CN105043937B - 一种模拟黄河泥沙对污染物的吸附及迁移规律的方法 - Google Patents

Abstract

发明涉及一种利用水工模型模拟黄河泥沙对污染物吸附及迁移规律的方法，其IPC国际专利分类号E02B 1/00和E02B 1/02，属于水利领域。本发明采用的水工模型由有机玻璃循环水槽、动力装置和取样装置三部分组成，动力装置由变速电机、传动皮带、水轮组成，水轮的外壳和叶片全部采用有机玻璃制成，取样装置由固定装置和取样管组成，该固定装置上设有纵向调整螺栓和横向调整丝杠。本发明能够动态模拟天然河流中污染物迁移转化的过程，增进对扩散过程和吸附、解吸反应机理及其相互作用的了解，因此意义巨大。

Description

一种模拟黄河泥沙对污染物的吸附及迁移规律的方法

技术领域：

本发明涉及一种利用水工模型模拟黄河泥沙对污染物的吸附及迁移规律的的方法，其IPC国际专利分类号E02B 1/00和E02B 1/02，属于水利领域。

背景技术：

随着水资源的日益短缺，黄河水对于黄河沿线城市、农村的工农业用水及居民饮用水的保障作用也日益突出，如何保证黄河水不被污染，以及一旦污染后如何尽快消除污染，对于保护黄河水质非常重要。因此，研究黄河泥沙对于污染物的吸附及其迁移扩散规律，已经成为黄河治理和保护的重要课题。关于泥沙对污染物吸附解吸机理的研究，已积累了很多成果。以往进行该项研究，一般是通过室内静态试验，将试验条件控制在影响因素很单一的情况下获得的；也有在动态试验条件下模拟泥沙对污染物迁移扩散过程进行科学研究的，通常用水泵作为动力装置，水泵的叶轮及叶轮腔内壁需涂布耐磨蚀材料，并且挟沙水流在水泵内的流速远大于试验流速，接触水流的动力装置金属材料、防腐抗磨材料大多会对污染物吸附产生影响，另外动力泵处复杂的水流条件也对污染物迁移、吸附有一定影响，这些干扰，往往导致试验结果失真，其结果用于河流污染物迁移转化模型是不可靠的。为了模拟天然河流中泥沙对污染物的迁移扩散过程，需要采用动力装置干扰小，更切合实际的动态模拟试验装置，以保证试验的准确性。本发明申请人的合作单位在之前提交的在先专利申请中(还没有公开)，采用在水轮出口布设活动压板及稳流板的模拟装置，起到了非常好的效果，但是，在试验水流强度达到一定程度后，活动压板和稳流板会有阻水作用，导致局部产生紊流，仍然对模拟结果带来一定的不良影响。本发明对此进行了进一步的改进。

发明内容：

本发明的目的在于针对静态试验中泥沙对污染物迁移转化的过程难以达到动态模拟或者动态试验中动力装置的干扰这一问题，设计了一种符合天然情况、原理简单的动态模拟试验水槽装备和模拟方法，旨在确保研究泥沙对污染物在水中迁移转化的影响成果的可靠性，力图更准确的了解扩散过程和吸附、解吸反应机理及其相互作用。

本发明的技术方案：

一种模拟黄河泥沙对污染物的吸附及迁移规律的方法，包括以下步骤：

(一)设置水工模型：所述水工模型由循环水槽、动力装置和取样装置三部分组成，所述循环水槽由有机玻璃制成，水槽宽度为0.15m，总周长为10m，其中两个直线段长3.5m，弯曲段内径0.41m，外径0.56m；在循环水槽一边的直线段设置所述的动力装置，在另一边的直线段设置所述的取样装置；所述动力装置由变速电机、传动皮带、水轮组成；变速电机置于钢板上，所述钢板通过钢钎固定在水平地面上，变速电机和钢板之间设置隔振垫；变速电机通过传动皮带与水轮的中心轴上安装的皮带轮相连；水轮的转动半径R与循环水槽的水深h的关系应当满足6h≥R≥4h，叶片的长度L与循环水槽的水深h的关系应当满足L＝h～2h，叶片偏向逆水流方向，并且与水轮径向的夹角θ为10°；叶片在处于循环水槽最底部时，叶片的边缘与循环水槽底部及循环水槽侧壁的间隙为2～3mm；在叶片上从上至下设有四排圆孔，圆孔的直径R1为5-7mm，圆孔在水平方向的间距为15～20mm，相邻两排圆孔在垂直方向的间距从上至下依次为：L1＝3R1，L2＝2R1，L3＝1.5R1，处于叶片两侧和底部的圆孔与叶片的侧边及底边的间距L4＝R1；

所述取样装置由固定装置和取样管组成，固定装置固定在循环水槽上，固定装置上平行设三根所述取样管，取样管均为内径4mm的有机玻璃管，该固定装置上设有纵向调整螺栓和横向调整丝杠，用来进行纵向和横向距离调整；取样管的进水口设置在同一个高度上，其进口的高度根据具体水深通过纵向调整螺栓来实现，不同断面的采样测点通过横向调整丝杠来实现；每根取样管上端出口均连接一根独立的导管，该导管为内径为4mm的软管，每根软管均延伸到循环水槽外，每根软管末端设有一个夹子。

