CN112903949A - 一种沉积物污染物释放实验装置及实验方法 - Google Patents

一种沉积物污染物释放实验装置及实验方法 Download PDF

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谭岚
张虎
刘扬
孟婉
王芳
谭涛
王竹
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Hunan Bestall Water Conservancy Construction Co ltd
China Institute of Water Resources and Hydropower Research
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Hunan Bestall Water Conservancy Construction Co ltd
China Institute of Water Resources and Hydropower Research
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    • G—PHYSICS
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    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/18—Water

Abstract

本发明公开了一种沉积物污染物释放实验装置及实验方法，实验装置包括：支架、设置在支架上且依次连通的第一回水箱、中间水槽以及第二回水箱；第一回水箱的顶部高于中间水槽并且第一回水箱的上端与中间水槽之间设有过水堰，第一回水箱上设有第一进水口和第一出水口；中间水槽中设有沉积物放置槽和流量计，中间水槽与第二回水箱之间设有高度可调的溢流组件；第一回水箱和第二回水箱之间设有泵，泵通过第一回水管与第一回水箱连通，泵通过第二回水管与第二回水箱连通，第一回水管和第二回水管上分别设有第一调速阀和第二调速阀。第二回水箱上设有带有调节阀的第二出水口；实验方法包括步骤S1－S4，本发明能模拟多个环境因素影响下沉积物污染物的释放。

Description

一种沉积物污染物释放实验装置及实验方法
技术领域
本发明涉及沉积物污染物释放实验技术领域，具体涉及一种沉积物污染物释放实验装置及实验方法。
背景技术
水体中的污染物不仅来自于人为的外源输入，还来自于沉积物作为污染物内源的二次释放，因此研究沉积物内源污染物释放规律对于水质改善具有重要意义。目前研究沉积物中污染物释放规律多为室内烧杯或其他小容器实验，通过对烧杯等容器水浴加温、磁力搅拌、缓冲溶液调节pH等措施模拟环境因素对污染物释放的影响，营造了沉积物静态条件下污染物释放环境。
但是沉积物在自然环境中，必然会受到流速、风速等其他动力学条件的影响，已有相关研究表明，流速大小对沉积物污染物释放具有一定的规律性，因此静态实验已经不能满足水动力条件下沉积物污染物释放规律的研究。目前关于沉积物动态释放的实验装置有Y型柱状管，斜向施加可人为控制强度大小的水下动力，使水柱中悬浮颗粒物的量接近野外实际情况的垂直分布状态；跑道型水槽、环形水槽或长直形水槽，通过可调电机驱动安置于水体表面的转碟或者水泵驱动水流，带动槽内水体发生流动，以实现流速对污染物释放的影响，然而此类装置存在着水槽中流速不均匀、用水量过大造成浪费和可控可测环境因素较少的现象，对实验模拟的准确性不好描述。
发明内容
本发明的目的在于提供一种沉积物污染物释放实验装置及实验方法，能模拟多个环境因素影响下沉积物污染物的释放。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
一种沉积物污染物释放实验装置，其特征在于，包括：支架以及设置在支架上且依次连通的第一回水箱、中间水槽以及第二回水箱；第一回水箱的顶部高于中间水槽并且第一回水箱的上端与中间水槽之间设有过水堰，第一回水箱上设有第一进水口和带有调节阀的第一出水口；中间水槽中设有沉积物放置槽和流量计，中间水槽与第二回水箱之间设有高度可调的溢流组件；第一回水箱和第二回水箱之间设有泵，泵通过第一回水管与第一回水箱连通，泵通过第二回水管与第二回水箱连通，第一回水管和第二回水管上分别设有第一调速阀和第二调速阀；第二回水箱上设有带有调节阀的第二出水口。
