CN111912467A - 一种表面负荷率测定装置及测定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种表面负荷率测定装置及测定方法，用于沉沙池的野外测量，属于农业技术领域。该测定装置包括：水槽，整体呈长方体，其长宽比不小于4，长高比不小于10，一端侧壁上设有溢流口；以及虹吸管，其第一端位于所述水槽的外侧水源处，第二端位于所述水槽远离所述溢流口的内侧，并且所述第二端高于所述水槽的液面；其中，含沙水体能够通过虹吸的方式从所述虹吸管的第一端经所述虹吸管的第二端引导入所述水槽，再经所述溢流口引导出所述水槽。本发明的测定装置及测定方法简单方便，尤便于野外实测；同时绕开泥沙粒径级配分析、泥沙沉速计算，通过试验直接获取的表面负荷率更贴近实际值，可更方便、更真实地指导沉沙池的设计和运行管理。
Description
技术领域
本发明涉及农业技术领域，具体涉及一种表面负荷率测定装置及测定方法。
背景技术
引用含沙水用于生产生活时，均需去除泥沙。沉沙池是一种依靠重力作用沉淀去除水中泥沙，实现水沙分离的常用水处理构筑物。含沙水进入沉沙池后，泥沙颗粒在随水流向出口水平运动的同时在重力作用下下沉。水流从进口到出口在池中停留时间一定时，水中泥沙从水面沉至池底的时间不同，粒径大，沉速快，沉至池底时间短；粒径小，沉速慢，沉至池底时间长。如果颗粒沉降时间超过水在池中停留时间，则其不能在到达出口时沉至池底，将随水流被带出池外。因此，某粒径(控制粒径)及以上的泥沙可在到达池出口前全部沉至池底去除，该粒径以下的泥沙随水流在到达出口时只有部分(进口某水深以下)能沉降至池底，其余部分(该水深以上)无法沉降至池底而随水流被带出沉沙池。控制粒径越小，沉沙池截留的泥沙就越多，沉沙池的泥沙去除率就越高，出池水泥沙含量就越低。控制粒径的选取，主要取决于引水的用途及相关要求。控制粒径并不能直接用来指导沉沙池的设计和运行管理。
根据理想沉沙池理论，沉沙池的表面负荷率(沉沙池出水流量与沉沙池面积的比值)在数值上等于控制粒径的沉速。因此，对于沉沙池的设计和运行管理来说，表面负荷率成为其关键参数。有了表面负荷率，就可以根据设计流量确定沉沙池的面积(须满足规范规定的池长宽比不小于4的要求)。池深理论上不影响池泥沙沉降率，在地质条件允许下需根据池调蓄容积来定，但要满足规范规定的池长深比不小于10的要求。
目前表面负荷率的获取途径为：取含沙水样，借激光粒度分析仪检测泥沙颗粒粒径级配，按粒径由大到小的顺序依次取各粒径组界限值作为控制粒径，计算其相应的泥沙沉降率，根据泥沙沉降率随各控制粒径的变化规律曲线，选取泥沙沉降率随控制粒径减小而增加趋缓的拐点粒径作为控制粒径，再采用一定的公式计算其泥沙沉速作为建议表面负荷率。该方法需要昂贵的设备和复杂的计算，不便于推广也不便于在野外实施现场测定。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述方法复杂和设备昂贵的不足，绕过理论的假定和复杂的计算，提供一种表面负荷率测定装置及测定方法。
为实现上述目标，思路如下：对于一定的沉沙池，改变流量，池表面负荷率改变，出池水含沙量改变。随流量的减小，表面负荷率减小，控制粒径减小，沉沙池泥沙沉降率增加，出池水泥沙含量减小。从除沙的角度来说，沉沙池表面负荷率宜小，但表面负荷率的降低，意味着沉沙池面积需增加或沉沙池水处理能力降低。当表面负荷率降至某个值时，再继续减小对降低出池水含沙量的作用已不明显，但可导致池面积的急速增加。因此，可根据实测的池出水含沙量随表面负荷率的变化规律曲线，选择池出水含沙量随表面负荷率减小而增加不明显的拐点表面负荷率作为建议表面负荷率。
根据本发明实施例的第一方面，提供了一种表面负荷率测定装置，用于沉沙池的野外测量，包括：
水槽，整体呈长方体，其长宽比不小于4，长高比不小于10，一端侧壁上设有溢流口；以及
