CN108398541B - 可调节河床植物的实验装置和实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可调节河床植物的实验装置和实验方法，实验装置包括循环水槽，水槽底部设有拦沙底板和进水管，水槽内设有水位调节器；实验水箱，与循环水槽相连；植物埋深及控制系统，位于循环水槽内，包括植物布设小车、植物埋深调节装置及植物固定装置。实验方法主要包括：建立室内循环水槽、将模拟的植物布设到所需位置、模拟野外芦苇丛、水草丛等水生植物对污染物在河床迁移影响。与现有技术相比，本发明通过收集实验数据以及相关参数，对野外水生植物沙床污染物迁移路径进行了模拟，反映了含植物沙床对污染物迁移变化的影响；且实验装置能够改变流速、水深、底坡、植物埋深及植物密度等多种参数，实验方便、成果直观。

Description

可调节河床植物的实验装置和实验方法

技术领域

本发明涉及模拟河流潜流带植物沙床污染物的迁移转化装置，尤其涉及可调节河床植物的实验装置和实验方法。

背景技术

随着经济的快速发展，河流、湖泊等水生环境越来越多的受到污染，而水生环境中芦苇、水草及灌木等水生植物的存在对污染物的迁移转化过程产生了重要影响。随着近年来对含泥沙河流水的生态环境研究的不断深入，人们已将注意力更多的转移到含植物的河道和湖泊领域，然而河道或湖泊水生植物对污染物在潜流带中的迁移转化影响还有许多问题尚未明确，需要进一步的深入研究。河道或湖泊水体中污染物随水体与地下水进行潜流交换并被沙床截留与吸附，从而改变了河道中污染物的分布。而含植物沙床污染物的截留与吸附作用势必会受到植物分布的影响。因此，迫切需要对含植物沙床污染物的迁移转化进行研究。

目前对于潜流交换的研究主要采用室内循环水槽模拟实验，但多只考虑了沙床沙坡形状的影响，同时虽有循环水槽包含植物，但均为研究水流特性与输沙特性，而对含植物沙床污染物迁移转化几乎未见研究。此外目前的循环水槽进行污染物迁移转化实验后均需要将实验用沙取出清洗，造成极大的浪费。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种可调节河床植物的实验装置和实验方法，以模拟河流湖泊中不同流速、水深、底坡、植物埋深及密度等多种参数下污染物在潜流带内的迁移转化。

技术方案：可调节河床植物的实验装置，包括：

循环水槽，水槽底部设有拦沙底板和位于拦沙底板下方的进水管，水槽末端设有水位调节器，水槽底部支撑处设有坡降调节器；

实验水箱，与循环水槽相连，包括位于进口与出口之间的双层多孔板；

植物埋深及控制系统，位于循环水槽内，包括植物布设小车和设置在植物布设小车上的植物埋深调节装置及位于埋深调节装置下方的植物固定装置。

植物埋深调节装置包括升降轴承、位于升降轴承上方的植物埋深调节转盘，以及与升降轴承下端相连的植物板卡槽。

植物固定装置包括组合在一起的植物固定板和植物夹紧板，以及位于植物固定板下方的可变高度支架。

植物布设小车设有与车轮相连的制动闸。

拦沙底板为带有进水孔的拦沙尼龙网。

可调节河床植物的实验装置的实验方法，包括以下步骤：

(1)将循环水槽内的水加至设定高度，并调节到实验所需坡降；

(2)将实验用沙抽至水槽内，平整沙坡；

(3)将模拟植物的圆棒通过植物固定板和夹紧板，固定在可变高度支架上；

(4)将植物布设小车移动到植物布设位置；

(5)通过植物布设小车依次完成植物固定板的布设与固定，并将植物固定板下降至设定高度；

(6)将植物固定板与圆棒分离，并升起植物固定板，分批完成所有模拟植物的布设；

(7)使水槽运行稳定，对实验水箱内的水量进行增补以达到实验所需水量；

(8)将图像采集系统设于水槽前，以便对污染物迁移过程进行采集；

(9)将制备好的实验溶液从循环水槽向沙床迁移；

(10)进行孔隙水样品的取样和上覆水检测；

(11)对实验沙床进行反冲洗，平整沙床，进行下次实验。

步骤(10)中，孔隙水样品在取样孔内抽取。

步骤(10)中，上覆水检测将探针直接放入实验水槽内进行取样。

工作原理：本发明通过植物埋深和密度分布控制，同时利用图像采集技术，实现了不同位置和密度的埋深植物的布设，进而实现了野外水生植物对沙床污染物迁移的实验模拟。其中植物埋深及控制系统，实现了不同位置、密度、粗细、埋深植物的布设，提高了人工布设植物的效率和准确性；植物埋深调节装置既能够实现植物的安插布置与拔起，又能够将植物埋深固定，实现了不同埋深污染物的控制，且植物埋深均一性控制良好；植物固定装置实现了植物的固定、放松、分离，保证每株植物垂直，减少了相互扰动；反冲洗系统中水在清洗沙床时为循环使用，采用的分水阀能够实现一泵两用。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：(1)实验装置能够改变流速、水深、底坡、植物埋深等多种参数，实现了野外芦苇丛和灌木丛等水生植物对污染物迁移的模拟实验，实验方便、造价低廉、成果直观；(2)利用物理原理和图像采集技术，有效的模拟了染色下的污染物迁移路径，反映了含植物河床对污染物迁移变化的影响，为含植物河床污染物的迁移问题提供了技术支持；(3)植物埋深及控制系统实现了不同位置、密度、粗细埋深植物的布设，且植物埋深均一性控制良好，提高了人工布设植物的效率和准确性；(4)植物控制板尺寸可选，可自由组合模拟多种工况；(5)反冲洗时效率高，节约了反复抽沙填沙带来的人力物力浪费，降低了实验成本；(6)高度调节转盘操作简单方便，实现了植物不同埋深、水位控制和坡降控制的要求。

附图说明

图1为实验装置结构示意图；

图2为植物埋深及调节装置示意图；

图3为植物固定装置示意图；

图4为植物固定板示意图；

图5为反冲洗装置示意图；

图6为多孔进水管示意图；

图7为拦沙底板示意图。

具体实施方式

如图1所示，可调节河床植物的实验装置包括循环水槽1、实验水箱2和位于循环水槽1上方、可移动的植物埋深及控制系统3。

其中循环水槽1由单面金属侧板1-3和单面有机玻璃组成，底板为金属板，金属侧板1-3设有四排孔隙水采样孔1-3-1与4个压力传感器4，水槽内进水口处设有整流栅5、水槽内设有水位调节器7；水槽底部外侧支撑处设有坡降调节器8，通过坡降调节器8完成水槽单侧升降，完成坡降调节；水槽内底部设有反冲洗装置。进水管上依次设有离心泵9、流量调节阀10、电磁流量计11和第一分水阀12和第二分水阀13。

实验水箱2通过分水阀与循环水槽1相连接，水箱2的进口与出口之间设有双层多孔板2-1，避免掺气水流进入水泵，水箱内设有水位容量标尺；设于水槽透明板前的图像采集系统包括与电脑相连的相机；通过水位调节器7上方的转动转盘6调节出水口的升降以达到调节水位的目的。

植物埋深及控制系统3包括植物布设小车3-1、植物埋深调节装置3-2以及植物固定装置3-3。如图2所示，其中植物布设小车3-1设有位于车轮3-1-2旁的制动闸3-1-1；植物埋深调节装置3-2包括升降轴承3-2-2、位于升降轴承3-2-2上方的植物埋深调节转盘3-2-1和与升降轴承3-2-2下端相连的植物板卡槽3-2-3；植物埋深调节装置3-2通过可拆卸螺栓固定于植物布设小车3-1上，同时植物埋深调节转盘3-2-1、水位调节器7及坡降调节器8均设有高度升降标尺和制动螺栓。因此埋深调节装置3-2既能够实现植物的安插布置与拔起，又能够先将植物埋深固定，然后通过加沙漏斗对植物进行沙样覆盖，减少安插过程中对沙床的局部挤压作用。

如图3所示，植物固定装置3-3包括双层植物固定板3-3-1、植物夹紧板3-3-2和模拟植物用的铝制圆棒14，以及位于植物固定板3-3-1下方的可变高度支架3-3-4；其中模拟植物用的铝制圆棒14具有多种尺寸规格，其底端采用锥形尖端；植物固定板3-3-1与植物夹紧板3-3-2组成一体，通过夹紧螺栓3-3-3可将植物固定于同一深度，并能够实现植物的固定与分离，保证每株植物垂直，减少相互扰动；其中双层植物固定板3-3-1具有多种不同直径及密度布设规格，并与植物板卡槽3-2-3可自由拆卸组合。植物埋深调节装置3-2与植物固定装置3-3协调工作，既能实现非淹没刚性植物，又能实现淹没刚性植物的布设。

如图4所示，双层植物固定板3-3-1与植物夹紧板3-3-2均采用带圆孔的金属板，其圆孔的直径均大于实验模拟的植物直径；同时双层植物固定板3-3-1具有多种孔距选择，既能够实现不同密度模拟植物的布设，也可通过隔孔布置的方式布设大间距模拟植物。

如图5所示，反冲洗装置包括拦沙底板1-1以及位于底板下方的多孔进水管1-2；如图6所示，多孔进水管1-2侧面开设有多个进水孔；如图7所示，拦沙底板1-1为带有进水孔1-1-1的拦沙尼龙网，保证泥沙不会渗漏。进行反冲洗时，通过调节分水阀12使水流通过多孔进水管1-2直接从拦沙底板1-1进入，达到对沙床污染物进行反向冲洗的目的，避免了试验结束后将沙样取出重新装填。两个分水阀实现了一泵两用，沙床反清洗系统有效的发挥了水在清洗沙床时的循环作用，节约了实验用水。实验中，通过水槽底部的多孔进水管1-2和拦沙底板1-1高效的完成了实验沙床的清洗任务，节约了反复抽沙填沙带来的人力物力的浪费，清洗效果满足实验要求。

采用模拟污染物迁移的可调节河床植物的实验装置的实验方法，包括以下步骤：

(1)在实验水箱中加入去离子水，将循环水槽1的第二分水阀13调节至循环水槽进水管开启，打开离心泵9，缓慢调节流量调节阀10和水位调节器7，使水槽内水面缓慢上升到所需高度后，关闭流量调节阀10和离心泵9；调节坡降控制器8，达到实验所需坡降。

(2)通过抽砂泵将清洗好的实验用沙抽至循环水槽内，并用工具平整沙坡，在修整沙坡过程中使沙坡受力均匀，避免气泡的产生。

(3)将双层植物固定板3-3-1和夹紧板3-3-2组合，放在所需高度的变高度支架3-3-4上，将模拟植物的铝棒14按照设定密度放入植物固定板3-3-1的圆孔内，拧紧夹紧螺栓3-3-3，保证所有植物均处于垂直夹紧状态。

(4)将植物布设小车3-1移动到植物布设位置，打开制动闸3-1-1，转动植物埋深调节转盘3-2-1，升起植物板卡槽3-2-3。

(5)将调整好的植物固定板3-3-1从植物板卡槽3-2-3两端放置到所需位置，并固定好，依次完成所有植物固定板3-3-1的布设与固定；缓慢转动植物埋深调节转盘3-2-1，使整个植物固定板3-3-1缓慢均匀的下降，铝制圆棒14尖端靠近沙床表面时，放慢埋深调节转盘3-2-1的速度，使所有铝制圆棒14均匀地深入到沙床中，到达所设计的埋深。

(6)拧动夹紧螺栓3-3-3，使植物从夹紧板3-3-2和植物固定板3-3-1中松出，转动埋深控制器转盘3-2-1，升起植物固定板3-3-1，使植物固定板3-3-1和夹紧板3-3-2与植物14分离，待完全分离后，移动布设小车3-1，完成一组植物布设，重复以上步骤，完成所有植物的布设。

(7)打开离心泵9，缓慢开启流量阀10，将流量调节至实验所需流量，使水槽运转稳定，通过测量实验水箱内的水量并进行增补以达到实验所需水量。

(8)设置图像采集系统时，将相机安放于水槽有机玻璃前，并与电脑相连接，开启拍照软件，设置拍照参数，以便对染色的溶液进入沙床的整个过程拍照；同时将遮光黑布摆放在合适的位置，避免光源对实验的影响。

(9)取试验水箱内的适量水对计算配比好的实验溶液和染色剂进行稀释，保证实验水量一定；待各部分准备完毕后，将稀释的溶液迅速加入到实验水箱内，并充分搅拌，保证混合均匀。实验溶液由离心泵9进入到循环水槽，并向沙床中迁移。

(10)孔隙水样品的取样采用微量取样器在金属板上的取样孔1-3-1内直接抽取，保存在试管或取样瓶中，取样孔1-3-1采用可伸缩的硅胶密封；对沙床以上部分的上覆水检测时，将探针直接放入水槽内，并用注射器取样保存于取样瓶内，其中沙床表面的空隙水压力数据由压力传感器4直接读取。

(11)实验结束后，关闭流量控制阀10和离心泵9，排出实验水箱2内的液体，重新加入去离子水，开启用于反冲洗的第一分水阀12、离心泵9和流量控制阀10，对实验沙床进行反冲洗，直至达到实验要求，重新平整沙床，进行下一次实验。

Claims (6)

1.一种可调节河床植物的实验装置，其特征在于：包括：

循环水槽(1)，水槽底部设有拦沙底板(1-1)和位于底板下方的进水管(1-2)，水槽内设有水位调节器(7)，水槽外部支撑处设有坡降调节器(8)；

实验水箱(2)，与循环水槽相连，包括位于进口与出口之间的双层多孔板(2-1)；

植物埋深及控制系统(3)，位于循环水槽内，包括植物布设小车(3-1)和设置在植物布设小车(3-1)上的植物埋深调节装置(3-2)及位于埋深调节装置下方的植物固定装置(3-3)；

所述植物埋深调节装置(3-2)包括升降轴承(3-2-2)、位于升降轴承(3-2-2)上方的植物埋深调节转盘(3-2-1)，以及与升降轴承(3-2-2)下方相连的植物板卡槽(3-2-3)；

所述植物固定装置(3-3)包括组合在一起的植物固定板(3-3-1)和植物夹紧板(3-3-2)，以及位于植物固定板(3-3-1)下方的可变高度支架(3-3-4)。

2.根据权利要求1所述的可调节河床植物的实验装置，其特征在于：所述植物布设小车(3-1)设有与车轮相连的制动闸(3-1-1)。

3.根据权利要求1所述的可调节河床植物的实验装置，其特征在于：所述拦沙底板(1-1)为带有进水孔(1-1-1)的拦沙尼龙网。

4.一种采用如权利要求1所述的可调节河床植物的实验装置的实验方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)将循环水槽内的水加至设定高度，并调节到实验所需坡降；

(2)将实验用沙抽至水槽内，平整沙坡；

(3)将模拟植物的圆棒(14)通过植物固定板(3-3-1)和植物夹紧板(3-3-2)，固定在可变高度支架(3-3-4)上；

(4)将植物布设小车(3-1)移动到植物布设位置；

(5)通过植物布设小车(3-1)依次完成植物固定板(3-3-1)的布设与固定，并将植物固定板(3-3-1)下降至设定高度；

(6)将植物固定板(3-3-1)与圆棒(14)分离，并升起植物固定板(3-3-1)，分批完成所有模拟植物的布设；

(7)使水槽运行稳定，对实验水箱内的水量进行增补以达到实验所需水量；

(8)将图像采集系统设于水槽前，以便对污染物迁移过程进行采集；

(9)将制备好的实验溶液从循环水槽向沙床迁移；

(10)进行孔隙水样品的取样和上覆水检测；

(11)对实验沙床进行反冲洗，平整沙床，进行下次实验。

5.根据权利要求4所述的可调节河床植物的实验装置的实验方法，其特征在于：步骤(10)中，所述孔隙水样品在取样孔内抽取。

6.根据权利要求4所述的可调节河床植物的实验装置的实验方法，其特征在于：步骤(10)中，所述上覆水检测将探针直接放入实验水槽内进行取样。