CN111794174B - 捕捉感潮河网交汇区底泥重金属释放突变点的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种捕捉感潮河网交汇区底泥重金属释放突变点的装置及方法，装置包括能够自由调控交汇河道拓扑结构与交汇夹角、呈十字状布局的可拓展式实验水槽，可拓展式实验水槽由通过可拆卸式柔性衔接段与支流水槽相连；所述水槽及衔接段内均铺设有可拆卸式泥槽；所述水槽均设有可变坡装置。方法包括设定不同工况；计算交汇区重金属释放通量；将各工况佛汝德数和重金属释放通量拟合为经验公式；利用曲率确定重金属释放通量的突变点；确定引发重金属大量释放的临界水力条件。本发明对感潮河网水流往复运动作用下，不同结构交汇区底泥重金属释放过程进行精细模拟，为捕捉感潮河网交汇区底泥重金属释放突变点提供了新的工具与技术手段。

Description

捕捉感潮河网交汇区底泥重金属释放突变点的装置及方法

技术领域

本发明涉及一种捕捉感潮河网交汇区底泥重金属释放突变点的装置及方法，属于环境领域。

背景技术

感潮河网河道交汇区受海陆相互作用，水流往复不定，河道流量、流向、水位随潮位过程呈现明显的周期性变化；而且河道交汇型式多样，有“十”字型、“Y”字型、“T”字型、“X”字型等不同的交汇节点形态，区域水流结构特征和水量分配关系差异显著，水动力环境独特，继而影响了区域底泥-上覆水体系中污染物如重金属的迁移转化规律。此外，大量的研究发现，底泥中富集的重金属在复杂水动力的作用下，能够大量释放出来，对水体生态环境产生污染影响。因此，解析感潮河道复杂往复流对交汇区域底泥中重金属的释放规律，捕捉感潮河网交汇区底泥重金属大量释放临界水力条件，对控制底泥重金属污染、改善感潮河道水质状况具有重要理论和指导意义。

目前，针对感潮河道交汇区重金属大量释放临界水力条件的研究非十分鲜见，现有的技术也仅局限在野外原观和数值模拟。其中，野外原观受限于复杂多变的现场自然因素，无法实现受控条件下的微观探索，同时需耗费大量的人力、物力资源，难以推广应用；数值模拟是以计算机为手段，基于环境水力学及污染物输移转化基本理论，建立相应数学模型进行数值模拟分析，然而数学模型是建立在已掌握研究对象本构关系的基础之上，难以用来探知尚未发现的客观规律。因此，尚缺少一种能够在室内对感潮河道任意交互形态进行精确模拟并确定大量释放临界水力条件的实验装置。基于此，本发明制作了这一能够模拟感潮河网交汇区重金属大量释放临界水力条件的实验装置，给出了一种基于佛汝德数的捕捉感潮河道交汇区底泥重金属大量释放临界水力条件的方法，为以后的研究提供了实验基础。

发明内容

发明目的：本发明所要解决的技术问题是提供一种实验模拟装置及其优化方法，该实验模拟装置能够实现在室内精确模拟任意感潮河网天然河道交汇区底泥重金属污染释放过程，能够自动精确的控制往复流的运动并实时采集水质、流速、温度，并能够通过设置不同工况来模拟河道的不同水力条件即佛汝德数，分析各个工况的佛汝德数和重金属释放通量，找到避免底泥重金属大量释放的对应水力条件，为感潮河道底泥重金属污染管控和治理提供理论依据。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术手段为：

一种实验模拟装置，包括能够自由调控交汇河道拓扑结构与交汇夹角、呈十字状布局的可拓展式实验水槽A，可拓展实验水槽通过可拆卸式柔性衔接段与支流水槽B、C、D、E相连接；所述水槽内均铺设有可拆卸式泥槽；所述水槽内均设有可变坡装置。

