河道交汇处沉积物吸附释放污染物的模拟试验装置与方法
阅读说明：本技术 河道交汇处沉积物吸附释放污染物的模拟试验装置与方法 (The simulation test device and method of river intersection deposit absorption release pollutant ) 是由 刘晓东 张源 李玲琪 邹冠华 陈思佳 刘若琛 朱玥 于 2019-08-28 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种河道交汇处沉积物吸附释放污染物的模拟试验装置与方法,该装置包括水流循环装置、流量调节装置、沉积物铺设装置和采样装置,通过在河道交汇口处铺设沉积物,水槽其他区域铺设等高PVC板,通过转动干支流交汇处铰链改变交汇角,并且从下游水箱中引出管道返回上游干流及支流,并在水槽进水口处装有穿孔板,消能以平稳水槽内入流,该装置还可以监测和控制干流与支流的流量。本发明所述装置灵活可改变交汇角度,干流及支流交汇流量比,适用自然条件下不同汇流比的河道。同时该装置在模拟过程中也实现了自循环功能,水流于储水池中可重复利用,极大的节约用水量,同时便于含污染物废水的收集和集中进行处理,避免二次污染。(The invention discloses simulation test devices and method that a kind of river intersection deposit adsorbs release pollutant, the device includes Water flow circulation device, flow regulator, deposit laying apparatus and sampling apparatus, by being laid with deposit at river river conjunction, other regions of sink are laid with contour PVC board, change confluent angle by rotation Heavenly Stems and Earthly Branches stream intersection's hinge, and introduction pipe returns to upstream mainstream and tributary from the water tank of downstream, and perforated plate is housed in sink water inlet, energy dissipating in steady sink to become a mandarin, the flow in mainstream and tributary can also be monitored and controlled in the device.Device of the present invention, which flexibly can be changed, to cross angle, and mainstream and tributary cross flow-rate ratio, is applicable in the river of difference confluent ratios under natural conditions.The device also achieves self-loopa function in simulation process simultaneously, and water flow is reusable in tank, greatly reduces water consumption, while being handled convenient for the collection and concentration of the waste water containing pollutant, and secondary pollution is avoided.)
技术领域
本发明属于水环境及其污染处理模拟试验，具体涉及一种河道交汇处沉积物吸附释放污染物的模拟试验装置与方法。
背景技术
天然河道中明渠交汇现象很常见，交汇区复杂的水力特性对污染物迁移扩散产生巨大影响，是河道营养盐、污染物输运的关键环节。河段交汇大致可分为两类:支流斜接干流型,“Y”交汇型。其中支流斜接干流型交汇河段是河流系统典型的地貌单元，具有繁杂的形态结构和水文条件使得其污染物输移掺混特性十分复杂，要合理有效地保护好水环境，就必须了解和掌握交汇河段中污染物的吸附释放规律。
