本發(fā)明屬于環(huán)境工程技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種用于研究水泥襯砌河道中水力-水質(zhì)關(guān)系的實(shí)驗(yàn)裝置與方法。

背景技術(shù)：

在城市內(nèi)，河道環(huán)境與周邊居民生活、娛樂等活動(dòng)緊密相關(guān)，其景觀、生態(tài)功能一般不可忽略。我國(guó)城市河道多采用水泥對(duì)河床表面進(jìn)行襯砌，且河道管理中往往涉及補(bǔ)水等人工調(diào)控措施，因此城市河道管控中，對(duì)河道水力要素與其景觀、水質(zhì)(包括藻類生長(zhǎng))的影響關(guān)系的研究具有重要意義。

在本發(fā)明之前，對(duì)河道水力和水質(zhì)影響關(guān)系的實(shí)驗(yàn)裝置包括桶式裝置、直槽裝置(包括折疊式直槽)和環(huán)形槽裝置。其中，桶式裝置通過震蕩、攪拌等方式令水體旋轉(zhuǎn)流動(dòng)，如2011年北京市水利科學(xué)研究所申請(qǐng)了一種公開號(hào)為CN102174373A的“銅綠微囊藻類研究裝置”的發(fā)明專利，通過水下槳葉繞桶式水槽的轉(zhuǎn)動(dòng)推動(dòng)水流。桶式裝置可以模擬完全混合的單元水體，但計(jì)算流速較為困難，無法滿足水力-水質(zhì)關(guān)系研究的要求。直槽裝置中，水體從一端流入一端流出，常用于附著微生物的研究，無法有效模擬單元水體長(zhǎng)時(shí)間的水質(zhì)變化。而對(duì)于環(huán)形水槽，可以模擬水體單元的運(yùn)動(dòng)，且較易于測(cè)量流速等水力要素。目前有圓環(huán)型和跑道型兩種形式，圓環(huán)型裝置如2013年同濟(jì)大學(xué)申請(qǐng)的公開號(hào)為CN 103207060 B的“一種可用于模擬天然河道水流特性的環(huán)形水槽裝置”和上海河口海岸科學(xué)研究中心申請(qǐng)的公開號(hào)為CN 103592101 B的“一種桁架式全自動(dòng)測(cè)量及控制環(huán)形水槽的試驗(yàn)裝置”發(fā)明專利；跑道型裝置如2015年北京市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院申請(qǐng)的公開號(hào)為CN 204495541 U的“利用環(huán)形水槽模擬天然河道水流特性的裝置”實(shí)用新型專利，均是采用剪力作用帶動(dòng)水槽內(nèi)水體流動(dòng)。

然而現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)裝置專利暫無法滿足人工襯砌河道中水力-水質(zhì)要素研究的研究需求，包括：城市河道中河寬較小、水流較慢，可視為推流河道，應(yīng)盡量令水體呈推流狀態(tài)流動(dòng)；同時(shí)，由于裝置可用于研究藻類生長(zhǎng)情況，因此應(yīng)盡量減少外界剪力對(duì)藻類形態(tài)和集群帶來的影響；另外，為了有效模擬水流與水泥表面產(chǎn)生的摩擦力、水泥河床向水體中的物質(zhì)釋放或浮游生物等在河床表面的附著現(xiàn)象，裝置內(nèi)部需用水泥進(jìn)行襯砌。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于為環(huán)境工程中城市河道修復(fù)領(lǐng)域提供一種用于研究水泥襯砌河道中水力-水質(zhì)關(guān)系的實(shí)驗(yàn)裝置與方法，用于模擬水泥襯砌河道中不同流速、水深或雷諾數(shù)條件對(duì)水質(zhì)、藻類生長(zhǎng)等造成的影響，能夠有效仿真水泥襯砌河道推流狀態(tài)，實(shí)驗(yàn)操作易行，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)明、施工簡(jiǎn)便、節(jié)約成本、適用性和針對(duì)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

