CN100548894C

CN100548894C - 应用于湖泊沉积物-水界面过程研究的室内模拟装置

Info

Publication number: CN100548894C
Application number: CNB2007101334067A
Authority: CN
Inventors: 王建军; 沈吉; 瞿文川
Original assignee: Nanjing Institute of Geography and Limnology of CAS
Current assignee: Nanjing Institute of Geography and Limnology of CAS
Priority date: 2007-10-19
Filing date: 2007-10-19
Publication date: 2009-10-14
Anticipated expiration: 2027-10-19
Also published as: CN101172668A

Abstract

本发明提供一种应用于湖泊沉积物-水界面过程研究的室内模拟装置，其主要包括水动力扰动系统、光照系统、恒温水浴系统、自动取样系统四部分，其优点在于：采集的湖泊沉积物直接放置在保温箱中，可以人为控制界面水动力扰动、界面光照、界面温度以及上覆水化学特性，并且可以连续长时间运转和多次采样，而不影响沉积物以及界面过程；能够较大范围的满足预设实验条件要求，以达到研究人员对界面化学或者生物过程研究的基本要求。本系统结构结构紧凑，装拆更换零部件方便，运转平稳可靠且廉价，可长时间不间断的运转，使用寿命长。

Description

应用于湖泊沉积物-水界面过程研究的室内模拟装置

技术领域

本发明涉及用以研究界面化学和生物过程的实验室模拟设备，特别是一种应用于湖泊沉积物-水界面过程研究的室内模拟装置，属于地学及环境科学领域。

背景技术

浅水湖泊和河流沉积物-水界面的化学，物理以及生物过程是最为活跃的，而这些过程在实际过程中，由于受到风浪，船只以及底栖动物的影响，而难以捕捉。因此，浅水湖泊和河流的沉积物-水界面的研究在多数情况下是在实验室内进行的，不过很多均存在着实验装置的设计的不合理性，这些问题在某种程度上带来实验误差，如静态培养方式，由于沉积物的耗氧作用，会使得沉积物-水界面氧气侵蚀深度变浅，甚至使得全部沉积物呈现厌氧状态。野外实际状况下，沉积物表层是有一定的好氧层的，好氧层的厚度在毫米级别之内，曝气或者搅动上覆水水体，可以改变因静止造成的厌氧状态。再比如，室内沉积物-水界面研究，由于研究体积较大，温度控制较难进行，有些实验可能会采用室内空调控温，但是，由于房间体积较大会造成控温不稳定且达到预期温度所需时间较长；也有人采用培养箱控温，但是，该种控温方式下，由于空气干燥，很容易造成上覆水因为快速蒸发而减少体积，且实验操作空间小，实际操作不方便.假如采用水浴控温，那么会很大程度上缩短降温时间，稳定最终温度，减少上覆水的蒸发。目前，实验室内进行的界面研究在对实验条件，如光照、界面充氧、温度等方面兼顾难以齐全，其主要原因还在于实验设备的不完善和未加以整合。

发明内容

本发明的目的是克服上述缺陷，提供一种应用于湖泊沉积物-水界面过程研究的室内模拟装置，能够将多种因素(温度，光照，氧气，上覆水性质，扰动等)综合考虑，用于沉积物-水界面的研究。

本发明的上述目的是这样实现的：一种应用于湖泊沉积物-水界面过程研究的室内模拟装置，含设有顶盖、底塞的沉积物柱状样采集管，采集管内有采集的柱状沉积物样品，包括沉积物及其上覆水，其特征是还设有水动力扰动系统、光照系统、恒温水浴系统及自动取样系统：

水动力扰动系统设有位于恒温水浴中心上方的调频电机，其输出轴下端联接磁铁，多个沉积物柱状样采集管环绕电机输出轴设置于恒温水浴内，沉积物柱状样采集管顶盖上设有固定向下伸入上覆水中的垂直杆，垂直杆下端活动连接磁转子，该磁转子位于电机输出轴下端磁铁的磁场范围内；

光照系统设有光源，光源下方设置一透明质地的降温槽，自来水管接入降温槽的入口，降温槽出口接下水道.降温槽下方设有遮光层；

恒温水浴系统设置于遮光层下方，内设保温箱中的热交换器外接恒温槽；恒温槽中的循环水被泵出，流经热交换器后又流回恒温槽；保温箱内设有潜水泵；

自动取样系统，包括一高于保温箱水平的补水池，补水池出水口连通沉积物柱状样采集管顶盖上的活动密封螺纹进水口，顶盖上的活动密封螺纹出水口连通注射器；还设有电极通过顶盖的活动密封孔伸入至上覆水中。

