CN107034840A - 确定河网交汇处污染物分布的实验模拟系统及其模拟方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是确定河网交汇处污染物分布的实验模拟系统及其模拟方法，其结构包括两个上游水箱、一个下游水箱、上游平底水槽、下游平底水槽、抽水管道、变频泵、平水格栅、电磁流量计，待测区的矩形有机玻璃沙板，其中从下游水箱引一条抽水管道回路到的两个上游水箱，每条抽水管道回路上装有变频泵以及电磁流量计；上游平底水槽与上游水箱相接，并在连接处放有平水格栅，平稳水槽内的水流；下游平底水槽通过尾门与下游水箱相通。优点：1）适用于河网中汇流角不同的河网交汇区污染物分布模拟；2）可通过改变汇流比研究因不同时期现场河流流量不同而导致汇流区污染物分布差异；3）可为河网交汇区污染物分布规律研究以及河网治理提供科学指导。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种确定河网交汇处污染物分布的实验模拟系统及其模拟方法，属于环境水力学科学技术领域。
背景技术
过去几十年中，国内经济发展主要以消耗能源为代价推动经济的发展模式，过于注重国内生产总值等指标的快速增长，忽视了人与自然和谐相处的准则。工农业的发展、人口的快速增长，给环境带来了巨大的压力，国内东部平原河网都受到不同程度的点源和非点源污染。近几年，绿色发展等理念逐渐人心，河道治理已经成社会各界关注的焦点。但此前，国内外学者对直段河道环境监测和治理研究较多，但对于河网污染物输移富集的研究较少，尤其是河网的关键控制节点——河网交汇处。该交汇处控制着整个河网污染物的输移，是对河网环境治理的关键节点，因此研究河网交汇处污染物分布规律非常重要。但由于泥沙在污染物输运过程中扮演着“源”或“汇”的重要角色、而且交汇处水流结构极为复杂，数学模型往往很难模拟，所以建立一种确定河网交汇处污染物分布的实验模拟系统及其模拟方法十分重要。
发明内容
本发明提供的是一种河网交汇处污染物分布的实验模拟系统及其模拟方法，其目的旨在实现不同汇流比作用下对交汇口区域的污染物分布进行实验研究，为交汇口区域的污染物分布研究以及河网治理提供科学的指导。
本发明的技术解决方案：确定河网交汇处的污染物分布的实验模拟系统，其特征是包括两个上游水箱5、一个下游水箱4、上游平底水槽11、下游平底水槽10、抽水管道6、变频泵2、平水格栅9、电磁流量计3，待测区的矩形有机玻璃沙板8，其中从下游水箱4引一条抽水管道6回路到的两个上游水箱5，每条抽水管道回路上装有变频泵2以及电磁流量计3；上游平底水槽11与上游水箱5相接，并在连接处放有平水格栅9，平稳水槽内的水流；下游平底水槽10通过尾门与下游水箱4相通，交汇前后水槽的宽度设置应遵循水力几何关系：w pc =w m[1+(w t/w m)1/b]b，式中的w pc是指交汇口下游处宽度，w m为主槽的宽度，w t为支槽的宽度；参数b一般设置为0.5；如果主槽和支槽的宽度一样，交汇口下游处的水槽宽度为交汇之前水槽宽度的1.4倍，工作时，水流经变频泵2工作后从下游平底水槽10抽到两个上游水箱5，然后经过平水格栅9进入上游平底水槽11，平水格栅用于平稳水流，水流经过尾门进入下游水箱4实现循环。
确定河网交汇处污染物分布的实验模拟方法，包括如下步骤：
1）将现场底泥样本放入预设温度为80℃的干燥箱内干燥，干燥完成将其粉碎研磨，用60目分样筛以及0.15mm孔径的标准筛进行筛分，取细粉末放入待测有机玻璃沙板内，考虑到干的粉末状的底泥样本易备水流冲走，故在放入水槽之前往玻璃板内加入适当的水，和匀抹平；
2）如果水槽模拟系统装置为可调式，在运行之前要对底坡进行率定和校准；
3）配置可吸附污染物混合溶液，污染物成分可根据实际研究区域的主要污染物或实验研究人员想要研究的某种污染物。将配置完成的污染物加入下游水箱中，水箱储有足够的供装置系统循环的水量；
4）打开抽水管道上的所有阀门、变频泵控制开关以及电磁流量计，持续运行2h，使污染物在装置系统中水体内掺混均匀，让抽水管道内壁、水槽边壁以及水箱边壁吸附足够多的污染物，从而使待测区泥沙吸附污染物的影响降到最低；
5）步骤4）进行2个小时之后，将处理好的待测矩形有机玻璃沙板放入水槽交汇口待测区；
