專利名稱：環(huán)境泥沙循環(huán)水槽的實(shí)驗(yàn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是環(huán)境泥沙循環(huán)水槽的實(shí)驗(yàn)方法，特別適用于污染物在循環(huán)水槽中遷移的實(shí)驗(yàn)。屬于水利工程和環(huán)境工程領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著中國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，河流污染越來越嚴(yán)重，時有河流污染的突發(fā)事件。污染物的遷移和歸宿將直接影響河流的生態(tài)環(huán)境和人民健康安全。地表水和地下水相互作用對河流環(huán)境的生物地化條件產(chǎn)生至關(guān)重要的影響，上覆水和潛流帶的物質(zhì)能量遷移轉(zhuǎn)化還有許多問題尚未明確，需要進(jìn)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(tǒng)中污染物的歸宿。其中粘土和膠體具有很強(qiáng)的吸附污染物的能力，它們的遷移和歸宿有時直接決定著吸附性污染物的遷移和歸宿。例如美國Arkansas河的膠體遷移影響了水體中溶解態(tài)金屬的濃度和河床中的金屬濃度，從采礦點(diǎn)出來的膠體在向下游遷移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。因此為了揭示污染物和膠體在河流中遷移規(guī)律，以及潛流交換對污染物和膠體在河流中運(yùn)移的影響，必需研究潛流交換產(chǎn)生的機(jī)理和方式，以及不同條件下潛流交換對污染物遷移的影響。由于諸多原因的影響，如在實(shí)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(huán)境因素干擾多，有必要探尋容易操作且耗資較小的實(shí)驗(yàn)。
循環(huán)水槽用來研究河流水力學(xué)和泥沙遷移問題始于20世紀(jì)50年代，50多年的廣泛研究表明水槽的研究結(jié)果應(yīng)用到到自然河流中。目前關(guān)于環(huán)境泥沙在河流中的研究操作困難，并且環(huán)境水槽實(shí)驗(yàn)設(shè)計以及操作技術(shù)也不成熟。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出的是環(huán)境泥沙循環(huán)水槽的實(shí)驗(yàn)方法，其目的旨在克服現(xiàn)有技術(shù)所存的上述缺陷，把自然河流中污染物沿河流流動方向變化的空間問題轉(zhuǎn)化為封閉循環(huán)水槽系統(tǒng)中污染物濃度改變的時間問題。實(shí)現(xiàn)模擬污染物在河流中遷移功能，能夠揭示污染物在河流中遷移的機(jī)理。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案環(huán)境泥沙循環(huán)水槽的實(shí)驗(yàn)方法，先將洗干凈的泥沙裝填入水槽，然后制成沙波，開啟水泵，調(diào)整水槽坡度和水位，控制水槽溫度，待水流和溫度穩(wěn)定后，在水箱加入污染物或膠體，抽取孔隙水，測量上覆水和孔隙水的污染物或膠體濃度。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)1)如果水流經(jīng)過沙床僅僅一次，水體的污染物濃度改變是非常小的，但是對于循環(huán)系統(tǒng)，污染物多次經(jīng)過沙床，濃度改變就比較大了 ；2)循環(huán)水槽的污染物遷移實(shí)驗(yàn)，可以把自然河流中污染物沿河流流動方向變化的空間問題，轉(zhuǎn)化為封閉循環(huán)水槽系統(tǒng)中污染物濃度改變的時間問題；3)水槽很容易進(jìn)行長時間的操作(甚至1個月)，這是由于不需在水槽上游連續(xù)不斷的添加水、沙和化學(xué)物質(zhì)。因此環(huán)境泥沙實(shí)驗(yàn)可以通過循環(huán)水槽來揭示其內(nèi)在的規(guī)律性。


附圖1是非反應(yīng)性污染物、金屬離子和膠體的上覆水濃度隨時間變化示意圖。
具體實(shí)施例方式所述的泥沙裝填入水槽是先在水槽中填滿水，然后緩慢的加入沙，可避免沙床存在氣泡，影響實(shí)驗(yàn)，待沙裝到預(yù)定的高度時，輕拍水槽邊壁，使沙緩慢沉降，待沙不再繼續(xù)沉降時，停止輕拍。所述的制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(jī)玻璃制成的，在沙波板上開多排小孔，能夠排出在制造沙波過程產(chǎn)生的壅水，這可以減小沙波制造過程中產(chǎn)生的水波動對已造好沙波的破壞。所述的開啟水泵、調(diào)整水槽坡度和水位高度是先開泵，后緩慢開閥，調(diào)到預(yù)定的流量，調(diào)整水槽坡度和溢流槽高度，使水槽的水位達(dá)到預(yù)定的高度，并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(jìn)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，然后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干擾，抽取順序如下當(dāng)做污染物從上覆水到河床中遷移實(shí)驗(yàn)時，從槽底往上抽；如遇到微量進(jìn)樣器有空氣進(jìn)入或者抽取困難時，很可能是小顆粒堵住了微量進(jìn)樣器針頭，此時應(yīng)立即取出微量進(jìn)樣器，清除微量進(jìn)樣器堵塞。