一种散粒基质河道循环水试验装置

摘要

本发明涉及一种散粒基质河道循环水试验装置，包括主池、上游集水池、下游集水池、散粒基质层、测压管、多参数水质仪、拦沙栅、潜流泵、流量调节阀、回水管、可移动采样梯。其中，主池通过上游过水槽与上游集水池相连，主池通过下游过水槽与下游集水池相连，下游过水槽处设置拦沙栅，下游集水池中布设多参数水质仪及潜流泵，潜流泵的出水口处连接流量调节阀，流量调节阀通过软管连接上游集水池。主池内铺设试验所需的散粒基质，并根据需求建立不同形态的河流系统。本发明能够建立各种基质组成的不同形态的河道模型，并模拟河流长时间运行后的状态，为河流形态对河流自净能力等的影响机理研究提供了一种较完备的设备。

权利要求

1.一种散粒基质河道循环水试验装置，其特征在于：包括主池(1)、位于主池(1)一侧的上游集水池(2)、位于主池(1)另一侧的下游集水池(3)，所述上游集水池(2)与主池(1)连通，所述下游集水池(3)与主池(1)连通；所述主池(1)的内部铺设有散粒基质层(4)，所述主池(1)的一端设置有多个用来监测散粒基质层(4)的孔隙水压力的测压管(5)，所述测压管(5)的一端垂直固定在主池(1)侧壁外，所述测压管(5)的另一端穿过主池(1)侧壁且测压管(5)的另一端与主池(1)连通，所述测压管(5)的另一端埋设在散粒基质层(4)的内部；所述下游集水池(3)的内部设置有多参数水质仪(6)和潜流泵(8)，所述多参数水质仪(6)探头位置的高度以及潜流泵(8)入水口的高度均低于下游集水池(3)水面高程，所述潜流泵(8)的出水口设置有流量调节阀(9)，所述流量调节阀(9)和上游集水池(2)之间设置有回水管(10)，所述回水管(10)的一端与流量调节阀(9)连通，所述回水管(10)的另一端与上游集水池(2)；所述测压管(5)包括设置在主池(1)底部用来连通主池(1)内外部的金属连通管，所述金属连通管的内径为1cm，所述金属连通管的两端均设置有透明软管，位于主池(1)外部的透明软管竖直固定在主池(1)的侧壁，位于主池(1)内侧的透明软管布设在主池(1)的池底。

2.根据权利要求1所述的一种散粒基质河道循环水试验装置，其特征在于：所述主池(1)的池底设置有坡率为1％的斜坡面。

3.根据权利要求1所述的一种散粒基质河道循环水试验装置，其特征在于：所述主池(1)与上游集水池(2)之间通过设置上游过水槽来连通，所述主池(1)与下游集水池(3)之间通过设置下游过水槽来连通；所述下游过水槽处设置有拦沙栅(7)。

4.根据权利要求1所述的一种散粒基质河道循环水试验装置，其特征在于：所述主池(1)的上方架设有可移动采样梯(11)，所述可移动采样梯(11)的端部与主池(1)的顶部滑动连接。

说明书

一种散粒基质河道循环水试验装置

技术领域

[0001] 本发明涉及一种散粒基质河道循环水试验装置，属于河流水体研究技术领域。

背景技术

[0002] 河流水质污染问题是我国最严重的环境问题之一，城镇化建设过程中，往往出现与水争地、填占河道、裁弯取直等对河道的改造现象，人为对河流形态的改变与河流水质的
变化密切相关。如，对河流地形地貌的改变带来的生态类型和植物的分布特征的改变、对河
道岸坡基质的改变带来的生态功能及河岸稳定性的差异、对河岸生境的改变导致微生物作
用不同、对河流曲度的改变导致上覆水和孔隙水流态变化等，都对河流水质有着不同程度
的影响。

[0003] 当前对河流形态与河流水质相关关系的研究方法多采用野外监测的方法，如在野外选取形态各异的自然河流进行水质监测，并比对结果。但由于自然条件的不可控性，导致
难以精准的控制变量条件。且野外实地监测存在局限性，无法进行有效的水力学试验，因
此，必须在实验室内的可控环境下展开河流形态与水体自净能力关系的研究。现有的循环
水试验模型多为定床河道模型，仅可以模拟简单的衬砌河道水流状况，而无法模拟沙、砾、
石、土等散粒基质上不同形态河道的水流状况，也无法对河流的冲刷程度、潜流交换强度、
岸坡基质中的孔隙水水质等指标进行精确测量，难以更深层次地探究河流形态对水质的影
响机理。