6）为了使水流平稳过渡到玻璃沙板，在板的四周铺上等厚度（即5cm）直径为1mm沙砾，长度为20cm，然后以坡比为1:4继续铺沙，使其平缓过渡到水槽底面；
7）上述步骤就绪之后，持续运行48h；
8）取出待测区有机玻璃沙板，然后用直径为1cm的塑料薄管进行取样，横向取样点间隔2cm，纵向间隔为10cm（纵向为顺水流方向）取样时塑料薄管要垂直于玻璃沙板，然后对取出的样本进行分层；
9）样本放入预设温度为80℃的干燥箱干燥，研磨筛分之后，取0.2g样本进行用微波消解或高温消解（温度为300℃，分别加入8ml和2ml优级纯硝酸和硫酸，消解完成时样本呈乳白色），消解完成后加蒸馏水，用50ml的聚乙烯容量瓶定容，取上清液然后用分光光度计等手段测定底泥污染物含量，分析水平、竖直污染物分布情况。
本发明的有益效果：
1）本发明适用于河网中汇流角不同的河流交汇区污染物分布模拟；
2）通过改变汇流比可以实现因不同时期现场河流流量不同而导致汇流区污染物分布差异的研究；
3）可以适当改动本发明实验模拟系统，如平床改成考虑地形对污染物分布的影响等，为河网河流交汇区污染物分布规律研究以及河网治理提供科学指导。
附图说明
图1为汇流角为90°的河网交汇处污染物分布实验模拟系统俯视图。
图2（a）、图2（b）、图2（c）是交汇口上、下游水槽横断面尺寸图 (单位：mm)，其中图2（a）是A-A剖示图，图2（b）是B-B剖示图，图2（c）是C-C剖示图。
图3是沙板、周边布置尺寸图及取样分布图（单位：mm)，其中图3（a）是待测沙板尺寸图；图3（b）是待测沙板横剖面图；图3（c）是待测沙板纵面图；图3（d）是取样分布图。
图中1是阀门；2是变频泵；3是电磁流量计；4是下游水箱；5是上游水箱；6是抽水管道；7是1mm沙砾；8是待测区有机玻璃沙板；9是平水格栅；10是下游平底水槽；11是上游平底水槽。
具体实施方式
确定河网交汇处的污染物分布的实验模拟系统，其结构包括两个上游水箱5、一个下游水箱4、上游平底水槽11、下游平底水槽10、抽水管道6、变频泵2、平水格栅9、尾门、电磁流量计3，待测区的矩形有机玻璃沙板8，其中从下游水箱4引一条抽水管道6回路到的两个上游水箱5，每条抽水管道回路上装有变频泵2以及电磁流量计3；上游平底水槽11与上游水箱5相接，并在连接处放有平水格栅9，平稳水槽内的水流；下游平底水槽10通过尾门与下游水箱4相通，交汇前后水槽的宽度设置应遵循水力几何关系：w pc =w m[1+(w t/w m)1/b]b，式中的w pc是指交汇口下游处宽度，w m为主槽的宽度，w t为支槽的宽度；参数b一般设置为0.5；如果主槽和支槽的宽度一样，交汇口下游处的水槽宽度为交汇之前水槽宽度的1.4倍，工作时，水流经变频泵2工作后从下游平底水槽10抽到两个上游水箱5，然后经过平水格栅9进入上游平底水槽11，平水格栅用于平稳水流，水流经过尾门进入下游水箱4实现循环。
所述上游平底水槽11主支汊交汇的汇流角根据现场河道交汇的真实情况设定；或根据实验研究人员目的设定。
若河道底坡很小，实验水槽设为平坡；若河道底坡较大，则水槽支撑设为可调式，水槽和下游水箱连接也制作成可调式。
所述待测区的矩形有机玻璃沙板8要覆盖汇流区主要水力分区，该矩形有机玻璃沙板5cm厚，宽度与交汇后下游水槽宽度一致。
其实验模拟方法，包括如下步骤：
1）将现场底泥样本放入预设温度为80℃的干燥箱内干燥，干燥完成将其粉碎研磨，用60目分样筛以及0.15mm孔径的标准筛进行筛分，取细粉末放入待测有机玻璃沙板内，考虑到干的粉末状的底泥样本易备水流冲走，故在放入水槽之前往玻璃板内加水，和匀抹平；
2）如果水槽模拟系统装置为可调式，在运行之前要对底坡进行率定和校准；
3）配置可吸附污染物混合溶液，称取0.1mol的可溶性污染物的质量，将其放入1L的烧杯中，缓慢加入蒸馏水，用玻璃棒搅拌直至完全溶解。污染物成分可根据实际研究区域的主要污染物或实验研究人员想要研究的重金属、P污染物，将配置完成的污染物加入下游水箱中，水箱储有足够的供装置系统循环的水量；
4）打开抽水管道上的所有阀门、变频泵控制开关以及电磁流量计，持续运行2h，使污染物在系统装置中水体内掺混均匀，让抽水管道内壁、水槽边壁以及水箱边壁吸附足够多的污染物，从而使待测区泥沙吸附污染物的影响降到最低；
5）步骤4）进行2个小时之后，将处理好的待测矩形有机玻璃沙板放入水槽交汇口待测区；
