模擬潮汐往複流河道汙染物遷移及鹽水上溯的裝置及方法
2023-05-12 22:32:46
模擬潮汐往複流河道汙染物遷移及鹽水上溯的裝置及方法
【專利摘要】本發明屬於水體生態環境【技術領域】，特別涉及一種模擬潮汐往複流河道汙染物遷移及鹽水上溯的裝置及方法，包括上遊流量控制裝置、中間水槽裝置、下遊潮汐流量控制裝置，其特徵在於：所述的上遊流量控制裝置包括進水管、恆流水箱、上遊水位控制水箱；所述的中間水槽裝置包括水槽槽體、測速裝置、汙染物進汙水箱；所述的下遊潮汐流量控制裝置包括潮汐水位控制水箱、潮汐回流模擬水箱、補償或海水鹽度模擬水箱；所述的水槽槽體上端連接上遊水位控制水箱，下端連接潮汐水位控制水箱，所述的潮汐水位控制水箱連接潮汐回流模擬水箱；所述的補償或海水鹽度模擬水箱連接潮汐回流模擬水箱。本發明能夠模擬研究潮汐往複流河道汙染物遷移擴散規律（鹽水上溯規律）。本發明廣泛適用於水體生態環境【技術領域】的模擬試驗。
【專利說明】模擬潮汐往複流河道汙染物遷移及鹽水上溯的裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發明屬於水體生態環境【技術領域】，涉及潮汐往複流河道模擬裝置，特別涉及一種模擬潮汐往複流河道汙染物遷移及鹽水上溯的裝置及方法。
【背景技術】
[0002]海口是人口密集的地區，也是人類活動最為頻繁的地區。隨著河道沿岸汙染物排放量不斷增加，河道生態環境問題日益突出，又近年調水工程、水庫大壩工程的實施，海口河道上遊下洩流量不斷減少，一方面導致河流水體納汙能力變小，水環境形勢嚴峻；另一方面導致海口河道水體交換周期變大，受海口潮汐影響，整個水體來回迴蕩，較之前河流中汙染物滯留時間變長，汙染物累計，同時水體耗氧量變大，水質惡化。同時鹽水的入侵嚴重影響到兩岸人民生活用水、工農業用水以及淡水生物養殖等。改善海口河道水質的關鍵是開展影響水體汙染物機理的研究。
[0003]水利生態科研及海岸環境工程研究等任務要求在物理模型中復演原型的潮汐往複流現象，即將天然河道形態製作成比尺模型，要求通過水量、水位與時間的縮尺復演天然河道的潮汐往複流現象，即為潮汐往複流模擬。準確的模擬河道潮汐往複流過程，需要一套完整的潮汐控制裝置。針對上述現象的模擬，目前主要採用數學模型，考慮到數學模型近似假設和參數選取的不確定性，通過更直觀的物理模型模擬潮汐往複流河道汙染物遷移擴散仍未見報導。
【發明內容】
[0004]本發明的目的在於克服上述問題，提供一種模擬潮汐往複流河道汙染物遷移及鹽水上溯的裝置及方法，本發明能夠模擬上遊不同下洩流量、下遊不同潮汐流量水位條件下海口河道潮汐往複流水流特徵，進而研究潮汐往複流河道汙染物遷移擴散規律(鹽水上溯規律)。
[0005]為了實現上述目的，本發明所採用的技術方案為:模擬潮汐往複流河道汙染物遷移及鹽水上溯的裝置，包括上遊流量控制裝置、中間水槽裝置、下遊潮汐流量控制裝置，其特徵在於:所述的上遊流量控制裝置包括進水管、恆流水箱、上遊水位控制水箱；所述的中間水槽裝置包括水槽槽體、測速裝置、汙染物進汙水箱；所述的下遊潮汐流量控制裝置包括潮汐水位控制水箱、無壓出水管、排水系統、回流水泵、潮汐回流模擬水箱、補償或海水鹽度模擬水箱；所述的水槽槽體上端連接上遊水位控制水箱，下端連接潮汐水位控制水箱，所述的潮汐水位控制水箱連接潮汐回流模擬水箱；所述的補償或海水鹽度模擬水箱連接潮汐回流模擬水箱；所述的下遊潮汐流量控制裝置底部設有由橫向拉板控制的矩形出水口，所述的潮汐回流模擬水箱設有垂向拉板控制的矩形回流口，矩形出水口的下端連接無壓出水管；所述的汙染物進汙水箱設有控制水位高度的上下移動式溢流口，並通過進汙管與水槽的進汙口連接。
