CN111521434B - 河流中悬浮细颗粒物质垂向分布的同步测量方法 - Google Patents
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Abstract
一种河流中悬浮细颗粒物质垂向分布的同步测量方法，通过将多个流线型采样瓶竖直并联设置于待测河流的河面至底床面之间，通过设置瓶口正对水流来流方向实现垂向分布的同步测量；流线型采样瓶的厚度均等，瓶体沿其从瓶口至瓶尾的中轴线对称。本发明因为有效抑制瓶身周围尾涡的发展，不改变细颗粒悬浮物质的分布状态，因而使多个采样瓶竖直并联采样有效，能够实现河流中悬浮细颗粒物质沿垂向分布的瞬时测量。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种水环境修复领域的技术，具体是河流中悬浮细颗粒物质垂向分布的同步测量方法。
背景技术
河流中的悬浮细颗粒物质通常由细颗粒泥沙以及各种有机和无机污染物组成，它们在水流中的垂向分布模式直接影响水体的透明度、采光性和水生动物的食物供应，因而观测其垂向分布对于河流生态系统中水生动、植物的生长和分布具有重要基础理论意义，同时对于生态水利工程的实施、维护和管理也具有实际指导价值。
目前现有的河流中悬浮细颗粒物质的测量技术是采用单点测量，如利用声学多普勒流速剖面仪(ADCP)或采样器采样，再将同一垂线上各点的逐次测量值进行组合以获取垂向分布模式。然而河流水流和悬浮细颗粒物质浓度由于受上游污染物排放的影响而常常变化，这使得上述逐点分别测量的方法无法在污染物排放期间准确获取悬浮细颗粒物质的垂向分布模式，而该期间的垂向分布模式对于河流生态系统的健康发展尤为重要。因而，对河流中悬浮细颗粒物质的垂向分布的同步测量技术亟待发展。
理论上，将多个采样器竖直并联同时采样即可实现对悬浮细颗粒物质的垂向分布的同步测量，然而由于采样器容易干扰水流而产生新的涡体，进而干扰细颗粒悬浮物的垂向分布，因而该方法在实践中尚未可行。
发明内容
本发明针对现有技术容易干扰水流产生新的涡体，进而干扰细颗粒悬浮物的浓度分布；或实施程序复杂不能实现同步测量的问题，提出了一种河流中悬浮细颗粒物质垂向分布的同步测量方法，能够在不干扰水流，不产生新的紊动涡体的情况下，实现对悬浮细颗粒物质在同一垂线上的多点同步快速测量，准确获取其瞬时垂向浓度分布模式。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种河流中悬浮细颗粒物质垂向分布的同步测量方法，通过将多个流线型采样瓶竖直并联设置于待测河流的河面至底床面之间，通过设置瓶口正对水流来流方向实现垂向分布的同步测量。
所述的流线型采样瓶的厚度均等，瓶体沿其从瓶口至瓶尾的中轴线对称。
所述的竖直并联设置，优选为各个流线型采样瓶等间距设置。
所述的竖直并联设置，优选为各个流线型采样瓶之间刚性连接。
所述的流线型是指：瓶身在水平面上投影的两侧边线为流线型，瓶口与瓶身在水平方向上以圆弧线，即第1段圆弧实现过渡，瓶身在水平面上投影的每侧边线由至少一段圆弧连接构成流线型。
所述的第1段圆弧相对于瓶身为反向弧；瓶身上的圆弧为正向弧，所有圆弧的弧度范围均为[0.32,0.53]，相邻圆弧之间以切点衔接。从而避免瓶身后方出现尾涡或瓶身因过长而干扰水流。
优选地，第1段圆弧与瓶身处的第2段圆弧的衔接处为瓶身最宽处，瓶身处的第2段圆弧及后续各段圆弧与第1段圆弧所导致的水流尾涡的发展方向一致，以减小瓶身最宽处下游段的负压，抑制尾涡的发展。
所述的流线型采样瓶的瓶口与瓶身连接最高点位置处设有排气孔，排气孔上优选设有单向阀门，使得采样过程中瓶内的气体同时从其顶部的排气口浮出，并沿瓶身上表面向尾部移动，在瓶身上方形成一层向下游逐渐扩展的光滑的气流层，从而抑制瓶身上方的尾涡。
所述的流线型采样瓶，瓶口直径比水流中细颗粒悬浮物的直径大一个数量级，以保证采样完整。
所述的流线型采样瓶，采样时间大于等于60秒，为满足该采样时间，应使采样瓶内体积(单位为m3)除以瓶口水流进口面积(单位为m2)，再除以测量点水流流速(单位为m/s)的商大于等于60。该采样时间限制的目的是使采样时间能够覆盖至少一个悬浮浓度脉动周期，该脉动周期与水流流速脉动周期一致。
所述的流线型采样瓶的瓶口外优选设有平面圆形盖，在测量开始前处于封闭状态，当置于测量位置后打开，并在检测结束后再次关闭以确保采样的准确性。
技术效果
