CN110346183A - 一种人工湿地基质取样检测装置及渗透性测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种人工湿地基质取样检测装置及渗透性测试方法，取样检测装置包括取样管，取样管侧壁上有渗透孔，渗透孔外侧安装有三通哈夫节，三通哈夫节与压力传感器相连接，压力传感器与数据采集仪相连接，取样管的两端安装有金属脚帽，金属脚帽底部设有细连通管，细连通管与测试水管路相连通。本发明采用网格法将待检测人工湿地模型空间网格化为空间阵列，通过取样管对模型中阵列的特征点基质进行取样，将带有基质样本的取样管连接在测试水管路中，通过对渗透孔处水压力值的测试，进而判断人工湿地模型中基质的渗透性能。本发明通过取样管最大限度的保存了基质样本的原有特性，保证了测试数据的精确性。
Description
技术领域
本发明涉及湿地生态研究技术领域，具体的说是一种人工湿地基质取样检测装置及渗透性测试方法。
背景技术
人工湿地水处理生态系统主要由湿地基质以及种植在基质上的湿地植物、栖息于基质中的湿地微生物三部分组成，其中湿地基质承担着物化、微生物栖息地等多重功能。在人工湿地水处理生态系统运行中，随着SS(悬浮固体)等大分子物质在湿地基质中截留、沉淀、迁移、粘附，以及微生物及其群落在基质空隙中栖息生长，基质床(即基质装填的床体)会逐渐发生堵塞，造成渗流水力损失Δh增加，可以采用Δh等压线图法来表达基质床阻力分布；基质床渗透系数K也会下降，可以采用K拟合曲线及其方程来表达基质床渗透系数变化规律。如果湿地基质床堵塞到一定程度就需要采用复耕，基质换装等工程方法加以解决。因此，在人工湿地相关科学研究中，湿地基质堵塞形成机制及其阻力成长分布规律、渗透系数变化规律的研究有助于人们优化人工湿地设计参数，延长人工湿地使用周期，也有助于人们采用更科学的工程方法对其渗流能力加以恢复。
在人工湿地水处理生态系统运行中，渗流过程严格意义上讲是三维流动，由于堵塞而导致的渗流阻力分布及渗透性变化在基质空间各点并不是均一的。以水平潜流人工湿地模型为例(见图1)，阻力分布及渗透性变化在基质床x方向、y方向、z方向并不是完全各向同性的。因此，无论是在实验室湿地模型研究中或工程实践研究中，湿地基质取样及其渗透性测试都是一个重要的技术研究手段。
发明内容
本发明的目的是提供一种人工湿地基质取样检测装置及渗透性测试方法，对人工湿地基质取样时尽量保持人工湿地基质的性状不发生改变，能够快速便捷的测试人工湿地基质的渗透性能。
为实现上述目的，本发明所采取的技术方案为：
一种人工湿地基质取样检测装置，它包括取样管，取样管的侧壁上均匀布置有渗透孔，渗透孔的外侧安装有三通哈夫节，三通哈夫节的侧面管口通过硅胶软管与压力传感器相连接，压力传感器与数据采集仪相连接，取样管的两端分别安装有金属脚帽，金属脚帽的外侧设置有压盖，金属脚帽上设有贯穿金属脚帽底部的两根细连通管，其中一根细连通管与一个压力传感器相连接，另一根细连通管通过测试水管路与水箱相连通，测试水管路上安装有压力泵和控流阀。
优选的，所述取样管为圆柱形304不锈钢管，管壁的厚度为0.1-0.3mm，内外管壁光滑。
优选的，所述取样管上渗透孔为三角形连通孔，每个连通孔的孔径小于人工湿地基质颗粒的粒径。
优选的，所述压盖的形状为等边三角形，每个角上设有齿角通孔，中心设置有中心通孔，取样管端部的金属脚帽安装在中心通孔上，细连通管贯穿中心通孔；三根对拉螺杆分别贯穿两块压盖相对应的齿角通孔后相互平行设置。
优选的，所述金属脚帽与取样管的连接处安装有有网密封圈，金属脚帽与压盖的连接处设置有无网橡胶垫圈。
