模拟外源污染物对泥沙起动和沉降影响的实验装置及方法制造方法及图纸

一种模拟外源污染物对泥沙起动和沉降影响的实验装置及方法，所述装置包括环形水槽、进样单元、控制单元、测量单元及拍摄单元。进样单元用于向环形水槽注入定量的沙样和外源污染物，控制单元包括控制主机及与控制主机连接的温度控制单元、流速流量控制单元。所述测量单元包括pH值测量单元、悬浮物浓度测量单元、水位测量单元以及取样单元。取样单元用于抽取环形水槽中不同水位的泥沙水进行含沙量的测，所述拍摄单元用于拍摄环形水槽中床沙形态。本发明专利技术考虑了不同条件下外源污染物对泥沙起动和沉降的影响，不仅对推动泥沙运动力学理论研究和发展有积极意义，也为河道治理、水工工程建设、航道设计、生物栖息地等研究提供重要参数。

【技术实现步骤摘要】
模拟外源污染物对泥沙起动和沉降影响的实验装置及方法
本专利技术涉及泥沙动力学和环境科学
，具体涉及一种模拟外源污染物对泥沙起动和沉降影响的实验装置及方法。
技术介绍
泥沙起动和沉降是泥沙运动力学研究中的基本问题之一。泥沙颗粒在流体中运动除了取决于流动特性之外，还与所在水体水化学条件有关。随着水环境的日益恶化，河流水化学条件也悄然改变。传统的泥沙起动和沉降实验装置只是关注泥沙本身的特性和水流之间的相互作用，并未考虑实际环境中水质多参数的影响，因而与实际情况的符合略有偏差。外源污染物对泥沙起动沉降的影响主要原因是外源污染物吸附在泥沙颗粒表面，一定程度上改变了泥沙表面的理化性质而这一吸附过程又与所处水域温度、pH值、泥沙含量密切相关。专利申请号为CN201510481945.4的中国专利公布了一种动态模拟泥沙对污染物的迁移转化的方法，包括环形水槽、动力装置、取样装置，其特征是运用变速电机驱动水流以一定流速流动，在水槽中心线处用医用注射器将模拟污染物一定浓度的试剂注入浑水中，并在不同时间取样测试污染物浓度，研究动态条件下泥沙对污染物的迁移转化规律。该专利技术需需要人工注射外源物质，实验结果准确性依赖操作人员进样精度。专利申请号为CN201320818449.X的中国专利公布了一中环形水槽模拟悬沙和床沙吸附污染物装置，包括叶机转轮、弯道排水口，环形水槽、圆盘、粘短齿等，其特征是将泥沙人工铺平在环形水槽底部，通过调节叶轮机形成表面驱动流产生水流运动，测量任意位置的水流、水质特性。该专利通过表面驱动流带动水流运动，与实际河流运动情况差异较大，且需人工铺平泥沙。专利申请号为CN201620071797.9的中国专利公布了一种观测泥沙起动运动和测量起动流速的模型试验装置，包括光源系统、视频图像采集处理系统以及水循环控制系统，其特征是将激光光源系统照亮床底泥沙，摄像机拍摄床面泥沙运动情况，将图像传输至计算机上处理，实现泥沙起动流速的测量。该专利技术对泥沙起动的判别仅依靠定性判别标准，缺少定量判别标准。由此可见，传统的泥沙起动和沉降实验装置只是关注泥沙本身的特性和水流之间的相互作用，而不考虑水质的影响，目前尚未发现研究外源污染物对泥沙起动和动水沉降的专利。相关专利中较多使用的是开放式水槽，使用过程中需要人工铺沙或者人工注射一定量污染物，极其耗费时间和精力。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的是提供一种观测泥沙起动运动和测量起动流速的模型试验装置及方法，考虑了不同条件下外源污染物对泥沙起动和沉降的影响，即通过调节温度、pH值、外源污染物浓度值来探究不同水化学条件对泥沙起动和沉降运动的影响机制。为实现上述目的，本专利技术采用的解决方案是：一种模拟外源污染物对泥沙起动和沉降影响的实验装置，包括环形水槽、进样单元、控制单元、测量单元及拍摄单元，所述进样单元用于向环形水槽注入定量的沙样和外源污染物，所述控制单元包括控制主机及与控制主机连接的温度控制单元、流速流量控制单元，所述测量单元包括pH值测量单元、悬浮物浓度测量单元、水位测量单元以及取样单元，所述控制主机用于根据pH值测量单元传回的pH值及温度控制单元传回的温度值调节进样单元及温度控制单元使水体温度及pH值达到预设数值，流速流量控制单元用于控制环形水槽中泥沙水的流速，pH值测量单元、悬浮物浓度测量单元、水位测量单元位于与环形水槽连通的测试箱体中，取样单元用于抽取环形水槽中不同水位的泥沙水，所述拍摄单元用于拍摄环形水槽中床沙形态。