(二)将有一定含沙量的浑水注入循环水槽中；

(三)启动变速电机，按照试验要求的水流条件调整好变速电机的转速，使浑水水流以一定的流速循环直至稳定；

(四)水流稳定后，在水槽中心线处用医用注射器将模拟污染物一定浓度的试剂注射到浑水中；

(五)每间隔一定时间，同时打开三个夹子进行取样，并记录取样时间、编号；

(六)试验结束，对样品进行污染物质检测，研究动态条件下泥沙对污染物迁移转化过程的规律。

本发明的模拟方法，发明点体现在以下两个方面：(1)在设置水力学模型时，模型各种参数的设定，对模型精确模拟真实的模拟对象，具有至关重要的作用，本发明的利用前期大量不同方案的对比实验研究，精确确定了水轮转动半径R、叶片长度L与水深h的对应关系，以及叶片数目、叶片与水轮的径向夹角θ的数值、叶片边缘与水槽侧壁及水槽底部的间隙大小，保证了水流状态与天然河流相似性。(2)叶片上设置圆孔，并通过大量试验对比后，对圆孔的排列方式进行精密布置，使叶片入水、带动水流流动时更平稳，而且叶片拨动水流产生的流速上大下小，更符合实际水流情况。

本发明能够动态模拟天然河流中污染物迁移转化的过程，增进对扩散过程和吸附、解吸反应机理及其相互作用的了解，因此意义巨大。

附图说明：

图1、本发明的循环水槽的平面布置图

图2、本发明采用的模拟装置的侧视图

图3、本发明采用的模拟装置的正视图

图4、本发明采用的叶片的放大示意图

图5、本发明取样装置的正面示意图

图中，1为动力装置，2为取样装置，3为变速电机，4为隔振垫，5为传动皮带，6为中心轴，7为水轮，8为叶片，9为钢板，10为圆孔，11为固定装置，12为取样管，13为夹子，14为循环水槽。

具体实施方式：

下面结合附图1-5，对本发明做详细说明。

图1为本发明采用的试验循环水槽14的平面图，由循环水槽14、动力装置1和取样装置2三部分组成，该循环水槽14由对吸附、迁移、扩散影响的很小的有机玻璃制成，置于距地面1m的水平面上，底面根据试验水流条件选择适宜的坡度，水槽宽度为0.15m，总周长为10m，其中两个直线段长3.5m，弯曲段内径0.41m，外径0.56m。有机玻璃循环水槽14的两直线段是试验中主要的操作区，一边设试验动力装置1，一边设取样装置2。试验动力装置1由变速电机3、传动皮带5、水轮7组成；为保证变速电机3运行平稳，变速电机3置于钢板9上，钢板9通过钢钎固定在水平地面上；为减少和消除变速电机3相对于地面的振动，变速电机3和钢板9之间设置隔振垫4；变速电机3通过传动皮带5与水轮7的中心轴6上安装的皮带轮相连。水轮7的外壳和叶片8全部统一采用有机玻璃制成。为保证水流状态与天然河流相似性及试验水流的平顺，通过不同方案实验比较研究发现，水轮7的转动半径R和叶片8的长度L与循环水槽14的水深h的关系应当满足6h≥R≥4h，L＝h～2h，叶片8的数目为10～18片，叶片8偏向逆水流方向，并且与水轮7径向的夹角θ约为10°。叶片8在处于循环水槽14最底部时，叶片8的边缘与循环水槽14底部及循环水槽14侧壁的间隙为2～3mm。

水轮7的中心轴6固定在循环水槽14上，启动变速电机3工作时，传动皮带5带动水轮7的中心轴6转动，水轮7转动拨动水流流动产生一定流速，改变变速电机3转速即可控制试验水流条件，这样保证试验可以动态模拟不同条件下天然河流的实际情况。

在较强试验水流条件下，为使得水轮出口水流更加平稳，本发明的申请人与合作单位在2个月前提交的在先专利申请中，采用在水轮出口布设活动压板及稳流板的模拟装置，起到了非常好的效果。但是，在试验水流强度达到一定程度后，活动压板和稳流板会有阻水作用，导致局部产生紊流，对模拟结果带来一定的不良影响。为了进一步保证模拟结果更切合实际水流情况，课题组通过大量的试验，对模型做了进一步改进，并体现在本发明的技术方案中。本发明在叶片8上从上至下设有四排圆孔10，圆孔10的直径R1为5-7mm，圆孔10在水平方向的间距为15～20mm，相邻两排圆孔10在垂直方向的间距从上至下依次为：L1＝3R1，L2＝2R1，L3＝1.5R1，处于叶片8两侧和底部的圆孔10与叶片8的侧边及底边的间距L4＝R1，需要说明的是，此处涉及到圆孔10的“间距”，是从圆孔10的边缘起算的。圆孔10的存在，使叶片8入水时、带动水流流动时更平稳，而且，圆孔10在叶片8上的排列是上疏下密，使叶片8的过流能力上小下大，叶片8拨动水流产生的流速上大下小，更符合实际水流情况。

