CN104502540A - 一种岸滩沉积释放模拟实验装置及其模拟实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种岸滩沉积释放模拟实验装置及其模拟实验方法，装置包括生浪装置、测量装置和水位涨落装置，水位涨落装置包括坡度能够调整的变坡水槽和通过出水管与变坡水槽相连接且高度能够升降的升降桶；所述生浪装置设置在变坡水槽内，生浪装置包括与变坡水槽底部垂直设置的转碟滑槽、滑动设置在转碟滑槽上且能转动的转碟和与转碟相连接的浮体。变坡水槽内设置有泥槽。通过升降桶内注水、控制变坡水槽内水位涨落时间及涨落周期，以及水位涨落的同时，转动转碟持续不断地产生波浪，从而能够还原天然状态底泥的底部渗透性与天然水面接近的波动特性，并能模拟岸滩周期性淹没与往复水流冲刷的水动力作用下，底泥污染释放的实验研究问题。

Description

一种岸滩沉积释放模拟实验装置及其模拟实验方法

技术领域

本发明涉及一种污染物释放过程的模拟实验装置及实验方法，属于环境保护领域，特别是一种岸滩沉积释放模拟实验装置及其模拟实验方法。

背景技术

近年来，随着我国社会经济的高速发展，大量营养物和污染物经河流进入湖泊、近海等水体，并在河口附近的滩涂底泥中沉积富集，岸滩成为滨湖、海河口地区营养物和污染物的源和汇储器。受水面涨落和波浪的作用，滩涂区域形成独特的周期性淹没和往复水流冲刷的动力环境，扰动岸滩底泥并引发表层沉积物的再悬浮，导致富集于底泥中的有机质、营养物、重金属及其他污染物向上覆水体释放，产生二次污染，对水域生态环境质量造成威胁，例如，滩涂底泥中N、P等营养物质的释放加重了滨海水域的营养负荷，是近岸水体富营养化的诱因之一；重金属、POPs等污染物的释放不仅对岸滩生物造成污染，甚至还会通过食物链影响人类健康，等等。因此，研究周期性淹没和往复水流冲刷动力环境下滩涂沉积物-间隙水-上覆水交互作用机制，探清岸滩底泥污染物的释放规律，为湖泊、近海等水质管理及污染控制提供科学依据，具有重要的理论意义与实际应用价值。

目前对岸滩底泥污染物释放规律的研究以野外原位观测和室内模拟实验方式为主。野外原位观测通过布设观测点位，进行水文、水质及沉积物等样本采集与分析，获得研究所需的现场环境基础数据。但野外原观需耗费大量人力、物力资源，更重要的是野外原观不可避免地受气象、潮波、风况等众多自然因素的限制，无法进行可控边界条件下的研究，且所得观测数据有限，难以对理论分析提供全面支撑，进而满足人们进一步提升岸滩底泥污染物释放规律认知水平的需求，因此主要用于区域现状的调查分析。

室内模拟实验可以方便地控制工况条件且能够多组平行，同时人力、物力投入也相对较小，已成为深入探讨岸滩污染物释放规律的重要研究手段。室内实验可分为静水和动水模拟两种类型，其中静水实验将采集的岸滩底泥置于静水中，研究其污染物的释放规律，这种实验方式没有考虑水动力条件这个影响底泥污染物释放的重要因素，具有明显的局限性。室内动水实验则是通过构架外部动力装置，驱动实验水体以形成运动水流，进而模拟底泥污染物在动水环境中的释放过程，其关键在于如何提供能够模拟岸滩波流扰动的外部动力装置。

目前，模拟外部动力扰动的常用方法有振荡式、活塞式、旋桨式、鼓风式和造波式。

（1）振荡式是在容器中装入一定量沉积物和水样，放于振荡器中，由振荡产生的作用力使沉积物发生污染释放，以振荡频率模拟水力扰动强度的大小。然而，振荡式是直接同时施力于水体和沉积物，与近岸水流运动对岸滩底泥污染物释放的作用机制有很大差距。

