CN117091997B - 一种河道胶体纵向动力学分散系数直接测定方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种河道胶体纵向动力学分散系数直接测定方法及装置，所述方法包括以下步骤：将纳米二氧化钛溶胶作为示踪剂投放至河道的起始断面处，在离所述起始断面一定距离的河道的出口断面处进行连续取样，获得水样；测定所述水样中所述示踪剂的浓度；根据所述示踪剂的浓度确认所述河道的胶体纵向动力学分散系数。可以直接测定纳米二氧化钛溶胶示踪剂的浓度，再通过数值方程的解析求解确定河道胶体纵向动力学分散系数，解决了河道胶体纵向动力学分散系数这一地表水胶体运动重要参数的现场直接测定问题。
Description
技术领域
本发明涉及河道胶体纵向动力学分散系数测定领域，具体来讲，涉及一种河道胶体纵向动力学分散系数直接测定方法及装置。
背景技术
在土壤和水体系中广泛存在着自然胶体，胶体为尺寸为1~100nm之间的颗粒，由于具有较高的比表面积和表面活性，是地表水中污染物迁移的一种重要载体，对污染物运移的促进作用，具有潜在的环境和健康威胁。而地表水污染物迁移动力学方程中，通常采用弥散系数这一溶质（如溶解态污染物）扩散的概念描述胶体的分散特性，即在运动过程中，由于浓度梯度、水流流速的差异，分子扩散等原因随着时间的推移，占据更大的空间的现象。然而实际上，胶体并不溶解于水，是悬浮物质，其力学性质、水流驱动-胶体迁移扩散性质以及扩散机制都与溶质有显著的差异。河道中，胶体纵向水动力分散系数与溶质的弥散系数的概念也不相同，定义为：在单位时间内，在胶体的浓度梯度作用下，反映通过垂直与流速方向单位面积的胶体的通量的系数。不同于弥散系数，弥散系数是在数值方程中，反映溶解物质迁移信息与驱动因子之间的统计学的概念。而胶体纵向动力学分散系数则是反映河道中胶体动力学分布特性的参数。
目前，胶体纵向动力学分散系数的确定方法一类是反演方法，根据胶体在河道流动过程中浓度的变化，基于数值方程或物理方程，通过对不同设定参数下的计算结果和实测浓度结果对比，确定参数的最优取值；其并非为直接测量方法，所确定的胶体纵向动力学分散系数是依赖于测试条件的“等效参数”。另一类则在控制的条件下，根据测定的穿透曲线特征对胶体纵向动力学分散系数进行估计，需要在实验室控制条件下进行，并非为现场原位的直接测量结果。河道原位条件下胶体纵向动力学分散系数的直接测定仍然是一个没有解决的问题。针对这一问题，本发明提供了一种可以直接测定示踪胶体浓度的河道胶体纵向动力学分散系数测定的方法。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术存在的上述不足中的至少一项。例如，本发明的目的之一在于提供一种河道胶体纵向动力学分散系数直接测定方法，可以直接测定二氧化钛溶胶示踪剂的浓度，进而通过确认数值方程的解析求解确定河道胶体纵向动力学分散系数。
为了实现上述目的，本发明一方面提供了一种河道胶体纵向动力学分散系数直接测定方法。所述河道胶体纵向动力学分散系数直接测定方法包括以下步骤：将纳米二氧化钛溶胶作为示踪剂投放至河道的起始断面处，在离所述起始断面一段距离的河道的出口断面处进行连续取样，获得水样；测定所述水样中所述示踪剂的浓度；根据所述示踪剂的浓度确认所述河道的胶体纵向动力学分散系数。
在本发明河道胶体纵向动力学分散系数直接测定方法的一个示例性实施例中，可采用紫外偏振光法测定所述水样中示踪剂的浓度；所述紫外偏振光法采用的紫外光的发射波长可为280nm~348nm。