优选的，所述金属脚帽为二阶圆柱状，尾端的凸台上安装有两根细连通管，前端内腔中空，前端内腔的直径与取样管的外径相适配，凸台的直径与压盖的中心通孔的直径相适配。
一种人工湿地基质渗透性测试方法，该方法利用上述的一种人工湿地基质取样检测装置来实现，它包括以下步骤：
步骤一、搭建检测台：将测试水管路与水箱相连通，测试水管路上安装压力泵和控流阀，再将两个金属脚帽尾端的细连通管分别穿过两个压盖的中心通孔后，一根细连通管与一个压力传感器相连接，另一根细连通管与测试水管路相连接，金属脚帽尾端的凸台分别装卡在中心通孔中；将数个三通哈夫节的侧面管口用硅胶软管与数个压力传感器相连接，压力传感器与数据采集仪相连接，搭建成检测台；
步骤二、建立模型：采用网格法将待检测人工湿地基质空间网格化为空间阵列，x方向有x＝0、1、……、n，n个断面；y方向有y＝1、2……、m，m个断面；z方向有z＝1、2、……、k，k个断面，阵列顶点为需要测量基质空隙水压力和渗透系数的特征点H011、H111、H211H311、……、Hnmk，其中下标n表示x方向断面编号，下标m表示y方向断面编号，下标k表示z方向断面编号；
步骤三、基质取样：选定一条特征点序列H0mk、H1mk、……、Hnmk所在的水平线，将取样管水平放置，取样管的中心线与待取样基质的特征点H0mk、H1mk、……、Hnmk在同一直线上，取样管的一端对准取样基质模型的侧壁上预先预留的取样孔，取样管的另一端套接在双锥套筒的一侧，双锥套筒的另一侧与千斤顶的活塞端相连接，千斤顶的底座安装在竖直支撑块上；启动千斤顶，将取样管缓慢匀速推入待取样基质模型中，待特征点H0mk、H1mk、……、Hnmk分别与取样管侧壁上的渗透孔对应后，用塑料脚帽封堵取样管的端部，将取样管及管中的待检测基质整体反向推出，移送至检测台；
步骤四、取样管组装入检测装置：将装有基质的取样管移送至检测台后，去掉塑料脚帽，迅速将有网密封圈和尾端凸台上套有无网橡胶垫圈的金属脚帽套在取样管的两端，在金属脚帽的外侧安装无网橡胶垫圈和压盖，两个压盖对应的齿角通孔中安装并旋紧对拉螺杆；
步骤五、基质渗透性测试：打开控流阀至适当位置，启动压力泵，水箱中的水通过测试水管路流进取样管中，取样管两端的水压值和侧壁上渗透孔处的基质所承受的水压值分别通过各自连接的压力传感器传输给数据采集仪，通过数据采集仪采集的数据计算分析模型中特征点H0mk、H1mk、……、Hnmk所在的基质样柱的水力坡度I和渗透系数K；
步骤六、数据处理方法：将数据采集仪采集的数据导出，利用压差公式Δhi-(i+1)＝Himk-H(i+1)mk计算出相邻特征点i至(i+1)的水头损失Δh；利用水力坡度公式计算出相邻特征点i至(i+1)的水力坡度I，并用达西渗流公式计算出特征点i至(i+1)的平均渗透系数K；
步骤七、研究方法：将步骤六数据分析处理后获得的水头损失Δh、水力坡度I和平均渗透系数K，利用Microsoft excel and Past3 software(version3.12)数据分析软件绘制平均渗透系数K沿x方向的拟合曲线，平均渗透系数K沿x方向的累计曲线；利用Arcgis9.0地理信息系统软件绘制基质空间等压线分布图。
优选的，所述双锥套筒的内腔中设置有两端为虎口状的嵌套。
优选的，所述千斤顶的基座放置在安装于水平轨道上的滑动小车上，竖直支撑块的背面设置有壁板。
优选的，所述测试水管路中安装有流量计。
本发明的有益效果为：
(1)在本发明中，通过取样管对人工湿地模型中阵列的特征点基质进行取样，在取样管的渗透孔外侧安装与压力传感器相连接的三通哈夫节，将取样后的取样管连接在测试水管路中，通过对渗透孔处水压力值的测试，进而判断人工湿地模型中基质的渗透性能，本发明通过取样管最大限度的保存了基质样本的原有特性，保证了测试数据的精确性；
