一种模拟闸门开启条件下闸下底泥污染物释放的实验模拟装置及其应用的制作方法

本发明涉及一种水环境保护研究领域的实验模拟装置，还涉及上述实验模拟装置在还原模拟闸门开启下闸下底泥污染释放方面的应用。

背景技术

水闸是修建于河道、渠系、水库、湖泊及滨海地区，利用闸门控制水流流量、调节水位的低水头水工建筑物。建闸不仅有利于水资源的合理配置，缓解我国由于水资源时空分布不均所带来的水资源供求矛盾，进一步实现水资源效益的最大化；而且还能够提高河道抗御洪涝、旱碱等自然灾害的能力，降低灾害发生的频率和危害程度，有利于河流社会服务功能的充分发挥。

随着水闸等水利工程建设规模的不断发展，人们对河道水流运动的调控干预能力日益增强，导致季节性降水对河道流量变化的影响趋于减弱，河道水流运动由建闸前的天然动力过程转变为建闸后的控制响应过程，水力结构特征发生明显改变，污染物在底泥-上覆水体系中的迁移转化过程也呈现出新的规律。特别是在水闸附近的河段，当闸门开启放水，河道流量增加，下泄水流对闸下底泥形成冲击扰动，引起底泥中沉积颗粒物的显著再悬浮；而底泥对污染物的储存、迁移和转化起着重要的作用，是污染物在水体中迁移转化的载体、归宿和蓄积库，在下泄水流的作用下，底泥中蓄积富集的污染物随着再悬浮过程向上覆水体大量释放，势必对闸区及下游水体的生态环境产生污染影响。因此，有必要开展水闸开启对河流底泥污染物释放作用机制的研究，研究结果能够进一步深入理解污染物的水土界面迁移机理，对控制河道污染，改善河流水质状况具有理论指导与现实意义。

然而目前关于开闸时下泄水流对于底泥污染物释放影响的研究少有报道，现有的研究主要集中在野外原观和数学模型两个方面。其中野外原观受限于复杂多变的现场自然因素，无法实现受控条件下的微观探索，同时需耗费大量的人力、物力资源，通常只作为一般的现场调查和理论验证；数学模型本质则是机理机制的数学表达与求解方式，是建立在对研究对象已有充分认知的基础之上，难以用来揭示尚未发现的客观规律。而用室内实验来研究开闸时下泄水流对闸下底泥污染物释放的影响尚未可见，故本发明制作了这一装置，为以后的研究提供了实验基础。

技术实现要素：

发明目的：本发明所要解决的技术问题是提供一种模拟闸门开启条件下闸下底泥污染物释放的实验模拟装置，该实验模拟装置能够实现在室内来研究闸门开启时下泄水流对底泥的冲击时底泥沉积污染物释放的情况；同时该实验模拟装置不需要做很长，也能良好地消除开闸泄水时水槽末端边壁形成的强烈返流和反射波对实验区域水流的扰动而影响实验结果的问题。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术手段为：

一种模拟闸门开启条件下闸下底泥污染物释放的实验模拟装置，包括顶部开口的实验水槽，实验水槽通过闸门分隔成上游腔体和下游腔体，所述上游腔体和下游腔体具有一定的液位差；所述闸门与电机的转轴固定连接；所述下游腔体内铺设有人工仿制泥槽；所述下游腔体的尾端设有消能斜板，所述消能斜板与水平面的夹角为15～25°；所述实验水槽的底部设有变坡装置。

其中，所述变坡装置包括支撑杆、升降杆i以及带动升降杆i沿纵向移动的升降电机i；所述升降杆i位于闸门位置的下方，所述支撑杆位于下游腔体下方。

其中，所述下游腔体尾端的内侧壁上设有横向滑槽和纵向滑槽，消能斜板底部设有升降杆ii以及带动升降杆ii沿纵向移动的升降电机ii，消能斜板四个边角处还设有滑块，滑块分别嵌入对应的滑槽中并沿滑槽移动。

其中，所述人工仿制泥槽从下往上依次为80g/m²的短纤针刺土工布、220g/m²的短纤针刺土工布、复合土工滤网和300g/m²的短纤针刺土工布；所述人工仿制泥槽的侧壁从外到内依次由复合土工滤网和300g/m²的短纤针刺土工布围合而成。

