CN105004852B - 一种滨海湿地培养生态模拟系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种滨海湿地培养生态模拟系统，包括由不透水的透明材质制成的培养箱，所述培养箱的上层与下层通过隔板隔开，上层为土样培养区，用于容纳原始土样；下层为水样汇集区，用于容纳试验用水；在水样汇集区安装有水泵，所述水泵通过进水管路将试验用水泵入土样培养区；土样培养区与水样汇集区还设有安装有阀门的出水管路，用于将土样培养区的水流回土样培养区。本发明公开的滨海湿地培养生态模拟系统能够在不受外界影响的条件下准确创造潮汐环境，研究湿地土壤的机理，同时减少野外采样带来的不便，给湿地科学研究提供辅助工具。
Description
技术领域
本发明涉及一种生态模拟系统，属于生态研究领域。
背景技术
目前，对于滨海湿地生态系统的研究已经进入热门阶段。通常的研究方案是在自然条件下的湿地中研究自然条件变化对湿地生态的影响。但是，滨海湿地天气多变，且湿地受上流河流与下流海洋的双重影响，因此周围环境，如海洋潮汐活动、气候变化情况、湿地植被等因素都对研究工作带来干扰。同时，近些年各地为了刺激经济增长导致的过度开垦湿地资源也使得湿地生态受到巨大的人为干扰，导致在此类湿地上进行的研究无法真实反应湿地生态。
发明内容
针对已有研究中存在的问题，申请人通过大量研究发明了一种基于培养箱的滨海湿地生态模拟系统，该模拟系统实现了对滨海湿地形成过程的模拟，准确模拟海洋潮汐活动无外源物质输入的环境，阻止了自然条件下上下游水域、天气变化、植被等对湿地土壤产生的影响；同时，通过模拟自然条件下的潮汐活动，还原了湿地土壤的特殊微环境，即同时受周期性淹水产生的厌氧条件跟与周期性海水盐效应的影响，提高了模拟的真实性；最后，上述模拟系统减少了科研人员的作业量，减少了野外采样次数，避免了野外采样的安全风险。
具体地说，本发明是通过如下技术方案实现的：
一种滨海湿地培养生态模拟系统，包括由不透水材料制成的培养箱，所述培养箱的上层与下层通过隔板隔开，上层为土样培养区，用于容纳原始土样；下层为水样汇集区，用于容纳试验用水；在水样汇集区安装有水泵，所述水泵通过进水管路将试验用水泵入土样培养区；土样培养区与水样汇集区还设有安装有阀门的出水管路，用于将土样培养区的水流回土样培养区。
通过上述结构，涨潮过程由水泵分阶段地将水进入湿地土壤；落潮过程由阀门控制出水时间、速率，使土壤中渗滤的水分在重力作用下由管道流出。上述过程的循环进行从而真实模拟了滨海地区湿地的形成和潮汐变化对湿地生态的影响；同时，水样汇集区位于土样培养区下方也最大限度的还原了湿地的水环境。
为了便于人工观察培养箱内的环境，所述培养箱由钢化玻璃制成。
为了更好的模拟湿地的生态环境，涵盖海水、河水等对湿地土壤的浸湿，在土样培养区安装有导流板，所述导流板与培养箱侧壁构成蓄水槽，且导流板的高度不低于原始土样的高度，所述进水管路的出口位于蓄水槽。
通过上述结构，在模拟涨潮现象时，海水通过涨潮通路进入蓄水箱，缓冲水泵带动水产生的动能，导流板面上的导流隔层，可降低由重力势能给临近导流板处土壤的冲击，当蓄水槽水位超过导流板，海水流入土壤培养箱，通过控制水的流速，来控制土壤完全处于淹水状态。
为了实现上述模拟过程的自动化，所述培养箱上安装有控制模块，所述阀门为电磁阀，该控制模块与水泵、电磁阀电连接控制其启停。
上述的控制模块，容易为本领域技术人员理解是各种的可编程处理器，例如各种ARM、MIPS体系的微处理器等，可以从Ti等公司购买此类完整的微处理器系统。
进一步的，所述控制模块还连接有无线通讯模块，控制模块通过无线通讯模块与远程服务器或移动智能终端连接。