   （2）活塞式是运用可调节振幅和频率的活塞作用于水体，活塞上下往复运动，搅动上覆水体形成运动水流，从而会对沉积物表层造成扰动，使底泥中的污染物向上覆水体释放。

  （3）旋桨式是通过垂直于水面或与水面成一定角度的旋桨在水中转动，搅动上覆水体形成运动水流，从而使沉积物在一定强度扰动下发生污染释放。

  （4）鼓风式是通过多台鼓风机联合使用模拟不同风强施加于上浮水体，使其产生水流运动进而造成沉积物污染释放。

    上述活塞式、旋桨式与鼓风式虽然能够形成运动水流，但不能模拟岸滩的周期性淹没－出露和波浪冲刷的水动力过程，这与近岸水流运动对岸滩底泥污染物释放的作用机制有很大差距。

  （5）造波式利用造波机造出的波浪扰动沉积物使其发生污染释放。造波式虽然能够模拟波浪扰动下底泥的释放过程，但无法体现岸滩地区独特的往复淹没、干湿交替动水环境。

由此可见，目前的室内实验方法，无论是静水还是现有的动水系统，都不能有效地模拟岸滩地区在水面涨落和波浪传播破碎作用下，形成的周期性淹没和往复水流冲刷这一独特的水动力过程，无法满足揭示滨湖、海近岸动力环境下滩涂底泥污染释放机理与变化规律的研究需求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一的岸滩沉积释放模拟实验装置及其模拟实验方法，该岸滩沉积释放模拟实验装置及其模拟实验方法，能够用以模拟岸滩周期性淹没与往复水流冲刷的水动力情况，解决在岸滩独特的水动力环境作用下底泥污染释放的实验模拟问题。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

    一种岸滩沉积释放模拟实验装置，包括生浪装置、测量装置和水位涨落装置，该水位涨落装置包括变坡水槽和高度能够升降的升降桶；所述变坡水槽的底部或侧壁通过出水管与升降桶相连接；所述变坡水槽的底部设置有能使变坡水槽呈一定坡度的升降杆；所述生浪装置设置在变坡水槽内，生浪装置包括与变坡水槽底部垂直设置的转碟滑槽、滑动设置在转碟滑槽上且能转动的转碟和与转碟相连接的浮体；所述测量装置包括沉积底泥取样装置和设置在变坡水槽顶部的流速测量装置。

    所述转碟的转动由固定在浮体顶部的调速电机驱动。

    所述转碟包括一根能够转动的转碟轴和若干个等距套装在转碟轴上的圆形碟片，所述转碟轴通过皮带与调速电机相连接。

    相邻两个所述圆形碟片之间的间距为1cm。

    每个所述圆形碟片的一个单侧圆周上均呈等角度辐射状布置有若干个条状拨片。

    所述条状拨片有32个，每个条状拨片的厚度为0.3cm，宽度为0.3cm，长度为5cm。

    在远离出水管一侧的所述变坡水槽底部设置有泥槽，该泥槽的底部从下至上依次布置有100g/m²的短纤针刺土工布、250g/m²的短纤针刺土工布、空隙率为1：10的高分子材料复合土工滤网和350g/m²的短纤针刺土工布；泥槽的侧壁从外至内依次布置有空隙率为1：10的高分子材料复合土工滤网和350g/m²的短纤针刺土工布。

    一种岸滩沉积释放模拟实验方法，包括以下步骤：

    第一步，装入沉积底泥：将用于试验的岸滩沉积底泥装入变坡水槽底部的泥槽中。

    第二步，调整变坡水槽的坡度：根据实际的地形坡比，使变坡水槽底部的升降杆升降，调整变坡水槽的坡度。

    第三步，向变坡水槽和升降桶中注水：从升降桶侧开始注水，升降桶中的水将通过出水管流入变坡水槽内，从而使变坡水槽和升降桶内注入设定深度的水；生浪装置中的浮体将漂浮在变坡水槽中水位的上方。

