CN112630467B

CN112630467B - 碱性物质中和测量酸性水体流量的方法

Info

Publication number: CN112630467B
Application number: CN202011330962.5A
Authority: CN
Inventors: 孙静; 吴攀; 涂汉; 张水; 罗有发
Original assignee: Guizhou University
Current assignee: Guizhou University
Priority date: 2020-11-24
Filing date: 2020-11-24
Publication date: 2022-06-14
Anticipated expiration: 2040-11-24
Also published as: CN112630467A

Abstract

本方案公开了酸性水体流量测量技术领域的一种碱性物质中和测量酸性水体流量的方法，酸性矿山排水(AMD)作为全球最严峻的环境污染物问题之一，研究其水质变化特征、计算水体污染负荷、及评估污染修复效果等都与AMD的流量密不可分。AMD一般具有流路不规则和流量差异大的特点，很难满足常规流量测量方法所需的条件。因此，本发明公开了一种测量AMD流量的新方法：碱性物质与AMD发生中和反应，能快速降低水体电导率(EC)，并在下游水体中准确测出EC，从而计算出AMD流量。根据其中和法的测量原理，同样适用于其它酸性水体流量的测量。该方法具有高精度、易操作、低成本、及对生态环境无害等优点。

Description

碱性物质中和测量酸性水体流量的方法

技术领域

本发明属于酸性水体流量测量技术领域，特别涉及碱性物质中和测量酸性水体流量的方法。

背景技术

研究自然原因和人为原因引起的酸性水体的水质变化特征、计算水体污染负荷、及评估污染修复效果等都与酸性水体的流量密不可分。如：酸性矿山排水(AMD)作为全球最严峻的环境污染问题，会破坏有水力联系的水体中的HCO₃-缓冲系统，降低水体pH，增加可溶态金属浓度，导致区域性水质退化、水资源匮乏，进而影响周围生态环境系统和人类健康。但AMD多具有流路不规则和流量差异大的特征，常规的流量测量方法往往不能得到高精度的值。

目前，根据国家最新标准《河流流量测验规范》(GB50179-2015)，一般采用下面几种方法测量河流流量：示踪剂法、流速仪法、浮标法、三角堰法、巴氏槽法、排水系数法、容积法和流量计法。一般选用流速仪法测量河流流量，不能较好的测量时，可选用精度较低的浮标法。容积法适用于测量流量小、排污渠道不规范的水体。浮标法适用于排污渠道长度不小于10米、无弯曲、底壁平滑的情况。但酸性水体具有化学性质、天然流路不规则和流量差异大的特点，因此天然流路的酸性水体很难满足上述测量方法所需的条件。

发明内容

本发明目的在于克服上述缺点，提供一种科学、易操作、低成本、高精度和对生态环境无害的酸性水体流量测量方法。

本发明中的碱性物质中和测量酸性水体流量的方法，在任意形状的渠道内，以上游某a点作为碱性物质的投放点，以下游某b点作为水体电导率测量点，b点水流的横截面划分为n个易计算出面积的小截面，b点水流的横截面积为S，根据等式(1)计算出流路横截面积S：

S＝ΣS₁+S₂+S₃+…+S_n(n≥1的整数)——(1)；

根据等式(2)计算水流速度V：V＝L/T；——(2)

即：水流速度(V，米/秒)是水流速度等于水流长度(L，米)与测量时间(T，秒)的比值；其中，L是碱性物质投放处a点和电导率测量处b点间的水流长度；T是a点碱性物质投放开始到b点EC到达最低值时所对应的时长；

根据等式(3)计算水流流量Q：Q＝V×S×10³；——(3)

即：水流流量(Q，升/秒)——水流的横截面积S乘以水流的流速V。

本方案中电导率(EC)，就是测量酸性水体中离子的导电能力，可用高精度、易操作的电导率仪等进行测量。本方案的原理是碱性物质与酸性水体发生中和反应，能快速降低水体EC，并在下游水体中快速、精确地测出EC，从而计算出EC测量点的酸性水体的流量。基于本方法对酸性水体流量进行测量，具有易操作、低成本、高精度和对生态环境无害的有益技术效果。

进一步，所述b点水流的横截面划分为n个梯形或近似梯形的小截面、或n个三角形的小截面、或n个矩形的小截面、或n个梯形或近似梯形或三角形或矩形的小截面的组合。

进一步，所述b点水流的横截面划分为n个梯形或近似梯形的小截面；则流路横截面的面积S为：

S＝ΣS₁+S₂+S₃+…+S_n

＝ΣI₁×H₂+I₂×H₃+I₃×H₄+I₄×H₅+0.5×[I₁×(H₁–H₂)+I₂×(H₂–H₃)+I₃×(H₃–H₄)+I₄×(H₄–H₅)]，其中I为各个小截面的长，H为各个小截面的高。大多数的水流流路在一定小距离的情况下，横截面可呈现出梯形或近似梯形的形状，根据这一特点，尽可能将水流的横截面划分成多个梯形或进行梯形来计算总面积，操作简单易计算。

进一步，所述a、b两点间的水流长度选用测绳和皮尺测量。测绳或皮尺都是可以根据河流的不规则性进行弯曲或折叠的长度测量工具，使用更方便。

进一步，所述碱性物质为生石灰。生石灰为人工生产，相对天然的碱性物质而言，生石灰的价格低廉，容易获得。

进一步，所述T的记录方式是：在所述上游a点投加碱性物质时，开始记录时间；且同时在下游b点记录与时间相对应的EC，当EC的值降至最低开始回升后停止测量，则从开始记录到停止测量所用的时间则为T。

