本發(fā)明涉及一種河流環(huán)境監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，尤其涉及一種河流走進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的河流環(huán)境監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

環(huán)境監(jiān)測(cè)是一門應(yīng)用性學(xué)科，教學(xué)內(nèi)容包括天然河流資料收集、方案制定、采樣點(diǎn)優(yōu)化、樣品運(yùn)輸和保存、樣品分析、數(shù)據(jù)處理、環(huán)境評(píng)價(jià)。其中采樣點(diǎn)優(yōu)化是重要的步驟。河流環(huán)境監(jiān)測(cè)斷面的設(shè)置需要同時(shí)滿足整體性原則、代表性原則、經(jīng)濟(jì)性原則、可行性和方便性原則。斷面選取需要綜合考慮水體功能區(qū)、水文測(cè)流斷面、支流入?yún)R、污染源排放等信息，同時(shí)斷面位置應(yīng)避開死水區(qū)、回水區(qū)、排污口處，盡量選擇順直河段、河床穩(wěn)定、水流平穩(wěn)，水面寬闊、無(wú)急流、無(wú)淺灘處。天然河流不同河段河道形態(tài)、污染源分布和功能區(qū)分布各不相同。因此，如何以最少監(jiān)測(cè)斷面數(shù)據(jù)，最大限度的反映河流整體水質(zhì)信息，是河流環(huán)境監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)難點(diǎn)，也是環(huán)境監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的核心內(nèi)容。

現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，河流水質(zhì)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)教學(xué)主要采用實(shí)地采樣，水樣采回實(shí)驗(yàn)室后，進(jìn)行化學(xué)分析和數(shù)據(jù)處理。

現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)教學(xué)的缺點(diǎn)：

實(shí)地采樣受到以下因素限制：

1)院系地理位置所限，學(xué)校附近不存在合適的天然河流，存在教學(xué)可行性問題；

2)根據(jù)《地表水和污水監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》，寬度大于50m的河流需要在河中采樣，涉及實(shí)驗(yàn)教學(xué)安全問題；

3)河流尺度較大，采樣成本高，多數(shù)高校經(jīng)費(fèi)無(wú)法支撐，存在教學(xué)經(jīng)費(fèi)不足問題；

4)更重要的是，單一河段水文、河道地形和功能區(qū)相對(duì)穩(wěn)定，無(wú)法提供豐富的教學(xué)案例，進(jìn)而不能培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)靈活地布設(shè)采樣點(diǎn)的能力。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種河流走進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的河流環(huán)境監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)。

本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

本發(fā)明的河流走進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的河流環(huán)境監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，包括循環(huán)水槽，所述循環(huán)水槽設(shè)有天然河流實(shí)驗(yàn)區(qū)、支流匯入、河工建筑區(qū)、床沙實(shí)驗(yàn)區(qū)和功能區(qū)標(biāo)識(shí)；

所述天然河流實(shí)驗(yàn)區(qū)采用多種形狀實(shí)體插件，模擬多種河流形態(tài)，包括彎曲型河流、分叉性河流；

所述支流匯入采用抽水泵從支流供水缸抽水；

所述河工建筑區(qū)采用多種形狀實(shí)體插件，模擬河工建筑，包括港口碼頭、丁壩；

所述床沙實(shí)驗(yàn)區(qū)設(shè)有多個(gè)沙坑，沙坑內(nèi)添加天然床沙；

所述功能區(qū)標(biāo)識(shí)包括飲用水源地取水口、省界標(biāo)識(shí)。

由上述本發(fā)明提供的技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明實(shí)施例提供的河流走進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的河流環(huán)境監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，可以模擬不同上游流量、下游水位、河道比降的污染物輸運(yùn)過程、不同河道形態(tài)(如彎曲型河道、分叉型河道、江心洲)條件下的河流污染物輸運(yùn)過程、不同污染源分布及污染物排放量條件下污染物輸運(yùn)過程等，靈活標(biāo)識(shí)水體服務(wù)功能區(qū)、增加不同形態(tài)插件模擬河工建筑，培養(yǎng)學(xué)生綜合考慮河工建筑影響，優(yōu)化布點(diǎn)?；谝陨瞎δ?，可以根據(jù)課程教學(xué)所遇到問題，及時(shí)調(diào)整河道地形、污染源和功能區(qū)分布，科學(xué)設(shè)定河道比尺和河道地形，激發(fā)學(xué)生好奇心，引導(dǎo)學(xué)生思考、探索，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和解決實(shí)際問題的能力。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例中循環(huán)水槽的側(cè)面的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明實(shí)施例中循環(huán)水槽的平面的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為本發(fā)明實(shí)施例中不同標(biāo)識(shí)插件的布置示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于本發(fā)明的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。