在本发明河道胶体纵向动力学分散系数直接测定方法的一个示例性实施例中，所述水样中示踪剂的浓度可根据紫外偏振光衰减强度和示踪剂浓度的关系函数确认。
在本发明河道胶体纵向动力学分散系数直接测定方法的一个示例性实施例中，可根据地表水胶体运移模型确认所述河道的分散系数，所述地表水胶体运移模型可包括下式1。
式1：。
其中，所述x为观测点到所述起始断面的距离；所述为测定时间；所述/>为所述示踪剂的浓度；/>为所述河道的平均流速；/>为所述河道的胶体纵向动力学分散系数。
在本发明河道胶体纵向动力学分散系数直接测定方法的一个示例性实施例中，可将所述地表水胶体运移模型进行拉普拉斯变换得到示踪剂浓度变化模型，所述示踪剂浓度变化模型可包括：
式2：，/>。
式3：。
其中，所述x为观测点到所述起始断面的距离；所述为测定时间；所述/>为所述示踪剂的浓度；所述/>为所述示踪剂注入后的瞬时浓度；/>为所述河道的平均流速；/>为所述河道的胶体纵向动力学分散系数；所述/>为余误差函数。
在本发明河道胶体纵向动力学分散系数直接测定方法的一个示例性实施例中，可根据下式4确认所述河道的胶体纵向动力学分散系数。
式4：。
其中，所述和/>分别为所述示踪剂投放后的瞬时浓度和所述出口断面的峰值浓度；所述示踪剂的投放时间为/>=0，所述/>、/>和/>分别为当/>//>值为0.09、0.5和0.91时的/>值，所述/>为所述出口断面的示踪剂浓度；所述/>为河道流速；所述/>为观测点距所述起始断面的距离。
在本发明河道胶体纵向动力学分散系数直接测定方法的一个示例性实施例中，所述河道可为顺直型河道，所述河道的长度可大于等于所述河道的宽度的10倍，所述河道可没有支流或入流。
在本发明河道胶体纵向动力学分散系数直接测定方法的一个示例性实施例中，还可包括以下步骤：测定所述河道的测量长度为L R 、流速为v、深度为h；将所述示踪剂在水深1/2h的位置瞬间注入，其中，所述示踪剂的投放量与所述河道的宽度的比值大于等于100ml/m；在所述出口断面处连续取样，所述取样深度为0~h，所述连续取样的时间间隔小于0.1L R /v。
在本发明河道胶体纵向动力学分散系数直接测定方法的一个示例性实施例中，所述示踪剂的制备步骤可包括：将四氯化钛置于浓度为0.05mol/L的盐酸溶液中，在60~90℃的温度条件下水浴加热至少120min，所述四氯化钛和盐酸的摩尔比值不超过1:4.2；加入浓度为0.05~0.15mol/L的碳酸氢钠溶液，直至溶液的pH大于等于8.5；加入0.1~0.2mol/L的硝酸银溶液至所述溶液不再产生白色沉淀；将所述溶液抽滤后进行搅拌与震荡，得到所述纳米二氧化钛溶胶。
本发明另一方面还提供了一种示踪剂测量装置，在示踪剂测量装置的一个示例性实施例中，可通过示踪剂测量装置测定上述任一河道胶体纵向动力学分散系数直接测定方法中所述水样中所述示踪剂的浓度；所述示踪剂测量装置可包括：紫外光源、单色仪、偏光发射器、石英玻璃容器、聚光透镜、偏振光测量仪和测量控制支架；可通过所述测量控制支架依次连接所述紫外光源、单色仪、偏光发射器、石英玻璃容器、聚光透镜、偏振光测量仪；其中，所述石英玻璃容器可用于盛放所述水样。
与现有技术相比，本发明的有益效果包括：
本发明所提供的一种河道胶体纵向动力学分散系数直接测定方法，可以直接测定纳米二氧化钛溶胶示踪剂的浓度，再通过数值方程的解析求解确定河道胶体纵向动力学分散系数。解决了河道胶体纵向动力学分散系数这一地表水胶体运动重要参数的现场直接测定问题。
附图说明
通过下面结合附图进行的描述，本发明的上述和其他目的和/或特点将会变得更加清楚，其中：
图1示出了本发明的河道胶体纵向动力学分散系数直接测定方法的一个示例性实施例的步骤示意图。
