一种用于研究水泥衬砌河道中水力‑水质关系的实验装置与方法制造方法及图纸

一种用于研究水泥衬砌河道中水力‑水质关系的实验装置与方法，包括由两条相互平行的直槽边和连接两直槽边的两半圆形水槽边组成的水槽主体，水槽主体中部装设中央隔板，中央隔板与两条直槽边平行且等长，使得水槽主体成为循环往复式的跑道型水槽，中央隔板与两条直槽边之间构成两个直槽段，两个直槽段的两端分别通过一个半圆形水槽段连通，且直槽段的宽度和半圆形水槽段的半径相同，在一个半圆形水槽段底部设置有排水凹槽，在一个直槽段设置有桨叶，以均匀推动槽内水流运动，该装置能够模拟水泥衬砌河道中不同流速、水深或雷诺数条件对水质、藻类生长等造成的影响，其结构简明，施工建造简便，能够有效仿真水泥衬砌河道推流状态，实验操作易行。

【技术实现步骤摘要】
一种用于研究水泥衬砌河道中水力-水质关系的实验装置与方法
本专利技术属于环境工程
，特别涉及一种用于研究水泥衬砌河道中水力-水质关系的实验装置与方法。
技术介绍
在城市内，河道环境与周边居民生活、娱乐等活动紧密相关，其景观、生态功能一般不可忽略。我国城市河道多采用水泥对河床表面进行衬砌，且河道管理中往往涉及补水等人工调控措施，因此城市河道管控中，对河道水力要素与其景观、水质(包括藻类生长)的影响关系的研究具有重要意义。在本专利技术之前，对河道水力和水质影响关系的实验装置包括桶式装置、直槽装置(包括折叠式直槽)和环形槽装置。其中，桶式装置通过震荡、搅拌等方式令水体旋转流动，如2011年北京市水利科学研究所申请了一种公开号为CN102174373A的“铜绿微囊藻类研究装置”的专利技术专利，通过水下桨叶绕桶式水槽的转动推动水流。桶式装置可以模拟完全混合的单元水体，但计算流速较为困难，无法满足水力-水质关系研究的要求。直槽装置中，水体从一端流入一端流出，常用于附着微生物的研究，无法有效模拟单元水体长时间的水质变化。而对于环形水槽，可以模拟水体单元的运动，且较易于测量流速等水力要素。目前有圆环型和跑道型两种形式，圆环型装置如2013年同济大学申请的公开号为CN103207060B的“一种可用于模拟天然河道水流特性的环形水槽装置”和上海河口海岸科学研究中心申请的公开号为CN103592101B的“一种桁架式全自动测量及控制环形水槽的试验装置”专利技术专利；跑道型装置如2015年北京市环境保护科学研究院申请的公开号为CN204495541U的“利用环形水槽模拟天然河道水流特性的装置”技术专利，均是采用剪力作用带动水槽内水体流动。然而现有的实验装置专利暂无法满足人工衬砌河道中水力-水质要素研究的研究需求，包括：城市河道中河宽较小、水流较慢，可视为推流河道，应尽量令水体呈推流状态流动；同时，由于装置可用于研究藻类生长情况，因此应尽量减少外界剪力对藻类形态和集群带来的影响；另外，为了有效模拟水流与水泥表面产生的摩擦力、水泥河床向水体中的物质释放或浮游生物等在河床表面的附着现象，装置内部需用水泥进行衬砌。
技术实现思路
为了克服上述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于为环境工程中城市河道修复领域提供一种用于研究水泥衬砌河道中水力-水质关系的实验装置与方法，用于模拟水泥衬砌河道中不同流速、水深或雷诺数条件对水质、藻类生长等造成的影响，能够有效仿真水泥衬砌河道推流状态，实验操作易行，具有结构简明、施工简便、节约成本、适用性和针对性强等优点。