CN106399080B - 湖库浅水域藻种群生物量一体化量测装置与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种湖库浅水域藻种群生物量一体化量测装置，包括设置在水面上的工作面板、水下工作箱、操作组件、动力组件、测量组件和识别组件，操作组件设置在工作面板上，动力组件设置在工作面板和水下工作箱内，用于测量藻类含量的测量组件和测量藻种类的识别组件设置在水下工作箱内，操作组件控制动力组件、测量组件和识别组件，动力组件带动测量组件和识别组件运动，测量组件和识别组件将测得的数据反馈给操作组件。本发明装置通过磁絮凝与旋转沉降技术实现了对对湖库浅水域藻种群生物量的实时垂向测量，能准确、实时、连续地获取水域藻生物量和藻类种群组成及其比例，同时通过装置在水中的垂向移动测出藻在水中的垂向分布，为水体藻生物量的原位垂向测量开辟了新的途径。
Description
技术领域
本发明属于水环境保护技术领域，涉及湖库浅水域藻种群生物量一体化量测装置与方法。
背景技术
内陆湖泊水库的水体较为封闭，容易出现营养化问题，从而导致浮游生物大量繁殖形成水华，破坏原有水体的生态平衡。准确高效监测藻类种群与生物量的变化，是有效防治湖库富营养化与水华的先决条件。传统量测技术主要依靠人工检测法，通过人为操作室内测量仪器以分析水体中藻类种群组成并估算其数目，存在强度大、效率低、出错率高、难以校验等缺点。随着监测技术的发展，陆续出现了一些更为准确快捷的室内测量分析替代技术，主要包括分光光度法、高效液相色谱法和荧光检测法等。
但目前尚无一种成熟可靠的原位监测分析技术可用于湖库藻种群生物量一体化量测。现有技术中，分光光度法难以适应实时、现场、快速检测水体藻类生长情况；高效液相色谱法精密度和准确度较高，但所使用的设备昂贵，不能够被广泛应用于现场，更适宜科研目的的分析领域。荧光检测技术因其有灵敏度高，受干扰小及对藻类具有良好的鉴别性能等优点使其在藻类识别中受到重视；但在自然条件下，藻类受太阳光线激发产生叶绿素a的荧光弱信号易受到悬浮物质影响，较难准确获取。此外，藻类在水体中的垂向分布及变化对于藻类监测有着重要的意义，在特定气象与水文条件下优势种群的蓝藻群体在浅水水域动态分布对水华形成起着重要影响。常见的大范围藻类监测技术如遥感法，只能做到对表面水体中的藻类数量进行测量，不能直接用于实时监测水域藻类细胞垂向分布情况。
综上所述，提供一种能够克服上述现有技术中的局限和缺陷，快速准确地实现藻生物量的实时垂向测量、同步识别藻类种群组成、兼具局部水域清除藻类的一体化技术，成为本领域亟待解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种湖库浅水域藻种群生物量一体化量测装置与方法，此装置集藻类原位监测、种群识别和藻类清除的多功能一体化，为水华的预警和藻类的清除提供了一个快捷而有效的装置。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种湖库浅水域藻种群生物量一体化量测装置，包括设置在水面上的工作面板、水下工作箱、操作组件、动力组件、测量组件和识别组件；
所述操作组件包括输入装置、启动芯片和通讯单元，输入装置和启动芯片分别安装在工作面板上，启动芯片分别与输入装置、通讯单元和动力组件连接，启动芯片根据输入装置内的设定信息对通讯单元和动力组件下达启动指令；