图2示出了本发明的河道胶体纵向动力学分散系数直接测定方法的一个示例的示踪剂测量装置的示意图。
图3示出了本发明的河道胶体纵向动力学分散系数直接测定方法的一个示例的测试结果示意图。
附图标记说明：
1-紫外光源；2-单色仪；3-偏光发射器；4-石英玻璃容器；5-聚光透镜；6-偏振光测量仪；7-测量控制支架。
具体实施方式
在下文中，将结合示例性实施例来详细说明本发明的河道胶体纵向动力学分散系数直接测定方法及装置。
需要说明的是，本发明中所使用的术语“步骤一”、“步骤二”、“步骤三”等仅仅是为了方便描述和便于区分，而不能理解为指示或暗示相对重要性。术语“S1”、“S2”、“S3”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
示例性实施例1
本示例性实施例提供了一种河道胶体纵向动力学分散系数直接测定方法。方法可包括以下步骤，如图1所示：
S1、将纳米二氧化钛溶胶作为示踪剂投放至河道的起始断面处，在离起始断面一段距离的河道的出口断面处进行连续取样，获得水样。
在本实施例中，河道可为顺直型河道，河道的长度大于等于河道的宽度的10倍，河道可没有支流或入流。
在本实施例中，还可包括以下步骤：
S101、测定河道的测量长度可为L R 、流速为v、深度为h。
S102、将示踪剂在水深1/2h的位置瞬间注入，其中，示踪剂的投放量与河道的宽度的比值大于等于100ml/m。
S103、在出口断面处连续取样，取样深度为0~h，连续取样的时间间隔小于0.1L R /v。
在本实施例中，示踪剂的制备步骤可包括：
S111、将四氯化钛置于浓度为0.05mol/L的盐酸溶液中，在60~90℃的温度条件下水浴加热至少120min。
S112、加入浓度为0.05~0.15mol/L的碳酸氢钠溶液，直至溶液的pH大于等于8.5。
S113、加入0.1~0.2mol/L的硝酸银溶液至溶液不再产生白色沉淀。
S114、将溶液抽滤后进行搅拌与震荡，得到纳米二氧化钛溶胶。
在本实施例中，可采用紫外偏振光法测定水样中示踪剂的浓度。紫外偏振光法采用的紫外光的发射波长可为280nm~348nm。
在本实施例中，水样中示踪剂的浓度可根据紫外偏振光衰减强度和示踪剂浓度的关系函数确认。其中，紫外偏振光衰减强度为率定的接收端紫外偏振光强和发射端紫外偏振光强的强度差。
S2、测定水样中示踪剂的浓度。
在本实施例中，可通过示踪剂测量装置测定水样中示踪剂的浓度；示踪剂测量装置包括：紫外光源、单色仪、偏光发射器、石英玻璃容器、聚光透镜、偏振光测量仪和测量控制支架；通过测量控制支架依次连接紫外光源、单色仪、偏光发射器、石英玻璃容器、聚光透镜、偏振光测量仪；其中，石英玻璃容器用于盛放水样。
S3、根据示踪剂的浓度确认河道的胶体纵向动力学分散系数。
在本实施例中，可根据地表水胶体运移模型确认河道的分散系数，地表水胶体运移模型包括下式1。
式1：。
其中，所述x为观测点到所述起始断面的距离；所述为测定时间；所述/>为所述示踪剂的浓度；/>为所述河道的平均流速；/>为所述河道的胶体纵向动力学分散系数。
在本实施例中，上述地表水胶体运移模型可通过Laplace变化，得到示踪剂的浓度变化的近似解，可析解为下式2。
式2：，/>。
其中，x为测点到进口断面的距离；为测定时间；/>为示踪剂的浓度；/>为示踪胶体注入后的瞬时浓度；v为河道的平均流速；/>为河道的胶体纵向动力学分散系数；为余误差函数。
根据上式2可进一步得到下式3。
式3：。
