CN103371098B - 水生植物的实验装置、实验系统和水生植物的实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种水生植物的实验装置、实验系统和水生植物的实验方法。所述水生植物的实验装置包括：用于放置水和水生植物的实验筒；在所述实验筒内的不同深度设置的至少两个旋转机构；以及在所述实验筒的不同深度设置的至少两根取样导管。本发明的实验环境为在原型水体中，并且以风扇作为动力来使水体流动，从而能够在原型水体中、在流速可控的实验条件下，研究水的流速对水生植物的生长情况的影响。

Description

水生植物的实验装置、实验系统和水生植物的实验方法

技术领域

本发明涉及水生植物的实验领域，特别是指一种水生植物的实验装置、实验系统和水生植物的实验方法。

背景技术

近年来，随着对营养盐循环机理认识的不断加深，不少学者开始通过研究水体的流动状态来分析水体富营养化的影响因素。

以藻类为例，目前水动力条件对藻类影响的研究试验方法主要为：现场观测，在水华发生期间测量河流断面的流量、流速、水质和水环境指标，建立流速和叶绿素a浓度之间的关系式，分析流速对藻类生长的影响。这种方法由于流速不可控而难以研究不同流速下藻类的生长情况。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种水生植物的实验装置、实验系统和水生植物的实验方法，能够在流速可控的实验条件下研究水的流速对水生植物的生长情况的影响。

为解决上述技术问题，本发明的实施例提供技术方案如下：

一方面，提供一种水生植物的实验装置，包括：

用于放置水和水生植物的实验筒；

在所述实验筒内的不同深度设置的至少两个旋转机构；以及

在所述实验筒的不同深度设置的至少两根取样导管。

所述实验筒包括：相互连通的上筒、中筒以及下筒；

所述上筒与所述中筒卡合连接；

所述中筒和所述下筒卡合连接。

所述至少两个旋转机构包括：位于所述上筒内部的第一旋转机构、位于所述中筒内部的第二旋转机构以及位于所述下筒内部的第三旋转机构。

所述第一旋转机构包括：第一电机和与所述第一电机通过联轴器连接的第一组扇叶；

所述第二旋转机构包括：第二电机和与所述第二电机通过联轴器连接的第二组扇叶；

所述第三旋转机构包括：第三电机和与所述第三电机通过联轴器连接的第三组扇叶。

所述第一电机通过第一支架固定在所述上筒内；

所述第二电机通过第二支架固定在所述中筒内；

所述第三电机通过第三支架固定在所述下筒内。

所述上筒的顶部为敞口；

所述下筒的底部设置有网状结构的底盖；所述底盖上面铺设有过滤膜。

另一方面，提供一种水生植物的实验系统，包括上述的实验装置，还包括：与所述实验装置的至少两根取样导管均连接的水泵。

所述的水生植物的实验系统，还包括：用于固定所述实验装置的固定结构，所述固定结构设置在所述实验装置的实验筒外、且与所述实验筒连接。

所述的水生植物的实验系统，还包括：与所述实验装置的的至少两个旋转机构一一对应电连接的至少两个转速控制器。

所述旋转机构与所述转速控制器通过电缆连接，所述实验筒的侧壁上设置有用于使所述电缆通过的通孔。

另一方面，提供一种水生植物的实验方法，包括：

将所述实验筒放置在原型水体中，使所述实验筒内流入所述原型水体的水；

在所述实验筒内放置水生植物；

在所述实验筒内的水的不同深度处设置至少两个旋转机构；

以预定转速使所述至少两个旋转机构转动预定时长；

对经过所述至少两个旋转机构作用后的所述实验筒内的不同深度的水和水生植物进行取样。

所述对经过所述至少两个旋转机构作用后的所述实验筒内的不同深度的水和水生植物进行取样的步骤包括：

在所述实验筒的侧壁上的不同深度设置至少两根取样导管，所述取样导管的顶端露出所述原型水体的水面；

将所述取样导管连接水泵；

使用所述水泵对所述实验筒内的不同层的水和不同层的水生植物进行取样。

本发明的实施例具有以下有益效果：

上述方案中，实验环境为在原型水体中，并且以风扇作为动力来使水体流动，从而能够在原型水体中、在流速可控的实验条件下，研究水的流速对水生植物的生长情况的影响。

附图说明

图1为本发明所示的水生植物的实验装置的实验筒的主视图；

图2为本发明所示的水生植物的实验装置的实验筒的俯视图；

图3为本发明所示的水生植物的实验系统的示意图；

图4为本发明所示的水生植物的实验方法的流程示意图。

具体实施方式

为使本发明的实施例要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

以下结合图1、图2，以水生植物为水生藻类为例，描述本发明所示的水生植物的实验装置，包括：

用于放置水和水生植物的实验筒11；

在所述实验筒内的不同深度设置的至少两个旋转机构12；以及

在所述实验筒的不同深度设置的至少两根取样导管13。

使用时，实验筒11设置在原型水体中，所述实验筒11与所述原型水体连通，所述实验筒11内放置有水生植物和所述原型水体的水。旋转机构12用于以预定转速转动预定时长，取样导管13用于对经过所述旋转机构作用后的所述实验筒内的不同层的水和不同层的水生植物进行取样。

