专利名称：一种研究底泥起悬机制和营养盐释放的装置及其操作方法
技术领域：
本发明涉及浅水湖泊和河流系统水体生态环境模拟技术领域，具体涉及ー种采用环形盖旋转的环形水槽研究底泥起悬机制和营养盐释放的装置及其操作方法。
背景技术：
水动力作用下湖泊或河道沉积物容易发生侵蚀、再悬浮，该过程会引起表层沉积物营养盐的释放、生物数量的变化等。底泥表面侵蚀率定义为单位面积底床在単位时间内的底泥侵蚀量。河床切应カ是粘性泥沙研究中的重要參数，它直接决定了底泥被侵蚀的深度。然而，确定河床切应力、控制外力条件是十分困难的。目前，模拟对底泥侵蚀的室内模拟主要有震荡法、波浪水槽法和环形水槽法。震荡法是在三角瓶中装入一定量沉积物和水样，以震荡频率模拟水动力大小。该方法简单易于控制条件且可多组平行，但是体积过小， 不能很好的描述底泥侵蚀随风浪增强而递增的趋势。波浪水槽和环形水槽法是采用机械方法产生上覆水的定向流动使底泥发生悬浮。这些方法易于控制条件，但是实验底泥的原状性受到一定破坏，较浅的上覆水与湖泊实际情况差异较大。保持沉积物的原状性非常重要，它不仅关系到暴露于上覆水的界面及其结构的变化影响再悬浮的结果，并且对营养物质的释放量也产生至关重要的影响。在底泥侵蚀实验中，装置的选取及设计至关重要，对结果产生重要影响。故实验装置设计应尽量能够反映实际情況。湖泊在受到外界污染情况下，一部分通过自身自浄作用消解，剰余部分则通过沉降形成底部沉积物，沉积物在受到外力扰动(如波浪、湖流)情况下易发生再悬浮重新进入水体，进而将沉积物中的污染物重新带入水体中，从而影响水体水质。内源释放对水生态环境的影响是显而易见的，沉积物再悬浮对营养盐的释放有重要影响。在不同水深处释放营养盐含量的多少对水生生物的生长和生存有决定性影响，同时影响整个水体的水环境特征。故研究侵蚀后水体中营养盐的含量是进一歩研究侵蚀对水质影响的基础。由于底泥侵蚀的实验大多在室内进行模拟，相对室外实验模拟缺乏真实性，例如室内模拟底泥侵蚀的泥样结构在带回实验室时大多已经遭到破坏，与真实沉积物结构相差甚远。因而本装置考虑在室外进行模拟，完全保证沉积物结构不受任何破坏，同时水体特征也完全呈现原样。本装置设计用于野外实验，符合实际要求。

发明内容
发明目的本发明的目的在于克服上述缺陷，提供了ー种研究底泥起悬机制和营养盐释放的装置及其操作方法，该装置用于野外实验，克服了现有技术中外力不可控，維持底泥原状结构难，不便采集水样等问题。技术方案本发明所述的ー种研究底泥起悬机制和营养盐释放的装置，包括环形内墙、环形外墙、环形盖、驱动装置、抽样筒；所述环形内墙固定在环形外墙内，之间形成均匀的环形空间，所述环形盖设置在环形空间的上端ロ，所述驱动装置带动环形盖转动，所述环形外墙上设置有采样孔，其通过采样管与抽样筒连接。
为了使整个装置不至于陷入泥里太深，所述环形内墙的下端ロ及环形外墙的底端外壁分别设置有下支撑板、侧支撑板。进ー步完善上述技术方案，所述驱动装置包括齿链、齿轮、连杆、转子和发动机，所述环形盖的内侧壁上设置有齿链，所述环形内墙的上端ロ设置有上支撑板，所述上支撑板上设置有齿轮，所述齿轮带动齿链转动，所述转子通过连杆驱动齿轮，所述转子与发动机连接。进ー步完善上述技术方案，所述环形内墙通过U形固定框架固定在环形外墙内。所述环形外墙与环形内墙上设置有用来固定并支撑环形盖的滚轴，尽可能减小环形盖在转动过程中的摩擦损失。所述环形盖通过密封装置与环形外墙和环形内墙相连。