所说光源为金卤灯，通过遮光层后的光强为0-600μmol m^-2 s^-1。

本发明的优点及效果：1，可有效的控制沉积物以及上覆水水体的温度，波动范围小(±1℃)，达到预设目标温度时间短；2，为上覆水及表层沉积物提供光照，光谱有利于光合作用(涵盖400-700nm)，光强可以通过不同级别的遮光布进行调节(0-600μmol m^-2 s^-1)，且通过降温槽解决了灯源过热对仪器造成的问题提升；3，通过中心磁铁形成的磁场带动采样管中的内磁转子同步转动，且转动速度可以调节(0～500rpm)，降低甚至杜绝沉积物过度厌氧造成的实验误差；4，控制三通阀的开关，由于重力作用，采样管内形成的内压会推进上覆水进入注射器内，这种自动采样方式，能够大大的降低实验人员的工作强度；5，结构结构紧凑，装拆更换零部件方便，运转平稳可靠且廉价，可长时间不间断的运转，使用寿命长。

附图说明

图1是模拟系统总体示意图；

图2是模拟系统中的沉积物柱状样采集管；

图3是恒温水浴俯视图；

图4是模拟系统立体图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明：

附图标号说明：1，光源(金卤灯)；2，降温槽进水管；3，降温槽；4，电机保护罩；5，电极a；6，电极b；7，盖子；8，箱内胆；9，上覆水；10，电机；11，中心磁铁；12，热交换器；13，沉积物柱状样采集管；14，遮光布；15，降温槽出水管；16，补水池；17，三通阀；18，注射器；19，进水管；20，进水口(或出水口，接三通阀)；21，采集管洞位；22，取样管；23，内磁转子；24，保温箱；25，沉积物；26，湖水；27，垂直杆；28，连接器；29，圆形平板；30，连接杆；31，潜水泵

参看图1-4，模拟系统由水动力扰动系统，光照系统，恒温水浴系统，自动取样系统四部分构成。水动力扰动系统中电机10的中心轴下方设有中心磁铁11，沉积物柱状样采集管13的顶盖7设有固定的垂直轴杆30，其方接一连接器28，连接器28活动连接与外设中心磁铁11同步转动的内磁转子23。光照系统采用金卤灯1作为光源，金卤灯1下方设置一玻璃质地的降温槽3，自来水管接入降温槽的入口，降温槽出口接入下水道.降温槽下方设有遮光布14，可以根据实验目的选择使用不同遮光效率(如20％)。恒温水浴系统保温箱中的热交换器12外接恒温槽(图略)；恒温槽中的循环水被泵出，流经热交换器后又流回恒温槽，从而保证湖水26的温度达到恒温槽内的水温，保温箱内部安置潜水泵31，用来促进保温箱24内的湖水26流动。自动取样系统设有一高于保温箱水平的补水池16，补水池出水口依次连接三通阀，硅胶管，三通阀，采集管顶盖上的进水口20，然后，采集管顶盖上的出水口依次连接三通阀，硅胶管，注射器，使用过程中，开放三通阀，重力作用下，采集管13中的上覆水9就会被自动压入注射器18中。沉积物柱状样采集管顶盖内侧有密封橡胶圈；盖子上方有四个孔(两个插入电极，另两个是补水及取样)，在不进行实验的时候，可以使用密封螺丝封住孔。根据实验目的，与进出水管相连的三通阀17或者在线电极5/6可以代替密封螺丝活动密封固定在孔上。保温箱24内可以放置一配套的箱内胆8，箱内胆由三根连接杆8活动连接两圆形平板29，上方一圆形平板中心螺丝固定电机罩4，四周有一定数量的圆形采集管洞位21.此外，金卤灯1可以通过电线与定时器连接控制电路开关，该部分图略。同时省略的图有：热交换器12通过水管与恒温槽相连以控制热保温箱24内的湖水26温度。电机10与调频器相连接以控制内磁转子23转速。