图2的实施例中，实验筒分为三层，相应的设置有三个旋转机构12。

所述实验筒包括：相互连通的上筒、中筒以及下筒；

所述上筒与所述中筒卡合连接；所述中筒和所述下筒卡合连接。

所述至少两个旋转机构12包括：位于所述上筒内部的第一旋转机构、位于所述中筒内部的第二旋转机构以及位于所述下筒内部的第三旋转机构。

相应的，所述至少两根取样导管包括：所述上筒侧壁上设置的第一取样导管；所述中筒侧壁上设置的第二取样导管；所述下筒侧壁上设置的第三取样导管。

使用时，所述取样导管13的顶部露出原型水体的水面，所述取样导管连接水泵时用于对所述实验筒内的不同层的水和不同层的水生植物进行取样。

如图2所示，旋转机构12分别包括：电机121和与所述电机121通过联轴器(图中未示意出)连接的一组扇叶122。

在该实施例中，所述第一旋转机构包括：第一电机和与所述第一电机通过联轴器(图中未示意出)连接的第一组扇叶；所述第二旋转机构包括：第二电机和与所述第二电机通过联轴器连接的第二组扇叶；所述第三旋转机构包括：第三电机和与所述第三电机通过联轴器连接的第三组扇叶。电机通过所述联轴器带动扇叶转动，所述扇叶可以水平设置在所述实验筒内。

其中，电机121通过支架123固定在实验筒内。在该实施例中，所述第一电机通过第一支架固定在所述上筒内；所述第二电机通过第二支架固定在所述中筒内；所述第三电机通过第三支架固定在所述下筒内。

所述上筒的顶部为敞口；所述下筒的底部设置有网状结构的底盖111；所述底盖111上面铺设有过滤膜(图中未示出)，所述过滤膜用于将实验筒内的水生植物和所述实验筒外的水生植物隔离开来。其中网状结构和过滤膜的孔隙的大小由实验筒内的水生植物的大小决定。

所述实验筒11的外壁由透明材料制成，这样，可以保证实验筒内的水生植物的关照。可选的，所述透明材料为亚克力材料。

以下具体描述实验筒和其内部结构组成。

以三层为例，实验筒11分为上筒(位于上层)、中筒(位于中间层)、下筒(位于下层)三部分，使用时按照顺序依次组装。其中，上筒半径可以为1000mm，高度可以为1000mm，扇叶的半径可以为800mm；中筒半径可以为1000mm，高度可以为1000mm，扇叶的半径可以为800mm；下筒半径可以为1000mm，高度可以为1000mm，扇叶的半径可以为800mm，下筒与底盖无缝熔接。筒身构件可以采用10mm厚的亚克力，通过卡扣21固定连接上、中、下三筒，组成一个半径为1000mm、高度为3000mm的容器。

以下描述上筒以及上筒的内部结构。上筒内部可以由支架123将电机121固定。支架采用网状结构，使得上筒、中筒、下筒之间连通。上筒内的支架由螺栓固定，以方便拆装。为保证强度，支架123可以采用铝合金的型材制作。电机121通过联轴器与扇叶122相连，联轴器带动4片扇叶转动。电机的控制电缆通过电机盒上端的孔洞引出至岸边的电机转速控制器，电机转速控制器需要供给220V的交流电源，电机转速控制器可以放置在用于挡雨的操作箱中。电机转速可以在0.5转/min～20/min转/min之间。为减少扇叶的转动阻力，叶片的形状设计为流线形状，最大宽度可以为400mm。筒侧壁上安装第一导管，用于连接水泵进行抽水取样。上筒的下沿安装4个卡扣21，可以通过螺栓与中筒连接固定。

以下描述中筒以及中筒的内部结构。中筒的内部由铝合金支架123将电机121固定。支架采用网状结构，使得上筒、中筒、下筒之间连通。中筒内的支架由螺栓固定。电机121通过联轴器与扇叶122相连，联轴器带动4片扇叶122转动。中筒的侧壁上预留有小孔，用来引出电机的控制电缆，即电机的控制电缆通过筒侧的孔洞引出至岸边的电机转速控制器，电机转速控制器可以放在用于挡雨的操作箱内，并给电机转速控制器提供220V的交流电源。电机转速可以在0.5转/min～20转/min之间调整。叶片形状设计流线形状，最大宽度为400mm。中筒的侧壁上安装第二导管，用于连接水泵进行抽水取样。中筒的上、下沿各安装4个卡扣21，用螺栓与上筒、下筒连接固定。

