專利名稱：一種室內(nèi)模擬水下沉積物再懸浮狀態(tài)的方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于水下動(dòng)力擾動(dòng)較頻繁的淺水湖沼和河流系統(tǒng)的中尺度模擬，特別是一種室內(nèi)模擬水下沉積物再懸浮狀態(tài)的方法及裝置。
背景技術(shù)：
淺水湖沼和河流等底部的表層沉積物經(jīng)常受到風(fēng)浪、水流、船只以及底棲動(dòng)物等動(dòng)力和生物擾動(dòng)而產(chǎn)生再懸浮，其懸浮的程度往往對(duì)水體和沉積物界的物理性狀、化學(xué)物質(zhì)遷移和分布、生物轉(zhuǎn)化行為等產(chǎn)生較大影響，水體的生態(tài)環(huán)境特征也將會(huì)發(fā)生一定程度的改變。為了研究這類自然現(xiàn)象，人們往往采用室外觀測(cè)和室內(nèi)模擬這兩類方法。野外觀測(cè)由于對(duì)風(fēng)浪和水流大小、以及生物擾動(dòng)的強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間的不可控性，往往使得所獲結(jié)果系統(tǒng)性不足且結(jié)果的不可重復(fù)，所產(chǎn)生的環(huán)境效應(yīng)常不能得到明確的解釋，限制了人們對(duì)現(xiàn)象研究的理論提升，因此較少應(yīng)用；相比較而言，室內(nèi)模擬則開展較多，這其中又可分為三角瓶式、直管式和水槽式三種裝置，三角瓶式是將沉積物放入裝有適量水的三角瓶中，在振蕩器上振蕩使沉積物在控制強(qiáng)度下懸??；直管式是將沉積物放入直管底部，上覆水體，用一活塞在水中上下往復(fù)移動(dòng)，從而造成對(duì)沉積物表層的動(dòng)力擾動(dòng)，產(chǎn)生懸浮；水槽式是將現(xiàn)場(chǎng)沉積物鋪放在室內(nèi)水槽底部，用造波機(jī)造出的波水平通過沉積物上層，從而形成波浪產(chǎn)生懸浮。在這三種方法及裝置中，三角瓶式和水槽式都有不能保證沉積物在實(shí)驗(yàn)前具有與現(xiàn)場(chǎng)沉積物相一致的物理結(jié)構(gòu)(如密實(shí)度、含水率等)，上覆水體的高度往往也不可能與實(shí)際情況接近(其中水槽式還有費(fèi)用高的缺點(diǎn))等，因此有很大的局限性。直管式雖可保證沉積物的物理原樣性，但沉積物接受到的擾動(dòng)力是從垂直方向上下來，這與淺水湖沼或河流水面上的風(fēng)和水面下水流對(duì)湖底產(chǎn)生擾動(dòng)主要是通過斜向傳遞到沉積物表層有很大差別，而且直管水柱中懸浮物的垂直分布，在活塞的往復(fù)運(yùn)行周期內(nèi)的不同階段都難以保證一致，因此對(duì)上覆水的不同深度采樣時(shí)必然會(huì)帶來無法重復(fù)的取樣誤差；若果將活塞靜止后采集上覆水樣，則又因顆粒物自重沉降而不能使懸浮物的垂直分布在采樣過程中一直保持活塞靜止前的狀態(tài)(這對(duì)近沉積物界面更難做到)。因此如何能在滿足沉積物層疊狀態(tài)的原樣性，并能在控制下進(jìn)行水底斜向擾動(dòng)，以及能在沉積物在水柱中再懸浮相對(duì)穩(wěn)定的條件下進(jìn)行樣品的采集，一直是人們尋求的目標(biāo)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服上述缺陷，提供一種室內(nèi)模擬水下沉積物再懸浮狀態(tài)的方法及裝置，可解決直管法中的無法斜向施力和水體取樣精度的問題。
本發(fā)明的上述目的是這樣實(shí)現(xiàn)的一種室內(nèi)模擬水下沉積物再懸浮狀態(tài)的方法，其特征是通過在未擾動(dòng)采集的沉積物表面上，斜向施加可人為控制強(qiáng)度大小的水下動(dòng)力，使水柱中懸浮顆粒物的量接近野外實(shí)際情況的垂直分布狀態(tài)，從而達(dá)到定量模擬野外水體再懸浮狀態(tài)。根據(jù)上述方法設(shè)計(jì)的室內(nèi)模擬水下沉積物再懸浮狀態(tài)的裝置，其特征是設(shè)置一直管和一斜管的Y型連接體，斜管頂部由頂蓋封頂，頂蓋中心固定一油封軸承，軸承的軸為一旋槳器的攪拌桿，桿的下端設(shè)有槳葉，桿的上端與攪拌電機(jī)轉(zhuǎn)軸聯(lián)結(jié)，直管底部設(shè)有活動(dòng)聯(lián)結(jié)的密封承力托盤，自Y型接頭處向上的直管壁上，依次排列設(shè)置若干帶閥取樣嘴。