其中，所述自由调控交汇河道拓扑结构与交汇夹角、呈十字状布局的可拓展式实验水槽A包括电机驱动的液压升降杆、交汇角度调整器以及可拆卸式泥槽。

其中，所述支流水槽B、C、D、E包括电机驱动的液压升降杆、红外数显水平仪、水质在线监测系统以及可拆卸式泥槽。

其中，所述可拆卸式泥槽从下往上依次铺设短纤针刺土工布、短纤针刺土工布、复合土工滤网和短纤针刺土工布。

其中，所述可变坡装置包括升降电机、液压升降杆以及四向转轮，可变坡装置与定时继电器F相连接，定时继电器F通过控制总线与控制系统G连接。

其中，所述模拟水槽为方便观察，均采用透明硬质材料制作，水槽端头使用隔板密封。

一种捕捉感潮河网交汇区底泥重金属释放突变点的装置及方法，包括以下步骤：

步骤1：取出可拆卸式泥槽，装入加标处理的沉积物，放入水中静置15天，使泥槽中沉积物密度、孔隙度恢复至自然条件，静置15天后，将泥槽重新装入水槽中；

步骤2：根据所需交汇角度，通过调节角度调整器调整所需实验模拟交汇角度。

步骤3：运行水槽：打开控制系统G，同时控制各个可边坡装置使支流水槽B、C、D、E处于水平状态，通过水管引入纯水，确保水槽内充满纯水；基于前期收集的感潮河道实际状况数据，设置不同实验工况，从而通过控制系统G调节各个可边坡装置的启闭时间、升降速度和停滞时间，模拟感潮交汇河道水流变化过程；

步骤4：运行水质在线监测系统，量测上覆水中pH、盐度、电导率、悬浮颗物浓度、DO(溶解氧)、水深、流速，同时采集水和沉积物样品并对样品进行分析检测分析，并依据重金属释放通量公式，计算不同工况交汇区重金属释放通量。公式如下：

r＝[V.(C_n-C₀)]/(A.t)

式中：r为底泥重金属释放通量，ug/(m²·h)；V为试验总用水体积，L；C_n为第n个工况水中重金属浓度，ug/L；C₀为初始状态时水中重金属浓度，ug/L；A为泥槽面积，m²；t为一个工况的运行时间，h。

步骤5：基于指数模型公式，建立不同工况上覆水佛汝德数和重金属释放通量经验公式。

式中：Y_n为第n个工况重金属释放通量，ug/(m²·h)；x_n为第n个工况上覆水佛汝德数，

无量纲；h为上覆水水深，m；v为上覆水流速，m/s；a、b为常数。

步骤6：计算上述佛汝德数和重金属释放通量关系曲线的曲率，确定重金属释放通量的突变点，并计算其对应佛汝德数，

所述步骤6具体包括以下步骤：

(1)根据曲率公式计算佛汝德数和重金属释放通量关系曲线的曲率K，公式如下：

(2)由于曲率最大点即为重金属释放通量随流速变化的突变点，则K关于佛汝德数x_n的导数为零，即求解x_n＝x_CR，使下式成立。x_CR即为重金属释放通量突变时对应的临界佛汝德数，当x_n>x_CR时，将引起底泥重金属的大量释放。

(3)确定不同交汇形态河流交汇区底泥重金属释放通量发生突变时的对应工况，得到避免交汇区底泥重金属发生大量释放的临界水力条件，为感潮水网地区重金属污染管控提供技术指导与依据。

有益效果：(1)本发明构建了感潮河道底泥重金属释放的实验装置，实现了室内模拟感潮河道水力结构不同地形、拓扑结构交汇形态的模拟；

(2)本发明实现了全自动控制，能够灵活调整感潮河道的交汇结构，精确模拟感潮河道往复流，实现现实条件下感潮河道水力条件的模拟，并留有可拓展接口，可以根据不同研究需求，增加或减少支流水槽的配置，操作简单，劳动量低。

(3)本发明能够揭示感潮河道交汇区水力条件与重金属释放的关系，并能够捕捉基于佛汝德数的底泥重金属大量释放的临界水力条件，为感潮河道底泥重金属污染管控和治理提供理论依据和现实意义。

