CN114808834B - 一种模拟潮汐往复流河道低氧水体复氧过程的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种模拟潮汐往复流河道低氧水体复氧过程的装置及方法，包括上游流量控制装置、中间水槽装置、下游潮汐流量水位控制装置，所述上游流量控制装置包括低氧水配制水箱、上游水位控制水箱和矩形薄壁堰，水配制水箱通过连接管与上游水位控制水箱连接，上游水位控制水箱中设置有隔水挡板，所述中间水槽装置包括水槽槽体，水槽槽体中设置有流速测定装置，流速测定装置的左侧设置有消浪栅，所述下游潮汐流量水位控制装置包括下游潮汐水位控制水箱、回流水箱、变频水泵、补偿水箱、潮汐回流模拟水箱；本发明操作简单，采用实测数据或水动力模拟结果作为边界条件使模拟结果更加准确，人工劳动强度低，节约水资源。
Description
技术领域
本发明涉及潮汐往复流河道模拟装置技术领域，具体为一种模拟潮汐往复流河道低氧水体复氧过程的装置及方法。
背景技术
溶解氧对海洋、河口的生态***和生物地球化学循环有重大影响，对于维持健康的水生生态***有着重要的意义。受海陆自然条件、水体稳定度、盐度梯度及温度梯度引起的水体分层等因素影响，低氧、缺氧现象在整个地质时期一直存在，如地质变化过程所形成的石油储量区及石油丰富地区，但随着人类干扰活动的增强，很多河口及近岸区域的溶解氧降低到历史最低值并且呈现恶化趋势。河流、海洋长时间低氧、缺氧时，水体生态***中的浮游动植物会受到致命的危害，沉降的有机物发生厌氧分解，导致水质恶化和水生态***丧失。研究潮汐往复流河口区低氧水体沿程复氧机理对探索低氧发生机制和改善低氧问题具有重要意义。
模拟潮汐往复流河口区低氧水体沿程复氧过程的关键在于模型能够反演天然河流的水动力情况，将天然河道形态制作成比尺模型，通过水位、流速与时间的缩尺复演天然河道的潮汐往复流现象，即为潮汐往复流模拟。当前绝大部分水环境模型缺少精细化的边界条件，且建模时采用的复氧系数或经验公式对于受潮汐往复流影响的河口水域误差较大，不适用于该水域低氧水体沿程复氧过程研究。若采用现场实测的方法则费时费力。通过更直观的物理模型，结合长序列野外同步监测资料或水动力模型模拟结果作为边界条件，模拟潮汐往复流河道不同流速、水深条件下低氧水体沿程复氧过程仍未见报道。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有的缺陷，提供一种模拟潮汐往复流河道低氧水体复氧过程的装置及方法，通过设置上下游边界条件，模拟上游不同下泄流量、下游不同潮汐流量、水位、盐度条件下潮汐河口往复流水流特征，进而研究潮汐往复流河道低氧水体沿程复氧过程，可以有效解决背景技术中的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种模拟潮汐往复流河道低氧水体复氧过程的装置及方法，包括上游流量控制装置、中间水槽装置、下游潮汐流量水位控制装置，所述上游流量控制装置包括低氧水配制水箱、上游水位控制水箱和矩形薄壁堰，水配制水箱通过连接管与上游水位控制水箱连接，上游水位控制水箱中设置有隔水挡板，所述中间水槽装置包括水槽槽体，水槽槽体中设置有流速测定装置，流速测定装置的左侧设置有消浪栅，所述下游潮汐流量水位控制装置包括下游潮汐水位控制水箱、回流水箱、变频水泵、补偿水箱、潮汐回流模拟水箱，所述下游潮汐水位控制水箱通过连接管与潮汐回流模拟水箱连接，潮汐回流模拟水箱通过连接管与补偿水箱，回流水箱通过变频水泵与补偿水箱连接，回流水箱与下游潮汐水位控制水箱通过连接管连接，所述水槽槽体的上端通过矩形薄壁堰与上游水位控制水箱连接，连接处的矩形薄壁堰上设置有水流挡板，水槽槽体的下端与下游潮汐水位控制水箱连接，水槽槽体内设置有溶解氧测定装置Ⅱ。
