環境泥沙循環水槽的實驗方法

2023-06-25 02:40:41

專利名稱：環境泥沙循環水槽的實驗方法
技術領域：
本發明涉及的是環境泥沙循環水槽的實驗方法，特別適用於汙染物在循環水槽中遷移的實驗。屬於水利工程和環境工程領域。
背景技術：
隨著中國經濟的發展，河流汙染越來越嚴重，時有河流汙染的突發事件。汙染物的遷移和歸宿將直接影響河流的生態環境和人民健康安全。地表水和地下水相互作用對河流環境的生物地化條件產生至關重要的影響，上覆水和潛流帶的物質能量遷移轉化還有許多問題尚未明確，需要進一步深入研究。河水與河床、河岸孔隙水交換是一個重要的過程，它較大程度地影響了河流系統中汙染物的歸宿。其中粘土和膠體具有很強的吸附汙染物的能力，它們的遷移和歸宿有時直接決定著吸附性汙染物的遷移和歸宿。例如美國Arkansas河的膠體遷移影響了水體中溶解態金屬的濃度和河床中的金屬濃度，從採礦點出來的膠體在向下遊遷移50km時濃度下降了一半。金屬離子在床沙中的濃度與沉積在河床中的膠體濃度是一致的。因此為了揭示汙染物和膠體在河流中遷移規律，以及潛流交換對汙染物和膠體在河流中運移的影響，必需研究潛流交換產生的機理和方式，以及不同條件下潛流交換對汙染物遷移的影響。由於諸多原因的影響，如在實際河流中從事這方面的研究耗資大；對某一因子或多個因子定量分析相對較困難；野外操作受環境因素幹擾多，有必要探尋容易操作且耗資較小的實驗。
循環水槽用來研究河流水力學和泥沙遷移問題始於20世紀50年代，50多年的廣泛研究表明水槽的研究結果應用到到自然河流中。目前關於環境泥沙在河流中的研究操作困難，並且環境水槽實驗設計以及操作技術也不成熟。發明內容
本發明提出的是環境泥沙循環水槽的實驗方法，其目的旨在克服現有技術所存的上述缺陷，把自然河流中汙染物沿河流流動方向變化的空間問題轉化為封閉循環水槽系統中汙染物濃度改變的時間問題。實現模擬汙染物在河流中遷移功能，能夠揭示汙染物在河流中遷移的機理。
本發明的技術解決方案環境泥沙循環水槽的實驗方法，先將洗乾淨的泥沙裝填入水槽，然後製成沙波，開啟水泵，調整水槽坡度和水位，控制水槽溫度，待水流和溫度穩定後，在水箱加入汙染物或膠體，抽取孔隙水，測量上覆水和孔隙水的汙染物或膠體濃度。
本發明的優點1)如果水流經過沙床僅僅一次，水體的汙染物濃度改變是非常小的，但是對於循環系統，汙染物多次經過沙床，濃度改變就比較大了 ；2)循環水槽的汙染物遷移實驗，可以把自然河流中汙染物沿河流流動方向變化的空間問題，轉化為封閉循環水槽系統中汙染物濃度改變的時間問題；3)水槽很容易進行長時間的操作(甚至1個月)，這是由於不需在水槽上遊連續不斷的添加水、沙和化學物質。因此環境泥沙實驗可以通過循環水槽來揭示其內在的規律性。


附圖1是非反應性汙染物、金屬離子和膠體的上覆水濃度隨時間變化示意圖。
