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专利名称：环境泥沙循环水槽的实验方法
技术领域：
本发明涉及的是环境泥沙循环水槽的实验方法，特别适用于污染物在循环水槽中迁移的实验。属于水利工程和环境工程领域。
背景技术：
随着中国经济的发展，河流污染越来越严重，时有河流污染的突发事件。污染物的迁移和归宿将直接影响河流的生态环境和人民健康安全。地表水和地下水相互作用对河流环境的生物地化条件产生至关重要的影响，上覆水和潜流带的物质能量迁移转化还有许多问题尚未明确，需要进一步深入研究。河水与河床、河岸孔隙水交换是一个重要的过程，它较大程度地影响了河流系统中污染物的归宿。其中粘土和胶体具有很强的吸附污染物的能力，它们的迁移和归宿有时直接决定着吸附性污染物的迁移和归宿。例如美国Arkansas河的胶体迁移影响了水体中溶解态金属的浓度和河床中的金属浓度，从采矿点出来的胶体在向下游迁移50km时浓度下降了一半。金属离子在床沙中的浓度与沉积在河床中的胶体浓度是一致的。因此为了揭示污染物和胶体在河流中迁移规律，以及潜流交换对污染物和胶体在河流中运移的影响，必需研究潜流交换产生的机理和方式，以及不同条件下潜流交换对污染物迁移的影响。由于诸多原因的影响，如在实际河流中从事这方面的研究耗资大；对某一因子或多个因子定量分析相对较困难；野外操作受环境因素干扰多，有必要探寻容易操作且耗资较小的实验。
循环水槽用来研究河流水力学和泥沙迁移问题始于20世纪50年代，50多年的广泛研究表明水槽的研究结果应用到到自然河流中。目前关于环境泥沙在河流中的研究操作困难，并且环境水槽实验设计以及操作技术也不成熟。发明内容
本发明提出的是环境泥沙循环水槽的实验方法，其目的旨在克服现有技术所存的上述缺陷，把自然河流中污染物沿河流流动方向变化的空间问题转化为封闭循环水槽系统中污染物浓度改变的时间问题。实现模拟污染物在河流中迁移功能，能够揭示污染物在河流中迁移的机理。
本发明的技术解决方案环境泥沙循环水槽的实验方法，先将洗干净的泥沙装填入水槽，然后制成沙波，开启水泵，调整水槽坡度和水位，控制水槽温度，待水流和温度稳定后，在水箱加入污染物或胶体，抽取孔隙水，测量上覆水和孔隙水的污染物或胶体浓度。
本发明的优点1)如果水流经过沙床仅仅一次，水体的污染物浓度改变是非常小的，但是对于循环系统，污染物多次经过沙床，浓度改变就比较大了 ；2)循环水槽的污染物迁移实验，可以把自然河流中污染物沿河流流动方向变化的空间问题，转化为封闭循环水槽系统中污染物浓度改变的时间问题；3)水槽很容易进行长时间的操作(甚至1个月)，这是由于不需在水槽上游连续不断的添加水、沙和化学物质。因此环境泥沙实验可以通过循环水槽来揭示其内在的规律性。


附图1是非反应性污染物、金属离子和胶体的上覆水浓度随时间变化示意图。
具体实施例方式所述的泥沙装填入水槽是先在水槽中填满水，然后缓慢的加入沙，可避免沙床存在气泡，影响实验，待沙装到预定的高度时，轻拍水槽边壁，使沙缓慢沉降，待沙不再继续沉降时，停止轻拍。所述的制成沙波是在水槽的两边用白板笔刻画三角形或波浪形状的沙波；再用沙波板塑造所刻画的三角形或波浪形状；该沙波板是用有机玻璃制成的，在沙波板上开多排小孔，能够排出在制造沙波过程产生的壅水，这可以减小沙波制造过程中产生的水波动对已造好沙波的破坏。所述的开启水泵、调整水槽坡度和水位高度是先开泵，后缓慢开阀，调到预定的流量，调整水槽坡度和溢流槽高度，使水槽的水位达到预定的高度，并确保水槽各部位的水深相同，防止先开阀时水槽中的水从进水口排出，破坏沙波。所述的孔隙水抽取是在水槽的上面用矿灯倾斜照射壁面，观看取样孔的暗影，然后针头顺着暗影插入取样孔；为了缩短抽样时间且避免高浓度对低浓度的干扰，抽取顺序如下当做污染物从上覆水到河床中迁移实验时，从槽底往上抽；如遇到微量进样器有空气进入或者抽取困难时，很可能是小颗粒堵住了微量进样器针头，此时应立即取出微量进样器，清除微量进样器堵塞。