CN104483465B - 一种生态植草沟模拟实验装置及实验操作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种生态植草沟模拟实验装置，包括径流产生装置、流经装置、收集装置以及监测装置，流经装置中设置待分析生态植草沟。本发明提供的生态植草沟模拟实验装置通过配置不同污染物浓度的实验用水，产生不同污染物浓度的地表径流；调节水泵产生不同水力负荷和流速状态的地表径流；通过相应阀门控制产生降雨径流、道路径流与绿地径流中一种或几种径流；对不同的待分析生态植草沟进行定量分析；定量分析不同地表措施和不同土壤结构的生态植草沟对雨水截留和污染物消减作用的影响程度，找到更适合于不同地表环境的生态植草沟的结构，从而对城市雨水利用与控制城市降雨地表径流调蓄和污染调控具有十分重要意义。本发明还提供一种实验操作方法。

Description

一种生态植草沟模拟实验装置及实验操作方法

技术领域

本发明涉及城市降雨径流调蓄和污染控制领域，具体涉及一种用于城市绿地降雨径流和污染控制的生态植草沟模拟实验装置与实验操作方法。

背景技术

城市化进程加快，导致城市不透水面积大幅度增大，致使相同降雨条件下，洪峰提前，洪量增大，对城市排水和河道行洪构成巨大的压力。而在降水过程中降雨形成的径流流经城市地面，汇集形成的污染物通过排水系统直接进入收纳水体引起环境问题，城市降雨径流不仅水量大而且水质差，在全球范围内已成为城市水环境污染的关键因素。另外，城市水资源的短缺也已成为全球性关注的问题。城市绿地生态植草沟可以一定程度上缓减城市雨洪压力和净化水质。

目前欧美国家对生态植草沟处理暴雨径流及其污染物方面有较多的研究，同时也有很多的设计和应用，而国内这方面的研究还比较少，对于生态植草沟对城市降雨径流的调蓄能力和对径流污染物的削减效应缺乏定量研究。

本领域技术人员致力于提供一种生态植草沟模拟实验装置及实验方法，能够定量分析生态植草沟的调蓄能力和对径流污染物的削减效应。

发明内容

本发明目的在于提供一种生态植草沟模拟实验装置，在实验装置中设置待分析的生态植草沟，通过模拟人工降雨、地表径流，采集经生态植草沟处理的土壤溶液样品，并记录相关数据，因而能够定量分析生态植草沟的调蓄能力、对径流污染物的削减效应以及对雨水资源利用效率。

本发明的另一个目的在于提供一种使用生态植草沟模拟实验装置的实验方法，定量分析生态植草沟的调蓄能力、对径流污染物的削减效应以及对雨水资源利用效率。

调蓄能力是指生态植草沟减缓降雨径流产生的时间以及减少地表径流量的能力，通常以减缓径流产生时间和减少地表净流量来表示。

对径流污染物的削减效应是指生态植草沟削减降雨径流中氮磷等污染物浓度的能力，通常以减少浓度的百分比表示。

对雨水资源利用效率是指通过利用地表设施，如本发明中的生态植草沟，增加雨水的地表下渗量，减少雨水外排量，减轻市政管道排水及雨水处理压力，通常以单位面积雨水处理量(包括下渗量和经过去污处理的雨水量)来表示。

本发明的生态植草沟模拟实验装置包括径流产生装置、流经装置、收集装置与监测装置，径流产生装置能够模拟自然地表径流条件，产生不同雨水径流污染物浓度、水力负荷和流速状态下的地表径流，包括降雨径流、道路径流与绿地径流；流经装置中设置待分析生态植草沟，收集装置收集经待分析生态植草沟处理的地表径流，以便做进一步的水质污染物浓度分析，监测装置监测土壤水分变化。