进一步的，所述低氧水配制水箱、上游水位控制水箱、下游潮汐水位控制水箱、回流水箱、补偿水箱、潮汐回流模拟水箱上均设有水位刻度线，上游水位控制水箱和回流水箱的底部均设置有溢流管，溢流管上设置有阀门。
进一步的，所述下游潮汐水位控制水箱上设置有潮汐最低水位线和潮汐最高水位线，下游潮汐水位控制水箱的内壁上设置有消浪斜板。
进一步的，所述补偿水箱上连接连接有盐度测定装置和溶解氧测定装置Ⅲ。
进一步的，所述氧水配制水箱和上游水位控制水箱的水面上均设置有空气阻隔膜，通过空气阻隔膜防止水箱内低氧水体表面与空气接触产生复氧影响模拟结果，氧水配制水箱上连接有溶解氧测定装置Ⅰ，氧水配制水箱上设置有进水管。
进一步的，所述溶解氧测定装置Ⅱ设置为4个，且溶解氧测定装置Ⅱ设置的位置各不相同，通过溶解氧测定装置Ⅱ能够测定潮汐往复流河道低氧水体溶复氧变化情况，上游流量控制装置对于下泄流量的控制是通过低氧水配制水箱的流入和上游水位控制水箱内隔水挡板的上下抽动调节来实现，下泄水体通过矩形薄壁堰流入水槽槽体中，进而计算出下泄流量。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
改变本发明上游水位控制水箱水位高度，能够模拟上游不同下泄流量下河道低氧水体沿程复氧过程情况。
改变本发明的补偿水箱出水量，能够模拟下边界不同潮汐水位条件下河道低氧水体沿程复氧变化规律。
改变本发明的补偿水箱盐度投加量，能够模拟下边界不同浓度盐类上溯条件下河道低氧水体沿程复氧变化规律。
本发明操作简单，采用实测数据或水动力模拟结果作为边界条件使模拟结果更加准确，人工劳动强度低，下游水箱盐水循环利用，节约水资源，降低装置使用费用。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
图中：1进水管、3低氧水配制水箱、5空气阻隔膜、6溶解氧测定装置Ⅰ、7闸门Ⅱ、9上游水位控制水箱、10隔水挡板、11溢流管、12阀门Ⅱ、15矩形薄壁堰、16水流挡板、17水槽槽体、18消浪栅、19流速测定装置、20溶解氧测定装置Ⅱ、21下游潮汐水位控制水箱、22消浪斜板、24潮汐最低水位线、25潮汐最高水位线、27闸门Ⅰ、28阀门Ⅰ、30潮汐回流模拟水箱、32阀门Ⅲ、34盐度测定装置、35溶解氧测定装置Ⅲ、37补偿水箱、40变频水泵、42回流水箱。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
请参阅图1，本发明提供一种技术方案：一种模拟潮汐往复流河道低氧水体复氧过程的装置及方法，包括上游流量控制装置、中间水槽装置、下游潮汐流量水位控制装置，上游流量控制装置包括低氧水配制水箱3、上游水位控制水箱9和矩形薄壁堰15，水配制水箱3通过连接管与上游水位控制水箱9连接，氧水配制水箱3和上游水位控制水箱9的水面上均设置有空气阻隔膜5，氧水配制水箱3上连接有溶解氧测定装置Ⅰ6，氧水配制水箱3上设置有进水管1，上游水位控制水箱9中设置有隔水挡板10，中间水槽装置包括水槽槽体17，水槽槽体17中设置有流速测定装置19，流速测定装置19的左侧设置有消浪栅18，下游潮汐流量水位控制装置包括下游潮汐水位控制水箱21、回流水箱42、变频水泵40、补偿水箱37、潮汐回流模拟水箱30，下游潮汐水位控制水箱21通过连接管与潮汐回流模拟水箱30连接，下游潮汐水位控制水箱21上设置有潮汐最低水位线24和潮汐最高水位线25，下游潮汐水位控制水箱21的内壁上设置有消浪斜板22，潮汐回流模拟水箱30通过连接管与补偿水箱37，补偿水箱37上连接连接有盐度测定装置34和溶解氧测定装置Ⅲ35，盐度测定装置34实时监测出水浓度，若出水浓度未达要求则立即关闭阀门，以保证模型边界条件真实准确，回流水箱42通过变频水泵40与补偿水箱37连接，回流水箱42与下游潮汐水位控制水箱21通过连接管连接，水槽槽体17的上端通过矩形薄壁堰15与上游水位控制水箱9连接，连接处的矩形薄壁堰15上设置有水流挡板16，水槽槽体17的下端与下游潮汐水位控制水箱21连接，水槽槽体17内设置有溶解氧测定装置Ⅱ20，溶解氧测定装置Ⅱ20设置为4个，且溶解氧测定装置Ⅱ20设置的位置各不相同。