[0004] 所以，为了进一步研究不同形态河流的水体运动状态和水质变化趋势，探究河流形态对河流水质的作用机理，设计一种能够改变河道基质组成、变换河流形态、具备监测条
件的循环水试验装置是十分必要的。

发明内容

[0005] 本发明针对现有技术存在的不足，提供了一种散粒基质河道循环水试验装置，本装置可以根据试验需要改变河道基质组成、变换河流形态、具备河水循环流动特性、并可以
便利地监测河流系统的水质和水力学状态；具体技术方案如下：

[0006] 一种散粒基质河道循环水试验装置，包括主池、位于主池一侧的上游集水池、位于主池另一侧的下游集水池，所述上游集水池与主池连通，所述下游集水池与主池连通；所述
主池的内部铺设有散粒基质层，所述主池的一端设置有多个用来监测散粒基质层的孔隙水
压力的测压管，所述测压管的一端垂直固定在主池侧壁外，所述测压管的另一端穿过主池
侧壁且测压管的另一端与主池连通，所述测压管的另一端埋设在散粒基质层的内部；所述
下游集水池的内部设置有多参数水质仪和潜流泵，所述多参数水质仪探头位置的高度以及
潜流泵入水口的高度均低于下游集水池水面高程，所述潜流泵的出水口设置有流量调节
阀，所述流量调节阀和上游集水池之间设置有回水管，所述回水管的一端与流量调节阀连
通，所述回水管的另一端与上游集水池。

[0007] 作为上述技术方案的改进，所述主池的池底设置有坡率为1％的斜坡面。

[0008] 作为上述技术方案的改进，所述主池与上游集水池之间通过设置上游过水槽来连通，所述主池与下游集水池之间通过设置下游过水槽来连通；所述下游过水槽处设置有拦
沙栅。

[0009] 作为上述技术方案的改进，所述主池的上方架设有可移动采样梯，所述可移动采样梯的端部与主池的顶部滑动连接。

[0010] 作为上述技术方案的改进，所述测压管包括设置在主池底部用来连通主池内外部的金属连通管，所述金属连通管的内径为1cm，所述金属连通管的两端均设置有透明软管，
位于主池外部的透明软管竖直固定在主池的侧壁，位于主池内侧的透明软管布设在主池的
池底。

[0011] 本发明的有益效果：

[0012] 通过本发明的设计，能够建立各种基质上不同形态的河道模型，并在较小的空间内模拟河流长时间运行后的河道冲刷状况、上覆水污染物削减状况、污染物溶质运移和孔
隙水潜流运动过程，为河流形态对河流自净能力的影响机理研究提供了一种较完备的设
备。

[0013] 本发明具有以下显著优点：

[0014] 1)、主池内可以铺设试验所需的各类散粒基质，如沙、砾、石、土等，并可根据需求建立各种不同形态的河流系统，这种具备各种形态的散粒基质河道模型更加接近于自然河
流的原始状态。在开启循环水系统后，本装置可以完整的模拟河水在河道内和岸坡基质中
的运移状况。

[0015] 2)、装置中的测压管可根据试验需求在主池内任意位置分布，以监测基质中各点的孔隙水压力，且可以调节潜流泵流量，观测不同流量下基质孔隙水压力变化。

[0016] 3)、装置装配有采样梯，可以根据需要在主池上方移动或拆除，试验过程中常需要对不同形态河流系统的上覆水、孔隙水和基质进行采样分析，根据采样点位置的不同，可以
调节采样梯以便于采样员在不扰动模型运行的条件下完成采样工作，也可以在基质铺设或
观察河流时拆除。