所述的清除微量進(jìn)樣器堵塞是緩慢拔出微量進(jìn)樣器的推進(jìn)桿，用50ml注射器，長度為80mm的針頭向微量進(jìn)樣器管中注入去離子水，插入微量進(jìn)樣器的推進(jìn)桿，用拇指和食指緊握微量進(jìn)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(jìn)樣器的推進(jìn)桿，重復(fù)數(shù)次后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自動恒溫棒，當(dāng)水溫達(dá)不到實(shí)驗(yàn)預(yù)定值時，恒溫棒自動加熱；當(dāng)溫度達(dá)到實(shí)驗(yàn)預(yù)定值時，恒溫棒自動停止加熱， 加熱的水流經(jīng)過回水系混合后，進(jìn)入測試段水溫的較均勻，通過調(diào)溫后，水槽的上覆水晝夜溫差較小，控制環(huán)境溫度波動對水槽實(shí)驗(yàn)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(dá)到剛從上覆水抽出的分布一樣，每次抽樣在12小時內(nèi)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(xué)1]實(shí)施例
床沙的測試段長度為10m，床沙的厚度為12 15cm，每次實(shí)驗(yàn)用沙在550 750kg。上覆水的水深是6 10cm，每次實(shí)驗(yàn)需水量在400 600L (包括上覆水、孔隙水和回水系統(tǒng)中含有的水)。在床沙的尾段，插上開孔有機(jī)玻璃板，在其上面貼一層200目尼龍攔網(wǎng)，該攔網(wǎng)能夠有效的攔截泥沙，同時也能使水槽坡度產(chǎn)生的孔隙水流順利通過。水流循環(huán)通過不銹鋼泵從水庫中抽水實(shí)現(xiàn)，在泵的出水口安裝了不銹鋼水閥，可以控制整個循環(huán)系統(tǒng)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(yīng)片以外，其余與水接觸的部分都是塑料制成。不銹鋼和塑料材料能夠有效地防止污染物對它們的腐蝕。
為了滿足水泵運(yùn)行所需最小水深和水槽循環(huán)系統(tǒng)用水量最小，水庫中水泵進(jìn)水部分采用漸變結(jié)構(gòu)，也就是，在水庫的下部設(shè)置了截面為梯形、厚30cm的小進(jìn)水箱(梯形下邊 30cm、上邊為 75cm、高為 30cm)o
在水槽的中部設(shè)置幾排垂直取樣孔，用來抽取孔隙水?？状瓜蜷g距為1cm，孔徑為 1. 5mm。
在水槽的尾部安裝了 MPTR0LL-9500，自動監(jiān)測上覆水的溫度、電導(dǎo)、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自動恒溫棒，當(dāng)水溫達(dá)不到實(shí)驗(yàn)預(yù)定值時，恒溫棒自動加熱；當(dāng)溫度達(dá)到實(shí)驗(yàn)預(yù)定值時，恒溫棒自動停止加熱。加熱的水流經(jīng)過回水系統(tǒng)混合后，進(jìn)入測試段水溫的較均勻。通過調(diào)溫后，水槽的上覆水晝夜溫差較小，很好地控制環(huán)境溫度波動對水槽實(shí)驗(yàn)的影響。
孔隙水的抽取和測量對于反應(yīng)性污染物，為了便于測量，抽取的孔隙水稀釋倍數(shù)越小越好，但是由于沙床孔隙率為0. 39左右，并且孔的間距1cm，為了在抽取孔隙水時不相互干擾，每次最多只能0. 39ml,因此采用的進(jìn)樣器為250 μ L固定針頭的Hamilton微量進(jìn)樣器(針頭的外徑 0.72mm、內(nèi)徑0.15mm、長51mm)抽取0. 25ml，放到細(xì)1玻璃瓶中，加入2ml的去離子水。
對于非反應(yīng)性污染物用100 μ L固定針頭的SGE (澳大利亞)微量進(jìn)樣器(針頭外徑0. 5mm、內(nèi)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(dǎo)率儀在20°C的恒溫下測量電導(dǎo)，與同一溫度下測量的標(biāo)準(zhǔn)曲線對照，算出濃度， 再乘以51 (稀釋比)，就是實(shí)際孔隙水中非反應(yīng)性污染物的濃度。
對于金屬吸附實(shí)驗(yàn)用250μ L固定針頭的Hamilton (瑞士)微量進(jìn)樣器(外徑 0.72mm、內(nèi)徑0. 15mm、長51mm)抽取0. 25ml，放到細(xì)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(shí)驗(yàn)結(jié)束統(tǒng)一用ICP - MS測量，濃度乘以9就是實(shí)際孔隙水中金屬離子濃度。