该实验装置设有三重水动力调节的室——第一回水箱、中间水槽以及第二回水箱，整个装置分为实验区和水循环区两个部分，其中中间水槽作为实验区，为主要操作平台，第一回水箱和第二回水箱组成水循环区，用以维持实验所需的水源及动力条件。实验区和水循环区通过进出水口、溢流组件和泵的协调配合作用使所需流量达到恒定均匀流状态；通过调节溢流组件高度、改变不同功能的泵、增加多类型理化指标检测仪器使实验环境因素多控并实现实时检测。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，溢流组件包括：贴合设置的第一隔板和第二隔板，第一隔板在竖直方向上设有多排溢流孔，第二隔板与第一隔板在竖直方向滑动设置。
溢流组件采用第一隔板和第二隔板，第一隔板上设置溢流孔，通过调整第二隔板可以调整溢流孔的高度。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，过水堰为薄壁直角三角形堰。
采用薄壁直角三角形堰，便于计算过水堰深，利用已有实际河流或湖泊中的水深、流速和宽度等数据，根据惯性力重力相似原则确定水槽中所需的流速v和已知横截面积S，通过Q＝S＊v得到所需流量大小，再由过堰流量公式Q＝1.4h＾5/2求出过堰水深h。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，沉积物放置槽包括多块依次连接的第三隔板，相邻第三隔板之间通过卡槽可拆卸连接。
沉积物放置槽设置隔板可以将污染物围设起来，可以避免水流直接冲刷沉积物，第三隔板可以通过卡槽自由插拔，第三隔板的高度可根据铺设沉积物的厚度确定。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，中间水槽的壁面上设有取样垂线。
设置取样垂线方便取样。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，第一回水管的管径大于第二回水管的管径。
第一回水管与第一回水箱连通，第二回水管与第二回水箱连通，水从第二回水箱向第一回水箱循环，对于泵来说第一第二回水管为进水管，第一回水管为出水管，出水管的管径增大，可以减小流速，避免流速过大冲出第一回水箱。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，泵为冷热水循环泵。
冷热水循环泵可以改变上覆水的水温。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，中间水槽中设有增氧机和/或溶氧测量仪和/或pH测试计和/或氧化还原电位计。
根据实验需要，可以设置不同的测量装置，这些测量装置可以单独使用也可以组合使用。
一种基于上述沉积物污染物释放实验装置的实验方法，包括以下步骤：
S1、提前设置好过水堰的过堰水深以及溢流组件的溢流高度；
S2、打开第一进水口对第一回水箱注水，并通过调节阀控制第一出水口开合大小以控制过水堰的过堰水深，并使水头保持稳定，水通过过水堰进入中间水槽，中间水槽中的水通过溢流组件进入第二回水箱；
S3、当中间水槽中的水位高度达到实验设定值时，调小或关闭第一进水口，打开泵，打开第二出水口，调节第一调速阀和第二调速阀使水循环流动，保持第一回水箱和第二回水箱的水头差稳定，通过流量计监测沉积物上覆水深的瞬时流速，当达到所需流速时，保持各个阀门的开合程度不变；
S4、待水流稳定且达到实验取样检测时间时，利用虹吸法吸取上覆水样，进行实验室污染物浓度检测，根据公式求得污染物释放通量。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，在步骤S4中利用虹吸法吸取上覆水样。
本发明具有以下有益效果：
本发明介绍了一种沉积物污染物释放实验装置及实验方法，通过调整进出水口、泵、溢流组件等可以使中间水槽中水流达到恒定均匀流状态，流速均匀；并通过采用循环水，满足实验条件的同时达到了循环用水的效果；该装置可以改变不同的外界环境因素，包括水温、上覆水深、溶解氧和流速；可以测定多种水质指标，包括水温、溶解氧、pH和氧化还原电位等，实现多环境因素对沉积物污染释放的影响；可以在实验区改变不同类型的沉积物样品，研究不同物质的释放规律；本发明的试验区和循环区主要装置结构简单，对结构材质以及加工方法没有特殊要求，成本低，便于加工制造和推广使用。