    第四步，变坡水槽内水位涨落：通过控制升降桶的升降高度、升降时间和升降次数，使变坡水槽内的水位进行周期性往复式涨落。

    第五步，变坡水槽内波浪形成：在第四步中变坡水槽内水位涨落的同时，生浪装置中的浮体将随着变坡水槽中水位的变化而变化；浮体的上下浮动，将带动转碟自动在转碟滑槽内上下滑动；与此同时，调速电机启动并驱动转碟旋转，使变坡水槽内产生波浪。

    第六步，沉积底泥和水体取样及测试：利用沉积底泥取样装置对变坡水槽内的沉积底泥和水体进行取样，并对样品进行测试。

    第七步，流速测定：利用流速测量装置对变坡水槽内水体的流速进行测试。

    所述第三步中，当从升降桶侧开始注水前，需将升降桶的底面高度比变坡水槽最低底面的高度低50cm。

    所述第五步中，转碟旋转的转速不超过25r/min。

    本发明采用上述结构及方法后，具有如下有益效果：

1.上述变坡水槽的坡度可以调整，也即能够准确地模拟实际岸滩的地形坡比，使测试数据更为准确、可靠。

2.上述水位涨落装置的设置以及水位涨落的控制方法，能够准确模拟岸滩周期性淹没与往复水流冲刷的水动力情况，从而能有效解决在岸滩独特的水动力环境作用下底泥污染释放的实验模拟问题。

    3.本发明中选用转碟，使其在水体表面产生波动，也即转碟造波。经过试验证明，采用转碟造波后，测得近底部的压力峰值与天然状态下测得并缩尺后得到的压力峰值差小于500Pa，而采用水泵或推板作用时，相同条件下的测得的近底部压力峰值与天然状态下测得并缩尺后的压力峰值差大于5KPa。也就是说，采用本方案中的转碟造波，相对于水泵或推板造波，转碟造波对底部的扰动程度与天然状态下更为相似。因此避免了水泵或推板机械作用产生的搅动、充氧、压力变化对于水中污染物的影响。

    4.上述浮体与转碟的结合，在变坡水槽内水位涨落时，仍然能持续不断地产生波浪。

5.上述泥槽的设置，能够模拟天然状态的底泥的底部渗透性，是本发明的发明点之一。发明人经过多种组合试验，测试了各种土工织物组合的底部渗透率，在采用现有组合时得到的多个渗透率值，其中包含了实测的天然状态底泥的底部渗透率的缩尺值，进一步地发明人通过厚度控制精确地模拟了天然状态底泥底部渗透率的缩尺值。

6.本发明的转碟结构和尺寸的设计，也是本发明的发明点之一。发明人是在收集了多个海岸带关注期间的海浪周期参数，包括周期，波长，振幅等参数，并对上述参数进行长期分析与探索，才完成了本发明中转碟结构和尺寸的设计。在现有技术中，公知的技术是通过推板生浪设备还原波浪周期参数，本发明提出了一种新的装置，该装置能获得与天然水面接近的波动特性。

附图说明

图1为本发明中岸滩沉积释放模拟实验装置（不包含测量装置）的结构示意图；

图2显示了流速测量装置的安装示意图；

图3显示了变坡水槽内泥槽的布置示意图；

图4显示了变坡水槽内泥槽侧壁的布置示意图；

图5显示了转碟的结构示意图；

图6显示了圆形碟片的结构示意图；

图7显示了沉积底泥取样装置的结构示意图。

其中有：11.变坡水槽；12.升降桶；13.升降机；14.支架；15.出水管；16.升降杆；17.固定杆；21.转碟；22.转碟滑槽；23.浮体；24.调速电机；25.转碟轴；26.条状拨片；27.圆形碟片；31.ADV测速仪；32.ADV支架；4.泥槽；41.100g/m²的短纤针刺土工布；42.250g/m²的短纤针刺土工布；43.350g/m²的短纤针刺土工布；44.空隙率为1：10的高分子材料复合土工滤网；45.岸滩沉积底泥。