(2)本发明中三角型渗透孔结构设计具有良好的水力连通性能，既能如实反映测点的压力值，又能保证取样管的整体刚度不致破坏，不影响顶进过程中顶力的传导。
(3)本发明中取样管采用超薄不锈钢管，便于取样管顶入模型，不扰乱取样基质及其周围的环境，保证了测试数据的真实性；
(4)本发明中金属脚帽用作取样管在渗流加载过程中衔接取样管与压盖，传递压盖的压应力，使金属脚帽内帽底与取样管管端通过有网橡胶圈压紧密闭连接，防止渗流加载过程中压力水从该结合部泄露，导致渗流速度测算不准；
(5)本发明中塑料脚帽用作取样后，在移管过程中封堵取样管两端，防止端部基质塌落；
(6)本发明中有网密封圈为中央埋置金属网的橡胶圈，用以防止加载测试过程中基质从金属脚帽上的细连通管流出；
(7)本发明在取样管的两端部分别设置压盖，并且压盖对应的齿角通孔中贯穿对拉螺杆，确保三根对拉螺杆作用在压盖上的拉应力分布均匀，保证了取样管在载荷测试时的直线度，保证了测试结果的准确性；
(8)本发明中无网橡胶圈用以实现金属脚帽和金属压盖之间的软接触，相比于硬接触，软接触压应力分布更均匀，压紧效果更好；
(9)本发明中取样管顶进过程中，用双锥套筒连接取样管和千斤顶活塞端，双锥套筒用高强度钢制作，本身不宜变形，虎口状的水平嵌套可以保证取样管和千斤顶的活塞杆在一条直线上，防止取样管顶偏；
(10)本发明中千斤顶的底座安装在竖直支撑块上，竖直支撑块背面设置的壁板，能够将千斤顶的反向作用力分散传递到壁板上，补偿顶进过程中千斤顶活塞杆的长度。
附图说明
图1是水平潜流人工湿地模型；
图2是基质空间布网示意图；
图3是基质取样检测结构示意图；
图4是图3中取样管的连接示意图；
图5是图4中金属脚帽的结构示意图；
图6是图3中压盖的结构示意图；
图7是取样管顶进人工湿地模型的过程示意图；
图8是图7中双锥套筒的结构示意图；
图9是图8中双锥套筒内的锥套的结构示意图；
图10是取样管渗透孔与人工湿地模型中特征点对应关系图；
图11是水力坡度I沿X方向变化曲线；
图12是渗透系数K沿X方向拟合曲线；
图中：1、取样管，2、渗透孔，3、有网密封圈，4、塑料脚帽，5、金属脚帽，6、无网橡胶垫圈，7、压盖，8、对拉螺杆，9、压力传感器，10、数据采集仪，11、三通哈夫节，12、水箱，13、压力泵，14、控流阀，15、测试水回路，16、中心通孔，17、齿角通孔，18、细连通管，19、双锥套筒，20、千斤顶，21、水平嵌套，22、竖直支撑块，23、壁板，24、凸台。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。
如图3至图9所示的一种人工湿地基质取样检测装置，它包括取样管1，取样管1的侧壁上均匀布置有渗透孔2，渗透孔2的外侧安装有三通哈夫节11，三通哈夫节11的侧面管口通过硅胶软管与压力传感器9相连接，压力传感器9与数据采集仪10相连接，取样管1的两端分别安装有金属脚帽5，金属脚帽5的外侧设置有压盖7，金属脚帽5上设有贯穿金属脚帽5底部的两根细连通管18，其中一根细连通管18与一个压力传感器9相连接，另一根细连通管18通过测试水管路15与水箱12相连通，测试水管路15上安装有压力泵13和控流阀14。
取样管1为圆柱形304不锈钢管，管壁的厚度为0.1-0.3mm，内外管壁光滑。取样管1上渗透孔2为三角形连通孔，每个连通孔的孔径小于人工湿地基质颗粒的粒径。
