模拟潮汐往复流河道污染物迁移及盐水上溯的装置及方法
【专利摘要】本发明属于水体生态环境【技术领域】，特别涉及一种模拟潮汐往复流河道污染物迁移及盐水上溯的装置及方法，包括上游流量控制装置、中间水槽装置、下游潮汐流量控制装置，其特征在于：所述的上游流量控制装置包括进水管、恒流水箱、上游水位控制水箱；所述的中间水槽装置包括水槽槽体、测速装置、污染物进污水箱；所述的下游潮汐流量控制装置包括潮汐水位控制水箱、潮汐回流模拟水箱、补偿或海水盐度模拟水箱；所述的水槽槽体上端连接上游水位控制水箱，下端连接潮汐水位控制水箱，所述的潮汐水位控制水箱连接潮汐回流模拟水箱；所述的补偿或海水盐度模拟水箱连接潮汐回流模拟水箱。本发明能够模拟研究潮汐往复流河道污染物迁移扩散规律（盐水上溯规律）。本发明广泛适用于水体生态环境【技术领域】的模拟试验。
【专利说明】模拟潮汐往复流河道污染物迁移及盐水上溯的装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明属于水体生态环境【技术领域】，涉及潮汐往复流河道模拟装置，特别涉及一种模拟潮汐往复流河道污染物迁移及盐水上溯的装置及方法。
【背景技术】
[0002]海口是人口密集的地区，也是人类活动最为频繁的地区。随着河道沿岸污染物排放量不断增加，河道生态环境问题日益突出，又近年调水工程、水库大坝工程的实施，海口河道上游下泄流量不断减少，一方面导致河流水体纳污能力变小，水环境形势严峻；另一方面导致海口河道水体交换周期变大，受海口潮汐影响，整个水体来回回荡，较之前河流中污染物滞留时间变长，污染物累计，同时水体耗氧量变大，水质恶化。同时盐水的入侵严重影响到两岸人民生活用水、工农业用水以及淡水生物养殖等。改善海口河道水质的关键是开展影响水体污染物机理的研究。
[0003]水利生态科研及海岸环境工程研究等任务要求在物理模型中复演原型的潮汐往复流现象，即将天然河道形态制作成比尺模型，要求通过水量、水位与时间的缩尺复演天然河道的潮汐往复流现象，即为潮汐往复流模拟。准确的模拟河道潮汐往复流过程，需要一套完整的潮汐控制装置。针对上述现象的模拟，目前主要采用数学模型，考虑到数学模型近似假设和参数选取的不确定性，通过更直观的物理模型模拟潮汐往复流河道污染物迁移扩散仍未见报道。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于克服上述问题，提供一种模拟潮汐往复流河道污染物迁移及盐水上溯的装置及方法，本发明能够模拟上游不同下泄流量、下游不同潮汐流量水位条件下海口河道潮汐往复流水流特征，进而研究潮汐往复流河道污染物迁移扩散规律(盐水上溯规律)。
[0005]为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案为:模拟潮汐往复流河道污染物迁移及盐水上溯的装置，包括上游流量控制装置、中间水槽装置、下游潮汐流量控制装置，其特征在于:所述的上游流量控制装置包括进水管、恒流水箱、上游水位控制水箱；所述的中间水槽装置包括水槽槽体、测速装置、污染物进污水箱；所述的下游潮汐流量控制装置包括潮汐水位控制水箱、无压出水管、排水系统、回流水泵、潮汐回流模拟水箱、补偿或海水盐度模拟水箱；所述的水槽槽体上端连接上游水位控制水箱，下端连接潮汐水位控制水箱，所述的潮汐水位控制水箱连接潮汐回流模拟水箱；所述的补偿或海水盐度模拟水箱连接潮汐回流模拟水箱；所述的下游潮汐流量控制装置底部设有由横向拉板控制的矩形出水口，所述的潮汐回流模拟水箱设有垂向拉板控制的矩形回流口，矩形出水口的下端连接无压出水管；所述的污染物进污水箱设有控制水位高度的上下移动式溢流口，并通过进污管与水槽的进污口连接。
