專利名稱：一種研究底泥起懸機(jī)制和營養(yǎng)鹽釋放的裝置及其操作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及淺水湖泊和河流系統(tǒng)水體生態(tài)環(huán)境模擬技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及ー種采用環(huán)形蓋旋轉(zhuǎn)的環(huán)形水槽研究底泥起懸機(jī)制和營養(yǎng)鹽釋放的裝置及其操作方法。
背景技術(shù)：
水動(dòng)力作用下湖泊或河道沉積物容易發(fā)生侵蝕、再懸浮，該過程會(huì)引起表層沉積物營養(yǎng)鹽的釋放、生物數(shù)量的變化等。底泥表面侵蝕率定義為單位面積底床在単位時(shí)間內(nèi)的底泥侵蝕量。河床切應(yīng)カ是粘性泥沙研究中的重要參數(shù)，它直接決定了底泥被侵蝕的深度。然而，確定河床切應(yīng)力、控制外力條件是十分困難的。目前，模擬對底泥侵蝕的室內(nèi)模擬主要有震蕩法、波浪水槽法和環(huán)形水槽法。震蕩法是在三角瓶中裝入一定量沉積物和水樣，以震蕩頻率模擬水動(dòng)力大小。該方法簡單易于控制條件且可多組平行，但是體積過小， 不能很好的描述底泥侵蝕隨風(fēng)浪增強(qiáng)而遞增的趨勢。波浪水槽和環(huán)形水槽法是采用機(jī)械方法產(chǎn)生上覆水的定向流動(dòng)使底泥發(fā)生懸浮。這些方法易于控制條件，但是實(shí)驗(yàn)底泥的原狀性受到一定破壞，較淺的上覆水與湖泊實(shí)際情況差異較大。保持沉積物的原狀性非常重要，它不僅關(guān)系到暴露于上覆水的界面及其結(jié)構(gòu)的變化影響再懸浮的結(jié)果，并且對營養(yǎng)物質(zhì)的釋放量也產(chǎn)生至關(guān)重要的影響。在底泥侵蝕實(shí)驗(yàn)中，裝置的選取及設(shè)計(jì)至關(guān)重要，對結(jié)果產(chǎn)生重要影響。故實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)應(yīng)盡量能夠反映實(shí)際情況。湖泊在受到外界污染情況下，一部分通過自身自浄作用消解，剰余部分則通過沉降形成底部沉積物，沉積物在受到外力擾動(dòng)(如波浪、湖流)情況下易發(fā)生再懸浮重新進(jìn)入水體，進(jìn)而將沉積物中的污染物重新帶入水體中，從而影響水體水質(zhì)。內(nèi)源釋放對水生態(tài)環(huán)境的影響是顯而易見的，沉積物再懸浮對營養(yǎng)鹽的釋放有重要影響。在不同水深處釋放營養(yǎng)鹽含量的多少對水生生物的生長和生存有決定性影響，同時(shí)影響整個(gè)水體的水環(huán)境特征。故研究侵蝕后水體中營養(yǎng)鹽的含量是進(jìn)一歩研究侵蝕對水質(zhì)影響的基礎(chǔ)。由于底泥侵蝕的實(shí)驗(yàn)大多在室內(nèi)進(jìn)行模擬，相對室外實(shí)驗(yàn)?zāi)M缺乏真實(shí)性，例如室內(nèi)模擬底泥侵蝕的泥樣結(jié)構(gòu)在帶回實(shí)驗(yàn)室時(shí)大多已經(jīng)遭到破壞，與真實(shí)沉積物結(jié)構(gòu)相差甚遠(yuǎn)。因而本裝置考慮在室外進(jìn)行模擬，完全保證沉積物結(jié)構(gòu)不受任何破壞，同時(shí)水體特征也完全呈現(xiàn)原樣。本裝置設(shè)計(jì)用于野外實(shí)驗(yàn)，符合實(shí)際要求。
