CN106226489B - 一种极端降水天气下水源污染模拟预测装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种极端降水天气下水源污染模拟预测装置，包括吸水管，水泵，压水管，至少一个喷头，土层箱，收集箱，用于将土层箱中的水排入至收集箱的集水槽，以及用于定时启闭水泵，调节水泵的扬程和流量的控制箱；其中，水泵的吸水端与吸水管连接，水泵的出水端通过压水管与喷头连接，控制箱与水泵连接，喷头设置在土层箱的正上方，收集箱设置在土层箱的一侧，集水槽设置在收集箱与土层箱之间；收集箱的下端设有排水孔，收集箱上设有多个不同高度的出水龙头。本发明还公开了基于一种极端降水天气下水源污染模拟预测装置的实现方法。该发明装置预测效果好，结构简单，造价低，操作方法简单实用，易于实践。

Description

一种极端降水天气下水源污染模拟预测装置及其方法

技术领域

本发明涉及水处理技术领域，特别是一种极端降水天气下水源污染模拟预测装置及其方法。

背景技术

随着我国城市化进程的加快，水污染问题日益突出，湖泊水库等类型水源因其具有优良的水质和充足的水量等优点，因而国内的湖泊水库等类型水源地在城市供水水源中所占比例逐渐上升。

而我国大部分地区降水存在时空分布不均，极端降水屡见不鲜，一方面，雷雨大风强对流天气经常出现，另外一方面，每年夏季特别是东南沿海地区台风也会引发强降水。这些强降水会携带地表的砂石和腐殖质以及其他污染物一起冲刷进入水源地，造成水源地水质严重恶化，水质指标主要包括浑浊度、色度、肉眼可湖泊见物等物理指标，耗氧量、氨氮、铁、锰、亚硝酸盐等化学指标以及大肠杆菌等微生物指标。以浙江某沿海城市的一座山体水库为例，正常情况在浑浊度基本在5NTU以下，2012年8月份台风海葵登陆后，浑浊度最高达到189NTU，2013年10月份台风菲特登陆后，浑浊度最高达到220NTU。

这种极端降水对水源水水质的影响不仅仅是在极端降水天气发生期间，其影响时间会持续几天甚至一周以上，严重扰乱了自来水厂的正常运行，难以保障自来水厂的出水水质长期稳定全面达标。一般强降水来临之前都会有提前预报，在极端降水到来前，自来水厂有机会做好充分准备来应对，但是由于对水源水质的变化情况无从所知，都是在水质恶化后现场调试，因水质恶化严重，经常会出现水处理药剂投加量不准导致自来水厂出水难以稳定达标，甚至可能出现因水处理药剂选择不合适对水质净化没有效果，而强降水发生后，由于时间上来不及或者道路堵塞而无法再从外地调用有效的水处理药剂。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供一种极端降水天气下水源污染模拟预测装置及其方法，本发明装置结构简单，体积小，造价低，模拟效果好；且易于操作，操作方法简单实用，无须专业性强的技术人员；为应急处理提供应对技术支持。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

根据本发明提出的一种极端降水天气下水源污染模拟预测装置，包括吸水管，水泵，压水管，至少一个喷头，土层箱，收集箱，用于将土层箱中的水排入至收集箱的集水槽，以及用于定时启闭水泵、调节水泵的扬程和流量的控制箱；其中，

水泵的吸水端与吸水管连接，水泵的出水端通过压水管与喷头连接，控制箱与水泵连接，喷头设置在土层箱的正上方，收集箱设置在土层箱的一侧，集水槽设置在收集箱与土层箱之间；收集箱的下端设有排水孔，收集箱上设有多个不同高度的出水龙头。

作为本发明所述的一种极端降水天气下水源污染模拟预测装置进一步优化方案，喷头通过支架固定在土层箱的正上方。

作为本发明所述的一种极端降水天气下水源污染模拟预测装置进一步优化方案，土层箱中填充有上下两层，上层为水源地附近表层土壤，下层为承托层，承托层用来模拟土壤渗流和取土点坡度。

基于上述的一种极端降水天气下水源污染模拟预测装置的实现方法，包括如下步骤：

A、测试之前先确定水库的降水前库容G₀，流域面积N，预计台风带来的降水量L和降水时间T，预计水库泄水量M，单位面积土壤吸水率k，单位面积土壤降水损失系数α，水库上游山体坡度i，土层箱的表面积n，装置高h，吸水管和压水管管径d；

B、预先根据水库上游山体坡度i在土层箱内填入承托层，保证承托层角度和山体坡度i一致，在承托层上填入整体取入的水库上游山体土壤；

C、计算水泵的抽水总量，水泵的流量和扬程，计算收集箱原有水量，以及收集箱增加水量；

D、根据步骤C中所计算的数据，选择水泵并调节该水泵的流量和工作时间，并按步骤C中计算的数据取水库水进入收集箱；

E、开始测试，启动水泵，水泵将水从吸水管通过压水管打入喷头，模拟降水，降到表层土上，经过冲刷、入渗，降水经径流流入集水槽，经集水槽流入收集箱内，收集箱泄出部分水；