取样装置2由固定装置11和取样管12组成，固定装置11固定在循环水槽14上，固定装置11上平行设三根所述取样管12，取样管12均为内径4mm的有机玻璃管，该固定装置11上设有纵向调整螺栓和横向调整丝杠，用来进行纵向和横向距离调整。取样管12的进水口设置在同一个高度上，其进口的高度根据具体水深通过纵向调整螺栓来实现，可设置多个不同深度的采样测点，采样测点的具体个数，也要根据具体水深确定，不同断面的采样测点通过横向调整丝杠来实现；试验样品的取样管12上端出口均连接一根独立的导管，该导管为内径为4mm的软管，每根软管均延伸到试验水槽外，其末端连接一个夹子13，需要取样时打开夹子13即可。

试验的操作步骤为：1.根据模拟河段黄河的含沙量，将有一定含沙量的浑水注入有机玻璃循环水槽14中；2.启动变速电机3，按照试验要求的水流条件调整好变速电机3的转数，使浑水水流以一定的流速循环直至稳定；3.水流稳定后，在水槽中心线处用医用注射器将模拟污染物一定浓度的试剂注射到浑水中；4.每间隔一定时间，同时打开三个夹子进行取样，并记录取样时间、编号；5.试验结束，对样品进行污染物质检测，研究动态条件下泥沙对污染物迁移转化过程的模拟。

整个水槽试验装置的排水口位于循环水槽14直线段与弯曲段的连接处，为整个水槽的最低点。但由于水槽整体接近水平，水槽中的水无法一次彻底排出，故每次试验完毕后，水槽均冲洗二次以上。

本发明解决了天然河流中污染物迁移转化过程模拟困难的问题，采用本发明能够动态模拟天然河流中污染物迁移转化的过程，且原理简单，操作方便，对动态研究泥沙对吸附性污染物在水中迁移转化的影响具有较高的实用价值。

Claims (1)

1.一种模拟黄河泥沙对污染物的吸附及迁移规律的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(一)设置水工模型：所述水工模型由循环水槽(14)、动力装置(1)和取样装置(2)三部分组成，所述循环水槽(14)由有机玻璃制成，水槽宽度为0.15m，总周长为10m，其中两个直线段长3.5m，弯曲段内径0.41m，外径0.56m；在循环水槽(14)一边的直线段设置所述的动力装置(1)，在另一边的直线段设置所述的取样装置(2)；所述动力装置(1)由变速电机(3)、传动皮带(5)、水轮(7)组成；变速电机(3)置于钢板(9)上，所述钢板(9)通过钢钎固定在水平地面上，变速电机(3)和钢板(9)之间设置隔振垫(4)；变速电机(3)通过传动皮带(5)与水轮(7)的中心轴(6)上安装的皮带轮相连；水轮(7)的转动半径R与循环水槽(14)的水深h的关系应当满足6h≥R≥4h，叶片(8)的长度L与循环水槽(14)的水深h的关系应当满足L＝h～2h，叶片(8)偏向逆水流方向，并且与水轮(7)径向的夹角θ为10°；叶片(8)在处于循环水槽(14)最底部时，叶片(8)的边缘与循环水槽(14)底部及循环水槽(14)侧壁的间隙为2～3mm；在叶片(8)上从上至下设有四排圆孔(10)，圆孔(10)的直径R1为5-7mm，圆孔(10)在水平方向的间距为15～20mm，相邻两排圆孔(10)在垂直方向的间距从上至下依次为：L1＝3R1，L2＝2R1，L3＝1.5R1，处于叶片(8)两侧和底部的圆孔(10)与叶片(8)的侧边及底边的间距L4＝R1；

所述取样装置(2)由固定装置(11)和取样管(12)组成，固定装置(11)固定在循环水槽(14)上，固定装置(11)上平行设三根所述取样管(12)，取样管(12)均为内径4mm的有机玻璃管，该固定装置(11)上设有纵向调整螺栓和横向调整丝杠，用来进行纵向和横向距离调整；取样管(12)的进水口设置在同一个高度上，其进口的高度根据具体水深通过纵向调整螺栓来实现，不同断面的采样测点通过横向调整丝杠来实现；每根取样管(12)上端出口均连接一根独立的导管，该导管为内径为4mm的软管，每根软管均延伸到循环水槽(14)外，每根软管末端设有一个夹子(13)；

(二)将有一定含沙量的浑水注入循环水槽(14)中；

(三)启动变速电机(3)，按照试验要求的水流条件调整好变速电机(3)的转速，使浑水水流以一定的流速循环直至稳定；

(四)水流稳定后，在水槽中心线处用医用注射器将模拟污染物一定浓度的试剂注射到浑水中；

(五)每间隔一定时间，同时打开三个夹子进行取样，并记录取样时间、编号；

(六)试验结束，对样品进行污染物质检测，研究动态条件下泥沙对污染物迁移转化过程的规律。