一種用于研究水泥襯砌河道中水力-水質(zhì)關(guān)系的實(shí)驗(yàn)裝置，包括水槽主體1，水槽主體1由兩條相互平行的直槽邊和連接兩直槽邊的兩半圓形水槽邊組成，在水槽主體1中部裝設(shè)中央隔板2，中央隔板2與所述兩條直槽邊平行且等長(zhǎng)，使得水槽主體1成為循環(huán)往復(fù)式的跑道型水槽，中央隔板2與兩條直槽邊之間構(gòu)成兩個(gè)直槽段，兩個(gè)直槽段的兩端分別通過一個(gè)半圓形水槽段連通，且直槽段的寬度和半圓形水槽段的半徑相同，在一個(gè)半圓形水槽段底部設(shè)置有排水凹槽3，在一個(gè)直槽段設(shè)置有與可調(diào)動(dòng)力裝置5連接的槳葉6，以均勻推動(dòng)槽內(nèi)水流運(yùn)動(dòng)。

所述排水凹槽3為方形或圓形，底部低于地面時(shí)用以置入潛水泵排水，其寬度或半徑大于所使用的潛水泵底座半徑，地形條件允許時(shí)，于凹槽底部設(shè)置直排口進(jìn)行重力排水。

所述水槽主體1內(nèi)壁均用水泥進(jìn)行襯砌，以模擬實(shí)際人工襯砌的河道表面，從而在實(shí)驗(yàn)中有效模擬水流與水泥表面產(chǎn)生的摩擦力以及附著生物、浮游生物在河床表面的附著現(xiàn)象。

所述水泥襯砌的方法為：在組裝好的水槽主體的內(nèi)壁以及中央隔板兩側(cè)鋼板表面9每平方厘米點(diǎn)焊12mm長(zhǎng)度鋼釘13，使用水泥砂漿抹灰10，厚度為5-8mm，待其初凝后在其表面放置鐵絲網(wǎng)11作為加筋，再次覆蓋水泥砂漿12并進(jìn)行壓實(shí)，厚度為5-8mm。

所述槳葉6為三槳葉結(jié)構(gòu)，三槳葉各相距120°，均勻分布在槳葉軸上，其尺寸和位置為：槳葉垂直水槽底面時(shí)，槳葉末端距水槽底面不小于5cm，不大于實(shí)驗(yàn)水深；槳葉平行水槽地面時(shí)，槳葉軸、動(dòng)力裝置軸所處的中心線距直槽段起始端的水平距離不小于槳葉長(zhǎng)度，不大于1/2直槽段長(zhǎng)度；槳葉鏤空部分面積由實(shí)驗(yàn)水深和流速?zèng)Q定。

所述可調(diào)動(dòng)力裝置5由電機(jī)和減速機(jī)構(gòu)成，通過減速機(jī)調(diào)速旋鈕7調(diào)整槳葉6的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，且槳葉轉(zhuǎn)動(dòng)方向8令水流從槳葉軸距離較近的直槽段前端流向該直槽段后端。

所述槳葉6以及其槳葉軸，以及位于水面上方的鋼板均進(jìn)行防銹處理。

利用所述用于研究水泥襯砌河道中水力-水質(zhì)關(guān)系的實(shí)驗(yàn)裝置的實(shí)驗(yàn)方法，包括如下步驟：

步驟一，清除經(jīng)干燥后的裝置內(nèi)的雜物后，向?qū)嶒?yàn)裝置內(nèi)注入實(shí)驗(yàn)用水至水深達(dá)到預(yù)設(shè)刻度處，開啟可調(diào)動(dòng)力裝置5；

步驟二，確定實(shí)驗(yàn)裝置中水體流速；

步驟三，保持可調(diào)動(dòng)力裝置5持續(xù)運(yùn)行，水體持續(xù)流動(dòng)，定期進(jìn)行特定水質(zhì)指標(biāo)檢測(cè)和記錄，并每隔五天檢驗(yàn)水體流速是否保持不變；

步驟四，檢測(cè)結(jié)束后，關(guān)停可調(diào)動(dòng)力裝置5，將潛水泵置于排水凹槽3中，進(jìn)行排水；

步驟五，排水結(jié)束后，刷洗清除裝置內(nèi)壁的附著物，根據(jù)形成的水文狀態(tài)數(shù)據(jù)和檢測(cè)得到的水質(zhì)數(shù)據(jù)，得到相應(yīng)的水文-水質(zhì)關(guān)系。

本發(fā)明水體流速通過如下步驟進(jìn)行調(diào)試：

步驟一，根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案計(jì)算水深要求，并在實(shí)驗(yàn)裝置內(nèi)壁標(biāo)注所需水深刻度；