低氧水配制水箱3、上游水位控制水箱9、下游潮汐水位控制水箱21、回流水箱42、补偿水箱37、潮汐回流模拟水箱30上均设有水位刻度线，上游水位控制水箱9和回流水箱42的底部均设置有溢流管11，溢流管11上设置有阀门。
消浪栅18和消浪斜板22可有效抵消水流撞击槽壁所形成的非天然水力冲击影响。
潮汐往复流模拟率定：通过调节潮汐回流模拟水箱30水位高度和下游潮汐水位控制水箱出水口阀门27控制涨落潮水量、周期；通过调节变频水泵40、补偿水箱阀门39控制回流水量；通过调节上游水位控制水箱中隔水挡板10高度和低氧水配制水箱出水管阀门7控制下泄水量。利用水槽槽体中流速测定装置19、溶解氧测定装置20测定水槽不同位置低氧水体复氧变化情况，并与实际检测数据对比验证。
一项模拟潮汐往复流河道低氧水体复氧过程的方法，实现方法如下：
边界条件参数选取：通过野外同步监测资料或水动力模型模拟结果结合上述公式得出上游下泄流量、涨落潮周期水位高度、下游边界盐度、河道及上下游边界水体溶解氧含量作为设计水文条件，并将参数按照设计比尺换算；
模拟前准备：通过进水管1向低氧水配制水箱3中加入足量蒸馏水，按上述方法制备低氧水，溶解氧含量需经溶解氧测定装置Ⅰ6检测符合规定值，向补偿水箱37内加入定量蒸馏水，根据公式投加盐量制备盐水，盐度值需经盐度测定装置34监测符合规定值；
河道单向流模拟：开启低氧水配制水箱3出水管上的闸门Ⅱ7，同时拉开隔水挡板16，使低氧水依次通过上游水位控制水箱9、水槽槽体17后进入下游潮汐水位控制水箱21，待水槽水体水位达到正常水位时拉下隔水挡板16，待上游水位控制水箱9水位到达规定值后拉开隔水挡板16，同时打开下游潮汐水位控制水箱21出水管上的阀门Ⅰ28，测定河道单向流低氧水体复氧变化情况，为潮汐往复流低氧水体复氧过程的研究提供参考。
潮汐往复流模拟：关闭阀门Ⅰ28同时开启潮汐回流模拟水箱30出水口闸门Ⅰ27，出水流量受潮汐回流模拟水箱30水位的降低而减小，当出水流量为零时，下游潮汐水位控制水箱21水位到达潮汐最高水位线25，关闭闸门Ⅰ27，此时为大潮涨停，该过程为涨潮周期，大潮涨停后开启下游潮汐水位控制水箱21出水管上的阀门Ⅰ28，使落潮水流入回流水箱42，当下游潮汐水位控制水箱21水位由潮汐最高水位线降至潮汐最低水位线24时，关闭阀门Ⅰ28，此时为大潮落停，该过程为落潮周期，在大潮涨停同时，根据下一周期涨潮量调节变频水泵40，使回流水箱42水流入补偿水箱37中，后关闭变频水泵40，通过上述方法校准水体中盐度及溶解氧浓度，经盐度测定装置34和溶解氧测定装置Ⅲ35测定符合规定值后开启阀门Ⅲ32，使补偿后的盐水流入潮汐回流模拟水箱30中，如此循环调节下游潮汐水位流量控制装置，可模拟潮汐往复流过程，上游水位控制水箱9和回流水箱42水位过高时，可开启溢流管溢流管11上的阀门Ⅱ12排出。
溶解氧含量测定：在模拟河道潮汐往复流过程中，记录水槽槽体17中流速测定装置19和溶解氧测定装置20相应数据，分析潮汐往复流河道不同流速、不同水深、不同盐度上溯条件下低氧水体复氧过程变化规律。
上游流量控制装置对于下泄流量的控制是通过低氧水配制水箱的流入和上游水位控制水箱内隔水挡板的上下抽动调节来实现，下泄水体通过矩形薄壁堰流入水槽槽体中，进而计算出下泄流量。
低氧水下泄模拟和涨落潮模拟是潮汐往复流条件下低氧水体复氧过程的关键所在。通过野外同步监测或水动力模型模拟可获得设计水文条件潮周期的涨落潮流量，一个潮周期涨落潮计算方法为：
一个潮周期上、下游断面落潮量为：
