一种用于研究水泥衬砌河道中水力‑水质关系的实验装置与方法与流程

本发明属于环境工程技术领域，特别涉及一种用于研究水泥衬砌河道中水力-水质关系的实验装置与方法。

背景技术：

在城市内，河道环境与周边居民生活、娱乐等活动紧密相关，其景观、生态功能一般不可忽略。我国城市河道多采用水泥对河床表面进行衬砌，且河道管理中往往涉及补水等人工调控措施，因此城市河道管控中，对河道水力要素与其景观、水质(包括藻类生长)的影响关系的研究具有重要意义。

在本发明之前，对河道水力和水质影响关系的实验装置包括桶式装置、直槽装置(包括折叠式直槽)和环形槽装置。其中，桶式装置通过震荡、搅拌等方式令水体旋转流动，如2011年北京市水利科学研究所申请了一种公开号为CN102174373A的“铜绿微囊藻类研究装置”的发明专利，通过水下桨叶绕桶式水槽的转动推动水流。桶式装置可以模拟完全混合的单元水体，但计算流速较为困难，无法满足水力-水质关系研究的要求。直槽装置中，水体从一端流入一端流出，常用于附着微生物的研究，无法有效模拟单元水体长时间的水质变化。而对于环形水槽，可以模拟水体单元的运动，且较易于测量流速等水力要素。目前有圆环型和跑道型两种形式，圆环型装置如2013年同济大学申请的公开号为CN 103207060 B的“一种可用于模拟天然河道水流特性的环形水槽装置”和上海河口海岸科学研究中心申请的公开号为CN 103592101 B的“一种桁架式全自动测量及控制环形水槽的试验装置”发明专利；跑道型装置如2015年北京市环境保护科学研究院申请的公开号为CN 204495541 U的“利用环形水槽模拟天然河道水流特性的装置”实用新型专利，均是采用剪力作用带动水槽内水体流动。

然而现有的实验装置专利暂无法满足人工衬砌河道中水力-水质要素研究的研究需求，包括：城市河道中河宽较小、水流较慢，可视为推流河道，应尽量令水体呈推流状态流动；同时，由于装置可用于研究藻类生长情况，因此应尽量减少外界剪力对藻类形态和集群带来的影响；另外，为了有效模拟水流与水泥表面产生的摩擦力、水泥河床向水体中的物质释放或浮游生物等在河床表面的附着现象，装置内部需用水泥进行衬砌。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于为环境工程中城市河道修复领域提供一种用于研究水泥衬砌河道中水力-水质关系的实验装置与方法，用于模拟水泥衬砌河道中不同流速、水深或雷诺数条件对水质、藻类生长等造成的影响，能够有效仿真水泥衬砌河道推流状态，实验操作易行，具有结构简明、施工简便、节约成本、适用性和针对性强等优点。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种用于研究水泥衬砌河道中水力-水质关系的实验装置，包括水槽主体1，水槽主体1由两条相互平行的直槽边和连接两直槽边的两半圆形水槽边组成，在水槽主体1中部装设中央隔板2，中央隔板2与所述两条直槽边平行且等长，使得水槽主体1成为循环往复式的跑道型水槽，中央隔板2与两条直槽边之间构成两个直槽段，两个直槽段的两端分别通过一个半圆形水槽段连通，且直槽段的宽度和半圆形水槽段的半径相同，在一个半圆形水槽段底部设置有排水凹槽3，在一个直槽段设置有与可调动力装置5连接的桨叶6，以均匀推动槽内水流运动。

