CN106248900A - 一种用于低影响开发设施水质模拟的实验系统 - Google Patents

一种用于低影响开发设施水质模拟的实验系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于低影响开发设施水质模拟的实验系统，包括LID设施水质模拟单元、人工降雨控制单元及样品收集单元，LID设施水质模拟单元包括并列设置的实验箱体(12)及LID设施，实验箱体(12)顶部敞口，LID设施设置在实验箱体(12)内，并与样品收集单元相连通，人工降雨控制单元包括依次通过导水管(4)连接的混合组件、给水组件及喷淋组件，喷淋组件设置在实验箱体(12)的上方，并与LID设施相对设置。与现有技术相比，本发明结构简单、操作方便、经济实用，适用于在室内进行低影响开发设施处理水质的模拟研究，同时兼具水量模拟功能。

Description

一种用于低影响开发设施水质模拟的实验系统
技术领域
本发明属于城市雨水管理控制系统技术领域，涉及用于低影响开发设施对于降雨水质处理过程的实验室模拟设备，特别是一种涉及降雨形成及其产流和低影响开发设施水质模拟的室内实验系统。
背景技术
近年来，城镇化快速发展的同时使得城市地表不透水面积比例增加，改变了城市的水文循环。特别地，在导致径流体积以及峰值流量增加同时也给周围环境带来污染。因此，相对新的暴雨管理技术，如低影响开发、可持续城市排水系统、水敏感城市设计等在不同的国家得到发展。在中国，2014年提出“海绵城市”建设，并于同年出台相应的建设技术指南。海绵城市核心技术即低影响开发(LID)技术。
LID是20世纪90年代末发展起来的暴雨管理和面源污染处理技术，其注重源头的控制来达到对雨水所产生的径流和污染的控制，使开发地区尽量接近于开发前的水文循环。对于LID的关注大多数集中于其水文效应，即对于径流量以及径流峰值的削减，很少有研究针对LID设施出水水质进行专项研究。而近年来，我国大部分城市的雨水径流污染较为严重，已成为城市河湖水质恶化的首要因素。2015年，住房城乡建设部与环境保护部联合印发《城市黑臭水体整治工作指南》，对于水质的研究显得更加迫切。因此，如何进行LID设施水质效应研究是科研以及进行海绵城市建设所面临的挑战之一。
LID水质处理效果的研究涉及降雨模拟以及LID设施的搭建，对于这两部分的实验装置有一部分研究者进行了相关的研究，如专利中国专利CN102605852A公开了一种“基于低影响开发的城市雨水渗透生态系统”，中国专利CN101793890A公开了一种“人工降雨条件下生物滞留元水质水量模拟研究的实验装置”等。目前已报道的文献及专利中鲜有专门针对低影响开发设施水质模拟的实验装置，同时对于水体中污染物在LID设施中的迁移转化机理不清楚，因此迫切需要设计搭建相应的实验装置进行研究。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种结构简单、操作方便、经济实用，适用于室内使用，并且同时兼具水量模拟功能的用于低影响开发设施水质模拟的实验系统。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种用于低影响开发设施水质模拟的实验系统，包括LID设施水质模拟单元、人工降雨控制单元及样品收集单元，
所述的LID设施水质模拟单元包括并列设置的实验箱体及LID设施，所述的实验箱体顶部敞口，所述的LID设施设置在实验箱体内，并与样品收集单元相连通，
所述的人工降雨控制单元包括依次通过导水管连接的混合组件、给水组件及喷淋组件，所述的喷淋组件设置在实验箱体的上方，并与LID设施相对设置。
优选地，所述的LID设施包括自下而上依次设置的蓄排水层、过滤层、基质层及表层，所述的蓄排水层与样品收集单元相连通。
优选地，所述的蓄排水层包括泡沫玻璃层或egg box形聚酯层，所述的过滤层为聚酯纤维无纺布层，所述的基质层为透水基层，包括土壤层或砾石层，所述的表层为植被层或透水铺砖层。
