循环水槽—实验土杯跨尺度耦合的上覆水—床沙间污染物输运实验系统的制作方法

本发明涉及一种床沙间污染物输运实验系统，尤其涉及一种循环水槽—实验土杯跨尺度耦合的上覆水—床沙间污染物输运实验系统。

背景技术：

地表水富营养化问题是当前全球主要生态和环境问题，中国太湖、滇池等主要湖泊多数存在富营养化问题。内源污染在富营养起到了决定性作用，欧洲大量的湖泊治理表明，即使外源全部切断条件下，内源污染也会依然存在。不同学者提出了大量措施治理内源污染，但尚未取得满意的效果。内源污染的严重性，使得当前问题不再是“能否治理”，而是变为在切断外源条件下“何时”或“什么程度”的问题。在回答这一问题中，床沙和上覆水床面通量和床沙污染物迁移规律研究具有决定性意义。

试验研究是解决床沙-上覆水系统界面污染物输运的主要途径，主要方法可分为静态试验和动态试验。

现有技术一：

静态实验虽称“静态”，但水体并非处于静止状态，常在搅拌和震荡等作用下保持泥沙悬浮状态。实验主要用于研究泥沙悬浮后的吸附解吸特征，如不同因素(粒径、温度、酸度)对吸附解吸的影响。也有实验对床沙特性进行研究，如描述特定河段床沙吸附解吸特性；对比分析不同河段泥沙的吸附速率和平衡吸附浓度；研究不同因素对床沙吸附解吸特性的影响机理。但是，静态实验在河流床沙特性研究中的缺陷早已被认识，如黄岁梁指出静态实验方法“完全不考虑天然河流的水力特性，这对于天然河流水力条件千差万别来说，不能不说是一大不足”。

现有技术一的缺点：

静态实验成果应用时，存在以下问题，首先，静态实验中容器内溶液近似不变且无法考虑不同泥沙差异，常用吸附等温式对应其平衡条件，而实际上天然床沙物质通量本身是非平衡条件下的产物，是一个非恒定、非均匀过程；其次，静态实验完全改变了泥沙的水沙动力特性，无法保证流速、污染物浓度等实验参数的可控性。如Huang同时进行简单的搅拌实验和改进的湍流模拟杯进行了吸附解吸实验，结果发现吸附平衡的时间分别为2h和20min，再次证明搅拌实验的水沙动力与地表水的水沙动力全然不同。

现有技术二：

循环水槽动水实验可以实现实验段水沙动力和上游来流水沙条件的可控性，尾水流经水泵又输送至水槽上游，循环使用。在实验段外增加设备，以控制水沙的浓度和化学条件。循环水槽的供水系统，尾门控制等水沙动力学控制已相对成熟。床沙-上覆水污染物交换研究中，床沙近似充满整个河道，基此模拟床沙输运过程床面-上覆水污染物交换。

现有技术二的缺点：

但是，现有方法存在如下问题：

1)整个河道充满床沙，床沙在水流作用下，存在推移运动和冲淤变化。床面冲淤使得表层泥沙发生变化，无法研究垂向不同深度泥沙和上覆水的交换过程。

2)上覆水-床沙中污染物交换与泥沙物理特性和化学特性相关，试验过程常需要控制泥沙物理特性(如粒径)和化学吸附特性(如表层可交换态)，河道试验需采用天然河沙，若整个河道作为床沙实验区，则用沙量非常大，如10m长、0.3m宽，床沙厚度为0.15m，则一次实验需要沙量0.45m3。而且吸附解吸试验后泥沙无法重复利用。试验泥沙需要取自河沙，试验规模过大，成本过高，试验费用或工作量角度都会难以满足。

3)若将河床作为一者整体，则每次只能做一组特定物理化学性质的泥沙样品。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种方便控制床沙参数，经济、可行的循环水槽—实验土杯跨尺度耦合的上覆水—床沙间污染物输运实验系统。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明的循环水槽—实验土杯跨尺度耦合的上覆水—床沙间污染物输运实验系统，包括循环水槽，所述循环水槽内设有床沙－上覆水污染物交换区，在床沙底部的循环水槽的床面上留出土杯接口并连接土杯，所述土杯口部与所述循环水槽的床面齐平，床沙及上覆水与所述土杯连通。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的循环水槽—实验土杯跨尺度耦合的上覆水—床沙间污染物输运实验系统，耦合静态试验设备和循环水槽系统，提供地表水上覆水相似的水动力条件，同时方便控制床沙参数，减少床沙试验用沙，增加试验的经济型和可行性。

附图说明

图1为本发明实施例中实验水槽系统的侧面结构示意图。

图2为本发明实施例中实验水槽系统的平面结构示意图。

图3为本发明实施例中床沙-上覆水接口区的土杯接口(左边为方形，右边可直接放置烧杯)的布置示意图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