F、测试完成后通过出水龙头收集收集箱上层水样，用以预测水厂出现的水质变化情况。

作为本发明所述的一种极端降水天气下水源污染模拟预测装置的实现方法进一步优化方案，所述步骤C中水泵的抽水总量，水泵的流量和扬程，收集箱原有水量，以及收集箱增加水量的计算方法具体如下：

水泵的抽水总量q＝nL，

水泵的流量

收集箱原有水量

收集箱增加水量

水泵扬程

其中，β为修正系数，取0.8～1.2；收集箱泄水总量喷头水流流速s为单个喷头喷孔表面积，g₁为收集箱降水后水量；h为静水扬程，h₀为富余水头，取1～1.5米；h_f为水泵水头损失；为吸水管和压水管水头损失，λ为沿程水流损失系数，l为吸水管和压水管的长度，g为常数；喷头水头损失为 为局部损失系数。

作为本发明所述的一种极端降水天气下水源污染模拟预测装置的实现方法进一步优化方案，g为9.8。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

(1)装置结构简单，体积小，造价低，模拟效果好；

(2)易于操作，操作方法简单实用，无须专业性强的技术人员；

(3)预测效果好，为应急处理提供应对技术支持，保障供水安全可靠；

(4)该预测装置能有效地模拟台风引发强降雨情况下山体水库水质变化情况，通过测试的水质情况，可以提前充分做好应急处理准备。

附图说明

图1是测试装置示意图。

图2为测试装置正视图。

图3为测试装置侧视图。

图4为测试装置俯视图。

图5为工作状态下土层箱剖面图。

图中的附图标记解释为：1-吸水管，2-控制箱，3-水泵，4-压水管，5-喷头，6-支架，7-土层箱，8-集水槽，9-收集箱，10-出水龙头，11-排水孔，12-水源地上游表层土壤，13-承托层。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

图1为测试装置示意图，图2至图4为测试装置的正视图、侧视图、俯视图，图5是土层箱工作状态下的剖面图。

一种极端降水天气下水源污染模拟预测装置，包括吸水管1，水泵3，压水管4，至少一个喷头5，土层箱7，收集箱9，用于将土层箱中的水排入至收集箱的集水槽8，以及用于定时启闭水泵、调节水泵的扬程和流量的控制箱2；其中，

水泵的吸水端与吸水管连接，水泵的出水端通过压水管与喷头连接，控制箱与水泵连接，喷头设置在土层箱的正上方，收集箱设置在土层箱的一侧，集水槽设置在收集箱与土层箱之间；收集箱的下端设有排水孔11，收集箱上设有多个不同高度的出水龙头10。

图1中，水泵3应为自动控制水泵，可通过控制箱2调节水泵3的扬程和流量，定时启闭可控制降水时间和降水量。它一端与吸水管1相连，另一端通过压水管4与喷头5相连。喷头通过支架6固定在土层箱的正上方，喷头5位于支架6顶段，喷水管路环形设计。

图1中可见土层箱7前端设置集水槽8。图5中，土层箱7工作状态下被填充为上下两层，上层为水库上游山体表层土壤12，下层为承托层13，承托层13一方面保证渗流的稳定，另一方面模拟取土点的坡度，即预先用承托层13模拟出取土点坡度。降水经喷头5均匀喷洒在土层箱7上，经集水槽8底小孔排入收集箱9。

在图1中可见收集箱9上设有排水孔11和多个不同高度的出水龙头10，排水孔11在收集箱9最下端，用以测试后排出多余的水，出水龙头10用以泄水和取样。

本预测测试装置的测试方法，以台风天气下山区水库为例，其他条件下以此类推。包括以下步骤：

A、测试之前先确定水库的降水前库容G₀，流域面积N，预计台风带来的降水量L和降水时间T，预计水库泄水量M，单位面积土壤吸水率k，单位面积土壤降水损失系数α，水库上游山体坡度i，土层箱的表面积n，装置高h，吸水管和压水管管径d；

B、预先根据水库上游山体坡度i在土层箱内填入承托层，保证承托层角度和山体坡度i一致，在承托层上填入整体取入的水库上游山体土壤；

C、计算水泵的抽水总量，水泵的流量和扬程，计算收集箱原有水量，以及收集箱增加水量；具体如下：

水泵的抽水总量q＝nL，

水泵流量

收集箱原有水量

收集箱增加水量

水泵扬程

其中，β为修正系数，取0.8～1.2；收集箱泄水总量喷头水流流速s为单个喷头喷孔表面积，收集箱降水后水量为g₁；h为静水扬程，h₀为富余水头，取1～1.5米；h_f为水泵水头损失。