所述排水凹槽3为方形或圆形，底部低于地面时用以置入潜水泵排水，其宽度或半径大于所使用的潜水泵底座半径，地形条件允许时，于凹槽底部设置直排口进行重力排水。

所述水槽主体1内壁均用水泥进行衬砌，以模拟实际人工衬砌的河道表面，从而在实验中有效模拟水流与水泥表面产生的摩擦力以及附着生物、浮游生物在河床表面的附着现象。

所述水泥衬砌的方法为：在组装好的水槽主体的内壁以及中央隔板两侧钢板表面9每平方厘米点焊12mm长度钢钉13，使用水泥砂浆抹灰10，厚度为5-8mm，待其初凝后在其表面放置铁丝网11作为加筋，再次覆盖水泥砂浆12并进行压实，厚度为5-8mm。

所述桨叶6为三桨叶结构，三桨叶各相距120°，均匀分布在桨叶轴上，其尺寸和位置为：桨叶垂直水槽底面时，桨叶末端距水槽底面不小于5cm，不大于实验水深；桨叶平行水槽地面时，桨叶轴、动力装置轴所处的中心线距直槽段起始端的水平距离不小于桨叶长度，不大于1/2直槽段长度；桨叶镂空部分面积由实验水深和流速决定。

所述可调动力装置5由电机和减速机构成，通过减速机调速旋钮7调整桨叶6的转动速度，且桨叶转动方向8令水流从桨叶轴距离较近的直槽段前端流向该直槽段后端。

所述桨叶6以及其桨叶轴，以及位于水面上方的钢板均进行防锈处理。

利用所述用于研究水泥衬砌河道中水力-水质关系的实验装置的实验方法，包括如下步骤：

步骤一，清除经干燥后的装置内的杂物后，向实验装置内注入实验用水至水深达到预设刻度处，开启可调动力装置5；

步骤二，确定实验装置中水体流速；

步骤三，保持可调动力装置5持续运行，水体持续流动，定期进行特定水质指标检测和记录，并每隔五天检验水体流速是否保持不变；

步骤四，检测结束后，关停可调动力装置5，将潜水泵置于排水凹槽3中，进行排水；

步骤五，排水结束后，刷洗清除装置内壁的附着物，根据形成的水文状态数据和检测得到的水质数据，得到相应的水文-水质关系。

本发明水体流速通过如下步骤进行调试：

步骤一，根据实验方案计算水深要求，并在实验装置内壁标注所需水深刻度；

步骤二，向实验装置中注入实验用水，至水深达到刻度，开启电机，旋转减速机调速旋钮7至最低速；

步骤三，在没有桨叶6的一个直槽段利用单点流速仪测量此时流速，测量点位于该直槽段中点，1/2水深处，将测得流速标注在减速机调速旋钮7处；

步骤四，将减速机调速旋钮7调至最高速或不产生明显水流横向震荡的临界流速，重复步骤三操作；

步骤五，根据步骤三、步骤四操作结果，估算达到所需流速时减速机调速旋钮7位置，将减速机调速旋钮7拨至该位置，继续重复步骤三和步骤五操作，直到所测得的流速满足实验需求，标注此时旋钮位置。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明利用桨叶模拟推流状态下水体流动方式，更加适用于可视为推流状态的河道水流。

(2)本发明包括直槽段，水流横向流动得到缓冲和减少，使槽内流速测量更为方便和准确。

(3)本发明利用水泥对水槽内壁进行衬砌，能够有效模拟水流与水泥表面产生的摩擦力以及附着生物、浮游生物等在河床表面的附着现象。

(4)本发明设置了排水凹槽，利用潜水泵进行排水，从而可以忽略装置底部与地面高差。实验中可将装置底部置于地面以下，能够在顺利排水的同时保持装置外部温度适宜；而地形条件允许时也可直接进行重力排水

(5)本发明结构简明、用电线路简单，易于施工建造，节省造价。

附图说明

图1为本发明用于研究水泥衬砌河道中水力-水质关系的实验装置的俯视图。

图2为本发明用于研究水泥衬砌河道中水力-水质关系的实验装置的主视图。

图3为本发明用于研究水泥衬砌河道中水力-水质关系的实验装置的左侧视图。

图4为本发明用于研究水泥衬砌河道中水力-水质关系的实验装置的水泥衬砌层示意图。

图中：1为水槽主体；2为中央隔板；3为排水凹槽；4为水泥衬砌表面；5为可调动力装置；6为桨叶；7为减速机调速旋钮；8为桨叶转动方向；9为水槽主体内壁和中央隔板两侧钢板表面；10为内层水泥砂浆；11为铁丝网层；12为外层水泥砂浆；13为钢钉。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。

