测定水体中微塑料运动速率的室内模拟装置的制作方法

本发明涉及水环境领域。更具体地说，本发明涉及一种测定水体中微塑料运动速率的室内模拟装置。

背景技术：

微塑料污染已成为全球高度关注的环境问题。微塑料作为一种不溶于水的颗粒污染物，密度和形状等物理性质与泥沙等颗粒物存在较大差异，约有一半种类的微塑料密度小于淡水，并且大部分微塑料都与淡水密度接近，因此微塑料的输移过程对水文情势的变化十分敏感。在一些流量变异程度较大的河流中，水文过程很大程度上决定了河流中微塑料的积累和迁移。为定量化地研究和模拟微塑料在水体中的输移过程，研究人员根据微塑料的行为特征和水文水动力条件构建了不同模型。输移模型的沉降控制方程中沉降速度和临界剪切应力等是模拟和表征微塑料在自然水体中迁移扩散的关键参数，由于微塑。料颗粒的形状不规则，参数的确定主要建立在充分的实验观测基础上；

微塑料的沉降速率不仅仅受微塑料类型、密度和尺寸的影响，形状对其沉降速度的影响也非常大。现有的微塑料的沉降速率检测模型采用沉降柱装置进行，然后通过秒表记录单个颗粒的移动时间；效率较低，误差较大；检测迁移速率通常采用大型试验水槽，由于微塑料颗粒较小，当大量微塑料颗粒同时在水槽中移动时，很难通过尺子和秒表等工具来测量其迁移速度；同时无法同时对流水状态下的多种粒径、多种形状和多种材质的微塑料颗粒进行沉降速率的测定，以及在相同环境条件下进行不同种类微塑料颗粒沉降速率的对比。

技术实现要素：

本发明的一个目的是解决至少上述问题，并提供至少后面将说明的优点。

本发明还有一个目的是提供一种测定水体中微塑料运动速率的室内模拟装置，其结构简单，设置方便，可根据实际测量情况对测量装置进行调整变更，实现多组不同项目数据的检测，不用更换检测仪器；采用荧光检测手段，对微塑料进行染色，通过检测微塑料的荧光强度实现对微塑料运动速度的精准检测，降低了人工误差，提高了检测精度。

为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种测定水体中微塑料运动速率的室内模拟装置，包括：

造流系统，其包括，造流槽，设置在造流槽内的驱动水泵阵列，与驱动水泵阵列驱动连接的泵控系统，设置在所述驱动水泵阵列下游的造波叶片、与所述造波叶片驱动连接的转向电机、设置在所述造波叶片下游的流速计；

进样球阀，其设置在所述造波叶片下游，靠近所述造流槽一外侧壁的下部，所述进样球阀的阀口与所述造流槽的侧壁连通，进样球阀的进样管道倾斜可转动设置；

检测系统，其包括，设置在所述造流槽另一侧壁上的多个荧光探头、与所述荧光探头通信连接的荧光仪，与所述荧光仪通信连接的数据记录仪；其中，所述荧光探头间隔均匀设置；

控制系统，其与所述流速计、数据记录仪、泵控系统和转向电机电连接。

优选的是，所述造流槽为环形槽、矩形水槽或者不规则形水槽，所述不规则形水槽根据特殊实验要求改装得到。

优选的是，所述造流槽为环形，其的内径为300mm，外径为500mm，高400mm。

优选的是，所述检测系统下游、沿所述造流槽截面设置有一竖直的可透水筛绢，所述透水筛绢的孔径为10微米。

优选的是，所述透水筛绢上沿竖直向设有间隔均匀的圆形凹坑，所述圆形凹坑的坑口正对水流流向，以承接水中的微塑料。

优选的是，所述造流槽内还设有消能段，所述消能段设置在所述检测系统下游，所述消能段包括水平设置在所述造流槽的底部的弧形消能板，设置在所述弧形消能板上的多个防回流块；所述弧形消能板远离所述检测系统的一边沿沿水流方向向上翻折形成弧形；所述防回流块为楔形结构，所述防回流块的其中一方形侧面弯曲形成弧形凹面，所述弧形凹面与所述弧形消能板向上翻折形成的弧形相对，所述防回流块的宽度小于所述造流槽宽度。

优选的是，所述造流槽的槽底设置有可拆卸的假底。

优选的是，所述造流系统放置在一支架上，所述支架下底面设有4条以上的对称分布的支撑腿，所述支撑腿为可升降结构。

优选的是，所述造流槽设有荧光探头的侧壁外壁上设有坐标系标尺。

本发明至少包括以下有益效果：

一、可同时进行多种材质、多种颗粒、多种粒径的微塑料的沉降速率测定，可以在统一环境条件下对比不同特征微塑料的运动速率情况，且更加接近自然状态中微塑料迁移模型；

二、通过在透水筛绢上沿竖直向设有间隔均匀的圆形凹坑，可以获取同一时间内，获得不同类型的微塑料在水体不同深度内的分布情况，得出更为准确的沉降速率，避免同种微塑料不同颗粒间的个体误差；