[0006]進一步地，模擬潮汐往複流河道汙染物遷移及鹽水上溯的裝置，其特徵在於，所述的恆流水箱設有控制水位的擋板、溢流口和恆流水管；所述進水管流量大於恆流水管流量，恆流水箱中間設有控制水位高度的組合式擋板，組合式擋板分有不同的高度。
[0007]所述的上遊水位控制裝置和潮汐水位控制裝置設有潮汐最高水位線和潮汐最低水位線；所述的水槽槽體上設有汙染物進汙口、水質採樣口和測速裝置；所述的排水水箱設有排水口 ；所述的回流水泵與排水水箱和潮汐回流水箱連接。
[0008]所述的排水系統包括排水管和排水水箱，無壓出水管的出水排入排水水箱，之後一部分水通過回流水泵回流至潮汐回流模擬水箱，剩餘水由排水管排出。通過控制橫向拉板和垂向拉板的移動速度而改變矩形出水口和矩形回流口的大小來控制退潮和漲潮的速度。
[0009]模擬潮汐往複流河道汙染物遷移及鹽水上溯的方法，其特徵在於，包括如下步驟:
[0010](I)構建模擬潮汐往複流河道汙染物遷移及鹽水上溯的裝置；裝置包括上遊流量控制裝置、中間水槽裝置、下遊潮汐流量控制裝置，所述的上遊流量控制裝置包括進水管、恆流水箱、上遊水位控制水箱；所述的中間水槽裝置包括水槽槽體、測速裝置、汙染物進汙水箱；所述的下遊潮汐流量控制裝置包括潮汐水位控制水箱、無壓出水管、排水系統、回流水泵、潮汐回流模擬水箱、補償或海水鹽度模擬水箱；所述的水槽槽體上端連接上遊水位控制水箱，下端連接潮汐水位控制水箱，所述的潮汐水位控制水箱連接潮汐回流模擬水箱；所述的補償或海水鹽度模擬水箱連接潮汐回流模擬水箱；所述的下遊潮汐流量控制裝置底部設有由橫向拉板控制的矩形出水口，所述的潮汐回流模擬水箱設有垂向拉板控制的矩形回流口，矩形出水口的下端連接無壓出水管；所述的汙染物進汙水箱設有控制水位高度的上下移動式溢流口，並通過進汙管與水槽的進汙口連接；
[0011](2)按照一定速度拉動橫向拉板，潮汐水位控制水箱的水通過無壓出水管和矩形出水口進入排水水箱，隨著橫向拉板拉度變大，矩形出水口面積會變大，落潮流量逐漸變大，待潮汐水位控制水箱的水位從潮汐最高水位線到平水位時，按一定速度合上橫向拉板，潮汐流量越來越小直至為零，潮汐水位達到潮汐最低水位線，此時為大潮落停；
[0012](3)把垂向拉板按照一定的速度向上拉，潮汐回流模擬水箱的水通過矩形回流口回流至潮汐水位控制水箱，回流水量逐漸變大，待潮汐水位控制水箱的水位從潮汐最低水位線到平水位時，按一定速度合上垂向拉板，潮汐流量會越來越小直至為零，潮汐水位達到潮汐最高水位線，此時為大潮漲停；與此同時回流水泵按一定的比例從排水水箱抽水回流至潮汐回流模擬水箱；補償或海水鹽度模擬水箱通過補償水管將一定比例的水流入潮汐回流模擬水箱，使潮汐回流模擬水箱水位保持一定高度的水位。
[0013]進一步地，所述的裝置上遊流量和下遊出水量、排水量、回流水泵流量、潮汐回流水量、補償水量或鹽水入侵量均由實際河道對應流量通過流量比尺演變得到；所述的水槽槽體由實際地形河道通過水平、垂直比尺演變得到；所述的上遊水位控制裝置和潮汐水位控制裝置的潮汐最高水位線和潮汐最低水位線由河道潮汐實際水位通過垂直比尺演變得到。
