一种基于水质最优控制的植物滞留系统结构优化实验装置

摘要

一种基于水质最优控制的植物滞留系统结构优化实验装置，它包括储径流水箱、水泵、导水管、接头、支架、径流孔、PVC细管、PVC细管胶皮塞、PVC-U管、PVC-U管底座、采样孔和采样孔堵塞。储径流水箱的下部出口与水泵进水口相连，水泵的出水口通过导水管与放在支架上的PVC细管上均布的径流孔相连，PVC细管与导水管用接头相连，PVC细管的另一端是由PVC细管胶皮塞堵塞。PVC细管上有许多方向朝下的径流孔正对应于PVC-U管之上方，采样孔设置在从PVC-U管的顶部至底部每间隔20cm的位置，而PVC-U管的底部由PVC-U管底座封住。本发明结构简单，造价低，它在环境工程和生态工程领域里有广阔的应用前景。

说明书

(一)技术领域

本发明涉及一种基于水质最优控制的植物滞留系统结构优化实验装置，它设计的植物滞留 系统用于对径流水质影响的动力学研究，并优化植物滞留系统结构。属于环境工程和生态工 程技术领域。

(二)背景技术

城市非点源污染控制问题是当前国际科学研究和社会关注的焦点。解决水资源缺短、改善 水生态与水环境已成为我国长期而艰巨的重要任务。减少地表径流和控制污染物质进入水体 的一项技术措施为植物滞留系统。目前植物滞留系统的结构组成及各组成要素对水质水量运 移的影响尚未清楚，同时实验装置设计及方法研究尚未完善。为此，植物滞留系统结构优化 实验研究及应用对有效控制城市非点源污染、实现城市可持续发展，保护城市水环境、建立 生态城市意义重大。到目前为止，国内还没有现成的植物滞留系统结构设计和要求，通过实 验研究提供植物滞留系统最优结构为应用植物滞留系统至控制城市非点源污染，减少径流量 及提供低影响的生态措施是迫在眉睫。针对实验需求本发明对水质最优控制的植物滞留系统 结构优化实验装置进行设计。

本发明设计的植物滞留系统结构优化试验装置具有能同时进行多个实验过程，受外部因素 影响小，实验条件易于同步控制，费用和占地面积小、而实验的精确性较高等优点。

(三)发明内容

1、目的：

本发明的目的在于提供一种基于水质最优控制的植物滞留系统结构优化实验装置。该装 置结构简单、操作方便、经济实用、实验条件易于控制、同一时间可进行多个实验等，为室 内植物滞留系统水质最优控制服务。

2、技术方案：

见图1，本发明是一种基于水质最优控制的植物滞留系统结构优化实验装置，它包括储径 流水箱、水泵、导水管、接头、支架、径流孔、PVC细管、PVC细管胶皮塞、PVC-U管、PVC-U 管底座、采样孔和采样孔堵塞。它们之间的位置连接关系是：

储径流水箱的下部出口与水泵进水口相连，水泵的出水口通过导水管与放置在支架上的 PVC细管上均匀分布的多个的径流孔相连通，且PVC细管与导水管用接头相连，PVC细管的另一 端是由PVC细管胶皮塞堵塞。PVC细管上设置有许多方向朝下的径流孔正对应于PVC-U管之上方， 采样孔设置在从PVC-U管的顶部至底部每间隔20cm的位置。而PVC-U管的底部由PVC-U管底座封 住。