所述的清除微量进样器堵塞是缓慢拔出微量进样器的推进杆，用50ml注射器，长度为80mm的针头向微量进样器管中注入去离子水，插入微量进样器的推进杆，用拇指和食指紧握微量进样器靠近针头部分防止造成玻璃管在45°方向上遭受剪切破坏，用力推微量进样器的推进杆，重复数次后就可以排出堵在针头中的泥沙颗粒。所述的控制水槽温度是在水槽的出口部分安装1 3个300W自动恒温棒，当水温达不到实验预定值时，恒温棒自动加热；当温度达到实验预定值时，恒温棒自动停止加热， 加热的水流经过回水系混合后，进入测试段水温的较均勻，通过调温后，水槽的上覆水昼夜温差较小，控制环境温度波动对水槽实验的影响。所述的测量胶体浓度是从水槽的尾部抽取上覆水，装在50ml塑料瓶中，用粒度分析仪测量粒径分布状况，胶体浓度通过紫外分光光度计测量，在测量前要对胶体摇晃充分， 使其能够达到刚从上覆水抽出的分布一样，每次抽样在12小时内测完，对浓度高的胶体浓度用波长为400nm单光波测量；浓度低或者胶体粒径大的胶体浓度用波长分别为400nm、 420nm和440nm三光波测量。[水力学1]实施例
床沙的测试段长度为10m，床沙的厚度为12 15cm，每次实验用沙在550 750kg。上覆水的水深是6 10cm，每次实验需水量在400 600L (包括上覆水、孔隙水和回水系统中含有的水)。在床沙的尾段，插上开孔有机玻璃板，在其上面贴一层200目尼龙拦网，该拦网能够有效的拦截泥沙，同时也能使水槽坡度产生的孔隙水流顺利通过。水流循环通过不锈钢泵从水库中抽水实现，在泵的出水口安装了不锈钢水阀，可以控制整个循环系统的流量。在离水阀4. 5m的距离安装了电磁流量计。电磁流量计除了几个感应片以外，其余与水接触的部分都是塑料制成。不锈钢和塑料材料能够有效地防止污染物对它们的腐蚀。
为了满足水泵运行所需最小水深和水槽循环系统用水量最小，水库中水泵进水部分采用渐变结构，也就是，在水库的下部设置了截面为梯形、厚30cm的小进水箱(梯形下边 30cm、上边为 75cm、高为 30cm)o
在水槽的中部设置几排垂直取样孔，用来抽取孔隙水。孔垂向间距为1cm，孔径为 1. 5mm。
在水槽的尾部安装了 MPTR0LL-9500，自动监测上覆水的温度、电导、pH和盐度，测量时间间隔为3 5分钟。水槽的出口部分安装了 1 3个300W自动恒温棒，当水温达不到实验预定值时，恒温棒自动加热；当温度达到实验预定值时，恒温棒自动停止加热。加热的水流经过回水系统混合后，进入测试段水温的较均勻。通过调温后，水槽的上覆水昼夜温差较小，很好地控制环境温度波动对水槽实验的影响。
孔隙水的抽取和测量对于反应性污染物，为了便于测量，抽取的孔隙水稀释倍数越小越好，但是由于沙床孔隙率为0. 39左右，并且孔的间距1cm，为了在抽取孔隙水时不相互干扰，每次最多只能0. 39ml,因此采用的进样器为250 μ L固定针头的Hamilton微量进样器(针头的外径 0.72mm、内径0.15mm、长51mm)抽取0. 25ml，放到細1玻璃瓶中，加入2ml的去离子水。
对于非反应性污染物用100 μ L固定针头的SGE (澳大利亚)微量进样器(针头外径0. 5mm、内径0. 2mm、长50mm)抽取0. 1ml，放到15mmX 8cm的玻璃管中，加入5ml的去离子水，用电导率仪在20°C的恒温下测量电导，与同一温度下测量的标准曲线对照，算出浓度， 再乘以51 (稀释比)，就是实际孔隙水中非反应性污染物的浓度。
对于金属吸附实验用250μ L固定针头的Hamilton (瑞士)微量进样器(外径 0.72mm、内径0. 15mm、长51mm)抽取0. 25ml，放到細1玻璃瓶中，加入2ml的去离子水，封紧盖子，放在冰箱中保存。实验结束统一用ICP - MS测量，浓度乘以9就是实际孔隙水中金属离子浓度。
