专利名称：河道底泥再悬浮装置及其使用方法
技术领域：
本发明涉及环保技术领域，具体涉及一种水动力作用下河道底泥再悬浮装置及其 使用方法。
背景技术：
随着经济的快速发展和城市化进程的加快，我国许多城市河流水质污染和生态退 化问题十分突出，耗氧性有机污染物和氮磷营养盐含量居高不下，甚至出现了季节性和常 年性水体黑臭现象。以上海为例，据其2009年水资源公报表明，上海市719. 8千米评价河道 中，优于III类(含III类)水河长占评价河长28. 7%、IV类水河长占27. 2%、V类水河长占8. 5%、 劣V类水河长占35. 6 %。因此，解决城市河流的污染、恢复河流的生态和社会功能问题，仍 然是许多城市可持续发展过程中亟待解决的关键任务之一。
在城市河道污染治理方面，内源释放一直是比较受关注的问题，也是治理的难点。 为有效控制内源释放，就必须研究河道上覆水和底泥之间的物质交换和输送规律，其中水 动力条件对底泥悬浮和内源污染物的释放起着非常大的作用。由于河道底泥在水动力条件 下的环境行为是一个十分复杂的过程，难以直接在开放性河道中进行定量分析研究，因此 如何能够借助有效的试验设备来真实模拟水动力作用下河道底泥的再悬浮过程是一个关 键性的问题。
现有技术中对水动力作用影响底泥内源释放的过程分析，多限于使用烧杯和锥形 瓶等模拟水体，但这些模拟水体不能有效反映河道底泥水动力条件下再悬浮的实际情况。 也有其他技术人员借助于过去用于研究泥沙沉降特性的水槽进行相关研究，包括直槽、双 向环形水槽、加长型环形水槽等。但直槽需要设置贮水箱和回流装置来实现连续进水，不可 避免受到进水泵的扰动，而且要求直槽有足够的长度，这些均难以真实反映底泥在自然水 动力条件(例如风浪扰动)下内源释放的状态。使用环形水槽是把直槽的长度转化为时间 尺度，以模拟无限长的水槽，由于其水流运动的封闭性，没有出流、入流的物理边界，可克服 直槽的上述缺点，因而得以较多的应用。但环形水槽由上、下盘及驱动控制系统3部分组 成，结构较为复杂，而且其旋转产生的离心力易于形成横向副流和流速沿径向分布不均等 现象，使得底泥再悬浮过程的研究变得更为复杂。
本发明克服现有技术的以上缺陷，提供一种河道底泥再悬浮装置及其使用方法， 通过安装可调式支架固定水流推进器或推水叶轮，同时通过变频调速器的调控，分别模拟 风浪扰动等自然水动力条件或人工曝气复氧条件下底泥再悬浮过程，本发明结构较为简 单、成本较低、占地面积较小，能够有效再现水动力条件下底泥再悬浮过程，在底泥再悬浮 相对稳定条件下进行不同深度水样和泥样的采集，满足水动力扰动——流场运动——底泥再 悬浮间定量关系的研究需求，可以实现人工曝气复氧条件下河道底泥再悬浮过程的模拟。发明内容
本发明的目的在于提供一种适合于模拟不同水动力条件下底泥再悬浮过程的装置及其使用方法。
本发明提供一种河道底泥再悬浮装置，其特征在于，所述装置为单轴跑道型结构， 包括外壁、水流推进器、可调式支架、电器控制箱、隔水墙、取样阀、黑色壁纸。其中，所述外 壁由位于两端的导流墙和位于两侧的侧壁构成；所述水流推进器固定在可调式支架上；所 述可调式支架设置于隔水墙与外壁之间；所述电器控制箱设置在所述外壁的外侧；所述隔 水墙设置在轴心线上；所述取样阀设置在所述外壁的外侧；所述黑色壁纸包裹在所述装置 的外侧。
其中，所述导流墙为圆弧形；所述侧壁为直线形。
