循环水槽—实验土杯跨尺度耦合的上覆水—床沙间污染物输运实验系统技术方案

本发明专利技术公开了一种循环水槽—实验土杯跨尺度耦合的上覆水—床沙间污染物输运实验系统，包括循环水槽，循环水槽内设有床沙－上覆水污染物交换区，在床沙底部的循环水槽的床面上留出土杯接口并连接土杯，土杯口部与所述循环水槽的床面齐平，床沙及上覆水与土杯连通。耦合静态试验设备和循环水槽系统，提供地表水上覆水相似的水动力条件，同时方便控制床沙参数，减少床沙试验用沙，增加试验的经济型和可行性。

Experimental system of sediment transport between overlying water and sediment in a recirculating flume experimental cup

The invention discloses a recirculating flume experiment of soil cup trans scale coupling of the overlying water and sediment transport of pollutants between the experimental system, including water cycle, water cycle is arranged in the bed sediment overlying water pollutant - exchange area, in the circulating water tank at the bottom of the bed on the bed surface for soil interface and connection cup the soil bed soil cup, the cup and the circulating water tank flush, sediment and overlying soil and water cup connected. The coupled static test equipment and the circulating water tank system provide similar hydrodynamic conditions for surface water overlying water. Meanwhile, it is convenient to control the bed sediment parameters and to reduce the sand used for bed sediment test, so as to increase the economic feasibility and feasibility of the test.

