本發(fā)明涉及的是一種確定河網(wǎng)交匯處污染物分布的實驗?zāi)M系統(tǒng)及其模擬方法，屬于環(huán)境水力學(xué)科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

過去幾十年中，國內(nèi)經(jīng)濟發(fā)展主要以消耗能源為代價推動經(jīng)濟的發(fā)展模式，過于注重國內(nèi)生產(chǎn)總值等指標的快速增長，忽視了人與自然和諧相處的準則。工農(nóng)業(yè)的發(fā)展、人口的快速增長，給環(huán)境帶來了巨大的壓力，國內(nèi)東部平原河網(wǎng)都受到不同程度的點源和非點源污染。近幾年，綠色發(fā)展等理念逐漸人心，河道治理已經(jīng)成社會各界關(guān)注的焦點。但此前，國內(nèi)外學(xué)者對直段河道環(huán)境監(jiān)測和治理研究較多，但對于河網(wǎng)污染物輸移富集的研究較少，尤其是河網(wǎng)的關(guān)鍵控制節(jié)點——河網(wǎng)交匯處。該交匯處控制著整個河網(wǎng)污染物的輸移，是對河網(wǎng)環(huán)境治理的關(guān)鍵節(jié)點，因此研究河網(wǎng)交匯處污染物分布規(guī)律非常重要。但由于泥沙在污染物輸運過程中扮演著“源”或“匯”的重要角色、而且交匯處水流結(jié)構(gòu)極為復(fù)雜，數(shù)學(xué)模型往往很難模擬，所以建立一種確定河網(wǎng)交匯處污染物分布的實驗?zāi)M系統(tǒng)及其模擬方法十分重要。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供的是一種河網(wǎng)交匯處污染物分布的實驗?zāi)M系統(tǒng)及其模擬方法，其目的旨在實現(xiàn)不同匯流比作用下對交匯口區(qū)域的污染物分布進行實驗研究，為交匯口區(qū)域的污染物分布研究以及河網(wǎng)治理提供科學(xué)的指導(dǎo)。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案：確定河網(wǎng)交匯處的污染物分布的實驗?zāi)M系統(tǒng)，其特征是包括兩個上游水箱5、一個下游水箱4、上游平底水槽11、下游平底水槽10、抽水管道6、變頻泵2、平水格柵9、電磁流量計3，待測區(qū)的矩形有機玻璃沙板8，其中從下游水箱4引一條抽水管道6回路到的兩個上游水箱5，每條抽水管道回路上裝有變頻泵2以及電磁流量計3；上游平底水槽11與上游水箱5相接，并在連接處放有平水格柵9，平穩(wěn)水槽內(nèi)的水流；下游平底水槽10通過尾門與下游水箱4相通，交匯前后水槽的寬度設(shè)置應(yīng)遵循水力幾何關(guān)系：wpc=wm[1+(wt/wm)^1/b]^b，式中的wpc是指交匯口下游處寬度，wm為主槽的寬度，wt為支槽的寬度；參數(shù)b一般設(shè)置為0.5；如果主槽和支槽的寬度一樣，交匯口下游處的水槽寬度為交匯之前水槽寬度的1.4倍，工作時，水流經(jīng)變頻泵2工作后從下游平底水槽10抽到兩個上游水箱5，然后經(jīng)過平水格柵9進入上游平底水槽11，平水格柵用于平穩(wěn)水流，水流經(jīng)過尾門進入下游水箱4實現(xiàn)循環(huán)。

確定河網(wǎng)交匯處污染物分布的實驗?zāi)M方法，包括如下步驟：

1）將現(xiàn)場底泥樣本放入預(yù)設(shè)溫度為80℃的干燥箱內(nèi)干燥，干燥完成將其粉碎研磨，用60目分樣篩以及0.15mm孔徑的標準篩進行篩分，取細粉末放入待測有機玻璃沙板內(nèi)，考慮到干的粉末狀的底泥樣本易備水流沖走，故在放入水槽之前往玻璃板內(nèi)加入適當(dāng)?shù)乃蛣蚰ㄆ剑?/p>