目前对于交汇河道污染物输运掺混特性的研究主要有原型观测资料分析、数学模型模拟、物理模型试验等方法。原型观测的重要意义主要体现于可用来检验水工模型试验成果，为解决缩尺效应问题提供资料依据；但是原型观测同时受到观测的理论方法不够成熟、观测的技术设备落后、观测手段单一、投资大等因素限制，难以推广应用。数值模拟方法不受物理试验模型规律的限制，可以缩短工作周期，节省人力、物力，具有明显的经济性和时效性。但是模型的选取与建立直接影响到计算误差的大小，一些参数仍为经验常数，计算结果与真实情况之间还有一定的误差。物理模型是依据相似原理，在室内利用水介质和人工矿体模型进行模型实验来验证—些理论曲线和处理野外资料的方法。通过把原型系统按一定比例缩放成模型，通过模型试验来研究原型系统，模型试验方法简便，能应用于大多数研究系统且试验结果相对可靠。有利条件是目前的对河道交汇污染物释放的实验装置主要集中在支流斜街干流型的河道，且已有多维模拟水动力特性的物理模型。但是目前缺少动态模拟沉积物在河道底吸附释放的实验装置，并且已有的部分转置过于简陋，没有很好的模拟河底实际情况，并且实验废水被严重污染，没有合理处理方式，易造成二次污染，并且对于交汇河道沉积物吸附释放的装置几乎没有。
综上所述，现有的河道沉积物吸附释放污染物模拟装置主要存在以下不足：
(1)大多为矩形顺直水槽，难以模拟河道交汇区水动力特性；
(2)已有的装置河道交汇角固定，沉积物泥槽厚度固定。若要变换交汇角度，调节沉积物厚度需要重新制作物理模型，成本较高。
(3)已有实验装置试验用水量较大，大多没有处理被污染的实验用水，试验后污水往往直接排放，易造成二次污染。
发明内容
发明目的：针对现有技术中交汇河道模拟沉积物吸附释放污染物实验装置的不足，本发明的目的是提供一种河道交汇处沉积物吸附释放污染物的模拟试验装置。同时，本发明的第二目的是提供一种交汇河道模拟沉积物的实验方法，为交汇河道的研究提供理论依据和研究方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：
一种河道交汇处沉积物吸附释放污染物的模拟试验装置，包括水流循环装置、流量调节装置、沉积物铺设装置和采样装置，所述装置的上游设有干流水槽和支流水槽，支流水槽与干流水槽之间的夹角活动可调，干流水槽上设有沉积物铺设装置，将沉积物铺设于水槽交汇口处，其下游水箱中的水通过水流循环装置输送回上游水箱，在水箱与干流水槽和支流水槽进水口之间的管道上设有流量调节装置。
所述的水流循环装置包括上游水箱、下游水箱、支流水槽和干流水槽，所述干流水槽和支流水槽通过交汇处铰链改变交汇角，包括在交汇处之外的其他区域铺设等高PVC板，并且从下游水箱中引出管道返回上游干流及支流，管道连接处安装有水泵，干流水槽和支流水槽的进水口处包括设置穿孔板，消能以平稳水槽内入流；
所述的流量调节装置包括电磁流量计和升降阀门，设置在上游水箱与干流水槽、支流水槽连接处，监测与控制干流水槽与支流水槽的流量；
所述沉积物铺设装置位于干流水槽和支流水槽的交汇口处，所铺设的沉积物底泥顶平整；
所述采样装置包括虹吸取水装置和采泥器以实现定时定量测样。
进一步的，所述装置的干流水槽和支流水槽的转角之间包括设置轨道和量角器。所述装置包括在底座上设置滑轮和脚刹装置；所述装置通过调节水槽上PVC板高度，移动装置支流水槽使其与干流水槽成目标角度，且通过升降阀门调节沉积物上覆水高度。
更进一步的，所述装置包括调整沉积物铺设装置进行调整沉积物铺设区域以测量水动力特性及污染物分布状况，根据需求布设一定数量的断面、水动力实验测点和取样点，在交汇区进行断面的加密布设，水动力测点只需布设在干流断面上即可。
实施上述装置的一种河道交汇处模拟沉积物吸附释放污染物的实验方法，包括污染物吸附过程和污染物释放过程，步骤如下：
(1)从河网交汇处取样足量水底沉积物，风干、去除包括石块在内的杂质，筛分去除粗大颗粒；
(2)将沉积物与水混合，铺设定量于模型水槽交汇处，保持底泥上层平整；
(3)配置可吸附污染物混合溶液，其污染物成分根据目标区域内的污染物测定或实验设定数据进行配比，然后将配置完成的污染物加入下游水箱中,水箱注入以至水流循环系统正常运作；
(4)打开试验模拟装置的电源开关，启动水泵及可升降控制阀使得水槽运转，使整个干流水槽和支流水槽中的水流平稳运行，通过流量调节装置控制流量；
(5)选取测量断面位置，设定每次实验总时长，每隔一段规定时间，通过采样装置定时采取水样并同时采取泥样；
(6)根据不同污染物选取不同方式分别测得泥样和水样中污染物含量，包括通过火焰原子吸收光谱法测定重金属含量，通过项空法测量苯系化合物含量，通过分光光度法测量铬含量；
(7)计算分析水中污染物的浓度以及底泥中剩余污染物浓度，得出吸附释放规律，包括通过调节不同汇流比，重复以上步骤，得出不同汇流比情况下吸附规律。
进一步的，所述方法中，污染物释放实验则需在沉积物与水混合时根据配比加入目标污染物，并且无需在下游水箱中加入污染物混合溶液。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著效果：
(1)本发明构建了河网中河道交汇处水动力复杂条件下沉积物吸附释放污染物的实验装置，扩充了现有沉积物吸附释放污染物水槽模拟功能，可为河网交汇区污染物分布规律研究以及河网治理提供科学指导。
(2)本发明所提供装置灵活,可改变交汇角度、干流及支流交汇流量比，模拟自然条件下不同水文状况的河道，满足不同模拟工况的需要，避免工况改变导致水槽改造的高成本。
(3)该装置可通过置换PVC板调节沉积物泥槽高度，通过可升降阀门调节上覆水高度，满足不同实验工况需要，并且实现水循环，水流于储水池中可重复利用，极大的节约用水量，同时便于含污染物废水的收集和集中进行处理，避免二次污染。