通过经待分析生态植草沟处理后的水质污染物浓度分析及土壤水分变化监测，能够定量分析不同地表措施和不同土壤结构的生态植草沟对雨水截留和污染物消减作用的影响程度，找到更适合于不同地表环境的生态植草沟的结构，从而对城市雨水利用与控制城市降雨地表径流调蓄和污染调控具有十分重要意义。

本发明提供一种生态植草沟模拟实验装置，生态植草沟模拟实验装置包括：

径流产生装置，用于产生地表径流；

流经装置，设置待分析生态植草沟，地表径流流过流经装置；

收集装置，用于收集地表径流经流经装置处理后的土壤溶液样品；

监测装置，用于监测待分析生态植草沟的土壤水分变化，包括多个土壤水分传感器以及与土壤水分传感器连接的数据采集处理器；

流经装置与收集装置通过管道连接，监测装置的土壤水分传感器设置于待分析生态植草沟中。

进一步地，径流产生装置包括：

水箱，用于存放产生地表径流的设定污染物浓度的实验用水；

水泵，用于根据流量数据将地表径流调节到设定径流流速与设定水力负荷；

流量计，用于记录流量数据；

水箱、水泵与流量计通过管道连接。

本发明的生态植草沟模拟实验装置，通过设定不同污染物浓度的实验用水，能够产生不同雨水径流污染物浓度的地表径流。

本发明的生态植草沟模拟实验装置，根据流量计的数据调节水泵，能够产生不同水力负荷和流速状态的地表径流。

进一步地，径流产生装置还包括模拟降雨装置，用于模拟降雨形成降雨径流，模拟降雨装置包括设置于流经装置上方的管道，管道设置多个花洒，模拟降雨装置与流量计之间设置第一阀门。