与现有技术相比，本发明通过同一垂线上设置的多个流线型采样瓶采集含悬浮细颗粒物质水流的水体样本，实现对水流中悬浮细颗粒物质的浓度沿垂向各点的同时测量，从而获取强紊动的河流中悬浮细颗粒物质的浓度垂向分布。该流线型采样瓶，瓶身流线型形体设计对水流的干扰小，出产生尾涡，因而不改变悬浮细颗粒物质的垂向分布。此外，其排气口的设置，便于水流顺畅进入采样瓶内，同时排出的气流在瓶身上方形成逐渐扩展的气流层，抑制了尾涡的发展。因而本发明能够在不改变水流流向、不干扰细颗粒悬浮物质原有分布的同时，使采样过程快速完成。
附图说明
图1为本发明采样瓶侧视图；
图2为本发明采样瓶俯视图；
图3为实施例中多个采样瓶在水流中垂向多点悬挂工作状态下的立面图；
图4为实施例1中采样瓶的立面图；
图5为实施例1的细颗粒物质垂向分布采样结果(Cs为细颗粒物质浓度)；
图6为实施例2中采样瓶的立面图；
图7为实施例2的细颗粒物质垂向分布采样结果(Cs为细颗粒物质浓度)；
图中：流线型采样瓶1、排气孔2、瓶侧弧线段3、采样瓶连接杆4、采样瓶盖5、瓶盖连接杆6、瓶口7。
具体实施方式
实施例1
本实施例优选在室内矩形断面水槽内进行，水槽宽0.8m，长32m，实验水深40cm，水流流速0.2m/s。实验开始前水槽底面铺0.8cm厚的空心玻璃微珠，玻璃微珠直径110μm、比重为2.0。
如图1和图3所示，本实施例包括：八个流线型采样瓶1沿同一垂线方向排列并联悬挂在直径2mm的碳素钢制连接杆6上，连接点在每个采样瓶的侧面距离瓶口9cm位置处。各个采样瓶1间距为4cm，底部第一个采样瓶中心线距离底床面5cm。
所述的流线型采样瓶瓶口直径2mm，瓶身为均匀高度2.0cm，瓶身水平宽度为流线型，瓶口与瓶身在水平方向上以圆弧线过渡。
所述的流线型采样瓶，在水平面上的投影两侧对称，每一侧沿其长度方向由四段圆弧组成，从瓶口向瓶底方向依次为第一至第四段圆弧。
所述的圆弧，其中第1段圆弧相对于瓶内为反向弧，弧度为0.34，弧长为2.09cm；第2段圆弧相对于瓶内为正向弧，弧度为0.34，弧长为2.09cm；第3段相对于瓶内为正向弧，弧度为0.1，弧长为1.94cm；第四段弧度为0.48，弧长为6.8cm，各弧段均以切点衔接。
所述的流线型采样瓶，其容积为92ml。
所述的流线型采样瓶，在其瓶口与瓶身连接最高点位置处设置排气孔，排气孔直径2mm，排气孔位置处设置单向阀门，只允许气体从瓶内向瓶外的单向气流通过。
所述的流线型采样瓶，其瓶口外覆盖平面圆形盖子，同一垂线上的多个采样瓶的盖子以一条刚性杆连接，其中刚性杆的直径为1mm。
所述的流线型采样瓶瓶口正对水流来流方向。
所述的由一根刚性杆连接的多个流线型采样瓶，在测量工作开始之前瓶口盖子处于封闭状态，多个采样瓶放置在水流中测量位置之后，转动瓶口盖子的连接杆，直至盖子完全移动出水面以外。
所述的瓶口盖子移开以后，采样瓶自动进入含有悬浮细颗粒物质的水流，瓶内的气体同时从其顶部的排气口浮出，至同一杆件连接的同一垂线上的所有瓶内装满水体之后，转动盖子连接杆以使盖子盖住瓶口，然后取出盖子连接杆及取样瓶。
将沿垂线方向连接在一条直线上的八个取样瓶放置在水槽中心位置处(即距离上游15m，距离水槽两侧边壁均为0.4m)。水流开始流动2.5分钟后水流均匀、恒定，此时开始打开采样瓶瓶口进行取样。采样过程中在水槽上游入口处，在距离底床面5cm高度位置处以12g/s的速度匀速向水流中注入空心玻璃微珠，以模拟上游污染物排放过程。采样历时146秒后取样瓶满，将各取样瓶内水体倒在取样滤纸上，将滤纸烘干，获取八个高度位置点的悬浮细颗粒物质浓度(图4)。实验分为8组进行，每组实验均同时采用经过标定的ADCP在其中1个位置点进行单点测量，八个位置点依次进行。经过对比，本发明提出的流线型采样瓶测量方法与ADCP测量的结果误差在5％以内，证明本发明提出的测量方法有效。
实施例2
本实施例在优选在宽5.2m，长16m的一段天然顺直河段内进行，实施水深100cm，水流流速0.27m/s。河流中的悬浮细颗粒物质的中值粒径为125μm，均方差为83μm。
如图1和图3所示，本实施例包括19个流线型采样瓶1，沿同一垂线方向排列，悬挂在连接杆6上，连接杆为直径2mm的碳素钢杆，连接点在每个采样瓶的侧面距离瓶口9.5cm位置处。19个采样瓶之间的间距为5cm，底部第一个采样瓶中心线距离底床面6cm。
所述的流线型采样瓶瓶口直径2.5mm；瓶身为均匀高度2.6cm；瓶身水平宽度为流线型，瓶口与瓶身在水平方向上以圆弧线过渡。
所述的流线型采样瓶，在水平面上的投影两侧对称，每一侧沿其长度方向由四段圆弧组成，从瓶口向瓶底方向依次为第一至第四段圆弧。