發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明目的本發(fā)明的目的在于克服上述缺陷，提供了ー種研究底泥起懸機(jī)制和營養(yǎng)鹽釋放的裝置及其操作方法，該裝置用于野外實(shí)驗(yàn)，克服了現(xiàn)有技術(shù)中外力不可控，維持底泥原狀結(jié)構(gòu)難，不便采集水樣等問題。技術(shù)方案本發(fā)明所述的ー種研究底泥起懸機(jī)制和營養(yǎng)鹽釋放的裝置，包括環(huán)形內(nèi)墻、環(huán)形外墻、環(huán)形蓋、驅(qū)動(dòng)裝置、抽樣筒；所述環(huán)形內(nèi)墻固定在環(huán)形外墻內(nèi)，之間形成均勻的環(huán)形空間，所述環(huán)形蓋設(shè)置在環(huán)形空間的上端ロ，所述驅(qū)動(dòng)裝置帶動(dòng)環(huán)形蓋轉(zhuǎn)動(dòng)，所述環(huán)形外墻上設(shè)置有采樣孔，其通過采樣管與抽樣筒連接。
為了使整個(gè)裝置不至于陷入泥里太深，所述環(huán)形內(nèi)墻的下端ロ及環(huán)形外墻的底端外壁分別設(shè)置有下支撐板、側(cè)支撐板。進(jìn)ー步完善上述技術(shù)方案，所述驅(qū)動(dòng)裝置包括齒鏈、齒輪、連桿、轉(zhuǎn)子和發(fā)動(dòng)機(jī)，所述環(huán)形蓋的內(nèi)側(cè)壁上設(shè)置有齒鏈，所述環(huán)形內(nèi)墻的上端ロ設(shè)置有上支撐板，所述上支撐板上設(shè)置有齒輪，所述齒輪帶動(dòng)齒鏈轉(zhuǎn)動(dòng)，所述轉(zhuǎn)子通過連桿驅(qū)動(dòng)齒輪，所述轉(zhuǎn)子與發(fā)動(dòng)機(jī)連接。進(jìn)ー步完善上述技術(shù)方案，所述環(huán)形內(nèi)墻通過U形固定框架固定在環(huán)形外墻內(nèi)。所述環(huán)形外墻與環(huán)形內(nèi)墻上設(shè)置有用來固定并支撐環(huán)形蓋的滾軸，盡可能減小環(huán)形蓋在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中的摩擦損失。所述環(huán)形蓋通過密封裝置與環(huán)形外墻和環(huán)形內(nèi)墻相連。
所述采樣管與采樣孔通過密封裝置固定相連。上述裝置的操作方法為將整個(gè)裝置放入野外水中，驅(qū)動(dòng)裝置帶動(dòng)環(huán)形蓋轉(zhuǎn)動(dòng)對水體產(chǎn)生擾動(dòng)；對垂向結(jié)構(gòu)未受到擾動(dòng)的底泥表面施加水平?jīng)_刷力，使泥樣發(fā)生侵蝕；通過在環(huán)形外墻上采樣孔及抽樣筒實(shí)現(xiàn)水樣采集進(jìn)而分析營養(yǎng)鹽含量，從而實(shí)現(xiàn)底泥起懸機(jī)制和營養(yǎng)鹽釋放量的研究。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其有益效果是(1)利用轉(zhuǎn)子控制環(huán)形蓋的轉(zhuǎn)速產(chǎn)生恒定的作用力，實(shí)現(xiàn)模擬底泥侵蝕效果，克服了外力條件不可控的問題。(2)利用在野外實(shí)驗(yàn)，垂向結(jié)構(gòu)未受到擾動(dòng)的底泥進(jìn)行侵蝕實(shí)驗(yàn)，維持了底泥原有特性，表征底泥的實(shí)際侵蝕特性。(3)利用虹吸原理采集水樣，確保底泥結(jié)構(gòu)和流場特性不因采樣而受到影響，實(shí)現(xiàn)了在不影響流場結(jié)構(gòu)和底泥原樣的條件下采集水樣。(4)實(shí)驗(yàn)裝置小，便于運(yùn)輸和裝置。(5)可精確測得底部剪切力保證實(shí)驗(yàn)誤差不大。(6)由于裝置連續(xù)性，消除了水槽首末端由強(qiáng)紊動(dòng)引起的沖刷。