附图说明

[0017] 图1为本发明所述散粒基质河道循环水试验装置的结构示意图；

[0018] 图2为本发明所述散粒基质河道循环水试验装置的纵向剖面示意图。

具体实施方式

[0019] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并
不用于限定本发明。

[0020] 如图1、2所示，所述散粒基质河道循环水试验装置，包括主池1、位于主池1一侧的上游集水池2、位于主池1另一侧的下游集水池3，所述上游集水池2与主池1连通，所述下游
集水池3与主池1连通；所述主池1的内部铺设有散粒基质层4，所述主池1的一端设置有多个
用来监测散粒基质层4的孔隙水压力的测压管5，所述测压管5的一端垂直固定在主池1侧壁
外，所述测压管5的另一端穿过主池1侧壁且测压管5的另一端与主池1连通，所述测压管5的
另一端埋设在散粒基质层4的内部；所述下游集水池3的内部设置有多参数水质仪6和潜流
泵8，所述多参数水质仪6探头位置的高度以及潜流泵8入水口的高度均低于下游集水池3水
面高程，所述潜流泵8的出水口设置有流量调节阀9，所述流量调节阀9和上游集水池2之间
设置有回水管10，所述回水管10的一端与流量调节阀9连通，所述回水管10的另一端与上游
集水池2。

[0021] 主池1是一个内尺寸为440×350×50cm(长×宽×高)的长方体水池，主池1的池底制成坡率1％的斜坡面，以模拟自然河流的天然比降。在主池1的两个短边分别砌筑内尺寸
为长130cm、宽40cm、深50cm的上游集水池2和下游集水池3。主池1与上游集水池2/下游集水
池3直接相连，并通过设置10cm宽的上游过水槽/下游过水槽使其连通。主池1和上游集水池
2和下游集水池3均由空心砖和水泥砂浆砌筑而成，内部均使用防水涂料粉刷3遍并使用防
水土工布进行保护，以确保水池的不透水性。即：所述主池1与上游集水池2之间通过设置上
游过水槽来连通，所述主池1与下游集水池3之间通过设置下游过水槽来连通；所述下游过
水槽处设置有拦沙栅7。

[0022] 在下游过水槽处设置拦沙栅7，拦沙栅7由网布制成。在下游集水池3内部布设安装可自动监测水体的温度、电导率和pH值等指标的多参数水质仪6，还安装有潜流泵8。所述回
水管10由内径为8cm的PVC软管制成。其中，所用多参数水质仪6的型号为美国YSI公司的
EX02，所用潜流泵8型号为yee品牌的YLJ‑2800，扬程为3m，最大流量2800L/h。

[0023] 其中，所述测压管5包括6个设置在主池1底部用来连通主池1内外部的金属连通管，所述金属连通管的内径为1cm，所述金属连通管的两端均设置有透明软管，位于主池1外
部的透明软管竖直固定在主池1的侧壁，位于主池1内侧的透明软管将根据不同组别的需要
布设在主池1的池底；透明软管可采用PVC软管。即金属连通管、透明软管构成测压管5。

[0024] 进一步地，所述主池1的上方架设有可移动采样梯11，所述可移动采样梯11的端部与主池1的顶部滑动连接。即在主池1上方架设可移动采样梯11，其与主池1的短边平行，可
移动采样梯11两端固定在主池1长边侧壁顶的滑轨上，可以根据需要在主池1上方移动，以
满足采样员在试验过程中不扰动模型运行的条件下，对主池1内各点的上覆水、孔隙水和基
质进行采样。在河道挖设施工时，或需要观察河流时也可将采样梯临时拆除。

[0025] 根据试验要求的不同，在主池1内部铺设散粒基质层4，在散粒基质层4处并挖建所需的不同形态或尺寸的人工河道，河道的一端与上游过水槽相连通，河道的另一端与上游
过水槽相连通。通过注入污染水或清水、开启潜流泵8即可进行各种试验，至此就形成了一
个由潜流泵8提供动力、可调节流量、可变换基质材料和河流形态的散粒基质河道循环水试
验装置。

[0026] 在上述实施例中，散粒基质层4是由沙、砾、石、土等散粒基质铺设制成。

[0027] 通过所述散粒基质河道循环水试验装置对合肥市十五里河不同弯曲度的河道，进行过河水污染物浓度削减模拟测试，与自然河道监测数据相比，本装置模拟的弯曲河道在
+
TP、TN、NH4的削减趋势上与自然河道保持一致，偏差率不超过0.8％且其污染物在基质内的
运移状况符合自然河道的运行规律。也就是说，所述散粒基质河道循环水试验装置，在开启
循环水系统后，该装置可以完整的模拟河水在河道内和岸坡基质中的运移状况。所述散粒
基质河道循环水试验装置作为河流自净能力研究中野外监测方法的补充，其模拟的是水质
变化趋势和溶质在基质中的运移方式，实施效果好，应用价值高。

[0028] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。