具體實施例方式所述的泥沙裝填入水槽是先在水槽中填滿水，然後緩慢的加入沙，可避免沙床存在氣泡，影響實驗，待沙裝到預定的高度時，輕拍水槽邊壁，使沙緩慢沉降，待沙不再繼續沉降時，停止輕拍。所述的製成沙波是在水槽的兩邊用白板筆刻畫三角形或波浪形狀的沙波；再用沙波板塑造所刻畫的三角形或波浪形狀；該沙波板是用有機玻璃製成的，在沙波板上開多排小孔，能夠排出在製造沙波過程產生的壅水，這可以減小沙波製造過程中產生的水波動對已造好沙波的破壞。所述的開啟水泵、調整水槽坡度和水位高度是先開泵，後緩慢開閥，調到預定的流量，調整水槽坡度和溢流槽高度，使水槽的水位達到預定的高度，並確保水槽各部位的水深相同，防止先開閥時水槽中的水從進水口排出，破壞沙波。所述的孔隙水抽取是在水槽的上面用礦燈傾斜照射壁面，觀看取樣孔的暗影，然後針頭順著暗影插入取樣孔；為了縮短抽樣時間且避免高濃度對低濃度的幹擾，抽取順序如下當做汙染物從上覆水到河床中遷移實驗時，從槽底往上抽；如遇到微量進樣器有空氣進入或者抽取困難時，很可能是小顆粒堵住了微量進樣器針頭，此時應立即取出微量進樣器，清除微量進樣器堵塞。所述的清除微量進樣器堵塞是緩慢拔出微量進樣器的推進杆，用50ml注射器，長度為80mm的針頭向微量進樣器管中注入去離子水，插入微量進樣器的推進杆，用拇指和食指緊握微量進樣器靠近針頭部分防止造成玻璃管在45°方向上遭受剪切破壞，用力推微量進樣器的推進杆，重複數次後就可以排出堵在針頭中的泥沙顆粒。所述的控制水槽溫度是在水槽的出口部分安裝1 3個300W自動恆溫棒，當水溫達不到實驗預定值時，恆溫棒自動加熱；當溫度達到實驗預定值時，恆溫棒自動停止加熱， 加熱的水流經過回水系混合後，進入測試段水溫的較均勻，通過調溫後，水槽的上覆水晝夜溫差較小，控制環境溫度波動對水槽實驗的影響。所述的測量膠體濃度是從水槽的尾部抽取上覆水，裝在50ml塑料瓶中，用粒度分析儀測量粒徑分布狀況，膠體濃度通過紫外分光光度計測量，在測量前要對膠體搖晃充分， 使其能夠達到剛從上覆水抽出的分布一樣，每次抽樣在12小時內測完，對濃度高的膠體濃度用波長為400nm單光波測量；濃度低或者膠體粒徑大的膠體濃度用波長分別為400nm、 420nm和440nm三光波測量。[水力學1]實施例
床沙的測試段長度為10m，床沙的厚度為12 15cm，每次實驗用沙在550 750kg。上覆水的水深是6 10cm，每次實驗需水量在400 600L (包括上覆水、孔隙水和回水系統中含有的水)。在床沙的尾段，插上開孔有機玻璃板，在其上面貼一層200目尼龍攔網，該攔網能夠有效的攔截泥沙，同時也能使水槽坡度產生的孔隙水流順利通過。水流循環通過不鏽鋼泵從水庫中抽水實現，在泵的出水口安裝了不鏽鋼水閥，可以控制整個循環系統的流量。在離水閥4. 5m的距離安裝了電磁流量計。電磁流量計除了幾個感應片以外，其餘與水接觸的部分都是塑料製成。不鏽鋼和塑料材料能夠有效地防止汙染物對它們的腐蝕。
為了滿足水泵運行所需最小水深和水槽循環系統用水量最小，水庫中水泵進水部分採用漸變結構，也就是，在水庫的下部設置了截面為梯形、厚30cm的小進水箱(梯形下邊 30cm、上邊為 75cm、高為 30cm)o
在水槽的中部設置幾排垂直取樣孔，用來抽取孔隙水。孔垂向間距為1cm，孔徑為 1. 5mm。