2）如果水槽模擬系統(tǒng)裝置為可調(diào)式，在運行之前要對底坡進行率定和校準；

3）配置可吸附污染物混合溶液，污染物成分可根據(jù)實際研究區(qū)域的主要污染物或?qū)嶒炑芯咳藛T想要研究的某種污染物。將配置完成的污染物加入下游水箱中，水箱儲有足夠的供裝置系統(tǒng)循環(huán)的水量；

4）打開抽水管道上的所有閥門、變頻泵控制開關(guān)以及電磁流量計，持續(xù)運行2h，使污染物在裝置系統(tǒng)中水體內(nèi)摻混均勻，讓抽水管道內(nèi)壁、水槽邊壁以及水箱邊壁吸附足夠多的污染物，從而使待測區(qū)泥沙吸附污染物的影響降到最低；

5）步驟4）進行2個小時之后，將處理好的待測矩形有機玻璃沙板放入水槽交匯口待測區(qū)；

6）為了使水流平穩(wěn)過渡到玻璃沙板，在板的四周鋪上等厚度（即5cm）直徑為1mm沙礫，長度為20cm，然后以坡比為1:4繼續(xù)鋪沙，使其平緩過渡到水槽底面；

7）上述步驟就緒之后，持續(xù)運行48h；

8）取出待測區(qū)有機玻璃沙板，然后用直徑為1cm的塑料薄管進行取樣，橫向取樣點間隔2cm，縱向間隔為10cm（縱向為順水流方向）取樣時塑料薄管要垂直于玻璃沙板，然后對取出的樣本進行分層；

9）樣本放入預(yù)設(shè)溫度為80℃的干燥箱干燥，研磨篩分之后，取0.2g樣本進行用微波消解或高溫消解（溫度為300℃，分別加入8ml和2ml優(yōu)級純硝酸和硫酸，消解完成時樣本呈乳白色），消解完成后加蒸餾水，用50ml的聚乙烯容量瓶定容，取上清液然后用分光光度計等手段測定底泥污染物含量，分析水平、豎直污染物分布情況。

本發(fā)明的有益效果：

1）本發(fā)明適用于河網(wǎng)中匯流角不同的河流交匯區(qū)污染物分布模擬；

2）通過改變匯流比可以實現(xiàn)因不同時期現(xiàn)場河流流量不同而導(dǎo)致匯流區(qū)污染物分布差異的研究；

3）可以適當(dāng)改動本發(fā)明實驗?zāi)M系統(tǒng)，如平床改成考慮地形對污染物分布的影響等，為河網(wǎng)河流交匯區(qū)污染物分布規(guī)律研究以及河網(wǎng)治理提供科學(xué)指導(dǎo)。

附圖說明

圖1為匯流角為90°的河網(wǎng)交匯處污染物分布實驗?zāi)M系統(tǒng)俯視圖。

圖2（a）、圖2（b）、圖2（c）是交匯口上、下游水槽橫斷面尺寸圖(單位：mm)，其中圖2（a）是a-a剖示圖，圖2（b）是b-b剖示圖，圖2（c）是c-c剖示圖。

圖3是沙板、周邊布置尺寸圖及取樣分布圖（單位：mm)，其中圖3（a）是待測沙板尺寸圖；圖3（b）是待測沙板橫剖面圖；圖3（c）是待測沙板縱面圖；圖3（d）是取樣分布圖。

圖中1是閥門；2是變頻泵；3是電磁流量計；4是下游水箱；5是上游水箱；6是抽水管道；7是1mm沙礫；8是待測區(qū)有機玻璃沙板；9是平水格柵；10是下游平底水槽；11是上游平底水槽。