附图说明
图1为本发明的沉积物污染物释放实验装置的整体结构示意图；
图2为本发明的过水堰的主视结构示意图；
图3为本发明的第一隔板的主视结构示意图。
其中：1－支架；2－第一回水箱；21－第一进水口；22－第一出水口；3－中间水槽；31－沉积物放置槽；311－第三隔板；312－卡槽；32－流量计；33－取样垂线；4－第二回水箱；41－第二出水口；5－过水堰；6－溢流组件；61－第一隔板；62－第二隔板；7－泵；8－第一回水管；81－第一调速阀；9－第二回水管；91－第二调速阀；10－增氧机；11－溶氧测量仪；12－pH测试计；13－氧化还原电位计。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
实施例
参照图1，一种沉积物污染物释放实验装置，包括：支架1以及设置在所述支架1上且依次连通的第一回水箱2、中间水槽3以及第二回水箱4；第一回水箱2的顶部高于中间水槽3并且第一回水箱2的上端与中间水槽3之间设有过水堰5，参照图1和图2，过水堰5为薄壁直角三角形堰。第一回水箱2上设有第一进水口21和带有调节阀的第一出水口22，第一进水口21外接水源，中间水槽3中设有沉积物放置槽31和流量计32，沉积物放置槽31包括四块依次连接的第三隔板311，相邻第三隔板311之间通过卡槽312可拆卸连接。中间水槽3与第二回水箱4之间设有高度可调的溢流组件6，参照图1和图3，溢流组件6包括：贴合设置的第一隔板61和第二隔板62，第一隔板61在竖直方向上设有多排溢流孔，第二隔板62与第一隔板61在竖直方向滑动设置；中间水槽3的壁面上设有多组取样垂线33。中间水槽3中设有增氧泵7、溶氧测量仪11、pH测试计12以及氧化还原电位计13，增氧泵7可以调节实验所需的溶解氧含量，溶氧测量仪11可以通过溶氧电极测量沉积物和上覆水溶解氧含量，pH测试计12通过pH电极测定沉积物和上覆水体的酸碱度，氧化还原电位计13可以测定沉积物和上覆水体的电位值。第一回水箱2和第二回水箱4之间设有泵7。泵7通过第一回水管8与第一回水箱2连通，泵7通过第二回水管9与第二回水箱4连通，第一回水管8和第二回水管9上分别设有第一调速阀81和第二调速阀91，第一回水管8的管径大于第二回水管9的管径。第二回水箱4上设有带有调节阀的第二出水口41。
在本实施例中，第一回水箱2、中间水槽3以及第二回水箱4均采用有机玻璃材质，支架1采用铝合金材质，进出水管以及回流管均采用PVC管。
以湘江二级支流——梅树河(112.78558，28.39432)为例进行实验，河面实际宽度20～50m，设计水深2.5m，设计流量涉及有6.8m3/s、13.50m3/s和15.66m3/s，沉积物厚度与上覆水深约1：2。根据惯性力重力相似准则，确定变率为10，λω＝150，λh＝λω/10＝15，
Figure BDA0003017252110000061
根据计算得，模型的宽度为0.13～0.3m，水深为0.17m左右，流速为0.01～0.08m/s，流量为36～288L/min。沉积物释放实验控制所设最大流速为0.1m/s，最大流量为360L/min。在满足实验所需模型的尺寸同时，装置应多预留一些空间，因此设计长1.5m，宽30cm，高40cm的中间水槽3。由Q＝1.4h＾5/2，计算模型最大流量时薄壁三角堰的过堰水深为11.29cm，堰口长度为28cm，堰口端头预留长度为1cm，堰口高度为14cm。确定上覆水深为20cm，即溢流组件6中溢流孔的高度为20cm，沉积物厚度为10cm，沉积物由所采集的梅树河表层沉积物混合所得。
泵7选用型号为HLB－200自吸泵，配用管径50mm，流量400L/min，可以满足实验最大流量需求；
流量计32选用LSH10－1M型微型多普勒流速仪，测流范围0.001～7m/s，水温测量范围0～40℃，可以满足实验最小流速测量需求；
溶氧测量仪11选用SX725复合型pH/mV/溶氧测量仪，pH的测量范围－2～19.99，氧化还原电位测量范围±1999mV，溶解氧测量范围0～20.00mg/L，可以满足实验测量需求。
选用SC－25型号便携式增氧机，气量20－25L/min，可以满足实验测量需求。
一种上述沉积物污染物释放实验装置的实验方法，包括以下步骤：
S1、提前设置好过水堰5的过堰水深以及溢流组件6的溢流高度；并铺设好所采集的梅树河表层沉积物；实验开始前所有管以及阀门均为关闭状态；