步驟二，向?qū)嶒?yàn)裝置中注入實(shí)驗(yàn)用水，至水深達(dá)到刻度，開啟電機(jī)，旋轉(zhuǎn)減速機(jī)調(diào)速旋鈕7至最低速；

步驟三，在沒有槳葉6的一個(gè)直槽段利用單點(diǎn)流速儀測(cè)量此時(shí)流速，測(cè)量點(diǎn)位于該直槽段中點(diǎn)，1/2水深處，將測(cè)得流速標(biāo)注在減速機(jī)調(diào)速旋鈕7處；

步驟四，將減速機(jī)調(diào)速旋鈕7調(diào)至最高速或不產(chǎn)生明顯水流橫向震蕩的臨界流速，重復(fù)步驟三操作；

步驟五，根據(jù)步驟三、步驟四操作結(jié)果，估算達(dá)到所需流速時(shí)減速機(jī)調(diào)速旋鈕7位置，將減速機(jī)調(diào)速旋鈕7撥至該位置，繼續(xù)重復(fù)步驟三和步驟五操作，直到所測(cè)得的流速滿足實(shí)驗(yàn)需求，標(biāo)注此時(shí)旋鈕位置。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

(1)本發(fā)明利用槳葉模擬推流狀態(tài)下水體流動(dòng)方式，更加適用于可視為推流狀態(tài)的河道水流。

(2)本發(fā)明包括直槽段，水流橫向流動(dòng)得到緩沖和減少，使槽內(nèi)流速測(cè)量更為方便和準(zhǔn)確。

(3)本發(fā)明利用水泥對(duì)水槽內(nèi)壁進(jìn)行襯砌，能夠有效模擬水流與水泥表面產(chǎn)生的摩擦力以及附著生物、浮游生物等在河床表面的附著現(xiàn)象。

(4)本發(fā)明設(shè)置了排水凹槽，利用潛水泵進(jìn)行排水，從而可以忽略裝置底部與地面高差。實(shí)驗(yàn)中可將裝置底部置于地面以下，能夠在順利排水的同時(shí)保持裝置外部溫度適宜；而地形條件允許時(shí)也可直接進(jìn)行重力排水

(5)本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)明、用電線路簡(jiǎn)單，易于施工建造，節(jié)省造價(jià)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明用于研究水泥襯砌河道中水力-水質(zhì)關(guān)系的實(shí)驗(yàn)裝置的俯視圖。

圖2為本發(fā)明用于研究水泥襯砌河道中水力-水質(zhì)關(guān)系的實(shí)驗(yàn)裝置的主視圖。

圖3為本發(fā)明用于研究水泥襯砌河道中水力-水質(zhì)關(guān)系的實(shí)驗(yàn)裝置的左側(cè)視圖。

圖4為本發(fā)明用于研究水泥襯砌河道中水力-水質(zhì)關(guān)系的實(shí)驗(yàn)裝置的水泥襯砌層示意圖。

圖中：1為水槽主體；2為中央隔板；3為排水凹槽；4為水泥襯砌表面；5為可調(diào)動(dòng)力裝置；6為槳葉；7為減速機(jī)調(diào)速旋鈕；8為槳葉轉(zhuǎn)動(dòng)方向；9為水槽主體內(nèi)壁和中央隔板兩側(cè)鋼板表面；10為內(nèi)層水泥砂漿；11為鐵絲網(wǎng)層；12為外層水泥砂漿；13為鋼釘。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例詳細(xì)說明本發(fā)明的實(shí)施方式。

如圖1～3所示，本發(fā)明實(shí)驗(yàn)裝置包括水槽主體、中央隔板、可調(diào)動(dòng)力裝置、槳葉等。

水槽主體1和中央隔板2高1000mm，主體鋼板厚4mm，頂部有一厚8mm的箍筋固定(根據(jù)需要可以在1/2高度處再設(shè)置一箍筋)。經(jīng)中央隔板隔開后，形成相互平行的兩道直槽，直槽長(zhǎng)度為4000mm，寬度為1000mm，兩道半圓形水槽，半徑為1000mm。方形排水凹槽邊長(zhǎng)為200mm，中心距半圓形水槽頂端500mm。

本發(fā)明中，如圖4所示，在組裝好的水槽主體的內(nèi)壁以及中央隔板兩側(cè)鋼板表面9以每平方厘米點(diǎn)焊12mm長(zhǎng)度的鋼釘13，之后使用水泥砂漿抹灰10，厚度為5mm，待其初凝后在其表面放置鐵絲網(wǎng)11作為加筋，再次覆蓋水泥砂漿12并進(jìn)行壓實(shí)，厚度為8mm。