具體實施方式

確定河網(wǎng)交匯處的污染物分布的實驗?zāi)M系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)包括兩個上游水箱5、一個下游水箱4、上游平底水槽11、下游平底水槽10、抽水管道6、變頻泵2、平水格柵9、尾門、電磁流量計3，待測區(qū)的矩形有機玻璃沙板8，其中從下游水箱4引一條抽水管道6回路到的兩個上游水箱5，每條抽水管道回路上裝有變頻泵2以及電磁流量計3；上游平底水槽11與上游水箱5相接，并在連接處放有平水格柵9，平穩(wěn)水槽內(nèi)的水流；下游平底水槽10通過尾門與下游水箱4相通，交匯前后水槽的寬度設(shè)置應(yīng)遵循水力幾何關(guān)系：wpc=wm[1+(wt/wm)^1/b]^b，式中的wpc是指交匯口下游處寬度，wm為主槽的寬度，wt為支槽的寬度；參數(shù)b一般設(shè)置為0.5；如果主槽和支槽的寬度一樣，交匯口下游處的水槽寬度為交匯之前水槽寬度的1.4倍，工作時，水流經(jīng)變頻泵2工作后從下游平底水槽10抽到兩個上游水箱5，然后經(jīng)過平水格柵9進入上游平底水槽11，平水格柵用于平穩(wěn)水流，水流經(jīng)過尾門進入下游水箱4實現(xiàn)循環(huán)。

所述上游平底水槽11主支汊交匯的匯流角根據(jù)現(xiàn)場河道交匯的真實情況設(shè)定；或根據(jù)實驗研究人員目的設(shè)定。

若河道底坡很小，實驗水槽設(shè)為平坡；若河道底坡較大，則水槽支撐設(shè)為可調(diào)式，水槽和下游水箱連接也制作成可調(diào)式。

所述待測區(qū)的矩形有機玻璃沙板8要覆蓋匯流區(qū)主要水力分區(qū)，該矩形有機玻璃沙板5cm厚，寬度與交匯后下游水槽寬度一致。

其實驗?zāi)M方法，包括如下步驟：

1）將現(xiàn)場底泥樣本放入預(yù)設(shè)溫度為80℃的干燥箱內(nèi)干燥，干燥完成將其粉碎研磨，用60目分樣篩以及0.15mm孔徑的標準篩進行篩分，取細粉末放入待測有機玻璃沙板內(nèi)，考慮到干的粉末狀的底泥樣本易備水流沖走，故在放入水槽之前往玻璃板內(nèi)加水，和勻抹平；

2）如果水槽模擬系統(tǒng)裝置為可調(diào)式，在運行之前要對底坡進行率定和校準；

3）配置可吸附污染物混合溶液，稱取0.1mol的可溶性污染物的質(zhì)量，將其放入1l的燒杯中，緩慢加入蒸餾水，用玻璃棒攪拌直至完全溶解。污染物成分可根據(jù)實際研究區(qū)域的主要污染物或?qū)嶒炑芯咳藛T想要研究的重金屬、p污染物，將配置完成的污染物加入下游水箱中，水箱儲有足夠的供裝置系統(tǒng)循環(huán)的水量；

4）打開抽水管道上的所有閥門、變頻泵控制開關(guān)以及電磁流量計，持續(xù)運行2h，使污染物在系統(tǒng)裝置中水體內(nèi)摻混均勻，讓抽水管道內(nèi)壁、水槽邊壁以及水箱邊壁吸附足夠多的污染物，從而使待測區(qū)泥沙吸附污染物的影響降到最低；

5）步驟4）進行2個小時之后，將處理好的待測矩形有機玻璃沙板放入水槽交匯口待測區(qū)；

6）為了使水流平穩(wěn)過渡到玻璃沙板，在玻璃沙板的四周鋪上等厚度（即5cm）直徑為1mm沙礫，長度為20cm，然后以坡比為1:4繼續(xù)鋪沙，使其平緩過渡到水槽底面；

7）上述步驟就緒之后，持續(xù)運行48h；

8）取出待測區(qū)有機玻璃沙板，然后用直徑為1cm的塑料薄管進行取樣，橫向取樣點間隔2cm，縱向間隔為10cm（縱向為順水流方向）取樣時塑料薄管要垂直于玻璃沙板，然后對取出的樣本進行分層；

9）樣本放入預(yù)設(shè)溫度為80℃的干燥箱干燥，研磨篩分之后，取0.2g樣本進行用微波消解或高溫消解，溫度為300℃，分別加入8ml和2ml優(yōu)級純硝酸和硫酸，消解完成時樣本呈乳白色；消解完成后加蒸餾水，用50ml的聚乙烯容量瓶定容，取上清液然后用分光光度計測定底泥污染物含量，分析水平、豎直污染物分布情況。