如图1～3所示，本发明实验装置包括水槽主体、中央隔板、可调动力装置、桨叶等。

水槽主体1和中央隔板2高1000mm，主体钢板厚4mm，顶部有一厚8mm的箍筋固定(根据需要可以在1/2高度处再设置一箍筋)。经中央隔板隔开后，形成相互平行的两道直槽，直槽长度为4000mm，宽度为1000mm，两道半圆形水槽，半径为1000mm。方形排水凹槽边长为200mm，中心距半圆形水槽顶端500mm。

本发明中，如图4所示，在组装好的水槽主体的内壁以及中央隔板两侧钢板表面9以每平方厘米点焊12mm长度的钢钉13，之后使用水泥砂浆抹灰10，厚度为5mm，待其初凝后在其表面放置铁丝网11作为加筋，再次覆盖水泥砂浆12并进行压实，厚度为8mm。

本发明中，桨叶6共三片，相距120°均匀分布在桨叶轴上，其长度为1100mm，宽度为900mm，有效推水部分(非镂空部分)由五块高度为100mm的可拆卸钢板拼接而成，可根据需要拆卸。桨叶轴、动力装置轴所处的中心线距直槽前端的水平距离为1200mm。动力装置架设于另一直槽的上方，钢板垫厚度为8mm。桨叶、桨叶轴、动力装置钢板垫均用防锈漆处理。

装置底面置于地面以下500m，地面以上的外壁用草席覆盖，使装置内水体温度适宜。

本发明中水流速度的调试，包括如下步骤：

步骤一，根据实验方案计算水深要求，并在实验装置内壁标注所需水深刻度；

步骤二，向实验装置中注入实验用水，至水深达到刻度，开启电机，旋转减速机调速旋钮7至最低速；

步骤三，在没有桨叶6的一个直槽段利用单点流速仪测量此时流速，测量点位于该直槽段中点，1/2水深处，将测得流速标注在减速机调速旋钮7处；

步骤四，将减速机调速旋钮7调至最高速或不产生明显水流横向震荡的临界流速，重复步骤三操作；

步骤五，根据步骤三、步骤四操作结果，估算达到所需流速时减速机调速旋钮7位置，将减速机调速旋钮7拨至该位置，继续重复步骤三和步骤五操作，直到所测得的流速满足实验需求，标注此时旋钮位置。

采用本发明装置进行特定流速下水质变化研究的方法，包括如下步骤，此处以藻类培养为例。

步骤一，清除经干燥后的装置内的杂物后，向实验装置内注入实验用水至水深达到预设刻度处，开启可调动力装置5。

步骤二，利用水流速度的调试中步骤三的方法再次确定实验装置中水体流速。

步骤三，保持动力装置持续运行，水体持续流动，定期进行藻类指数检测和记录，并每隔五天利用水流速度的调试中步骤三的方法检验流速是否保持不变。

步骤四，检测结束后，关停可调动力装置5，将潜水泵置于排水凹槽3中，进行排水。

步骤五，排水结束后，用刷子将装置内壁附着的浮游植物进行刷洗和清除，并将装置进行晾晒至完全干燥后可进行下一组实验。

步骤六，根据得到的藻类指数求得实验期间装置内藻类生长的生长速率，结合各组实验中设定的流速，绘制不同流速下藻类生长速率的变化规律图。

本发明中，根据装置不同的运行条件可以形成不同的水力条件，而通过实验监测可以得到的特定水质指标数据(根据不同研究需求而定)，结合这两者即可进行特定的水力-水质关系分析。