其中，某一点x处的浓度分布随时间表示为，对于顺直河道且没有支流汇入的情况下，/>表现为对数正态分布的形式/>=1时，=0.91，z=-1，/>=0.09，/>=0，/>=0.5。/>、和/>分别为当/>//>值为0.09、0.5和0.91时的/>值。其中，/>、/>和/>可通过/>//>和/>值的曲线确认。
在本实施例中，还可根据下式4确认河道的胶体纵向动力学分散系数；
在x=位置。
式4：。
其中，所述和/>分别为所述示踪剂投放后的瞬时浓度和所述出口断面的峰值浓度；所述示踪剂的投放时间为/>=0，所述/>、/>和/>分别为当/>//>值为0.09、0.5和0.91时的/>值，所述/>为所述出口断面的示踪剂浓度；所述/>为河道流速；所述/>为观测点距所述起始断面的距离。
所测定得到的河道的胶体纵向动力学分散系数是河道中胶体运动模拟数值方程求解的必要参数。
为了更好地理解本发明的上述示例性实施例，下面结合具体示例和附图对其进行进一步说明。
示例1
在本示例中，本示例的河道胶体纵向动力学分散系数直接测定方法可通过以下步骤实现：
步骤一：制备用于对河道动力学分散系数进行测定的示踪胶体，①将6.84g四氯化钛（TiCl4）置于100ml且浓度为0.05mol/L的盐酸中，在75℃的温度条件下水浴加热120min；②加入浓度为0.1mol/L的碳酸氢钠溶液，直至溶液的pH值超过8.5；③加入0.1mol/L的硝酸银溶液至不在产生白色沉淀，抽滤后进行搅拌与震荡，得到纳米TiO2溶胶，并将其作为河道中胶体纵向动力学分散系数测试的示踪剂。
步骤二：测试于2019年12月在某河道进行，该河道为顺直渠化河道，河道宽度为2.4m，水深0.3m。采用多普勒流速仪测定流速为0.02m/s。示踪剂的投放断面（起始断面）和出口断面长度（测量断面）距离L R 为30m。将500ml的示踪剂注入在圆柱形容器中，放置在起始断面水深0.15m位置处，同时打开圆柱体容器的两端，完成示踪剂投放。
步骤三：完成示踪剂投放后，在出口断面（测量断面），连续进行水质取样水样取样深度为0~h，时间间隔小于0.1L R /v。
步骤四：进行水样胶体浓度测定，采用紫外偏振光法，测定水样充分混合后示踪剂浓度，测试装置如图2所示：采用100J/s的短弧汞灯作为紫外光源1，发射波长为320nm的紫外光。发射光顺序通过单色仪2、格兰-汤普森偏光发射器3、装有待测溶液的石英玻璃容器4和聚光透镜5后，用偏振光测量仪6测定紫外光偏振强度，上述各仪器通过测量控制支架7依次连接。由于TiO2紫外偏振光的折光性和高光活性，根据率定的紫外偏振光强衰减（接收端紫外偏振光强和发射端紫外偏振光强的强度差）与TiO2浓度关系，测定TiO2浓度。
步骤五：根据下式1示踪胶体的浓度的测定结果，确定胶体动力学分散系数。
式1：。
其中，所述和/>分别为所述示踪剂投放后的瞬时浓度和所述出口断面的峰值浓度；所述示踪剂的投放时间为/>=0，所述/>、/>和/>分别为当/>//>值为0.09、0.5和0.91时的/>值，所述/>为所述出口断面的示踪剂浓度；所述/>为河道流速；所述/>为观测点距所述起始断面的距离。
根据测试结果，如图3所示，、/>和/>分别为20.6min、24.8min和32.4min，测量距离为30m，流速0.02m/s，因此，胶体动力学分散系数/>为17.76cm2/s。
尽管上面已经结合示例性实施例及附图描述了本发明，但是本领域普通技术人员应该清楚，在不脱离权利要求的精神和范围的情况下，可以对上述实施例进行各种修改。
Claims (7)
1.一种河道胶体纵向动力学分散系数直接测定方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
