兼具水体环境模拟和水体溶解气体含量测定功能的试验装置

摘要

本发明提供的兼具水体环境模拟和水体溶解气体含量测定功能的试验装置，主要包括压力釜、磁力驱动式搅拌器、空气压缩机、水泵、温度控制组件和溶解气体含量测定仪，所述压力釜由压力釜本体和密封盖组成，磁力驱动式搅拌器位于压力釜本体内腔底部和中部并安装在压力釜本体的底壁和侧壁上，输水管的一端与压力釜本体上的出水口连接，另一端与密封盖上的射流孔连接，所述温度控制组件的感温器件和加热器件位于压力釜本体内腔中，控温器件位于压力釜外部，溶解气体含量测定仪的测定探头位于压力釜本体内腔中，溶解气体含量测定仪的主体部分位于压力釜外部。

说明书

技术领域

本发明属于高坝工程对生态环境的影响领域，涉及兼具水体环境模拟和水体溶解气体含量测定功能的试验装置，特别适用于对影响高坝工程库区及高坝工程下游水环境恶化、生态系统退化的因素进行研究。

背景技术

21世纪以来，我国西南地区建设了大量的高坝工程，据统计，目前全世界已建成和在建的200m以上的高坝中，我国占半数以上。在高坝工程在为经济建设做出巨大贡献的同时，高坝建设形成了众多的深水库，高坝工程的水库库区，特别是高坝工程形成的深水库库区不断出现水环境恶化、生态系统退化等问题，其中，库区水体富营养化、水库污染已成为我国高坝工程水库环境面临的主要问题，但目前对于造成高坝工程水库库区水环境恶化及生态系统退化的确切原因尚不清楚。高坝工程在通过溢洪道、泄洪洞等泄水建筑物向下游河道泄水时，会造成下游水体中氧气、氮气和二氧化碳等可溶解气体的溶解量超过当地大气压下相应的气体溶解度，形成总溶解气体(TDG)过饱和，TDG进入高坝工程下游的河道后，不会快速析出，而是会随水流向下游扩散相当远的距离，导致下游河道中的鱼类等水生生物出现气泡病，引起鱼类即其他水生生物的大规模死亡。同时，高坝工程在向下游河道泄水时，会导致下游水体产生剧烈的紊动，这也会对下游水体的水环境及生态太系统造成不利影响。由以上内容可知，高坝工程不但会对水库库区的生态环境造成破坏，而且会对高坝工程下游的生态环境造成不利影响。

自然界中的河流、湖泊、水库和海洋等水体会通过和空气的交界面与空气交换各类气体，溶解在河流、湖泊、水库和海洋等水体中的各类气体的含量是水生生态环境的重要影响因素，因此在实际研究中，可以水体溶解气体含量为指标来分析影响高坝工程水库库区及其下游水环境恶化、生态系统退化的因素，但目前尚未见相关试验方法和试验装置的报道，也没有相关试验手段可以借鉴。

基于上述技术现状，有必要设计出能模拟高坝工程水库库区及高坝工程下游水体环境的、用于定性或定量分析压力、温度、水质、水体紊动强度等因素对水体溶解气体含量影响的试验装置，进而用于分析高坝工程水库库区及高坝工程下游河流水环境的变化过程，这对高坝工程水库库区生态环境的研究，指导高坝工程水库库区以及高坝工程下游的生态环境的改善都将产生重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供兼具水体环境模拟和水体溶解气体含量测定功能的试验装置，以便于掌握影响水体溶解气体含量的因素，分析水体溶解气体含量对高坝工程水库库区及高坝工程下游河流水环境和生态环境的影响。

本发明提供的兼具水体环境模拟和水体溶解气体含量测定功能的试验装置，包括压力釜、磁力驱动式搅拌器、空气压缩机、输气管、输水管、水泵、控制阀、温度控制组件和溶解气体含量测定仪，所述压力釜由下端封闭的筒状压力釜本体和安装在压力釜本体上端的密封盖组成，所述密封盖上设有进气口和射流孔并安装有压力表、压力调节阀、安全气阀和带阀门的进水管，所述压力釜本体上设有出水口、压力釜本体底部安装有带阀门的排空管；所述磁力驱动式搅拌器包括第一磁力驱动式搅拌器和第二磁力驱动式搅拌器，第一磁力驱动式搅拌器位于压力釜本体内腔底部并安装在压力釜本体的底壁上，第二磁力驱动式搅拌器位于压力釜本体内腔中部并安装在压力釜本体的侧壁上；所述输气管的一端与空气压缩机连接，另一端经密封盖上的进气口伸入压力釜本体内腔下部；所述输水管的一端与压力釜本体上的出水口连接，另一端与密封盖上的射流孔连接，所述水泵和控制阀设置在输水管上；所述温度控制组件包括感温器件、加热器件和控温器件，所述感温器件和加热器件位于压力釜本体内腔中，控温器件位于压力釜外部，感温器件和加热器件通过线缆与控温器件连接；所述溶解气体含量测定仪包括测定探头和主体部分，所述测定探头位于压力釜本体内腔中，主体部分位于压力釜外部，测定探头通过线缆与主体部分连接。