本模拟系统的操作方法如下：

1，按照图4，将电机10，中心磁铁11，已经与恒温槽相连接的热交换器12安放在箱内胆8上，然后将箱内胆放入保温箱24内；

2，在保温箱24中注入相应的湖水26；放入潜水泵31并接通电源；

3，启动恒温槽(以及泵)；并设置相应的温度；

4，确认保温箱24中水体温度达到了预设温度后，将装有待测沉积物和部分上覆水的采样管13放入采样管洞位21中；

5，按照采集管盖子7，连接器28，内磁转子23的顺序安装好内磁转子；

6，盖上采集管盖子7，并顺序接好补水池16，三通阀17，进水管19，三通阀，采样管盖子上的进水口20；开启三通阀，排空进水管中的空气并注入补给水直至溢流；连接注射器18至盖子的出水口；

7，对每个采集管13，重复上述4-6步骤，直至所有采集管均接好；

8，启动调频电机，调节至预设转速；

9，引入降温槽3的进水，放置一定的遮光布；接通金卤灯1的电源；

10，(根据实验目的)计算时间，进行例行采样；采样时，打开相应三通阀开关，让补水池16中的水流出进入采样管中，直至注射器18中的水达到了一定体积，关闭三通阀；取出注射器中的水样，并将干净的注射器再次安放至原位；重复上述采样过程，直至采集完所有样品；根据实验要求分析水样的物理，化学及生物性质等；

11，(根据实验目的)将电极5或者6接入采样管盖子7的进出水口上，计算时间，连续观测上覆水水体的相关参数变化；

12，依次关闭光源1，降温槽3进水，电机10，恒温槽(含泵)，潜水泵31；

13，依次拆卸采样管进水口出口的三通阀(或电极a/b)，进水管，采样管盖子，内磁转子，连接器；

14，使用潜水泵排干保温箱中的水，并取出装有沉积物的采样管，潜水泵，热交换器.

15，(根据实验目的)在取出装有沉积物的采样管后，对沉积物进行分层取样或者只取表层样，然后分析沉积物样品的物理，化学以及生物性质等.

16，清点仪器配件，实验结束.

实施案例：

太湖是典型的大型浅水富营养化湖泊，关于太湖底栖藻类的分布及其在生态系统中作用的研究也有待开展。根据以前对太湖采集的几个沉积物短柱(水深1-2米区域)的硅藻分析结果，表明从表层以下3cm到表层硅藻数量增加了200倍，达1×107valves/g，且多为中-富营养化(底栖)种属；阎荣等人最近在太湖局部湖区底泥中检测到了越冬活体藻类；另外在边沿岸带水深小于0.5米的水域，也发现底栖藻类的存在。因此MPB有在太湖广泛分布的可能性。太湖另一个特征是不同湖区情况各异，表现在生物群落结构与富营养水平在空间和时间分布的不均匀性。如太湖北部受工业和生活污水影响，湖泊富营养化严重为典型藻型湖泊，其中五里湖已属异常富营养化，梅梁湾属极度富营养化；大太湖属富营养化而太湖南部基本属中-富营养化；而东太湖以沉水植物为主，为典型草型湖泊。根据太湖的实际情况，我们选择了太湖的一个点进行实验，采集24根沉积物，用于平行实验.沉积物柱在培养系统中过夜平衡，控制水温，光强及搅拌速度等。第二天开始培养实验，监测/记录O₂，pH和温度变化；采集碱度/TCO₂等样品.对太湖的界面过程模拟实验结果表明，该实验装置运行良好，可很方便的调节温度，光照，转速和自动取样等，不同处理方式(如搅动强度)的实验结果差异显著，表明了实验装置的参数可调性；此外，平行样间的标准偏差约可控制在10％范围内，表明各管之间参与调节的同步性.

Claims

1、一种应用于湖泊沉积物-水界面过程研究的室内模拟装置，含设有顶盖、底塞的沉积物柱状样采集管，采集管内有采集的柱状沉积物样品，包括沉积物及其上覆水，其特征是还设有水动力扰动系统、光照系统、恒温水浴系统及自动取样系统：

光照系统设有光源，光源下方设置一透明质地的降温槽，自来水管接入降温槽的入口，降温槽出口接下水道，降温槽下方设有遮光层；

2、根据权利要求1中所述的应用于湖泊沉积物-水界面过程研究的室内模拟装置，其特征是所说光源为金卤灯，通过遮光层后的光强为0-600μmol m^-2s^-1。