具体实施方式

下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1、图2和图7所示，一种岸滩沉积释放模拟实验装置，包括水位涨落装置、生浪装置和测量装置。这三部分装置，优选通过控制总线与计算机相连。这样，便能通过计算机进行显示和自动控制整个水位涨落过程、生浪过程及测量过程。

如图1所示，水位涨落装置包括变坡水槽11和高度能够升降的升降桶12，变坡水槽11的底部通过出水管15与升降桶12相连接。作为替换，也可在变坡水槽11的侧壁底部通过出水管15与升降桶12相连接。

变坡水槽11优选为矩形，也可以为方形或圆形等，变坡水槽11的底部优选设置有一根升降杆16和一根固定杆17，其中固定杆17设置邻近出水管15的一侧，升降杆16设置在于固定杆15相对应的另一侧。这样，通过手动或自动调整升降杆16的高度，即能使变坡水槽11形成一定的坡度，从而能够准确地模拟实际岸滩的地形坡比，使测试数据更为准确、可靠。

升降桶12优选为圆形，其顶部设置有注水口，其顶部通过出水管15与变坡水槽11相连接。升降桶12优选通过支架14固定在一架升降机13上，这样，通过升降机13的升降，即可控制升降桶12的高度升降，从而控制变坡水槽11的水位涨落。当然，作为替换，升降桶12的升降，也可采用升降柱或其他的升降方式。

生浪装置设置在变坡水槽11内，生浪装置包括与变坡水槽11底部垂直设置的转碟滑槽22、滑动设置在转碟滑槽22上且能转动的转碟21和与转碟21相连接的浮体23。

    转碟21的转动优选由固定在浮体23顶部的调速电机24驱动，当然，也可采用位于变坡水槽11外部的其他驱动设备进行驱动。

如图5所示，转碟21包括一根能够转动的转碟轴25和若干个等距套装在转碟轴25上的圆形碟片27，转碟轴25通过皮带与调速电机24相连接。相邻两个圆形碟片27之间的间距优选为1cm。发明人经过多次实验发现，如果两圆形碟片27距离大于1cm时，将会产生破碎波，距离小于1cm则不能产生需要的浪高，故设置为1cm时，能产生与天然海浪相似的波浪。

如图5和图6所示，每个圆形碟片27的一个单侧圆周上均呈等角度辐射状布置有若干个条状拨片26，每个圆形碟片27的直径优选为20cm，厚为1cm。条状拨片的数量有32个，每个条状拨片26的厚度优选为0.3cm，宽度优选为0.3cm，长度优选为5cm。发明人经过多次实验发现，当圆形碟片27符合以上设置时，才能在装置中产生天然海浪相似的模拟波浪。

    上述转碟21的设置，具与天然海浪相似的模拟波浪。在本发明所提供的装置下，通过控制转碟21的不同转动速度，能获得模拟的海浪波动，实验测得该海浪波动与天然状态下的海浪波动，在周期，浪高和波速上具有相似性。

测量装置，包括沉积底泥取样装置和设置在变坡水槽顶部的流速测量装置。沉积底泥取样装置和流速测量装置均为较为成熟的现有技术，本申请中，沉积底泥取样装置直接采用了现有技术中，如图7所示的带阀取样孔。流速测量装置直接采用了常用的ADV测速仪31，如图2所示，该ADV测速仪31通过ADV支架32固定在变坡水槽11的顶部。