在水槽的尾部安裝了 MPTR0LL-9500，自動監測上覆水的溫度、電導、pH和鹽度，測量時間間隔為3 5分鐘。水槽的出口部分安裝了 1 3個300W自動恆溫棒，當水溫達不到實驗預定值時，恆溫棒自動加熱；當溫度達到實驗預定值時，恆溫棒自動停止加熱。加熱的水流經過回水系統混合後，進入測試段水溫的較均勻。通過調溫後，水槽的上覆水晝夜溫差較小，很好地控制環境溫度波動對水槽實驗的影響。
孔隙水的抽取和測量對於反應性汙染物，為了便於測量，抽取的孔隙水稀釋倍數越小越好，但是由於沙床孔隙率為0. 39左右，並且孔的間距1cm，為了在抽取孔隙水時不相互幹擾，每次最多只能0. 39ml,因此採用的進樣器為250 μ L固定針頭的Hamilton微量進樣器(針頭的外徑 0.72mm、內徑0.15mm、長51mm)抽取0. 25ml，放到細1玻璃瓶中，加入2ml的去離子水。
對於非反應性汙染物用100 μ L固定針頭的SGE (澳大利亞)微量進樣器(針頭外徑0. 5mm、內徑0. 2mm、長50mm)抽取0. 1ml，放到15mmX 8cm的玻璃管中，加入5ml的去離子水，用電導率儀在20°C的恆溫下測量電導，與同一溫度下測量的標準曲線對照，算出濃度， 再乘以51 (稀釋比)，就是實際孔隙水中非反應性汙染物的濃度。
對於金屬吸附實驗用250μ L固定針頭的Hamilton (瑞士)微量進樣器(外徑 0.72mm、內徑0. 15mm、長51mm)抽取0. 25ml，放到細1玻璃瓶中，加入2ml的去離子水，封緊蓋子，放在冰箱中保存。實驗結束統一用ICP - MS測量，濃度乘以9就是實際孔隙水中金屬離子濃度。
由於水槽壁面開孔直徑僅1.5mm，不容易找到抽樣孔的位置。在水槽的上面用礦燈傾斜照射壁面，可以看到取樣孔的暗影，針頭順著暗影就非常容易插入取樣孔。
為了縮短抽樣時間，並且避免大濃度對小濃度的幹擾，抽取順序如下當做汙染物從上覆水到河床中遷移實驗時，從下往上抽。在抽完一個位置孔隙水後，用去離子水衝洗微量進樣器數遍。
如遇到微量進樣器有空氣進入或者抽取困難時，很可能是小顆粒堵住了微量進樣器針頭，此時應立即取出微量進樣器。緩慢拔出微量進樣器的推進杆，用50ml注射器，長度為80mm的針頭向微量進樣器管中注入去離子水，插入微量進樣器的推進杆，用拇指和食指緊握微量進樣器靠近針頭的部分，用力推微量進樣器的推進杆。重複數次後就可以排出堵在針頭中的泥沙顆粒。
膠體的採樣和測量從水槽的尾部抽取上覆水，裝在50ml塑料瓶中。應用現有的粒度分析儀測量粒徑分布狀況。膠體濃度通過紫外分光光度計測量。在測量前要對膠體搖晃充分，使其能夠達到剛從上覆水抽出的分布一樣。每次抽樣在12小時內測完。對濃度高的膠體濃度用波長為400nm 單光波測量；濃度低或者膠體粒徑大的膠體濃度用波長分別為400nm、420nm和440nm三光
波測量。環境泥沙循環水槽的實驗方法，1)汙染物從上覆水遷移到河床中的實驗，在水槽充滿自來水的情況下，檢查水槽是否漏水、水槽系統其它部件是否正常運行。先用自來水衝洗2遍水槽，使用刷子和布擦清洗水槽系統中的附著物，再用去離子水衝洗2遍；2)向水槽水庫中加入去離子水，開動泵，升高溢流槽使水槽中的水到一定的高度，先關水閥，後關泵。 先關閥是為了防止先關泵時，水從水槽進水口部分排出。用塑料桶或塑料鏟把裝塑料箱中的泥沙轉到水槽中。