一种河道沉积物中氮磷转化模拟装置及方法

摘要

本发明提供了一种河道沉积物中氮磷转化模拟装置及方法，属于营养盐的迁移转化领域。该河道沉积物中氮磷转化模拟装置包括：供水系统、模拟系统、取样系统、测量系统；所述供水系统用于向模拟系统提供富含氮磷营养盐的水；所述模拟系统用于模拟氮磷污染物在土壤中的迁移转化过程；所述取样系统用于从模拟系统中采集水样；所述测量系统用于测量模拟系统中流出的水量。利用本发明能够在室内很好地模拟河水中的氮磷营养物质在沉积物中的迁移转化并逐渐入渗到地下水中的过程。

说明书

技术领域

本发明属于营养盐的迁移转化领域，具体涉及一种河道沉积物中氮磷转化模拟装置及方法。

背景技术

由于经济的发展，大量污水排放到河流中，河水中的氮磷营养物质逐渐积累，引起河水的富营养化现象。河水过量的氮磷会在沉积物中富集，并逐渐入渗到地下水中。由于研究的需要，需要设计一套研究这一迁移转化过程的室内实验装置，进行物理模拟。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的难题，提供一种河道沉积物中氮磷转化模拟装置及方法，模拟氮磷污染物在土壤中的迁移转化过程。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明的第一个方面，提供了一种河道沉积物中氮磷转化模拟装置，所述装置包括：供水系统、模拟系统、取样系统、测量系统；

所述供水系统用于向模拟系统提供富含氮磷营养盐的水；

所述模拟系统用于模拟氮磷污染物在土壤中的迁移转化过程；

所述取样系统用于从模拟系统中采集水样；

所述测量系统用于测量模拟系统中流出的水量。

本发明的进一步改进在于，所述供水系统包括水桶、水泵、输水管；

所述水泵设置在水桶中；

所述输水管与水泵连接；

在所述输水管上设置有流量自动调节装置。

本发明的进一步改进在于，所述模拟系统包括模拟槽；

在所述模拟槽内装填有粗砂和土壤；

在所述模拟槽内设置有多组注水及测量部件；多组注水及测量部件沿模拟槽的长度方向均布；每组注水及测量部件均包括地下水注水管和地下水位测管；每个地下水注水管和地下水位测管的高度均大于模拟槽的高度，且每个地下水注水管、每个地下水位测管的下端均直接与模拟槽的底面接触；

在每组注水及测量部件旁边设置有一组土壤水分采集器；每组土壤水分采集器包括多个测头，每个测头的安装深度不同。

本发明的进一步改进在于，在每个地下水注水管的下部开有多组出水孔，每组出水孔包括多个位于同一水平高度上且在圆周上均布的出水孔；

在每个地下水位测管上开有多组测量孔，每组测量孔包括多个位于同一水平高度上且在圆周上均布的测量孔；

在所述地下水位测管的内腔中安装有地下水位传感器。

本发明的进一步改进在于，在所述模拟槽的一个侧壁的上端开有地表出流三角堰；

在开有地表出流三角堰的侧壁的下部还开有至少一个放水孔，在每个放水孔上分别连接有放水阀门。

本发明的进一步改进在于，所述取样系统包括：取样导管、取样瓶；

所述取样瓶位于模拟槽的外部；

每个所述取样导管的一端与土壤水分采集器中的一个测头连接，另一端与取样瓶连接；

在取样瓶的开口端设置有塞子，塞子上开有两个连接口，一个连接口与取样导管连接，另一个连接口与导气管连接。

本发明的进一步改进在于，所述测量系统采用翻斗测量器，其设置在所述放水阀门的下方；

所述翻斗测量器包括长方体形状的壳体；

在所述壳体内腔中的上部设置有接水器，所述接水器为多边形漏斗状，其出口为接水器孔；

在所述接水器的正下方设置有缓冲器，所述缓冲器采用多边形漏斗，其下部开有出口；

在所述缓冲器的下方设置有翻斗；

在所述翻斗的下方的两侧分别设置有调节顶针。

本发明的进一步改进在于，所述翻斗包括底板、分隔板和侧板；

所述底板为长方形板状结构，所述分隔板与底板的宽度方向平行，且位于底板的对称轴平面上；所述分隔板与底板垂直，且下端与底板固定连接，分隔板将翻斗分隔成两个相同的接水斗；