上述试验装置中，所述射流孔的数量为至少1个，当射流孔的数量超过1个时，输水管的一端与压力釜本体上的出水口连接、另一端通过支管分别与各射流孔连接，各支管上均设置有阀门。所述射流孔的数量优选为1～10个，当射流孔的数量超过1个时，各射流孔优选在密封盖上均匀分布。

上述试样装置中，根据不同的试验需求，可将射流孔设置为不同的形状，例如圆形、方形、星形等形状。

上述试验装置中，所述进气口设置在密封盖的中心部位。

上述试验装置中，所述出水口处设有滤网，该滤网安装在压力釜本体内壁上。当压力釜中采用含泥沙或含污染物的水进行试验时，滤网的设置可防止泥沙或污染物进入水泵影响水泵正常运行。

上述试验装置中，所述出水口设置在压力釜本体的侧壁中部或下部。

上述试验装置中，为了有效减少试验时压力釜中出现水体运动性差的死角，所述压力釜本体最好是呈下端封闭的圆筒结构。

上述试验装置中，所述第二磁力驱动式搅拌器的数量为2～6个。

本发明所述试验装置能够对高坝工程水库库区的水环境以及高坝工程下游河流的水环境进行模拟，例如：对于高坝工程水库，其中的水体的流动性差，因而水质条件往往较差，通过向本发明所述试验装置的压力釜中加入不同水质条件的水，例如加入不同含盐量、不同污染物含量或者不同泥沙含量的水来模拟实际高坝工程水库库区的水质环境；对于高坝工程水库，水深度大，因而水体中的压力较高，通过本发明所述试验装置的压力釜与空气压缩机及压力调节阀的配合，可实现对高坝工程水库不同水深处压力环境的模拟；对于高坝工程水库中水体的紊动，特别对于高坝工程向下游河道泄水造成的下游水体产生高强度紊动，可通过本发明所述试验装置的水泵、控制阀以及射流孔位置和数量的配合来调整射流强度，通过第一磁力驱动式搅拌器和第二磁力驱动式搅拌器的设置、开启的数量和搅拌转速的调整来实现搅拌强度的调整，通过射流强度、搅拌强度或二者的配合，可以模拟不同强度的水体紊动强度；对于高坝工程水库或者高坝工程下游水体在不同地区和不同季节的水温，可通过向实验装置的压力釜中加入不同水温的水、以及与温度控制组件的配合来进行模拟。

本发明所述兼具水体环境模拟和水体溶解气体含量测定功能的试验装置的使用方法如下：

将压力釜的密封盖盖合在压力釜本体上，使控制阀、压力调节阀和安全气阀处于关闭状态，通过进水管向压力釜中通水淹没设置在反应釜中的溶解气体含量测定仪的测定探头、温度控制组件的感温器件和加热器件、磁力驱动式搅拌器，使输气管的出气端位于水面之下，通水完毕后，关闭进水管上的阀门，然后根据不同的试验目的，可通过以下调节形成不同的试验条件，模拟不同的水体环境，通过溶解气体含量测定仪测定不同试验条件下水体溶解气体的含量：

