式、直水槽式和环形水槽式。

模拟水动力扰动方式中，1）旋桨式是通过旋桨扰动水体产生沉积物污染物再悬浮；2）活塞式是运用频率可调系统，使活塞上下往复运动作用于上覆水体，使底泥表层沉积物扰动产生污染物释放；3）振荡式是在容器内装入一定量的底泥和水样，采用搅拌器或振荡器来使底泥沉积物发生再悬浮，搅拌幅度和振荡频率来模拟水动力的大小。以上三种方式操作简单，模拟体系较小，扰动条件易于控制且可同时设置多组平行试验，但与天然水体受水动力作用产生的底泥再悬浮过程相差很大，模拟效果欠佳。

模拟底泥泥沙再悬浮水体环境的方法中，1）烧杯式是底泥沉积物放入一定量的底泥和水样，搅拌和振荡使沉积物产生大、中、小的扰动，控制不同强度下的底泥污染物释放；2）直槽式是将底泥沉积物放入水槽底部，使用水泵抽取水箱中的水产生水流，从而使沉积物发生再悬浮污染物释放。3）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，其水体环境是封闭性的，无出流和入流的物理边界，因而应用较多。大多数环形水槽使用同心圆环型水槽由上、下盘或者内、外壁旋转驱动，带动水流运动，结构较复杂。环形水槽因为其构造的特点，其旋转带动水流产生的离心力，会产生横向二次流造成流场的不均匀性，在一定程度上使得水流条件复杂，从而使得底泥再悬浮的机理研究较为困难。

发明内容

本发明的目的在于针对目前模拟水槽装置存在的缺陷，提供一种模拟底泥污染物再悬浮释放过程的环形水槽装置，该装置能在不影响水流流速和悬浮泥沙分布的前提下，模拟不同水动力条件下的沉积污染物释放过程，进行不同水深和不同流速下的样品的测定，以满足水体-泥沙-污染物相互耦合关系的研究要求。

为达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：

一种模拟底泥污染物再悬浮释放的环形水槽装置，包括环形水槽主体，底座，旋转动力装置，升降动力装置以及流速测量和采样装置；所述环形水槽主体放置于底座上，所述升降动力装置安装在底座的中心处，所述旋转动力装置安装在所述升降动力装置上端，所述流速测量和采样装置安装在环形水槽主体的外壁上部。

所述环形水槽主体包括外壁、内壁和底槽，外壁和内壁的圆心重合，固定在底槽上。

所述旋转动力装置包括剪力环、控制旋转电机和钢构件和支撑圆平台；所述控制旋转电机的输出轴连接支撑圆平台，若干钢构件均匀分布在支撑圆平台上，剪力环由有机玻璃整体构成，水平固定在钢构件上。

升降动力装置包括控制升降电机和动力连接钢杆；所述动力连接钢杆下端连接控制升降电机，上端连接旋转动力装置。

所述流速测量和采样装置安置在所述外壁上部，包括带标尺垂向杆、带标尺纵向杆和测速固定夹；所述测速固定夹固定在外壁上，所述带标尺垂向杆、带标尺纵向杆固定在测速固定夹上。

在所述外壁上，自上而下设有九个带阀取样口，取样口直径为0.5cm，各取样口的孔间距自底槽向上依次为7cm，9cm，11cm，13cm，15cm，20cm，25cm，30cm，35cm；在底槽对称的两端各设置一个带阀排水口，排水口直径均为5cm。

与现有技术相比，本发明具有如下突出的实质性特点和显著的优点：

1）利用剪力环带动水体产生水流来模拟底泥沉积污染物再悬浮的释放过程，环形水槽内形成稳定的水流，比振荡式、活塞式、旋桨式、直水槽等方法更接近水流作用下的底泥污染物再悬浮释放机理。2）利用电机来控制剪力环的转速，可以改变水流的流速和流向。3）采用有机玻璃来制造水槽本体，可以方便地查看水流特征和水深情况，可以接入各种测试仪器和采样装置。4）本装置的水体取样方便，可以实现不同深度水样的采集，不会干扰水体中流场和悬浮物的分布。5）采用控制柜直接控制剪力环旋转动力装置的高度和转速，很方便地调节上覆水体水力条件。

附图说明

图1是本发明装置的主视图。

图2是本发明装置水槽主体的横截面图。

图3是本发明装置水槽主体示意图。

图4是本发明装置剪力环示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施例作进一步的说明。

如图1和图4所示，一种模拟底泥污染物再悬浮释放的环形水槽装置，包括环形水槽主体1，底座2，旋转动力装置4，升降动力装置7以及流速测量和采样装置；所述环形水槽主体1放置于底座2上，所述升降动力装置7安装在底座2的中心处，所述旋转动力装置4安装在所述升降动力装置7上端，所述流速测量和采样装置安装在环形水槽主体1的外壁11上部。

