[发明专利]用于模拟浅水湖泊风生垂向环流作用下沉积物再悬浮的装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及浅水湖泊风生垂向环流作用下沉积物再悬浮的一种装置及方法，适用于模拟在不同风强与水深条件下，浅水湖泊垂向形成的不同大小环流流速作用情况下的湖泊底部沉积物发生的再悬浮与污染物释放过程，是用于浅水湖泊水与沉积物交界面特性研究的实验设备。

背景技术

我国湖泊众多，随着经济快速发展和人口增加,对湖泊资源的不合理利用、随意排放污水、废物，带来了越来越严重的环境问题，尤其是长江中下游地区浅水湖泊的水质污染与富营养化问题十分突出。目前湖泊水环境的治理与改善已受到广泛的关注，其中内源释放研究是一个关键问题。在浅水湖泊中水动力条件对沉积物的再悬浮有重要影响，而影响湖泊水动力过程的主要因素是风，在风应力作用下，各层稳定状态的流场之间存在着切变，水体由上层至下层依次由风应力影响区过渡到底摩擦力影响区。在不同强度，不同持续时间的风场作用下，大部分浅水湖区会发生流向在垂直方向上的切变，形成表层与底层流向相反的环流结构，该环流结构在太湖、巢湖等典型浅水湖泊中都被观测到，并得到验证，该水力结构对湖泊中水体与沉积物的物质交换和能量的传输有重大影响。

现阶段，通过模拟出垂向环流来研究天然浅水湖泊中沉积物再悬浮的装置在环保领域还是空白，目前模拟天然湖泊沉积物再悬浮的常用方法有锥形瓶式、直管式和水槽式三种。锥形瓶式使用振荡器将置于瓶中的沉积物与上覆水一起震荡，与天然水体中风扰动产生水体运动进而作用于沉积物造成沉积物再悬浮的过程有较大差距；直管式用活塞上下运动或旋桨旋转造成上覆水体扰动，与实际情况也相差很大；水槽式是用旋桨推进器、造波机或鼓风机造成沉积物上方水体运动，从而产生沉积物再悬浮。以上这些方法对上覆水产生的动力扰动或者是左右震动、或者是上下挤压、或者是离心转动，或者是水体整体水平运动，都未能真实反映出浅水湖泊风生流作用下产生的表层流与底层流反向运动的特性，即无法模拟出浅水湖泊中存在的垂向环流。

发明内容

本发明的目的在于针对目前模拟装置存在的缺陷，提供一种更符合天然浅水湖泊风生流条件下沉积物再悬浮过程的装置与方法。此装置能模拟不同强度风场形成的垂向环流结构，进行不同深度水体样品的采集和不同深度流速的测定，有效再现了风生环流作用下沉积物的悬浮释放过程。

本发明的技术解决方案是：

一种用于模拟浅水湖泊风生垂向环流作用下沉积物再悬浮的装置，其特征在于该装置由一个矩形水槽、水流推进动力系统和流速测量装置构成，其中，水槽1为矩形，上口四周带有翻边，其上安装水流推进动力系统，该系统包括动力系统固定架2和水流推进动力设备两部分，其中固定架2由一个可嵌入水槽的长方形内框和4个带有钻孔8的有机玻璃条9组成，长钉7穿过钻孔8将固定架2搁置在水槽的翻边上；水流推进动力设备中变频调速电机3安装在固定架2上边框拐角，电机转轴通过橡胶履带4带动下方的轴承5转动，前后两个轴承两端固定在动力系统固定架2的长方形内框上，轴承上安装两条传送带6；流速测量装置通过底板14安置在动力系统固定架2上，垂向标尺15和螺旋杆16垂直固定在底板14上，测速仪探头18通过流速仪固定夹17与螺旋杆16相连接。

所述的一种用于模拟浅水湖泊风生垂向环流作用下沉积物再悬浮的装置，其特征在于所述水槽1为矩形，水槽一侧的外壁正中自上而下设有4～6个带阀取样孔10，并在下端设置一个带阀排水孔11。 

所述的一种用于模拟浅水湖泊风生垂向环流作用下沉积物再悬浮的装置，其特征在于所述传送带6上带有均匀分布的齿轮状小凹槽，并通过粘贴有机玻璃薄片19进行加糙。

一种使用模拟浅水湖泊风生垂向环流作用下沉积物再悬浮的装置进行沉积物再悬浮的方法，其特征在于该方法步骤如下：

A. 将未扰动采集到的沉积物12置于矩形水槽1底部；

B. 用虹吸法向水槽1中加入上覆水13；

C. 将长钉7穿过不同高度的钻孔8来调节动力系统固定架2的高度，从而使固定架2上的传送带6的底面与上覆水13表面相接触；

D. 开启变频调速电机3，电机转轴通过橡胶履带4带动下方的轴承5转动，与轴承5相连接的两条传送带6一起运动，由传送带6带动上覆水13表层水体运动，水体遇水槽1边壁后下潜至沉积物12表层以相反方向运动，以形成不同流速的垂向环流，实现浅水湖泊风生流条件下的沉积物再悬浮的模拟；

E．通过螺旋杆16调节测速仪探头18的上下高度进行流速测量；

F．通过不同高度的带阀取样孔10采集不同深度的上覆水13进行水样测定。