[0006]进一步地，模拟潮汐往复流河道污染物迁移及盐水上溯的装置，其特征在于，所述的恒流水箱设有控制水位的挡板、溢流口和恒流水管；所述进水管流量大于恒流水管流量，恒流水箱中间设有控制水位高度的组合式挡板，组合式挡板分有不同的高度。
[0007]所述的上游水位控制装置和潮汐水位控制装置设有潮汐最高水位线和潮汐最低水位线；所述的水槽槽体上设有污染物进污口、水质采样口和测速装置；所述的排水水箱设有排水口 ；所述的回流水泵与排水水箱和潮汐回流水箱连接。
[0008]所述的排水系统包括排水管和排水水箱，无压出水管的出水排入排水水箱，之后一部分水通过回流水泵回流至潮汐回流模拟水箱，剩余水由排水管排出。通过控制横向拉板和垂向拉板的移动速度而改变矩形出水口和矩形回流口的大小来控制退潮和涨潮的速度。
[0009]模拟潮汐往复流河道污染物迁移及盐水上溯的方法，其特征在于，包括如下步骤:
[0010](I)构建模拟潮汐往复流河道污染物迁移及盐水上溯的装置；装置包括上游流量控制装置、中间水槽装置、下游潮汐流量控制装置，所述的上游流量控制装置包括进水管、恒流水箱、上游水位控制水箱；所述的中间水槽装置包括水槽槽体、测速装置、污染物进污水箱；所述的下游潮汐流量控制装置包括潮汐水位控制水箱、无压出水管、排水系统、回流水泵、潮汐回流模拟水箱、补偿或海水盐度模拟水箱；所述的水槽槽体上端连接上游水位控制水箱，下端连接潮汐水位控制水箱，所述的潮汐水位控制水箱连接潮汐回流模拟水箱；所述的补偿或海水盐度模拟水箱连接潮汐回流模拟水箱；所述的下游潮汐流量控制装置底部设有由横向拉板控制的矩形出水口，所述的潮汐回流模拟水箱设有垂向拉板控制的矩形回流口，矩形出水口的下端连接无压出水管；所述的污染物进污水箱设有控制水位高度的上下移动式溢流口，并通过进污管与水槽的进污口连接；
[0011](2)按照一定速度拉动横向拉板，潮汐水位控制水箱的水通过无压出水管和矩形出水口进入排水水箱，随着横向拉板拉度变大，矩形出水口面积会变大，落潮流量逐渐变大，待潮汐水位控制水箱的水位从潮汐最高水位线到平水位时，按一定速度合上横向拉板，潮汐流量越来越小直至为零，潮汐水位达到潮汐最低水位线，此时为大潮落停；
[0012](3)把垂向拉板按照一定的速度向上拉，潮汐回流模拟水箱的水通过矩形回流口回流至潮汐水位控制水箱，回流水量逐渐变大，待潮汐水位控制水箱的水位从潮汐最低水位线到平水位时，按一定速度合上垂向拉板，潮汐流量会越来越小直至为零，潮汐水位达到潮汐最高水位线，此时为大潮涨停；与此同时回流水泵按一定的比例从排水水箱抽水回流至潮汐回流模拟水箱；补偿或海水盐度模拟水箱通过补偿水管将一定比例的水流入潮汐回流模拟水箱，使潮汐回流模拟水箱水位保持一定高度的水位。
[0013]进一步地，所述的装置上游流量和下游出水量、排水量、回流水泵流量、潮汐回流水量、补偿水量或盐水入侵量均由实际河道对应流量通过流量比尺演变得到；所述的水槽槽体由实际地形河道通过水平、垂直比尺演变得到；所述的上游水位控制装置和潮汐水位控制装置的潮汐最高水位线和潮汐最低水位线由河道潮汐实际水位通过垂直比尺演变得到。