圖I是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明的剖面示意圖。圖3是本發(fā)明齒輪與齒鏈連接示意圖。圖中1、環(huán)形外墻；2、環(huán)形內(nèi)墻；3、環(huán)形蓋；4、上支承板；5.、齒鏈；6、齒輪；7、連桿；8、轉(zhuǎn)子；9、發(fā)動(dòng)機(jī)；10、采樣孔；11、滾軸；12、U形固定框架；13、采樣管；14、抽樣筒；15、河泥；16、齒輪齒；17、齒輪軸、18、下支撐板；19、側(cè)支撐板。
具體實(shí)施例方式下面對本發(fā)明技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明，但是本發(fā)明的保護(hù)范圍不局限于所述實(shí)施例。如圖I至3所示，ー種研究底泥起懸機(jī)制和營養(yǎng)鹽釋放的裝置，包括環(huán)形外墻I、環(huán)形內(nèi)墻2、環(huán)形蓋3、齒鏈5、齒輪6、連桿7、轉(zhuǎn)子8、發(fā)動(dòng)機(jī)9和抽樣筒14 ;所述環(huán)形內(nèi)墻2通過U形固定框架12固定在環(huán)形外墻I內(nèi)，之間形成均勻的環(huán)形空間，所述環(huán)形蓋3設(shè)置在環(huán)形空間的上端ロ，通過密封裝置與環(huán)形外墻I和環(huán)形內(nèi)墻2相連，環(huán)形外墻I與環(huán)形內(nèi)墻2上設(shè)置有用來固定并支撐環(huán)形蓋的滾軸11，所述環(huán)形內(nèi)墻2的上、下端ロ及環(huán)形外墻I的底端外壁分別設(shè)置有上支撐板4、下支撐板18、側(cè)支撐板19，所述環(huán)形蓋3的內(nèi)側(cè)壁上設(shè)置有齒鏈5，所述上支撐板4上設(shè)置有齒輪6，所述轉(zhuǎn)子8與發(fā)動(dòng)機(jī)9連接，所述轉(zhuǎn)子8通過連桿7聯(lián)通齒輪軸17并驅(qū)動(dòng)齒輪6，所述齒輪6上的齒輪齒16扣動(dòng)齒鏈5并帶動(dòng)齒鏈5轉(zhuǎn)動(dòng)。所述齒鏈5帶動(dòng)環(huán)形蓋3轉(zhuǎn)動(dòng)，可以通過調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)9進(jìn)而實(shí)現(xiàn)環(huán)形蓋3的不同旋轉(zhuǎn)速度產(chǎn)生不同擾動(dòng)強(qiáng)度，所述環(huán)形外墻I上設(shè)置有采樣孔10，其通過采樣管13與抽樣筒14連接。所述采樣管13與采樣孔10通過密封裝置固定相連。由抽樣筒14以類似針筒的原理對環(huán)形空間內(nèi)部的水樣進(jìn)行抽取，抽樣筒14不同于水泵，在抽樣筒14抽水過程中，泥床結(jié)構(gòu)不會(huì)受到太大擾動(dòng)，同時(shí)不會(huì)影響起懸后的泥在水體中的再次絮凝和沉淀的過程。本裝置在環(huán)形外墻四周壁上共設(shè)了 4處采樣點(diǎn)，每處采樣點(diǎn)都在垂向三個(gè)不同水深的位置設(shè)了采樣孔10，因而在環(huán)形外墻I上共有12個(gè)采樣孔10。由不同位置的采樣孔通過虹吸作用分別采集水樣，從而得出水體擾動(dòng)后沉積物釋放對水體中營養(yǎng)鹽含量的影響。