(4)本发明所提供的方法适用于模拟各种河道交汇处的沉积物吸附和释放污染物试验，为水环境及其污染研究和河道治理提供极大的帮助，并且提供充分的理论支撑和实际应用研究依据。
附图说明
图1是本发明所述装置的平面布置示意图；
图2是本发明所述装置后视图；
图3是本发明所述装置所处主河道A-A的剖面图；
图4是本发明所述装置所处主河道B-B的剖面图；
图5是本发明所述装置C-C进水口剖面图以及对应得出口孔的布设；
图6是本发明所述装置D-D出水口剖面图；
图7是本发明所述装置可变角支流剖面图；
图8是本发明所述装置中沉积物铺设图；
图9是本发明所述装置中进水口俯视图；
图10是本发明所述方法中水样中全氟化合物浓度随时间变化图。
具体实施方式
为了详细的说明本发明所公开的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的阐述。
为解决上述技术问题，本发明提供一种河道交汇处沉积物吸附释放污染物的实验装置，其结构包括水流循环装置、流量调节装置、沉积物铺设装置、采样装置。流量调节装置分别置于水箱与模型主、干水道进水口处。
如图1-图9所示，水流循环装置由干流水槽进水口1，干流水槽2，沉积物铺设区3，铰链4，水箱5，升降阀门6，支流水槽7，支流水槽进水口8，轨道9，软管10，交接口11，铁管12，流量计13，阀门14，水泵15，量角器16，格栅17，滑轮18，脚刹装置19，滑动柱20，支座21，底板22，固定柱23，河道进水消能孔24，进水口消能孔25组成。
本发明所提供的装置用于河道交汇处沉积物吸附释放污染物实验时，先根据研究河道的时间情况或实验需求布置河道的走向，以干流水槽2为主体河道，然后旋转支流水槽7，支流水槽7的调节沿着装置上的轨道9进行，并且以干流水槽2和支流水槽7的夹角为圆心设置扇形角度尺16。然后调节PVC板高度，移动支流水槽7使其与干流水槽2成目标角度后，滑轮18由脚刹装置19固定，利用升降阀门6调节沉积物上覆水高度。在水箱5中注入足够的供装置系统循环的待测水，待测水由水箱5经水泵抽入干流水槽进水口1和支流水槽进水口8，经河道进水消能孔24，进水口消能孔板25稳定后，进入装置的干流水槽2和支流水槽7，水流交汇后经尾门重新进入水箱5，形成一套自循环系统。为进一步的提升实验的效果和实际需求，本发明所述装置在水循环回路上还设置流量计13、控制阀门14等装置。
本发明中，所述装置包括调整沉积物铺设装置进行调整沉积物铺设区域以测量水动力特性及污染物分布状况，根据需求布设一定数量的断面、水动力实验测点和取样点，在交汇区进行断面的加密布设，水动力测点只需布设在干流断面上即可。
本发明还提供一种河道交汇处模拟沉积物吸附释放污染物的实验方法，基于上述装置进行的全氟化合物释放试验具体如下：
第一步，野外采样，从III类(III类主要适用于集中式生活饮用水地表水源地二级保护区、鱼虾类越冬场、洄游通道、水产养殖区等渔业水城及游泳区。)及以上水体的河网交汇处取样足量水底沉积物。风干，去除石块等杂质，筛分200μm以下颗粒。
第二步，将沉积物与水混合(25％含水量)，加入已配比的全氟化合物，使沉积物中全氟化合物含量大概为900ng/g。铺设5cm厚于模型水槽交汇处，注意保持底泥上层水平没有明凹陷或凸出。
第三步，共布设10个断面，在交汇区进行断面的加密布设。水动力试验测点分布：干流各断面布设8条垂线，每条垂线布设7个测点。取样点分布：各断面布设8个取样点取样待测。下游水箱中注入足够的供装置系统循环的水量；
第四步，运行水槽：打开电源开关，启动水槽运转，使整个水槽中的水平稳运行，并通过阀门和转子流量计调节流量。
第五步，选取测量断面位置，每次实验12个小时，每隔一小时，利用虹吸取样器定时采取水样并同时用自制采泥器采取泥样，共计取样12次；
第六步，通过实验分析水中全氟化合物的浓度如图10所示。再调节不同汇流比，重复以上步骤，得出不同汇流比情况下吸附释放规律。
对于污染物释放试验，其具体过程如下：
第一步，野外采样，从天然被污染河网交汇处取样足量底泥(或者从集中式生活饮用水地表水源地一级或二级保护区的河网交汇处取足量水底沉积物)风干，去除石块等杂质，筛分200μm以下颗粒。
第二步，将沉积物与水混合(25％含水量)，铺设5cm厚于模型水槽交汇处，注意保持底泥上层水平没有明凹陷或凸出。
第三步，运行水槽：打开电源开关，启动水槽运转，使整个水槽中的水平稳运行，并通过阀门和转子流量计调节流量。
第四步，选取测量断面位置，每次实验12个小时，每隔一小时，利用虹吸取样器定时采取水样并同时用自制采泥器采取泥样，共计取样12次；
第五步，根据不同污染物选取不同方式分别测得泥样和水样中污染物含量，例如重金属可用火焰原子吸收光谱法，苯系化合物可用项空法，铬可用分光光度法等；
第六步，计算分析水中污染物的浓度以及底泥中剩余污染物浓度，得出吸附释放规律。再调节不同汇流比，重复以上步骤，得出不同汇流比情况下吸附释放规律。
本发明所述的装置灵活可改变交汇角度，干流及支流交汇流量比，适用自然条件下不同汇流比的河道。同时该装置在模拟过程中也实现了自循环功能，水流于储水池中可重复利用，极大的节约用水量，同时便于含污染物废水的收集和集中进行处理，避免二次污染。