在底板的两个长边上分别设置有侧板，两个侧板均与底板垂直，且下端均与底板固定连接；

每一侧的侧板的形状均为等腰三角形，分隔板的两侧分别与两个侧板的底边上的高连接；

所述缓冲器的出口位于分隔板的正上方；

在所述底板的下方对应分隔板的位置处设置有旋转轴；

在每个接水斗的下方分别设置有一个调节顶针，在壳体的底面上开有螺纹孔，调节顶针采用螺纹杆，螺纹杆的下端连接在螺纹孔内。

本发明的进一步改进在于，在所述壳体内腔中还设置有翻斗支架；

所述翻斗支架包括两个支撑板，两个支撑板与壳体的底面垂直，且与壳体的前侧壁、后侧壁平行；

在每个支撑板上均开有孔，两个孔的中心轴线位于同一条水平线上，所述旋转轴的两端分别安装在两个支撑板的孔内。

本发明的第二个方面，提供了一种河道沉积物中氮磷转化模拟的方法，所述方法包括：

(1)、在水桶里配置好氮磷营养盐的水；

(2)、在模拟槽内从下至上依次装填好第一粗砂层、第二粗砂层和实验土样层；

(3)、用水泵抽取水桶内的氮磷营养盐的水，通过输水管同时给地下水注水管供水和土壤表层供水；供水的同时，打开放水阀门；水样在土壤中发生反应后，部分水样通过放水阀门流出，部分水样通过地表出流三角堰流出，计算得到地表出流三角堰的流量，并通过翻斗测量器测量得到放水阀门的水量；

(4)、定期用取样瓶抽取土壤中的水样，并采集放水阀门、地表出流三角堰流出的水样、注水管中的水样和土壤表层中的水样，化验得到水样中的氨氮、硝态氮、亚硝态氮、总氮、正磷酸盐、总磷含量。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：利用本发明能够在室内很好地模拟河水中的氮磷营养物质在沉积物中的迁移转化并逐渐入渗到地下水中的过程。

附图说明

图1本发明河道沉积物中氮磷转化模拟装置的结构示意图；

图2本发明河道沉积物中氮磷转化模拟装置中的某个断面的土壤水采集管的埋设方式示意图；

图3本发明河道沉积物中氮磷转化模拟装置中的地下注水管和测管的结构示意图；

图4本发明河道沉积物中氮磷转化模拟装置中的翻斗测量器的结构示意图。

图5本发明河道沉积物中氮磷转化模拟装置中的翻斗测量器在初始状态时缓冲器的出口对应翻斗的位置图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述：

本发明提供了一种河道沉积物中氮磷转化模拟装置，所述装置包括：供水系统，模拟系统，取样系统、测量系统。所述供水系统用于向模拟系统提供富含氮磷营养盐的水；所述模拟系统用于模拟含氮磷污染物的水体在地表或者地下水进入土壤后的运移过程中发生的物理和化学反应，即模拟氮磷污染物在土壤中的迁移转化过程。所述取样系统用于从模拟系统中采集水样；所述测量系统用于测量模拟系统中流出的水量。

本发明的实施例如下：

【实施例一】

所述供水系统包括水桶11、水泵12、流量自动调节装置13、输水管14。所述水泵12设置在水桶11中，所述输水管14与水泵12连接，在所述输水管14上设置有流量自动调节装置13。水桶11的容积可以根据实际需要进行设计，本实施例中的水桶的容积为1立方米。

在水桶11内盛放有配置好的一定浓度的氮磷营养盐溶液，溶液的种类和浓度根据实验需要进行设计即可，本实施例中采用硝酸盐溶液(本实施例中采用的浓度为：30mg/L以氮计)或者磷酸盐溶液(本实施例中采用的浓度为：1mg/L以磷计)。

利用位于水桶11内的水泵12抽取氮磷营养盐溶液，通过输水管14向模拟系统供水。供水的大小由流量自动调节装置13调节，本实施例中流量为125L/h。流量自动调节装置13采用现有的流量自动调节装置即可，在此不再赘述。

【实施例二】

所述模拟系统包括模拟槽21、地下水注水管22，地下水位测管23，加固部件24，放水阀门26，地表出流三角堰27。

所述模拟槽21的尺寸可以根据实际需要进行设计，本实施例中的模拟槽21的尺寸为：长6米，宽1米，高1.2米，材质为不锈钢。由于模拟槽1的体积比较大，为了加固模拟槽21，优选的，在其外部设置有加固部件24，加固部件24可以采用钢制框架，套在模拟槽21的外部即可。