在远离出水管15一侧的变坡水槽11底部设置有泥槽4，该泥槽4的优选布置方式如下：如图3所示，首先在变坡水槽11底部铺一层厚12.5cm的100g/m²的短纤针刺土工布41，在远离进出水管15一侧至变坡水槽长度2/3位置，在其上再铺设一层厚度为7.5cm的250g/m²的短纤针刺土工布42；然后，再在变坡水槽11的三个侧面和已进行前述铺设的底面上依次进行铺设空隙率为1：10且厚度为5cm的高分子材料复合土工滤网44和厚度为3.8cm的350g/m²的短纤针刺土工布43。这样，泥槽4即铺设完成，已完成铺设的变坡水槽11底部即为泥槽4的底部，已完成铺设的变坡水槽11的三个侧壁，如图4所示，即为泥槽4的侧壁。

上述泥槽4的设置，充分还原了天然状态的底泥的底部渗透性。

进一步，在变坡水槽11底部优选设置有两个楔形支块，上述泥槽4将设置在变坡水槽11的两个左右侧壁以及两个楔形支块的内侧壁所围成的空腔内。这样，泥槽4的底部为变坡水槽11的空腔底部，泥槽4的侧壁将为图1中变坡水槽11的左侧壁，以及楔形支块的两个内侧壁。变坡水槽11的这种设置方式，能够更加真实地模拟实际中的岸滩地形。

    一种岸滩沉积释放模拟实验方法，包括以下步骤：

    第一步，装入岸滩沉积底泥45：将用于试验的岸滩沉积底泥45装入变坡水槽11底部的泥槽4中。

    第二步，调整变坡水槽11的坡度：根据实际的地形坡比，使变坡水槽11底部的升降杆16升降，调整变坡水槽11的坡度。

第三步，向变坡水槽11和升降桶12中注水：从升降桶12侧开始注水，升降桶12中的水将通过出水管15流入变坡水槽11内，从而使变坡水槽11和升降桶12内注入设定深度的水。这时，生浪装置中的浮体23将始终漂浮在变坡水槽11中水位的上方。

当从升降桶12侧开始注水前，需将升降桶12的底面以上50cm位置调整到变坡水槽11倾斜后较低一边最高水位等高程。这样调整的目的：当升降桶12充水时，能够避免水从变坡水槽11侧溢出。另外，升降桶12最高注水位不超过升降圆桶12底面以上50cm。

    第四步，变坡水槽11内水位涨落：通过控制升降桶12的升降高度、升降时间和升降次数，使变坡水槽11内的水位进行周期性往复式涨落。这里，优选通过计算机进行控制，可以事先在计算机内进行设置。

第五步，变坡水槽11内波浪形成：在第四步中变坡水槽11内水位涨落的同时，生浪装置中的浮体23将随着变坡水槽11中水位的变化而变化；浮体23的上下浮动，将带动转碟21自动在转碟滑槽22内上下滑动；与此同时，调速电机24启动并驱动转碟21旋转，使变坡水槽11内持续产生波浪。

经发明人反复实验得出，当涨潮过程时间不到2小时时，转碟21的旋转速度不应超过25r/min，所获得的实验结果与原型相符。本部分为本发明的发明点之一，是发明人经过反复实验得到的，在相关的文献中没有技术提示。因为本发明装置为模拟装置，按照本发明所提供的设计能够达到与原型相似的技术效果。其他未按照以上组合进行控制时，均不能获得与原型相似的技术效果。

    第六步，沉积底泥25和水体取样及测试：利用沉积底泥取样装置，如图7所示的带阀取样孔，对变坡水槽11内的沉积底泥25和水体进行取样，并对样品进行测试。

    第七步，流速测定：根据实验需要，选择一定的间隔时间，利用流速测量装置，如图2所示的ADV测速仪32，对变坡水槽11内水体的流速进行测试。

采用上述结构及方法后，从而能够准确模拟岸滩周期性淹没与往复水流冲刷的水动力情况，从而能有效解决在岸滩独特的水动力环境作用下底泥污染释放的实验模拟问题。

Claims (10)