[0014]调节横向拉板或垂向拉板拉开、合上的速度以控制涨潮和落潮的速度、周期，与通过比尺演变之后的断面实测数据进行对比拟合；调节回流水泵回流至潮汐回流模拟水箱的水量和补偿水管补偿水量的比例、大小，能够控制补偿水量或盐水入侵水量、潮汐回流水量与实测数据进行拟合；利用中间水槽装置的测速装置测定水槽中水体流速大小，与实际监测数据进行率定；利用上游水位控制水箱设的潮汐最高水位线和潮汐最低水位线率定上游潮汐回流水位高度。
[0015]当用于模拟污染物迁移扩散机理时，采用补偿水箱；当用于模拟盐水上溯机理时，采用海水盐度模拟水箱。
[0016]通过上下拉动污染物进污水箱的可移动式溢流口，可以改变污染物进污水箱的水位高度，通过改变水体势能控制进入水槽槽体的污水量，污水在实验室根据要求配制，污染物浓度可变化；调节恒流水箱上的挡板高度以控制水位，通过改变恒流水箱水体势能改变上游恒流水管的流量。
[0017]本发明具有如下有益效果:
[0018]本发明所述的下游潮汐控制装置模拟的拉板拉开长度与潮汐涨落潮流量随时间的变化成正相关关系，垂向拉板和横向拉板上有以毫米为单位的刻度尺，可以按照潮汐涨落潮流量变化控制拉板拉开长度，因此能够逼真的模拟涨潮和落潮的流量变化规律。
[0019]改变本发明所述的恒流水箱设有不同高度的挡板，通过组合挡板能够控制水箱水位高度，根据公式可得通过势能恒流水管流量大小，能够模拟上游不同下泄流量的变化。
[0020]Q = A-1lgh
[0021]式中:Q--〖亘流水管的流量；
[0022]h--〖亘流水箱水位至恒流水管中心线的垂直高度；
[0023]A--〖亘流水管的截面面积；
[0024]g-重力加速度，9.8m/s2。
[0025]改变本发明所述的污染物进污水箱进入水槽的污染物量，能够模拟河道接受不同污染物量水体水质变化规律。
[0026]改变本发明所述的补偿水(或海水盐度模拟)水箱的进水管阀门，能够模拟下游海水不同稀释条件下河道水质变化规律(下游海水不同浓度盐类入侵条件河道下盐类上溯规律)。
[0027]本发明所述的装置操作简单，人工劳动强度低，实验水循环利用，提高实验效率，节约资源，降低实验费用。
【专利附图】
【附图说明】
[0028]图1是本发明的装置的总体结构剖面示意图。
[0029]图2是本发明的装置的平面示意图。
[0030]图3是本发明的装置的恒流水箱设计图。
[0031]图4是本发明的装置的下游潮汐回流水箱设计图。
[0032]图5是本发明的装置的污染物进污水箱设计图。
[0033]图6是本发明的装置的下游潮汐控制装置模拟的拉板拉开度与潮汐涨落潮流量随时间的变化示意图。
【具体实施方式】
[0034]下面结合附图具体实施例对本发明作进一步说明。
[0035]结合图1、图2、图3、图4，图5本发明提出的一种模拟潮汐往复流河道污染物迁移扩散机理(及盐水上溯机理)的装置，它包括由进水管1、恒流水箱4、上游水位控制水箱9组成的上游流量水位控制装置，由水槽槽体13、测速装置12、污染物进污水箱11组成的中间水槽装置，由下游潮汐水位控制水箱15、排水水箱22、回流水泵24、潮汐回流模拟水箱26、补偿水(或海水盐度模拟)水箱27组成的下游潮汐水位控制装置。