表层根据实验研究的LID设施的不同，选用植被层或透水铺砖层，基质层为具有不同粒径、孔隙度的土壤或者具有渗透性能、蓄水能力和空间稳定性的砾石层等透水基层，过滤层的作用是阻止基质进入蓄排水层，同时具有防止出水管泥沙淤积的作用，故而优选既能透水又能过滤的聚酯纤维无纺布层等材料，蓄排水层主要用于储存基质层下渗的模拟降雨，同时能够迅速排出多余水分，有效缓解瞬时压力。
优选地，所述的混合组件包括顺次连接的过滤器和水池，所述的过滤器用于制备超纯水，所述的水池为带盖箱体，设有搅拌机构和样品投入口。
过滤器将水过滤成为超纯水后，超纯水进入水池中，所述的搅拌机构用于搅拌通过样品投入口投入超纯水中的样品，使之均匀分布，保持浓度均匀。
优选地，本发明的给水组件为蠕动泵，其功能为将水池中均匀混合的水样通过导水管自动抽压。
优选地，所述的导水管选用市面上广泛应用的具有导水作用的PVC管。
优选地，所述的喷淋组件包括多个均匀分布在实验箱体上方的喷淋头，所述的喷淋头上均设有控制阀。
通过调节多个喷淋头上的控制阀，可以模拟调节降雨均匀度。
优选地，所述的喷淋组件还包括喷淋组件平板、支架及多个平行设置的喷淋导水管，所述的喷淋组件平板设置在支架上，所述的多个喷淋导水管设置在喷淋组件平板的底部，一端通过导水管与给水组件连接，另一端封闭，所述的喷淋头设置在喷淋导水管上。
优选地，支架选用金属结构支架，为喷淋组件平板提供支撑。
优选地，所述的喷淋导水管选用市面上广泛应用的具有导水作用的PVC管，多个平行的喷淋导水管根据实验需要设置。
优选地，所述的给水组件与喷淋组件之间的导水管上还顺次设有阀门和流速仪。
所述的阀门具有调节流量大小的作用，以模拟不同强度的降雨。
所述的流速仪位于阀门和喷淋组件之间，用于记录水的流出速度。
优选地，所述的实验箱体包括多个并列设置的立方体形实验箱，所述的LID设施设置在各立方体形实验箱内的底部。
优选地，实验箱体采用有机玻璃制作，每个立方体形实验箱的内表面均涂有防水涂料，具有防水、防腐作用。
优选地，所述的实验箱体外侧的底部设有用于调节实验箱体倾角的倾角调节机构。
优选地，所述的倾角调节机构采用铝合金材质的升降台，该升降台位于实验箱体底部一侧，可伸缩，用以调节实验箱体的角度，实现通过调节实验箱体调节LID设施的角度。
优选地，所述的样品收集单元包括一顶部敞口的收集器，所述的LID设施通过出水管与收集器连通，所述的出水管一端与LID设施连接，另一端设置在收集器的上方。
优选地，所述的出水管用于将LID设施不能消纳的降雨引入到样品收集单元，将蓄排水层的底部通过出水管与样品收集单元相连通，出水管底部与蓄排水层底部齐高，保证排水通畅性，收集器采用有机玻璃制成的顶部敞口的立方体箱体或者聚乙烯瓶。
采用上述技术方案，用本发明的低影响开发设施水质模拟的实验系统，使用人工降雨控制系统可以调节降雨强度，使用LID设施水质模拟系统可以模拟LID设施出水水质情况，同时兼具水量模拟功能。
与现有技术相比，本发明具有以下优异效果：
(1)本发明的应用于低影响开发设施水质模拟的实验系统具有结构简单、造价低和经济实用等特点；
(2)该系统中人工降雨控制单元，可以对于经过过滤器的水添加要研究的单一污染物以及多种污染物的混合物(样品)，即可实现LID设施水质模拟系统对于单一污染物以及多种混合污染物处理效果研究；
(3)该系统中人工降雨控制单元，通过流速控制以及喷淋组件的强度改变即可实现不同降雨强度下LID设施对于水体净化过程的模拟；
(4)该系统在运行过程中，只要供电正常，根据研究的目的不同更换相应的基质及表层即可保证实验研究的持续进行，具有较高的可靠性。日常维护主要是要保证喷淋头的畅通；
(5)该系统中LID设施水质模拟系统可以根据需要进行箱体的扩充，即可保证并行实验的进行，提高实验效率以及实验数据的平行性，尽量减小误差；