先在水槽加水目的是為了阻止或減少加沙過程中空氣進入河床中。如果有氣體在沙床中，把床沙翻2遍；3)整平沙床，也就是使沙床表面與水槽地板平行；在水槽的兩邊畫出所需的沙波波形，再用有機玻璃板做成的沙波板塑造所需的沙波。沙波板開了很多小孔，能夠排出在製造沙波過程產生的壅水，這可以減小製備沙波過程時產生水波動對已做好沙波的破壞。對於自然沙波用20 30cm/s水流運行20 30分鐘可形成；先開泵，後緩慢開閥，調到需要的流量，調整水槽坡度和溢流槽高度，使水槽的水位達到預定的高度以及水槽各部位的水深相同。由於水槽水面與滾車軌道和水槽底板平行，因此水槽水深是否相同，可以通過沙波測量儀，檢查水槽不同位置的水體表面的在測量儀的讀數是否一致。此時先開泵後開閥的優點是防止先開閥時水槽中的水從進水口排出，破壞沙波； 後開閥更容易調節所需要的流量。用沙波測量器測量沙波高度。對於通過水流形成的自然沙波，在迎風面間隔1 2cm測量一次，對於避風面間隔Icm測量一次。在沙波波峰和波谷各測量一次。對於有垂向孔隙水取樣孔的地方，沙波的高度也要測量。開啟恆溫加熱棒，使水溫達到預定值。開啟MPTR0LL-9500，開始記錄pH值、水溫、 電導、鹽度。在做金屬離子從上覆水遷移到河床的實驗時，加入預定的NaCl和pH緩衝溶液。 PH值在3 6之間，緩衝溶液是由醋酸鈉和醋酸配置成的；pH值在7左右時，緩衝溶液為 NaHCO30醋酸鈉和醋酸對金屬離子的吸附是沒有影響的。試劑在一個循環周期內正好加完。按預定的時間表抽取上覆水和孔隙水。在初始30分鐘內從水槽三個不同的位置同時抽取上覆水；30分鐘後上覆水的濃度，在水槽的垂向、側向和橫向的各個位置基本一樣，因此可以僅從水槽的尾部抽取。[水力學1]每4小時加入400ml去離子水，補充蒸發部分，保證水槽系統中的水體總量不變。對於金屬離子實驗，要定期查看PH值。pH值偏離預定值，加醋酸或者醋酸鈉來調整。每個實驗持續2 4天，當上覆水的濃度達到基本平衡時停止實驗，測量抽取的樣品。對於NaCl抽完後立即就送到實驗室測量，膠體測量最多不超過12小時，金屬離子濃度實驗結束後統一到化學實驗室測量。應用實例
分別用惰性汙染物(氯化鈉)、金屬(氯化鋅)和膠體(娃微粉)做了三組實驗。從圖1可以看出，上覆水中的非反應性汙染物NaCl濃度下降20%多；而金屬離子下降了 70%多，金屬離子下降快的原因是床沙吸附作用。而膠體矽微粉由於過濾和沉降的作用，其濃度逐漸會達到0，即全部沉積在河床中。三種濃度變化主要發生在實驗前800分鐘。從上面實驗可以
權利要求
1.環境泥沙循環水槽的實驗方法，其特徵是先將洗乾淨的泥沙裝填入水槽，然後製成沙波，開啟水泵，調整水槽坡度和水位，控制水槽溫度，待水流和溫度穩定後，在水箱加入汙染物或膠體，抽取孔隙水，測量上覆水和孔隙水的汙染物或膠體濃度。
2.根據權利要求1所述的環境泥沙循環水槽的實驗方法，其特徵是所述的泥沙裝填入水槽是先在水槽中填滿水，然後緩慢的加入沙，可避免沙床存在氣泡，影響實驗，待沙裝到預定的高度時，輕拍水槽邊壁，使沙緩慢沉降，待沙不再繼續沉降時，停止輕拍。