本发明的生态植草沟模拟实验装置，采用模拟降雨装置模拟降雨形成降雨径流，并通过第一阀门控制是否产生降雨径流。

进一步地，径流产生装置还包括设置于流经装置外侧的凹槽，凹槽用于产生道路径流，凹槽的外侧壁的上沿高于流经装置侧壁的上沿，凹槽与流量计之间设置第二阀门。

本发明的生态植草沟模拟实验装置，通过实验用水漫过流经装置侧壁的上沿，形成道路径流，并通过第二阀门控制是否产生道路径流。

进一步地，流经装置侧壁上沿设置一个或多个闸门，每个闸门处设置滤网，滤网用于产生绿地径流。

本发明的生态植草沟模拟实验装置，通过实验用水流过设置于流经装置侧壁的上沿滤网，形成绿地径流，并通过闸门控制是否产生绿地径流。

进一步地，待分析生态植草沟中设置取样管，取样管通过管道与收集装置连接。

本发明还提供采用生态植草沟模拟实验装置的实验操作方法，包括以下步骤：

(1)配置设定污染物浓度的实验用水，并将实验用水放入径流产生装置的水箱中；

(2)通过调节水泵设定不同的水力负荷和流速；

(3)产生地表径流；

(4)地表径流流过流经装置中的待分析生态植草沟；

(5)待分析生态植草沟处理后的地表径流，经取样管汇集到收集装置；

(6)监测待分析生态植草沟的土壤水分变化。

进一步地，步骤(2)产生地表径流的方法包括：

(31)打开设置于模拟降雨装置与流量计之间的第一阀门，模拟降雨装置模拟降雨形成降雨径流。

进一步地，步骤(2)产生地表径流的方法包括：

(32)打开设置于凹槽与流量计之间的第二阀门，实验用水漫过流经装置侧壁的上沿，形成道路径流。

进一步地，步骤(2)产生地表径流的方法包括：

(33)打开设置于凹槽与流量计之间的第二阀门；

(34)打开设置于流经装置侧壁的上沿的闸门，实验用水流经滤网，形成绿地径流。

与现有技术相比，本发明提供的生态植草沟模拟实验装置和实验操作方法，具有以下有益效果：

(1)通过设定不同污染物浓度的实验用水，能够产生不同雨水径流污染物浓度的地表径流；

(2)根据流量计的数据调节水泵，能够产生不同水力负荷和流速状态的地表径流；

(3)通过模拟降雨装置、设置于流经装置外侧的凹槽以及设置于流经装置侧壁上沿的滤网，产生降雨径流、道路径流与绿地径流，并通过相应阀门控制产生一种或几种径流；

(4)流经装置中设置不同的待分析生态植草沟，能够对不同的待分析生态植草沟进行定量分析；

(5)径流产生装置能够模拟自然地表径流条件，流经设置待分析生态植草沟的流经装置，收集经待分析生态植草沟处理的地表径流并监测土壤水分变化，能够定量分析不同地表措施和不同土壤结构的生态植草沟对雨水截留和污染物消减作用的影响程度，找到更适合于不同地表环境的生态植草沟的结构，从而对城市雨水利用与控制城市降雨地表径流调蓄和污染调控具有十分重要意义。

附图说明

图1是本发明的一个实施例的生态植草沟模拟实验装置的结构示意图；

图2是图1所示的生态植草沟模拟实验装置的结构示意图；

图3是图1所示的生态植草沟模拟实验装置的流经装置的剖面示意图。

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详细地描述。

如图1所示，本发明的一个实施例的生态植草沟模拟实验装置，包括径流产生装置、流经装置2、收集装置和监测装置四部分。

径流产生装置包括水箱11、水泵12与流量计13。

水箱11是高度60cm、半径为40cm的大口桶，其上设置一出水管，出水管上设置水泵12与流量计13。

通过调节水泵12来实现径流量大小的调节，由流量计13记录，径流量的计算公式为：

Q＝0.06*R*S*T，

其中Q为设计降雨径流量(ml/min)，R为降雨强度(mm/h)，S为汇水面积(m²)，T为降雨时间(h)。

径流产生装置还包括模拟降雨装置，用于模拟降雨形成降雨径流，模拟降雨装置包括设置于流经装置上方的管道161，管道设置多个花洒162，模拟降雨装置与流量计之间设置第一阀门163。

管道161上设置6～12个花洒162。

花洒162为4～8寸圆面直径为0.1～0.2m，每个花洒162包括30～90个铜钉出水孔。

本实施例中管道161上设置6个8寸圆面直径为0.2m、75个铜钉出水孔数的花洒。

本实施例的生态植草沟模拟实验装置，采用模拟降雨装置模拟降雨形成降雨径流，并通过第一阀门163控制是否产生降雨径流。

模拟降雨装置还包括铝合金支架164。

径流产生装置还包括设置于流经装置2外侧的凹槽171，凹槽171用于产生道路径流，凹槽的外侧壁的上沿高于流经装置侧壁的上沿，凹槽171与流量计13之间设置第二阀门172。

流经装置2两侧分别设置长度为0.03～0.05m、高度为0.04～0.08m的凹槽171。

本实施例中设置长度为0.05m、高度为0.04m的2个凹槽171。

本实施例的生态植草沟模拟实验装置，通过实验用水漫过流经装置侧壁的上沿，形成道路径流，并通过第二阀门172控制是否产生道路径流。

流经装置2侧壁上沿设置一个或多个闸门182，每个闸门182处设置滤网181，滤网用于产生绿地径流，本实施例中设置四组闸门182与滤网181，流经装置2的每一侧设置两组。

