CN106781882B - 河流走进实验室的河流环境监测实验教学系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种河流走进实验室的河流环境监测实验教学系统，包括循环水槽，循环水槽设有天然河流实验区、支流汇入、河工建筑区、床沙实验区和功能区标识；天然河流实验区采用多种形状实体插件，模拟多种河流形态，包括弯曲型河流、分叉性河流；支流汇入采用抽水泵从支流供水缸抽水；河工建筑区采用多种形状实体插件，模拟河工建筑，包括港口码头、丁坝；床沙实验区设有多个沙坑，沙坑内添加天然床沙；功能区标识包括饮用水源地取水口、省界标识。可以根据课程教学所遇到问题，及时调整河道地形、污染源和功能区分布，科学设定河道比尺和河道地形，激发学生好奇心，引导学生思考、探索，进而培养学生的创新思维和解决实际问题的能力。
Description
技术领域
本发明涉及一种河流环境监测实验教学系统，尤其涉及一种河流走进实验室的河流环境监测实验教学系统。
背景技术
环境监测是一门应用性学科，教学内容包括天然河流资料收集、方案制定、采样点优化、样品运输和保存、样品分析、数据处理、环境评价。其中采样点优化是重要的步骤。河流环境监测断面的设置需要同时满足整体性原则、代表性原则、经济性原则、可行性和方便性原则。断面选取需要综合考虑水体功能区、水文测流断面、支流入汇、污染源排放等信息，同时断面位置应避开死水区、回水区、排污口处，尽量选择顺直河段、河床稳定、水流平稳，水面宽阔、无急流、无浅滩处。天然河流不同河段河道形态、污染源分布和功能区分布各不相同。因此，如何以最少监测断面数据，最大限度的反映河流整体水质信息，是河流环境监测的重点难点，也是环境监测实验教学的核心内容。
现有实验教学中，河流水质监测试验教学主要采用实地采样，水样采回实验室后，进行化学分析和数据处理。
现有实验教学的缺点：
实地采样受到以下因素限制：
1)院系地理位置所限，学校附近不存在合适的天然河流，存在教学可行性问题；
2)根据《地表水和污水监测技术规范》，宽度大于50m的河流需要在河中采样，涉及实验教学安全问题；
3)河流尺度较大，采样成本高，多数高校经费无法支撑，存在教学经费不足问题；
4)更重要的是，单一河段水文、河道地形和功能区相对稳定，无法提供丰富的教学案例，进而不能培养学生科学灵活地布设采样点的能力。
发明内容
本发明的目的是提供一种河流走进实验室的河流环境监测实验教学系统。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
本发明的河流走进实验室的河流环境监测实验教学系统，包括循环水槽，所述循环水槽设有天然河流实验区、支流汇入、河工建筑区、床沙实验区和功能区标识；
所述天然河流实验区采用多种形状实体插件，模拟多种河流形态，包括弯曲型河流、分叉性河流；
所述支流汇入采用抽水泵从支流供水缸抽水；
所述河工建筑区采用多种形状实体插件，模拟河工建筑，包括港口码头、丁坝；
所述床沙实验区设有多个沙坑，沙坑内添加天然床沙；
所述功能区标识包括饮用水源地取水口、省界标识。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的河流走进实验室的河流环境监测实验教学系统，可以模拟不同上游流量、下游水位、河道比降的污染物输运过程、不同河道形态(如弯曲型河道、分叉型河道、江心洲)条件下的河流污染物输运过程、不同污染源分布及污染物排放量条件下污染物输运过程等，灵活标识水体服务功能区、增加不同形态插件模拟河工建筑，培养学生综合考虑河工建筑影响，优化布点。基于以上功能，可以根据课程教学所遇到问题，及时调整河道地形、污染源和功能区分布，科学设定河道比尺和河道地形，激发学生好奇心，引导学生思考、探索，进而培养学生的创新思维和解决实际问题的能力。
附图说明
图1为本发明实施例中循环水槽的侧面的结构示意图。
图2为本发明实施例中循环水槽的平面的结构示意图。
图3为本发明实施例中不同标识插件的布置示意图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
本发明的河流走进实验室的河流环境监测实验教学系统，其较佳的具体实施方式是：
包括循环水槽，所述循环水槽设有天然河流实验区、支流汇入、河工建筑区、床沙实验区和功能区标识；
所述天然河流实验区采用多种形状实体插件，模拟多种河流形态，包括弯曲型河流、分叉性河流；
所述支流汇入采用抽水泵从支流供水缸抽水；
所述河工建筑区采用多种形状实体插件，模拟河工建筑，包括港口码头、丁坝；
所述床沙实验区设有多个沙坑，沙坑内添加天然床沙；
所述功能区标识包括饮用水源地取水口、省界标识。
所述循环水槽连接有泵池、上池、调节池和两个供水缸，所述泵池与调节池连接，所述泵池与循环水槽首部的进水口之间设有主泵，所述两个供水缸与调节池之间设有补水泵，所述循环水槽尾部的出水口与两个供水缸连接；
所述主泵和补水泵分别设有流量计，所述循环水槽的进水口位置设有球式稳流器，所述循环水槽尾部的出水口设有水位调节器。
本发明的河流走进实验室的河流环境监测实验教学系统具有以下功能：