[0014]調節橫向拉板或垂向拉板拉開、合上的速度以控制漲潮和落潮的速度、周期，與通過比尺演變之後的斷面實測數據進行對比擬合；調節回流水泵回流至潮汐回流模擬水箱的水量和補償水管補償水量的比例、大小，能夠控制補償水量或鹽水入侵水量、潮汐回流水量與實測數據進行擬合；利用中間水槽裝置的測速裝置測定水槽中水體流速大小，與實際監測數據進行率定；利用上遊水位控制水箱設的潮汐最高水位線和潮汐最低水位線率定上遊潮汐回流水位高度。
[0015]當用於模擬汙染物遷移擴散機理時，採用補償水箱；當用於模擬鹽水上溯機理時，採用海水鹽度模擬水箱。
[0016]通過上下拉動汙染物進汙水箱的可移動式溢流口，可以改變汙染物進汙水箱的水位高度，通過改變水體勢能控制進入水槽槽體的汙水量，汙水在實驗室根據要求配製，汙染物濃度可變化；調節恆流水箱上的擋板高度以控制水位，通過改變恆流水箱水體勢能改變上遊恆流水管的流量。
[0017]本發明具有如下有益效果:
[0018]本發明所述的下遊潮汐控制裝置模擬的拉板拉開長度與潮汐漲落潮流量隨時間的變化成正相關關係，垂向拉板和橫向拉板上有以毫米為單位的刻度尺，可以按照潮汐漲落潮流量變化控制拉板拉開長度，因此能夠逼真的模擬漲潮和落潮的流量變化規律。
[0019]改變本發明所述的恆流水箱設有不同高度的擋板，通過組合擋板能夠控制水箱水位高度，根據公式可得通過勢能恆流水管流量大小，能夠模擬上遊不同下洩流量的變化。
[0020]Q = A-1lgh
[0021]式中:Q--〖亙流水管的流量；
[0022]h--〖亙流水箱水位至恆流水管中心線的垂直高度；
[0023]A--〖亙流水管的截面面積；
[0024]g-重力加速度，9.8m/s2。
[0025]改變本發明所述的汙染物進汙水箱進入水槽的汙染物量，能夠模擬河道接受不同汙染物量水體水質變化規律。
[0026]改變本發明所述的補償水(或海水鹽度模擬)水箱的進水管閥門，能夠模擬下遊海水不同稀釋條件下河道水質變化規律(下遊海水不同濃度鹽類入侵條件河道下鹽類上溯規律)。
[0027]本發明所述的裝置操作簡單，人工勞動強度低，實驗水循環利用，提高實驗效率，節約資源，降低實驗費用。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0028]圖1是本發明的裝置的總體結構剖面示意圖。
[0029]圖2是本發明的裝置的平面示意圖。
[0030]圖3是本發明的裝置的恆流水箱設計圖。
[0031]圖4是本發明的裝置的下遊潮汐回流水箱設計圖。
[0032]圖5是本發明的裝置的汙染物進汙水箱設計圖。
[0033]圖6是本發明的裝置的下遊潮汐控制裝置模擬的拉板拉開度與潮汐漲落潮流量隨時間的變化示意圖。
【具體實施方式】
[0034]下面結合附圖具體實施例對本發明作進一步說明。
[0035]結合圖1、圖2、圖3、圖4，圖5本發明提出的一種模擬潮汐往複流河道汙染物遷移擴散機理(及鹽水上溯機理)的裝置，它包括由進水管1、恆流水箱4、上遊水位控制水箱9組成的上遊流量水位控制裝置，由水槽槽體13、測速裝置12、汙染物進汙水箱11組成的中間水槽裝置，由下遊潮汐水位控制水箱15、排水水箱22、回流水泵24、潮汐回流模擬水箱26、補償水(或海水鹽度模擬)水箱27組成的下遊潮汐水位控制裝置。