本实施例的生态植草沟模拟实验装置，通过实验用水流过设置于流经装置侧壁的上沿滤网181，形成绿地径流，并通过闸门182控制是否产生绿地径流。

流经装置2外侧底部设有支撑结构。

本实施例的生态植草沟模拟实验装置还包括与流量计13连接的总阀门14，用于控制是否产生地表径流，在其他的实施例中也可以不包括总阀门14。

本实施例的生态植草沟模拟实验装置还包括三叉进水管15，三叉进水管15的进水管与总阀门14连接。

三叉进水管15的进水管也可以与流量计13直接连接。

三叉进水管15的出水管设置第一阀门163与第二阀门172，本实施例中第二阀门172为两个，分别通过管道与流经装置2两侧的凹槽171连接。

流经装置2中设置待分析生态植草沟，流经装置2宽度为0.4～2.0m、长度为2.0～15.0m、高度为0.5～0.8m。

本实施例中流经装置2采用0.1m厚度的PE板制作，宽度为0.4m、长度为2.0m、高度为0.8m。

如图2所示，待分析生态植草沟中设置取样管31，取样管31通过管道与收集装置34连接。

待分析生态植草沟中设置上层取样管31、中层取样管32与下层取样管33，每个取样管31、32、33上分别设置阀门311、321、331，中层取样管32和下层取样管33连接待分析生态植草沟的渗透管。

收集装置34为自制雨量筒，高度为0.4～1.0m，半径为0.2～0.4m。

如图3所示，本实施例中的待分析生态植草沟从上到下为植被层51、种植土层52、砌块砖层53与砾石层54；待分析生态植草沟还包括设置于砌块砖层53中的第一渗水管551与设置于砾石层54中的第二渗水管552。

中层取样管32与第一渗水管551连接，下层取样管33与第二渗水管552连接。

第一渗水管551与第二渗水管552上设置0.002～0.005m渗水孔。

植被层51为0.1～0.25m的草坪草。

监测装置包括设置在待分析生态植草沟中的多个土壤水分传感器和与土壤水分传感器相连的数据采集处理器4，土壤水分传感器沿待分析生态植草沟长边一侧与中层取样管32和下层取样管33同等高度沿长边布置。

本实施例中设置8个土壤水分传感器，为美国产EC-5土壤水分传感器，8个土壤水分传感器设置在沿流经装置2长边，与中层取样管32和下层取样管33同等高度纵向布置，数据采集处理器4选用美国产EM50数据采集处理器。

本发明还提供采用生态植草沟模拟实验装置的实验操作方法，包括以下步骤：

(1)配置设定污染物浓度的实验用水，并将实验用水放入径流产生装置的水箱11中；

(2)通过调节水泵12设定不同的水力负荷和流速；

(3)产生地表径流；

(4)地表径流流过流经装置2中的待分析生态植草沟；

(5)待分析生态植草沟处理后的地表径流，经取样管31、32、33汇集到收集装置34；

(6)监测待分析生态植草沟的土壤水分变化。

步骤(2)产生地表径流的方法包括：

(31)打开设置于模拟降雨装置与流量计13之间的第一阀门163，模拟降雨装置模拟降雨形成降雨径流。

步骤(2)产生地表径流的方法包括：

(32)打开设置于凹槽171与流量计13之间的第二阀门172，实验用水漫过流经装置侧壁的上沿，形成道路径流。

步骤(2)产生地表径流的方法包括：

(33)打开设置于凹槽171与流量计13之间的第二阀门172；

(34)打开设置于流经装置侧壁的上沿的闸门182，实验用水流经滤网181，形成绿地径流。

在本发明的一个实施例中的采用生态植草沟模拟实验装置的实验操作方法，包括以下步骤：

第一步，依据实验目的，配制不同污染物浓度的实验用水，并将配制后的实验用水放置于径流产生装置的水箱11中；通过调节水泵12来控制径流流量的增减，设定不同的水力负荷和流速；

第二步，开启径流产生装置的水泵12和第一阀门163后，实验用水流经模拟降雨装置的管道161与花洒162，形成降雨径流；

第三步，降雨径流流入流经装置2；然后分别开启上层取样管31的阀门311、中层取样管32的阀门321、下层取样管33的阀门331，收集装置34采集土壤溶液样品，带回实验室进行雨水污染物浓度检测，同时利用监测装置的数据采集器41记录土壤水分变化值；

