專利名稱：用于模擬淺水湖泊風生垂向環流作用下沉積物再懸浮的裝置及方法
技術領域：
本發明涉及淺水湖泊風生垂向環流作用下沉積物再懸浮的一種裝置及方法，適用于模擬在不同風強與水深條件下，淺水湖泊垂向形成的不同大小環流流速作用情況下的湖泊底部沉積物發生的再懸浮與污染物釋放過程，是用于淺水湖泊水與沉積物交界面特性研究的實驗設備。
背景技術：
我國湖泊眾多，隨著經濟快速發展和人口增加，對湖泊資源的不合理利用、隨意排放污水、廢物，帶來了越來越嚴重的環境問題，尤其是長江中下游地區淺水湖泊的水質污染與富營養化問題十分突出。目前湖泊水環境的治理與改善已受到廣泛的關注，其中內源釋放研究是一個關鍵問題。在淺水湖泊中水動力條件對沉積物的再懸浮有重要影響，而影響湖泊水動力過程的主要因素是風，在風應力作用下，各層穩定狀態的流場之間存在著切變，水體由上層至下層依次由風應力影響區過渡到底摩擦力影響區。在不同強度，不同持續時間的風場作用下，大部分淺水湖區會發生流向在垂直方向上的切變，形成表層與底層流向相反的環流結構，該環流結構在太湖、巢湖等典型淺水湖泊中都被觀測到，并得到驗證，該水力結構對湖泊中水體與沉積物的物質交換和能量的傳輸有重大影響。現階段，通過模擬出垂向環流來研究天然淺水湖泊中沉積物再懸浮的裝置在環保領域還是空白，目前模擬天然湖泊沉積物再懸浮的常用方法有錐形瓶式、直管式和水槽式三種。錐形瓶式使用振蕩器將置于瓶中的沉積物與上覆水一起震蕩，與天然水體中風擾動產生水體運動進而作用于沉積物造成沉積物再懸浮的過程有較大差距；直管式用活塞上下運動或旋槳旋轉造成上覆水體擾動，與實際情況也相差很大；水槽式是用旋槳推進器、造波機或鼓風機造成沉積物上方水體運動，從而產生沉積物再懸浮。以上這些方法對上覆水產生的動力擾動或者是左右震動、或者是上下擠壓、或者是離心轉動，或者是水體整體水平運動，都未能真實反映出淺水湖泊風生流作用下產生的表層流與底層流反向運動的特性，即無法模擬出淺水湖泊中存在的垂向環流。

發明內容
本發明的目的在于針對目前模擬裝置存在的缺陷，提供一種更符合天然淺水湖泊風生流條件下沉積物再懸浮過程的裝置與方法。此裝置能模擬不同強度風場形成的垂向環流結構，進行不同深度水體樣品的采集和不同深度流速的測定，有效再現了風生環流作用下沉積物的懸浮釋放過程。本發明的技術解決方案是
一種用于模擬淺水湖泊風生垂向環流作用下沉積物再懸浮的裝置，其特征在于該裝置由一個矩形水槽、水流推進動力系統和流速測量裝置構成，其中，水槽I為矩形，上口四周帶有翻邊，其上安裝水流推進動力系統，該系統包括動力系統固定架2和水流推進動力設備兩部分，其中固定架2由一個可嵌入水槽的長方形內框和4個帶有鉆孔8的有機玻璃條9組成，長釘7穿過鉆孔8將固定架2擱置在水槽的翻邊上；水流推進動力設備中變頻調速電機3安裝在固定架2上邊框拐角，電機轉軸通過橡膠履帶4帶動下方的軸承5轉動，前后兩個軸承兩端固定在動力系統固定架2的長方形內框上，軸承上安裝兩條傳送帶6 ;流速測量裝置通過底板14安置在動力系統固定架2上，垂向標尺15和螺旋桿16垂直固定在底板14上，測速儀探頭18通過流速儀固定夾17與螺旋桿16相連接。所述的一種用于模擬淺水湖泊風生垂向環流作用下沉積物再懸浮的裝置，其特征在于所述水槽I為矩形，水槽一側的外壁正中自上而下設有4 6個帶閥取樣孔10，并在下端設置一個帶閥排水孔11。所述的一種用于模擬淺水湖泊風生垂向環流作用下沉積物再懸浮的裝置，其特征在于所述傳送帶6上帶有均勻分布的齒輪狀小凹槽，并通過粘貼有機玻璃薄片19進行加
糖。 一種使用模擬淺水湖泊風生垂向環流作用下沉積物再懸浮的裝置進行沉積物再懸浮的方法，其特征在于該方法步驟如下