【技术实现步骤摘要】
循环水槽—实验土杯跨尺度耦合的上覆水—床沙间污染物输运实验系统
本专利技术涉及一种床沙间污染物输运实验系统，尤其涉及一种循环水槽—实验土杯跨尺度耦合的上覆水—床沙间污染物输运实验系统。
技术介绍
地表水富营养化问题是当前全球主要生态和环境问题，中国太湖、滇池等主要湖泊多数存在富营养化问题。内源污染在富营养起到了决定性作用，欧洲大量的湖泊治理表明，即使外源全部切断条件下，内源污染也会依然存在。不同学者提出了大量措施治理内源污染，但尚未取得满意的效果。内源污染的严重性，使得当前问题不再是“能否治理”，而是变为在切断外源条件下“何时”或“什么程度”的问题。在回答这一问题中，床沙和上覆水床面通量和床沙污染物迁移规律研究具有决定性意义。试验研究是解决床沙-上覆水系统界面污染物输运的主要途径，主要方法可分为静态试验和动态试验。现有技术一：静态实验虽称“静态”，但水体并非处于静止状态，常在搅拌和震荡等作用下保持泥沙悬浮状态。实验主要用于研究泥沙悬浮后的吸附解吸特征，如不同因素(粒径、温度、酸度)对吸附解吸的影响。也有实验对床沙特性进行研究，如描述特定河段床沙吸附解吸特性；对比分析不同河段泥沙的吸附速率和平衡吸附浓度；研究不同因素对床沙吸附解吸特性的影响机理。但是，静态实验在河流床沙特性研究中的缺陷早已被认识，如黄岁梁指出静态实验方法“完全不考虑天然河流的水力特性，这对于天然河流水力条件千差万别来说，不能不说是一大不足”。现有技术一的缺点：静态实验成果应用时，存在以下问题，首先，静态实验中容器内溶液近似不变且无法考虑不同泥沙差异，常用吸附等温式对应其平衡条件，而实际上天然床沙物质通量本身是非平衡条件下的产物，是一个非恒定、非均匀过程；其次，静态实验完全改变了泥沙的水沙动力特性，无法保证流速、污染物浓度等实验参数的可控性。如Huang同时进行简单的搅拌实验和改进的湍流模拟杯进行了吸附解吸实验，结果发现吸附平衡的时间分别为2h和20min，再次证明搅拌实验的水沙动力与地表水的水沙动力全然不同。现有技术二：循环水槽动水实验可以实现实验段水沙动力和上游来流水沙条件的可控性，尾水流经水泵又输送至水槽上游，循环使用。在实验段外增加设备，以控制水沙的浓度和化学条件。循环水槽的供水系统，尾门控制等水沙动力学控制已相对成熟。床沙-上覆水污染物交换研究中，床沙近似充满整个河道，基此模拟床沙输运过程床面-上覆水污染物交换。现有技术二的缺点：但是，现有方法存在如下问题：1)整个河道充满床沙，床沙在水流作用下，存在推移运动和冲淤变化。床面冲淤使得表层泥沙发生变化，无法研究垂向不同深度泥沙和上覆水的交换过程。2)上覆水-床沙中污染物交换与泥沙物理特性和化学特性相关，试验过程常需要控制泥沙物理特性(如粒径)和化学吸附特性(如表层可交换态)，河道试验需采用天然河沙，若整个河道作为床沙实验区，则用沙量非常大，如10m长、0.3m宽，床沙厚度为0.15m，则一次实验需要沙量0.45m3。而且吸附解吸试验后泥沙无法重复利用。试验泥沙需要取自河沙，试验规模过大，成本过高，试验费用或工作量角度都会难以满足。3)若将河床作为一者整体，则每次只能做一组特定物理化学性质的泥沙样品。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种方便控制床沙参数，经济、可行的循环水槽—实验土杯跨尺度耦合的上覆水—床沙间污染物输运实验系统。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：本专利技术的循环水槽—实验土杯跨尺度耦合的上覆水—床沙间污染物输运实验系统，包括循环水槽，所述循环水槽内设有床沙－上覆水污染物交换区，在床沙底部的循环水槽的床面上留出土杯接口并连接土杯，所述土杯口部与所述循环水槽的床面齐平，床沙及上覆水与所述土杯连通。由上述本专利技术提供的技术方案可以看出，本专利技术实施例提供的循环水槽—实验土杯跨尺度耦合的上覆水—床沙间污染物输运实验系统，耦合静态试验设备和循环水槽系统，提供地表水上覆水相似的水动力条件，同时方便控制床沙参数，减少床沙试验用沙，增加试验的经济型和可行性。附图说明图1为本专利技术实施例中实验水槽系统的侧面结构示意图。图2为本专利技术实施例中实验水槽系统的平面结构示意图。图3为本专利技术实施例中床沙-上覆水接口区的土杯接口(左边为方形，右边可直接放置烧杯)的布置示意图。具体实施方式下面结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术的保护范围。本专利技术的循环水槽—实验土杯跨尺度耦合的上覆水—床沙间污染物输运实验系统，其较佳的具体实施方式是：包括循环水槽，所述循环水槽内设有床沙－上覆水污染物交换区，在床沙底部的循环水槽的床面上留出土杯接口并连接土杯，所述土杯口部与所述循环水槽的床面齐平，床沙及上覆水与所述土杯连通。所述土杯的横截面为圆形或方形。所述循环水槽连接有泵池、上池、调节池和两个供水缸，所述泵池与调节池连接，所述泵池与循环水槽首部的进水口之间设有主泵，所述两个供水缸与调节池之间设有补水泵，所述循环水槽尾部的出水口与两个供水缸连接；所述主泵和补水泵分别设有流量计，所述循环水槽的进水口位置设有球式稳流器，所述循环水槽尾部的出水口设有水位调节器。所述循环水槽提供天然河流相似的水动力条件，所述土杯则在有限空间提供相似的天然床沙条件，模拟天然河流床面通量和床沙垂向污染物输运规律，实现了静态烧杯试验和循环水槽的联合优势。本专利技术的循环水槽—实验土杯跨尺度耦合的上覆水—床沙间污染物输运实验系统，解决了现有技术中，静态试验规模小，仅需在一个烧杯中完成，但无法模拟河流上浮水水动力条件；而循环水槽足够大，试验费用太大、试验效率过小的问题。本专利技术的循环水槽—实验土杯跨尺度耦合的上覆水—床沙间污染物输运实验系统，耦合静态试验设备和循环水槽系统，提供地表水上覆水相似的水动力条件，同时方便控制床沙参数，减少床沙试验用沙，增加试验的经济型和可行性。1)首先需要解决的是水动力相似性和可控性问题。水动力学控制主要是供水流量稳定、流态稳定、尾门水位控制、河道比降控制。2)其次是减小床沙试验不确定性影响因素，减少床沙表层泥沙推移运动，水平和垂向无泥沙输移，以研究污染物在床沙的垂向输移。3)本专利技术中床面表层提供试验接口，下部可连接床沙试验土杯，土杯与床面齐平，并保证与上覆水连通。不同土杯可以盛有不同特性泥沙，仅在土杯内进行上覆水-床沙通量和污染物垂向输运试验研究。不仅满足上覆水水流的相似性，又将实验用沙减小大静态试验的用沙量级。下面将结合附图对本专利技术实施例作进一步地详细描述。具体实施例：实验水槽系统所在实验室同时设置化学实验台及配套实验仪器。实验水槽系统设计如图1、图2所示。循环水槽长L＝12.00m，宽B＝0.30m，调坡范围0～1.5％。最大水深0.15m(宽深比2)、最大流速1.00m。最大水深时流速为0.40m/s；最大流速时水深0.06m。动力系统拟增加调节池和补水泵。由补水泵从两个供水缸轮换向调节池供水，保持调节池水位不变，主泵从泵池向水槽供水；双泵间设有流量计，通过水泵调节流量大小；水槽进口位置增设球式稳流器，保证水槽流态的稳定本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种循环水槽—实验土杯跨尺度耦合的上覆水—床沙间污染物输运实验系统，其特征在于，包括循环水槽，所述循环水槽内设有床沙－上覆水污染物交换区，在床沙底部的循环水槽的床面上留出土杯接口并连接土杯，所述土杯口部与所述循环水槽的床面齐平，床沙及上覆水与所述土杯连通。

【技术特征摘要】
1.一种循环水槽—实验土杯跨尺度耦合的上覆水—床沙间污染物输运实验系统，其特征在于，包括循环水槽，所述循环水槽内设有床沙－上覆水污染物交换区，在床沙底部的循环水槽的床面上留出土杯接口并连接土杯，所述土杯口部与所述循环水槽的床面齐平，床沙及上覆水与所述土杯连通。2.根据权利要求1所述的循环水槽—实验土杯跨尺度耦合的上覆水—床沙间污染物输运实验系统，其特征在于，所述土杯的横截面为圆形或方形。3.根据权利要求1所述的循环水槽—实验土杯跨尺度耦合的上覆水—床沙间污染物输运实验系统，其特征在于，所述循环水槽连接有泵池、上池、调节池和两个供水缸...

【专利技术属性】
技术研发人员：黑鹏飞，尚毅梓，田雨，雷晓辉，程启刚，
申请(专利权)人：中央民族大学，
类型：发明
国别省市：北京,11