[0036]其中:进水管I流量大于恒流水管流量，恒流水箱4 一侧设有溢流口 3，中间设有控制水位高度的挡板2，挡板2分有不同的高度，根据不同组合，随意控制水箱水位高度，进而设置恒流水管6进水流量，恒流水管6上设置阀门5 ;设有潮汐最高水位线7和潮汐最低水位线8的上游水位控制水箱9连接实验水槽槽体13，其上设有污染物进污口 10、水质采样口 14，并有测速装置12测定水槽流速；设有可移动式溢流口 33的污染物进污水箱11通过进污管35与水槽13的进污口 10连接；水槽槽体13下游连接潮汐水位控制水箱15，其上设有潮汐最高水位线16和潮汐最低水位线17，其底部设有横向拉板19控制的矩形出水口 31，其下端连接无压出水管20，出水排入排水水箱22，一部分剩余水从排水管21排出，排水管设有阀门调节排水量，另一部分水通过回流水泵24及回流水管(23，25)回流至潮汐回流模拟水箱26，其经过一个渐变部分与下游潮汐水位控制水箱15连接，连接处设有垂向拉板18控制的矩形回流口 30，通过拉动拉板改变矩形回流口的大小来控制潮汐涨潮速度；补偿水(或海水盐度模拟)水箱27，通过补偿水管29流入潮汐回流模拟水箱26，通过阀门28控制补偿水量。
[0037]潮汐往复流模拟方式:首先按照一定速度拉动横向拉板19，水通过无压出水管20进入排水水箱22，潮汐水位控制水箱15中的水流出，随着横向拉板19拉度变大，矩形出水口 31面积会变大，落潮流量会越来越大，待潮汐水位控制水箱15的水位从潮汐最高水位线16约到平水位时，然后按一定速度合上横向拉板19，潮汐流量会越来越小，直至为零，潮汐水位达到潮汐最低水位线17，此时为大潮落停；接着把垂向拉板18按照一定的速度向上拉，矩形回流口 30回流水量会慢慢变大，待潮汐水位控制水箱15的水位从潮汐最低水位线17约到平水位时，然后按一定速度合上垂向拉板18，潮汐流量会越来越小，直至为零，潮汐水位达到潮汐最高水位线16，此时为大潮涨停；与此同时回流水泵24按一定的比例从排水水箱22抽水回流至潮汐回流模拟水箱26，补偿水(或海水盐度模拟)水箱27通过补偿水管29将一定比例的水流入潮汐回流模拟水箱26，使潮汐回流模拟水箱26水位到一直保持一定高度的水位，详见图4。
[0038]潮汐往复流拟合与率定方式:首先调节横向拉板19，垂向拉板18拉开、合上的速度，就能够控制涨潮和落潮的速度、周期，与断面监测数据进行对比拟合；调节回流水泵24回流至潮汐回流模拟水箱26的水量和补偿水管27补偿水量的比例、大小，能够控制补偿水量(盐水入侵水量)、潮汐回流水量与实测数据进行拟合。然后利用中间水槽装置的测速装置12测定水槽中水体流速大小，与实际监测数据进行率定；利用上游水位控制水箱9设的潮汐最高水位线7和潮汐最低水位线8率定上游潮汐回流水位高度。
[0039]上游不同下泄流量设置:调节恒流水箱4上的挡板2高度控制水位，通过改变恒流水箱4水体势能的方式改变上游恒流水管6的流量，详见图3。
[0040]污染物进污水箱11和浓度设置:污染物进污水箱11设有进污管35和可移动式溢流口 33;进污管35与水槽槽体13的进污口 10连接，通过进污阀门36控制启闭；可移动式溢流口 33固定在设有拉钩34的拉板32上，拉板32通过固定装置38固定于在污染物进污水箱11的矩形开口 37处，拉板32与污染物进污水箱11和固定装置38中间夹有可压缩橡胶进行封水，保证拉板32上下移动的同时又不发生漏水；上下拉动可移动式溢流口 33，可以改变污染物进污水箱11进入水槽槽体13的污水量；污水浓度在实验室根据具体要求进行配制。详见图5。