通过上述结构，将模拟系统连接到与移动智能终端处于同一网络的无线路由器，即可利用移动智能终端收集相关的实验数据或利用智能终端对模拟系统的工作参数进行调整。此处所称的移动智能终端，可以是运行任何智能操作系统，例如IOS、Android等的手机和平板电脑等。上述的远程服务器，即通常所称的电脑，可实现模拟系统数据的收集和管理。
作为上述结构的一种优选实现，可从市场上购买同时具有控制和无线通讯功能的智能控制模块，例如Broad link SP2Wi-Fi的自动智能控制模块，通过TI的CC3000MOD和MCUMSP430F5309构成无线网络连接，并支持Auto On、Auto Off、Auto Away、11.bng四种模式，内置3D仿真天线，与模拟系统布局结合，可有效自动模拟河口湿地自然涨退潮过程。
为了准确模拟实际对应滨海区域的真实潮汐状态，本发明滨海湿地培养生态模拟系统所连接的远程服务器或移动智能终端具有潮汐模拟单元，潮汐模拟单元设有潮汐模式传输单元和潮汐产生单元，所述潮汐模式传输单元向培养箱传输潮汐模式；所述潮汐产生单元从公共平台获取实时的涨落潮时间，并将其生成潮汐模式。
上述的潮汐模式指的是在对应时间点涨落潮的潮位面，潮位面对时间的连续变化曲线构成了潮汐模式。在运作过程中，潮汐模拟单元将潮汐模式推送至培养箱，由培养箱上的电磁阀门和水泵通过充水和放水模拟上述潮汐模式即可。
因此，潮汐模式传输单元连接至培养箱上的控制模块。
潮汐产生单元可以从各种途径获取涨落潮时间数据，作为权威的此类数据发布平台，优选从中国海事网获取实时的涨落潮时间。
如本领域技术人员所知，官方公布的涨落潮时间是针对选定的海岸线位置算计量的，在海岸线位置潮位的变化并不能形成滨海湿地生态(滨海湿地生态的形成是在近海面积上长期受到涨落潮变化影响生成的)，因此本发明还公开了潮汐生成单元生成潮汐模式的方法：将所选定的海域的海岸线为基准，将海岸线向海洋延伸1km的海域均匀划分为N*N个网格化区域，其中N在20-50之间(边缘区域形成的不完整网格做抛弃处理)；在每个网格点内根据涨落潮时间和海平面数据获得给定进行滨海湿地培养生态模拟时间段范围内的潮位面；将所有网格区域内的潮位面变化对时间作图，获得每个网格区域内在给定时间范围内时间点的潮位面均值，以此均值的简单算术平均数作为给定时间范围内时间点的潮位面(即以T0为时间起点，对于第N个网格Xn，潮位面对时间的变化函数Fn(t)，对于时间点T1，其均值为Fn(t)在T0-T1区域的积分值与T0-T1时间差的比值；将所有网格点在T1的均值求取简单算术平均数作为该时间点的潮位面)，并以此生成潮汐模式。
上述潮汐模式的生成过程最大限度的避免了人为误差、区域变化等潮位变化对滨海湿地生成过程的影响，有效还原了滨海湿地的形成过程，由此所模拟的滨海湿地生态系统更接近实际情形，提高了实验结果的准确性。
附图说明
图1为本发明模拟系统的结构示意图。
在附图中，各数字含义如下：1-培养箱，11-土样培养区，12-水样汇集区，13-潜水泵，14-进水管路，15-出水管路，16-电磁阀，17-导流板，18-蓄水槽，19-智能控制模块。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实现方式进行详细说明。在如下所提供的技术方案中，对各部分组件规格、型号、大小、位置等的描述仅为示意性的，并不对本发明构成特别限制。本领域技术人员在此基础上所进行的修改、调整等依旧属于本发明的保护范围。
参考图1，本发明的模拟系统，采用的是由钢化玻璃制成的透明培养箱1，尺寸为100×40×150cm(长×宽×高)，箱体分为上下两层结构。上层为土样培养区11，将采集的土样原状平铺于隔板上，土层厚度为10cm。培养箱下层为水样汇集区12，用于模拟自然条件涨退潮的水样。
其中，在上层的土样培养区11设有导流板17，该导流板的高度高于土层的厚度，导流板与培养箱的侧壁之间构成了蓄水槽18。
其中，在下层的水样汇集区12中安装有潜水泵13，该潜水泵13通过进水管路14将水泵入到蓄水槽18；在土样培养区11，设有联通到水样汇集区12的出水管路15，在出水管路上安装有电磁阀16。