由于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，并且避免大濃度對小濃度的干擾，抽取順序如下當(dāng)做污染物從上覆水到河床中遷移實(shí)驗(yàn)時，從下往上抽。在抽完一個位置孔隙水后，用去離子水沖洗微量進(jìn)樣器數(shù)遍。
如遇到微量進(jìn)樣器有空氣進(jìn)入或者抽取困難時，很可能是小顆粒堵住了微量進(jìn)樣器針頭，此時應(yīng)立即取出微量進(jìn)樣器。緩慢拔出微量進(jìn)樣器的推進(jìn)桿，用50ml注射器，長度為80mm的針頭向微量進(jìn)樣器管中注入去離子水，插入微量進(jìn)樣器的推進(jìn)桿，用拇指和食指緊握微量進(jìn)樣器靠近針頭的部分，用力推微量進(jìn)樣器的推進(jìn)桿。重復(fù)數(shù)次后就可以排出堵在針頭中的泥沙顆粒。
膠體的采樣和測量從水槽的尾部抽取上覆水，裝在50ml塑料瓶中。應(yīng)用現(xiàn)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(dá)到剛從上覆水抽出的分布一樣。每次抽樣在12小時內(nèi)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(huán)境泥沙循環(huán)水槽的實(shí)驗(yàn)方法，1)污染物從上覆水遷移到河床中的實(shí)驗(yàn)，在水槽充滿自來水的情況下，檢查水槽是否漏水、水槽系統(tǒng)其它部件是否正常運(yùn)行。先用自來水沖洗2遍水槽，使用刷子和布擦清洗水槽系統(tǒng)中的附著物，再用去離子水沖洗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(guān)水閥，后關(guān)泵。 先關(guān)閥是為了防止先關(guān)泵時，水從水槽進(jìn)水口部分排出。用塑料桶或塑料鏟把裝塑料箱中的泥沙轉(zhuǎn)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(jìn)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(jī)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，能夠排出在制造沙波過程產(chǎn)生的壅水，這可以減小制備沙波過程時產(chǎn)生水波動對已做好沙波的破壞。對于自然沙波用20 30cm/s水流運(yùn)行20 30分鐘可形成；先開泵，后緩慢開閥，調(diào)到需要的流量，調(diào)整水槽坡度和溢流槽高度，使水槽的水位達(dá)到預(yù)定的高度以及水槽各部位的水深相同。由于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(shù)是否一致。此時先開泵后開閥的優(yōu)點(diǎn)是防止先開閥時水槽中的水從進(jìn)水口排出，破壞沙波； 后開閥更容易調(diào)節(jié)所需要的流量。用沙波測量器測量沙波高度。對于通過水流形成的自然沙波，在迎風(fēng)面間隔1 2cm測量一次，對于避風(fēng)面間隔Icm測量一次。在沙波波峰和波谷各測量一次。對于有垂向孔隙水取樣孔的地方，沙波的高度也要測量。開啟恒溫加熱棒，使水溫達(dá)到預(yù)定值。開啟MPTR0LL-9500，開始記錄pH值、水溫、 電導(dǎo)、鹽度。在做金屬離子從上覆水遷移到河床的實(shí)驗(yàn)時，加入預(yù)定的NaCl和pH緩沖溶液。 PH值在3 6之間，緩沖溶液是由醋酸鈉和醋酸配置成的；pH值在7左右時，緩沖溶液為 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(huán)周期內(nèi)正好加完。按預(yù)定的時間表抽取上覆水和孔隙水。在初始30分鐘內(nèi)從水槽三個不同的位置同時抽取上覆水；30分鐘后上覆水的濃度，在水槽的垂向、側(cè)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(xué)1]每4小時加入400ml去離子水，補(bǔ)充蒸發(fā)部分，保證水槽系統(tǒng)中的水體總量不變。對于金屬離子實(shí)驗(yàn)，要定期查看PH值。pH值偏離預(yù)定值，加醋酸或者醋酸鈉來調(diào)整。每個實(shí)驗(yàn)持續(xù)2 4天，當(dāng)上覆水的濃度達(dá)到基本平衡時停止實(shí)驗(yàn)，測量抽取的樣品。對于NaCl抽完后立即就送到實(shí)驗(yàn)室測量，膠體測量最多不超過12小時，金屬離子濃度實(shí)驗(yàn)結(jié)束后統(tǒng)一到化學(xué)實(shí)驗(yàn)室測量。應(yīng)用實(shí)例
分別用惰性污染物(氯化鈉)、金屬(氯化鋅)和膠體(娃微粉)做了三組實(shí)驗(yàn)。從圖1可以看出，上覆水中的非反應(yīng)性污染物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。而膠體硅微粉由于過濾和沉降的作用，其濃度逐漸會達(dá)到0，即全部沉積在河床中。三種濃度變化主要發(fā)生在實(shí)驗(yàn)前800分鐘。從上面實(shí)驗(yàn)可以
權(quán)利要求