6）为了使水流平稳过渡到玻璃沙板，在玻璃沙板的四周铺上等厚度（即5cm）直径为1mm沙砾，长度为20cm，然后以坡比为1:4继续铺沙，使其平缓过渡到水槽底面；
7）上述步骤就绪之后，持续运行48h；
8）取出待测区有机玻璃沙板，然后用直径为1cm的塑料薄管进行取样，横向取样点间隔2cm，纵向间隔为10cm（纵向为顺水流方向）取样时塑料薄管要垂直于玻璃沙板，然后对取出的样本进行分层；
9）样本放入预设温度为80℃的干燥箱干燥，研磨筛分之后，取0.2g样本进行用微波消解或高温消解，温度为300℃，分别加入8ml和2ml优级纯硝酸和硫酸，消解完成时样本呈乳白色；消解完成后加蒸馏水，用50ml的聚乙烯容量瓶定容，取上清液然后用分光光度计测定底泥污染物含量，分析水平、竖直污染物分布情况。
实施例
淮河是中国东部最重要的河流之一，但P和氨氮等污染比较严重，对渔业造成严重影响。所以，室内水槽模拟研究的待测有机玻璃沙板上的底泥样本采自涡河—惠济河交汇区。
交汇前上游段的主槽和支槽宽度设为30cm，则交汇后下游水槽宽度根据水力几何可设为40cm，约为上游水槽宽度的1.4倍；交汇前上游水槽长度均为3m，下游水槽长度为7m；水槽底面为平坡式，比降i为0。汇流角为90°，如图1所示。
不同水槽断面尺寸如图2(a)、图2(b)、图2(c)所示。
待测区有机玻璃沙板的长度为1m，宽度为40cm，高度为5cm，如图3(a)、图3(b)所示。
汇流比γ=Q t/(Q m+Q t)，式中，Q t为支槽流量，Q m为主槽流量，这里设置为0.6。
上述是确定河网交汇处污染物分布的实验模拟系统的一种表现形式。
该实验模拟系统的模拟方法，包括以下步骤：
1）将涡河—惠济河底泥样本放入预设温度为80℃的干燥箱内干燥，干燥完成后将其粉碎研磨，用60目分样筛以及0.15mm孔径的标准筛进行筛分，取细粉末放入待测有机玻璃沙板内，考虑到干的粉末状的底泥样本易备水流冲走，故在放入水槽之前往玻璃板内加入适当的水，和匀抹平；
2）上述水槽模拟系统装置平坡式，无需校准；
3）配置可吸附污染物混合溶液，称取13.6g的KH2PO4，将其放入1L的烧杯中，缓慢加入蒸馏水，用玻璃棒搅拌直至完全溶解。然后将该溶液加入下游水箱中，水箱储有足够的供装置系统循环的水量；
4）打开抽水管道上的所有阀门、变频泵控制开关以及电磁流量计，持续运行2h，使KH2PO4在装置系统中水体内掺混均匀，让抽水管道内壁、水槽边壁以及水箱边壁吸附足够多的P，从而使待测区泥沙吸附P的影响降到最低；
5）将处理好的待测矩形有机玻璃沙板放入水槽交汇口待测区，如图1所示；
6）为了使水流平稳过渡到玻璃沙板，在板的四周铺上等厚度（即5cm）直径为1mm沙砾，长度为20cm，然后以坡比为1:4继续铺沙，使其平缓过渡到水槽底面，如图3(b)、(c)所示；
7）上述步骤就绪之后，持续运行48h；
8）取出待测区有机玻璃沙板，然后用直径为1cm的塑料薄管进行取样，横向取样点间隔2cm，纵向间隔为10cm（纵向为顺水流方向），如图3(d)所示。取样时塑料薄管要垂直于玻璃沙板，然后对取出的样本进行分层；
9）样本放入预设温度为80℃的干燥箱干燥，研磨筛分之后，取0.2g样本进行用高温消解，将其放入坩埚，分别加入8ml和2ml优级纯硝酸和硫酸，盖上杯盖，放在温度为300℃的电热板进行加热，等样本再次蒸干时继续加入8ml和2ml优级纯硝酸和硫酸，直至消解完成，消解完成时样本呈乳白色。消解完成后加蒸馏水，用50ml的聚乙烯容量瓶定容，取上清液然后用分光光度计等手段测定底泥P含量，重复本步骤测出所有样的P含量，分析水平、竖直P分布情况。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对本技术领域的技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，可以进行若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.确定河网交汇处的污染物分布的实验模拟系统，其特征是包括两个上游水箱、一个下游水箱、上游平底水槽、下游平底水槽、抽水管道、变频泵、平水格栅、电磁流量计，待测区的矩形有机玻璃沙板，其中从下游水箱引一条抽水管道回路到的两个上游水箱，每条抽水管道回路上装有变频泵以及电磁流量计；上游平底水槽与上游水箱相接，并在连接处放有平水格栅，平稳水槽内的水流；下游平底水槽通过尾门与下游水箱相通，交汇前后水槽的宽度设置应遵循水力几何关系：w pc = w m[1+(w t/w m)1/b]b，式中的w pc是指交汇口下游处宽度，w m为主槽的宽度，w t为支槽的宽度；参数b设置为0.5；如果主槽和支槽的宽度一样，交汇口下游处的水槽宽度为交汇之前水槽宽度的1.4倍，工作时，水流经变频泵工作后从下游平底水槽抽到两个上游水箱，然后经过平水格栅进入上游平底水槽，平水格栅用于平稳水流，水流经过尾门进入下游水箱实现循环。