A.將未擾動采集到的沉積物12置于矩形水槽I底部；
B.用虹吸法向水槽I中加入上覆水13；
C.將長釘7穿過不同高度的鉆孔8來調節動力系統固定架2的高度，從而使固定架2上的傳送帶6的底面與上覆水13表面相接觸；
D.開啟變頻調速電機3,電機轉軸通過橡膠履帶4帶動下方的軸承5轉動,與軸承5相連接的兩條傳送帶6 —起運動，由傳送帶6帶動上覆水13表層水體運動,水體遇水槽I邊壁后下潛至沉積物12表層以相反方向運動，以形成不同流速的垂向環流，實現淺水湖泊風生流條件下的沉積物再懸浮的模擬；
E.通過螺旋桿16調節測速儀探頭18的上下高度進行流速測量；
F.通過不同高度的帶閥取樣孔10采集不同深度的上覆水13進行水樣測定。本發明的優點和效果在于(I)在矩形水槽中用傳送帶滾動帶動表層水體流動可形成淺水湖泊中廣泛存在的風生垂向環流，比振蕩式、活塞式、旋槳式、風吹式等方法產生的擾動更接近淺水湖泊水體中沉積物再懸浮的實際流場情況；(2)傳送帶設有均勻排布的小凹槽，并進行了加糙處理，這樣能夠保證達到試驗所需要的底部水體剪切流速大小值；
(3)通過調節變頻電機驅動傳送帶可以模擬不同風強條件下湖流對沉積物的動力作用；
(4)動力系統固定架可上下調節位置，以實現不同深度上覆水的試驗要求；(5)可以接入流速測量裝置，準確測量觀察槽內流場分布狀況；(6)本裝置產生的流場穩定，從而保證水樣采集時也有相對穩定的再懸浮條件；(7)本裝置與現有的水槽式裝置相比，具有構造簡單，占地面積小，價格便宜，操作方便等優勢。


圖I是用于模擬淺水湖泊風生垂向環流作用下沉積物再懸浮裝置的立體示意圖。圖2是用于模擬淺水湖泊風生垂向環流作用下沉積物再懸浮裝置的橫斷面示意圖。圖3是用于模擬淺水湖泊風生垂向環流作用下沉積物再懸浮裝置的動力系統裝置細節示意圖。圖4是水深25cm,電機轉速90r/min的流場圖。圖5是水深25cm,電機轉速110r/min的流場圖。圖6是水深30cm,電機轉速90r/min的流場圖。圖I是水深30cm,電機轉速110r/min的流場圖。附圖標記圖中I是矩形水槽、2是動力系統固定架、3是可變頻 調速電機、4是橡膠履帶、5是軸承、6是傳送帶、7是長釘、8是鉆孔、9是有機玻璃條、10是帶閥取樣孔、11是帶閥排水孔、12是沉積物、13是上覆水、14是底板、15是垂向標尺、16是螺旋桿、17是流速儀固定夾、18是測速儀探頭、19嵌于傳送帶上的有機玻璃薄片
具體實施例方式現結合附圖對本發明實施方式作進一步說明。實施例I
一種用于模擬淺水湖泊風生垂向環流作用下沉積物再懸浮的裝置。
具體實施方式
是該裝置由一個矩形水槽、水流推進動力系統和流速測量裝置構成，參看圖I-圖3，矩形水槽1，采用厚Icm的有機玻璃制成，長50cm、寬38cm、高48cm，上口四周粘貼翻邊，翻邊為寬5cm、厚2cm的有機玻璃條，水槽I正面的外壁正中自上而下依次排列設置6個帶閥取樣孔10，每個帶閥取樣孔10的間距為5 Cm，孔徑O. 4cm，環形水槽外壁下端設置一個帶閥排水孔11，孔徑O. 4cm ；
水槽I上方安裝水流推進動力系統，該系統包括動力系統固定架2和水流推進動力設備兩部分，動力系統固定架2由一個可嵌入水槽的長方形內框和4個帶有鉆孔8的有機玻璃條9組成，長方形內框由厚2cm的有機玻璃制成，長42cm、寬34cm，高12cm，底部鏤空，有機玻璃條9高40cm、寬6. 5cm、厚度2cm，其上共有6個孔，間隔5cm，有機玻璃條9通過TG-1932膠粘貼在長方形內框的四個角外側，鉆孔8的孔徑為I. 5cm，將4個長為4cm的長釘7的一頭分別穿入四個有機玻璃條上的鉆孔8，另一頭擱置于水槽I上口的翻邊上，利用長釘7穿過不同高度的鉆孔8來調節動力系統固定架2在水槽I上方的高度；
