CN102659246B

CN102659246B - 一种恢复沉水植被的水下补光系统

Info

Publication number: CN102659246B
Application number: CN 201210140952
Authority: CN
Inventors: 邹丽莎; 聂泽宇; 施积炎; 姚笑颜; 陈英旭
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2012-05-09
Filing date: 2012-05-09
Publication date: 2013-10-09
Anticipated expiration: 2032-05-09
Also published as: CN102659246A

Abstract

本发明公开了一种恢复沉水植被的水下补光系统。当前恢复水生植已逐步成为水体污染治理重点。本发明包括水下部分、陆地部分、水陆连接部分，水下部分通过水陆连接部分与陆地部分相连；水下部分包括调节杆、电线、光源传感器、防水LED光源；陆地部分包括太阳能电池、LED电源控制装置；太阳能电池与LED电源控制装置相连接，LED电源控制装置通过电线与水下部分相连接；水陆连接部分包括牵引绳、浮子、固定桩；牵引绳的一端通过浮子与调节杆中心连接点相连接，另一端与固定桩相连接，浮子漂浮于水面。本发明水下光源传感器和LED电源控制装置共同调节防水LED光源，实现智能控制，节能环保、简单实用，为沉水植物的生长恢复补充光照。

Description

一种恢复沉水植被的水下补光系统

技术领域

本发明属于环境保护生态工程技术领域，尤其涉及一种恢复沉水植被的水下补光系统，更具体的说，是恢复富营养化水体中沉水植被生物群落的补光系统。

背景技术

水体在处于富营养化的状态下，往往存在两种有明显差异的情况：一种是水质清澈，有很高的生物多样性，沉水植物生物群落丰富。另一种是水质混浊，水中生物以浮游植物为主，这样导致光的可利用性降低，阻碍大型水生植物的生长。沉水植物是整个植物体沉没在水下的植物类群，是水体生物多样性赖以维持的基础。自20世纪80年代以来，沉水植物逐步受到人们的关注，植被的恢复重现是湖泊富营养化治理的关键，这一观点得到了广泛的认同。恢复水生植被逐步成为富营养化水体治理的重要内容。

水下光强对维系水体生态系统的健康起着重要作用。富营养化的水体中，由于水体溶解物、悬浮颗粒物、水深和藻类大量繁殖的影响，源自太阳的光能迅速衰减，加之在水气交界处的损失(10％左右)，水体中易发生光照不足的现象，因此水下光照缺乏是沉水植物消亡的直接原因。富营养化水体中藻类易爆发，覆盖在上层水体遮住水下光线，影响沉水植物的光合作用。因此，需要借助辅助手段引入水下光源。

沉水植物光合作用的光补偿点，决定了沉水植物在水下可分布的最大深度和光合产量及其竞争能力。富营养化水体中CDOM和浮游植物都有累积遮光效应，水生植物在这样的体系中更易受到光因子的限制。有研究表明：（1）光照强度与水深呈显著负相关；（2）光补偿深度与透明度呈显著线性相关；（3）水体深度大于光补偿深度是造成沉水植物死亡的重要原因。因此，借助辅助手段增强水下光照是恢复沉水植被的有效措施。

目前，水体富营养化治理主要采用营养盐控制、生物调控、水生高等植物修复、物理生态工程等技术手段。通过植物自身的生长代谢可大量吸收氮、磷等水中的营养物质、吸附悬浮颗粒物并抑制藻类生长。现有沉水植物恢复方法（可调节的受污染浅水湖泊沉水植物恢复方法及装置，专利申请200910229851.2；一种水下可调复合式生态净化水质装置，专利申请号200820151309.0；一种净化富营养化水体的潜没式生态悬床，专利申请号200910034673.8）可根据透明度及水质参数调整浮床的入水深度，从而促进沉水植被的恢复以去除水体营养盐。

国内外研究者已对水体富营养化的治理进行了较为广泛的研究，研发了一系列技术，但现有的沉水植物恢复方法，都是利用各种形式的潜式悬床固定植被。浮床成本高，后期管理维护繁琐。我国大中型浅水湖泊水体的透明度不高，水深达到一定的深度后，沉水植物由于光照的减弱而难以正常生长，是水体生态恢复亟待解决的难题。目前未见有水下补光系统用于恢复沉水植被的报道，该补光体系的设计对于富营养化水体的生态恢复具有积极的意义。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种恢复沉水植被的水下补光系统，来解决富营养化水体由于浊度高、水体透光性低造成的沉水植被难以恢复的问题。

本发明包括水下部分、陆地部分、水陆连接部分，水下部分通过水陆连接部分与陆地部分相连接。

水下部分包括调节杆、电线、光源传感器、防水LED光源；其中调节杆有四根，每根调节杆长度均为3m，且中心开有通孔，四根调节杆通过插销固定于调节杆中心连接点，每根调节杆可沿水平方向自由旋转；调节杆自调节杆中心连接点向外，每隔25cm开有一个光源固定孔，电线自调节杆中心连接点向外顺着调节杆布置，并在每个光源固定孔处留有电线接口；防水LED光源与光源固定孔处留有的电线接口相连接，固定在光源固定孔下方50cm处；尼龙绳一端连接防水LED光源，另一端固定在光源固定孔上，尼龙绳和电线共同牵引防水LED光源；光源传感器固定在调节杆中心连接点下方60cm处，用于探测水下植物生长所处区域的光照强度。