[0036]其中:進水管I流量大於恆流水管流量，恆流水箱4 一側設有溢流口 3，中間設有控制水位高度的擋板2，擋板2分有不同的高度，根據不同組合，隨意控制水箱水位高度，進而設置恆流水管6進水流量，恆流水管6上設置閥門5 ;設有潮汐最高水位線7和潮汐最低水位線8的上遊水位控制水箱9連接實驗水槽槽體13，其上設有汙染物進汙口 10、水質採樣口 14，並有測速裝置12測定水槽流速；設有可移動式溢流口 33的汙染物進汙水箱11通過進汙管35與水槽13的進汙口 10連接；水槽槽體13下遊連接潮汐水位控制水箱15，其上設有潮汐最高水位線16和潮汐最低水位線17，其底部設有橫向拉板19控制的矩形出水口 31，其下端連接無壓出水管20，出水排入排水水箱22，一部分剩餘水從排水管21排出，排水管設有閥門調節排水量，另一部分水通過回流水泵24及回流水管(23，25)回流至潮汐回流模擬水箱26，其經過一個漸變部分與下遊潮汐水位控制水箱15連接，連接處設有垂向拉板18控制的矩形回流口 30，通過拉動拉板改變矩形回流口的大小來控制潮汐漲潮速度；補償水(或海水鹽度模擬)水箱27，通過補償水管29流入潮汐回流模擬水箱26，通過閥門28控制補償水量。
[0037]潮汐往複流模擬方式:首先按照一定速度拉動橫向拉板19，水通過無壓出水管20進入排水水箱22，潮汐水位控制水箱15中的水流出，隨著橫向拉板19拉度變大，矩形出水口 31面積會變大，落潮流量會越來越大，待潮汐水位控制水箱15的水位從潮汐最高水位線16約到平水位時，然後按一定速度合上橫向拉板19，潮汐流量會越來越小，直至為零，潮汐水位達到潮汐最低水位線17，此時為大潮落停；接著把垂向拉板18按照一定的速度向上拉，矩形回流口 30回流水量會慢慢變大，待潮汐水位控制水箱15的水位從潮汐最低水位線17約到平水位時，然後按一定速度合上垂向拉板18，潮汐流量會越來越小，直至為零，潮汐水位達到潮汐最高水位線16，此時為大潮漲停；與此同時回流水泵24按一定的比例從排水水箱22抽水回流至潮汐回流模擬水箱26，補償水(或海水鹽度模擬)水箱27通過補償水管29將一定比例的水流入潮汐回流模擬水箱26，使潮汐回流模擬水箱26水位到一直保持一定高度的水位，詳見圖4。
[0038]潮汐往複流擬合與率定方式:首先調節橫向拉板19，垂向拉板18拉開、合上的速度，就能夠控制漲潮和落潮的速度、周期，與斷面監測數據進行對比擬合；調節回流水泵24回流至潮汐回流模擬水箱26的水量和補償水管27補償水量的比例、大小，能夠控制補償水量(鹽水入侵水量)、潮汐回流水量與實測數據進行擬合。然後利用中間水槽裝置的測速裝置12測定水槽中水體流速大小，與實際監測數據進行率定；利用上遊水位控制水箱9設的潮汐最高水位線7和潮汐最低水位線8率定上遊潮汐回流水位高度。
[0039]上遊不同下洩流量設置:調節恆流水箱4上的擋板2高度控制水位，通過改變恆流水箱4水體勢能的方式改變上遊恆流水管6的流量，詳見圖3。
[0040]汙染物進汙水箱11和濃度設置:汙染物進汙水箱11設有進汙管35和可移動式溢流口 33;進汙管35與水槽槽體13的進汙口 10連接，通過進汙閥門36控制啟閉；可移動式溢流口 33固定在設有拉鉤34的拉板32上，拉板32通過固定裝置38固定於在汙染物進汙水箱11的矩形開口 37處，拉板32與汙染物進汙水箱11和固定裝置38中間夾有可壓縮橡膠進行封水，保證拉板32上下移動的同時又不發生漏水；上下拉動可移動式溢流口 33，可以改變汙染物進汙水箱11進入水槽槽體13的汙水量；汙水濃度在實驗室根據具體要求進行配製。詳見圖5。
