一种管道沉积物模拟实验装置、实验系统及实验方法

技术领域

本发明涉及水环境修复技术领域，特别是涉及一种管道沉积物模拟实验装置、实验系统及实验方法。

背景技术

沉积物的抗冲刷性，俗称侵蚀输移特性。其研究起源于海洋学者对潮滩和入海口的沉积淤泥稳走性的研究。

沉积物抗冲刷性的定量研究有几种不同的方法。

最常见的管道冲刷实验，即采用一段管道(圆形或者矩形截面)，将沉积物铺设其中，采用阶梯式增加冲刷水量(水力剪切力)的方式，观察并计算沉积物被冲刷泛起的颗粒物的量。根据现有的水力学公式，计算特定流速下水流产生的剪切力的大小，并定义沉积物的冲蚀率，得出沉积物发生相应冲刷所需的水流剪切力的大小，从而评价沉积物的抗冲刷性，为沉积物的冲蚀输移理论奠定了基础。

另一种方法是在一个底部是沉积物。上部有水存在的装置里，采用搅拌上覆水的方式来提供水流剪切力，依据公式计算出不同的搅拌转速下的水力剪切力，用上覆水中的浊度变化表示底部沉积物的侵蚀率，以此来评价沉积物的稳定性。此外，环形水槽，黏结力仪等也被用于测定沉积物的抗冲刷性。

与无机砂砾不同的是，天然沉积物包括潮滩淤泥，河口泥沙、河道底泥、管道沉积物等具有生化活性，表现出黏结性和内聚力。因此被称为黏性沉积物。其抗冲刷性研究是与水有关的工程学和相关工程项目的基础，特别是河坡、河堤的稳定性，海岸沉积物的移动，盐沼的稳定性，桥墩周围的冲刷，航海以及水质等。检测海洋环境的短期和长期侵蚀率和沉积率的预测对海岸工程至关重要。

目前，市政污水及雨水管道抗冲刷性研究较为薄弱。多数研究者们通过合成或现场采集沉积物，其在特定的环境下培养一段时间，再对其进行抗冲刷性的研究。控制的环境因素包括培养时间，用来模拟前期晴天数长短及固结作用的影响。温度是一个重要的环境变量，影响沉积物中生物活动的主要因素；氧气是影响生物活动的另一个重要条件，氧气合量的高低将直接导致沉积物中微生物的群落结构及多样性的改变，进而影响物质转化速率水力条件。通过改变作用于沉积物的水流剪切力，模拟实际管道环境，探究沉积物的稳定性变化。

实验过程包括前期的沉积期和后续的冲刷期。在沉积期过程中，随着培养时间的延长，高有机含量沉积物的特性(由于生物生长)和结构(由于颗粒间发生黏结)会不断变化，进而导致沉积物抗侵蚀性的改变。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中存在的技术缺陷，而提供一种管道沉积物模拟实验装置，该装置包括循环水箱组件、水槽组件和管道组件，可用于沉积物仿真培养和沉积物抗冲刷性试验。

本发明的另一个目的是，提供一种管道沉积物模拟实验系统，该系统在上述管道沉积物模拟实验装置的基础上增加水槽组件和管道组件的数量，可同时进行多种不同沉积物或不同流速的对比试验，提高试验效率。

本发明的另一个目的是，提供一种管道沉积物模拟实验装置，该装置包括水槽组件、管道组件和内循环水泵，可用于沉积物氧气吸收试验和厌氧条件下沉积物抗冲刷试验等，是一种广泛适用于多种管道沉积物模拟试验的实验装置。

为实现本发明的目的所采用的技术方案是：

一种管道沉积物模拟实验装置，包括水槽、通过角度调节机构设置在所述水槽上方的管道反应器和循环水箱组件，其中：

所述管道反应器包括一用于容纳沉积物的圆形管道，所述圆形管道的两端分别形成有进水口和出水口；

所述水槽的一端设有进水端口，另一端设有出水端口，所述水槽内设有对通过所述进水端口的水进行过滤并收集过滤物的滤膜，所述滤膜可拆卸的装配在所述水槽内，所述进水端口位于所述出水口的下方以使得出水自流至所述进水端口内，或所述进水端口通过管道与所述出水口相连通。