为了实现上述部件的自动化控制，上述的潜水泵和电磁阀均连接到智能控制模块19(例如Broad link SP2)，利用该模块连接无线路由器从而连接移动智能终端和远程服务器。
本发明的模拟系统在使用时，根据研究需要，采集滨海湿地原位土壤样品和海水样品，将土壤样品均匀铺在上层土壤培养箱中，将海水样品置入下培养箱，开启涨潮模式，水泵开关开启，退潮电磁阀关闭，海水通过涨潮通路进入蓄水箱，缓冲水泵带动水产生的动能，当蓄水槽水位超过导流板，海水流入土壤培养箱，通过控制水的流速，来控制土壤完全处于淹水状态时间，当海水完全浸没土壤，涨潮通路关闭，涨潮完毕；退潮时开启退潮模式，退潮通路电磁阀开放，通过控制流速，海水在重力作用下排出土壤培养箱，重新回到下培养箱，完成一次潮汐过程。
利用上述的智能控制模块19，可将系统信号通过移动终端传递至远程服务器，通过Wi-Fi信号传达给Broad link SP2，SP2接受指令通过对连接终端内部的水动力系统进行调控来完成湿地系统涨退潮过程的模拟。其中，涨潮过程由水动力系统分阶段地将水送入蓄水槽，进入湿地土壤；落潮过程由电磁阀控制出水时间、速率，使土壤中渗滤的水分在重力作用下缓慢流回。
采用本发明中所公开的潮汐模式生成方法，结合上述模拟系统进行了实际验证，在珠海、厦门、秦皇岛等地进行的实地模拟滨海湿地生态系统实验结果显示本发明的模拟系统，基本实现了对真实滨海湿地生态系统的模拟。以土壤水含量分布与真实滨海湿地进行比较，本发明的模拟系统对真实湿地生态的拟真误差不高于3％。
Claims (7)
1.一种滨海湿地培养生态模拟系统，其特征在于包括由不透水材料制成的培养箱，所述培养箱的上层与下层通过隔板隔开，上层为土样培养区，用于容纳原始土样；下层为水样汇集区，用于容纳试验用水；在水样汇集区安装有水泵，所述水泵通过进水管路将试验用水泵入土样培养区；土样培养区与水样汇集区通过安装有阀门的出水管路联通，用于将土样培养区的水流回水样汇集区；其中，在远程服务器或移动智能终端具有潮汐模拟单元，潮汐模拟单元设有潮汐模式传输单元和潮汐产生单元，所述潮汐模式传输单元向培养箱传输潮汐模式，培养箱上的电磁阀门和水泵通过充水和放水模拟潮汐模式；所述潮汐产生单元从公共平台获取实时的涨落潮时间，并将其生成潮汐模式。
2.根据权利要求1的滨海湿地培养生态模拟系统，其特征在于在土样培养区安装有导流板，所述导流板与培养箱侧壁构成蓄水槽，且导流板的高度不低于原始土样的高度，所述进水管路的出口位于蓄水槽。
3.根据权利要求1的滨海湿地培养生态模拟系统，其特征在于所述培养箱上安装有控制模块，所述阀门为电磁阀，该控制模块与水泵、电磁阀电连接控制其启停。
4.根据权利要求3的滨海湿地培养生态模拟系统，其特征在于所述控制模块还连接有无线通讯模块，控制模块通过无线通讯模块与远程服务器或移动智能终端连接。
5.根据权利要求3的滨海湿地培养生态模拟系统，其特征在于所述培养箱由钢化玻璃制成。
6.根据权利要求3的滨海湿地培养生态模拟系统，其特征在于潮汐模式传输单元连接至培养箱上的控制模块；潮汐产生单元从中国海事网获取实时的涨落潮时间。
7.根据权利要求1的滨海湿地培养生态模拟系统，其特征在于生成潮汐模式的过程包括：将所选定的海域的海岸线为基准，将海岸线向海洋延伸1km的海域均匀划分为N*N个网格化区域，其中N在20-50之间；在每个网格点内根据涨落潮时间和海平面数据获得给定进行滨海湿地培养生态模拟时间段范围内的潮位面；将所有网格区域内的潮位面变化对时间作图，获得每个网格区域内在给定时间范围内时间点的潮位面均值，以此均值的简单算术平均数作为给定时间范围内时间点的潮位面，并以此生成潮汐模式。
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