1.環(huán)境泥沙循環(huán)水槽的實(shí)驗(yàn)方法，其特征是先將洗干凈的泥沙裝填入水槽，然后制成沙波，開啟水泵，調(diào)整水槽坡度和水位，控制水槽溫度，待水流和溫度穩(wěn)定后，在水箱加入污染物或膠體，抽取孔隙水，測量上覆水和孔隙水的污染物或膠體濃度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的環(huán)境泥沙循環(huán)水槽的實(shí)驗(yàn)方法，其特征是所述的泥沙裝填入水槽是先在水槽中填滿水，然后緩慢的加入沙，可避免沙床存在氣泡，影響實(shí)驗(yàn)，待沙裝到預(yù)定的高度時，輕拍水槽邊壁，使沙緩慢沉降，待沙不再繼續(xù)沉降時，停止輕拍。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的環(huán)境泥沙循環(huán)水槽的實(shí)驗(yàn)方法，其特征是所述的制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(jī)玻璃制成的，在沙波板上開多排小孔，能夠排出在制造沙波過程產(chǎn)生的壅水，這可以減小沙波制造過程中產(chǎn)生的水波動對已造好沙波的破壞。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的環(huán)境泥沙循環(huán)水槽的實(shí)驗(yàn)方法，其特征是所述的開啟水泵、 調(diào)整水槽坡度和水位高度是先開泵，后緩慢開閥，調(diào)到預(yù)定的流量，調(diào)整水槽坡度和溢流槽高度，使水槽的水位達(dá)到預(yù)定的高度，并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(jìn)水口排出，破壞沙波。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的環(huán)境泥沙循環(huán)水槽的實(shí)驗(yàn)方法，其特征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，然后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干擾，抽取順序如下當(dāng)做污染物從上覆水到河床中遷移實(shí)驗(yàn)時，從槽底往上抽；如遇到微量進(jìn)樣器有空氣進(jìn)入或者抽取困難時，很可能是小顆粒堵住了微量進(jìn)樣器針頭，此時應(yīng)立即取出微量進(jìn)樣器，清除微量進(jìn)樣器堵塞。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的環(huán)境泥沙循環(huán)水槽的實(shí)驗(yàn)方法，其特征是所述的清除微量進(jìn)樣器堵塞是緩慢拔出微量進(jìn)樣器的推進(jìn)桿，用50ml注射器，長度為80mm的針頭向微量進(jìn)樣器管中注入去離子水，插入微量進(jìn)樣器的推進(jìn)桿，用拇指和食指緊握微量進(jìn)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(jìn)樣器的推進(jìn)桿，重復(fù)數(shù)次后就可以排出堵在針頭中的泥沙顆粒。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的環(huán)境泥沙循環(huán)水槽的實(shí)驗(yàn)方法，其特征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自動恒溫棒，當(dāng)水溫達(dá)不到實(shí)驗(yàn)預(yù)定值時，恒溫棒自動加熱；當(dāng)溫度達(dá)到實(shí)驗(yàn)預(yù)定值時，恒溫棒自動停止加熱，加熱的水流經(jīng)過回水系混合后，進(jìn)入測試段水溫的較均勻，通過調(diào)溫后，水槽的上覆水晝夜溫差較小，控制環(huán)境溫度波動對水槽實(shí)驗(yàn)的影響。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的環(huán)境泥沙循環(huán)水槽的實(shí)驗(yàn)方法，其特征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(dá)到剛從上覆水抽出的分布一樣，每次抽樣在12小時內(nèi)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(fā)明是環(huán)境泥沙循環(huán)水槽的實(shí)驗(yàn)方法，其特征是先將洗干凈的泥沙裝填入水槽，然后制成沙波，開啟水泵，調(diào)整水槽坡度和水位，控制水槽溫度，待水流和溫度穩(wěn)定后，在水箱加入污染物或膠體，抽取孔隙水，測量上覆水和孔隙水的污染物或膠體濃度。優(yōu)點(diǎn)把自然河流中污染物沿河流流動方向變化的空間問題，轉(zhuǎn)化為封閉循環(huán)水槽系統(tǒng)中污染物濃度改變的時間問題。實(shí)現(xiàn)模擬污染物在河流中遷移功能，能夠揭示污染物在河流中遷移的機(jī)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(yōu)先權(quán)日2011年11月23日
發(fā)明者曹淼, 李凌, 楊小全, 金光球, 鐘小春 申請人:河海大學(xué)