所述采样管与采样孔通过密封装置固定相连。上述装置的操作方法为将整个装置放入野外水中，驱动装置带动环形盖转动对水体产生扰动；对垂向结构未受到扰动的底泥表面施加水平冲刷力，使泥样发生侵蚀；通过在环形外墙上采样孔及抽样筒实现水样采集进而分析营养盐含量，从而实现底泥起悬机制和营养盐释放量的研究。本发明与现有技术相比，其有益效果是(1)利用转子控制环形盖的转速产生恒定的作用力，实现模拟底泥侵蚀效果，克服了外力条件不可控的问题。(2)利用在野外实验，垂向结构未受到扰动的底泥进行侵蚀实验，維持了底泥原有特性，表征底泥的实际侵蚀特性。(3)利用虹吸原理采集水样，确保底泥结构和流场特性不因采样而受到影响，实现了在不影响流场结构和底泥原样的条件下采集水样。(4)实验装置小，便于运输和装置。(5)可精确测得底部剪切力保证实验误差不大。(6)由于装置连续性，消除了水槽首末端由强紊动引起的冲刷。


图I是本发明的结构示意图。图2是本发明的剖面示意图。图3是本发明齿轮与齿链连接示意图。图中1、环形外墙；2、环形内墙；3、环形盖；4、上支承板；5.、齿链；6、齿轮；7、连杆；8、转子；9、发动机；10、采样孔；11、滚轴；12、U形固定框架；13、采样管；14、抽样筒；15、河泥；16、齿轮齿；17、齿轮轴、18、下支撑板；19、侧支撑板。
具体实施例方式下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。如图I至3所示，ー种研究底泥起悬机制和营养盐释放的装置，包括环形外墙I、环形内墙2、环形盖3、齿链5、齿轮6、连杆7、转子8、发动机9和抽样筒14 ;所述环形内墙2通过U形固定框架12固定在环形外墙I内，之间形成均匀的环形空间，所述环形盖3设置在环形空间的上端ロ，通过密封装置与环形外墙I和环形内墙2相连，环形外墙I与环形内墙2上设置有用来固定并支撑环形盖的滚轴11，所述环形内墙2的上、下端ロ及环形外墙I的底端外壁分别设置有上支撑板4、下支撑板18、侧支撑板19，所述环形盖3的内侧壁上设置有齿链5，所述上支撑板4上设置有齿轮6，所述转子8与发动机9连接，所述转子8通过连杆7联通齿轮轴17并驱动齿轮6，所述齿轮6上的齿轮齿16扣动齿链5并带动齿链5转动。所述齿链5带动环形盖3转动，可以通过调节发动机9进而实现环形盖3的不同旋转速度产生不同扰动强度，所述环形外墙I上设置有采样孔10，其通过采样管13与抽样筒14连接。所述采样管13与采样孔10通过密封装置固定相连。由抽样筒14以类似针筒的原理对环形空间内部的水样进行抽取，抽样筒14不同于水泵，在抽样筒14抽水过程中，泥床结构不会受到太大扰动，同时不会影响起悬后的泥在水体中的再次絮凝和沉淀的过程。本装置在环形外墙四周壁上共设了 4处采样点，每处采样点都在垂向三个不同水深的位置设了采样孔10，因而在环形外墙I上共有12个采样孔10。由不同位置的采样孔通过虹吸作用分别采集水样，从而得出水体扰动后沉积物释放对水体中营养盐含量的影响。上述装置具体操作方法如下实际流速10cm/s所对应转子8的转速是70rmp，根 据需要模拟的流速调节发动机9，由发动机9控制转子8的转速，转子8通过连杆7控制齿轮6的转动，齿轮6通过齿链5控制与之相连的环形盖3的转动，进而对水体产生扰动。水体受到扰动后，当环形空间内部底泥15所受到的底部切应カ超过底泥15的临界剪切力吋，底泥15开始发生侵蚀，部分泥样进入水体,并将营养盐释放入水体。由环形水槽外墙上的采样孔10为采样点，由抽样筒14通过采样管13抽取水槽装置内部的水样。对抽取出来的水样进行分析，进而得出底泥侵蚀机制和营养盐释放含量。其中，装置内部水体产生正切于环形外墙I和环形内墙2的正切流速。在任意水位z=h处的正切流速可用下式计算