旋槳葉片的外沿不伸入直管圍成的空間內(nèi)，取樣嘴間距可取等間距或不等間距，直管頂部設(shè)有防塵透氣網(wǎng)罩，攪拌電機(jī)為調(diào)頻電機(jī)。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)及效果本方法及裝置可解決直管法中的無法斜向施力和水體取樣精度的問題，其特點(diǎn)是通過在未擾動(dòng)采集的沉積物表面上，斜向施加可人為控制強(qiáng)度大小的水下動(dòng)力，使水柱中懸浮顆粒物的量甚至垂直分布狀態(tài)接近野外實(shí)際情況，從而達(dá)到定量模擬野外水體再懸浮狀態(tài)的效果，可模擬水下不同擾動(dòng)強(qiáng)度對(duì)沉積物界面的動(dòng)力作用，適用于環(huán)保、水工研究領(lǐng)域?qū)Ｑ蠼逗秃訛?、湖泊、沼澤、河流等?duì)象的研究，可制成標(biāo)準(zhǔn)或系列定型產(chǎn)品供用戶使用。


圖1是本發(fā)明的總體結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
參看圖1，本專利的結(jié)構(gòu)由Y型管、旋槳、攪拌電機(jī)、油封軸承、橡皮塞、法蘭及一些緊固件等組成。其主體是由一直管4和一斜管15的Y型連接體(最好是透明圓管，便于觀察)，兩管夾角在30°-60°之間，夾角間有一為保護(hù)側(cè)板的撐板9將兩管壁相連。斜管頂部由一法蘭形圓板封頂，圓板中心固定一油封軸承12，軸承的軸為一旋槳器的攪拌桿13，桿的下端將旋槳14的槳葉固定，上端與攪拌電機(jī)轉(zhuǎn)軸鉚定，旋槳葉片的外沿不伸入直管圍成的空間內(nèi)。攪拌電機(jī)與油封軸承一起由連接螺栓10固定于法蘭圓盤上。沉積物6的上端面不超過直管與側(cè)管交接處的最低點(diǎn)處，沉積物的高度不小于剛能保持沉積物物理結(jié)構(gòu)與實(shí)際相一致的厚度。沉積物的下部與橡皮塞16緊密相接，承力托盤8在直管底部將橡皮塞托住，后者用快開螺栓7與管壁法蘭型外沿旋緊，起承壓作用。自Y型接頭處向上，依次排列若干帶閥取樣嘴3，取樣嘴間距可根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康娜〉乳g距和不等間距，再懸浮實(shí)驗(yàn)期間，取樣嘴處于關(guān)閉狀態(tài)，管中上覆水5的表面2的高度根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求設(shè)計(jì)，但不低于側(cè)管管內(nèi)水體占據(jù)空間的最高位置處。管頂蓋有一內(nèi)徑略大于管外徑的可防雜物和灰塵的透氣網(wǎng)罩1。另外攪拌電機(jī)可以通過電線與調(diào)頻電機(jī)相連接以控制轉(zhuǎn)速，該部分圖略。
本裝置的操作方法如下(1)按圖1依次在Y型側(cè)管頂端裝上帶油封軸承的法蘭、攪拌電機(jī)；(2)連接攪拌電機(jī)與調(diào)頻電機(jī)間電線；(3)將柱狀沉積物6移入圖1中直管4底部管口內(nèi)(可將裝有柱狀沉積物的采樣管(采樣管內(nèi)徑需與Y型管直管內(nèi)徑同)與Y型直管底部對(duì)接，從下管口將沉積物頂入)；(4)待沉積物表層接近側(cè)管與直管交接處的下端口適當(dāng)位置時(shí)，去掉下端多余沉積物，塞上橡皮塞16；(5)用快開螺栓7將托盤8與直管下端的法蘭連接，使托盤承接適當(dāng)?shù)膲毫Γ?6)從直管上端徐徐加注上覆水體5(通常為湖沼水)至預(yù)定高度，蓋上防塵網(wǎng)罩1；(7)在調(diào)頻電機(jī)上慢慢開啟調(diào)速旋鈕，啟動(dòng)攪拌電機(jī)11上的旋槳14旋轉(zhuǎn)，然后逐漸使數(shù)顯轉(zhuǎn)速至預(yù)定值至；(8)(根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?在系統(tǒng)穩(wěn)定一定時(shí)間后，在保持原攪拌狀態(tài)下，自上而下逐個(gè)開啟取樣嘴采集上覆水樣，若需要還可將上覆水通過取樣嘴排放完后將沉積物從下部取出進(jìn)行沉積物樣品采集，根據(jù)要求分析樣品的物理、化學(xué)和生物性質(zhì)等。