其中，所述隔水墙设置在与侧壁平行的轴心线上。
其中，所述可调式支架为两套，分置于隔水墙的两侧；所述水流推进器为两套，分 置于隔水墙的两侧。
其中，所述电器控制箱为壁挂式，包括变频调速器和漏电开关。
其中，所述取样阀对应于上覆水层、浮泥层和黑泥层分别设置。
其中，所述黑色壁纸对上覆水层水面以下的装置外壁进行包裹。
本发明还提供了一种所述河道底泥再悬浮装置的使用方法，其特征在于，首先在 所述装置底部铺上细沙层，然后采集河道底泥，按照黑泥层、浮泥层的次序，依次均勻铺设 于装置底部的细沙层之上；随后注入采集的河水，配置上覆水层，静止沉淀12 - 24小时； 通过所述可调式支架来调节所述推进器的安置深度，以变频调速器来调节向水体水平传递 的速度。
其中，所述上覆水层、浮泥层、黑泥层的高度配置比例为6 1 2 — 9 1 2。
其中，所述河道底泥的采集使用柱状采样器，所述采集的河水是以虹吸法轻轻注 入。
现有技术中的模拟装置多采用环形水槽，其需要通过装置本身的相向运动产生切 向力，进而引起水体产生流场运动。本发明底泥再悬浮装置是通过安装可调式支架固定水 流推进器或叶轮，同时通过变频调速器的调控，向装置中的水体定向传递水平速度来模拟 不同的水动力作用。两套水流推进器分别设置于隔水墙的两侧，二者产生的水流方向为相 反方向。本发明装置的构型也不同于现有的环形水槽，呈单轴跑道型，其通过设置隔水墙和 弧形导流墙以利于水流的循环流动，通过设置可调式支架来实现水流推进器或叶轮淹没深 度的连续式调节；另外，为了有效模拟河道的真实光照情况，在装置四周包裹黑色壁纸以避 光。
本发明中，所述“单轴跑道型结构”是指由位于中心轴线上的隔水墙、轴线两端的 半圆形导流墙和轴线两侧的直线形外墙衔接组成的结构，该结构有利于装置内水流的循环 流动。
本发明中，所述“河道底泥”是包括浮泥层和黑泥层。
本发明河道底泥再悬浮装置的使用方法，提供了适合于不同水动力条件下底泥再 悬浮模拟所采用的技术方案，包括本发明装置的构型、水动力条件扰动的模拟、河道底泥的 采集与配置方法、上覆水的配置方法，具体如下装置的构型本发明装置为单轴跑道型，包括外壁、推进器、可调式支架、电器控制 箱、隔水墙、取样阀、黑色壁纸、螺丝、上覆水层、浮泥层、黑泥层和细沙层。其中，外壁是由导流墙和侧壁构成。
水动力条件扰动的模拟通过安装可调式支架，来实现水流推进器或叶轮淹没深 度的调节，利用变频调速器控制推进器或叶轮向装置中的水体传递不同水平速度来模拟不 同的水动力作用。
其中，所述“曝气复氧”是指通过设置曝气装置向水体充氧产生的水动力作用。
其中，所述“风浪扰动”是指通过自然风浪产生的水动力作用。
本发明中通过设置隔水墙和弧形导流墙以利于水流的循环流动，实现河道水体流 场运动的模拟；通过改变水流推进器的深度位置，实现水动力方式的模拟；还可以通过变 频调速器实现向水体传递水平速度大小的调节，其值通过雷诺数相似准则计算，实现水动 力强度的模拟。
河道底泥的采集与配置方法首先在装置底部铺上一层细沙，然后将用柱状采样 器采集模拟河道的底泥按照上覆水层、浮泥层和黑泥层三者高度的比例均勻铺设于装置底 部，轻压使底泥处于相对平整状态。
上覆水的配置方法以虹吸法轻轻注入采集的河水。