U=rω(I)
式中，u代表流速，r代表半径，w代表旋转角速度。水体扰动过程中对底部泥床会产生切应力，当底部切应カ超过底泥的临界剪切カ时，底泥就会被水体扰动进入水体产生侵蚀。底部剪切力的计算方法如下
τ =0. 01135 ω1·6932( 2)
式中，τ代表切应力，《代表旋转角速度。通过验证，该数值计算的结果与实验结果误差约5%。因而可利用上述公式计算出水槽内的流场结构和底部切应力。如上所述，尽管參照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。
权利要求
1.一种研究底泥起悬机制和营养盐释放的装置，其特征在于，包括环形内墙、环形外墙、环形盖、驱动装置、抽样筒；所述环形内墙固定在环形外墙内，之间形成均匀的环形空间，所述环形盖设置在环形空间的上端口，所述驱动装置带动环形盖转动，所述环形外墙上设置有采样孔，其通过采样管与抽样筒连接。
2.根据权利要求I所述的采用环形盖旋转的环形水槽研究底泥起悬机制和营养盐释放的装置，其特征在于，所述环形内墙的下端口及环形外墙的底端外壁分别设置有下支撑板、侧支撑板。
3.根据权利要求I所述的研究底泥起悬机制和营养盐释放的装置，其特征在于，所述驱动装置包括齿链、齿轮、连杆、转子和发动机，所述环形盖的内侧壁上设置有齿链，所述环形内墙的上端口设置有上支撑板，所述上支撑板上设置有齿轮，所述齿轮带动齿链转动，所述转子通过连杆驱动齿轮，所述转子与发动机连接。
4.根据权利要求I所述的研究底泥起悬机制和营养盐释放的装置，其特征在于，所述环形内墙通过U形固定框架固定在环形外墙内。
5.根据权利要求I所述的研究底泥起悬机制和营养盐释放的装置，其特征在于，所述环形外墙与环形内墙上设置有用来固定并支撑环形盖的滚轴。
6.根据权利要求I所述的研究底泥起悬机制和营养盐释放的装置，其特征在于，所述环形盖通过密封装置与环形外墙和环形内墙相连。
7.根据权利要求I所述的研究底泥起悬机制和营养盐释放的装置，其特征在于，所述采样管与采样孔通过密封装置固定相连。
8.根据权利要求I所述装置的操作方法，其特征在于，将整个装置放入野外水体中，驱动装置带动环形盖转动对水体产生扰动；对垂向结构未受到扰动的底泥表面施加水平冲刷力，使泥样发生侵蚀；通过在环形外墙上采样孔及抽样筒实现水样采集进而分析营养盐含量，从而实现底泥起悬机制和营养盐释放量的研究。
全文摘要
本发明公开一种研究底泥起悬机制和营养盐释放的装置及其操作方法，包括环形内墙、环形外墙、环形盖、驱动装置、抽样筒；所述环形内墙固定在环形外墙内，之间形成均匀的环形空间，所述环形盖设置在环形空间的上端口，所述驱动装置带动环形盖转动，所述环形外墙上设置有采样孔，其通过采样管与抽样筒连接；通过转动环形盖扰动水体形成不同的正切流速和底部切应力，通过抽样筒抽取水槽内部水样进行分析，揭示底泥悬浮机制和营养盐释放含量，克服了现有技术中外力不可控，维持底泥原状结构，不便采集水样等问题。
文档编号G01N1/10GK102866238SQ201210343649
公开日2013年1月9日 申请日期2012年9月17日 优先权日2012年9月17日
发明者李一平, 唐春燕, 王莹, 滑磊, 郝文彬, 杜薇, 赵坤, 陈平, 万榆, 邱利, 卫朴, 栾号, 薛偲琪, 王静雨, 王健健 申请人:河海大学