上述裝置具體操作方法如下實(shí)際流速10cm/s所對應(yīng)轉(zhuǎn)子8的轉(zhuǎn)速是70rmp，根 據(jù)需要模擬的流速調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)9，由發(fā)動(dòng)機(jī)9控制轉(zhuǎn)子8的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)子8通過連桿7控制齒輪6的轉(zhuǎn)動(dòng)，齒輪6通過齒鏈5控制與之相連的環(huán)形蓋3的轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而對水體產(chǎn)生擾動(dòng)。水體受到擾動(dòng)后，當(dāng)環(huán)形空間內(nèi)部底泥15所受到的底部切應(yīng)カ超過底泥15的臨界剪切力吋，底泥15開始發(fā)生侵蝕，部分泥樣進(jìn)入水體,并將營養(yǎng)鹽釋放入水體。由環(huán)形水槽外墻上的采樣孔10為采樣點(diǎn)，由抽樣筒14通過采樣管13抽取水槽裝置內(nèi)部的水樣。對抽取出來的水樣進(jìn)行分析，進(jìn)而得出底泥侵蝕機(jī)制和營養(yǎng)鹽釋放含量。其中，裝置內(nèi)部水體產(chǎn)生正切于環(huán)形外墻I和環(huán)形內(nèi)墻2的正切流速。在任意水位z=h處的正切流速可用下式計(jì)算
U=rω(I)
式中，u代表流速，r代表半徑，w代表旋轉(zhuǎn)角速度。水體擾動(dòng)過程中對底部泥床會(huì)產(chǎn)生切應(yīng)力，當(dāng)?shù)撞壳袘?yīng)カ超過底泥的臨界剪切カ時(shí)，底泥就會(huì)被水體擾動(dòng)進(jìn)入水體產(chǎn)生侵蝕。底部剪切力的計(jì)算方法如下
τ =0. 01135 ω1·6932( 2)
式中，τ代表切應(yīng)力，《代表旋轉(zhuǎn)角速度。通過驗(yàn)證，該數(shù)值計(jì)算的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差約5%。因而可利用上述公式計(jì)算出水槽內(nèi)的流場結(jié)構(gòu)和底部切應(yīng)力。如上所述，盡管參照特定的優(yōu)選實(shí)施例已經(jīng)表示和表述了本發(fā)明，但其不得解釋為對本發(fā)明自身的限制。在不脫離所附權(quán)利要求定義的本發(fā)明的精神和范圍前提下，可對其在形式上和細(xì)節(jié)上作出各種變化。
權(quán)利要求
1.一種研究底泥起懸機(jī)制和營養(yǎng)鹽釋放的裝置，其特征在于，包括環(huán)形內(nèi)墻、環(huán)形外墻、環(huán)形蓋、驅(qū)動(dòng)裝置、抽樣筒；所述環(huán)形內(nèi)墻固定在環(huán)形外墻內(nèi)，之間形成均勻的環(huán)形空間，所述環(huán)形蓋設(shè)置在環(huán)形空間的上端口，所述驅(qū)動(dòng)裝置帶動(dòng)環(huán)形蓋轉(zhuǎn)動(dòng)，所述環(huán)形外墻上設(shè)置有采樣孔，其通過采樣管與抽樣筒連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的采用環(huán)形蓋旋轉(zhuǎn)的環(huán)形水槽研究底泥起懸機(jī)制和營養(yǎng)鹽釋放的裝置，其特征在于，所述環(huán)形內(nèi)墻的下端口及環(huán)形外墻的底端外壁分別設(shè)置有下支撐板、側(cè)支撐板。