所述循环水箱组件包括水箱主体、设置于所述水箱主体内部的水泵、与所述水泵连接并向所述进水口输水的输水管以及设置在所述水箱主体底部侧壁上的回水口，所述回水口与设置在所述水槽一端的回水孔通过水管连通。

在上述技术方案中，所述输水管上设置有阀门和流量计，所述水管上设置有第一单向阀。

在上述技术方案中，所述圆形管道的两端开口处均固定有配水花墙。

在上述技术方案中，所述水箱主体内部设置有回水小水箱，所述回水小水箱的侧壁上设置有第二单向阀以使回水小水箱内的水单向流入所述水箱主体内。

基于所述管道沉积物模拟实验装置的实验方法，包括以下步骤：

步骤1：将所需测试或培养的沉积物放入所述管道反应器内；

步骤2：打开水泵，调节水流速度，水箱主体内的水通过输水管和进水口输入位于最上方的管道反应器内，水流流经管道反应器后，通过出水口进入水槽内，在所述水槽内，滤膜对流经的水进行过滤，再通过回水孔流回至水箱主体内进行循环

步骤3：运行预定时间后，关闭水泵，对所述管道反应器内的沉积物进行取样分析，完成沉积物仿真培养实验；

或者取出所述水槽内的滤膜，收集所述滤膜上的沉积物称重以确定该实验条件下沉积物的抗冲刷性能，完成抗冲刷模拟实验。

一种基于上述管道沉积物抗冲刷实验装置的模拟实验系统，包括一循环水箱组件和不少于两组且上下依次排列的所述水槽与管道反应器，所述循环水箱组件的输水管向最上方的管道反应器输水，所述循环水箱组件的回水口与最下方的所述水槽上的回水孔通过水管连通；每一管道反应器的进水口为一顶部开口的弧形槽，每一水槽的出水端口为形成在水槽侧壁上的闸板；相邻的两组通过角度调节机构连接的所述水槽与管道反应器，从上方的水槽的出水端口流出的水在重力作用下流入位于下方的管道反应器的进水口内。

基于所述模拟实验系统的实验方法，包括以下步骤：

步骤1：选择预定组数的所述水槽与管道反应器进行组装固定，并接通循环水组件，应将所需测试或培养的沉积物放入所述管道反器(2)内；

步骤2：打开水泵，调节水流速度，水箱主体内的水通过输水管和进水口输入位于最上方的管道反应器，水流流经各管道反应器和水槽进行沉积物仿真培养或抗冲刷模拟实验后进入水箱主体进行循环过程；

步骤3：运行预定时间后，关闭水泵，对所述管道反应器(2)内的沉积物进行取样分析，完成沉积物仿真培养实验；

或者取出所述水槽(1)内的滤膜(7)，收集所述滤膜(7)上的沉积物称重以确定该实验条件下沉积物的抗冲刷性能，完成抗冲刷模拟实验。。

一种封闭式管道沉积物模拟实验装置，包括水槽、通过角度调节机构设置在所述水槽正上方的管道反应器和将所述水槽和管道反应器相连通的循环管道，其中：

所述管道反应器包括一用于容纳沉积物的圆形管道，所述圆形管道的两端均设有封板，所述封板上分别形成有进水口和出水口，所述封板上还设置有独立进水口和放气管；

所述水槽为密封水槽，其侧壁上设有进水端口，所述水槽内设有曝气管，所述水槽内设有对通过所述进水端口的水进行过滤并收集过滤物的滤膜，所述滤膜可拆卸的装配在所述水槽内；

所述循环管道包括放置在所述水槽内的内循环水泵、一端连接在所述内循环水泵上另一端与所述进水口相连接的进水管以及连通所述出水口与所述进水端口的出水管。

在上述技术方案中，所述曝气管的一端设置有组合排列的曝气孔，另一端连接有风机或气体钢瓶。

一种基于上述封闭式管道沉积物模拟装置的实验方法，包括以下步骤：

步骤A：将所需测试或培养的沉积物放入所述管道反应器内，盖上封板；

步骤B：打开气体钢瓶或风机，通过曝气管向水槽内通入氮气、氧气或空气，同时打开放气管；

步骤C：曝气完成后，关闭气体钢瓶或风机、独立进水口和放气管，打开内循环水泵，调节水流大小，使循环水在水槽和管道反应器之间循环流动；

步骤D：循环流动预定时间之后，测定循环水内的氧气含量，绘制氧气吸收曲线，或者取出水槽内的滤膜进行称重以确定厌氧条件下的沉积物抗冲刷性能。

在上述管道沉积物模拟实验装置中，所述角度调节机构包括两个对称设置的高度调节部件，所述高度调节部件包括设置在所述水槽上用于承载所述管道反应器的横板和设置在所述管道反应器与所述横板之间的高度调节支撑杆。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明的管道沉积物抗冲刷实验装置相比于传统管道沉积物实验装置具有多重功能，可以通过简单的部件装配，实现沉积物仿真培养和抗冲刷试验。