虹吸管，第一端位于所述水槽的外侧水源处，第二端位于所述水槽远离所述溢流口的内侧，并且所述第二端高于所述水槽的液面；
其中，含沙水体能够通过虹吸的方式从所述虹吸管的第一端经所述虹吸管的第二端引导入所述水槽，再经所述溢流口引导出所述水槽。
进一步地，所述测定装置还包括高度调节装置，用于调节所述虹吸管第二端的高度，包括：
支承杆，设置在所述水槽远离所述溢流口的的外侧；
夹持器，套设在所述支承杆上，所述虹吸管固定在所述夹持器上，并且所述夹持器能够沿所述支承杆的长度方向移动；
调节旋钮，设置在所述夹持器上，用于将所述夹持器固定在所述支承杆上。
进一步地，所述虹吸管的第二端和所述溢流口分别位于所述水槽沿长度方向的两端的中部。
进一步地，所述虹吸管的个数为N，其中N为大于或等于1的正整数。
进一步地，所述溢流口设置在所在端中上部。
进一步地，所述溢流口下部设有用于收集溢流的集水槽。
进一步地，所述集水槽第一端封闭，第二端设有内侧向外收缩的出水口，其中，所述第一端高于所述第二端。
根据本发明实施例的第二方面，提供了一种表面负荷率测定方法，包括：
步骤S101：将含沙水体通过前述的虹吸管引导到所述水槽中；
步骤S102：调节进入所述水槽的含沙水体的流量；
步骤S103：测量所述水槽的出水流量，计算该工况下的表面负荷率，同时取样测量所述溢流口处的出水含沙量；其中，表面负荷率的计算公式为：表面负荷率＝水槽出水流量/水槽底面积；
步骤S104：重复执行M次步骤S102和步骤S103，其中M为大于1的正整数；
步骤S105：分析不同工况下表面负荷率与出水含沙量的关系，选择合适的表面负荷率值。
进一步地，步骤S102中，所述进水流量的调节方式为改变所述虹吸管的数目和/或调节所述虹吸管出口的高度。
本发明的表面负荷率测定装置及测定方法，利用地形特点，依靠虹吸管供水，省去复杂的泵(微型)供水系统，且不需电源，便于野外实测；通过增减虹吸管根数和调节虹吸管出水口高度，方便地调节进水流量，省去流量调节和计量设备；水槽采用溢流口出水，方便地自适应水槽出水流量的变化。与现有技术相比，本发明的有益效果是：
a.测定装置与测定方法简单方便，无需复杂昂贵的设备设施，无需电源，尤便于野外实测；
b.绕开泥沙粒径级配分析、泥沙沉速计算，通过试验直接获取的表面负荷率更贴近实际值，可更方便、更真实地指导沉沙池的设计和运行管理。
本发明的表面负荷率测定装置和测定方法，经在宁夏扬黄灌区试验验证，根据泥沙粒径级配分析、泥沙沉速计算方法得到的表面负荷率建议值为0.0000157m3·s-1·m-2，相应的泥沙沉降率为78.81％；根据本发明实施例实测分析得到的表面负荷率建议值为0.0000333m3·s-1·m-2，此时的泥沙沉降率约为76％～80％，与理论分析值基本一致。
附图说明
图1为根据本发明实施例的测定原理示意图；
图2为根据本发明实施例的测定装置的结构示意图。
图3为根据本发明实施例的溢流口与集水槽的结构示意图。
图4为根据本发明实施例的测定方法的流程图。
附图标记说明：
1.水槽，2.虹吸管，3.支承杆，4.夹持器，5.调节旋钮，6.溢流口，7.集水槽，8.输水渠。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1-2所示，本发明实施例的一种表面负荷率测定装置，用于沉沙池的野外测量，包括水槽1，整体呈长方体，其长宽比不小于4，长高比不小于10，一端侧壁上设有溢流口6；以及虹吸管2，其第一端位于所述水槽1的外侧水源处，第二端位于所述水槽1远离所述溢流口6的内侧，并且所述第二端高于所述水槽1的液面；其中，含沙水体能够通过虹吸的方式从所述虹吸管2的第一端经所述虹吸管2的第二端引导入所述水槽1，再经所述溢流口6引导出所述水槽1。使用该测定装置时，只需将虹吸管2的一端放置在输水渠内，另一端放置在水槽1内侧，便可进行测量进而实现表面负荷率的测定。该装置结构简单，操作方便，成本低，不需电源，便于野外实测；通过试验直接获取的表面负荷率更贴近实际值，可更方便更真实地指导沉沙池的设计和运行管理。