①通过向压力釜中通入不同水质的水，例如通入不同含盐量、不同污染物含量或者不同泥沙含量的水，可考察不同水质条件对压力釜中水体溶解气体含量的影响；

②通过通入不同水温的水，温度控制组件的作用，或者是通过二者的配合对水温进行调控，可考察不同水温条件对压力釜中水体溶解气体含量的影响；

③通过空气压缩机和压力调节阀的配合，可实现对压力釜中压力的调节，考察不同压力条件对压力釜中水体溶解气体含量的影响；

④通过水泵、控制阀、射流孔位置和数量的配合，可得到不同的射流条件，考察不同射流条件对压力釜中水体溶解气体含量的影响；

⑤通过调整第一磁力驱动式搅拌器和第二磁力驱动式搅拌器的开启数量和搅拌转速，可得到不同的搅拌强度，用于考察不同水体紊动条件对压力釜中水体溶解气体含量的影响；

⑥通过对上述①～⑤项试验条件的不同组合，可用于考察以上水质、水温、压力、水体紊动强度等多种因素对水体溶解气体含量的影响；

试验结束后，关闭磁力驱动式搅拌器、空气压缩机、水泵、控制阀、温度控制组件、溶解气体含量测定仪的电源，打开安全气阀将压力釜中的压力泄至常压，然后打开压力釜底部排空管的阀门将压力釜中的水体排除，打开压力釜的密封盖，用水将压力釜内的各部件清洗干净即可。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.本发明提供的兼具水体环境模拟和水体溶解气体含量测定功能的试验装置是一种用于研究多种因素对水体溶解气体含量影响的试验装置，由于该装置能够模拟高坝工程水库及高坝工程下游河流的水体环境，并且各种影响因素均可以单独或者同时调整，能提供丰富的试验条件，研究者利用该试验装置可系统地了解水质条件、水体压力、水温、水体紊动强度等因素对水体溶解气体含量的影响，进而用于分析高坝工程水库库区及高坝工程下游河流水环境的变化过程，这对高坝工程水库库区生态环境的研究，指导高坝工程水库库区以及高坝工程下游的生态环境的改善都将产生重要的意义。

2.本发明所述兼具水体环境模拟和水体溶解气体含量测定功能的试验装置的结构简单，容易生产制造或者采用现有设备进行组合改装，具有制作成本低廉和易于推广应用的优势。

3.本发明提供的试验装置还为高坝工程水库库区及高坝工程下游水环境的恶化及生态系统退化影响因素的研究提供了新的思路。

附图说明

图1是本发明所述兼具水体环境模拟和水体溶解气体含量测定功能的试验装置的结构示意图；

图中，1—压力釜、1-1—压力釜本体、1-2—密封盖、2—进水管、3—进气口、4—射流孔、5—压力表、6—压力调节阀、7—安全气阀、8—出水口、9—排空管、10-1—第一磁力驱动式搅拌器、10-2—第二磁力驱动式搅拌器、11—空气压缩机、12—输气管、13—输水管、14—水泵、15—控制阀、16-1—感温器件、16-2—加热器件、16-3—控温器件、17-1—测定探头、17-2—主体部分、18—滤网。

具体实施方式

下面通过实施例结合附图对本发明所述兼具水体环境模拟和水体溶解气体含量测定功能的试验装置及其使用方法进一步说明。

实施例1

本实施例中，兼具水体环境模拟和水体溶解气体含量测定功能的试验装置的结构示意图如图1所示，包括压力釜1、磁力驱动式搅拌器、空气压缩机11、输气管12、输水管13、水泵14、控制阀15、温度控制组件和溶解气体含量测定仪。

所述压力釜1由下端封闭的圆筒状压力釜本体1-1和安装在压力釜本体上端的密封盖1-2组成，该压力釜能承受1MPa的压力，所述密封盖1-2上设有进气口3和射流孔4并安装有压力表5、压力调节阀6、安全气阀7和带阀门的进水管2，所述进气口3设置在密封盖的中心部位，射流孔的数量为1个，射流孔设置在接近密封盖中心部位的位置，所述压力釜本体1-1的高度为100cm、直径为80cm，压力釜本体1-1侧壁下部设有出水口8、压力釜本体底部安装有带阀门的排空管9。

所述磁力驱动式搅拌器包括1个第一磁力驱动式搅拌器10-1和2个第二磁力驱动式搅拌器10-2，磁力驱动式搅拌器均由为蓬莱禄昊化工机械有限公司生产的磁力偶合搅拌器，第一磁力驱动式搅拌器10-1位于压力釜本体1-1内腔底部并安装在压力釜本体的底壁上，2个第二磁力驱动式搅拌器10-2位于压力釜本体1-1内腔中部并安装在压力釜本体的侧壁上。

所述输气管12的一端与空气压缩机11连接，另一端经密封盖1-2上的进气口伸入压力釜本体1-1内腔下部，所述空气压缩机11是由昆山金诚机电设备有限公司生产的TA-65活塞空气压缩机；所述输水管13的一端与压力釜本体1-1上的出水口8连接，另一端与密封盖1-2上的射流孔4连接，所述水泵14和控制阀15设置在输水管11上；所述温度控制组件包括感温器件16-1、加热器件16-2和控温器件16-3，所述感温器件16-1为热电偶、加热器件16-2为电热管、控温器件16-3为上海德兆仪器仪表有限公司生产的瓯龙温度调节仪，所述感温器件和加热器件位于压力釜本体内腔中，控温器件位于压力釜外部，感温器件和加热器件通过线缆与控温器件连接；所述溶解气体含量测定仪包括测定探头17-1和主体部分17-2，所述测定探头17-1位于压力釜本体内腔中，主体部分17-2位于压力釜外部，测定探头通过线缆与主体部分连接，溶解气体含量测定仪为美国YSI公司生产的水温水质多参数测定仪。