2.本发明的模拟实验系统，零部件密集集成，占空间小，可同时开展多个平行实验或者不同流速的实验，功能强大。

3.本发明的封闭式管道沉积物模拟装置，可以实现多种实验操作功能，且操作简单，自动化程度较高。

附图说明

图1所示为实施例1中管道沉积物抗冲刷实验装置的结构示意图。

图2所示为实施例1中循环水箱组件的结构示意图。

图3所示为实施例2中模拟实验系统的结构示意图。

图4所示为实施例3中封闭式管道沉积物模拟装置的结构示意图。

图中：1-水槽，2-管道反应器，3-进水口，4-出水口，5-进水端口，6-出水端口，7-滤膜，8-水箱主体，9-水泵，10-输水管，11-回水口，12-第一单向阀，13-封板，14-内循环水泵，15-进水管，16-出水管，17-曝气管，18-曝气孔，19-横板，20-高度调节旋钮，21-回水孔，22-独立进水口，23-放气管，24-配水花墙，25-回水小水箱，26-第二单向阀，27-阀门，28-流量计。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

一种管道沉积物抗冲刷实验装置，包括水槽1和通过角度调节机构设置在所述水槽1正上方的管道反应器2，其中：

如图1所示，所述管道反应器2包括一用于容纳沉积物的圆形管道，所述圆形管道的两端分别形成有进水口3和出水口4；

所述水槽1的一端设有进水端口5，另一端设有出水端口6，所述出水端口6为设置在水槽1一端的可调节开合大小从而调节出水速度的闸板，所述水槽内设有对通过所述进水端口5的水进行过滤并收集过滤物的滤膜7，所述滤膜7通过水槽1两侧内壁上的凹槽抽拉可拆卸的装配在所述水槽1内并且位于出水端口6的上方，所述进水端口5位于所述出水口4的正下方或通过管道与所述出水口4相连通。

如图2所示，所述循环水箱组件包括水箱主体8、设置于所述水箱主体8内部的水泵9、与所述水泵9连接并向所述进水口3输水的输水管10以及设置在所述水箱主体8底部侧壁上的回水口11，所述回水口11与设置在所述水槽1一端的回水孔21通过水管连通。

实验时，将沉积物放入管道反应器2内，打开水泵9，将水箱主体8内的水通过输水管10，经进水口3向所述管道反应器2内加水，水在管道反应器2内流通时，对沉积物形成冲刷，夹杂有泥沙的水通过出水口4和进水端口5流入水槽1内，经过滤膜7过滤，泥沙残留在滤膜7上，水经过进水端口5排出，通过计算滤膜7上泥沙的质量可考量沉积物的抗冲刷性能。

所述角度调节机构包括两个对称设置的高度调节部件，所述高度调节部件包括设置在所述水槽1上用于承载所述管道反应器2的横板19和设置在所述管道反应器2与所述横板19之间的高度调节支撑杆20。所述高度调节支撑杆20包括一固定于上方管道反应器2的支杆、固定于横板19上的另一支杆和连接两支杆的高度调节旋钮。所述高度调节旋钮可调节两支杆之间的相对位置，从而调节整个高度调节支撑杆20的高度。

通过调节角度调节机构中两个高度调节支撑杆20的高度，可调节管道反应器2的倾斜角度，使管道反应器2具有不同的坡度，其坡度越大水流速度越大，坡度越小水流速度越小。通过调节角度调节机构调节水流流速，从此考量流速对沉积物的抗冲刷性能的影响。同时调节管道反应器2的倾斜度，也可以模拟不同坡度的管道内的沉积物的抗冲刷性能。

作为优选方式，所述输水管10上设置有可调节水流大小的阀门27和流量计28，阀门27可以在不关闭水泵9的情况下对输水管10进行水流控制，减少水泵9的开关频率，增加使用寿命，同时可以控制水流大小。第一单向阀12使水流只能从水槽1流进水箱主体8。