第四步，将土壤水分变化值导入计算机系统，利用统计软件进行分析，得出土壤入渗雨量，最终获得不同降雨类型下不同取样点土壤渗透率和雨水污染物的各项指标。

本实施例中通过开启第一阀门163，形成降雨径流，对待分析生态植草沟进行实验、分析。

本实施例中配制的实验用水为：总悬浮颗粒(TSS)200mg/L，化学需氧量(CODcr)100mg/L，氨氮2.0mg/L，总磷(TP)0.6mg/L。

设定的进水流速为1600ml/min，放水时间为30min。

采用本实施例中的实验步骤，结果如下：经土壤水分换算进入土壤中的径流量是15L，流经装置流过的径流量是48L，流失的径流量约33L，那么雨水利用率是31.3％；同时，通过实验室雨水污染物浓度检测分析得到检测的污染物浓度：总悬浮物为40mg/L、化学需氧量为30mg/L、氨氮为0.6mg/L、总磷为0.05mg/L：

去除率的计算方法为：

去除率＝(设定的污染物总浓度-检测的污染物浓度)/设定的污染物总浓度×100％，

其中设定的污染物总浓度为配制的实验用水的污染物浓度，检测的污染物浓度为通过实验室雨水污染物浓度检测分析得到的污染物浓度。

经计算，生态植草沟对径流污染物去除率分别为总悬浮物为80％、化学需氧量为70％，氨氮70％、总磷91.7％。

在本发明的另一个实施例中的采用生态植草沟模拟实验装置的实验操作方法，第二步与前述实施例有所不同：

第二步，打开设置于凹槽171与流量计13之间的第二阀门172，实验用水漫过流经装置侧壁的上沿，形成道路径流。

本实施例中通过开启第二阀门172，形成道路径流，对待分析生态植草沟进行实验、分析。

采用本实施例中的实验步骤，结果如下：经土壤水分换算进入土壤中的径流量是10L，流经装置流过的径流量是48L，流失的径流量约38L，那么雨水利用率是20.8％，同时，通过室内雨水污染物浓度检测分析可得总悬浮物为80mg/L、化学需氧量为50mg/L、氨氮为0.8mg/L、总磷为0.1mg/L，经计算植草沟对径流污染物去除率分别为总悬浮物60％、化学需氧量50％，氨氮60％、总磷83.3％。

在本发明的又一个实施例中的采用生态植草沟模拟实验装置的实验操作方法，第二步与前述实施例有所不同：

第二步，打开设置于凹槽171与流量计13之间的第二阀门172；打开设置于流经装置侧壁的上沿的闸门182，实验用水流经滤网181，形成绿地径流。

本实施例中通过开启第二阀门172与闸门182，形成绿地径流，对待分析生态植草沟进行实验、分析。

采用本实施例中的实验步骤，结果如下：经土壤水分换算进入土壤中的径流量是5L，径流流经装置流过的径流量是48L，流失的径流量约43L，那么雨水利用率是10.4％，同时，通过室内雨水污染物浓度检测分析可得总悬浮物为100mg/L、化学需氧量为60mg/L、氨氮为1.1mg/L、总磷为0.2mg/L，经计算植草沟对径流污染物去除率分别为总悬浮物50％、化学需氧量40％，氨氮45％、总磷66.7％。

本发明提供的生态植草沟模拟实验装置，能够通过控制第一阀门163、第二阀门172与闸门182，实现分别模拟降雨径流、道路径流或绿地径流中的一种或几种径流，对待分析生态植草沟进行实验与分析。