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的研究底泥起懸機(jī)制和營養(yǎng)鹽釋放的裝置，其特征在于，所述驅(qū)動(dòng)裝置包括齒鏈、齒輪、連桿、轉(zhuǎn)子和發(fā)動(dòng)機(jī)，所述環(huán)形蓋的內(nèi)側(cè)壁上設(shè)置有齒鏈，所述環(huán)形內(nèi)墻的上端口設(shè)置有上支撐板，所述上支撐板上設(shè)置有齒輪，所述齒輪帶動(dòng)齒鏈轉(zhuǎn)動(dòng)，所述轉(zhuǎn)子通過連桿驅(qū)動(dòng)齒輪，所述轉(zhuǎn)子與發(fā)動(dòng)機(jī)連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的研究底泥起懸機(jī)制和營養(yǎng)鹽釋放的裝置，其特征在于，所述環(huán)形內(nèi)墻通過U形固定框架固定在環(huán)形外墻內(nèi)。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的研究底泥起懸機(jī)制和營養(yǎng)鹽釋放的裝置，其特征在于，所述環(huán)形外墻與環(huán)形內(nèi)墻上設(shè)置有用來固定并支撐環(huán)形蓋的滾軸。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的研究底泥起懸機(jī)制和營養(yǎng)鹽釋放的裝置，其特征在于，所述環(huán)形蓋通過密封裝置與環(huán)形外墻和環(huán)形內(nèi)墻相連。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的研究底泥起懸機(jī)制和營養(yǎng)鹽釋放的裝置，其特征在于，所述采樣管與采樣孔通過密封裝置固定相連。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述裝置的操作方法，其特征在于，將整個(gè)裝置放入野外水體中，驅(qū)動(dòng)裝置帶動(dòng)環(huán)形蓋轉(zhuǎn)動(dòng)對水體產(chǎn)生擾動(dòng)；對垂向結(jié)構(gòu)未受到擾動(dòng)的底泥表面施加水平?jīng)_刷力，使泥樣發(fā)生侵蝕；通過在環(huán)形外墻上采樣孔及抽樣筒實(shí)現(xiàn)水樣采集進(jìn)而分析營養(yǎng)鹽含量，從而實(shí)現(xiàn)底泥起懸機(jī)制和營養(yǎng)鹽釋放量的研究。
全文摘要
本發(fā)明公開一種研究底泥起懸機(jī)制和營養(yǎng)鹽釋放的裝置及其操作方法，包括環(huán)形內(nèi)墻、環(huán)形外墻、環(huán)形蓋、驅(qū)動(dòng)裝置、抽樣筒；所述環(huán)形內(nèi)墻固定在環(huán)形外墻內(nèi)，之間形成均勻的環(huán)形空間，所述環(huán)形蓋設(shè)置在環(huán)形空間的上端口，所述驅(qū)動(dòng)裝置帶動(dòng)環(huán)形蓋轉(zhuǎn)動(dòng)，所述環(huán)形外墻上設(shè)置有采樣孔，其通過采樣管與抽樣筒連接；通過轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)形蓋擾動(dòng)水體形成不同的正切流速和底部切應(yīng)力，通過抽樣筒抽取水槽內(nèi)部水樣進(jìn)行分析，揭示底泥懸浮機(jī)制和營養(yǎng)鹽釋放含量，克服了現(xiàn)有技術(shù)中外力不可控，維持底泥原狀結(jié)構(gòu)，不便采集水樣等問題。
文檔編號(hào)G01N1/10GK102866238SQ201210343649
公開日2013年1月9日 申請日期2012年9月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月17日
發(fā)明者李一平, 唐春燕, 王瑩, 滑磊, 郝文彬, 杜薇, 趙坤, 陳平, 萬榆, 邱利, 衛(wèi)樸, 欒號(hào), 薛偲琪, 王靜雨, 王健健 申請人:河海大學(xué)