實施例

淮河是中國東部最重要的河流之一，但p和氨氮等污染比較嚴重，對漁業(yè)造成嚴重影響。所以，室內(nèi)水槽模擬研究的待測有機玻璃沙板上的底泥樣本采自渦河—惠濟河交匯區(qū)。

交匯前上游段的主槽和支槽寬度設(shè)為30cm，則交匯后下游水槽寬度根據(jù)水力幾何可設(shè)為40cm，約為上游水槽寬度的1.4倍；交匯前上游水槽長度均為3m，下游水槽長度為7m；水槽底面為平坡式，比降i為0。匯流角為90°，如圖1所示。

不同水槽斷面尺寸如圖2(a)、圖2(b)、圖2(c)所示。

待測區(qū)有機玻璃沙板的長度為1m，寬度為40cm，高度為5cm，如圖3(a)、圖3(b)所示。

匯流比γ=qt/(qm+qt)，式中，qt為支槽流量，qm為主槽流量，這里設(shè)置為0.6。

上述是確定河網(wǎng)交匯處污染物分布的實驗?zāi)M系統(tǒng)的一種表現(xiàn)形式。

該實驗?zāi)M系統(tǒng)的模擬方法，包括以下步驟：

1）將渦河—惠濟河底泥樣本放入預(yù)設(shè)溫度為80℃的干燥箱內(nèi)干燥，干燥完成后將其粉碎研磨，用60目分樣篩以及0.15mm孔徑的標準篩進行篩分，取細粉末放入待測有機玻璃沙板內(nèi)，考慮到干的粉末狀的底泥樣本易備水流沖走，故在放入水槽之前往玻璃板內(nèi)加入適當(dāng)?shù)乃?，和勻抹平?/p>

2）上述水槽模擬系統(tǒng)裝置平坡式，無需校準；

3）配置可吸附污染物混合溶液，稱取13.6g的kh2po4，將其放入1l的燒杯中，緩慢加入蒸餾水，用玻璃棒攪拌直至完全溶解。然后將該溶液加入下游水箱中，水箱儲有足夠的供裝置系統(tǒng)循環(huán)的水量；

4）打開抽水管道上的所有閥門、變頻泵控制開關(guān)以及電磁流量計，持續(xù)運行2h，使kh2po4在裝置系統(tǒng)中水體內(nèi)摻混均勻，讓抽水管道內(nèi)壁、水槽邊壁以及水箱邊壁吸附足夠多的p，從而使待測區(qū)泥沙吸附p的影響降到最低；

5）將處理好的待測矩形有機玻璃沙板放入水槽交匯口待測區(qū)，如圖1所示；

6）為了使水流平穩(wěn)過渡到玻璃沙板，在板的四周鋪上等厚度（即5cm）直徑為1mm沙礫，長度為20cm，然后以坡比為1:4繼續(xù)鋪沙，使其平緩過渡到水槽底面，如圖3(b)、(c)所示；

7）上述步驟就緒之后，持續(xù)運行48h；

8）取出待測區(qū)有機玻璃沙板，然后用直徑為1cm的塑料薄管進行取樣，橫向取樣點間隔2cm，縱向間隔為10cm（縱向為順水流方向），如圖3(d)所示。取樣時塑料薄管要垂直于玻璃沙板，然后對取出的樣本進行分層；

9）樣本放入預(yù)設(shè)溫度為80℃的干燥箱干燥，研磨篩分之后，取0.2g樣本進行用高溫消解，將其放入坩堝，分別加入8ml和2ml優(yōu)級純硝酸和硫酸，蓋上杯蓋，放在溫度為300℃的電熱板進行加熱，等樣本再次蒸干時繼續(xù)加入8ml和2ml優(yōu)級純硝酸和硫酸，直至消解完成，消解完成時樣本呈乳白色。消解完成后加蒸餾水，用50ml的聚乙烯容量瓶定容，取上清液然后用分光光度計等手段測定底泥p含量，重復(fù)本步驟測出所有樣的p含量，分析水平、豎直p分布情況。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出：對本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，可以進行若干改進，這些改進也應(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。