所述的圆弧，其中第1段圆弧相对于瓶内为反向弧，弧度为0.32，弧长为2.28cm；第2段圆弧相对于瓶内为正向弧，弧度为0.32，弧长为2.29cm；第3段相对于瓶内为正向弧，弧度为0.08，弧长为2.28cm；第四段弧度为0.41，弧长为7.9cm，各弧段均以切点衔接。
所述的流线型采样瓶，其容积为112ml。
所述的流线型采样瓶，在其瓶口与瓶身连接最高点位置处设置排气孔，排气孔直径2mm，排气孔位置处设置单向阀门，只允许气体从瓶内向瓶外的单向气流通过。
所述的流线型采样瓶，其瓶口外覆盖平面圆形盖子，同一垂线上的多个采样瓶的盖子以一条刚性杆连接，其中刚性杆的直径为1mm。
所述的流线型采样瓶瓶口正对水流来流方向。
所述的由一根刚性杆连接的多个流线型采样瓶，在测量工作开始之前瓶口盖子处于封闭状态，多个采样瓶放置在水流中测量位置之后，转动瓶口盖子的连接杆，直至盖子完全移动出水面以外。
所述的瓶口盖子移开以后，采样瓶自动进入含有悬浮细颗粒物质的水流，瓶内的气体同时从其顶部的排气口浮出，至同一杆件连接的同一垂线上的所有瓶内装满水体之后，转动盖子连接杆以使盖子盖住瓶口，然后取出盖子连接杆及取样瓶。
将沿垂线方向连接在一条直线上的19个取样瓶放置在河流顺直段的中心位置处，在水流恒定的条件下取样，历时85秒后采样瓶满。将各取样瓶内水体倒在取样滤纸上，将滤纸烘干，获取19个高度位置点的悬浮细颗粒物质浓度(图5)。河流现场测量分为19组进行，每组实验均同时采用经过标定的ADCP在其中1个位置点进行单点测量，19个位置点依次进行。经过对比，本发明提出的流线型采样瓶测量方法与ADCP测量的结果误差在5％以内，证明本发明提出的测量方法有效。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。
Claims (5)
1.一种河流中悬浮细颗粒物质垂向分布的同步测量方法，其特征在于，通过将多个流线型采样瓶竖直并联设置于待测河流的河面至底床面之间，通过设置瓶口正对水流来流方向实现垂向分布的同步测量；
所述的流线型采样瓶的厚度均等，瓶体沿其从瓶口至瓶尾的中轴线对称，具体是指：瓶身在水平面上投影，即水平宽度的两侧边线为流线型，瓶口与瓶身在水平方向上以圆弧线，即第1段圆弧实现过渡，瓶身在水平面上投影的每侧边线由至少一段圆弧连接构成流线型，其中：第1段圆弧相对于瓶身为反向弧；瓶身上的圆弧为正向弧，所有圆弧的弧度范围均为[0.32,0.53]，相邻圆弧之间以切点衔接，从而避免瓶身后方出现尾涡或瓶身因过长而干扰水流，第1段圆弧与瓶身处的第2段圆弧的衔接处为瓶身最宽处，瓶身处的第2段圆弧及后续各段圆弧与第1段圆弧所导致的水流尾涡的发展方向一致，以减小瓶身最宽处下游段的负压，抑制尾涡的发展；
所述的流线型采样瓶的瓶口外设有平面圆形盖，在采样开始前处于封闭状态，当置于测量位置后打开，并在采样结束后再次关闭以确保采样的准确性。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的竖直并联设置，为各个流线型采样瓶等间距设置且各个流线型采样瓶之间刚性连接。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的流线型采样瓶的瓶口与瓶身连接最高点位置处设有排气孔，排气孔上设有单向阀门，使得采样过程中瓶内的气体同时从其顶部的排气口浮出，并沿瓶身上表面向尾部移动，在瓶身上方形成一层向下游逐渐扩展的光滑的气流层，从而抑制瓶身上方的尾涡。
4.根据权利要求1或3所述的方法，其特征是，所述的流线型采样瓶，瓶口直径比水流中细颗粒悬浮物的直径大一个数量级，以保证采样完整。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的流线型采样瓶，采样时间大于等于60秒，为满足该采样时间，应使采样瓶内单位为m3的体积除以单位为m2的瓶口水流进口面积，再除以单位为m/s的测量点水流流速的商大于等于60，使采样时间能够覆盖至少一个悬浮浓度脉动周期，该脉动周期与水流流速脉动周期一致。
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| GR01 | Patent grant | ||
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20211015 |