1.一种岸滩沉积释放模拟实验装置，包括生浪装置和测量装置，其特征在于：还包括水位涨落装置，该水位涨落装置包括变坡水槽和高度能够升降的升降桶；所述变坡水槽的底部或侧壁通过出水管与升降桶相连接；所述变坡水槽的底部设置有能使变坡水槽呈一定坡度的升降杆；所述生浪装置设置在变坡水槽内，生浪装置包括与变坡水槽底部垂直设置的转碟滑槽、滑动设置在转碟滑槽上且能转动的转碟和与转碟相连接的浮体；所述测量装置包括沉积底泥取样装置和设置在变坡水槽顶部的流速测量装置。

2.根据权利要求1所述的岸滩沉积释放模拟实验装置，其特征在于：所述转碟的转动由固定在浮体顶部的调速电机驱动。

3.根据权利要求2所述的岸滩沉积释放模拟实验装置，其特征在于：所述转碟包括一根能够转动的转碟轴和若干个等距套装在转碟轴上的圆形碟片，所述转碟轴通过皮带与调速电机相连接。

4.根据权利要求3所述的岸滩沉积释放模拟实验装置，其特征在于：相邻两个所述圆形碟片之间的间距为1cm。

5.根据权利要求4所述的岸滩沉积释放模拟实验装置，其特征在于：每个所述圆形碟片的一个单侧圆周上均呈等角度辐射状布置有若干个条状拨片。

6.根据权利要求5所述的岸滩沉积释放模拟实验装置，其特征在于：所述条状拨片有32个，每个条状拨片的厚度为0.3cm，宽度为0.3cm，长度为5cm。

7.根据权利要求1所述的岸滩沉积释放模拟实验装置，其特征在于：在远离出水管一侧的所述变坡水槽底部设置有泥槽，该泥槽的底部从下至上依次布置有100g/m²的短纤针刺土工布、250g/m²的短纤针刺土工布、空隙率为1：10的高分子材料复合土工滤网和350g/m²的短纤针刺土工布；泥槽的侧壁从外至内依次布置有空隙率为1：10的高分子材料复合土工滤网和350g/m²的短纤针刺土工布。

8.一种岸滩沉积释放模拟实验方法，其特征在于：包括以下步骤：

第一步，装入岸滩沉积底泥：将用于试验的岸滩沉积底泥装入变坡水槽底部的泥槽中；

第二步，调整变坡水槽的坡度：根据实际的地形坡比，使变坡水槽底部的升降杆升降，调整变坡水槽的坡度；

第三步，向变坡水槽和升降桶中注水：从升降桶侧开始注水，升降桶中的水将通过出水管流入变坡水槽内，从而使变坡水槽和升降桶内注入设定深度的水；生浪装置中的浮体将漂浮在变坡水槽中水位的上方；

第四步，变坡水槽内水位涨落：通过控制升降桶的升降高度、升降时间和升降次数，使变坡水槽内的水位进行周期性往复式涨落；

第五步，变坡水槽内波浪形成：在第四步中变坡水槽内水位涨落的同时，生浪装置中的浮体将随着变坡水槽中水位的变化而变化；浮体的上下浮动，将带动转碟自动在转碟滑槽内上下滑动；与此同时，调速电机启动并驱动转碟旋转，使变坡水槽内产生波浪；

第六步，沉积底泥和水体取样及测试：利用沉积底泥取样装置对变坡水槽内的沉积底泥和水体进行取样，并对样品进行测试；

第七步，流速测定：利用流速测量装置对变坡水槽内水体的流速进行测试。

9.根据权利要求8所述的岸滩沉积释放模拟实验方法，其特征在于：所述第三步中，当从升降桶侧开始注水前，需将升降桶的底面高度比变坡水槽最低底面的高度低50cm。

10.根据权利要求8所述的岸滩沉积释放模拟实验方法，其特征在于：所述第五步中，转碟旋转的转速不超过25r/min。