[0041]本發明裝置所述的下遊潮汐控制裝置模擬的拉板拉開度與潮汐漲落潮流量隨時間的變化見圖6，其中拉板整數表示橫向拉板拉開度，拉板負數表示垂向拉板拉開度，矩形回水口由3條分別為Icm寬度的鏤空矩形組成，下遊潮汐水位控制水箱水深隨潮汐水位變化，約為0.15m左右，根據伯努利方程計算出拉板拉開度。由圖可以看出拉板拉開長度與流量變化規律有很好的吻合性。
[0042]上述實施例不以任何形式限制本發明，凡採用等同替換或等效變換的方式所獲得的技術方案，均落在本發明的保護範圍。
【權利要求】
1.模擬潮汐往複流河道汙染物遷移及鹽水上溯的裝置，包括上遊流量控制裝置、中間水槽裝置、下遊潮汐流量控制裝置，其特徵在於:所述的上遊流量控制裝置包括進水管、恆流水箱、上遊水位控制水箱；所述的中間水槽裝置包括水槽槽體、測速裝置、汙染物進汙水箱；所述的下遊潮汐流量控制裝置包括潮汐水位控制水箱、無壓出水管、排水系統、回流水泵、潮汐回流模擬水箱、補償或海水鹽度模擬水箱；所述的水槽槽體上端連接上遊水位控制水箱，下端連接潮汐水位控制水箱，所述的潮汐水位控制水箱連接潮汐回流模擬水箱；所述的補償或海水鹽度模擬水箱連接潮汐回流模擬水箱；所述的下遊潮汐流量控制裝置底部設有由橫向拉板控制的矩形出水口，所述的潮汐回流模擬水箱設有垂向拉板控制的矩形回流口，矩形出水口的下端連接無壓出水管；所述的汙染物進汙水箱設有控制水位高度的上下移動式溢流口，並通過進汙管與水槽的進汙口連接。
2.根據權利要求1所述的模擬潮汐往複流河道汙染物遷移及鹽水上溯的裝置，其特徵在於，所述的恆流水箱設有控制水位的擋板、溢流口和恆流水管；所述進水管流量大於恆流水管流量，恆流水箱中間設有控制水位高度的組合式擋板，組合式擋板分有不同的高度。
3.根據權利要求1所述的模擬潮汐往複流河道汙染物遷移及鹽水上溯的裝置，其特徵在於，所述的上遊水位控制水箱和潮汐水位控制水箱設有潮汐最高水位線和潮汐最低水位線；所述的水槽槽體上設有汙染物進汙口、水質採樣口和測速裝置；所述的排水水箱設有排水口 ；所述的回流水泵分別與排水水箱和潮汐回流水箱連接。
4.根據權利要求1所述的模擬潮汐往複流河道汙染物遷移及鹽水上溯的裝置，其特徵在於，所述的排水系統包括排水管和排水水箱，無壓出水管的出水排入排水水箱，之後一部分水通過回流水泵回流至潮汐回流模擬水箱，剩餘水由排水管排出。
5.根據權利要求1所述的模擬潮汐往複流河道汙染物遷移及鹽水上溯的裝置，其特徵在於，通過控制橫向拉板和垂向拉板的移動速度而改變矩形出水口和矩形回流口的大小來控制退潮和漲潮的速度。
6.模擬潮汐往複流河道汙染物遷移及鹽水上溯的方法，其特徵在於，包括如下步驟: 