所述储径流水箱是盒式结构的箱体；

所述水泵是基本型蠕动泵，其功能为将储径流水箱中的水通过导水管自动抽压到PVC细管 中；

所述支架是普通金属结构丫形支架；

所述导水管是塑料管，具有导水和给径流孔供水的作用；

所述径流孔是导水管正对于PVC-U管顶部的地方用钻头打出的多排均布的圆孔，径流从多 排均布圆孔滴入到PVC-U管中；

所述PVC-U管是塑料管，其底部与PVC-U管底座用AB胶缝合，具有防水、防腐作用。用于 长时间盛装实验所用的各种类型的潮湿土壤及碎石等；

所述采样孔是带螺纹的塑料管，用铜锁将其固定。此管用于采集土壤中的水样和监测土 壤温度；

所述接头是市购塑料管接头，起连接作用；

所述PVC细管是塑料管，用于人工径流；

所述PVC细管胶皮塞是与之配套的市购胶皮塞，起堵头作用；

所述PVC-U管底座是圆环状工程塑料，起稳定作用；

所述采样孔堵塞是与之配套的市购胶皮塞，起堵头作用；

其中，该储径流水箱的材质为有机玻璃；其长、宽、高尺寸为：475mm-525mm、475mm-525mm、 475mm-525mm。

其中，该水泵的型号为BT100-2J、泵头为YZ1515X；

其中，该径流孔共10排，孔的直径为1mm；

其中，该导水管的厚度为2mm、外径为20mm；

其中，该采样孔的内径为10mm、厚度为2mm、长度为30mm；

其中，该PVC细管的厚度为2mm、外径为24mm、长度为2200mm；

其中，该实验PVC-U管的高度为1m、外径为21cm，厚度为5mm，数量为10个；

其中，PVC-U管底座的厚度为5mm、外径为22cm、高度为5cm，数量为10个。

本发明工作流程如下：

水泵把配置好的人工径流从储径流水箱抽到导水管中，10排径流孔分布在PVC细管与 PVC-U管顶部的接触部位，人工径流用泵抽到导水管中，通过调解水泵流量计来完成径流流速， 导水管与PVC细管以接头连接，且PVC细管两边由1.1米高度的支架来保持导水管在一条水平线 上，由泵打入导水管中的径流由在PVC细管上的径流孔均匀喷洒人工径流到10个PVC-U管开口 处，径流孔是由1mm的钻头打出的钻孔。实验主体装置是PVC-U管，包括表面径流滞留层，种 植土壤覆盖层，植被及种植层，第一、第二、第三、第四、第五个采样口、砂滤层及碎石层。 实验主题装置以PVC作为实验材料，达到节约费用的目的，并应用哥俩好和AB胶处理采样管与 实验主题装置之间的接缝与其达到防止漏水的目的。

由于采用了上述技术方案，本发明的植物滞留系统结构优化研究的实验装置采用的采样 管可以采集不同时间和空间分布情况下的水样，使用可调式水泵可以调节径流流量，并同时 能进行土壤含水量、土壤温度及水量监测，并用于人工径流条件下植物滞留系统结构优化过 程。

3、优点及功效：本发明在人工径流条件下的一种基于水质最优控制的植物滞留系统结构 优化实验装置，主体结构由轻便、廉价、易于加工的PVC管组成，并具有结构简单，可调节径 流强度、造价低，实现了土壤水样的不同时间和空间结构下的采集，不仅可节约劳动量同时 在同一时间、相同条件下可运行多个因素变化的土柱试验过程，提高了实验的有效性和精度， 实验过程受外部因素影响小，使实验更具有实际操作性。

(四)附图说明

图1本发明的植物滞留系统实验装置总体结构示意图

图2本发明植物滞留系统的主体设备即PVC-U的结构示意图

图3本发明植物滞留系统的主体设备即PVC-U的正面示意图

图4本发明植物滞留系统的主体设备即PVC-U的俯瞰示意图

图5本发明的PVC细管及径流孔示意图

图中符号说明如下：

1储径流水箱；2水泵；3导水管；4接头；5支架；6径流孔；7PVC细管；8PVC细管胶 皮塞；9PVC-U管；10PVC-U管底座；11采样孔；12采样孔堵塞；13表面径流滞留层；14种 植土壤覆盖层；15植被及种植层；16砂滤层；17碎石层；18第一采样口；19第二采样口； 20第三采样口；21第四采样口；22第五采样口。

(五)具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步详细描述：

本发明提出的用于建立人工径流条件下的一种基于水质最优控制的植物滞留系统结构优 化实验装置，图1为该装置的总体结构示意图，

配置好的人工径流储存在储径流水箱1中，并用水泵2通过导水管3将人工径流导入放在支 架5上的PVC细管7中，水泵2通过流量计可以调节径流流量，由水泵2打入PVC细管7的径流通过 PVC细管7的均匀分布径流孔6均匀喷洒到PVC-U管9的上顶部，PVC-U管9的底部是由PVC-U管底 座10封住，导水管3的一端接水泵2另一端用接头与PVC细管7连接，而PVC细管7的另一端用胶 皮塞9塞住，防治人工径流的流失。当水泵2开启并调节流量后人工径流可迅速分布在PVC细管 7中，通过径流孔6均匀喷洒到PVC-U管9的上顶部，这样完成自动同时间多个植物滞留系统的 模拟人工径流过程。人工径流渗过模拟实验的主体设备即PVC-U管9，并通过渗滤、蒸发、土 壤吸附、生物吸收、微生物降解、覆盖层表面截留等作用，降低径流流量和去除人工径流中 污染物。渗过各土层的人工径流可通过采样孔11(共有五层)采集水样并进行分析，采样孔 11在不采集样品时用采样孔堵塞12塞住，以便计算系统水量平衡。