在所述模拟槽21内装填有粗砂和土壤，具体的，在模拟槽21的底部装填有一层粒径为10mm的粗砂，形成第一粗砂层，所述第一粗砂层的高度为h4，本实施例中h4为5cm。在第一粗砂层的上方装填有一层粒径为5mm的粗砂，形成第二粗砂层，所述第二粗砂层的高度为h3，本实施例中h3为5cm。在第二粗砂层的上方装填有一层实验土样，形成实验土样层。所述实验土样层的高度为h2，本实施例中h2为1m。

在模拟槽21内设置有多组注水及测量部件，优选的，多组注水及测量部件沿模拟槽21的长度方向均布，且位于模拟槽21长度方向上的中心线上。本实施例中，模拟槽的长度为6米，因此在沿其长度方向的1.5米、3米和4.5米处分别设置有一组注水及测量部件。每一组注水及测量部件包括地下水注水管22和地下水位测管23，每组中的地下水注水管22和地下水位测管23相距10-15cm即可。

每个地下水注水管22和地下水位测管23的高度均大于模拟槽21的高度，且每个地下水注水管22、每个地下水位测管23的下端均直接与模拟槽21的底面接触。本实施例中，每个地下水注水管22和地下水位测管23的高度均为1.5米。

如图3所示，在每个地下水注水管22的下部开有多组出水孔，本实施例中各个出水孔的直径为3mm。优选的，在地下水注水管22开有出水孔的范围为从地下水注水管的底端到距离地下水注水管的底端10cm高度处，一组出水孔包括多个位于同一水平高度上的在圆周上均布的出水孔，本实施例中一组出水孔包括4个出水孔，即在同一个高度上每隔90度打一个孔，共打4个孔，各组出水孔的垂直间距为2cm，即相邻两组出水孔之间在高度上相距2cm。这样，从地下水注水管22的上端进入的溶液能够从各个出水孔进入到模拟槽的下方。

在每个地下水位测管23上开有多组测量孔，本实施例中各个测量孔的直径为3mm。优选的，开有测量孔的范围为从地下水位测管23的底端到距离地下水位测管23的底端100cm高度处，一组测量孔包括多个位于同一水平高度上的在圆周上均布的测量孔，本实施例中一组测量孔包括4个测量孔，即在同一个高度上每隔90度打一个孔，共打4个孔，各组测量孔的垂直间距为10cm，即相邻两组测量孔之间在高度上相距10cm。

在所述地下水位测管23的内腔中安装有地下水位传感器28，这样，土壤中的水能够从各个测量孔进入到地下水位测管23内，通过地下水位传感器28即可测量得到实验土样中的地下水位。地下水位传感器28采用现有的水位传感器即可，在此不再赘述。

在模拟槽21内设置有多组土壤水分采集器。优选的，多组土壤水分采集器沿模拟槽21的长度方向均布，本实施例中，模拟槽的长度为6米，因此在沿长度方向上的1.5米，3米、和4.5米处这三个断面处分别安装有一组土壤水分采集器，即在每组注水及测量部件旁边设置一组土壤水分采集器。

具体的，如图2所示，每组土壤水分采集器包括5个测头，5个测头的安装深度分别为10,20,30,50,70cm，每组中的5个测头的中心轴线所在的平面与模拟槽的宽度方向平行。每组土壤水分采集器采用现有的土壤水分采集器即可，例如可以采用200520110649.5专利公开的土壤水分采集器，在此不再赘述。

在模拟槽21的一个侧壁的上端开有地表出流三角堰27，具体的，在模拟槽21的一个侧壁的上边缘开有一个三角形槽作为所述地表出流三角堰27，三角形槽的底边位于侧壁的上边缘，与底边相对的三角形槽的顶点位于侧壁的上边缘的下方，该顶点处的角度θ为15度，如图2所示。

同时，在所述模拟槽21设置有地表出流三角堰27的侧壁的下部开有两个放水孔，本实施例中，放水孔的直径为75mm，优选的，两个放水孔沿该侧壁的垂直中心轴线对称分布。在每个放水孔上分别连接有放水阀门26，通过开闭放水阀门26的大小可以调整放水的流量。

图1中，利用输水管14向模拟系统供水可以采用以下三种方式：

1，只将输水管14的另一端放置到模拟槽21内的实验土样层上(即土壤表层处)，直接向土壤表层输入溶液，即向土壤表层供水，这样能够模拟地表水向地下水补给的过程；

2，只将输水管14的另一端与地下水注水管22连接，溶液通过输水管14进入到地下水注水管22内，通过地下水注水管22进入到模拟槽21的底部，这样能够模拟地下水向地表水补给的过程；