構建模擬潮汐往複流河道汙染物遷移及鹽水上溯的裝置；裝置包括上遊流量控制裝置、中間水槽裝置、下遊潮汐流量控制裝置，所述的上遊流量控制裝置包括進水管、恆流水箱、上遊水位控制水箱；所述的中間水槽裝置包括水槽槽體、測速裝置、汙染物進汙水箱；所述的下遊潮汐流量控制裝置包括潮汐水位控制水箱、無壓出水管、排水系統、回流水泵、潮汐回流模擬水箱、補償或海水鹽度模擬水箱；所述的水槽槽體上端連接上遊水位控制水箱，下端連接潮汐水位控制水箱，所述的潮汐水位控制水箱連接潮汐回流模擬水箱；所述的補償或海水鹽度模擬水箱連接潮汐回流模擬水箱；所述的下遊潮汐流量控制裝置底部設有由橫向拉板控制的矩形出水口，所述的潮汐回流模擬水箱設有垂向拉板控制的矩形回流口，矩形出水口的下端連接無壓出水管；所述的汙染物進汙水箱設有控制水位高度的上下移動式溢流口，並通過進汙管與水槽的進汙口連接； 按照一定速度拉動橫向拉板，潮汐水位控制水箱的水通過無壓出水管和矩形出水口進入排水水箱，隨著橫向拉板拉度變大，矩形出水口面積會變大，落潮流量逐漸變大，待潮汐水位控制水箱的水位從潮汐最高水位線到平水位時，按一定速度合上橫向拉板，潮汐流量越來越小直至為零，潮汐水位達到潮汐最低水位線，此時為大潮落停； 把垂向拉板按照一定的速度向上拉，潮汐回流模擬水箱的水通過矩形回流口回流至潮汐水位控制水箱，回流水量逐漸變大，待潮汐水位控制水箱的水位從潮汐最低水位線到平水位時，按一定速度合上垂向拉板，潮汐流量會越來越小直至為零，潮汐水位達到潮汐最高水位線，此時為大潮漲停；與此同時回流水泵按一定的比例從排水水箱抽水回流至潮汐回流模擬水箱；補償或海水鹽度模擬水箱通過補償水管將一定比例的水流入潮汐回流模擬水箱，使潮汐回流模擬水箱水位保持一定高度的水位。
7.根據權利要求6所述的模擬潮汐往複流河道汙染物遷移及鹽水上溯的方法，其特徵在於，所述的裝置上遊流量和下遊出水量、排水量、回流水泵流量、潮汐回流水量、補償水量或鹽水入侵量均由實際河道對應流量通過流量比尺演變得到；所述的水槽槽體由實際地形河道通過水平、垂直比尺演變得到；所述的上遊水位控制裝置和潮汐水位控制裝置的潮汐最高水位線和潮汐最低水位線由河道潮汐實際水位通過垂直比尺演變得到。
8.根據權利要求6所述的模擬潮汐往複流河道汙染物遷移及鹽水上溯的方法，其特徵在於，調節橫向拉板或垂向拉板拉開、合上的速度以控制漲潮和落潮的速度、周期，與斷面監測數據進行對比擬合；調節回流水泵回流至潮汐回流模擬水箱的水量和補償水管補償水量的比例、大小，能夠控制補償水量或鹽水入侵水量、潮汐回流水量與實測數據進行擬合；利用中間水槽裝置的測速裝置測定水槽中水體流速大小，與實際監測數據進行率定；利用上遊水位控制水箱設的潮汐最高水位線和潮汐最低水位線率定上遊潮汐回流水位高度。
9.根據權利要求6所述的模擬潮汐往複流河道汙染物遷移及鹽水上溯的方法，其特徵在於，當用於模擬汙染物遷移擴散機理時，採用補償水箱；當用於模擬鹽水上溯機理時，採用海水鹽度模擬水箱。
10.根據權利要求6所述的模擬潮汐往複流河道汙染物遷移及鹽水上溯的方法，其特徵在於，通過上下拉動汙染物進汙水箱的可移動式溢流口，可以改變汙染物進汙水箱的水位高度，通過改變水體勢能控制進入水槽槽體的汙水量，汙水在實驗室根據要求配製，汙染物濃度可變化；調節恆流水箱上的擋板高度以控制水位，通過改變恆流水箱水體勢能改變上遊恆流水管的流量。
【文檔編號】E02B1/02GK104264622SQ201410506075
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年9月26日 優先權日:2014年9月26日
【發明者】張鵬, 逄勇, 羅縉, 王健健, 黃亞文, 王雪, 王一舒, 蔣紅, 韋雨婷, 賈俊傑, 潘紅澈, 羅慧萍 申請人:河海大學