式中：为断面落潮总水量m3；为断面落潮平均流量m3/s；为断面落潮时间s。
一个潮周期上、下游断面涨潮量为：
式中：为断面涨潮总水量m3；为断面涨潮平均流量m3/s；为断面涨潮时间s。
一个潮周期上游低氧水体净下泄总水量：
式中：为一个潮周期上游净下泄总水量m3；为一个潮周期上游平均下泄流量m3/s；为一个潮周期s，其中。
本发明进一步的技术方案为：的潮汐水位流量控制装置是先利用野外同步监测或水动力模型模拟结果结合上述公式得出涨潮量、落潮量，调节下游潮汐水位控制水箱出水口阀门和潮汐回流模拟水箱出水口阀门控制涨落潮水位流量及周期。
潮汐涨潮：计算出涨潮量、落潮量后调节潮汐回流模拟水箱水位，开启潮汐回流模拟水箱出水口闸门，出水流量受潮汐回流模拟水箱水位的降低而减小，当出水流量为零时，关闭潮汐回流模拟水箱出水口闸门，下游潮汐水位控制水箱水位到达潮汐最高水位线，此时为大潮涨停，为涨潮周期。
潮汐落潮：开启下游潮汐水位控制水箱下端出水口阀门，使下游潮汐水位控制水箱水位又潮汐最高水位线降至潮汐最低水位线，此时为大潮落停，为落潮周期。
本发明进一步的技术方案为：的下边界涨潮盐度条件由实测数据或构建的水动力及盐度模型模拟提供，涨潮时将盐度上溯，使潮汐河口水域及近岸水域形成盐跃层，引起水体垂向分层现象，涨落潮对水动力及分层的影响会对低氧水体沿程复氧过程产生重要影响。装置在一个涨落潮周期后需投加盐量维持潮汐回流模拟水箱盐度值，投加盐量在补偿水箱中混合均匀后通过出水管定量加入潮汐回流模拟水箱，投加盐量计算方法为：
涨潮盐量：
投加盐量：
式中：为投加的盐量mg；为涨潮盐量kg；为潮汐河口涨潮盐度mg/L；为落潮盐度mg/L。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (4)
1.一种模拟潮汐往复流河道低氧水体复氧过程的装置，包括上游流量控制装置、中间水槽装置、下游潮汐流量水位控制装置，其特征在于：所述上游流量控制装置包括低氧水配制水箱(3)、上游水位控制水箱(9)和矩形薄壁堰(15)，低氧水配制水箱(3)通过连接管与上游水位控制水箱(9)连接，上游水位控制水箱(9)中设置有隔水挡板(10)，所述中间水槽装置包括水槽槽体(17)，水槽槽体(17)中设置有流速测定装置(19)，流速测定装置(19)的左侧设置有消浪栅(18)，所述下游潮汐流量水位控制装置包括下游潮汐水位控制水箱(21)、回流水箱(42)、变频水泵(40)、补偿水箱(37)、潮汐回流模拟水箱(30)，所述下游潮汐水位控制水箱(21)通过连接管与潮汐回流模拟水箱(30)连接，潮汐回流模拟水箱(30)通过连接管与补偿水箱(37)，回流水箱(42)通过变频水泵(40)与补偿水箱(37)连接，回流水箱(42)与下游潮汐水位控制水箱(21)通过连接管连接，所述水槽槽体(17)的上端通过矩形薄壁堰(15)与上游水位控制水箱(9)连接，连接处的矩形薄壁堰(15)上设置有水流挡板(16)，水槽槽体(17)的下端与下游潮汐水位控制水箱(21)连接，水槽槽体(17)内设置有溶解氧测定装置Ⅱ(20)；
所述下游潮汐水位控制水箱(21)上设置有潮汐最低水位线(24)和潮汐最高水位线(25)，下游潮汐水位控制水箱(21)的内壁上设置有消浪斜板(22)；
所述补偿水箱(37)上连接有盐度测定装置(34)和溶解氧测定装置Ⅲ(35)；
所述低氧水配制水箱(3)和上游水位控制水箱(9)的水面上均设置有空气阻隔膜(5)，低氧水配制水箱(3)上连接有溶解氧测定装置Ⅰ(6)，低氧水配制水箱(3)上设置有进水管(1)。
2.根据权利要求1所述的一种模拟潮汐往复流河道低氧水体复氧过程的装置，其特征在于：所述低氧水配制水箱(3)、上游水位控制水箱(9)、下游潮汐水位控制水箱(21)、回流水箱(42)、补偿水箱(37)、潮汐回流模拟水箱(30)上均设有水位刻度线，上游水位控制水箱(9)和回流水箱(42)的底部均设置有溢流管(11)，溢流管(11)上设置有阀门。