吸水管和压水管水头损失为λ为沿程水流损失系数，l为吸水管和压水管的长度，g为常数，约等于9.8；喷头水头损失为 为局部损失系数；

D、根据步骤C中所计算的数据，选择合适的水泵，调节水泵的流量和工作时间，并按步骤C中计算的数据取水库水进入收集箱；

E、开始测试，启动水泵，水泵将水从吸水管通过压水管打入喷头，模拟降水，降到表层土上，经过冲刷、入渗等过程，大部分降水经径流流入集水槽，经集水槽流入收集箱内，收集箱泄出部分水；

F、测试完成后通过出水龙头收集收集箱上层水样，用以预测水厂可能出现的水质变化情况。

以中国沿海地区某水库为例，台风前库容为3.904×10⁷m³，流域面积为2.59×10⁸m²，某次台风预计12小时带来200mm降水，水库预计向下游泄洪2×10⁷m³，已知测试装置土层箱的面积为0.96m²，装置高2m，单位面积土壤降水损失系数为0.8，单位面积土壤吸水率为0.2，吸水管和压水管长3m，单个喷嘴喷孔表面积0.028平方米，λ为0.5，为1，水泵水头损失约为0.5m。求该测试装置的各项参数。

水泵的抽水总量q＝nL＝0.96×0.2＝0.192m³

水泵流量

集水箱原有水量

集水箱泄水总量

集水箱增加水量w＝{0.96×0.8×0.2(1-0.2)-0.0741}×0.95＝0.04639m³

吸水管和压水管水流流速

水泵扬程

最后说明的是，以上实施实例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种极端降水天气下水源污染模拟预测装置的实现方法，其特征在于，装置包括吸水管，水泵，压水管，至少一个喷头，土层箱，收集箱，用于将土层箱中的水排入至收集箱的集水槽，以及用于定时启闭水泵、调节水泵的扬程和流量的控制箱；其中，

水泵的吸水端与吸水管连接，水泵的出水端通过压水管与喷头连接，控制箱与水泵连接，喷头设置在土层箱的正上方，收集箱设置在土层箱的一侧，集水槽设置在收集箱与土层箱之间；收集箱的下端设有排水孔，收集箱上设有多个不同高度的出水龙头；

上述装置的实现方法具体包括如下步骤：

A、测试之前先确定水库的降水前库容G₀，流域面积N，预计台风带来的降水量L和降水时间T，预计水库泄水量M，单位面积土壤吸水率k，单位面积土壤降水损失系数α，水库上游山体坡度i，土层箱的表面积n，装置高h，吸水管和压水管管径d；

B、预先根据水库上游山体坡度i在土层箱内填入承托层，保证承托层角度和山体坡度i一致，在承托层上填入整体取入的水库上游山体土壤；

C、计算水泵的抽水总量，水泵的流量和扬程，计算收集箱原有水量，以及收集箱增加水量；

D、根据步骤C中所计算的数据，选择水泵并调节该水泵的流量和工作时间，并按步骤C中计算的数据取水库水进入收集箱；

E、开始测试，启动水泵，水泵将水从吸水管通过压水管打入喷头，模拟降水，降到表层土上，经过冲刷、入渗，降水经径流流入集水槽，经集水槽流入收集箱内，收集箱泄出部分水；

F、测试完成后通过出水龙头收集收集箱上层水样，用以预测水厂出现的水质变化情况。

2.根据权利要求1中所述的一种极端降水天气下水源污染模拟预测装置的实现方法，其特征在于，喷头通过支架固定在土层箱的正上方。

3.根据权利要求1中所述的一种极端降水天气下水源污染模拟预测装置的实现方法，其特征在于，土层箱中填充有上下两层，上层为水源地附近表层土壤，下层为承托层，承托层用来模拟土壤渗流和取土点坡度。

4.根据权利要求1所述的一种极端降水天气下水源污染模拟预测装置的实现方法，其特征在于，所述步骤C中水泵的抽水总量，水泵的流量和扬程，收集箱原有水量，以及收集箱增加水量的计算方法具体如下：

水泵的抽水总量q＝nL，

水泵的流量

收集箱原有水量

收集箱增加水量

水泵扬程

其中，β为修正系数，取0.8～1.2；收集箱泄水总量喷头水流流速s为单个喷头喷孔表面积，g₁为收集箱降水后水量；h为静水扬程，h₀为富余水头，取1～1.5米；h_f为水泵水头损失；为吸水管和压水管水头损失，λ为沿程水流损失系数，l为吸水管和压水管的长度，g为常数；喷头水头损失为 为局部损失系数。

5.根据权利要求4所述的一种极端降水天气下水源污染模拟预测装置的实现方法，其特征在于，g为9.8。