水流推進動力設備由可調頻電機3、橡膠履帶4以及與軸承5連接的傳送帶6組成，其中變頻調速電機3安裝在固定架2上邊框拐角，變頻調速電機3型號為A. Q. L牌的5IK120⑶-C，電機轉軸通過橡膠履帶4帶動下方的軸承5轉動，前后兩個軸承間距40cm，軸承兩端固定在動力系統固定架2的長方形內框上，軸承上安裝兩條傳送帶6，每條傳送帶單邊長40cm、寬IOcm,傳送帶6上帶有均勻分布的齒輪狀小凹槽,并通過粘貼長度為IOcm(與傳送帶等寬)、寬度為O. 5cm、高度為O. 8cm的有機玻璃薄片進行加糙；
流速測量裝置通過底板14放置在動力系統固定架2上，底板14為長度50 cm、寬度12cm、厚度4cm的PVC塑料板，垂向標尺15和螺旋桿16垂直固定在底板14上，測速儀探頭18通過流速儀固定夾17與螺旋桿16相連接，測速儀采用多普勒流速儀(型號為MicroADV)。實施例2
一種使用模擬淺水湖泊風生垂向環流作用下沉積物再懸浮的裝置進行沉積物再懸浮的方法，其特征在于該方法步驟如下A.將未經擾動采集到的5cm厚的沉積物12放置于矩形水槽I底部；
B.用虹吸法向水槽I中加入水深25cm的上覆水13；
C.將4個長釘7的一頭分別穿入四個有機玻璃條從下往上數的第二個鉆孔8，另一頭擱置于水槽I上口的翻邊上，使水流推進動力設備中的傳送帶6的底面與上覆水13表面相接觸；
D.開啟變頻調速電機3,將轉速設定為90r/min,電機轉軸通過橡膠履帶4帶動下方的軸承5轉動,與軸承5相連接的傳送帶6 —起運動，由傳送帶6帶動上覆水13表層水體運動，水體遇水槽邊壁后下潛至沉積物表層以相反方向運動，以形成不同流速和水深條件下的垂向環流，實現淺水湖泊風生流條件下的沉積物再懸浮的模擬；
E.將流速測量裝置放置于矩形水槽I槽體上方，用流速儀固定夾17將測速儀連接到螺旋桿16上，測速儀采用多普勒流速儀(型號為MicroADV)，從兩條傳送帶中間將測速儀探頭18伸入矩形水槽I內的上覆水13中，通過流速測量裝置上的旋轉螺桿16來垂向移動測速 儀探頭，通過垂向標尺15實現不同水深的精準定位，多普勒流速儀采樣頻率設定為35HZ，每個測點采樣時間為lmin，共計2100個瞬時流速值，每條垂線測完通過移動底板進行下一條垂線的測量，最終得出水深25cm、轉速90r/min的縱剖面流場，具體見圖4 ；
F.選取從下至上的第二個和第四個帶閥取樣孔10采集不同深度的上覆水13進行ss測定，測得ss值分別為870mg/l和820mg/l。實施例3
一種使用模擬淺水湖泊風生垂向環流作用下沉積物再懸浮的裝置進行沉積物再懸浮的方法，在具體的實施方法中，改變調速電機3的轉速為110r/min，其余同實施例2，可以得出水深25cm、轉速110r/min的縱剖面流場，具體見圖5，測得ss值分別為940mg/l和920mg/L·實施例4
一種使用模擬淺水湖泊風生垂向環流作用下沉積物再懸浮的裝置進行沉積物再懸浮的方法，在具體的實施方法中，改變上覆水的水深為30cm，其余同實施例2，可以得出水深30cm轉速、90r/min的縱剖面流場，具體見圖6，測得ss值分別為780mg/l和740mg/l。實施例5
一種使用模擬淺水湖泊風生垂向環流作用下沉積物再懸浮的裝置進行沉積物再懸浮的方法，在具體的實施方法中，改變上覆水的水深為30cm，并改變調速電機3轉速為IlOr/min，其余同實施例2，可以得出水深30cm、轉速110r/min的縱剖面流場，具體見圖7，測得ss 值分別為 830mg/l 和 800mg/l。