其中，还包括位于下游腔体下方的接水池。

其中，还包括水样自动采集装置、沉积底泥柱状采样器和流速测量装置。

其中，还包括控制装置，水样自动采集装置、沉积底泥柱状采样器、流速测量装置、电机、升降电机i和升降电机ii均通过控制总线与控制装置连接。

上述模拟闸门开启条件下闸下底泥污染物释放的实验模拟装置在还原模拟闸门开启下闸下底泥污染释放方面的应用。

其中，具体的模拟方法包括如下步骤：

步骤1，装入沉积底泥：将用于试验的沉积底泥装入下游腔体的人工仿制泥槽中，并静置一段时间；

步骤2，调整实验水槽的坡度：根据实际的地形坡比，通过升降杆i调整实验水槽的坡度；

步骤3，调整下游腔体水位：根据实际的闸下河流水位，通过升降杆ii调整消能斜板与水平面的夹角，进而调整下游腔体水位；

步骤4，将水分别灌入上游腔体和下游腔体中，使上游腔体和下游腔体形成一定的水位高度差；

步骤5，开启闸门，模拟开闸时水流对底泥的冲击；

步骤6，分别通过水样自动采集装置和沉积底泥柱状采样器对实验水槽内的沉积底泥和水体进行取样，并对样品进行分析检测；同时利用流速测量装置对实验水槽内水体的流速进行量测。

相比于现有技术，本发明技术方案具有的有益效果为：

本发明实验模拟装置能够实现在室内来研究开闸时下泄水流对底泥的冲击时底泥沉积污染物释放的情况；同时该实验模拟装置不需要做很长，也能良好地消除开闸泄水时水槽末端边壁形成的强烈返流和反射波对实验区域水流的扰动而影响实验结果的问题。

附图说明

图1为本发明中底泥沉积污染物释放模拟实验装置(不包含测量装置)的结构示意图；

图2本发明装置的侧视图；

图3本发明装置中水样自动采集装置的侧视图；

图4本发明装置中水样自动采集装置的俯视图；

图5为本发明装置中人工仿制泥槽的横截面示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明。

本发明为一种模拟闸门开启条件下，水流下泄冲击闸下底泥形成的沉积污染物释放过程的实验装置，包括水槽消能装置、变速升降式闸门装置和自动量测装置，各装置的动力部分均通过控制总线与计算机(控制装置)相连，从而通过计算机即可自动控制整个泄水过程、测量过程及显示测量结果。

如图1～5所示，本发明模拟闸门开启条件下闸下底泥污染物释放的实验模拟装置，包括顶部开口的实验水槽1，实验水槽1通过闸门3分隔成上游腔体19和下游腔体20，上游腔体19和下游腔体20具有一定的液位差；闸门3上方设有变速电机2，闸门3与变速电机2的转轴固定连接；下游腔体20内铺设有人工仿制泥槽18；下游腔体20的尾端设有消能斜板6，消能斜板6与水平面的夹角为15～25°；实验水槽1的底部设有能使实验水槽1呈一定坡度的变坡装置；变坡装置包括支撑杆5、升降杆i4以及带动升降杆14沿纵向移动的升降电机i21；支撑杆5设置在靠近消能斜板6的一侧，升降杆i4设置在支撑杆5相对的另一侧，通过手动或自动(升降电机i21)调整升降杆i4的高度，使实验水槽1形成一定的坡度，从而能够准确地模拟实际河流的地形坡比，使测试数据更为准确、可靠；下游腔体20尾端的内侧壁上设有横向滑槽9和纵向滑槽8，消能斜板6底部设有升降杆ii10以及带动升降杆ii10沿纵向移动的升降电机i22，消能斜板6四个边角处还设有滑块7，滑块7分别嵌入对应的滑槽中并沿滑槽移动；消能斜板6通过升降杆ii10的上下伸缩以实现消能斜板6高度和角度的自由调节，当其与水平夹角为15-25°时，其消能的效果最好；本发明装置还包括位于下游腔体20下方的接水池11，接水池11以承接经消能斜板6溢出的实验尾水，接水池11优选为矩形，也可以为方形或圆形等。

其中，变速升降式闸门装置设置在实验水槽1内，包括闸门3(闸门3上标有刻度，有利于实验时读取闸门3的开度)以及启动闸门3开合的可调速电机2；通过变速电机2的启动使得闸门3打开至一定开度，即可以模拟水闸开启瞬间，下泄水流对沉积底泥的冲击。