3，将输水管14的另一端分成两个分支，一个分支直接放置到模拟槽21内的实验土样层上，另一个分支与地下水注水管22连接，这样能够模拟地表水和地下水相互补给的过程。

【实施例三】

所述取样系统包括：取样导管31，取样瓶32。所述取样瓶32位于模拟槽21的外部。每个所述取样导管31的一端与土壤水分采集器中的一个测头连接，另一端与取样瓶32连接。图1中仅仅画出了与一组土壤水分采集器连接的取样瓶。

具体的，在取样瓶32的开口端设置有塞子，塞子上开有两个连接口，一个连接口与取样导管31连接，另一个连接口与导气管33连接，不抽气时，将与导气管33连接的连接口用铝铆钉堵上，本实施例中铝铆钉的直径为5mm。导气管33为硅胶管，能够与抽气泵连接。

当需要取水时，拔掉铝铆钉，将导气管与抽气泵连接，把取样瓶32中的空气抽掉，使取样瓶内的压力降为-75Kpa，抽完真空后，用铝铆钉将该连接口堵住，这样在真空的作用下，实验土样层中的水分就会依次经过测头、取样导管31进入到取样瓶32中。

【实施例四】

所述测量系统采用翻斗测量器41，其设置在所述放水阀门26的下方。如图4所示，所述翻斗测量器41包括长方体形状的壳体，在壳体的内腔中设置有接水器42、缓冲器44、翻斗45、翻斗支架46、调节顶针47。

具体的，在所述壳体内腔中的上部设置有接水器42，所述接水器42为多边形漏斗状，本实施例中的接水器42包括两个从上向下倾斜的斜面，一个斜面的顶边与壳体的左侧壁上边缘连接，另一个斜面的顶边与壳体的右侧壁上边缘连接，每个斜面的两个侧边分别与壳体的前侧壁、后侧壁连接，两个斜面的底边通过一块横板连接，该横板与水平面平行，在横板上开有接水器孔43。

在所述接水器42的下方设置有缓冲器44，所述缓冲器44采用多边形漏斗，其下部开有出口。接水器孔43位于缓冲器44的正上方。

在所述缓冲器44的下方设置有翻斗45，在翻斗45的下方的两侧分别设置有调节顶针47。

具体的，所述翻斗45包括底板、分隔板和侧板，所述底板为长方形板状结构，所述分隔板与底板的宽度方向平行，且位于底板的对称轴平面上，分隔板将底板分隔成左右相等的两部分，所述分隔板与底板垂直，且下端与底板固定连接，这样，通过分隔板将翻斗45分隔成两个相同的接水斗。

在底板的两个长边上分别设置有侧板，两个侧板均与底板垂直，且下端均与底板固定连接。所述分隔板的两侧分别与两侧侧板的中部固定连接，且两侧的侧板的上边缘均从分隔板的最高点向底板两侧的短边倾斜，即每一侧的侧板的形状均为等腰三角形，分隔板的两侧分别与两个侧板的底边上的高连接。优选的，每个侧板的等腰三角形的两个底角的角度均为30度。所述缓冲器的出口位于分隔板的正上方。

在所述底板的下方对应分隔板的位置处设置有旋转轴，即旋转轴与底板的宽度方向平行，且旋转轴的中心轴线位于底板的对称轴平面上。

在每个接水斗的下方分别设置有一个调节顶针47，当接水斗向下倾斜时，调节顶针47能够与底板的下表面接触，将接水斗支撑住。调节顶针47的高度是可调节的，具体的，在壳体的底面上开有螺纹孔，调节顶针47采用螺纹杆，螺纹杆的下端连接在螺纹孔内，通过旋转螺纹杆即可调节调节顶针47的高度。

所述调节顶针47的高度需要满足以下要求：当将一侧的调节顶针47调节到最小高度时，即一侧的调节顶针最矮时，当该侧的接水斗被调节顶针47顶住时，能够保证另一侧接水斗的侧板的上边缘与水平面平行。当将一侧的调节顶针47调节到最大高度时，即一侧的调节顶针最高时，当该侧的接水斗被调节顶针47顶住时，能够保证另一侧接水斗的侧板的上边缘与水平面呈15度夹角。这样通过调节顶针47的高度，就可以调节每次接水斗接水的体积V