陆地部分包括太阳能电池、LED电源控制装置；太阳能电池与LED电源控制装置相连接，LED电源控制装置通过电线与水下部分相连接，并将太阳能转化的电能引入水下照明，然后通过光源传感器探测水下植物生长所处区域的光照强度，根据特定恢复植物的需光要求设定光照强度值，由LED电源控制装置调节防水LED光源开启的盏数及强度。

水陆连接部分包括牵引绳、浮子、固定桩；牵引绳的一端通过浮子与调节杆中心连接点相连接，另一端与固定桩相连接；固定桩固定于陆地表面，固定整个系统的位置；浮子漂浮于水面；牵引绳、浮子共同调节水下部分在水面之下的深度。

所述的水下部分设计有光源传感器，且LED防水光源数量不固定，可灵活选择、调整的同时可根据待恢复植物的需光特点，选定特定波长的LED防水光源；光源传感器可将光强信息传导至LED电源控制装置，若水下光强低于设定值则自动开启LED防水光源，若水下光强高于设定止则关闭光源，实现自动化控制LED防水光源。

所述的防水LED光源采用放水射灯或者LED防水灯条，不使用时防水LED光源与电线接口处可封闭，接入时防水LED光源与电线接口处用胶带缠绕密封防止漏水。

所述的太阳能电池功率为200W，尺寸为1335mm*990mm*40mm。

本发明有益效果如下：

1.本发明可调节防水LED光源在水下的深度，并可控制灯具在水平和垂直方位上的布置。在调节杆调整灯具在水平方向上的安装位置，选择合适的排放密度，实现最优光源布局。

2.根据待恢复植物对光质的需求特点，选定特定光谱的防水LED光源，具有很高的针对性和灵活性。

3.根据不同植物不同生长期对光强的需求特点，调节最适补光强度，避免光能的浪费。

4.沉水植物移栽前，可先利用紫外光源照射，分解一定量底泥和水体中的污染物，能起到对底泥的消毒作用。

5.采用太阳能电池供电，通过该补光系统将太阳能引入水下发光，有效利用能源。

6.通过光源传感器探测水下光强，将信息传导至防水LED光源控制装置，可智能调节开启的LED灯的数量和光照强度，具有节能环保的特点。

7.不使用时，调节杆可转动合并到一起，防水LED光源可拆卸，便于携带、存放和管理。该补光系统可灵活移动，不受区域位置限制。

综上，本发明提供了节能环保、简单实用且能实现智能控制的方式，为沉水植物的生长恢复补充光照。

附图说明

图1为本发明水下部分的俯视图；

图2为本发明水下部分的侧视图；

图3为本发明的示意图；

图中：调节杆中心连接点1、调节杆2、光源固定孔3、防水LED光源4、浮子5、电线6、光源传感器7、LED电源控制装置8、太阳能电池9、牵引绳10、固定桩11。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

一种恢复沉水植被的水下补光系统，包括水下部分、陆地部分、水陆连接部分，水下部分通过水陆连接部分与陆地部分相连接。

水下部分包括调节杆2、电线6、光源传感器7、防水LED光源4；其中调节杆有四根，每根调节杆长度均为3m，且中心开有通孔，四根调节杆通过插销固定于调节杆中心连接点1，每根调节杆2可沿水平方向自由旋转；调节杆2自调节杆中心连接点1向外，每隔25cm开有一个光源固定孔3，电线6自调节杆中心连接点1向外顺着调节杆布置，并在每个光源固定孔3处留有电线接口；防水LED光源4与光源固定孔3处留有的电线接口相连接，固定在光源固定孔3下方50cm处；尼龙绳一端连接防水LED光源，另一端固定在光源固定孔3上，和电线共同牵引防水LED光源；光源传感器7固定在调节杆中心连接点下方60cm处，用于探测水下植物生长所处区域的光照强度。

陆地部分包括太阳能电池9、LED电源控制装置8；太阳能电池9与LED电源控制装置8相连接，LED电源控制装置8通过电线与水下部分相连接，并将太阳能转化的电能引入水下照明，然后通过光源传感器探测水下植物生长所处区域的光照强度，根据特定恢复植物的需光要求设定光照强度值，由LED电源控制装置调节防水LED光源开启的盏数及强度。

水陆连接部分包括牵引绳10、浮子5、固定桩11；牵引绳10的一端通过浮子5与调节杆中心连接点1相连接，另一端与固定桩11相连接；固定桩11固定于陆地表面，固定整个系统的位置；浮子5漂浮于水面；牵引绳10、浮子5共同调节水下部分在水面之下的深度。