權利要求
1.一種用于模擬淺水湖泊風生垂向環流作用下沉積物再懸浮的裝置，其特征在于該裝置由一個矩形水槽、水流推進動力系統和流速測量裝置構成，其中，水槽(I)為矩形，上口四周粘貼翻邊，其上安裝水流推進動力系統，該系統包括動力系統固定架(2)和水流推進動力設備兩部分，其中固定架(2)由一個能嵌入矩形水槽的長方形內框和4個帶有鉆孔(8)的有機玻璃條(9)組成，四個長釘(7)分別穿過有機玻璃條上的鉆孔(8)將固定架(2)擱置在水槽(I)的翻邊上；水流推進動力設備中變頻調速電機(3)安裝在固定架(2)上邊框拐角，電機轉軸通過橡膠履帶(4)帶動下方的軸承(5)轉動，前后兩個軸承(5)兩端分別固定在固定架(2)的長方形內框上，前后兩個軸承上安裝兩條傳送帶(6);流速測量裝置通過底板(14)安置在動力系統固定架(2)上，垂向標尺(15)和螺旋桿(16)垂直固定在底板(14)上，測速儀探頭(18 )通過流速儀固定夾(17 )與螺旋桿(16 )相連接。
2.根據權利要求書I所述的一種用于模擬淺水湖泊風生垂向環流作用下沉積物再懸浮的裝置，其特征在于所述水槽(I)為矩形，水槽一側的外壁正中自上而下設有4飛個帶閥取樣孔(10 )，并在下端設置一個帶閥排水孔(11)。
3.根據權利要求書I所述的一種用于模擬淺水湖泊風生垂向環流作用下沉積物再懸浮的裝置，其特征在于所述傳送帶(6)上帶有均勻分布的齒輪狀小凹槽，每個小凹槽內分別粘貼一條有機玻璃薄片(19)進行加糙。
4.一種使用模擬淺水湖泊風生垂向環流作用下沉積物再懸浮的裝置進行沉積物再懸浮的方法，其特征在于該方法步驟如下 A.將未擾動采集到的沉積物(12)置于矩形水槽(I)底部； B.用虹吸法向水槽(I)中加入上覆水(13); C.將長釘(7)穿過不同高度的鉆孔(8)來調節動力系統固定架(2)的高度，從而使固定架(2)上的傳送帶(6)的底面與上覆水(13)表面相接觸； D.開啟變頻調速電機(3),電機轉軸通過橡膠履帶(4)帶動下方的軸承(5)轉動，與軸承(5 )相連接的兩條傳送帶(6 ) 一起運動，由傳送帶(6 )帶動上覆水(13 )表層水體運動，水體遇水槽(I)邊壁后下潛至沉積物(12)表層以相反方向運動，以形成不同流速的垂向環流； E.通過螺旋桿(16)調節測速儀探頭(18)的上下高度進行流速測量； F.通過不同高度的帶閥取樣孔(10)采集不同深度的上覆水(13)進行水樣測定。
全文摘要
一種用于模擬沉積物在淺水湖泊風生垂向環流條件下再懸浮的裝置及方法，屬于環境保護領域。該裝置包括矩形水槽、水流推進動力系統及流速測量裝置。水槽高度不小于30cm，長寬比不小于1.2。水槽底部平鋪厚度為5cm的未經擾動采集的沉積物。通過變頻調速電機帶動放置于水體表面的傳送帶，通過傳送帶帶動表面水體運動，水體遇水槽邊壁后下潛至沉積物表面以相反方向運動，在縱剖面形成淺水湖泊風生流中普遍存在的垂向環流結構，以模擬不同風強和不同水深條件下淺水湖泊風生垂向環流下的沉積物再懸浮的過程。通過流速測量裝置精準定位流速測量儀器，觀測矩形水槽縱斷面所形成的風生環流流場。該裝置的優點在于真實模擬了淺水湖泊在不同風強和不同水深條件下湖內形成的垂向風生環流結構，進而可以測得在風生環流驅動下湖底沉積物再懸浮的過程。
文檔編號G01M10/00GK102879176SQ20121036666
公開日2013年1月16日 申請日期2012年9月28日 優先權日2012年9月28日
發明者華祖林, 顧莉, 褚克堅, 汪靚, 劉曉東, 白雪, 巫丹, 徐龍龍, 惠慧 申請人:河海大學