3.根據權利要求1所述的環境泥沙循環水槽的實驗方法，其特徵是所述的製成沙波是在水槽的兩邊用白板筆刻畫三角形或波浪形狀的沙波；再用沙波板塑造所刻畫的三角形或波浪形狀；該沙波板是用有機玻璃製成的，在沙波板上開多排小孔，能夠排出在製造沙波過程產生的壅水，這可以減小沙波製造過程中產生的水波動對已造好沙波的破壞。
4.根據權利要求1所述的環境泥沙循環水槽的實驗方法，其特徵是所述的開啟水泵、 調整水槽坡度和水位高度是先開泵，後緩慢開閥，調到預定的流量，調整水槽坡度和溢流槽高度，使水槽的水位達到預定的高度，並確保水槽各部位的水深相同，防止先開閥時水槽中的水從進水口排出，破壞沙波。
5.根據權利要求1所述的環境泥沙循環水槽的實驗方法，其特徵是所述的孔隙水抽取是在水槽的上面用礦燈傾斜照射壁面，觀看取樣孔的暗影，然後針頭順著暗影插入取樣孔； 為了縮短抽樣時間且避免高濃度對低濃度的幹擾，抽取順序如下當做汙染物從上覆水到河床中遷移實驗時，從槽底往上抽；如遇到微量進樣器有空氣進入或者抽取困難時，很可能是小顆粒堵住了微量進樣器針頭，此時應立即取出微量進樣器，清除微量進樣器堵塞。
6.根據權利要求5所述的環境泥沙循環水槽的實驗方法，其特徵是所述的清除微量進樣器堵塞是緩慢拔出微量進樣器的推進杆，用50ml注射器，長度為80mm的針頭向微量進樣器管中注入去離子水，插入微量進樣器的推進杆，用拇指和食指緊握微量進樣器靠近針頭部分防止造成玻璃管在45°方向上遭受剪切破壞，用力推微量進樣器的推進杆，重複數次後就可以排出堵在針頭中的泥沙顆粒。
7.根據權利要求1所述的環境泥沙循環水槽的實驗方法，其特徵是所述的控制水槽溫度是在水槽的出口部分安裝1 3個300W自動恆溫棒，當水溫達不到實驗預定值時，恆溫棒自動加熱；當溫度達到實驗預定值時，恆溫棒自動停止加熱，加熱的水流經過回水系混合後，進入測試段水溫的較均勻，通過調溫後，水槽的上覆水晝夜溫差較小，控制環境溫度波動對水槽實驗的影響。
8.根據權利要求1所述的環境泥沙循環水槽的實驗方法，其特徵是所述的測量膠體濃度是從水槽的尾部抽取上覆水，裝在50ml塑料瓶中，用粒度分析儀測量粒徑分布狀況，膠體濃度通過紫外分光光度計測量，在測量前要對膠體搖晃充分，使其能夠達到剛從上覆水抽出的分布一樣，每次抽樣在12小時內測完，對濃度高的膠體用波長為400nm單光波測量； 濃度低或者膠體粒徑大的膠體用波長分別為400nm、420nm和440nm三光波測量。
全文摘要
本發明是環境泥沙循環水槽的實驗方法，其特徵是先將洗乾淨的泥沙裝填入水槽，然後製成沙波，開啟水泵，調整水槽坡度和水位，控制水槽溫度，待水流和溫度穩定後，在水箱加入汙染物或膠體，抽取孔隙水，測量上覆水和孔隙水的汙染物或膠體濃度。優點把自然河流中汙染物沿河流流動方向變化的空間問題，轉化為封閉循環水槽系統中汙染物濃度改變的時間問題。實現模擬汙染物在河流中遷移功能，能夠揭示汙染物在河流中遷移的機理。
文檔編號G01N15/06GK102507140SQ20111037521
公開日2012年6月20日 申請日期2011年11月23日 優先權日2011年11月23日
發明者曹淼, 李凌, 楊小全, 金光球, 鍾小春 申請人:河海大學