本实用新型涉及泥沙动力学和环境科学技术领域，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。
背景技术：
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。该实用新型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。该实用新型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。
技术实现要素：
有鉴于此，本实用新型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，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，本实用新型采用的解决方案是：
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仪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，所述玻璃试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，同时正对于所述玻璃试片，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
与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：
(1)铸铁管管体外部覆盖有加热带对水体进行加热，水流不断流经加热带的过程使水槽中水体整体受热均匀，调节温控装置可以上使水体整体维持在一个稳定值，以提高实验的准确度。同时，加热带紧贴在铸铁管道外部，有别于传统的加热棒浸没在水体之中，不影响水体流态。外夹式超声波流量仪采用外夹式感应探头，不接触水体，同样不影响水流运动形态。
(2)通过气动接头调节取样管可测定水体垂线方向上不同深度含沙量，可得到水体泥沙浓度在垂向上的分布情况。同时，该数值可以与悬浮物浓度仪所测含沙量相比对，提高实验准确度。
(3)环形水槽相当于各断面水流状态相同的无限长水槽，将直槽的距离尺度转换为时间尺度，更接近河流的实际流场情况。其优点在于占地小、结构简单、建设成本低、对水体影响小、操作简单快捷、实时性强。
(4)测试箱体采用连通器原理，在不影响水体流态的情况下可通过调节U型管没入水体深度实时测量水体理化性质。将各pH计及悬浮物浓度仪安装于测试水箱中不仅不影响水体流态，而且便于操作。测试箱体安装于直槽段凹岸侧，避免了沙样及碎屑在水流离心力作用下堆积于测试箱体中。
(5)封闭式环形水槽可以通过调节速度使泥沙均匀平铺在底部，省去了人工铺沙的步骤，节省了人力物力。
(6)采用定量观测手段与定性观测手段相结合的方法，一方面用摄像及定性观测不同流速下床沙沙波的形态，另一方面通过与体式显微镜连用来定量观测泥沙覆盖率与流速之间相关关系来判别泥沙起动和沉降的三种状态。
(7)本装置基本依靠主机调控各个单元运转，基本实现了智能化，节省了人力物力。
附图说明
图1为本实用新型模拟外源污染物对泥沙起动和沉降影响的实验装置的结构示意图；
图2为本实用新型中测试箱体及其上布置的测量单元的结构示意图。
附图标记：1-壁挂式流速控制装置，2-外贴式加热带，3-温控装置，4-外夹式超声波流量仪，5-环形水槽，6-进样水箱，7-计量泵， 8-进水阀门，9-进水管道，10-带阀排气管，11-玻璃试片，12-摄像机， 13-pH计，14-透明水尺，15-测试箱体，16-悬浮物浓度测定仪，17- 取样管，18-活接阀门，19-放水管，20-排空阀门，21-循环水泵，22- 体视显微镜，23-控制主机，24-U型管，25-带阀门气动接头，26-可拆卸侧壁，27-遮光升降板，28-可拆卸开关。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整的说明。
如图1所示，本实用新型观测泥沙起动运动和测量起动流速的模型试验装置包括环形水槽5、进样单元、控制单元、测量单元及拍摄单元。所述环形水槽可采用有机玻璃制成。
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。
所述环形水槽5可分段组成，例如分为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5呈椭圆形，并且所述环形水槽5通过四个有机玻璃支撑柱与地面保持40cm的距离。
所述环形水槽5的长轴直圆管下方与放水管19相连，上方与带阀排气管10相连。所述放水管19上安装有排空阀门20，用于控制放水管19的通断。
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的短轴直圆管中部垂直上方，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的短轴直圆管连接，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。所述进样水箱6外侧有体积刻度线，顶部有可移动盖板，计量泵7受控制主机23控制可以精准控制进样量。
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。所述温控装置3包括温控模块、液晶感应式温度计，贴覆于环形水槽外壁，不接触水体，驱动方式为电池驱动，通过蓝牙与控制主机23通信，控制所述外贴式加热带2 关停。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。