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种用于研究水泥衬砌河道中水力-水质关系的实验装置，包括水槽主体1，水槽主体1由两条相互平行的直槽边和连接两直槽边的两半圆形水槽边组成，在水槽主体1中部装设中央隔板2，中央隔板2与所述两条直槽边平行且等长，使得水槽主体1成为循环往复式的跑道型水槽，中央隔板2与两条直槽边之间构成两个直槽段，两个直槽段的两端分别通过一个半圆形水槽段连通，且直槽段的宽度和半圆形水槽段的半径相同，在一个半圆形水槽段底部设置有排水凹槽3，在一个直槽段设置有与可调动力装置5连接的桨叶6，以均匀推动槽内水流运动。所述排水凹槽3为方形或圆形，底部低于地面时用以置入潜水泵排水，其宽度或半径大于所使用的潜水泵底座半径，地形条件允许时，于凹槽底部设置直排口进行重力排水。所述水槽主体1内壁均用水泥进行衬砌，以模拟实际人工衬砌的河道表面，从而在实验中有效模拟水流与水泥表面产生的摩擦力以及附着生物、浮游生物在河床表面的附着现象。所述水泥衬砌的方法为：在组装好的水槽主体的内壁以及中央隔板两侧钢板表面9每平方厘米点焊12mm长度钢钉13，使用水泥砂浆抹灰10，厚度为5-8mm，待其初凝后在其表面放置铁丝网11作为加筋，再次覆盖水泥砂浆12并进行压实，厚度为5-8mm。所述桨叶6为三桨叶结构，三桨叶各相距120°，均匀分布在桨叶轴上，其尺寸和位置为：桨叶垂直水槽底面时，桨叶末端距水槽底面不小于5cm，不大于实验水深；桨叶平行水槽地面时，桨叶轴、动力装置轴所处的中心线距直槽段起始端的水平距离不小于桨叶长度，不大于1/2直槽段长度；桨叶镂空部分面积由实验水深和流速决定。所述可调动力装置5由电机和减速机构成，通过减速机调速旋钮7调整桨叶6的转动速度，且桨叶转动方向8令水流从桨叶轴距离较近的直槽段前端流向该直槽段后端。所述桨叶6以及其桨叶轴，以及位于水面上方的钢板均进行防锈处理。利用所述用于研究水泥衬砌河道中水力-水质关系的实验装置的实验方法，包括如下步骤：步骤一，清除经干燥后的装置内的杂物后，向实验装置内注入实验用水至水深达到预设刻度处，开启可调动力装置5；步骤二，确定实验装置中水体流速；步骤三，保持可调动力装置5持续运行，水体持续流动，定期进行特定水质指标检测和记录，并每隔五天检验水体流速是否保持不变；步骤四，检测结束后，关停可调动力装置5，将潜水泵置于排水凹槽3中，进行排水；步骤五，排水结束后，刷洗清除装置内壁的附着物，根据形成的水文状态数据和检测得到的水质数据，得到相应的水文-水质关系。本专利技术水体流速通过如下步骤进行调试：步骤一，根据实验方案计算水深要求，并在实验装置内壁标注所需水深刻度；步骤二，向实验装置中注入实验用水，至水深达到刻度，开启电机，旋转减速机调速旋钮7至最低速；步骤三，在没有桨叶6的一个直槽段利用单点流速仪测量此时流速，测量点位于该直槽段中点，1/2水深处，将测得流速标注在减速机调速旋钮7处；步骤四，将减速机调速旋钮7调至最高速或不产生明显水流横向震荡的临界流速，重复步骤三操作；步骤五，根据步骤三、步骤四操作结果，估算达到所需流速时减速机调速旋钮7位置，将减速机调速旋钮7拨至该位置，继续重复步骤三和步骤五操作，直到所测得的流速满足实验需求，标注此时旋钮位置。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：(1)本专利技术利用桨叶模拟推流状态下水体流动方式，更加适用于可视为推流状态的河道水流。(2)本专利技术包括直槽段，水流横向流动得到缓冲和减少，使槽内流速测量更为方便和准确。(3)本专利技术利用水泥对水槽内壁进行衬砌，能够有效模拟水流与水泥表面产生的摩擦力以及附着生物、浮游生物等在河床表面的附着现象。(4)本专利技术设置了排水凹槽，利用潜水泵进行排水，从而可以忽略装置底部与地面高差。实验中可将装置底部置于地面以下，能够在顺利排水的同时保持装置外部温度适宜；而地形条件允许时也可直接进行重力排水(5)本专利技术结构简明、用电线路简单，易于施工建造，节省造价。