由于水槽壁面开孔直径仅1.5mm，不容易找到抽样孔的位置。在水槽的上面用矿灯倾斜照射壁面，可以看到取样孔的暗影，针头顺着暗影就非常容易插入取样孔。
为了缩短抽样时间，并且避免大浓度对小浓度的干扰，抽取顺序如下当做污染物从上覆水到河床中迁移实验时，从下往上抽。在抽完一个位置孔隙水后，用去离子水冲洗微量进样器数遍。
如遇到微量进样器有空气进入或者抽取困难时，很可能是小颗粒堵住了微量进样器针头，此时应立即取出微量进样器。缓慢拔出微量进样器的推进杆，用50ml注射器，长度为80mm的针头向微量进样器管中注入去离子水，插入微量进样器的推进杆，用拇指和食指紧握微量进样器靠近针头的部分，用力推微量进样器的推进杆。重复数次后就可以排出堵在针头中的泥沙颗粒。
胶体的采样和测量从水槽的尾部抽取上覆水，装在50ml塑料瓶中。应用现有的粒度分析仪测量粒径分布状况。胶体浓度通过紫外分光光度计测量。在测量前要对胶体摇晃充分，使其能够达到刚从上覆水抽出的分布一样。每次抽样在12小时内测完。对浓度高的胶体浓度用波长为400nm 单光波测量；浓度低或者胶体粒径大的胶体浓度用波长分别为400nm、420nm和440nm三光
波测量。环境泥沙循环水槽的实验方法，1)污染物从上覆水迁移到河床中的实验，在水槽充满自来水的情况下，检查水槽是否漏水、水槽系统其它部件是否正常运行。先用自来水冲洗2遍水槽，使用刷子和布擦清洗水槽系统中的附着物，再用去离子水冲洗2遍；2)向水槽水库中加入去离子水，开动泵，升高溢流槽使水槽中的水到一定的高度，先关水阀，后关泵。 先关阀是为了防止先关泵时，水从水槽进水口部分排出。用塑料桶或塑料铲把装塑料箱中的泥沙转到水槽中。先在水槽加水目的是为了阻止或减少加沙过程中空气进入河床中。如果有气体在沙床中，把床沙翻2遍；3)整平沙床，也就是使沙床表面与水槽地板平行；在水槽的两边画出所需的沙波波形，再用有机玻璃板做成的沙波板塑造所需的沙波。沙波板开了很多小孔，能够排出在制造沙波过程产生的壅水，这可以减小制备沙波过程时产生水波动对已做好沙波的破坏。对于自然沙波用20 30cm/s水流运行20 30分钟可形成；先开泵，后缓慢开阀，调到需要的流量，调整水槽坡度和溢流槽高度，使水槽的水位达到预定的高度以及水槽各部位的水深相同。由于水槽水面与滚车轨道和水槽底板平行，因此水槽水深是否相同，可以通过沙波测量仪，检查水槽不同位置的水体表面的在测量仪的读数是否一致。此时先开泵后开阀的优点是防止先开阀时水槽中的水从进水口排出，破坏沙波； 后开阀更容易调节所需要的流量。用沙波测量器测量沙波高度。对于通过水流形成的自然沙波，在迎风面间隔1 2cm测量一次，对于避风面间隔Icm测量一次。在沙波波峰和波谷各测量一次。对于有垂向孔隙水取样孔的地方，沙波的高度也要测量。开启恒温加热棒，使水温达到预定值。开启MPTR0LL-9500，开始记录pH值、水温、 电导、盐度。在做金属离子从上覆水迁移到河床的实验时，加入预定的NaCl和pH缓冲溶液。 PH值在3 6之间，缓冲溶液是由醋酸钠和醋酸配置成的；pH值在7左右时，缓冲溶液为 NaHCO30醋酸钠和醋酸对金属离子的吸附是没有影响的。试剂在一个循环周期内正好加完。按预定的时间表抽取上覆水和孔隙水。在初始30分钟内从水槽三个不同的位置同时抽取上覆水；30分钟后上覆水的浓度，在水槽的垂向、侧向和横向的各个位置基本一样，因此可以仅从水槽的尾部抽取。[水力学1]每4小时加入400ml去离子水，补充蒸发部分，保证水槽系统中的水体总量不变。对于金属离子实验，要定期查看PH值。pH值偏离预定值，加醋酸或者醋酸钠来调整。每个实验持续2 4天，当上覆水的浓度达到基本平衡时停止实验，测量抽取的样品。对于NaCl抽完后立即就送到实验室测量，胶体测量最多不超过12小时，金属离子浓度实验结束后统一到化学实验室测量。应用实例