S2、打开第一进水口21对第一回水箱2注水，并通过调节阀控制第一出水口22开合大小以控制过水堰5的过堰水深，并使水头保持稳定，水通过过水堰5进入中间水槽3，中间水槽3中的水通过溢流组件6进入第二回水箱4；
S3、当中间水槽3中的水位高度达到实验设定值时，调小或关闭第一进水口21，打开泵7，打开第二出水口41，调节第一调速阀81和第二调速阀91使水循环流动，保持第一回水箱2和第二回水箱4的水头差稳定，通过流量计32监测沉积物上覆水深的瞬时流速，当达到所需流速时，保持各个阀门的开合程度不变；
S4、待水流稳定且达到实验取样检测时间时，利用虹吸法吸取上覆水样，进行实验室污染物浓度检测，根据公式求得污染物释放通量。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种沉积物污染物释放实验装置，其特征在于，包括：支架(1)以及设置在所述支架(1)上且依次连通的第一回水箱(2)、中间水槽(3)以及第二回水箱(4)；
所述第一回水箱(2)的顶部高于所述中间水槽(3)并且所述第一回水箱(2)的上端与所述中间水槽(3)之间设有过水堰(5)，所述第一回水箱(2)上设有第一进水口(21)和带有调节阀的第一出水口(22)；
所述中间水槽(3)中设有沉积物放置槽(31)和流量计(32)，所述中间水槽(3)与所述第二回水箱(4)之间设有高度可调的溢流组件(6)；
所述第一回水箱(2)和所述第二回水箱(4)之间设有泵(7)，所述泵(7)通过第一回水管(8)与所述第一回水箱(2)连通，所述泵(7)通过第二回水管(9)与所述第二回水箱(4)连通，所述第一回水管(8)和所述第二回水管(9)上分别设有第一调速阀(81)和第二调速阀(91)；
所述第二回水箱(4)上设有带有调节阀的第二出水口(41)。
2.根据权利要求1所述的沉积物污染物释放实验装置，其特征在于，所述溢流组件(6)包括：贴合设置的第一隔板(61)和第二隔板(62)，所述第一隔板(61)在竖直方向上设有多排溢流孔，所述第二隔板(62)与所述第一隔板(61)在竖直方向滑动设置。
3.根据权利要求1所述的沉积物污染物释放实验装置，其特征在于，所述过水堰(5)为薄壁直角三角形堰。
4.根据权利要求1至3任一项所述的沉积物污染物释放实验装置，其特征在于，所述沉积物放置槽(31)包括多块依次连接的第三隔板(311)，相邻所述第三隔板(311)之间通过卡槽(312)可拆卸连接。
5.根据权利要求4所述的沉积物污染物释放实验装置，其特征在于，所述中间水槽(3)的壁面上设有取样垂线(33)。
6.根据权利要求5所述的沉积物污染物释放实验装置，其特征在于，所述第一回水管(8)的管径大于所述第二回水管(9)的管径。
7.根据权利要求1所述的沉积物污染物释放实验装置，其特征在于，所述泵(7)为冷热水循环泵。
8.根据权利要求1所述的沉积物污染物释放实验装置，其特征在于，所述中间水槽(3)中设有增氧机(10)和/或溶氧测量仪(11)和/或pH测试计(12)和/或氧化还原电位计(13)。
9.一种基于权利要求1－8任一项所述的沉积物污染物释放实验装置的实验方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、提前设置好所述过水堰(5)的过堰水深以及所述溢流组件(6)的溢流高度；
S2、打开所述第一进水口(21)对所述第一回水箱(2)注水，并通过调节阀控制第一出水口(22)开合大小以控制所述过水堰(5)的过堰水深，并使水头保持稳定，水通过所述过水堰(5)进入所述中间水槽(3)，所述中间水槽(3)中的水通过所述溢流组件(6)进入所述第二回水箱(4)；
S3、当所述中间水槽(3)中的水位高度达到实验设定值时，调小或关闭所述第一进水口(21)，打开所述泵(7)，打开所述第二出水口(41)，调节所述第一调速阀(81)和所述第二调速阀(91)使水循环流动，保持所述第一回水箱(2)和所述第二回水箱(4)的水头差稳定，通过所述流量计(32)监测沉积物上覆水深的瞬时流速，当达到所需流速时，保持各个阀门的开合程度不变；
S4、待水流稳定且达到实验取样检测时间时，吸取上覆水样，进行实验室污染物浓度检测，根据公式求得污染物释放通量。
10.根据权利要求9所述的沉积物污染物释放实验装置，其特征在于，在步骤S4中利用虹吸法吸取上覆水样。
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