以下描述下筒以及下筒的内部结构。下筒内部由铝合金支架将电机固定，筒内支架由螺栓固定。支架采用网状结构，使得上筒、中筒、下筒之间连通。电机121通过联轴器与扇叶122相连。下筒的侧壁上还预留小孔，用来引出电机的控制电缆，即，电机的控制电缆通过筒侧的孔洞引出至岸边的操作箱。操作箱内放置电机转速控制器，用于挡雨，并给电机转速控制器提供220V的交流电源。电机转速可以在0.5转/min～20转/min之间调整。扇叶可以由3片组成，叶片形状设计为流线形状，最大宽度为400mm。下筒的底盖制作为网状，底盖上部铺设滤膜，在防止外部藻类进入的条件下，使水体自由交换。下筒的侧壁上安装导管，用于连接水泵进行抽水取样。下筒的上沿安装4个卡扣，用螺栓与中筒连接固定。

本发明的实验装置既可以保证原水的状态(温度、光照、营养物、水流流态)，又可以用电机分别调节不同水深条件下的流速，以观测不同水深流速场和水面波动特性下的水的pH值，叶绿素a、溶解氧、浊度、电导率的变化情况，研究不同水深的分层条件下水动力条件的改变对水质的影响，以及水质变化对藻类等水生植物生长的影响。

如图3所示，为本发明所述的一种水生植物的实验系统，包括上述的实验装置40。

如上所述，实验装置40包括：

用于放置水和水生植物的实验筒11；在所述实验筒内的不同深度设置的至少两个旋转机构12；以及在所述实验筒的不同深度设置的至少两根取样导管13。

水生植物的实验系统还包括：与所述实验装置40的至少两根取样导管均连接的水泵50。

所述的水生植物的实验系统，还包括：用于固定所述实装置的固定结构60，所述固定结构60设置在所述实验装置40的实验筒11外、且与所述实验筒11连接。

所述的水生植物的实验系统，还包括：与所述实验装置40的至少两个旋转机构12一一对应电连接的至少两个转速控制器70。所述转速控制器70用于控制所述风扇的转速。

所述实验装置40的旋转机构12与所述转速控制器70通过电缆连接，所述实验筒11的侧壁上设置有用于使所述电缆通过的通孔(图中未示出)。

如图4所示，为本发明所示的水生植物的实验方法，包括：

步骤41，将所述实验筒放置在原型水体中，使所述实验筒内流入所述原型水体的水；其中，所述实验筒的顶端为敞口，所述实验筒的顶端露出所述原型水体的水面；所述实验筒的底部设置有网状结构的底盖；所述底盖上面铺设有过滤膜。所述过滤膜用于隔离实验筒内的水生植物和所述实验筒外的水生植物。

步骤42，在所述实验筒内放置水生植物；

步骤43，在所述实验筒内的水的不同深度处设置至少两个旋转机构；

步骤44，以预定转速使所述至少两个旋转机构转动预定时长；

步骤45，对经过所述至少两个旋转机构作用后的所述实验筒内的不同深度的水和水生植物进行取样。

步骤45包括：

步骤451，在所述实验筒的侧壁上的不同深度设置至少两根取样导管，所述取样导管的顶端露出所述原型水体的水面；

步骤452，将所述取样导管连接水泵；

步骤453，使用所述水泵对所述实验筒内的不同层的水和不同层的水生植物进行取样。

对水和水生植物和进行取样后，检测水的水质和水生植物的生长状态，从而研究不同水深的分层条件下水动力条件的改变对水质的影响，以及水质变化对藻类生长的影响。

本发明中所述的水生植物可以为藻类等，也可以为其他水生植物。

本发明针对现有技术中未能全面考虑水动力因素(尤其是水体分层流速)影响以及无法完全还原真实藻类生长环境(温度、光照、营养物、水流流态)的问题，提出将本藻类生态槽安置在原型水体中，并通过独立安装多个动力装置，来实现水体的分层扰动，对不同水深下的藻类及水质情况进行研究，真实模拟原水在不同的水文、水质、水生态分层条件下的藻类的生长情况。

本实验为现场实验，结合了室内实验和现场观测的优点，既能模拟自然状态下的生境条件，又能实现水动力条件的可控性。主要优点为：

(1)实验在自然水体中开展，光照、温度、水下光热结构以及水体营养盐浓度均为自然状态。

(2)通过在不同水深下分层设置多个浆片(扇片)，来控制实验水体的分层流速，并对不同深度下的水体进行取样分析，研究不同水深分层条件下水动力条件的改变对水质的影响，以及对水生植物的影响。