压盖7的形状为等边三角形，每个角上设有齿角通孔17，中心设置有中心通孔16，取样管1端部的金属脚帽5安装在中心通孔16上，细连通管18贯穿中心通孔16；三根对拉螺杆8分别贯穿两块压盖7相对应的齿角通孔17后相互平行设置。
金属脚帽5与取样管1的连接处安装有有网密封圈3，金属脚帽5与压盖7的连接处设置有无网橡胶垫圈6。金属脚帽5为二阶圆柱状，尾端的凸台24上安装有两根细连通管18，前端内腔中空，前端内腔的直径与取样管1的外径相适配，凸台24的直径与压盖7的中心通孔16的直径相适配。
一种人工湿地基质渗透性测试方法，该方法利用上述的一种人工湿地基质取样检测装置来实现，它包括以下步骤：
步骤一、搭建检测台：将测试水管路15与水箱12相连通，测试水管路15上安装压力泵13和控流阀14，再将两个金属脚帽5尾端的细连通管18分别穿过两个压盖7的中心通孔16后，一根细连通管18与一个压力传感器9相连接，另一根细连通管18与测试水管路15相连接，金属脚帽5尾端的凸台24分别装卡在中心通孔16中；将数个三通哈夫节11的侧面管口用硅胶软管与数个压力传感器9相连接，压力传感器9与数据采集仪10相连接，搭建成检测台；
步骤二、建立模型：采用网格法将待检测人工湿地基质空间网格化为空间阵列，x方向有x＝0、1、……、n，n个断面；y方向有y＝1、2……、m，m个断面；z方向有z＝1、2、……、k，k个断面，阵列顶点为需要测量基质空隙水压力和渗透系数的特征点H011、H111、H211H311、……、Hnmk，其中下标n表示x方向断面编号，下标m表示y方向断面编号，下标k表示z方向断面编号；
步骤三、基质取样：选定一条特征点序列H0mk、H1mk、……、Hnmk所在的水平线，将取样管1水平放置，取样管1的中心线与待取样基质的特征点H0mk、H1mk、……、Hnmk在同一直线上，取样管1的一端对准取样基质模型的侧壁上预先预留的取样孔，取样管1的另一端套接在双锥套筒19的一侧，双锥套筒19的另一侧与千斤顶20的活塞端相连接，千斤顶20的底座安装在竖直支撑块22上；启动千斤顶20，将取样管1缓慢匀速推入待取样基质模型中，待特征点H0mk、H1mk、……、Hnmk分别与取样管1侧壁上的渗透孔2相对应后，用塑料脚帽4封堵取样管1的端部，将取样管1及管中的待检测基质整体反向推出，移送至检测台；
步骤四、取样管组装入检测装置：将装有基质的取样管1移送至检测台后，去掉塑料脚帽4，迅速将有网密封圈3和尾端凸台24上套有无网橡胶垫圈6的金属脚帽5套在取样管1的两端，在金属脚帽5的外侧安装无网橡胶垫圈6和压盖7，两个压盖7对应的齿角通孔17中安装并旋紧对拉螺杆8；
步骤五、基质渗透性测试：打开控流阀14至适当位置，启动压力泵13，水箱12中的水通过测试水管路15流进取样管1中，取样管1两端的水压值和侧壁上渗透孔处的基质所承受的水压值分别通过各自连接的压力传感器9传输给数据采集仪10，通过数据采集仪10采集的数据计算分析模型中特征点H0mk、H1mk、……、Hnmk所在的基质样柱的水力坡度I和渗透系数K；
步骤六、数据处理方法：将数据采集仪10采集的数据导出，利用压差公式Δhi-(i+1)＝Himk-H(i+1)mk计算出相邻特征点i至i+1的水头损失Δh；利用水力坡度公式计算出相邻特征点i至i+1的水力坡度I，并用达西渗流公式计算出特征点i至(i+1)的平均渗透系数K；
步骤七、研究方法：将步骤六数据分析处理后获得的水头损失Δh、水力坡度I和平均渗透系数K，利用Microsoft excel and Past3 software(version3.12)数据分析软件绘制平均渗透系数K沿x方向的拟合曲线，平均渗透系数K沿x方向的累计曲线；利用Arcgis9.0地理信息系统软件绘制基质空间等压线分布图。