1)可以模拟不同上游流量、下游水位、河道比降的污染物输运过程，培养学生根据不同水文条件，正确选取实验断面的能力；
2)模拟不同河道形态(如弯曲型河道、分叉型河道、江心洲)条件下的河流污染物输运过程，培养学生综合考虑不同河道形态对于水流的影响，正确选择监测断面的能力；
3)模拟不同污染源分布及污染物排放量条件下污染物输运过程，培养学生正确设置对照断面和控制断面的能力；
4)灵活标识水体服务功能区，如自来水厂、重工业区等，培养学生根据功能区分布，正确布设采样点的能力；
5)增加不同形态插件模拟河工建筑，产生回流或螺旋流区等，培养综合考虑河工建筑影响，优化布点。基于以上功能，根据课程教学所遇到问题，及时调整河道地形、污染源和功能区分布，科学设定河道比尺和河道地形，激发学生好奇心，引导学生思考、探索，进而培养学生的创新思维和解决实际问题的能力。
具体实施例：
1.水槽设计：
如图1、图2所示，“河流走进实验室”系统设计科学，实验水槽的设计依据河流动力学相似性原理，设定实验水槽比尺。循环水槽长L＝12.00m，宽B＝0.30m，调坡范围0～1.5％。最大水深0.15m(宽深比2)、最大流速1.00m/s。最大水深时流速为0.40m/s；最大流速时水深0.06m。能够全面反映污染物在河流中的对流和扩散输运过程。河道实验插件亦按照河道满足水动力的相似性原理，能够科学模拟不同河道形态和河工建筑对于水动力和污染物迁移转化的影响。
为了方便实验教学，河流动力动力系统采用科学的控制系统。采用双池双泵供水系统，保证河道流量稳定可控性，由补水泵从两个供水缸交替向调节池供水，保持调节池水位不变，主泵从泵池向水槽供水；双泵间设有流量计，通过水泵调节流量大小；水槽尾部出水口设有水位调节器，可以调节水位；采用螺旋式调节器，方便控制河道比降；水槽进口位置增设球式稳流器，保证水槽流态的稳定。
浓度可控且同时提供地下水、床沙监测区。实验提出双缸交替供水系统，有效控制污染物浓度。设供水缸换水的周期为T，一供水缸供水期，另一缸调节浓度备用；床沙实验段采用9组(每组12格)平行侧限土杯，紧密排列于床沙实验段，各土杯顶部与上游河床齐平，不同土杯具有盛沙功能，实验前将土杯盛满沙。床沙采样方法与天然柱状器相似，采用管状采用器，进行垂向采样，通过测定不同高度泥沙污染量，可以确定床沙污染物的垂向分布。
2.功能区插件和标识：
1)天然河流实验区：采用不同形状实体(不锈钢)插件，置于水槽内部，模拟不同河流形态，如弯曲型河流、分叉性河流等污染物输运(图3)。
2)支流汇入：采用抽水泵从支流供水缸抽水，供水缸浓度可调，研究不同流量、浓度对于主流影响(图3)。
3)河工建筑区：采用不同形状实体插件，模拟河工建筑，如港口码头、丁坝等河工建筑(图3)
4)床沙实验区：槽身设置2.8×0.30×0.45＝0.731m3沙坑(图1、图2)，作为床沙实验区。实验过程沙坑添加天然床沙。实验区供采样点选取及床沙采样及染物浓度测定实验。
5)不同功能区标识，如饮用水源地取水口，省界标识等。
本发明技术方案带来的有益效果
1、实用性。实验系统不受学校所在区域的地理水文条件影响，实现“河流走进实验室”，使得实验室内可以完成环境监测的所有过程，适用不同区域的高等院校的实验教学。且实验系统便于操作、性能稳定，使用安全。相对于野外采样实验，“河流走进实验室”教学系统大大降低了实验经费，价格低廉，便于推广，具有很好的实用性；
3、启发性。实验水槽系统缩小了河流污染物输运的空间尺度和时间尺度，可直观的显示污染物输移规律，且当学生样品分析完毕后，通过对比真实浓度，可以方便地验证采样断面和采样点设置的合理性，引导学生主动参与、深入思考水动力、河道形态和建筑物对于采样断面设置的影响；通过灵活调节河道形态、污染源排放和功能区分布，丰富的教学案例可以激发学生好奇心，培养学生在不同河道形态、水文、排污、功能区组合条件下，观测污染物迁移转化规律，科学布设污染物断面和采样点，具有很好的启发性。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (1)
1.一种河流走进实验室的河流环境监测实验教学系统，其特征在于，包括循环水槽，所述循环水槽设有天然河流实验区、支流汇入、河工建筑区、床沙实验区和功能区标识；
所述天然河流实验区采用多种形状实体插件，模拟多种河流形态，包括弯曲型河流、分叉性河流；
所述支流汇入采用抽水泵从支流供水缸抽水；
所述河工建筑区采用多种形状实体插件，模拟河工建筑，包括港口码头、丁坝；
所述床沙实验区设有多个沙坑，沙坑内添加天然床沙；
所述功能区标识包括饮用水源地取水口、省界标识；
所述循环水槽连接有泵池、上池、调节池和两个供水缸，所述泵池与调节池连接，所述泵池与循环水槽首部的进水口之间设有主泵，所述两个供水缸与调节池之间设有补水泵，所述循环水槽尾部的出水口与两个供水缸连接；
所述主泵和补水泵分别设有流量计，所述循环水槽的进水口位置设有球式稳流器，所述循环水槽尾部的出水口设有水位调节器；
所述循环水槽长12.00m、宽B＝0.30m、调坡范围0～1.5％、最大水深0.15m、最大流速1.00m/s。
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