(3)实验水体的体积相对较大，藻类生长空间接近自然条件，优于室内藻类生长培育的实验。

(4)装置可移植，用于现场不同地点，可重复使用。

(5)设计的模型与外部环境透过滤膜进行水体交换。这样保证了实验水体内营养盐浓度完全接近于实际环境。可以通过控制水流的流速来模拟各种不同的工况，研究水动力条件改变对藻类生长速率的影响。

在实验领域中，运用本发明，通过调整水体流场结构，对在不同深度下的流速场和水面波动特性下藻类生长情况进行观测，记录不同水深分层条件下叶绿素a浓度(Chla)和其他水质参数随时间的变化值，分析水动力条件的改变对藻类生长速率的影响。调查湖库水华发生的时间、地点、程度、范围等，分析藻类组成、藻类密度和优势种类；研究优势藻类的生活习性和繁殖特点以及藻类生长与流速、营养盐(N、P)、水深、温度、光照、溶解氧等因素的关系。通过生态动力模型实验，掌握典型水华优势藻种在相同气候气象条件下的生理生长特点，研究关键生境要素改变(光照、营养物、水动力条件)对其生理生长特性影响的阈值范围与藻类的生态响应特点，模拟不同水深的水动力条件改变诱使藻类生境变迁，进而迫使优势藻类种群衰亡的连锁反应机制及其调控模式，提出表征水文、水动力条件改变控制藻类生长的指标和阈值范围。为预测水华和控藻措施提供基础试验依据；获取小江优势藻种的基本生长参数，为数学模型提供计算参数。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种水生植物的实验装置，其特征在于，包括：

用于放置水和水生植物的实验筒；

在所述实验筒内的不同深度设置的至少两个旋转机构；以及

在所述实验筒的不同深度设置的至少两根取样导管；

所述实验筒包括：相互连通的上筒、中筒以及下筒；

所述上筒与所述中筒卡合连接；

所述中筒和所述下筒卡合连接；

所述至少两个旋转机构包括：位于所述上筒内部的第一旋转机构、位于所述中筒内部的第二旋转机构以及位于所述下筒内部的第三旋转机构；

所述第一旋转机构包括：第一电机和与所述第一电机通过联轴器连接的第一组扇叶；

所述第二旋转机构包括：第二电机和与所述第二电机通过联轴器连接的第二组扇叶；

所述第三旋转机构包括：第三电机和与所述第三电机通过联轴器连接的第三组扇叶；

所述第一电机通过第一支架固定在所述上筒内；

所述第二电机通过第二支架固定在所述中筒内；

所述第三电机通过第三支架固定在所述下筒内；

所述上筒的顶部为敞口；

所述下筒的底部设置有网状结构的底盖；所述底盖上面铺设有过滤膜。

2.一种水生植物的实验系统，其特征在于，包括权利要求1所述的实验装置，还包括：与实验装置的至少两根取样导管均连接的水泵。

3.根据权利要求2所述的水生植物的实验系统，其特征在于，还包括：用于固定所述实验装置的固定结构，所述固定结构设置在所述实验装置的实验筒外、且与所述实验筒连接。

4.根据权利要求3所述的水生植物的实验系统，其特征在于，还包括：与所述实验装置的至少两个旋转机构一一对应电连接的至少两个转速控制器。

5.根据权利要求4所述的水生植物的实验系统，其特征在于，所述实验装置的旋转机构与所述转速控制器通过电缆连接，所述实验筒的侧壁上设置有用于使所述电缆通过的通孔。

6.一种水生植物的实验方法，其特征在于，利用权利要求2-5任意一项所述的实验系统进行，包括：

将所述实验筒放置在原型水体中，使所述实验筒内流入所述原型水体的水；

在所述实验筒内放置水生植物；

在所述实验筒内的水的不同深度处设置至少两个旋转机构；

以预定转速使所述至少两个旋转机构转动预定时长；

对经过所述至少两个旋转机构作用后的所述实验筒内的不同深度的水和水生植物进行取样。

7.根据权利要求6所述的水生植物的实验方法，其特征在于，所述对经过所述至少两个旋转机构作用后的所述实验筒内的不同深度的水和水生植物进行取样的步骤包括：

在所述实验筒的侧壁上的不同深度设置至少两根取样导管，所述取样导管的顶端露出所述原型水体的水面；

将所述取样导管连接水泵；

使用所述水泵对所述实验筒内的不同层的水和不同层的水生植物进行取样。