(6)该系统中LID设施水质模拟系统，通过更换不同的LID设施，如植被、透水铺砖等，即可实现对于绿色屋顶、透水铺砖等LID设施对于水体污染处理过程的模拟，使得系统适用性扩大。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为egg box形聚酯层的局部结构示意图。
图中，1为过滤器，2为水池，3为搅拌棒，4为导水管，5为水泵，6为阀门，7为流速仪，8为喷淋组件平板，9为喷淋导水管，10为喷淋头，11为支架，12为实验箱体，13为表层，14为基质层，15为过滤层，16为蓄排水层，17为出水管，18为升降台，19为收集器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
一种用于低影响开发设施水质模拟的实验系统，如图1所示，包括LID设施水质模拟单元、人工降雨控制单元及样品收集单元，
LID设施水质模拟单元包括并列设置的实验箱体12及LID设施，实验箱体12顶部敞口，LID设施设置在实验箱体12内，并与样品收集单元相连通，
人工降雨控制单元包括依次通过导水管4连接的混合组件、给水组件(优选给水组件为水泵5，本实施例优选蠕动泵)及喷淋组件，喷淋组件设置在实验箱体12的上方，并与LID设施相对设置。
优选实验箱体12包括多个并列设置的立方体形实验箱，LID设施设置在各立方体形实验箱的底部，本实施例进一步优选实验箱体12由三个并列设置的立方体形实验箱组成。优选实验箱体12的底部设有用于调节实验箱体12倾角的倾角调节机构，本实施例优选的倾角调节机构为设置在实验箱体12一侧的升降台18。
本实施例优选的LID设施包括自下而上依次设置的蓄排水层16、过滤层15、基质层14及表层13，蓄排水层16与样品收集单元相连通。其中，蓄排水层16包括泡沫玻璃层或eggbox形聚酯层，本实施例优选egg box形聚酯层，egg box形聚酯层采用聚酯材料制成，包括凹槽单元和凸起单元，所述的凹槽单元包括多个凹槽，所述的凸起单元包括多个凸起，每个凸起被四个凹槽围绕，如图2所示。过滤层15为聚酯纤维无纺布层，基质层14为透水基层，包括土壤层或砾石层，本实施例优选砾石层，表层13为植被层或透水铺砖层，本实施例优选植被层。
本实施例优选的混合组件包括顺次连接的过滤器1和水池2，其中，过滤器1用于将水过滤成电阻≥18MΩ.CM超纯水，所述的水池2为带盖箱体，设有搅拌装置机构和样品投入口，本实施例优选的搅拌机构为搅拌棒3。
喷淋组件包括多个均匀分布在实验箱体12上方的喷淋头10，喷淋头10上均设有控制阀，还包括喷淋组件平板8、支架11及多个平行设置的喷淋导水管9，喷淋组件平板8设置在支架11上，多个喷淋导水管9设置在喷淋组件平板8的底部，一端通过导水管4与给水组件连接，另一端封闭，喷淋头10等距设置在喷淋导水管9上。给水组件与喷淋组件之间的导水管4上还顺次设有阀门6和流速仪7。
实验箱体12的底部设有用于调节实验箱体12倾角的倾角调节机构18。
本实施例优选样品收集单元包括一顶部敞口的收集器19，LID设施通过出水管17与收集器19连通，出水管17一端与LID设施的蓄排水层16的底部连接，并且出水管17底部与蓄排水层16底部齐高，另一端设置在收集器19的上方。
本实施例在实施时，将经过过滤器1过滤的超纯水通过DN20mm的PVC导水管引入到容积设计为12L的水池2中；向水池2中加入一定量的粒径一致的总悬浮颗粒物(TSS)，通过搅拌棒3持续搅拌使水池中TSS浓度均匀；通过基本型蠕动泵5进行抽水；然后通过黄铜DN20mm的阀门6控制水的输送和模拟降雨的强度；通过数显方式的流速仪7自动记录流速；而后将水输送到喷淋头10，喷淋头10的材质为不锈钢，其上安装有手动的旋转阀(控制阀)，通过旋转阀的旋转，调节降雨均匀度；九排平行的喷淋导水管9固定在长×宽＝70cm×170cm有机玻璃制成的喷淋组件平板8上，该喷淋组件平板8通过不锈钢的支架11进行固定；每根喷淋导水管9上安装有等间距的三个喷淋装置10，保证在实验箱体12上方均匀分布。