实施例2

本实施例中，兼具水体环境模拟和水体溶解气体含量测定功能的试验装置的结构示意图如图1所示，包括压力釜1、磁力驱动式搅拌器、空气压缩机11、输气管12、输水管13、水泵14、控制阀15、温度控制组件和溶解气体含量测定仪。

所述压力釜1由下端封闭的圆筒状压力釜本体1-1和安装在压力釜本体上端的密封盖1-2组成，该压力釜能承受1.5MPa的压力，所述密封盖1-2上设有进气口3和射流孔4并安装有压力表5、压力调节阀6、安全气阀7和带阀门的进水管2，所述进气口3设置在密封盖的中心部位，射流孔的数量为10个，各射流孔在密封盖1-2上均匀分布，所述压力釜本体1-1的高度为140cm、直径为100cm，压力釜本体1-1侧壁下部设有出水口8、压力釜本体底部安装有带阀门的排空管9。

所述磁力驱动式搅拌器包括1个第一磁力驱动式搅拌器10-1和6个第二磁力驱动式搅拌器10-2，第一磁力驱动式搅拌器为带搅拌子的磁力搅拌器，第二磁力驱动式搅拌器均由为蓬莱禄昊化工机械有限公司生产的磁力偶合搅拌器，第一磁力驱动式搅拌器10-1位于压力釜本体1-1内腔底部并安装在压力釜本体的底壁上，各第二磁力驱动式搅拌器10-2均匀设置在压力釜本体1-1内腔中部并安装在压力釜本体的侧壁上。

所述输气管12的一端与空气压缩机11连接，另一端经密封盖1-2上的进气口伸入压力釜本体1-1内腔下部，所述空气压缩机11是由昆山金诚机电设备有限公司生产的TA-65活塞空气压缩机；所述输水管13的一端与压力釜本体1-1上的出水口8连接，另一端与密封盖1-2上的射流孔4连接，所述水泵14和控制阀15设置在输水管11上；所述温度控制组件包括感温器件16-1、加热器件16-2和控温器件16-3，所述感温器件16-1为热电偶、加热器件16-2为电热管、控温器件16-3为上海德兆仪器仪表有限公司生产的瓯龙温度调节仪，所述感温器件和加热器件位于压力釜本体内腔中，控温器件位于压力釜外部，感温器件和加热器件通过线缆与控温器件连接；所述溶解气体含量测定仪包括测定探头17-1和主体部分17-2，所述测定探头17-1位于压力釜本体内腔中，主体部分17-2位于压力釜外部，测定探头通过线缆与主体部分连接，溶解气体含量测定仪为美国YSI公司生产的水温水质多参数测定仪。

实施例3

本实施例中，说明实施例1或实施例2所述试验装置的使用方法。

将压力釜的密封盖盖合在压力釜本体上，使控制阀、压力调节阀和安全气阀处于关闭状态，通过进水管向压力釜中通水淹没设置在反应釜中的溶解气体含量测定仪的测定探头、温度控制组件的感温器件和加热器件、磁力驱动式搅拌器，使输气管的出气端位于水面之下，通水至反应釜有效容积的70％～80％后，关闭进水管上的阀门，然后根据不同的试验目的，可通过以下调节形成不同的试验条件，模拟不同的水体环境，通过溶解气体含量测定仪测定不同试验条件下水体溶解气体的含量：

①通过向压力釜中通入不同水质的水，例如通入不同含盐量、不同污染物含量或者不同泥沙含量的水，可考察不同水质条件对压力釜中水体溶解气体含量的影响；

②通过通入不同水温的水，温度控制组件的作用，或者是通过二者的配合对水温进行调控，可考察不同水温条件对压力釜中溶解气体含量的影响；

③通过空气压缩机和压力调节阀的配合，可实现对压力釜中压力的调节，考察不同压力条件对压力釜中水体溶解气体含量的影响；

④通过水泵、控制阀、射流孔位置和数量的配合，可得到不同的射流条件，考察不同射流条件对压力釜中水体溶解气体含量的影响；

⑤通过调整第一磁力驱动式搅拌器和第二磁力驱动式搅拌器的开启数量和搅拌转速，可得到不同的搅拌强度，可用于考察不同水体紊动条件对压力釜中水体溶解气体含量的影响；

⑥通过对上述①～⑤项试验条件的不同组合，可用于考察以上水质、水温、压力、水体紊动强度等多种因素对水体溶解气体含量的影响；

试验结束后，关闭磁力驱动式搅拌器、空气压缩机、水泵、调节阀、温度控制组件的电源打开安全气阀将压力釜中的压力泄至常压，然后打开压力釜底部排空管的阀门将压力釜中的水体排除，打开压力釜的密封盖，用水将压力釜内的各部件清洗干净即可。