双锥套筒19的内腔中设置有两端为虎口状的嵌套21。
千斤顶20的基座放置在安装于水平轨道上的滑动小车上，竖直支撑块22的背面设置有壁板23。
测试水管路15中安装有流量计。
步骤二中双锥套筒19的内腔中设置有两端为虎口状的嵌套21，双锥套筒用高强度钢制作，本身不宜变形，虎口状的水平嵌套可以保证取样管和千斤顶的活塞杆在一条直线上，防止取样管顶偏。
千斤顶20的基座放置在安装于水平轨道上的滑动小车上，竖直支撑块22的背面设置有壁板23。千斤顶的反向作用力可以分散传递到壁板上，补偿顶进过程中千斤顶活塞杆的长度。
在本发明中，通过取样管对人工湿地模型中阵列的特征点基质进行取样，在取样管的渗透孔外侧安装与压力传感器相连接的三通哈夫节，将取样后的取样管连接在测试水管路中，通过对渗透孔处水压力值的测试，进而判断人工湿地模型中基质的渗透性能，本发明通过取样管最大限度的保存了基质样本的原有特性，保证了测试数据的精确性。
Claims (10)
1.一种人工湿地基质取样检测装置，其特征在于：它包括取样管(1)，取样管(1)的侧壁上均匀布置有渗透孔(2)，渗透孔(2)的外侧安装有三通哈夫节(11)，三通哈夫节(11)的侧面管口通过硅胶软管与压力传感器(9)相连接，压力传感器(9)与数据采集仪(10)相连接，取样管(1)的两端分别安装有金属脚帽(5)，金属脚帽(5)的外侧设置有压盖(7)，金属脚帽(5)上设有贯穿金属脚帽(5)底部的两根细连通管(18)，其中一根细连通管(18)与一个压力传感器(9)相连接，另一根细连通管(18)通过测试水管路(15)与水箱(12)相连通，测试水管路(15)上安装有压力泵(13)和控流阀(14)。
2.根据权利要求1所述的一种人工湿地基质取样检测装置，其特征在于：所述取样管(1)为圆柱形304不锈钢管，管壁的厚度为0.1-0.3mm，内外管壁光滑。
3.根据权利要求1或2所述的一种人工湿地基质取样检测装置，其特征在于：所述取样管(1)上渗透孔(2)为三角形连通孔，每个连通孔的孔径小于人工湿地基质颗粒的粒径。
4.根据权利要求3所述的一种人工湿地基质取样检测装置，其特征在于：所述压盖(7)的形状为等边三角形，每个角上设有齿角通孔(17)，中心设置有中心通孔(16)，取样管(1)端部的金属脚帽(5)安装在中心通孔(16)上，细连通管(18)贯穿中心通孔(16)；三根对拉螺杆(8)分别贯穿两块压盖(7)相对应的齿角通孔(17)后相互平行设置。
5.根据权利要求4所述的一种人工湿地基质取样检测装置，其特征在于：所述金属脚帽(5)与取样管(1)的连接处安装有有网密封圈(3)，金属脚帽(5)与压盖(7)的连接处设置有无网橡胶垫圈(6)。
6.根据权利要求5所述的一种人工湿地基质取样检测装置，其特征在于：所述金属脚帽(5)为二阶圆柱状，尾端的凸台(24)上安装有两根细连通管(18)，前端内腔中空，前端内腔的直径与取样管(1)的外径相适配，凸台(24)的直径与压盖(7)的中心通孔(16)的直径相适配。
7.一种人工湿地基质渗透性测试方法，该方法利用权利要求1至6任一项所述的一种人工湿地基质取样检测装置来实现，其特征在于：它包括以下步骤：
步骤一、搭建检测台：将测试水管路(15)与水箱(12)相连通，测试水管路(15)上安装压力泵(13)和控流阀(14)，再将两个金属脚帽(5)尾端的细连通管(18)分别穿过两个压盖(7)的中心通孔(16)后，一根细连通管(18)与一个压力传感器(9)相连接，另一根细连通管(18)与测试水管路(15)相连接，金属脚帽(5)尾端的凸台(24)分别装卡在中心通孔(16)中；将数个三通哈夫节(11)的侧面管口用硅胶软管与数个压力传感器(9)相连接，压力传感器(9)与数据采集仪(10)相连接，搭建成检测台；