三、通过在造流池的外侧壁设置坐标系标尺，采用可拆卸的方式对荧光探头进行合理布置，使得装置能够检测微塑料的不同运动状态，包括沉降速率、起始移动速率和迁移速率，不需要跟换多个装置进行测量，方便了科研工作者对微塑料污染分布情况的模型研究。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1为本发明其中一种技术方案所述测定水体中微塑料运动速率的室内模拟装置的结构示意图；

图2为本发明其中一种技术方案所述进样球阀的结构示意图；

图3为本发明其中一种技术方案所述消能段的正视图；

图4为本发明其中一种技术方案所述消能段的侧视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

如图1-4所示，本发明提供一种测定水体中微塑料运动速率的室内模拟装置，包括：

造流系统，其包括，造流槽1，设置在造流槽1内的驱动水泵阵列2，与驱动水泵阵列2驱动连接的泵控系统，设置在所述驱动水泵阵列2下游的造波叶片3、与所述造波叶片3驱动连接的转向电机、设置在所述造波叶片3下游的流速计4；流速计4分为两个朝向，包括水流向和竖直向，用以检测水流速和浪高度；

造流槽1可以为环形槽、矩形水槽或者不规则形水槽，所述不规则形水槽根据特殊实验要求改装得到；

在本技术方案中可以为方形槽体，水流从方形槽体一端流向另一端，在造流槽1的一端部设置有驱动水泵阵列2，驱动水泵阵列2作为造流装置进行造流，使得水体流动，产生流速；

驱动水泵阵列2具体可以为点阵网架，每一网架节点上设置有一造流泵，多个造流泵通过泵控系统控制运行速度，使得水流得到驱动力流动，产生流速，且流速的大小可调节，用以模拟自然环境下的水流；

造波叶片3设置在一个造浪架上，造浪架位于驱动水泵阵列2下游，与造流槽1的侧壁垂直固接，造波叶片3有多片，为方形板体，均水平设置在造浪架上，呈竖直向间隔均匀排列，造波叶片3通过转向电机控制转动角度，得到不同高度和不同频率的浪型，用以模拟海洋环境；

进样球阀7，其设置在所述造波叶片3下游，靠近所述造流槽1一外侧壁的下部，所述进样球阀7的阀口与所述造流槽1的侧壁连通，进样球阀7的进样管道倾斜可转动设置；

进样球阀7的阀芯可转动，阀芯中部中空，阀芯转动分为连接大气和造流槽1，

检测系统，其包括，设置在所述造流槽1另一侧壁上的多个荧光探头501、与所述荧光探头501通信连接的荧光仪502，与所述荧光仪502通信连接的数据记录仪503；其中，所述荧光探头501间隔均匀设置，其中，所述荧光探头501上设有小型吸盘，通过吸盘固定在所述造流槽1侧壁上，实现可拆卸连接；

控制系统6，其与所述流速计4、数据记录仪503、泵控系统和转向电机电连接。

在这种技术方案中，具体使用过程为：

预准备：将探头在不同浓度染色后的微塑料颗粒液体中放置并测定荧光强度，可以得到荧光强度-微塑料浓度的标准曲线；实验中通过测定探头处的荧光强度，可换算出水体中的微塑料颗粒密度；染料为尼罗红；

测量起动流速：

试验开始前，调整水槽坡度，并在其中注入蒸馏水至试验水深；将荧光仪502的荧光探头501呈条状分别设置在水深0.1、0.3和0.5米处；探头接触水面并保持水平方向与水流方向垂直；荧光探头501对应的激发波长为485nm，发射波长为580nm，通过信号线缆与数据记录仪503连接，后者可提供电源、时间设置和数据存储等功能，数据记录仪503通过接口与控制系统6相连，控制系统6为电脑；用于改变实验条件、数据导出和分析；

启动造流槽1后，转动进样球阀7进样，微塑料进入造流槽1后，电脑控制泵控系统使水体流速从0开始逐渐增加；当流速低于微塑料的起动流速时，除少数微小粒子流动外，床面上的微塑料颗粒基本不动，在床面上方悬浮运动的粒子个数也基本为0；当水流速度达到并超过微塑料临界起动流速时，微塑料颗粒沿着床面滚动或者进行上扬运动；此时，床面附近微塑料颗粒开始悬浮并上扬，监测流速和时间；进一步增大水流速度，大量的微塑料颗粒悬浮并上扬，荧光粒子光斑个数会急剧增加；统计分析床面上方不同深度处的荧光强度变化情况，包括移动距离和变化的时间，可以判定微塑料颗粒是否起动，得到微塑料的临界起动流速以及悬浮微塑料的分布状况；