本發(fā)明的河流走進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的河流環(huán)境監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，其較佳的具體實(shí)施方式是：

包括循環(huán)水槽，所述循環(huán)水槽設(shè)有天然河流實(shí)驗(yàn)區(qū)、支流匯入、河工建筑區(qū)、床沙實(shí)驗(yàn)區(qū)和功能區(qū)標(biāo)識(shí)；

所述天然河流實(shí)驗(yàn)區(qū)采用多種形狀實(shí)體插件，模擬多種河流形態(tài)，包括彎曲型河流、分叉性河流；

所述支流匯入采用抽水泵從支流供水缸抽水；

所述河工建筑區(qū)采用多種形狀實(shí)體插件，模擬河工建筑，包括港口碼頭、丁壩；

所述床沙實(shí)驗(yàn)區(qū)設(shè)有多個(gè)沙坑，沙坑內(nèi)添加天然床沙；

所述功能區(qū)標(biāo)識(shí)包括飲用水源地取水口、省界標(biāo)識(shí)。

所述循環(huán)水槽連接有泵池、上池、調(diào)節(jié)池和兩個(gè)供水缸，所述泵池與調(diào)節(jié)池連接，所述泵池與循環(huán)水槽首部的進(jìn)水口之間設(shè)有主泵，所述兩個(gè)供水缸與調(diào)節(jié)池之間設(shè)有補(bǔ)水泵，所述循環(huán)水槽尾部的出水口與兩個(gè)供水缸連接；

所述主泵和補(bǔ)水泵分別設(shè)有流量計(jì)，所述循環(huán)水槽的進(jìn)水口位置設(shè)有球式穩(wěn)流器，所述循環(huán)水槽尾部的出水口設(shè)有水位調(diào)節(jié)器。

本發(fā)明的河流走進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的河流環(huán)境監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)具有以下功能：

1)可以模擬不同上游流量、下游水位、河道比降的污染物輸運(yùn)過程，培養(yǎng)學(xué)生根據(jù)不同水文條件，正確選取實(shí)驗(yàn)斷面的能力；

2)模擬不同河道形態(tài)(如彎曲型河道、分叉型河道、江心洲)條件下的河流污染物輸運(yùn)過程，培養(yǎng)學(xué)生綜合考慮不同河道形態(tài)對(duì)于水流的影響，正確選擇監(jiān)測(cè)斷面的能力；

3)模擬不同污染源分布及污染物排放量條件下污染物輸運(yùn)過程，培養(yǎng)學(xué)生正確設(shè)置對(duì)照斷面和控制斷面的能力；

4)靈活標(biāo)識(shí)水體服務(wù)功能區(qū)，如自來(lái)水廠、重工業(yè)區(qū)等，培養(yǎng)學(xué)生根據(jù)功能區(qū)分布，正確布設(shè)采樣點(diǎn)的能力；

5)增加不同形態(tài)插件模擬河工建筑，產(chǎn)生回流或螺旋流區(qū)等，培養(yǎng)綜合考慮河工建筑影響，優(yōu)化布點(diǎn)。基于以上功能，根據(jù)課程教學(xué)所遇到問題，及時(shí)調(diào)整河道地形、污染源和功能區(qū)分布，科學(xué)設(shè)定河道比尺和河道地形，激發(fā)學(xué)生好奇心，引導(dǎo)學(xué)生思考、探索，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和解決實(shí)際問題的能力。

具體實(shí)施例：

1.水槽設(shè)計(jì)：

如圖1、圖2所示，“河流走進(jìn)實(shí)驗(yàn)室”系統(tǒng)設(shè)計(jì)科學(xué)，實(shí)驗(yàn)水槽的設(shè)計(jì)依據(jù)河流動(dòng)力學(xué)相似性原理，設(shè)定實(shí)驗(yàn)水槽比尺。循環(huán)水槽長(zhǎng)L＝12.00m，寬B＝0.30m，調(diào)坡范圍0～1.5％。最大水深0.15m(寬深比2)、最大流速1.00m/s。最大水深時(shí)流速為0.40m/s；最大流速時(shí)水深0.06m。能夠全面反映污染物在河流中的對(duì)流和擴(kuò)散輸運(yùn)過程。河道實(shí)驗(yàn)插件亦按照河道滿足水動(dòng)力的相似性原理，能夠科學(xué)模擬不同河道形態(tài)和河工建筑對(duì)于水動(dòng)力和污染物遷移轉(zhuǎn)化的影響。