本发明的循环水槽—实验土杯跨尺度耦合的上覆水—床沙间污染物输运实验系统，其较佳的具体实施方式是：

包括循环水槽，所述循环水槽内设有床沙－上覆水污染物交换区，在床沙底部的循环水槽的床面上留出土杯接口并连接土杯，所述土杯口部与所述循环水槽的床面齐平，床沙及上覆水与所述土杯连通。

所述土杯的横截面为圆形或方形。

所述循环水槽连接有泵池、上池、调节池和两个供水缸，所述泵池与调节池连接，所述泵池与循环水槽首部的进水口之间设有主泵，所述两个供水缸与调节池之间设有补水泵，所述循环水槽尾部的出水口与两个供水缸连接；

所述主泵和补水泵分别设有流量计，所述循环水槽的进水口位置设有球式稳流器，所述循环水槽尾部的出水口设有水位调节器。

所述循环水槽提供天然河流相似的水动力条件，所述土杯则在有限空间提供相似的天然床沙条件，模拟天然河流床面通量和床沙垂向污染物输运规律，实现了静态烧杯试验和循环水槽的联合优势。

本发明的循环水槽—实验土杯跨尺度耦合的上覆水—床沙间污染物输运实验系统，解决了现有技术中，静态试验规模小，仅需在一个烧杯中完成，但无法模拟河流上浮水水动力条件；而循环水槽足够大，试验费用太大、试验效率过小的问题。

本发明的循环水槽—实验土杯跨尺度耦合的上覆水—床沙间污染物输运实验系统，耦合静态试验设备和循环水槽系统，提供地表水上覆水相似的水动力条件，同时方便控制床沙参数，减少床沙试验用沙，增加试验的经济型和可行性。

1)首先需要解决的是水动力相似性和可控性问题。水动力学控制主要是供水流量稳定、流态稳定、尾门水位控制、河道比降控制。

2)其次是减小床沙试验不确定性影响因素，减少床沙表层泥沙推移运动，水平和垂向无泥沙输移，以研究污染物在床沙的垂向输移。

3)本发明中床面表层提供试验接口，下部可连接床沙试验土杯，土杯与床面齐平，并保证与上覆水连通。不同土杯可以盛有不同特性泥沙，仅在土杯内进行上覆水-床沙通量和污染物垂向输运试验研究。不仅满足上覆水水流的相似性，又将实验用沙减小大静态试验的用沙量级。

下面将结合附图对本发明实施例作进一步地详细描述。

具体实施例：

实验水槽系统所在实验室同时设置化学实验台及配套实验仪器。实验水槽系统设计如图1、图2所示。循环水槽长L＝12.00m，宽B＝0.30m，调坡范围0～1.5％。最大水深0.15m(宽深比2)、最大流速1.00m。最大水深时流速为0.40m/s；最大流速时水深0.06m。

动力系统拟增加调节池和补水泵。由补水泵从两个供水缸轮换向调节池供水，保持调节池水位不变，主泵从泵池向水槽供水；双泵间设有流量计，通过水泵调节流量大小；水槽进口位置增设球式稳流器，保证水槽流态的稳定；水槽尾部出水口设有水位调节器，可以调节水位。尾水回流进入供水缸。由供水缸1和2交替供水。

如图3所示，床沙-上覆水试验接口区提供床沙试验接口(左边为方形，右边可直接放置烧杯)，床面下部提供方形试验土杯。土杯上部与床面水平，水体流过床面时，土杯床沙会与上覆水发生交换。通过调控水流流速、水位，变换土杯泥沙物理化学条件，研究不同条件下污染物在床沙-上覆水间的交换规律。土杯深度为15～25cm作用。

本发明技术方案带来的有益效果：

循环水槽与平行侧限土杯耦合后，水槽为提供河道相似的水流条件，侧限土杯模拟河流床沙，进而研究不同床沙结构、不同水流条件下床沙污染物垂向输运和床面通量。试验时仅需将沙盛满侧限土杯即可。

1、侧限土杯降低了床沙的纵向输运和床沙冲淤，减小垂向输运存在的一个不确定因素，可以更好的反映床面垂向通量和污染物在床沙的垂向输运；

2、降低试验费用。实验用沙量与普通烧杯用沙量，大大降低了用沙量，降低试验成本，增加了模型的可实现性；

3、提高试验效率，降低工作量。在水槽上浮水运行时，可以同时放置多组平行土杯，对不同性质(如不同粒径或成分)泥沙进行试验，并进行平行试验，提高了试验效率，降低试验工作量。

上述床沙土杯设计为方形，但也可以采用圆形或其它形状土杯替代，只是需要水槽床面提供相应的接口，使不同形状盛沙土杯表面与水槽床面齐平、垂向连通且底部不漏水即可。

本发明的关键技术是：

循环水槽和试验床沙土杯的联合应用，在床沙底部留出土杯接口。土杯口部与水槽床面齐平，上覆水与土杯连通。水槽可以提供天然河流相似的水动力条件，土杯则在有限空间提供相似的天然床沙条件，模拟天然河流床面通量和床沙垂向污染物输运规律。实现了静态烧杯试验和循环水槽的联合优势。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。