具体地，水槽1作为沉沙池用于实现水沙分离，材质优选轻质高强度的金属或塑料，例如不锈钢、铝、ABS工程塑料等，以实现在满足便携和强度要求的条件下更好的适应野外测量环境。虹吸管2利用虹吸效应将含沙水体引入水槽1中，管径宜细，以免管内流速过小，泥沙淤积堵塞，长度根据实际地形确定。优选地，虹吸管2为挠性管，野外使用时可根据地形进行相应的调整，使用时灵活度高，收纳后占用空间小，便于携带。为便于水槽出水的收集，水槽出水端中上部设有溢流口6，溢流口的尺寸需根据实际流量范围调整，保证过流时自由出流即可。本实施例中，水槽1为面积为1m2(长2mⅹ宽0.5m)，深0.15m的不锈钢水槽，虹吸管2为刚度适宜的透明PVC管。为使水槽内的流速分布均匀，减少对出水含沙量的影响，水槽1的进出水分设在池长向两端。溢流口6设在出水端中部的侧壁上，其上缘低于水槽上缘1cm，溢流口长取水槽宽度的1/5，高取1cm。
野外实测时，在水渠边找地势低洼处水平安放水槽1，虹吸管2进水端放置在输水渠8内适宜深度处，可用重物固定，防止水流冲动，出水端出口垂直向下且高于槽水面形成自由出流，水流垂落在水槽进水端。优选地，虹吸管2的出水端和所述溢流口6分别位于所述水槽1沿长度方向的两端的中部，以使水槽1内的流速分布较为均匀。进一步地，虹吸管2的个数为N，其中N为大于或等于1的正整数。若单根虹吸管过流能力不足，可采用数根同长度管并联供水。测量中可通过改变虹吸管的数目和/或调节所述虹吸管2出口的高度，也可以改变所述虹吸管2的管径以实现流量调节。
进一步地，如图3所示，溢流口6下部设有用于收集溢流的集水槽7以便于收集出水取样。更进一步地，集水槽7第一端封闭，第二端设有内侧向外收缩的出水口；其中，所述第一端高于所述第二端，也即集水槽7出水端稍低以使出水流畅。
本发明实施例中，表面负荷率的测定方式为：调节进入水槽1的含沙水体的流量，测量不同工况下水槽的出水流量，计算不同工况下的表面负荷率，其中，表面负荷率的计算公式为表面负荷率＝水槽出水流量/水槽底面积；同时取样测量溢流口6处的出水含沙量。通过分析不同工况下表面负荷率与出水含沙量的关系，选择合适的表面负荷率值。
可以理解的是，实际测量时，水槽1内的含沙水体始终处于溢流状态，因此水槽1的出水流量等于虹吸管2的出水流量，也等于溢流口6处的出水流量，进而水槽1出水流量可通过测量虹吸管2的出水流量或者溢流口6处的出水流量获得；测量可采用各种方式，例如采用定容容器充水计时计算获得。出水含沙量可通过取水样烘箱烘干天平称重测定，烘箱用坩埚容积宜大，天平精度宜高；水槽底面积可通过采用定尺寸水槽或工具测量等各种方式获得，在此不再赘述。
在一些实施例中，所述测定装置还包括高度调节装置，用于调节所述虹吸管第二端的高度，包括：支承杆3，设置在所述水槽1第一端的外侧；夹持器4，套设在所述支承杆3上，所述虹吸管2固定在所述夹持器4上，并且所述夹持器4能够沿所述支承杆3的长度方向移动；调节旋钮5，设置在所述夹持器4的第一端，用于将所述夹持器4固定在所述支承杆3上。通过改变支承杆3上的夹持器4的高度可以的调节虹吸管2的出口端的高度，进而实现流量的调节。进一步地，支承杆3还设有标识夹持器高度的标尺，方便测量时进行高度的调整和记录。
如图4所示，本发明实施例的一种表面负荷率测定方法，包括：
步骤S101：将含沙水体通过前述的虹吸管2引导到所述水槽1中；其中，虹吸管2向水槽1输送含沙水体时应使虹吸管2出口高于槽水面以使含沙水体形成自由出流，优选地，含沙水体垂直落入水槽1以减少对出水流量的影响；