将纳米二氧化钛溶胶作为示踪剂投放至河道的起始断面处，在离所述起始断面一段距离的河道的出口断面处进行连续取样，获得水样；
测定所述水样中所述示踪剂的浓度；
根据所述示踪剂的浓度确认所述河道的胶体纵向动力学分散系数；
其中，根据地表水胶体运移模型确认所述河道的分散系数，所述地表水胶体运移模型包括下式1；
式1：；
其中，所述x为观测点到所述起始断面的距离；所述为测定时间；所述/>为所述示踪剂的浓度；/>为所述河道的平均流速；/>为所述河道的胶体纵向动力学分散系数；
将所述地表水胶体运移模型进行拉普拉斯变换得到示踪剂浓度变化模型，所述示踪剂浓度变化模型包括：
式2：，/>；
式3：；
其中，所述x为观测点到所述起始断面的距离；所述为测定时间；所述/>为所述示踪剂的浓度；所述/>为所述示踪剂注入后的瞬时浓度；/>为所述河道的平均流速；/>为所述河道的胶体纵向动力学分散系数；所述/>为余误差函数；
根据下式4确认所述河道的胶体纵向动力学分散系数；
式4：；
其中，所述和/>分别为所述示踪剂投放后的瞬时浓度和所述出口断面的峰值浓度；所述示踪剂的投放时间为/>=0，在顺直河道且没有支流汇入的情况下，所述/>、/>和通过/>//>和/>值的曲线确认，所述/>、/>和/>分别为当/>//>值为0.09、0.5和0.91时的/>值，所述/>为所述出口断面的示踪剂浓度；所述/>为河道流速；所述/>为观测点距所述起始断面的距离。
2.根据权利要求1所述的河道胶体纵向动力学分散系数直接测定方法，其特征在于，采用紫外偏振光法测定所述水样中示踪剂的浓度；所述紫外偏振光法采用的紫外光的发射波长为280nm~348nm。
3.根据权利要求2所述的河道胶体纵向动力学分散系数直接测定方法，其特征在于，所述水样中示踪剂的浓度根据紫外偏振光衰减强度和示踪剂浓度的关系函数确认。
4.根据权利要求1所述的河道胶体纵向动力学分散系数直接测定方法，其特征在于，所述河道为顺直型河道，所述河道的长度大于等于所述河道的宽度的10倍，所述河道没有支流或入流。
5.根据权利要求1所述的河道胶体纵向动力学分散系数直接测定方法，其特征在于，所述方法还包括以下步骤：
测定所述河道的测量长度为L R 、流速为v、深度为h；
将所述示踪剂在水深1/2h的位置瞬间注入，其中，所述示踪剂的投放量与所述河道的宽度的比值大于等于100ml/m；
在所述出口断面处连续取样，所述取样深度为0~h，所述连续取样的时间间隔小于0.1L R /v。
6.根据权利要求1所述的河道胶体纵向动力学分散系数直接测定方法，其特征在于，所述示踪剂的制备步骤包括：
将四氯化钛置于浓度为0.05mol/L的盐酸溶液中，在60~90℃的温度条件下水浴加热至少120min，所述四氯化钛和盐酸的摩尔比值不超过1:4.2；
加入浓度为0.05~0.15mol/L的碳酸氢钠溶液，直至溶液的pH大于等于8.5；
加入0.1~0.2mol/L的硝酸银溶液至所述溶液不再产生白色沉淀；
将所述溶液抽滤后进行搅拌与震荡，得到所述纳米二氧化钛溶胶。
7.根据权利要求1~6任一所述的河道胶体纵向动力学分散系数直接测定方法，其特征在于，所述河道胶体纵向动力学分散系数直接测定方法还包括：通过示踪剂测量装置测定所述水样中所述示踪剂的浓度；所述示踪剂测量装置包括：紫外光源、单色仪、偏光发射器、石英玻璃容器、聚光透镜、偏振光测量仪和测量控制支架；通过所述测量控制支架依次连接所述紫外光源、单色仪、偏光发射器、石英玻璃容器、聚光透镜、偏振光测量仪；其中，所述石英玻璃容器用于盛放所述水样。
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