所述环形水槽主体1包括外壁11、内壁12和底槽13，外壁11和内壁12的圆心重合，固定在底槽13上。

所述旋转动力装置4包括剪力环3、控制旋转电机5和钢构件6和支撑圆平台19；所述控制旋转电机5的输出轴连接支撑圆平台19，若干钢构件6均匀分布在支撑圆平台19上，剪力环3由有机玻璃整体构成，水平固定在钢构件6上。

升降动力装置7包括控制升降电机8和动力连接钢杆9；所述动力连接钢杆9下端连接控制升降电机8，上端连接旋转动力装置4。

如图2和图3所示，所述流速测量和采样装置安置在所述外壁11上部，包括带标尺垂向杆14、带标尺纵向杆15和测速固定夹16；所述测速固定夹16固定在外壁11上，所述带标尺垂向杆14、带标尺纵向杆15固定在测速固定夹16上。

在所述外壁11上，自上而下设有九个带阀取样口10，取样口10直径为0.5cm，各取样口10的孔间距自底槽13向上依次为7cm，9cm，11cm，13cm，15cm，20cm，25cm，30cm，35cm；在底槽13对称的两端各设置一个带阀排水口18，排水口18直径为5cm。

本发明装置的使用方法及步骤如下：

1）将采集的底泥17移入环形水槽主体1中，缓慢注入河道采集的原水或自来水至实验所需要的水深。

2）将流速测量和采样装置安装在外壁11上，将测速固定夹16伸入环形水槽主体1中，使测速固定夹16浸没在上覆水体中，通过带标尺垂向杆14和带标尺纵向杆15来定位测速固定夹16，使之按照一定的深度浸没入水体中。

3）实验开始时，打开控制升降电机8，调节升降动力装置7，使得剪力环3刚好贴合上覆水体表面。

4）根据实验需要，调节控制旋转电机5，使得剪力环3带动表面水运动，逐渐形成一定流速的水流，通过观察流速仪和水深比尺，得到实验所需要的流速和水深。

5）水流稳定一段时间后，根据实验需要，依次打开带阀取样口10的各个阀口，分别进行单独采样或分层采样，并补充相应的水量。

6）根据实际测量需要，对采集的上覆水样进行理化测试分析。

7）实验结束后，控制旋转电机5，打开控制升降电机8使得剪力环3高于水面，开启底槽13上的带阀排水口18将水排尽。

Claims

1.一种模拟底泥污染物再悬浮释放的环形水槽装置，其特征在于，包括环形水槽主体（1），底座（2），旋转动力装置（4），升降动力装置（7）以及流速测量和采样装置；所述环形水槽主体（1）放置于底座（2）上，所述升降动力装置（7）安装在底座（2）的中心处，所述旋转动力装置（4）安装在所述升降动力装置（7）上端，所述流速测量和采样装置安装在环形水槽主体（1）的外壁（11）上部。

2.根据权利要求1所述的模拟底泥污染物再悬浮释放的环形水槽装置，其特征在于，所述环形水槽主体（1）包括外壁（11）、内壁（12）和底槽（13），外壁（11）和内壁（12）的圆心重合，固定在底槽（13）上。

3.根据权利要求1所述的模拟底泥污染物再悬浮释放的环形水槽装置，其特征在于，所述旋转动力装置（4）包括剪力环（3）、控制旋转电机（5）和钢构件（6）和支撑圆平台（19）；所述控制旋转电机（5）的输出轴连接支撑圆平台（19），若干钢构件（6）均匀分布在支撑圆平台（19）上，剪力环（3）由有机玻璃整体构成，水平固定在钢构件（6）上。

4.根据权利要求1所述的模拟底泥污染物再悬浮释放的环形水槽装置，其特征在于，升降动力装置（7）包括控制升降电机（8）和动力连接钢杆（9）；所述动力连接钢杆（9）下端连接控制升降电机（8），上端连接旋转动力装置（4）。

5.根据权利要求1所述的模拟底泥污染物再悬浮释放的环形水槽装置，其特征在于，所述流速测量和采样装置安置在所述外壁（11）上部，包括带标尺垂向杆（14）、带标尺纵向杆（15）和测速固定夹（16）；所述测速固定夹（16）固定在外壁（11）上，所述带标尺垂向杆（14）、带标尺纵向杆（15）固定在测速固定夹（16）上。

6.根据权利要求1-5任意一项所述的模拟底泥污染物再悬浮释放的环形水槽装置，其特征在于，在所述外壁（11）上，自上而下设有九个带阀取样口（10），取样口（10）直径为0.5cm，各取样口（10）的孔间距自底槽（13）向上依次为7cm，9cm，11cm，13cm，15cm，20cm，25cm，30cm，35cm；在底槽（13）对称的两端各设置一个带阀排水口（18），排水口（18）直径均为5cm。