附图说明

图1为本发明的侧视图；

图2为本发明的俯视图；

其中，A为自由调控交汇河道拓扑结构与交汇夹角、呈十字状布局的可拓展式实验水槽A；B、C、D、E为支流水槽；F为继电器；G为控制系统；H、I、J、K为可变坡装置；1为可拆卸拓展式橡胶伸缩带；2为红外数显水平仪尺；3为可拆式泥槽；4为水质在线监测系统支架；5为交汇角度调整器；6为液压升降杆；7为升降电机；8为四向转轮。

具体实施方式

下面结合具体的实施例及说明书附图对本发明作进一步详细描述。

如图1～2所示，本发明包括能够自由调控交汇河道拓扑结构与交汇夹角、呈十字状布局的可拓展式实验水槽A、支流水槽B、C、D、E、在线水质监测系统和可变坡装置H、I、J、K，各个装置均通过继电器F与控制系统(计算机)G相连，从而实现自动化控制。

在本发明中，所述自由调控交汇河道拓扑结构与交汇夹角、呈十字状布局的可拓展式实验水槽A，水槽A带有4个交汇角度调整器5，通过可拆卸拓展式橡胶伸缩带与支流水槽B、C、D、E相连接，水槽A、B、C、D、E内部均设有可拆卸式泥槽3和可变坡装置H、I、J、K；可变坡装置H、I、J、K由液压升降杆6、升降电机7和四向转轮8组成，通过继电器F与控制系统G相连；4台红外数显水平仪尺2安装在支流水槽B、C、D、E；水质在线监测系统安装在水质支架4上，并通过总线连接至控制系统G上。

基于相似理论，当进行感潮河网河道交汇区域沉积物重金属释放模拟实验时，根据所模拟的工况，通过调节交汇角度调整器5调整所需实验模拟交汇角度，将可拆卸式泥槽3装入水槽中，通过水管引入纯水，使水槽充满一定量水，静置一段时间后，当模拟感潮河道水流周期性变化时，首先打开控制系统G，开启各可变坡装置继电器，并将支流水槽可变坡装置H、I、J、K开启，分别设定相应的升降速度，可变坡装置H上升速度为0.2cm/min，可变坡装置I上升速度为0.1cm/min，可变坡装置J下降速度为0.1cm/min，可变坡装置K下降速度为0.2cm/min，使支流水槽B抬起，支流水槽C下降，使支流水槽B与支流水槽C呈一定坡度(0～10°)，上游高下游低，支流水槽B和C达到最高点和最低点时自动停止上升和下降，水槽水流从支流水槽B流向支流水槽C，停滞一段时间后，可变坡装置J和K上升，可变坡装置H和I下降，可变坡装置J和K上升速度分别为0.1cm/min和0.2cm/min，可变坡装置H和I下降速度分别为0.2cm/min和0.1cm/min，使支流水槽C抬起，支流水槽B下降，使支流水槽C和B上升至最高点和最低时自动停止上升和下降，水槽水流从支流水槽C流向支流水槽B，通过此阶段完成一个周期的往复流。支流水槽D和E的操作同上。可变坡装置的启闭时间、升降速度和停滞时间可以根据所需模拟的自然条件，自行设定，本方法基于感潮河道天然水流流速、流量等实际状况，共设定5个工况，具体工况见表1。实际使用中可根据河道实际情况对工况进行增减修改。

表1工况设定和可变坡装置可变坡装置H、I、J、K升降速度表；

运行水质在线监测系统，量测水中pH、盐度、电导率、悬浮颗物浓度、DO、流速，同时采集水和沉积物样品并对样品进行分析检测，并依据重金属释放通量公式，计算不同工况交汇区重金属释放通量。公式如下：

r＝[V·(C_n-C_O)]/(A·t)

式中：r为底泥重金属释放通量，ug/(m²·h)；V为试验总用水体积，L；C_n为第n个工况水中重金属浓度，ug/L；C₀为初始状态时水中重金属浓度，ug/L；A为泥槽面积，m²；t为一个工况的运行时间，h。