本发明结合国内外的研究现状，考虑我国河道不同水动力作用模拟的实际需求， 开发了适合于模拟不同水动力条件下底泥再悬浮过程的单轴跑道型装置。其有益效果是 (1)提供适合不同水动力条件下底泥再悬浮模拟装置，既可模拟风浪扰动等自然水动力条 件底泥再悬浮过程，尤其更能再现人工曝气复氧条件下底泥再悬浮过程；(2)首次通过安 装可调式支架固定水流推进器或推水叶轮，并结合变频调速器的调控，向装置中的水体传 递水平速度来模拟不同的水动力作用，其结构简单、成本较低且使用方便，能够有效模拟水 动力作用下河道底泥的再悬浮。
图1是本发明河道底泥再悬浮装置的平面结构示意图。
图2是图1的A-A剖视示意图。
图3 (A)是可调式支架的正立面示意图。
图3 (B)是可调式支架的侧立面示意图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例，进一步详细说明本发明。
实施例1参考图1、图2所示，本发明河道底泥再悬浮装置呈单轴跑道型，包括1是外壁，2是推 进器，3是可调式支架，4是电器控制箱，5是隔水墙，6是取样阀，7是黑色壁纸。其中，外壁 1是由导流墙Ia和侧壁Ib构成，导流墙Ia设置在装置的轴线两端，呈圆弧形；侧壁Ib设 置在轴线两侧，呈直线形。外壁1呈环形是有助于水流的定向干预。参考图2所示，9是上 覆水层，10是浮泥层，11是黑泥层，12是细沙层。参考图3 (A)、图3 (B)所示，8是螺丝，设 置在可调式支架3上。
其中，水流推进器2固定在可调式支架3上，位于隔水墙5与外壁1之间，设有两 套，向装置中的水体传递水平速度来模拟不同的水动力作用。水流推进器2还可以是叶轮装置。可调式支架3设置在隔水墙5与外壁1之间，其上固定有螺丝8，共设有两套，其位置 与模拟的水动力条件相关，可实现水流推进器淹没深度的连续式调节，如图3所示。电器控 制箱4设置在装置的外侧，内有变频调速器和漏电开关组成，可实现水流推进器或叶轮向 水体传递水平速度大小的调节。隔水墙5设置在装置内与侧壁Ib平行的轴心线上，有利于 水流的环形流动。取样阀6设置在外壁1的外侧，取样阀6设置两组，每组三个，分别对应 于上覆水层、浮泥层和黑泥层的高度，用于样品的采集；黑色壁纸7设置在上覆水层9水面 以下的装置外侧部分，可以有效模拟河道的真实光照情况。
本发明中，参考图2所示，首先在装置底部铺上一层细沙层12，然后用柱状采样器 采集河道底泥，按照黑泥层11、浮泥层10的次序，依次均勻铺设于装置底部的细沙层12之 上，轻压使河道底泥处于相对平整状态。随后以虹吸法轻轻注入采集的河水，构成上覆水层 9，设定上覆水层9的深度为60 cm。上覆水层9的深度范围还可以是在60 cm -90 cm。本 实施例中，上覆水层、浮泥层和黑泥层三者高度的对应比例为6 1 2。上覆水层、浮泥层和黑 泥层三者高度的对应比例的通常范围可以为6:1:2 — 9:1:2。静止沉淀12小时之后，在可 调式支架3上固定叶轮2，调整可调式支架3上的螺丝8，使叶轮2淹没深度为3-5 cm,然后 打开电器控制箱4，根据雷诺相似准则计算的流速来旋转变频调速器至设定位置，变频调速 器通常调节的具体范围可以为20-50 r/min (表曝机)或35-60 r/min (转刷)，即可以分别 模拟表曝机或转刷曝气复氧条件下河道底泥的再悬浮过程。