本发明提供的生态植草沟模拟实验装置和实验操作方法，通过设定不同污染物浓度的实验用水，能够产生不同雨水径流污染物浓度的地表径流；根据流量计的数据调节水泵，能够产生不同水力负荷和流速状态的地表径流；通过模拟降雨装置、设置于流经装置外侧的凹槽以及设置于流经装置侧壁上沿的滤网，产生降雨径流、道路径流与绿地径流，并通过相应阀门控制产生一种或几种径流；流经装置中设置不同的待分析生态植草沟，能够对不同的待分析生态植草沟进行定量分析；径流产生装置能够模拟自然地表径流条件，流经设置待分析生态植草沟的流经装置，收集经待分析生态植草沟处理的地表径流并监测土壤水分变化，能够定量分析不同地表措施和不同土壤结构的生态植草沟对雨水截留和污染物消减作用的影响程度，找到更适合于不同地表环境的生态植草沟的结构，从而对城市雨水利用与控制城市降雨地表径流调蓄和污染调控具有十分重要意义。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种生态植草沟模拟实验装置，其特征在于，所述生态植草沟模拟实验装置包括：

径流产生装置，用于产生地表径流；

流经装置，设置待分析生态植草沟，所述地表径流流过所述流经装置；

收集装置，用于收集所述地表径流经所述流经装置处理后的土壤溶液样品；

监测装置，用于监测所述待分析生态植草沟的土壤水分变化，包括多个土壤水分传感器以及与所述土壤水分传感器连接的数据采集处理器；

所述流经装置与所述收集装置通过管道连接，所述监测装置的所述土壤水分传感器设置于所述待分析生态植草沟中；

其中，所述径流产生装置包括：

水箱，用于存放产生所述地表径流的设定污染物浓度的实验用水；

水泵，用于根据所述流量数据将所述地表径流调节到设定径流流速与设定水力负荷；

流量计，用于记录流量数据；

所述的水箱、所述的水泵与所述的流量计通过管道连接；

其中，所述径流产生装置还包括模拟降雨装置，用于模拟降雨形成降雨径流，所述模拟降雨装置包括设置于所述流经装置上方的管道，所述管道设置多个花洒，所述模拟降雨装置与所述流量计之间设置第一阀门；

其中，所述径流产生装置还包括设置于所述流经装置外侧的凹槽，所述凹槽用于产生道路径流，所述凹槽的外侧壁的上沿高于所述流经装置侧壁的上沿，所述凹槽与所述流量计之间设置第二阀门；

其中，所述流经装置侧壁上沿设置一个或多个闸门，每个所述闸门处设置滤网，所述滤网用于产生绿地径流。

2.如权利要求1所述的生态植草沟模拟实验装置，其特征在于，所述待分析生态植草沟中设置取样管，所述取样管通过管道与所述收集装置连接。

3.一种采用如权利要求1或2所述的生态植草沟模拟实验装置的实验操作方法，其特征在于，所述实验操作方法包括以下步骤：

(1)配置设定污染物浓度的实验用水，并将所述实验用水放入径流产生装置的水箱中；

(2)通过调节水泵设定不同的水力负荷和流速；

(3)产生地表径流；

(4)所述地表径流流过流经装置中的待分析生态植草沟；

(5)所述待分析生态植草沟处理后的地表径流，经取样管汇集到收集装置；

(6)监测所述待分析生态植草沟的土壤水分变化。

4.如权利要求3所述的实验操作方法，其特征在于，步骤(2)产生地表径流的方法包括：

(31)打开设置于模拟降雨装置与流量计之间的第一阀门，所述模拟降雨装置模拟降雨形成降雨径流。

5.如权利要求3所述的实验操作方法，其特征在于，步骤(2)产生地表径流的方法包括：

(32)打开设置于凹槽与流量计之间的第二阀门，所述实验用水漫过流经装置侧壁的上沿，形成道路径流。

6.如权利要求3所述的实验操作方法，其特征在于，步骤(2)产生地表径流的方法包括：

(33)打开设置于凹槽与流量计之间的第二阀门；

(34)打开设置于流经装置侧壁的上沿的闸门，所述实验用水流经滤网，形成绿地径流。