对比不同工况交互区的重金属释放通量大小，阐明不同工况下释放通量的变化，并基于指数模型公式，建立上覆水佛汝德数和重金属释放通量经验公式。

式中：Y_n为第n个工况重金属释放通量，ug/(m²·h)；x_n为第n个工况上覆水佛汝德数，

无量纲；h为上覆水水深，m；v为上覆水流速，m/s；a、b为常数。

计算上述佛汝德数和重金属释放通量关系曲线的曲率，确定重金属释放通量的突变点，并计算其对应佛汝德数，具体包括以下步骤：

(1)根据曲率公式计算佛汝德数和重金属释放通量关系曲线的曲率K，公式如下：

(2)由于曲率最大点即为重金属释放通量随流速变化的突变点，则K关于佛汝德数x_n的导数为零，即求解x_n＝x_CR，使下式成立。x_CR即为重金属释放通量突变时对应的临界佛汝德数，当x_n>x_CR时，将引起底泥重金属的大量释放。

(3)确定不同交汇形态河流交汇区底泥重金属释放通量发生突变时的对应工况，得到避免交汇区底泥重金属发生大量释放的临界水力条件，为感潮水网地区重金属污染管控提供技术指导与依据。

一种捕捉感潮河网交汇区底泥重金属释放突变点的装置及方法，包括以下步骤：

步骤1：取出可拆卸式泥槽，装入加标处理的沉积物，放入水中静置15天，使泥槽中沉积物密度、孔隙度恢复至自然条件，静置15天后，将泥槽重新装入水槽中；

步骤2：根据所需交汇角度，通过调节角度调整器调整所需实验模拟交汇角度。

步骤3：运行水槽：打开控制系统G，同时控制各个可边坡装置使支流水槽B、C、D、E处于水平状态，通过水管引入纯水，确保水槽内充满纯水；基于前期收集的感潮河道实际状况数据，设置不同实验工况，从而通过控制系统G调节各个可边坡装置的启闭时间、升降速度和停滞时间，模拟感潮交汇河道水流变化过程；

步骤4：运行水质在线监测系统，量测上覆水中pH、盐度、电导率、悬浮颗物浓度、DO、水深、流速，同时采集水和沉积物样品并对样品进行分析检测分析，并依据重金属释放通量公式，计算不同工况交汇区重金属释放通量。公式如下：

r＝[V·(C_n-C_O)]/(A·t)

式中：r为底泥重金属释放通量，ug/(m²·h)；V为试验总用水体积，L；C_n为第n个工况水中重金属浓度，ug/L；C₀为初始状态时水中重金属浓度，ug/L；A为泥槽面积，m²；t为一个工况的运行时间，h。

步骤5：基于指数模型公式，建立上覆水佛汝德数和重金属释放通量经验公式。

式中：Y_n为第n个工况重金属释放通量，ug/(m²·h)；x_n为第n个工况上覆水佛汝德数，

无量纲；h为上覆水水深，m；v为上覆水流速，m/s；a、b为常数。

步骤6：计算上述佛汝德数和重金属释放通量关系曲线的曲率，确定重金属释放通量的突变点，并计算其对应佛汝德数，

所述步骤6具体包括以下步骤：

(1)根据曲率公式计算佛汝德数和重金属释放通量关系曲线的曲率K，公式如下：

(2)由于曲率最大点即为重金属释放通量随流速变化的突变点，则K关于佛汝德数x_n的导数为零，即求解x_n＝x_CR，使下式成立。x_CR即为重金属释放通量突变时对应的临界佛汝德数，当x_n>x_CR时，将引起底泥重金属的大量释放。

(3)确定不同交汇形态河流交汇区底泥重金属释放通量发生突变时的对应工况，得到避免交汇区底泥重金属发生大量释放的临界水力条件，为感潮水网地区重金属污染管控提供技术指导与依据。