基于水质最优控制的植物滞留系统结构优化实验装置的主体设备的结构为图2所示，包括 表面径流滞留层13，该层深度h₁为15cm；种植土壤覆盖层14，该层深度h₂为5cm，主要成分为 树皮(bark)或干草；在种植土壤覆盖层14底部及植被及种植层15的最上端设有第一采样孔 18；植被及种植层15深度h₃为60cm，主要成分为砂壤土和有机物，该层设有第二采样孔19、 第三采样孔20、第四采样孔21，且位置依次设在距植被及种植层15顶端20cm、40cm、60cm处； 砂滤层16深度h₄为10cm；碎石层17深度h₅为10cm；第五采样孔22设在PVC-U管最底部。

见图1，本发明是人工径流条件下的一种基于水质最优控制植物滞留系统结构优化实验装 置，它包括储径流水箱1、水泵2、导水管3、接头4、支架5、径流孔6、PVC细管7、PVC细管胶 皮塞8、PVC-U管9、PVC-U管底座10、采样孔11和采样孔堵塞12。它们之间的位置连接关系是：

储径流水箱1的下部出口与水泵2进水口相连，水泵2的出水口通过导水管3与放置在支架5 上的PVC细管7上均匀分布的多个的径流孔6相连通，且PVC细管7与导水管3用接头4相连，并PVC 细管7的另一端是由PVC细管胶皮塞8堵塞。PVC细管7上设置有许多方向朝下的径流孔6正对应 于PVC-U管9之上方，采样孔11设在从PVC-U管9的顶部至底部每间隔20cm的位置，采样孔11在 不采集样品时用采样孔堵塞12塞住，以便计算系统水量平衡。

而PVC-U管9的底部由PVC-U管底座10封住。

所述储径流水箱1是盒式结构的箱体，材质为有机玻璃；其长、宽、高尺寸为：500mm、 500mm、500mm。

所述水泵2是基本型蠕动泵、型号为BT100-2J、泵头YZ1515X、功能为将储径流水箱中的 水通过导水管自动抽压到PVC细管中；

所述导水管3是16^#塑料管、具有导水的作用；

所述接头4是市购塑料管接头，防止两管接口处漏水。

所述支架5是普通金属结构丫形支架，其高度为1.1米。

所述径流孔6是PVC细管7上用电钻钻出的直径为1mm的10排均布的圆孔，径流从圆孔滴入 到PVC-U管9中；

所述PVC细管7是长度为2200mm，外径为24cm、厚度为2mm，此管水平放置在两个支架5上， 用于人工降雨过程。

所述PVC细管胶皮塞8是直径在19-21mm之间渐变的长度为3mm的胶皮塞。

所述PVC-U管9是是长为1m、内径为20cm，外径为21cm的是塑料圆管，并等间隔设有5个采 样孔11，采样孔11接缝口处用玻璃胶缝合，具有较强的防水、防腐作用。用于长时间盛装实 验所用的各种类型的潮湿土壤及碎石等；

所述PVC-U管底座10是厚度为5mm、外径为22cm、高度为5cm，封堵PVC-U管底部的作用， 接缝处采用AB胶缝合，防止水样流失。

所述采样孔11的厚度为2mm、外径为14mm、长度为30mm，功能为采集水样。

所述采样孔堵塞12是直径在12-15mm之间渐变的长度为3mm的胶皮塞，不采集样品时用采 样孔堵塞12塞住，以便计算系统水量平衡。

基于水质最优控制的植物滞留系统结构优化实验装置的主体设备即PVC-U管的结构为图2 所示，包括表面径流滞留层13，该层深度h₁为15cm；种植土壤覆盖层14，该层深度h₂为5cm， 主要成分为树皮(bark)或干草；在种植土壤覆盖层14底部及植被及种植层15的最上端设有 第一采样孔18；植被及种植层15深度h₃为60cm，主要成分为砂壤土和有机物，该层设有第二 采样孔19、第三采样孔20、第四采样孔21，且位置依次设在距植被及种植层15顶端20cm、40cm、 60cm处；砂滤层16深度h₄为10cm；碎石层17深度h₅为10cm；第五采样孔22设在PVC-U管最底部， 目的是分析系统结构对水质的影响。

图3为基于水质最优控制的植物滞留系统结构优化实验装置的主体设备即PVC-U管的侧面 示意图，长度、外径、内径分别为：1000mm、210mm、200mm的PVC管，设有等间隔采样孔， 共5层，且PVC-U管底座厚度为5mm，外径为220mm，高度为5cm，封堵PVC-U管底部的作用。

图4为基于水质最优控制的植物滞留系统结构优化实验装置的主体设备即PVC-U管的俯瞰 示意图，从图可见采样孔长度为30mm，外径为14mm、厚度为2mm、用于采集土壤中的水样。 图5为PVC细管7及径流孔6示意图，从图可见PVC细管7厚度为2mm，内径为20mm，长度 为2200mm。管表面朝下1/2面积上，每间隔20cm处打上10排直径为1mm的小孔，此管水平 放置在支架5上，为人工降雨所用。