3.根据权利要求1所述的一种模拟潮汐往复流河道低氧水体复氧过程的装置，其特征在于：所述溶解氧测定装置Ⅱ(20)设置为4个，且溶解氧测定装置Ⅱ(20)设置的位置各不相同。
4.一种采用权利要求1-3任一项所述模拟潮汐往复流河道低氧水体复氧过程的装置的方法，其特征在于，实现方法如下：
边界条件参数选取：通过野外同步监测资料或水动力模型模拟结果得出上游下泄流量、涨落潮周期水位高度、下游边界盐度、河道及上下游边界水体溶解氧含量作为设计水文条件，并将参数按照设计比尺换算；
一个潮周期涨落潮计算方法为：
一个潮周期上、下游断面落潮量为：
式中：W落为断面落潮总水量m3；为断面落潮平均流量m3/s；T落为断面落潮时间s；
一个潮周期上、下游断面涨潮量为：
式中：W涨为断面涨潮总水量m3；为断面涨潮平均流量m3/s；T涨为断面涨潮时间s；
一个潮周期上游低氧水体净下泄总水量：
式中：W净为一个潮周期上游净下泄总水量m3；为一个潮周期上游平均下泄流量m3/s；T为一个潮周期s，其中T涨+T落＝T；
模拟前准备：通过进水管(1)向低氧水配制水箱(3)中加入足量蒸馏水，制备低氧水，溶解氧含量需经溶解氧测定装置Ⅰ(6)检测符合规定值，向补偿水箱(37)内加入定量蒸馏水，根据公式投加盐量制备盐水，盐度值需经盐度测定装置(34)监测符合规定值；
在一个涨落潮周期后需投加盐量维持潮汐回流模拟水箱盐度值，投加盐量在补偿水箱中混合均匀后通过出水管定量加入潮汐回流模拟水箱，投加盐量计算方法为：
涨潮盐量：S涨＝W涨*C涨
投加盐量：S投＝[S涨-(W落-W净)*c落]·1000
式中：S投为投加的盐量mg；S涨为涨潮盐量kg；C涨为潮汐河口涨潮盐度mg/L；C落为落潮盐度mg/L；
河道单向流模拟：开启低氧水配制水箱(3)出水管上的闸门Ⅱ(7)，同时拉开隔水挡板(10)，使低氧水依次通过上游水位控制水箱(9)、水槽槽体(17)后进入下游潮汐水位控制水箱(21)，待水槽水体水位达到正常水位时拉下隔水挡板(10)，待上游水位控制水箱(9)水位到达规定值后拉开隔水挡板(10)，同时打开下游潮汐水位控制水箱(21)出水管上的阀门Ⅰ(28)，测定河道单向流低氧水体复氧变化情况，为潮汐往复流低氧水体复氧过程的研究提供参考；
潮汐往复流模拟：关闭阀门Ⅰ(28)同时开启潮汐回流模拟水箱(30)出水口闸门Ⅰ(27)，出水流量受潮汐回流模拟水箱(30)水位的降低而减小，当出水流量为零时，下游潮汐水位控制水箱(21)水位到达潮汐最高水位线(25)，关闭闸门Ⅰ(27)，此时为大潮涨停，该过程为涨潮周期，大潮涨停后开启下游潮汐水位控制水箱(21)出水管上的阀门Ⅰ(28)，使落潮水流入回流水箱(42)，当下游潮汐水位控制水箱(21)水位由潮汐最高水位线降至潮汐最低水位线(24)时，关闭阀门Ⅰ(28)，此时为大潮落停，该过程为落潮周期，在大潮涨停同时，根据下一周期涨潮量调节变频水泵(40)，使回流水箱(42)水流入补偿水箱(37)中，后关闭变频水泵(40)，通过上述方法校准水体中盐度及溶解氧浓度，经盐度测定装置(34)和溶解氧测定装置Ⅲ(35)测定符合规定值后开启阀门Ⅲ(32)，使补偿后的盐水流入潮汐回流模拟水箱(30)中，如此循环调节下游潮汐水位流量控制装置，可模拟潮汐往复流过程，上游水位控制水箱(9)和回流水箱(42)水位过高时，可开启溢流管(11)上的阀门Ⅱ(12)排出；
溶解氧含量测定：在模拟河道潮汐往复流过程中，记录水槽槽体(17)中流速测定装置(19)和溶解氧测定装置Ⅱ(20)相应数据，分析潮汐往复流河道不同流速、不同水深、不同盐度上溯条件下低氧水体复氧过程变化规律。
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