上述实验装置与方法在实际使用中可以根据不同交汇河道的天然条件，通过增加或减少感潮河道支流数量、改变感潮河道交汇角度，能够模拟任意交汇形态的感潮河道底泥重金属的释放，通过调整不同工况的水力条件，得到水中重金属浓度和底泥重金属浓度变化，捕捉避免底泥重金属大量释放的对应水力条件，为感潮河道水环境治理提供理论依据。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种捕捉感潮河网交汇区底泥重金属释放突变点的装置的实验方法，该装置包括实验水槽本体，所述实验水槽本体设有呈十字状分布的四个接口，每个接口通过可拆卸拓展式橡胶伸缩带与支流水槽连接，在每个支流水槽的下方安装有可变坡装置，在每个支流上均安装有水平仪尺和水质监测支架，水质监测支架上安装有在线水质监测装置，在线水质监测装置和可变坡装置均与控制系统连接，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：取出可拆卸式泥槽，装入加标处理的沉积物，放入水中静置15天，使泥槽中沉积物密度、孔隙度恢复至自然条件，静置15天后，将泥槽重新装入水槽中；

步骤2：根据所需交汇形态，通过调节角度调整器调整所需实验模拟的交汇角度，通过调节支流水槽底坡调整所需实验模拟的交汇河道地形；

步骤3：运行水槽：打开控制系统G，同时控制各个可边坡装置使支流水槽B、C、D、E处于水平状态，通过水管引入纯水，确保支流水槽内充满纯水；基于前期收集的感潮河道实际状况数据，设置不同实验工况，从而通过控制系统G调节各个可边坡装置的启闭时间、升降速度和停滞时间，模拟感潮交汇河道水流变化过程；

步骤4：运行水质在线监测系统，量测上覆水中pH、盐度、电导率、悬浮颗物浓度、DO、水深、流速，同时采集水样并进行分析，检测其中的重金属含量，依据重金属释放通量公式，计算不同工况交汇区重金属释放通量，公式如下：

Y_n＝[V·(C_n-C₀)]/(A·t)

式中：Y_n为第n个工况的底泥重金属释放通量，ug/(m²·h)；V为试验总用水体积；C_n为第n个工况水中重金属浓度；C₀为初始状态时水中重金属浓度；A为泥槽面积；t为一个工况的运行时间；

步骤5：基于指数模型公式，建立上覆水佛汝德数和重金属释放通量经验公式；

式中：x_n为第n个工况上覆水佛汝德数，

无量纲；h为上覆水水深，m；v为上覆水流速，m/s；a、b为常数；

步骤6：计算上述佛汝德数和重金属释放通量关系曲线的曲率，确定重金属释放通量的突变点，并计算其对应佛汝德数；

所述步骤6具体包括以下步骤：

(1)根据曲率公式计算佛汝德数和重金属释放通量关系曲线的曲率K，公式如下：

(2)由于曲率最大点即为重金属释放通量随佛汝德数变化的突变点，则K关于佛汝德数x_n的导数为零，即求解x_n＝x_CR，使下式成立，x_CR即为重金属释放通量突变时对应的临界佛汝德数，当x_n＞x_CR时，将引起底泥重金属的大量释放；

(3)确定不同交汇形态河流交汇区底泥重金属释放通量发生突变时的对应工况，得到避免交汇区底泥重金属发生大量释放的临界水力条件，为感潮水网地区重金属污染管控提供技术指导与依据。

2.根据权利要求1所述的捕捉感潮河网交汇区底泥重金属释放突变点的装置的实验方法，其特征在于：所述可变坡装置包含液压升降杆和升降电机，每个升降电机均与继电器连接，继电器与控制系统连接。

3.根据权利要求1所述的捕捉感潮河网交汇区底泥重金属释放突变点的装置的实验方法，其特征在于：所述在线水质监测装置包含pH检测仪、盐度测定仪、电导率测定仪、悬浮颗物浓度传感器、溶解氧测定仪和流速传感器。

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