作为优选方式，所述圆形管道的两端开口处均固定有配水花墙24，所述水管上设置有第一单向阀12。配水花墙24是设置有许多小孔，用于减小进入管道反应器2的水流流速的挡板，防止水流对沉积在管道反应器2内的沉积物造成冲击。

作为优选方式，所述水箱主体8内部设置有回水小水箱25，所述回水小水箱25的侧壁上设置有第二单向阀26以使回水小水箱25内的水单向流入所述水箱主体8内。水箱主体8内部储存含有各种污染物质的污水，为了节约空间，水箱主体8的高度较高，横截面积较小，如此水箱主体8底部的压力就比较大，回水小水箱25的加入避免了水箱主体8底部水压过大，造成最底部的水槽1出来的水无法回到水箱主体8内的问题。

实施例2

一种基于实施例1所述的管道沉积物抗冲刷实验装置的模拟实验系统，包括一循环水箱组件和不少于两组且上下排列的通过角度调节机构连接的所述水槽1与管道反应器2，所述循环水箱组件的输水管10向最上方的管道反应器2输水，所述循环水箱组件的回水口11与最下方的所述水槽1上的回水孔21通过水管连通；每一管道反应器2的进水口3为一顶部开口的弧形槽，每一水槽1的出水端口6为形成在水槽侧壁上的闸板，可通过控制所述闸板的开合大小控制水流速度；相邻的两组通过角度调节机构连接的所述水槽1与管道反应器2，从上方的水槽1的出水端口6流出的水在重力作用下流入位于下方的管道反应器2的进水口3内。

在上述模拟实验系统中，可根据实际实验需要选择合适数量的所述水槽1与管道反应器2进行组装。组装时需注意各出水口、入水口、进水端口和出水端口的位置衔接，防止水流流出系统。为保证从输水管10内流出的水流稳定，可在最上方增加一个单独的水槽1，输水管向水槽1注水，后从另一端的闸板稳定流出进入管道反应器2，如图3所示。

一种使用上述模拟实验系统进行仿真培养实验的实验方法，包括以下步骤：

步骤1：选择合适组数的通过角度调节机构连接的所述水槽1与管道反应器2进行组装固定，放置在焊接的钢架上，并接通循环水组件，将所需培养的沉积物放入所述管道反应器2内，此时水槽1内不必安装滤膜7；

步骤2：向水箱主体8内加入培养所需的营养液，打开水泵9，通过阀门27和管道反应器2的倾斜角度调节水流速度，将水箱主体8内的水通过输水管10和进水口3输入位于最上方的管道反应器2，水流流经各管道反应器2和水槽1进行沉积物仿真培养进入水箱主体8进行循环过程；

步骤3：运行一段时间后，关闭水泵9，完成沉积物仿真培养。

在本实验中，调节管道反应器2的倾斜角度，使管道反应器2具有较小的坡度，使得水流缓慢的流过沉积物，减少水流对沉积物的冲刷。使用该模拟实验系统可在相同环境和水流速度下对不同沉积物进行培养，同时开展多组平行实验。

一种使用上述模拟实验系统进行抗冲刷性能检测的实验方法，包括以下步骤：

步骤1：选择合适组数的通过角度调节机构连接的所述水槽1与管道反应器2进行组装固定，并接通循环水组件，将所需测试的沉积物放入所述管道反应器2内，此时每一水槽1内应安装滤膜7；

步骤2：打开水泵9，通过阀门27和管道反应器2的倾斜角度调节水流速度，将水箱主体8内的水通过输水管10和进水口3输入位于最上方的管道反应器2，水流流经各管道反应器2和水槽1进行沉积物抗冲刷模拟实验后进入水箱主体8进行循环过程，在此循环过程中，通过管道反应器2的水流对沉积物进行冲刷，冲刷飘散的沉积物随水流进入下方的水槽1内，经滤膜7过滤并收集过滤物；

步骤3：运行一段时间后，关闭水泵9，取出各水槽1内的滤膜7进行称重以确定该实验条件下沉积物的抗冲刷性能。

沉积物的抗冲刷性试验主要是通过检测水流冲刷情况下，沉积物飘散的量。在沉积物抗冲刷性试验时，将预先称重的所述可抽卸式的滤膜7固定在所述水槽1两侧内壁上，收集随水流飘散起来的沉积物。在试验结束后，将所述可抽卸式的滤膜7抽出称重，两次称重的重量差即为此次沉积物抗冲刷性试验中沉积物飘散的量。