进一步的，所述环形水槽分为8段，包括2段短轴直圆管、2段长轴直圆管，4段短轴与长轴直圆管连接处过渡的圆弧形管，环形水槽回路呈椭圆形，并且所述环形水槽通过四个有机玻璃支撑柱支撑于地面。进一步的，所述环形水槽下方与放水管相连，上方与带阀放气管相连，所述放水管上安装有排空阀门，控制管道的通断。进一步的，所述进样单元包括进样水箱、计量泵、进水管道、进水阀门，所述进样水箱设置在所述环形水槽垂直上方，所述进样水箱安放在与墙面固结的支架上，所述进样水箱顶部与计量泵连接，底部通过所述进水管道与所述环形水槽连接，所述进水阀门安装在所述进水管道上，控制管道进样的通断。进一步的，所述温度控制单元安装于所述环形水槽上的外贴式加热带及与外贴式加热带连接的温控装置，所述外贴式加热带安装管道为铸铁材质，铸铁管道外壁覆盖有加热套实现对水体的加热。进一步的，所述流速流量控制单元包括壁挂式流速控制装置及与壁挂式流速控制装置连接的外夹式外夹式超声波流量仪、循环水泵，所述循环水泵进出水口与环形水槽的管道相通，驱动水循环流动，所述外夹式超声波流量计固定在铸铁管道外部，通过壁挂式流速控制装置与控制主机通信，反馈调节循环水泵的转速。进一步的，所述测试箱体封闭贴合于所述环形水槽管道外侧，通过U型管连通环形水槽，U型管连通环形水槽端装有带阀门气动接头，可调节U型管端没入水体的深度，U型管靠近环形水槽的管段附有刻度标尺。进一步的，所述测试箱体分为左右两半部分，左半部分材质为透明有机玻璃，右半部分为黑色PVC材质，中间由遮光升降板隔开，可上下移动控制左右两部分水体的连通。进一步的，所述测试箱体左半部分侧面贴有水位测量单元以测量实时水位，所述测试箱体右半部分内安装悬浮物浓度测量单元的探头，pH值测量单元的探头没入所述测试箱体的水中，pH值测量单元和悬浮物浓度测量单元与控制主机相连。进一步的，所述拍摄单元包括玻璃试片、摄像机以及体式显微镜，所述试样玻璃片位于所述环形水槽管道底部，所述摄像机位于水槽主体外侧底部，同时正对于所述试样玻璃片，摄像机与外设显微镜连用，实时监测泥沙覆盖率和流速之间的关系，同时可以拍摄床面形态。进一步的，所述取样单元包括取样管及设于取样管上的活接阀门，所述取样管通过活接阀门的气动接头插入环形水槽内部，通过气动接头调节取样管高度可抽取不同水位水样，取样管呈“L”形状，上刻有刻度标识，取样管入口处与水流流向平行一种模拟外源污染物在不同条件下对泥沙起动和沉降实验方法，其特征在于使用上述装置进行，所述方法包括如下步骤：1)用进样单元的计量泵精准加入一定重量沙样和一定量的外源污染物进入进样水箱，同时注入一定量粗纯水至对应刻度线，经进水管道进入环形水槽，控制主机启动流速流量控制单元的循环水泵高速运行，打散絮凝泥沙，使水沙混合均匀，然后关闭流速流量控制单元使沙样自然沉降平铺在环形水槽底部，待沙沉水清后使用取样单元进行含沙量测定，记录初始含沙量C0；2)控制主机根据pH计传回的pH值及温控装置传回的温度值反馈调节计量泵及加热带使水体温度及pH值达到预设数值；3)研究泥沙起动时，调节壁挂式流速控制装置，采用低流速起动，从低流速逐级增加至较高流速，每级流速运行45min，同时，采用拍摄单元拍摄床沙形态，且将实时照片传输至体视显微镜；4)将取样管调节至所需高度，借助带洗耳球虹吸管吸取一定量水样保存；5)研究泥沙起动时，记录泥沙起动达到“个别动”、“少量动”、“全部动”状态所需流速，绘制各级流速下的平衡含沙量Ceq,得到(Ceq/C0)与水槽断面平均流速v的关系曲线，即泥沙起动判别曲线。研究泥沙沉降时，绘制各流速组含沙量与时间的关系的曲线，通过其导数值计算相应的沉速。