使用时，先根据实验要求计算好调节顶针47的高度，并将两侧的调节顶针47调整到相同的高度，初始状态时，使右侧的接水斗的底板与该侧的调节顶针接触，即右侧的接水斗向下倾斜，左侧的接水斗向上倾斜，此时分隔板也向右倾斜。当水流入接水器42后，水会顺着两个斜面向下流入到横板处，并通过横板上的接水器孔43流到缓冲器44内，经过缓冲器44的出口流到翻斗45上，由于缓冲器的出口是位于分隔板的正上方，当分隔板倾斜后缓冲器的出口即对准左侧的接水斗靠近分隔板的位置48处(如图5所示)，水从缓冲器44流入到左侧的接水斗内，由于底板向右倾斜，水会向中间的分隔板处聚集，当水越来越多到达该侧接水斗的边缘时，左侧接水斗会向下倾斜，水从左侧接水斗流下，流到壳体的底面上，同时右侧接水斗向上倾斜，此时分隔板向左倾斜，缓冲器的出口对准右侧的接水斗靠近分隔板的位置处，水流入到右侧的接水斗内，当水越来越多到达右侧接水斗的边缘时，右侧接水斗向下倾斜，左侧接水斗向上倾斜，这样，只要有液体从缓冲器44流下，就会一直重复该过程。初始状态时也可以让右侧接水斗先向上倾斜，工作过程与上述过程相同，在此不再赘述。

每一个接水斗的体积是V

F＝V

所述翻斗支架包括两个支撑板，两个支撑板与壳体的底面垂直，且与壳体的前侧壁、后侧壁平行，在每个支撑板上均开有孔，两个孔的中心轴线位于同一条水平线上，旋转轴的两端分别安装在两个支撑板的孔内。

缓冲器44的两侧分别安装在壳体的前侧壁、后侧壁上，进一步的，还可以将一个支撑板的上端延伸到缓冲器44的下方，并在支撑板的上端设置缓冲器安装板，缓冲器的下端固定在缓冲器安装板上，在缓冲器安装板上同样开孔，该孔与缓冲器的出口对齐并连通，这样通过缓冲器安装板对缓冲器起到了很好的支撑作用。

利用上述装置进行河道沉积物中氮磷转化模拟的方法的实施例如下：

【实施例五】

所述方法包括：

1、在水桶里配置一定浓度的硝酸盐溶液(30mg/L以氮计)或者磷酸盐溶液(1mg/L以磷计)；

2、装填粗砂和土壤，在模拟槽的底部装填h4(5cm)高度的粒径为10mm的粗砂，往上填装h3(5cm)高度粒径为5mm的粗砂，在往上装填h2高度(1m)的实验土样，实验土样层的表面到模拟槽的上端面的距离为h1，如图2所示。

3、用水泵抽取氮磷营养盐的水，同时给地下水注水管22供水和土壤表层供水，供水的大小由流量自动调节装置13调节，本实施例中的流量为125L/h。供水的同时，打开放水阀门26，水一直向模拟槽灌入，所供水样在土壤中充满发生反应后(供水的流量大，阀门开得小，保持水在土壤表面有5cm深的水面，这样水在土壤中可以发生反应)，部分水样通过阀门26流出，部分水样通过三角堰27流出，通过三角堰公式(堰槽测流规范(中华人民共和国水利行业标准SL24-91))计算得到三角堰的流量，通过翻斗测量器41测量得到放水阀门的水量。

4、定期(例如每天)用取样瓶32抽取土壤中的水样，并采集放水阀门、三角堰出水水样、注水管中的水样和土壤表层中的水样(其中，阀门、三角堰的出水水样是直接在阀门、三角堰处接到的水样，而土壤中的水样是通过取样瓶抽取到的，注水管的水样和土壤表层的水样是直接在注水管内、土壤表层采集到的。)，在实验室化验水中的氨氮、硝态氮、亚硝态氮、总氮、正磷酸盐、总磷，通过这些数据以及三角堰的流量、放水阀门的流量就能够分析得到氮磷在土壤中的迁移转化过程，具体的分析过程采用现有技术即可实现，在此不再赘述，本发明旨在保护获得这些数据的装置和方法。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明的描述中，除非另有说明，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

最后应说明的是，上述技术方案只是本发明的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施方式所描述的方法，因此前面描述的方式只是优选的，而并不具有限制性的意义。