[0041]本发明装置所述的下游潮汐控制装置模拟的拉板拉开度与潮汐涨落潮流量随时间的变化见图6，其中拉板整数表示横向拉板拉开度，拉板负数表示垂向拉板拉开度，矩形回水口由3条分别为Icm宽度的镂空矩形组成，下游潮汐水位控制水箱水深随潮汐水位变化，约为0.15m左右，根据伯努利方程计算出拉板拉开度。由图可以看出拉板拉开长度与流量变化规律有很好的吻合性。
[0042]上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围。
【权利要求】
1.模拟潮汐往复流河道污染物迁移及盐水上溯的装置，包括上游流量控制装置、中间水槽装置、下游潮汐流量控制装置，其特征在于:所述的上游流量控制装置包括进水管、恒流水箱、上游水位控制水箱；所述的中间水槽装置包括水槽槽体、测速装置、污染物进污水箱；所述的下游潮汐流量控制装置包括潮汐水位控制水箱、无压出水管、排水系统、回流水泵、潮汐回流模拟水箱、补偿或海水盐度模拟水箱；所述的水槽槽体上端连接上游水位控制水箱，下端连接潮汐水位控制水箱，所述的潮汐水位控制水箱连接潮汐回流模拟水箱；所述的补偿或海水盐度模拟水箱连接潮汐回流模拟水箱；所述的下游潮汐流量控制装置底部设有由横向拉板控制的矩形出水口，所述的潮汐回流模拟水箱设有垂向拉板控制的矩形回流口，矩形出水口的下端连接无压出水管；所述的污染物进污水箱设有控制水位高度的上下移动式溢流口，并通过进污管与水槽的进污口连接。
2.根据权利要求1所述的模拟潮汐往复流河道污染物迁移及盐水上溯的装置，其特征在于，所述的恒流水箱设有控制水位的挡板、溢流口和恒流水管；所述进水管流量大于恒流水管流量，恒流水箱中间设有控制水位高度的组合式挡板，组合式挡板分有不同的高度。
3.根据权利要求1所述的模拟潮汐往复流河道污染物迁移及盐水上溯的装置，其特征在于，所述的上游水位控制水箱和潮汐水位控制水箱设有潮汐最高水位线和潮汐最低水位线；所述的水槽槽体上设有污染物进污口、水质采样口和测速装置；所述的排水水箱设有排水口 ；所述的回流水泵分别与排水水箱和潮汐回流水箱连接。
4.根据权利要求1所述的模拟潮汐往复流河道污染物迁移及盐水上溯的装置，其特征在于，所述的排水系统包括排水管和排水水箱，无压出水管的出水排入排水水箱，之后一部分水通过回流水泵回流至潮汐回流模拟水箱，剩余水由排水管排出。
5.根据权利要求1所述的模拟潮汐往复流河道污染物迁移及盐水上溯的装置，其特征在于，通过控制横向拉板和垂向拉板的移动速度而改变矩形出水口和矩形回流口的大小来控制退潮和涨潮的速度。
6.模拟潮汐往复流河道污染物迁移及盐水上溯的方法，其特征在于，包括如下步骤: 构建模拟潮汐往复流河道污染物迁移及盐水上溯的装置；装置包括上游流量控制装置、中间水槽装置、下游潮汐流量控制装置，所述的上游流量控制装置包括进水管、恒流水箱、上游水位控制水箱；所述的中间水槽装置包括水槽槽体、测速装置、污染物进污水箱；所述的下游潮汐流量控制装置包括潮汐水位控制水箱、无压出水管、排水系统、回流水泵、潮汐回流模拟水箱、补偿或海水盐度模拟水箱；所述的水槽槽体上端连接上游水位控制水箱，下端连接潮汐水位控制水箱，所述的潮汐水位控制水箱连接潮汐回流模拟水箱；所述的补偿或海水盐度模拟水箱连接潮汐回流模拟水箱；所述的下游潮汐流量控制装置底部设有由横向拉板控制的矩形出水口，所述的潮汐回流模拟水箱设有垂向拉板控制的矩形回流口，矩形出水口的下端连接无压出水管；所述的污染物进污水箱设有控制水位高度的上下移动式溢流口，并通过进污管与水槽的进污口连接； 