进一步，所述的酸性水体为天然原因形成的来自岩石和地层等的酸性水体或人为原因形成的来自矿区或工厂的酸性水体。

进一步，所述碱性物质投放处a点和电导率测量处b点间的水流长度L优选为8～20m。

附图说明

图1为测量酸性水体流量的示意图；

图2是基于本发明碱性物质中和测量酸性水体流量的方法测量酸性水体流量的案例分析图；

图1和图2中，X轴为水流横截面的长度方向；Y轴表示水流横截面的深度方向；Z轴为水流方向。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细说明：

说明书附图中的附图标记包括：S：流路横截面积；I：流路横截面的长；H：流路横截面的高；L：水流长度。

交乐煤矿区位于中国贵州省兴仁县，是严重受矿山活动污染的著名喀斯特煤矿区。从废弃的煤洞、任意堆放的尾矿渣和煤矸石中源源不断流出的AMD，具有流路不规则、流量变化大、低pH、高微量元素浓度等特征，严重污染了矿区水、土等生态系统，影响了当地居民的健康。本发明碱性物质中和测量酸性水体流量的方法，以该煤矿区为例，选用廉价、无污染的生石灰作为碱性材料测量AMD的流量；具体实施方式如下：

测量工具和材料：

生石灰，秒表，皮尺，测绳，测杆(或铅垂线)，EC测量仪。

测量步骤，结合图1和图2所示：

(i)沿AMD水流方向选择a点为生石灰投放点，b点为EC和水流横截面积测量点；

(ii)用测绳和皮尺量出a、b两点间的水流长度(L)；

(iii)将下游b点处不规则的水流横截面适当地分割成多个梯形或近似梯形的小截面，用测杆(或铅垂线)量出各个小截面对应的长(I)和高(H)，根据等式(1)计算水流横截面积；

(iv)在AMD上游a点投加生石灰时，开始记录时间；同时在下游b点记录与时间相对应的EC(表1)，当EC的值降至最低开始回升后，停止测量，选取EC最低值所对应的时长作为测量时间(T)，根据等式(2)计算水流流速；

(v)把(iii)和(iv)中得出的值代入等式(3)，计算b点AMD的流量。

等式(1)：S＝ΣS₁+S₂+S₃+…+S_n＝ΣI₁×H₂+I₂×H₃+I₃×H₄+I₄×H₅+0.5×[I₁×(H₁–H₂)+I₂×(H₂–H₃)+I₃×(H₃–H₄)+I₄×(H₄–H₅)]；

等式(2)：V＝L/T

等式(3)：Q＝V×S×10³。

表1 AMD下游b点的EC和T的关系

测量结果：

如表1所示，选取EC最低值(600微西/厘米)对应的时长为测量时间T(27.71秒)。将表1和图2的测量结果带入等式(1)、(2)和(3)，计算出AMD下游b点的流量为58.32升/秒。

基于本发明方法，还可以根据实际情况，将b点水流的横截面划分为n个三角形或矩形或三角形、矩形和梯形的结合，相应的根据这些形状的面积公式计算出对应的面积后进行加和，得到b点水流的横截面的面积S。另外，碱性物质投放处a点和电导率测量处b点间的水流长度L优选为8～20m；碱性物质还可以是天然碱性物质，或其它的人工制造且价格低廉的碱性物质。

Claims

1.碱性物质中和测量酸性水体流量的方法，其特征在于：在任意形状的渠道内，以上游某a点作为碱性物质的投放点，以下游某b点作为水体电导率测量点，b点水流的横截面划分为n个易计算出面积的小截面，b点水流的横截面积为S，根据等式(1)计算出流路横截面积S(m²)：

S＝ΣS₁+S₂+S₃+…+S_n，n≥1的整数——(1)；

根据等式(2)计算水流速度V：V＝L/T；——(2)

根据等式(3)计算水流流量Q：Q＝V×S×10³；——(3)

2.根据权利要求1所述的碱性物质中和测量酸性水体流量的方法，其特征在于：所述b点水流的横截面划分为n个梯形或近似梯形的小截面、或n个三角形的小截面、或n个矩形的小截面、或n个梯形或近似梯形或三角形或矩形的小截面的组合。

3.根据权利要求1所述的碱性物质中和测量酸性水体流量的方法，其特征在于：所述b点水流的横截面划分为n个梯形或近似梯形的小截面；则流路横截面的面积S为：

S＝ΣS₁+S₂+S₃+…+S_n＝ΣI₁×H₂+I₂×H₃+I₃×H₄+…+I_n×H_(n+1)+0.5×[I₁×(H₁–H₂)+I₂×(H₂–H₃)+I₃×(H₃–H₄)+…+I_n×(H_n–H_(n+1))]，其中I为各个小截面的长，H为各个小截面的高。

4.根据权利要求1至3任一项所述的碱性物质中和测量酸性水体流量的方法，其特征在于：所述a、b两点间的水流长度选用测绳和皮尺测量。

5.根据权利要求1至3任一项所述的碱性物质中和测量酸性水体流量的方法，其特征在于：所述碱性物质为生石灰。

6.根据权利要求1至3任一项所述的碱性物质中和测量酸性水体流量的方法，其特征在于：所述T的记录方式是：在所述上游a点投加碱性物质时，开始记录时间；且同时在下游b点记录与时间相对应的EC，当EC的值降至最低开始回升后停止测量，则从开始记录到停止测量所用的时间则为T。

7.根据权利要求1至3任一项所述的碱性物质中和测量酸性水体流量的方法，其特征在于：所述的酸性水体为天然原因形成的来自岩石和地层的酸性水体或人为原因形成的来自矿区或工厂的酸性水体。

8.根据权利要求1至3任一项所述的碱性物质中和测量酸性水体流量的方法，其特征在于：所述碱性物质投放处a点和电导率测量处b点间的水流长度L为8～20m。