所述的水下部分设计有光源传感器，且防水LED光源数量不固定，可灵活选择、调整的同时可根据待恢复植物的需光特点，选定特定波长的防水LED光源；光源传感器可将光强信息传导至LED电源控制装置，若水下光强低于设定值则自动开启防水LED光源，若水下光强高于设定止则关闭光源，实现自动化控制防水LED光源。

所述的太阳能电池9功率为200W，尺寸为1335mm*990mm*40mm。

根据实际情况，通过调节牵引绳的长度，可控制水下部分入水的深度；同时可增加浮子数量，悬挂于不同的调节杆，调节水下部分的平衡。

根据水深和水体透明度，可调节防水LED光源的入水深度，同时可选择不同光源固定孔3固定防水LED光源，调节防水LED光源密度。

根据不同植物的需光特性，选择不同光谱的防水LED光源。

本发明工作过程如下：

步骤(1).恢复沉水植物前，先选用紫外光源照射，对底泥和水体进行消毒，分解部分污染物。

步骤(2).恢复沉水植物所需防水LED光源强度的确定：

水下光线微弱，光照强度低于植物光补偿点，植物净产量呈负值，植物无法生存，而不同水温或植株在不同年龄条件下的光补偿点数值是变化的。因此，本发明设置的光照强度高于植物的光补偿点，并根据实际情况需要，确定补光强度和光质。以黑藻、苦草、竹叶眼子菜、菹草、金鱼藻、狐尾藻、黄丝草几种沉水植物为例，具体说明如下：

1) 黑藻在水温偏低、光照偏强、偏酸性的条件下生长较好，而其最佳生长光照强度在840lx左右，因此，在恢复黑藻群落时保证光强在840lx左右。

2) 苦草萌发时无需光照，菹草萌发则需要光照。故恢复菹草时需要补充光照，而恢复苦草则可以不补充光照，节约电能。

3) 竹叶眼子菜种子在12h：12h光暗周期最适于萌发，相应补光周期则应设定为12h。

4) 金鱼藻单物种昼夜光补偿点为852±77lx，恢复金鱼藻则需调节光强高于852±77lx。

5) 狐尾藻单物种昼夜光补偿点为720±26lx，群落昼夜光补偿点为1430±72lx。恢复少量狐尾藻补充光强达720±26lx即可，恢复大量狐尾藻群落则补充光强需达到1430±72lx。

步骤(3).通过光源传感器7和陆地部分控制光源强度，以恢复沉水植物所需光源强度，下面以菹草群落为例：

恢复菹草物种昼夜光补偿点为781±46lx，恢复菹草群落昼夜光补偿点为1504±94lx。恢复菹草前，先用紫外光源对底泥进行消毒。恢复菹草的初期设定光照强度高于781±46lx即可，故设定光强临界值为830lx，在当水下光照强度低于临界光照强度时，按设定程序开启部分防水LED光源，若仍未达到830lx则系统再自动开启部分防水LED光源。在光照强度高的白天，若水下光强已达840lx，则防水LED光源不开启。同理，在恢复菹草群落时，可设定光照临界值为1600lx。在保证植物生长的同时，充分考虑到节能环保。

Claims

1. 一种恢复沉水植被的水下补光系统，包括水下部分、陆地部分、水陆连接部分，其特征在于：

水下部分通过水陆连接部分与陆地部分相连接；

水下部分包括调节杆、电线、光源传感器、防水LED光源；其中调节杆有四根，每根调节杆长度均为3m，且中心开有通孔，四根调节杆通过插销固定于调节杆中心连接点，每根调节杆可沿水平方向自由旋转；调节杆自调节杆中心连接点向外，每隔25cm开有一个光源固定孔，电线自调节杆中心连接点向外顺着调节杆布置，并在每个光源固定孔处留有电线接口；防水LED光源与光源固定孔处留有的电线接口相连接，固定在光源固定孔下方50cm处；尼龙绳一端连接防水LED光源，另一端固定在光源固定孔上，和电线共同牵引防水LED光源；光照传感器固定在调节杆中心连接点下方60cm处；

陆地部分包括太阳能电池、LED电源控制装置；太阳能电池与LED电源控制装置相连接，LED电源控制装置通过电线与水下部分相连接；

水陆连接部分包括牵引绳、浮子、固定桩；牵引绳的一端通过浮子与调节杆中心连接点相连接，另一端与固定桩相连接；固定桩固定于陆地表面，固定整个系统的位置；浮子漂浮于水面；牵引绳、浮子共同调节水下部分在水面之下的深度；

所述的防水LED光源采用放水射灯或者LED防水灯条，不使用时防水LED光源与电线接口处可封闭，接入时防水LED光源与电线接口处用胶带缠绕密封防止漏水；

所述的太阳能电池功率为200W，尺寸为1335mm*990mm*40mm。

2.如权利要求1所述的一种恢复沉水植被的水下补光系统，其特征在于：水下部分设置有光源传感器，且防水LED光源数量不固定，可灵活选择、调整的同时可根据待恢复植物的需光特点，选定特定波长的防水LED光源；光源传感器可将光强信息传导至LED电源控制装置，若水下光强低于设定值则自动开启防水LED光源，若水下光强高于设定止则关闭光源，实现自动化控制防水LED光源。