實(shí)施例太湖是我國(guó)典型的大型淺水湖泊，平均水深2m，平均底泥厚度0.78m，該湖地處東南季風(fēng)氣候區(qū)，年平均風(fēng)速3.2m/s，最大風(fēng)速為17.3m/s，日平均湖面風(fēng)速＞7.0m/s的機(jī)率約占17％，其中8-10月常受1-2次臺(tái)風(fēng)外圍或正面影響。結(jié)合10m風(fēng)場(chǎng)測(cè)定，用三維流速儀測(cè)定水下流速，反映波浪是水下動(dòng)力擾動(dòng)的主要因素，波浪的拍打?qū)⒘π毕騻鬟f到約2m深的湖底，距表層0.5m湖水中懸浮顆粒物含量在4-238g/m3之間，距底層2cm水體處則最大可達(dá)到16000g/m3以上。根據(jù)太湖的實(shí)際情況，本專利申請(qǐng)人制作的再懸浮裝置主要部件所取的參數(shù)和形狀為直管和側(cè)管為圓形透明管(內(nèi)徑110mm)，沉積物高度為220mm，水柱高度為2000mm，直管和側(cè)管間夾角為35°，取樣嘴以不等距排列，上疏下密。實(shí)際研究中制作并啟用了9件如圖1所示的再懸浮發(fā)生裝置，分成3組，每組3件，用于平行實(shí)驗(yàn)。對(duì)太湖北部梅梁灣沉積物模擬的初步實(shí)驗(yàn)表明，該裝置運(yùn)行良好，可很方便地用調(diào)節(jié)攪拌電機(jī)轉(zhuǎn)速來控制沉積物-水界面擾動(dòng)強(qiáng)度，水柱中懸浮顆粒物的量及水柱中的垂直分布對(duì)不同轉(zhuǎn)速(模擬風(fēng)速)有很好的響應(yīng)，平行樣間的標(biāo)準(zhǔn)偏差約可控制在10％范圍內(nèi)，完成了設(shè)計(jì)前的預(yù)期要求。
權(quán)利要求
1.一種室內(nèi)模擬水下沉積物再懸浮狀態(tài)的方法，其特征是通過在未擾動(dòng)采集的沉積物表面上，斜向施加可人為控制強(qiáng)度大小的水下動(dòng)力，使水柱中懸浮顆粒物的量接近野外實(shí)際情況的垂直分布，達(dá)到定量模擬野外水體再懸浮狀態(tài)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述方法設(shè)計(jì)的室內(nèi)模擬水下沉積物再懸浮狀態(tài)的裝置，其特征是設(shè)置一直管和一斜管的Y型連接體，斜管頂部由頂蓋封頂，頂蓋中心固定一油封軸承，軸承的軸為一旋槳器的攪拌桿，桿的下端設(shè)有槳葉，桿的上端與攪拌電機(jī)轉(zhuǎn)軸聯(lián)結(jié)，直管底部設(shè)有活動(dòng)聯(lián)結(jié)的密封承力托盤，自Y型接頭處向上的直管壁上，依次排列設(shè)置若干帶閥取樣嘴。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述室內(nèi)模擬水下沉積物再懸浮狀態(tài)的裝置，其特征是兩管夾角在30°-60°之間，旋槳葉片的外沿不伸入直管圍成的空間內(nèi)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述室內(nèi)模擬水下沉積物再懸浮狀態(tài)的裝置，其特征是取樣嘴間距可取等間距或不等間距，直管頂部設(shè)有防塵透氣網(wǎng)罩，攪拌電機(jī)為調(diào)頻電機(jī)。
全文摘要
一種室內(nèi)模擬水下沉積物再懸浮狀態(tài)的方法，其特征是通過在未擾動(dòng)采集的沉積物表面上，斜向施加可人為控制強(qiáng)度大小的水下動(dòng)力，使水柱中懸浮顆粒物的量接近野外實(shí)際情況的垂直分布狀態(tài)，從而達(dá)到定量模擬野外水體再懸浮狀態(tài)。根據(jù)上述方法設(shè)計(jì)的室內(nèi)模擬水下沉積物再懸浮狀態(tài)的裝置，其特征是設(shè)置一直管和一斜管的Y型連接體，斜管頂部由頂蓋封頂，頂蓋中心固定一油封軸承，軸承的軸為一旋槳器的攪拌桿，桿的下端設(shè)有槳葉，桿的上端與攪拌電機(jī)轉(zhuǎn)軸聯(lián)結(jié)，直管底部設(shè)有活動(dòng)聯(lián)結(jié)的密封承力托盤，自Y型接頭處向上的直管壁上，依次排列設(shè)置若干帶閥取樣嘴，旋槳葉片的外沿不伸入直管圍成的空間內(nèi)。
文檔編號(hào)G01N1/10GK1563928SQ200410014329
公開日2005年1月12日 申請(qǐng)日期2004年3月16日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月16日
發(fā)明者范成新 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院南京地理與湖泊研究所