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：(1)铸本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种模拟外源污染物对泥沙起动和沉降影响的实验装置，其特征在于：包括环形水槽(5)、进样单元、控制单元、测量单元及拍摄单元，所述进样单元用于向环形水槽(5)注入定量的沙样和外源污染物，所述控制单元包括控制主机(23)及与控制主机(23)连接的温度控制单元、流速流量控制单元，所述测量单元包括pH值测量单元、悬浮物浓度测量单元、水位测量单元以及取样单元，所述控制主机(23)用于根据pH值测量单元传回的pH值及温度控制单元传回的温度值调节进样单元及温度控制单元使水体温度及pH值达到预设数值，流速流量控制单元用于控制环形水槽(5)中泥沙水的流速，pH值测量单元、悬浮物浓度测量单元、水位测量单元位于与环形水槽(5)连通的测试箱体(15)中，取样单元用于抽取环形水槽(5)中不同水位的泥沙水，所述拍摄单元用于拍摄环形水槽(5)中床沙形态。

【技术特征摘要】
1.一种模拟外源污染物对泥沙起动和沉降影响的实验装置，其特征在于：包括环形水槽(5)、进样单元、控制单元、测量单元及拍摄单元，所述进样单元用于向环形水槽(5)注入定量的沙样和外源污染物，所述控制单元包括控制主机(23)及与控制主机(23)连接的温度控制单元、流速流量控制单元，所述测量单元包括pH值测量单元、悬浮物浓度测量单元、水位测量单元以及取样单元，所述控制主机(23)用于根据pH值测量单元传回的pH值及温度控制单元传回的温度值调节进样单元及温度控制单元使水体温度及pH值达到预设数值，流速流量控制单元用于控制环形水槽(5)中泥沙水的流速，pH值测量单元、悬浮物浓度测量单元、水位测量单元位于与环形水槽(5)连通的测试箱体(15)中，取样单元用于抽取环形水槽(5)中不同水位的泥沙水，所述拍摄单元用于拍摄环形水槽(5)中床沙形态。2.如权利要求1所述的模拟外源污染物对泥沙起动和沉降影响的实验装置，其特征在于：所述进样单元包括进样水箱(6)、计量泵(7)、进水管道(9)、进水阀门(8)，所述进样水箱(6)设置在所述环形水槽(5)垂直上方，所述进样水箱(6)安放在与墙面固结的支架上，所述进样水箱(6)顶部与计量泵(7)连接，底部通过所述进水管道(9)与所述环形水槽(5)连接，所述进水阀门(8)安装在所述进水管道(9)上，控制管道进样的通断。3.如权利要求1所述的模拟外源污染物对泥沙起动和沉降影响的实验装置，其特征在于：所述温度控制单元安装于所述环形水槽(5)上的外贴式加热带(2)及与外贴式加热带(2)连接的温控装置(3)，所述外贴式加热带(2)安装管道为铸铁材质，铸铁管道外壁覆盖有加热套实现对水体的加热。4.如权利要求1所述的模拟外源污染物对泥沙起动和沉降影响的实验装置，其特征在于：所述流速流量控制单元包括壁挂式流速控制装置(1)及与壁挂式流速控制装置(1)连接的外夹式外夹式超声波流量仪(4)、循环水泵(21)，所述循环水泵(21)进出水口与环形水槽(5)的管道相通，驱动水循环流动，所述外夹式超声波流量计(4)固定在铸铁管道外部，通过壁挂式流速控制装置(1)与控制主机(23)通信，反馈调节循环水泵(21)的转速。5.如权利要求1所述的模拟外源污染物对泥沙起动和沉降影响的实验装置，其特征在于：所述测试箱体(15)封闭贴合于所述环形水槽(5)管道外侧，通过U型管(24)连通环形水槽(5)，U型管(24)连通环形水槽端装有带阀门气动接头(25)，可调节U型管端没入水体的深度，U型管(24)靠近环形水槽(5)的管段附有刻度标尺。6.如权利要求1或5所述的模拟外源污染物对泥沙起动和沉降影响的实验装置，其特征在于：所述测试箱体(15)分为左右两半部分，左半部分材质为透明有机玻璃，右半部分为黑色P...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄茁，刘玥晓，曹慧群，曹小欢，刘敏，
申请(专利权)人：长江水利委员会长江科学院，
类型：发明
国别省市：湖北,42