為了方便實(shí)驗(yàn)教學(xué)，河流動(dòng)力動(dòng)力系統(tǒng)采用科學(xué)的控制系統(tǒng)。采用雙池雙泵供水系統(tǒng)，保證河道流量穩(wěn)定可控性，由補(bǔ)水泵從兩個(gè)供水缸交替向調(diào)節(jié)池供水，保持調(diào)節(jié)池水位不變，主泵從泵池向水槽供水；雙泵間設(shè)有流量計(jì)，通過水泵調(diào)節(jié)流量大??；水槽尾部出水口設(shè)有水位調(diào)節(jié)器，可以調(diào)節(jié)水位；采用螺旋式調(diào)節(jié)器，方便控制河道比降；水槽進(jìn)口位置增設(shè)球式穩(wěn)流器，保證水槽流態(tài)的穩(wěn)定。

濃度可控且同時(shí)提供地下水、床沙監(jiān)測(cè)區(qū)。實(shí)驗(yàn)提出雙缸交替供水系統(tǒng)，有效控制污染物濃度。設(shè)供水缸換水的周期為T，一供水缸供水期，另一缸調(diào)節(jié)濃度備用；床沙實(shí)驗(yàn)段采用9組(每組12格)平行側(cè)限土杯，緊密排列于床沙實(shí)驗(yàn)段，各土杯頂部與上游河床齊平，不同土杯具有盛沙功能，實(shí)驗(yàn)前將土杯盛滿沙。床沙采樣方法與天然柱狀器相似，采用管狀采用器，進(jìn)行垂向采樣，通過測(cè)定不同高度泥沙污染量，可以確定床沙污染物的垂向分布。

2.功能區(qū)插件和標(biāo)識(shí)：

1)天然河流實(shí)驗(yàn)區(qū)：采用不同形狀實(shí)體(不銹鋼)插件，置于水槽內(nèi)部，模擬不同河流形態(tài)，如彎曲型河流、分叉性河流等污染物輸運(yùn)(圖3)。

2)支流匯入：采用抽水泵從支流供水缸抽水，供水缸濃度可調(diào)，研究不同流量、濃度對(duì)于主流影響(圖3)。

3)河工建筑區(qū)：采用不同形狀實(shí)體插件，模擬河工建筑，如港口碼頭、丁壩等河工建筑(圖3)

4)床沙實(shí)驗(yàn)區(qū)：槽身設(shè)置2.8×0.30×0.45＝0.731m3沙坑(圖1、圖2)，作為床沙實(shí)驗(yàn)區(qū)。實(shí)驗(yàn)過程沙坑添加天然床沙。實(shí)驗(yàn)區(qū)供采樣點(diǎn)選取及床沙采樣及染物濃度測(cè)定實(shí)驗(yàn)。

5)不同功能區(qū)標(biāo)識(shí)，如飲用水源地取水口，省界標(biāo)識(shí)等。

本發(fā)明技術(shù)方案帶來(lái)的有益效果

1、實(shí)用性。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)不受學(xué)校所在區(qū)域的地理水文條件影響，實(shí)現(xiàn)“河流走進(jìn)實(shí)驗(yàn)室”，使得實(shí)驗(yàn)室內(nèi)可以完成環(huán)境監(jiān)測(cè)的所有過程，適用不同區(qū)域的高等院校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。且實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)便于操作、性能穩(wěn)定，使用安全。相對(duì)于野外采樣實(shí)驗(yàn)，“河流走進(jìn)實(shí)驗(yàn)室”教學(xué)系統(tǒng)大大降低了實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)，價(jià)格低廉，便于推廣，具有很好的實(shí)用性；

3、啟發(fā)性。實(shí)驗(yàn)水槽系統(tǒng)縮小了河流污染物輸運(yùn)的空間尺度和時(shí)間尺度，可直觀的顯示污染物輸移規(guī)律，且當(dāng)學(xué)生樣品分析完畢后，通過對(duì)比真實(shí)濃度，可以方便地驗(yàn)證采樣斷面和采樣點(diǎn)設(shè)置的合理性，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)參與、深入思考水動(dòng)力、河道形態(tài)和建筑物對(duì)于采樣斷面設(shè)置的影響；通過靈活調(diào)節(jié)河道形態(tài)、污染源排放和功能區(qū)分布，豐富的教學(xué)案例可以激發(fā)學(xué)生好奇心，培養(yǎng)學(xué)生在不同河道形態(tài)、水文、排污、功能區(qū)組合條件下，觀測(cè)污染物遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律，科學(xué)布設(shè)污染物斷面和采樣點(diǎn)，具有很好的啟發(fā)性。

以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明披露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。