附图说明图1为本专利技术用于研究水泥衬砌河道中水力-水质关系的实验装置的俯视图。图2为本专利技术用于研究水泥衬砌河道中水力-水质关系的实验装置的主视图。图3为本专利技术用于研究水泥衬砌河道中水力-水质关系的实验装置的左侧视图。图4为本专利技术用于研究水泥衬砌河道中水力-水质关系的实验装置的水泥衬砌层示意图。图中：1为水槽主体；2为中央隔板；3为排水凹槽；4为水泥衬砌表面；5为可调动力装置；6为桨叶；7为减速机调速旋钮；8为桨叶转动方向；9为水槽主体内壁和中央隔板两侧钢板表面；10为内层水泥砂浆；11为铁丝网层；12为外层水泥砂浆；13为钢钉。具体实施方式下面结合附图和实施例详细说明本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于研究水泥衬砌河道中水力‑水质关系的实验装置，包括水槽主体(1)，水槽主体(1)由两条相互平行的直槽边和连接两直槽边的两半圆形水槽边组成，其特征在于，在水槽主体(1)中部装设中央隔板(2)，中央隔板(2)与所述两条直槽边平行且等长，使得水槽主体(1)成为循环往复式的跑道型水槽，中央隔板(2)与两条直槽边之间构成两个直槽段，两个直槽段的两端分别通过一个半圆形水槽段连通，且直槽段的宽度和半圆形水槽段的半径相同，在一个半圆形水槽段底部设置有排水凹槽(3)，在一个直槽段设置有与可调动力装置(5)连接的桨叶(6)，以均匀推动槽内水流运动。

【技术特征摘要】
1.一种用于研究水泥衬砌河道中水力-水质关系的实验装置，包括水槽主体(1)，水槽主体(1)由两条相互平行的直槽边和连接两直槽边的两半圆形水槽边组成，其特征在于，在水槽主体(1)中部装设中央隔板(2)，中央隔板(2)与所述两条直槽边平行且等长，使得水槽主体(1)成为循环往复式的跑道型水槽，中央隔板(2)与两条直槽边之间构成两个直槽段，两个直槽段的两端分别通过一个半圆形水槽段连通，且直槽段的宽度和半圆形水槽段的半径相同，在一个半圆形水槽段底部设置有排水凹槽(3)，在一个直槽段设置有与可调动力装置(5)连接的桨叶(6)，以均匀推动槽内水流运动。2.根据权利要求1所述用于研究水泥衬砌河道中水力-水质关系的实验装置，其特征在于，所述排水凹槽(3)为方形或圆形，底部低于地面时用以置入潜水泵排水，其宽度或半径大于所使用的潜水泵底座半径，地形条件允许时，于凹槽底部设置直排口进行重力排水。3.根据权利要求1所述用于研究水泥衬砌河道中水力-水质关系的实验装置，其特征在于，所述水槽主体(1)内壁均用水泥进行衬砌，以模拟实际人工衬砌的河道表面，从而在实验中有效模拟水流与水泥表面产生的摩擦力以及附着生物、浮游生物在河床表面的附着现象。4.根据权利要求1所述用于研究水泥衬砌河道中水力-水质关系的实验装置，其特征在于，所述水泥衬砌的方法为：在组装好的水槽主体的内壁以及中央隔板两侧钢板表面(9)每平方厘米点焊12mm长度钢钉(13)，使用水泥砂浆抹灰(10)，厚度为5-8mm，待其初凝后在其表面放置铁丝网(11)作为加筋，再次覆盖水泥砂浆(12)并进行压实，厚度为5-8mm。5.根据权利要求1所述用于研究水泥衬砌河道中水力-水质关系的实验装置，其特征在于，所述桨叶(6)为三桨叶结构，三桨叶各相距120°，均匀分布在桨叶轴上，其尺寸和位置为：桨叶垂直水槽底面时，桨叶末端距水槽底面不小于5cm，不大于实验水深；桨叶平行水槽地面时，桨叶轴、动力装置轴所处的中心线距直槽段起始端的水平距离不小于桨叶长度，不大于1/2直槽段长度；桨叶镂空部...

【专利技术属性】
技术研发人员：贾海峰，魏桢，张大春，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京,11