使用该模拟实验系统可在相同环境和水流速度下检测不同沉积物的抗冲刷性能，同时开展多组平行实验。也可以通过调节各角度调节机构的倾斜角度或者调节各出水端口6闸板的开合角度，在一套模拟实验系统内产生不同的水流速度，同时检测不同水流速度对沉积物抗冲刷性能的影响。

实施例3

一种封闭式管道沉积物模拟装置，如图4所示，包括水槽1、通过角度调节机构设置在所述水槽1正上方的管道反应器2和将所述水槽1和管道反应器2相连通的循环管道，其中：所述管道反应器2包括一用于容纳沉积物的圆形管道，所述圆形管道的两端均设有封板13，所述封板上分别形成有进水口3和出水口4，所述封板13上还设置有独立进水口22和放气管23；所述水槽1为密封水槽，其侧壁上设有进水端口5，所述水槽1内设有曝气管17，所述水槽1内设有对通过所述进水端口5的水进行过滤并收集过滤物的滤膜7，所述滤膜7可拆卸的装配在所述水槽1内；所述循环管道包括放置在所述水槽1内的内循环水泵14、与所述内循环水泵14相连通并通过所述出水端口6和所述进水口3的进水管15以及连通所述出水口4和所述进水端口5的出水管16。

作为优选方式，所述角度调节机构包括两个对称设置的高度调节部件，所述高度调节部件包括设置在所述水槽1上用于承载所述管道反应器2的横板19和设置在所述管道反应器2与所述横板19之间的高度调节支撑杆20。所述高度调节支撑杆20包括一固定于上方管道反应器2的支杆、固定于横板19上的另一支杆和连接两支杆的高度调节旋钮。所述高度调节旋钮可调节两支杆之间的相对位置，从而调节整个高度调节支撑杆20的高度。

通过调节角度调节机构中两个高度调节支撑杆20的高度，可调节管道反应器2的倾斜角度，使管道反应器2具有不同的坡度，其坡度越大水流速度越大，坡度越小水流速度越小。通过调节角度调节机构调节水流流速，从此考量流速对沉积物的影响。

作为优选方式，所述曝气管17的一端设置有组合排列的曝气孔18，另一端连接有风机或气体钢瓶。

基于上述封闭式管道沉积物模拟装置测量沉积物氧气吸收速率的使用方法，包括以下步骤：

步骤A：将所需测试的沉积物放入所述管道反应器2内，盖上封板13；

步骤B：通过所述独立进水口22，向装置内注入含沉积物生长所需的特定营养的水流。打开氧气钢瓶或风机，通过曝气管17向水槽1内通入氧气或空气，同时打开放气管23；

步骤C：曝气10-30min后，循环水中氧气浓度达到饱和，关闭氧气钢瓶或风机、独立进水口22和放气管23，打开内循环水泵14，通过角度调节机构的倾斜角度调节水流大小，使循环水在水槽1和管道反应器2之间循环流动；

步骤D：循环流动一定时间之后，每隔一段时间，测定循环水内的氧气含量，绘制氧气吸收曲线。

在本实验中，调节角度调节机构的倾斜角度，使管道反应器2具有较小的坡度，使得水流缓慢的流过沉积物，减少水流对沉积物的冲刷。

一种基于上述封闭式管道沉积物模拟装置进行厌氧条件下不同沉积物抗冲刷性的影响实验的实验方法，包括以下步骤：

步骤A：将所需测试的沉积物放入所述管道反应器2内，盖上封板13，将滤膜7安装在水槽1内；

步骤B：打开氮气钢瓶，通过曝气管17向水槽1内通入氮气，同时打开放气管23，排除装置内的氧气；

步骤C：曝气10-30min后，关闭气体钢瓶、独立进水口22和放气管23，打开内循环水泵14，通过角度调节机构的倾斜角度调节水流大小，使循环水在水槽1和管道反应器2之间循环流动；

步骤D：循环流动一定时间之后，取出水槽1内的滤膜7进行称重以确定此实验条件下的沉积物抗冲刷性能。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。