按照一定速度拉动横向拉板，潮汐水位控制水箱的水通过无压出水管和矩形出水口进入排水水箱，随着横向拉板拉度变大，矩形出水口面积会变大，落潮流量逐渐变大，待潮汐水位控制水箱的水位从潮汐最高水位线到平水位时，按一定速度合上横向拉板，潮汐流量越来越小直至为零，潮汐水位达到潮汐最低水位线，此时为大潮落停； 把垂向拉板按照一定的速度向上拉，潮汐回流模拟水箱的水通过矩形回流口回流至潮汐水位控制水箱，回流水量逐渐变大，待潮汐水位控制水箱的水位从潮汐最低水位线到平水位时，按一定速度合上垂向拉板，潮汐流量会越来越小直至为零，潮汐水位达到潮汐最高水位线，此时为大潮涨停；与此同时回流水泵按一定的比例从排水水箱抽水回流至潮汐回流模拟水箱；补偿或海水盐度模拟水箱通过补偿水管将一定比例的水流入潮汐回流模拟水箱，使潮汐回流模拟水箱水位保持一定高度的水位。
7.根据权利要求6所述的模拟潮汐往复流河道污染物迁移及盐水上溯的方法，其特征在于，所述的装置上游流量和下游出水量、排水量、回流水泵流量、潮汐回流水量、补偿水量或盐水入侵量均由实际河道对应流量通过流量比尺演变得到；所述的水槽槽体由实际地形河道通过水平、垂直比尺演变得到；所述的上游水位控制装置和潮汐水位控制装置的潮汐最高水位线和潮汐最低水位线由河道潮汐实际水位通过垂直比尺演变得到。
8.根据权利要求6所述的模拟潮汐往复流河道污染物迁移及盐水上溯的方法，其特征在于，调节横向拉板或垂向拉板拉开、合上的速度以控制涨潮和落潮的速度、周期，与断面监测数据进行对比拟合；调节回流水泵回流至潮汐回流模拟水箱的水量和补偿水管补偿水量的比例、大小，能够控制补偿水量或盐水入侵水量、潮汐回流水量与实测数据进行拟合；利用中间水槽装置的测速装置测定水槽中水体流速大小，与实际监测数据进行率定；利用上游水位控制水箱设的潮汐最高水位线和潮汐最低水位线率定上游潮汐回流水位高度。
9.根据权利要求6所述的模拟潮汐往复流河道污染物迁移及盐水上溯的方法，其特征在于，当用于模拟污染物迁移扩散机理时，采用补偿水箱；当用于模拟盐水上溯机理时，采用海水盐度模拟水箱。
10.根据权利要求6所述的模拟潮汐往复流河道污染物迁移及盐水上溯的方法，其特征在于，通过上下拉动污染物进污水箱的可移动式溢流口，可以改变污染物进污水箱的水位高度，通过改变水体势能控制进入水槽槽体的污水量，污水在实验室根据要求配制，污染物浓度可变化；调节恒流水箱上的挡板高度以控制水位，通过改变恒流水箱水体势能改变上游恒流水管的流量。
【文档编号】E02B1/02GK104264622SQ201410506075
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2014年9月26日 优先权日:2014年9月26日
【发明者】张鹏, 逄勇, 罗缙, 王健健, 黄亚文, 王雪, 王一舒, 蒋红, 韦雨婷, 贾俊杰, 潘红澈, 罗慧萍 申请人:河海大学