本發(fā)明中，槳葉6共三片，相距120°均勻分布在槳葉軸上，其長(zhǎng)度為1100mm，寬度為900mm，有效推水部分(非鏤空部分)由五塊高度為100mm的可拆卸鋼板拼接而成，可根據(jù)需要拆卸。槳葉軸、動(dòng)力裝置軸所處的中心線距直槽前端的水平距離為1200mm。動(dòng)力裝置架設(shè)于另一直槽的上方，鋼板墊厚度為8mm。槳葉、槳葉軸、動(dòng)力裝置鋼板墊均用防銹漆處理。

裝置底面置于地面以下500m，地面以上的外壁用草席覆蓋，使裝置內(nèi)水體溫度適宜。

本發(fā)明中水流速度的調(diào)試，包括如下步驟：

步驟一，根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案計(jì)算水深要求，并在實(shí)驗(yàn)裝置內(nèi)壁標(biāo)注所需水深刻度；

步驟二，向?qū)嶒?yàn)裝置中注入實(shí)驗(yàn)用水，至水深達(dá)到刻度，開啟電機(jī)，旋轉(zhuǎn)減速機(jī)調(diào)速旋鈕7至最低速；

步驟三，在沒有槳葉6的一個(gè)直槽段利用單點(diǎn)流速儀測(cè)量此時(shí)流速，測(cè)量點(diǎn)位于該直槽段中點(diǎn)，1/2水深處，將測(cè)得流速標(biāo)注在減速機(jī)調(diào)速旋鈕7處；

步驟四，將減速機(jī)調(diào)速旋鈕7調(diào)至最高速或不產(chǎn)生明顯水流橫向震蕩的臨界流速，重復(fù)步驟三操作；

步驟五，根據(jù)步驟三、步驟四操作結(jié)果，估算達(dá)到所需流速時(shí)減速機(jī)調(diào)速旋鈕7位置，將減速機(jī)調(diào)速旋鈕7撥至該位置，繼續(xù)重復(fù)步驟三和步驟五操作，直到所測(cè)得的流速滿足實(shí)驗(yàn)需求，標(biāo)注此時(shí)旋鈕位置。

采用本發(fā)明裝置進(jìn)行特定流速下水質(zhì)變化研究的方法，包括如下步驟，此處以藻類培養(yǎng)為例。

步驟一，清除經(jīng)干燥后的裝置內(nèi)的雜物后，向?qū)嶒?yàn)裝置內(nèi)注入實(shí)驗(yàn)用水至水深達(dá)到預(yù)設(shè)刻度處，開啟可調(diào)動(dòng)力裝置5。

步驟二，利用水流速度的調(diào)試中步驟三的方法再次確定實(shí)驗(yàn)裝置中水體流速。

步驟三，保持動(dòng)力裝置持續(xù)運(yùn)行，水體持續(xù)流動(dòng)，定期進(jìn)行藻類指數(shù)檢測(cè)和記錄，并每隔五天利用水流速度的調(diào)試中步驟三的方法檢驗(yàn)流速是否保持不變。

步驟四，檢測(cè)結(jié)束后，關(guān)停可調(diào)動(dòng)力裝置5，將潛水泵置于排水凹槽3中，進(jìn)行排水。

步驟五，排水結(jié)束后，用刷子將裝置內(nèi)壁附著的浮游植物進(jìn)行刷洗和清除，并將裝置進(jìn)行晾曬至完全干燥后可進(jìn)行下一組實(shí)驗(yàn)。

步驟六，根據(jù)得到的藻類指數(shù)求得實(shí)驗(yàn)期間裝置內(nèi)藻類生長(zhǎng)的生長(zhǎng)速率，結(jié)合各組實(shí)驗(yàn)中設(shè)定的流速，繪制不同流速下藻類生長(zhǎng)速率的變化規(guī)律圖。

本發(fā)明中，根據(jù)裝置不同的運(yùn)行條件可以形成不同的水力條件，而通過實(shí)驗(yàn)監(jiān)測(cè)可以得到的特定水質(zhì)指標(biāo)數(shù)據(jù)(根據(jù)不同研究需求而定)，結(jié)合這兩者即可進(jìn)行特定的水力-水質(zhì)關(guān)系分析。