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的进出水口与短轴直圆管相通，循环水泵21驱动水循环流动，模拟自然环境下水的流动状态，所述外夹式超声波流量仪 4、循环水泵21通过管道线与所述壁挂式流速控制装置1相连接，壁挂式流速控制装置1与水槽上方墙体结合。所述外夹式超声波流量仪 4固定在铸铁管道外部，不接触水体，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。
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，其中pH值测量单元、悬浮物浓度测量单元、水位测量单元位于测试箱体15中。
所述测试箱体15粘合于所述环形水槽5的长轴直圆管外侧，通过U型管24连通环形水槽5。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。所述测试箱体15由遮光升降板27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。遮光升降板27可插拔式装入测试箱体 15，当其插到底部时两部分封闭，往上拔时两部分联通。左半部分可以测一些理化性质，右半部分主要测试需要遮光测试的理化性质。所述测试箱体15左半部分侧面贴有水位测量单元(例如透明水尺14) 以测量实时水位。所述pH值测量单元可为pH计13，其探头没入所述测试箱体15的水中。悬浮物浓度测量单元可为悬浮物浓度测定仪 16，所述测试箱体15右半部分内安装所述悬浮物浓度测试仪16探头。所述pH计13与所述探头式悬浮物浓度测试仪16通过连接线与控制主机23相连。所述测试箱体15设有可拆卸侧壁26，其通过可拆卸开关28与测试箱体15固定，在试验结束后将可拆卸侧壁26打开可清除测试箱体15内收集的泥沙污垢等。
所述取样单元包括取样管17及设于取样管上的活接阀门18。取样管17可采用铜质材料制成。取样管17通过活接阀门18的气动接头插入所述环形水槽5内部，通过气动接头调节取样管17的高度可测量不同水位含沙量。取样管17呈“L”形状，取样管17入口处与水流流向平行，取样管17出口处接导流管采用虹吸方式导入接沙杯，其中导流管出口端低于取样管17出口端。
所述拍摄单元包括玻璃试片11、摄像机12以及体式显微镜22。所述玻璃试片11位于所述环形水槽5的长轴直圆管底部，所述摄像机12位于水槽主体5外侧底部，同时正对于所述玻璃试片11。摄像机12与体式显微镜22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。摄像机12一方面可拍摄不同流速下的床面形态，另一方面通过与体式显微镜22连用拍摄玻璃试片上泥沙颗粒覆盖情况以确定实时泥沙覆盖率。本实用新型通过拍摄不同流速下的床面形态可建立泥沙起动和沉降的全过程，建立试片上泥沙覆盖率和流速之间的相关关系，测定不同流速下水体含沙量。
利用本实用新型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，包括如下步骤：
(1)用进样单元的计量泵7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6，同时注入一定量粗纯水至对应刻度线，经进水管道9进入环形水槽5。控制主机23启动流速流量控制单元的循环水泵21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5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23根据pH计13传回的pH值及温控装置3传回的温度值反馈调节计量泵7及加热带2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1，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22。
(4)将取样管17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。
通过本装置研究变化环境中一种或者多种污染物同时存在时河流泥沙在流体作用下的起动、悬浮、沉降过程的规律研究，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。
本实用新型选用环形水槽，将传统直槽的距离尺度转换为时间尺度，基本实现智能化调控，占地面积小，建造成本低，具有实时性强、操作方便快捷的优点。在本水槽中，外源污染物浓度可以由计量泵7 精准调控，进入水槽的沙样可以由循环水泵21驱动水流高速运行后，自然均匀沉降成平整床沙，节省了人力物力，同时铺平效果较人工铺平有所改善。本装置考虑了不同条件下外源污染物对泥沙起动和沉降的影响。本实用新型拟通过改变温度、水体pH值、外源物质浓度等条件来研究水化学条件变化对泥沙起动和沉降运动过程的影响。
尽管上面结合附图对本实用新型的实施例进行了描述，但本实用新型并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本实用新型的启示下，在不脱离本实用新型宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式，这些均属于本实用新型的保护范围之内。