步骤二、建立模型：采用网格法将待检测人工湿地基质空间网格化为空间阵列，x方向有x＝0、1、……、n，n个断面；y方向有y＝1、2……、m，m个断面；z方向有z＝1、2、……、k，k个断面，阵列顶点为需要测量基质空隙水压力和渗透系数的特征点H011、H111、H211H311、……、Hnmk，其中下标n表示x方向断面编号，下标m表示y方向断面编号，下标k表示z方向断面编号；
步骤三、基质取样：选定一条特征点序列H0mk、H1mk、……、Hnmk所在的水平线，将取样管(1)水平放置，取样管(1)的中心线与待取样基质的特征点H0mk、H1mk、……、Hnmk在同一直线上，取样管(1)的一端对准取样基质模型的侧壁上预先预留的取样孔，取样管(1)的另一端套接在双锥套筒(19)的一侧，双锥套筒(19)的另一侧与千斤顶(20)的活塞端相连接，千斤顶(20)的底座安装在竖直支撑块(22)上；启动千斤顶(20)，将取样管(1)缓慢匀速推入待取样基质模型中，待特征点H0mk、H1mk、……、Hnmk分别与取样管(1)侧壁上的渗透孔(2)相对应后，用塑料脚帽(4)封堵取样管(1)的端部，将取样管(1)及管中的待检测基质整体反向推出，移送至检测台；
步骤四、取样管组装入检测装置：将装有基质的取样管(1)移送至检测台后，去掉塑料脚帽(4)，迅速将有网密封圈(3)和尾端凸台(24)上套有无网橡胶垫圈(6)的金属脚帽(5)套在取样管(1)的两端，在金属脚帽(5)的外侧安装无网橡胶垫圈(6)和压盖(7)，两个压盖(7)对应的齿角通孔(17)中安装并旋紧对拉螺杆(8)；
步骤五、基质渗透性测试：打开控流阀(14)至适当位置，启动压力泵(13)，水箱(12)中的水通过测试水管路(15)流进取样管(1)中，取样管(1)两端的水压值和侧壁上渗透孔处的基质所承受的水压值分别通过各自连接的压力传感器(9)传输给数据采集仪(10)，通过数据采集仪(10)采集的数据计算分析模型中特征点H0mk、H1mk、……、Hnmk所在的基质样柱的水力坡度I和渗透系数K；
步骤六、数据处理方法：将数据采集仪(10)采集的数据导出，利用压差公式Δhi-(i+1)＝Himk-H(i+1)mk计算出相邻特征点i至(i+1)的水头损失Δh；利用水力坡度公式计算出相邻特征点i至(i+1)的水力坡度I，并用达西渗流公式计算出特征点i至(i+1)的平均渗透系数K；
步骤七、研究方法：将步骤六数据分析处理后获得的水头损失Δh、水力坡度I和平均渗透系数K，利用Microsoft excel and Past3 software(version3.12)数据分析软件绘制平均渗透系数K沿x方向的拟合曲线，平均渗透系数K沿x方向的累计曲线；利用Arcgis9.0地理信息系统软件绘制基质空间等压线分布图。
8.根据权利要求7所述的一种人工湿地基质渗透性测试方法，其特征在于：所述双锥套筒(19)的内腔中设置有两端为虎口状的嵌套(21)。
9.根据权利要求7或8所述的一种人工湿地基质渗透性测试方法，其特征在于：所述千斤顶(20)的基座放置在安装于水平轨道上的滑动小车上，竖直支撑块(22)的背面设置有壁板(23)。
10.根据权利要求9所述的一种人工湿地基质渗透性测试方法，其特征在于：所述测试水管路(15)中安装有流量计。
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