2.根据权利要求1所述的确定河网交汇处的污染物分布的实验模拟系统，其特征是所述上游平底水槽、下游平底水槽，主槽和支槽的汇流角根据现场河道交汇的真实情况设定；或根据实验研究人员目的设定。
3.根据权利要求1所述的确定河网交汇处的污染物分布的实验模拟系统，其特征是所述待测区的矩形有机玻璃沙板要覆盖汇流区主要水力分区，该矩形有机玻璃沙板5cm厚，宽度与交汇后下游水槽宽度一致。
4.如权利要求1所述的确定河网交汇处的污染物分布的实验模拟方法，其特征是包括如下步骤：
1）将现场底泥样本放入预设温度为80℃的干燥箱内干燥，干燥完成将其粉碎研磨，用60目分样筛以及0.15mm孔径的标准筛进行筛分，取细粉末放入待测有机玻璃沙板内，考虑到干的粉末状的底泥样本易备水流冲走，故在放入水槽之前往玻璃板内加水，和匀抹平；
2）如果水槽模拟系统装置为可调式，在运行之前要对底坡进行率定和校准；
3）配置可吸附污染物混合溶液，污染物成分可根据实际研究区域的主要污染物或实验研究人员想要研究的重金属、P污染物，将配置完成的污染物加入下游水箱中，水箱储有足够的供装置系统循环的水量；
4）打开抽水管道上的所有阀门、变频泵控制开关以及电磁流量计，持续运行2h，使污染物在系统装置中水体内掺混均匀，让抽水管道内壁、水槽边壁以及水箱边壁吸附足够多的污染物，从而使待测区泥沙吸附污染物的影响降到最低；
5）步骤4）进行2个小时之后，将处理好的待测矩形有机玻璃沙板放入水槽交汇口待测区；
6）为了使水流平稳过渡到玻璃沙板，在玻璃沙板的四周铺上等厚度（即5cm）直径为1mm沙砾，长度为20cm，然后以坡比为1:4继续铺沙，使其平缓过渡到水槽底面；
7）上述步骤就绪之后，持续运行48h；
8）取出待测区有机玻璃沙板，然后用直径为1cm的塑料薄管进行取样，横向取样点间隔2cm，纵向间隔为10cm（纵向为顺水流方向）取样时塑料薄管要垂直于玻璃沙板，然后对取出的样本进行分层；
9）样本放入预设温度为80℃的干燥箱干燥，研磨筛分之后，取0.2g样本进行用微波消解或高温消解，温度为300℃，分别加入8ml和2ml优级纯硝酸和硫酸，消解完成时样本呈乳白色；消解完成后加蒸馏水，用50ml的聚乙烯容量瓶定容，取上清液然后用分光光度计测定底泥污染物含量，分析水平、竖直污染物分布情况。
5.如权利要求4所述的确定河网交汇处污染物分布的实验模拟方法，其特征是所述配置可吸附污染物混合溶液，称取0.1mol的可溶性污染物的质量，将其放入1L的烧杯中，缓慢加入蒸馏水，用玻璃棒搅拌直至完全溶解。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Yuan Saiyu Inventor after: Tang Hongwu Inventor after: Xiao Yang Inventor after: Lin Qingwei Inventor after: Wang Kai Inventor after: Xia Yang Inventor after: Zhao Guolong Inventor before: Yuan Saiyu Inventor before: Tang Hongwu Inventor before: Xiao Yang Inventor before: Lin Qingwei Inventor before: Xia Yang Inventor before: Zhao Guolong |
|
| CB03 | Change of inventor or designer information | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |