CN108760972A - Y型交汇河道污染物输移掺混模拟实验装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种Y型交汇河道污染物输移掺混模拟实验装置及试验方法，该装置包括污染物示踪剂排放装置、水流循环装置、流量调节装置和量测装置，污染物示踪剂排放装置包括溢流式平水头排污箱和示踪剂排放口，所述的平水头排污箱通过软管与示踪剂排放口相连接；所述的水流循环装置包括可变交汇角度和变坡度的Y型水槽及储水池；量测装置测得断面各点的电导率计算得到示踪剂氯化钠的浓度，从而能够得到污染物在Y型河道内输移掺混的变化规律，且具有灵活改变交汇角与坡度的特点，为污染物输移规律研究提供新的工具与方法。

Description

Y型交汇河道污染物输移掺混模拟实验装置及试验方法

技术领域

本发明涉及Y型交汇河道污染物输移掺混模拟实验装置及试验方法，属于水环境保护技术领域。

背景技术

河网是地表水循环系统的重要组成部分，也是流域水流、污染物等物质输移的重要通道，具有开放性、随机性和自相似性等特点。河网中普遍存在着大量的干支流交汇河口，由于河道发生急剧变化，交汇河口处水流紊动掺混剧烈，形成水流停滞区、流速偏向区、分离区、流速加速区、混合层区等。同时也对污染物的输移掺混规律造成影响。随着经济的发展，大量污染物进入交汇河道，使交汇河口水环境受到严重污染，致使水灾加剧、水环境恶化、水流结构被破坏、河道功能衰减。水环境污染已然成为我国面临的重大环境问题之一，然而交汇河道具有繁杂的形态结构和水文条件使得其污染物输移掺混特性十分复杂，要合理有效地保护好水环境，就必须了解和掌握交汇河道中污染物的输移掺混规律。

目前对于交汇河道污染物输运掺混特性的研究主要有原型观测资料分析、数学模型模拟、物理模型试验等方法。原型观测的重要意义主要体现于：首先，可用来检验水工模型试验成果，为解决缩尺效应问题提供资料依据；其次，可以对若干高速水流问题直接进行研究；此外，还可以直接为工程的安全监测、优化调度服务，为今后同等规模的类似工程提供有价值的参考。但是，原型观测同时受到观测的理论方法不够成熟、观测的技术设备落后、观测手段单一、投资大等因素限制，难以推广应用。

数值模拟方法是以电子计算机为手段，根据水流运动规律，建立相应数学模型和数值计算方法，求解得出特定流场参数的近似解，并通过数据输出和图像显示进行分析研究的方法。数学模型不受物理试验模型规律的限制，可以缩短工作周期，节省人力、物力，具有明显的经济性和时效性。但是模型的选取与建立直接影响到计算误差的大小，一些参数仍为经验常数，计算结果与真实情况之间还有一定的误差。

物理模型即根据水力相似性原理，通过把原型系统按一定比例缩放成模型，通过模型试验来研究原型系统的方法。模型试验方法简便，能应用于大多数研究系统且试验结果相对可靠。而目前的物理模型主要集中在支流斜街干流型的河道，对于Y型河道的模拟装置较少，且已有多为模拟水动力特性的物理模型。而模拟污染物在Y型河道中输移掺混规律的物理模型更是少之又少，且无法实现变交汇角和变坡度等条件。

综上所述，现有的Y型交汇河道模拟水槽实验装置主要存在以下不足：

(1)只能模拟水动力特性，缺少污染物输移掺混过程模拟的实验装置，不能有效地模拟Y型河道交汇条件下污染物的运动变化情况；

(2)河道交汇角固定，若要变换交汇角度，需要重新制作物理模型，成本较高，不能根据研究需要灵活变换交汇角度；

(3)坡度不可调，难以模拟自然河道坡度。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种Y型交汇河道污染物输移掺混模拟实验装置及试验方法，可以调节交汇角和坡度，根据所测数据得到污染物在河道中输移掺混的规律，为交汇河道的研究提供理论依据和技术支持。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明的一种Y型交汇河道污染物输移掺混模拟实验装置，包括储水池、主流水槽和平水头排污箱，所述储水池通过水泵与第一连接管和第二连接管连接，第一连接管和第二连接管分别与第一阀门和消能装置连接，两个消能装置分别位于左侧支流水槽和右侧支流水槽内，左侧支流水槽和右侧支流水槽的一端通过转轴与主流水槽连接，所有水槽壁面通过软性弹性材料与转轴密封连接，在转轴处安装有量角器，主流水槽通过出水口与储水池连接，主流水槽内设有若干个量测装置；所述平水头排污箱内的污染物示踪剂经过第一阀门、转子流量计和增压泵进入到左侧支流水槽和右侧支流水槽中。

作为优选，所述平水头排污箱通过抽水泵与水桶连接，水桶内盛有污染物示踪剂。

作为优选，所述平水头排污箱内设有挡板，将平水头排污箱分为两部分，平水头排污箱内污染物示踪剂流进的那部分内设有孔板，孔板垂直挡板设置。

作为优选，所述主流水槽下方设有改变主流水槽倾斜度的可升降装置。

作为优选，所述可升降装置为液压升降杆。

作为优选，所述量测装置包括温度电极、电导电极、变送模块和计算主机，温度电极和电导电极位于主流水槽内，温度电极和电导电极通过变送模块与计算主机连接。

作为优选，所述污染物示踪剂为氯化钠、乙醇和水的混合液，混合液的密度与环境流体密度相等。

一种上述的Y型交汇河道污染物输移掺混模拟实验装置的试验方法，包括以下步骤：

第一步，制备污染物示踪剂：采用氯化钠、乙醇和水的混合液，混合使得其密度与环境流体密度相等，用来作为实验投放的污染物示踪剂储于水桶中；

第二步，运行水槽：打开电源开关，启动水槽运转，使整个水槽中的水平稳运行，并通过第一阀门和转子流量计调节流量，利用增压泵经污染物示踪剂排放口加入污染物示踪剂；

第三步，选取测量断面位置，利用量测装置测量所取断面上各点的瞬时电导率和温度；

第四步，计算得到各测点时均电导率和温度：将采集的瞬时电导率数据和温度数据进行均值处理得到各测点的时均电导率和温度；

第五步，换算为统一温度下的电导率：实验采集到的数据为水体的电导率，由于电导率受温度影响较大，不同温度下电导率的测量值会有变化，故所得到的电导率值应该换算为统一温度下的数值，为了方便换算和分析，这里统一按照下式换算为25℃时的数值；

第六步，计算得到水中氯化钠的浓度。

作为优选，所述第三步中，试验中利用多点电导自动采集系统在每排测点每次采样约180秒，这样每个测点每次约有200个瞬时数据，保证了采集数据的充分性和均值数据的准确性；为实现每排测点间的距离精准，使用课题组专门定制的1cm厚的有机玻璃板来调控电导率测量装置与水槽之间的距离。为实现每排测点间的距离精准，使用1cm厚的有机玻璃板置于水槽上方以垫高电导率测量装置来调控电导率测量装置与水槽底部之间的距离。

作为优选，所述第五步中，污染物示踪剂造成的电导率为排放后测量断面的电导率减去未投放污染物的支槽中测量断面电导率。

在本发明中，所述平水头排污箱采用的是溢流式水箱，水箱中设孔板消能，当污染物示踪剂水位达到挡板最高处后溢流，使得左侧水箱能保持稳定的水头。所述污染物示踪剂一般是用氯化钠和乙醇现配现用，盛放于水桶中，配备相应的抽水泵由进水口抽入水箱。所述的水流循环装置通过管道泵将水从储水池分别抽入左侧支流和右侧支流河道的前池，前池中设置消能装置，待水流稳定后进入水槽，水流交汇后经出水口重新排入储水池，出水口段设有尾门调节水位。所述的可变交汇角变坡的Y型水槽的底部设置有能使Y型水槽按实际河道要求呈一定坡度的升降杆，支流与干流衔接处设置转轴以变换交汇角。所述的量测装置采用多点电导采集系统，可同时完成100点的电导率采集及相应的温度采集。

在本发明中，由于水流循环装置是一套自循环系统，水流经地下储水池进入水槽，交汇后经出水口又重新排入储水池，这样的自循环利用会导致水体本底电导率变大。为减少本原因产生的试验误差，在未投放污染物的支槽中布置本底电导率测量断面，用排放后测量断面的电导率减去本底电导率，即为污染物示踪剂造成的电导率。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)构建了Y型交汇河道污染物输移掺混模拟水槽实验装置，扩充了现有Y型交汇河道水槽模拟功能；

(2)上述水槽实验装置的交汇角度可以根据研究需要灵活调整，节约了试验成本；

(3)上述可变坡水槽的坡度可以调整，也即能够准确地模拟实际交汇河道的地形坡比，使实验数据更为准确、可靠；

(4)上述水槽是一套自循环系统，水流于储水池中可重复利用，极大的节约用水量。

(5)上述平头污水箱采用的是溢流式水箱，水箱中设孔板消能，当水位达到挡板最高处后溢流，使得左侧水箱能保持稳定的水头，即保持水流为恒定流。

(6)上述量测装置是由11个电导电极、温度电极经变送模块和计算主机相连，可高效精准地测量水体所取断面中各点的电导率和温度，并持续采样180秒，取均值得到各测点电导率，此方法得到的数据更准确。

附图说明

图1是本发明的平面布置示意图。

图2是图1中平水头污水箱俯视图和污染物示踪剂排放装置结构示意图。

图3是图1中可变交汇角Y型水槽示意图。

图4是图1中可变坡主流水槽结构示意图。

图5是平水头排污箱的俯视图。

图6是示踪剂排放口结构示意图。

附图标记：1—平水头排污箱、2—水桶、3—污水进水管、4—抽水泵、5—污水出水管、6—第二阀门、7—转子流量计、8—增压泵、9—示踪剂排放口、10—水泵、11—电磁流量计、12—第一阀门、13—消能装置、14—左侧支流水槽、15—右侧支流水槽、16—转轴、17—量角器、18—升降杆、19—主流水槽、20—量测装置、21—出水口、22—储水池、23—孔板、24—挡板、25—“L”型塑料硬管、26—90°弯头、27—接口、28—三通、29—示踪剂排放孔。

具体实施方式

如图1至图5所示，Y型交汇河道污染物输移掺混模拟实验装置，包括储水池22、主流水槽19和平水头排污箱1，所述储水池22通过水泵10与第一连接管和第二连接管连接，第一连接管和第二连接管分别与第一阀门12和消能装置13连接，两个消能装置13分别位于左侧支流水槽14和右侧支流水槽15内，左侧支流水槽14和右侧支流水槽15的一端通过转轴16与主流水槽19连接，在转轴16处安装有量角器17，主流水槽19通过出水口21与储水池22连接，主流水槽19内设有若干个量测装置20；所述平水头排污箱1内的污染物示踪剂经过第一阀门12、转子流量计7和增压泵8进入到左侧支流水槽14和右侧支流水槽15中。

在本发明中，所述平水头排污箱1通过抽水泵4与水桶2连接，水桶2内盛有污染物示踪剂。所述平水头排污箱1内设有挡板24，将平水头排污箱1分为两部分，平水头排污箱1内污染物示踪剂流进的那部分内设有孔板23，孔板23垂直挡板24设置。所述主流水槽19下方设有改变主流水槽19倾斜度的可升降装置，可升降装置优选为液压升降杆18。

在本发明中，所述量测装置20包括温度电极、电导电极、变送模块和计算主机，温度电极和电导电极位于主流水槽19内，温度电极和电导电极通过变送模块与计算主机连接。所述污染物示踪剂为氯化钠、乙醇和水的混合液，混合液的密度与环境流体密度相等。

如图1所示，污染物示踪剂排放装置包括平水头污水箱1、水桶2、第一阀门12、转子流量计7和示踪剂排放口9组成。污染物示踪剂由抽水泵4经污水进水管3抽入平水头排污箱1，经消能装置13稳定后，由示踪剂排放口9排入左侧支流水槽14和右侧支流水槽15中。水流交汇后经出水口21重新排入储水池，形成一套自循环系统，出水口段设有尾门调节水位。

污染物示踪剂采用氯化钠、乙醇和水的混合液，混合使得其密度与环境流体密度相等，一般现配现用，盛放于食品级大水桶2中。

如图2所示，平水头排污箱1优选为溢流式水箱，中间优选设置有挡板24，将水箱分为左右两侧。右侧水箱距底部10cm处优选设置有孔板23以达到消能效果，使水流更加平缓。当水位达到挡板最高处后溢流，使得左侧水箱能保持稳定的水头。

食品级大水桶2优选为圆形，其顶部设置有注水口，将污染物示踪剂由抽水泵4经污水进水管3抽入平水头排污箱1中，由污水出水管5排出，经示踪剂排放口9排入Y型水槽中，并配备相应的增压泵8，其排放流量由第二阀门6和转子流量计7控制。

示踪剂排放口9优选为一个“L”型和两个“T”型塑料硬管，“L”型硬管水平部分长6cm，内径1.4cm，外径1.6cm，用于模拟点源排放。两个“T”型塑料硬管的长度分别为22cm和26cm，其上均匀布设了一系列污染物排放口，用于模拟线源排放。

如图3所示，左侧支流水槽14与右侧支流水槽15可通过连接处的转轴16旋转，以对准量角器17，能够准确地改变Y型河道两对称支流的交汇角度，因而可以使交汇角对Y型河道影响的研究变得更加方便。

如图4所示，主流水槽19优选为矩形，其底部优选设置有两根升降杆18。这样，通过调节升降杆18的高度，即能使主流水槽形成一定的坡度，从而能够准确地模拟交汇河道的地形坡比，使测试数据更为准确、可靠。

量测装置20由11个电导电极、温度电极经变送模块和计算主机相连。实验中，选取测量断面，测量水体所取断面中各点的电导率和温度，并持续采样180秒，取均值得到各测点电导率，此方法得到的数据更准确。

一种Y型交汇河道污染物输移掺混模拟实验装置的试验方法，包括以下步骤：

第一步，制备污染物示踪剂：采用氯化钠、乙醇和水的混合液，混合使得其密度与环境流体密度相等，用来作为实验投放的污染物示踪剂储于食品级大水桶2中；

第二步，运行水槽：打开电源开关，启动水槽运转，使整个水槽中的水平稳运行，并通过第一阀门12和转子流量计7调节流量，利用增压泵8经污染物示踪剂排放口9加入污染物示踪剂；

第三步，选取测量断面位置，利用量测装置20测量所取断面上各点的瞬时电导率和温度；

第四步，计算得到各测点时均电导率和温度：将采集的瞬时电导率数据和温度数据进行均值处理得到各测点的时均电导率和温度；

第五步，换算为统一温度下的电导率：实验采集到的数据为水体的电导率，由于电导率受温度影响较大，不同温度下电导率的测量值会有变化，故所得到的电导率值应该换算为统一温度下的数值，为了方便换算和分析，这里统一按照下式换算为25℃时的数值；

第六步，计算得到水中氯化钠的浓度。

采用上述实验装置和方法后，从而能够模拟污染物在Y型河道中的运动，通过得到的氯化钠浓度可以得到污染物在Y型河道中的输移掺混规律，且可通过转轴16改变交汇角和升降杆18改变坡度以研究交汇角和坡度对污染物输移掺混规律的影响，为水环境治理提供理论依据。

Claims (10)

1.一种Y型交汇河道污染物输移掺混模拟实验装置，其特征在于：包括储水池、主流水槽和平水头排污箱，所述储水池通过水泵与第一连接管和第二连接管连接，第一连接管和第二连接管分别与第一阀门和消能装置连接，两个消能装置分别位于左侧支流水槽和右侧支流水槽内，左侧支流水槽和右侧支流水槽的一端通过转轴与主流水槽连接，在转轴处安装有量角器，主流水槽通过出水口与储水池连接，主流水槽内设有若干个量测装置；所述平水头排污箱内的污染物示踪剂经过第一阀门、转子流量计和增压泵进入到左侧支流水槽和右侧支流水槽中。

2.根据权利要求1所述的Y型交汇河道污染物输移掺混模拟实验装置，其特征在于：所述平水头排污箱通过抽水泵与水桶连接，水桶内盛有污染物示踪剂。

3.根据权利要求2所述的Y型交汇河道污染物输移掺混模拟实验装置，其特征在于：所述平水头排污箱内设有挡板，将平水头排污箱分为两部分，平水头排污箱内污染物示踪剂流进的那部分内设有孔板，孔板垂直挡板设置。

4.根据权利要求1所述的Y型交汇河道污染物输移掺混模拟实验装置，其特征在于：所述主流水槽下方设有改变主流水槽倾斜度的可升降装置。

5.根据权利要求4所述的Y型交汇河道污染物输移掺混模拟实验装置，其特征在于：所述可升降装置为液压升降杆。

6.根据权利要求1所述的Y型交汇河道污染物输移掺混模拟实验装置，其特征在于：所述量测装置包括温度电极、电导电极、变送模块和计算主机，温度电极和电导电极位于主流水槽内，温度电极和电导电极通过变送模块与计算主机连接。

7.根据权利要求1所述的Y型交汇河道污染物输移掺混模拟实验装置，其特征在于：所述污染物示踪剂为氯化钠、乙醇和水的混合液，混合液的密度与环境流体密度相等。

8.一种如权利要求4或5所述的Y型交汇河道污染物输移掺混模拟实验装置的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，制备污染物示踪剂：采用氯化钠、乙醇和水的混合液，混合使得其密度与环境流体密度相等，用来作为实验投放的污染物示踪剂储于水桶中；

第二步，运行水槽：打开电源开关，启动水槽运转，使整个水槽中的水平稳运行，并通过第一阀门和转子流量计调节流量，利用增压泵经污染物示踪剂排放口加入污染物示踪剂；

第三步，选取测量断面位置，利用量测装置测量所取断面上各点的瞬时电导率和温度；

第四步，计算得到各测点时均电导率和温度：将采集的瞬时电导率数据和温度数据进行均值处理得到各测点的时均电导率和温度；

第五步，换算为统一温度下的电导率：实验采集到的数据为水体的电导率，由于电导率受温度影响较大，不同温度下电导率的测量值会有变化，故所得到的电导率值应该换算为统一温度下的数值，为了方便换算和分析，这里统一按照下式换算为25℃时的数值；

第六步，计算得到水中氯化钠的浓度。

9.根据权利要求8所述的Y型交汇河道污染物输移掺混模拟实验装置的试验方法，其特征在于，所述第三步中，试验中利用多点电导自动采集系统在每排测点每次采样约180秒，这样每个测点每次约有200个瞬时数据，保证了采集数据的充分性和均值数据的准确性。

10.根据权利要求8所述的Y型交汇河道污染物输移掺混模拟实验装置的试验方法，其特征在于，所述第五步中，污染物示踪剂造成的电导率为排放后测量断面的电导率减去未投放污染物的支槽中测量断面电导率。