分别用惰性污染物(氯化钠)、金属(氯化锌)和胶体(娃微粉)做了三组实验。从图1可以看出，上覆水中的非反应性污染物NaCl浓度下降20%多；而金属离子下降了 70%多，金属离子下降快的原因是床沙吸附作用。而胶体硅微粉由于过滤和沉降的作用，其浓度逐渐会达到0，即全部沉积在河床中。三种浓度变化主要发生在实验前800分钟。从上面实验可以
权利要求
1.环境泥沙循环水槽的实验方法，其特征是先将洗干净的泥沙装填入水槽，然后制成沙波，开启水泵，调整水槽坡度和水位，控制水槽温度，待水流和温度稳定后，在水箱加入污染物或胶体，抽取孔隙水，测量上覆水和孔隙水的污染物或胶体浓度。
2.根据权利要求1所述的环境泥沙循环水槽的实验方法，其特征是所述的泥沙装填入水槽是先在水槽中填满水，然后缓慢的加入沙，可避免沙床存在气泡，影响实验，待沙装到预定的高度时，轻拍水槽边壁，使沙缓慢沉降，待沙不再继续沉降时，停止轻拍。
3.根据权利要求1所述的环境泥沙循环水槽的实验方法，其特征是所述的制成沙波是在水槽的两边用白板笔刻画三角形或波浪形状的沙波；再用沙波板塑造所刻画的三角形或波浪形状；该沙波板是用有机玻璃制成的，在沙波板上开多排小孔，能够排出在制造沙波过程产生的壅水，这可以减小沙波制造过程中产生的水波动对已造好沙波的破坏。
4.根据权利要求1所述的环境泥沙循环水槽的实验方法，其特征是所述的开启水泵、 调整水槽坡度和水位高度是先开泵，后缓慢开阀，调到预定的流量，调整水槽坡度和溢流槽高度，使水槽的水位达到预定的高度，并确保水槽各部位的水深相同，防止先开阀时水槽中的水从进水口排出，破坏沙波。
5.根据权利要求1所述的环境泥沙循环水槽的实验方法，其特征是所述的孔隙水抽取是在水槽的上面用矿灯倾斜照射壁面，观看取样孔的暗影，然后针头顺着暗影插入取样孔； 为了缩短抽样时间且避免高浓度对低浓度的干扰，抽取顺序如下当做污染物从上覆水到河床中迁移实验时，从槽底往上抽；如遇到微量进样器有空气进入或者抽取困难时，很可能是小颗粒堵住了微量进样器针头，此时应立即取出微量进样器，清除微量进样器堵塞。
6.根据权利要求5所述的环境泥沙循环水槽的实验方法，其特征是所述的清除微量进样器堵塞是缓慢拔出微量进样器的推进杆，用50ml注射器，长度为80mm的针头向微量进样器管中注入去离子水，插入微量进样器的推进杆，用拇指和食指紧握微量进样器靠近针头部分防止造成玻璃管在45°方向上遭受剪切破坏，用力推微量进样器的推进杆，重复数次后就可以排出堵在针头中的泥沙颗粒。
7.根据权利要求1所述的环境泥沙循环水槽的实验方法，其特征是所述的控制水槽温度是在水槽的出口部分安装1 3个300W自动恒温棒，当水温达不到实验预定值时，恒温棒自动加热；当温度达到实验预定值时，恒温棒自动停止加热，加热的水流经过回水系混合后，进入测试段水温的较均勻，通过调温后，水槽的上覆水昼夜温差较小，控制环境温度波动对水槽实验的影响。
8.根据权利要求1所述的环境泥沙循环水槽的实验方法，其特征是所述的测量胶体浓度是从水槽的尾部抽取上覆水，装在50ml塑料瓶中，用粒度分析仪测量粒径分布状况，胶体浓度通过紫外分光光度计测量，在测量前要对胶体摇晃充分，使其能够达到刚从上覆水抽出的分布一样，每次抽样在12小时内测完，对浓度高的胶体用波长为400nm单光波测量； 浓度低或者胶体粒径大的胶体用波长分别为400nm、420nm和440nm三光波测量。
全文摘要
本发明是环境泥沙循环水槽的实验方法，其特征是先将洗干净的泥沙装填入水槽，然后制成沙波，开启水泵，调整水槽坡度和水位，控制水槽温度，待水流和温度稳定后，在水箱加入污染物或胶体，抽取孔隙水，测量上覆水和孔隙水的污染物或胶体浓度。优点把自然河流中污染物沿河流流动方向变化的空间问题，转化为封闭循环水槽系统中污染物浓度改变的时间问题。实现模拟污染物在河流中迁移功能，能够揭示污染物在河流中迁移的机理。
文档编号G01N15/06GK102507140SQ20111037521
公开日2012年6月20日 申请日期2011年11月23日 优先权日2011年11月23日
发明者曹淼, 李凌, 杨小全, 金光球, 钟小春 申请人:河海大学