实验箱体12为长×宽×高＝50cm×50cm×30cm的三个箱体并排的一体化箱体，实验箱体12中从底部自下向上依次布置蓄排水层16、过滤层15、基质层14和表层13。此处表层13为植被层。具体地，首先用升降台18设置需要的坡度，例如1％；将egg box形聚酯层(储水容量3L/m2)铺在蓄排水层16上，铺设厚度40mm，并接DN20mm的PVC出水管17；然后铺设聚酯纤维无纺布过滤层，厚度为20mm；基质层厚度80mm，采用体积比例为1∶2珍珠岩和陶粒混合基质；表层铺设厚度为植被，如佛甲草，种植密度800株/m2。
通过喷淋头10的模拟降雨均匀的降落在实验箱体12中，通过出水管17将降雨引入到体积为4L的聚乙烯瓶收集器19中，而后在实验室通过仪器测定TSS的浓度。

Claims (10)

1.一种用于低影响开发设施水质模拟的实验系统，其特征在于，包括LID设施水质模拟单元、人工降雨控制单元及样品收集单元，
所述的LID设施水质模拟单元包括并列设置的实验箱体(12)及LID设施，所述的实验箱体(12)顶部敞口，所述的LID设施设置在实验箱体(12)内，并与样品收集单元相连通，
所述的人工降雨控制单元包括依次通过导水管(4)连接的混合组件、给水组件及喷淋组件，所述的喷淋组件设置在实验箱体(12)的上方，并与LID设施相对设置。
2.根据权利要求1所述的一种用于低影响开发设施水质模拟的实验系统，其特征在于，所述的LID设施包括自下而上依次设置的蓄排水层(16)、过滤层(15)、基质层(14)及表层(13)，所述的蓄排水层(16)与样品收集单元相连通。
3.根据权利要求2所述的一种用于低影响开发设施水质模拟的实验系统，其特征在于，所述的蓄排水层(16)包括泡沫玻璃层或egg box形聚酯层，所述的过滤层(15)为聚酯纤维无纺布层，所述的基质层(14)为透水基层，包括土壤层或砾石层，所述的表层(13)为植被层或透水铺砖层。
4.根据权利要求1所述的一种用于低影响开发设施水质模拟的实验系统，其特征在于，所述的混合组件包括顺次连接的过滤器(1)和水池(2)，所述的水池(2)为带盖箱体，设有搅拌机构和样品投入口。
5.根据权利要求1所述的一种用于低影响开发设施水质模拟的实验系统，其特征在于，所述的喷淋组件包括多个均匀分布在实验箱体(12)上方的喷淋头(10)，所述的喷淋头(10)上均设有控制阀。
6.根据权利要求5所述的一种用于低影响开发设施水质模拟的实验系统，其特征在于，所述的喷淋组件还包括喷淋组件平板(8)、支架(11)及多个平行设置的喷淋导水管(9)，所述的喷淋组件平板(8)设置在支架(11)上，所述的多个喷淋导水管(9)设置在喷淋组件平板(8)的底部，一端通过导水管(4)与给水组件连接，另一端封闭，所述的喷淋头(10)设置在喷淋导水管(9)上。
7.根据权利要求1所述的一种用于低影响开发设施水质模拟的实验系统，其特征在于，所述的给水组件与喷淋组件之间的导水管(4)上还顺次设有阀门(6)和流速仪(7)。
8.根据权利要求1所述的一种用于低影响开发设施水质模拟的实验系统，其特征在于，所述的实验箱体(12)包括多个并列设置的立方体形实验箱，所述的LID设施设置在各立方体形实验箱内的底部。
9.根据权利要求1或8所述的一种用于低影响开发设施水质模拟的实验系统，其特征在于，所述的实验箱体(12)的外侧底部设有用于调节实验箱体(12)倾角的倾角调节机构(18)。
10.根据权利要求1所述的一种用于低影响开发设施水质模拟的实验系统，其特征在于，所述的样品收集单元包括一顶部敞口的收集器(19)，所述的LID设施通过出水管(17)与收集器(19)连通，所述的出水管(17)一端与LID设施连接，另一端设置在收集器(19)的上方。
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