本发明实验模拟装置还包括自动测量装置，自动测量装置包括水样自动采集装置和设置在实验水槽1顶部的非接触式流速测量装置12，此外，底泥样通过沉积底泥柱状采样器采集。流速测量装置12采用的是adv测速仪，该adv测速仪通过adv支架13固定在实验水槽1的顶部。水样自动采集装置由可转动的转盘24和试管25组成，采用蠕动泵取水方式，由控制装置控制工作，在实验水槽1的侧壁沿垂向设置有5个带阀取样口23作为采样点，确定时间间隔后，开启阀门，通过转动转盘24带动试管25转动，使不同时刻的水样进入不同的试管25中，方便后续分析不同时间，不同垂向上的水样(主要是分析水样中沉积底泥污染物的释放情况，看看水体中污染物的含量以及水体被污染的情况)。

在闸门3下游一定距离的实验水槽1底部设置有泥槽18，其为底泥污染释放的模拟实验区域，在泄水过程结束后，通过沉积底泥柱状采样器采集底泥样进行分析；通过向实验水槽1注水，在上下游形成水位差，随后开启变速电机2打开闸门3，形成下泄水流；水流到达消能斜板6后，动能在沿消能斜板6爬高中损耗，最后溢出消能斜板6进入接水池11中，从而有效规避了传统水槽中下泄水流撞击水槽末端边壁形成的强烈返流和反射波对实验区域水流的扰动与影响，从而能够还原天然状态下开闸水流对闸下底泥的冲击过程，并能模拟在此特殊水动力条件下，闸下底泥沉积污染释放的情况。

本发明实验模拟装置泥槽18的优选布置方式如下：首先在实验水槽1底部铺一层厚11.5cm的80g/m²的短纤针刺土工布18-1，再在其上再铺设一层厚度为6.5cm的220g/m²的短纤针刺土工布18-2；然后，再依次铺设空隙率为1∶9且厚度为4cm的高分子材料复合土工滤网18-3和厚度为3.5cm的300g/m²的短纤针刺土工布18-4；泥槽18的侧壁从外至内依次布置有空隙率为1∶9的高分子材料复合土工滤网和300g/m²的短纤针刺土工布。本发明泥槽18的结构充分还原了天然状态下底泥的底部渗透性。

本发明实验模拟装置在还原模拟闸门开启下闸下底泥污染释放方面的应用，包括以下步骤：

第一步，装入沉积底泥：将用于试验的沉积底泥(河里挖来的底泥)装入实验水槽1的泥槽18中，并静置一段时间；

第二步，调整实验水槽1的坡度：根据实际的地形坡比，通过调节实验水槽1底部的升降杆i4向上升或向下降，从而调整实验水槽1的坡度；第三步，调整消能斜板6的角度：根据试验研究需要，通过滑块7、横向滑槽9、纵向滑槽8和升降杆ii10，实现消能斜板6高度和角度的调整；当消能斜板6的坡度为15～25°时，其消能效果最好；

第四步，向实验水槽1中注水：分别在闸门3上下游缓慢注水，尽量减少对沉积底泥的扰动，使上下游形成一定的水位高度差；

第五步，开启闸门3：通过启动变速电机2打开闸门3，使其到一定开度，从而模拟开闸时水流对沉积底泥的冲击；闸门3的开度应不大于8cm，否则其下泄水流的冲击力不足；

第六步，沉积底泥和水体取样及测试：利用自动采集装置对实验水槽1内的水体进行取样，利用沉积底泥柱状采样器对试验水槽1内的沉积底泥进行取样，并对样品进行测试；

第七步，流速测定：利用流速测量装置12对实验水槽1内水体的流速进行测试。

本发明实验模拟装置中的实验水槽1可调整坡度，即其能够准确地模拟实际河流的地形坡比，使测试数据更为准确、可靠；同时其能够结合在水槽尾端设置的消能斜板6的协同作用，从而有效规避传统水槽中下泄水流撞击水槽末端边壁形成的强烈返流和反射波对实验区域水流的扰动与影响，水流通过消能斜板6流入接水池11而消除波能，进而能够还原天然状态下开闸水流对闸下底泥的冲击过程，并能模拟在此特殊水动力条件下，闸下底泥沉积污染释放的情况。本发明装置能够准确模拟开闸泄水时的水动力情况，从而能够在该独特的水力冲击环境作用下来研究底泥污染释放的问题。