实施例2其他步骤与实施例1的步骤相同。在可调式支架3上固定水流推进器2，调整可调式 支架3上的螺丝8，使水流推进器2淹没深度为0-1 cm,然后打开电器控制箱4，根据雷诺相 似准则计算的流速来旋转变频调速器至设定位置，变频调速器通常调节的具体范围可以为 0-20 r/min,即可以模拟风浪扰动条件下河道底泥的再悬浮过程。
以上各实施例可看出，本发明中河道底泥再悬浮模拟装置不仅可模拟风浪扰动等 自然水动力条件底泥再悬浮过程，还能再现人工曝气复氧条件下底泥再悬浮过程。本发明 的上述实施例并不是对本发明的限制。在不背离发明构思的精神和范围下，本领域技术人 员能够想到的变化和优点都被包括在本发明中。
权利要求
1.一种河道底泥再悬浮装置，其特征在于，所述装置为单轴跑道型结构，包括外壁、水 流推进器、可调式支架、电器控制箱、隔水墙、取样阀、黑色壁纸；其中，所述外壁由位于装置 两端的导流墙和位于装置两侧的侧壁构成；所述水流推进器固定在可调式支架上；所述可 调式支架设置于隔水墙和外壁之间；所述电器控制箱设置在所述外壁的外侧；所述隔水墙 设置在轴心线上；所述取样阀设置在所述外壁的外侧；所述黑色壁纸包裹在所述装置的外 侧。
2.如权利要求1所述的河道底泥再悬浮装置，其特征在于，所述导流墙为圆弧形；所述 侧壁为直线形。
3.如权利要求1所述的河道底泥再悬浮装置，其特征在于，所述隔水墙设置在与侧壁 平行的轴心线上。
4.如权利要求1所述的河道底泥再悬浮装置，其特征在于，所述可调式支架为两套，分 置于隔水墙的两侧；所述水流推进器为两套，分置于隔水墙的两侧。
5.如权利要求1所述的河道底泥再悬浮装置，其特征在于，所述电器控制箱为壁挂式， 包括变频调速器和漏电开关。
6.如权利要求1所述的河道底泥再悬浮装置，其特征在于，所述取样阀对应于上覆水 层、浮泥层和黑泥层分别设置。
7.如权利要求1所述的河道底泥再悬浮装置，其特征在于，所述黑色壁纸对上覆水层 水面以下的装置外壁进行包裹。
8.—种如权利要求1所述河道底泥再悬浮装置的使用方法，其特征在于，首先在所述 装置底部铺上细沙层，然后采集河道底泥，按照黑泥层、浮泥层的次序，依次均勻铺设于装 置底部的细沙层之上；随后注入采集的河水，配置上覆水层，静止沉淀12 - 24小时；通过 所述可调式支架来调节所述推进器或叶轮的安置深度，以变频调速器来调节向水体水平传 递的速度。
9.如权利要求8所述河道底泥再悬浮装置的使用方法，其特征在于，所述上覆水层、浮 泥层、黑泥层的高度配置比例为6 1 2 — 9 1 2。
10.如权利要求8所述河道底泥再悬浮装置的使用方法，其特征在于，所述河道底泥的 采集使用柱状采样器；所述采集的河水是以虹吸法轻轻注入。
全文摘要
本发明公开了一种河道底泥再悬浮装置，该装置为单轴跑道型结构，包括外壁、水流推进器、可调式支架、电器控制箱、隔水墙、取样阀、黑色壁纸。本发明还公开了所述河道底泥再悬浮装置的使用方法，在所述装置中按照细沙层、黑泥层、浮泥层、上覆水层依次配置，通过可调式支架及变频调速器调节水流推进器进行调控。本发明结构简单、成本较低、占地面积小，能够有效再现水动力条件下底泥再悬浮过程。
文档编号C02F7/00GK102030427SQ20101055703
公开日2011年4月27日 申请日期2010年11月24日 优先权日2010年11月24日
发明者何岩, 余定坤, 张一璠, 徐欢, 林剑波, 陈玉霞, 黄民生 申请人:华东师范大学