测量迁移速率：

试验开始前，调整水槽坡度，并在其中注入蒸馏水至试验水深；将荧光仪502的荧光探头501沿水流走向，以进样位置为起始点，设置在长度方向为0.1、0.3、0.5、0.8、1.1、1.5米处；高度可采用测量起动流速得到的最佳实验结果；探头接触水面并保持水平方向与水流方向垂直；荧光探头501对应的激发波长和发射波长同上，通过信号线缆与数据记录仪503连接，后者可提供电源、时间设置和数据存储等功能，数据记录仪503通过接口与控制系统6相连，控制系统6为电脑；用于改变实验条件、数据导出和分析；

启动造流槽1后，转动进样球阀7进样，微塑料进入造流槽1后，电脑控制泵控系统按照测量起动流速和沉降速率得到的最佳实验结果设定流速；电脑控制转向电机控制造浪板的转动角度，使水体的沉浮速度从0开始按照层级增加，进行多组实验；通过荧光探头501检测横向移动距离和变化的时间，可以判定微塑料颗粒的迁移速率；

采用该技术方案，其结构简单，设置方便，能有根据实际测量情况对测量装置进行调整变更，实现多组不同项目数据的检测，不用更换检测仪器；采用荧光检测手段，对微塑料进行染色，通过检测微塑料的荧光强度实现对微塑料运动速度的精准检测，降低了人工误差，提高了检测精度；还可同时进行多种材质、多种颗粒、多种粒径的微塑料的沉降速率测定，可以在统一环境条件下对比不同特征微塑料的运动速率情况，且更加接近自然状态中微塑料迁移模型。

在另一种技术方案中，所述造流槽1为环形，其的内径为300mm，外径为500mm，高400mm，采用该技术方案，设置成环形槽能够提高空间利用率，放置槽体过大占用过多面积，不便操作。

在另一种技术方案中，所述检测系统下游、沿所述造流槽1截面设置有一竖直的可透水筛绢8，所述透水筛绢8的孔径为10微米，采用该技术方案，可以有效的拦截水体中的微塑料，对实验结束后的微塑料进行打捞回收，重复利用。

在另一种技术方案中，所述透水筛绢8上沿竖直向设有间隔均匀的圆形凹坑，所述圆形凹坑的坑口正对水流流向，以承接水中的微塑料，即水流携带微塑料完成迁移速率的测量后，通过透水筛绢8时，能将对应高度的微塑料固定在圆形凹坑内，在进行微塑料回收时，能够同时得到不同的微塑料的在不同深度的分布情况，采用该技术方案，能够进一步对测量的沉降速率进行校准确认，降低同种微塑料不同颗粒间的个体误差，提高实验精准度。

在另一种技术方案中，所述造流槽1内还设有消能段，所述消能段设置在所述检测系统下游，所述消能段包括为底面向上翻折的弧形消能板9，设置在所述弧形消能板9上的多个防回流块901；所述弧形消能板9远离所述检测系统的一边沿沿水流方向向上翻折形成弧形；所述防回流块901为楔形结构，所述防回流块901的其中一方形侧面弯曲形成弧形凹面，所述弧形凹面与所述弧形消能板9向上翻折形成的弧形相对，所述防回流块的宽度小于所述造流槽宽度的三分之一，每一防回流块901距离所述弧形消能板9的弧形边沿的距离不同，采用该技术方案，能有效降低造流系统对造流槽1的槽壁产生影响，同时降低水流冲击槽壁，防止水溅出造流槽1，产生意外。

在另一种技术方案中，所述造流槽1的槽底设置有可拆卸的假底，假底的高度可调节，实验前如需要进行自然环境模拟，可预先安装好假底，实验后再进行拆卸，采用该技术方案，可以更为准确的模拟实际水体底部的地形地貌。

在另一种技术方案中，所述造流系统放置在一支架上，所述支架下底面设有4条以上的对称分布的支撑腿，所述支撑腿为可升降结构，采用该技术方案，可实现水体坡度的调节。

在另一种技术方案中，所述造流槽1设有荧光探头501的侧壁外壁上设有坐标系标尺，坐标系标尺根据实际装置的大小，数量级精确毫米和厘米，坐标系标尺实际为点阵网格，采用该技术方案，能够对荧光探头501进行更为精准的排布，明确探头之间的间隔距离，方便进行更为精准的测量。

这里说明的设备数量和处理规模是用来简化本发明的说明的。对本发明测定水体中微塑料运动速率的室内模拟装置的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。