步骤S102：调节进入所述水槽1的含沙水体的流量；具体地，进水流量可通过多种方式进行调节，例如，改变所述虹吸管2的管径来进行进水流量的调节；优选地，通过改变所述虹吸管2的数目和/或调节所述虹吸管2出口的高度来进行进水流量的调节；
步骤S103：测量所述水槽1的出水流量，计算该工况下的表面负荷率，同时取样测量所述溢流口6处的出水含沙量，其中，表面负荷率的计算公式为：表面负荷率＝水槽出水流量/水槽底面积；
步骤S104：重复执行M次步骤S102和步骤S103，其中M为大于1的正整数；
步骤S105：分析不同工况下表面负荷率与出水含沙量的关系，选择合适的表面负荷率值。
可以理解的是，实际测量时，水槽1内的含沙水体始终处于溢流状态，因此水槽1的出水流量等于虹吸管2的出水流量，也等于溢流口6处的出水流量，进而水槽1出水流量可通过测量虹吸管2的出水流量或者溢流口6处的出水流量获得；测量可采用各种方式，例如采用定容容器充水计时计算获得。出水含沙量可通过取水样烘箱烘干天平称重测定，烘箱用坩埚容积宜大，天平精度宜高；水槽底面积可通过采用定尺寸水槽或工具测量等各种方式获得，在此不再赘述。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (10)
1.一种表面负荷率测定装置，用于沉沙池的野外测量，其特征在于，包括：
水槽(1)，整体呈长方体，其长宽比不小于4，长高比不小于10，一端侧壁上设有溢流口(6)；以及
虹吸管(2)，第一端位于所述水槽(1)的外侧水源处，第二端位于所述水槽(1)远离所述溢流口(6)的内侧，并且所述第二端高于所述水槽(1)的液面；
其中，含沙水体能够通过虹吸的方式从所述虹吸管(2)的第一端经所述虹吸管(2)的第二端引导入所述水槽(1)，再经所述溢流口(6)引导出所述水槽(1)。
2.如权利要求1所述的测定装置，其特征在于，所述测定装置还包括调节装置，用于调节所述虹吸管(2)第二端的高度，包括：
支承杆(3)，设置在所述水槽(1)第一端的外侧；
夹持器(4)，套设在所述支承杆(3)上，所述虹吸管(2)固定在所述夹持器(4)上，并且所述夹持器(4)能够沿所述支承杆(3)的长度方向移动；
调节旋钮(5)，设置在所述夹持器(4)的第一端，用于将所述夹持器(4)固定在所述支承杆(3)上。
3.如权利要求1所述的测定装置，其特征在于，所述虹吸管(2)的第二端和所述溢流口(6)分别位于所述水槽(1)沿长度方向的两端的中部。
4.如权利要求1所述的测定装置，其特征在于，所述虹吸管(2)的个数为N，其中N为大于或等于1的正整数。
5.如权利要求1所述的测定装置，其特征在于，所述虹吸管(2)为挠性管。
6.如权利要求1所述的测定装置，其特征在于，所述溢流口(6)设置在所在端中上部。
7.如权利要求1所述的测定装置，其特征在于，所述溢流口(6)下部设有用于收集溢流的集水槽(7)。
8.如权利要求7所述的测定装置，其特征在于，所述集水槽(7)第一端封闭，第二端设有内侧向外收缩的出水口；其中，所述第一端高于所述第二端。
9.一种表面负荷率测定方法，其特征在于，包括：
步骤S101：将含沙水体通过权利要求1-7中任意一项中所述的虹吸管(2)引导到所述水槽(1)中；
步骤S102：调节进入所述水槽(1)的含沙水体的流量；
步骤S103：测量所述水槽(1)的出水流量，计算该工况下的表面负荷率，同时取样测量所述溢流口(6)处的出水含沙量；其中，表面负荷率的计算公式为：表面负荷率＝水槽出水流量/水槽底面积；
步骤S104：重复执行M次步骤S2和步骤S3，其中M为大于1的正整数；
步骤S105：分析不同工况下表面负荷率与出水含沙量的关系，选择合适的表面负荷率值。
10.如权利要求9所述的测定方法，其特征在于，步骤S2中，所述进水流量的调节方式为改变所述虹吸管(2)的数目和/或调节所述虹吸管(2)出口的高度。
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