所述通讯单元包含设置在工作面板上的第一无线通讯器、设置在水下工作箱的外箱体上方的防水罩内部的第二无线通讯器和单片机，第一无线通讯器和第二无线通讯器互相传递和接收信号，第二无线通讯器将信号传递给单片机的同时也接收单片机传递来的信号；
所述动力组件包括设置在工作面板上的第一动力单元、设置在外箱体上部防水罩中的第二动力单元，第一动力单元通过钢丝绳和外箱体的上端中部连接，第一动力单元带动外箱体做竖直方向的运动，第二动力单元与第二转轴上端连接，单片机与第二动力单元连接，排水口处第二转轴的下端设有固定连接的导流叶片，第二动力单元接收单片机的启动信息后开启第二转轴转动，从而带动导流叶片旋转形成涡旋单向流，实现了水流从外箱体的进水口流入，流经测量单元后从排水口流出箱外；
所述外箱体包括设置在外箱体左端上部的进水口和设置在外箱体下端的排水口，外箱体内部设置有用于测量待检测水质中的藻生物量的测量组件，含藻水体从进水口流入测量组件，测量后的水从测量组件排到外箱体内最终从排水口流出外箱体，测量组件的下方设置有用于识别藻种群组成及含量比的识别组件，从测量组件产出的藻絮凝物进入识别组件进行识别，单片机分别与测量组件和识别组件连接，单片机控制测量组件和识别组件的同时也接收并处理测量组件和识别组件传递来的信息。
进一步的，所述测量组件包含反应池、喷药单元及设置在反应池正下方的内箱，所述反应池的左侧与进水口连通右侧设置有出口，出口设置在内箱右侧的上方，反应池内设有上下交错设置的高度小于反应池高度的挡板，喷药单元设置在反应池上方的靠近进水口一端的防水罩内，与单片机连接的为含藻水体提供絮凝剂及磁性粉状颗粒的喷药单元的喷嘴设置在反应池内，藻类与絮凝剂及磁性粉状颗粒形成藻絮凝物。
进一步的，所述内箱为上部开口大下部开口小的正四棱台形状，内箱包括过滤卡槽、过滤材料、支撑柱及排藻门，两个直杆十字交叉成的十字杆的中部与第二转轴垂直固定连接，十字杆的四个端部分别与四个支撑柱的上端连接；
过滤卡槽分别安放在内箱侧壁的上下两端，上下过滤卡槽之间安装有可拆卸清洗的过滤材料，过滤材料用于高效隔离过滤藻絮凝物，过滤藻絮凝物在内箱中旋转沉降，所述内箱底部设置有排藻门，排藻门内设置有用于测量充分旋转絮凝后沉降的藻絮凝物重量的荷重传感器，荷重传感器与单片机连接，单片机将荷重传感器传递来的信号计算处理，同时单片机定时控制排藻门打开，将藻絮凝物排入识别组件。
进一步的，所述识别组件包括与单片机连接的测样单元及收集单元，上部设置有开口的测样单元设置在收集单元的上方，测样单元与收集单元的顶部之间留有空隙，所述测样单元内部由两个对凹的两隔板隔开，形成中部的临时取样室及左右两侧对称的左、右测量室，所述隔板表面由吸水材料构成，所述临时取样室通过设置在两侧隔板中下部上的取样孔分别与左、右测量室连接，临时取样室底部中间设置有通过由单片机控制开关的两片对开式长方形集藻门；
少量藻絮凝物样本通过取样孔进入左、右测量室，左、右测量室实时测样得到藻絮凝物中种群组成及比例后将信号传递给单片机，单片机将信息处理后反馈给喷药单元，喷药单元进行调节，单片机控制所述集藻门在取样测量结束后定期打开。
进一步的，所述收集单元为可拆卸的藻絮凝物收集箱，收集单元内部上面板右侧设置超声波传感器，超声波传感器与单片机连接。
进一步的，所述左、右测量室包括取样装置、测量装置和移除装置，
所述取样装置包括取样转轴及取样叶片，取样转轴的侧面等距设置三个相同的取样叶片，取样叶片末端设置有与取样转轴平行的电磁铁圆柱，取样叶片旋转到取样孔位置时，叶片上的电磁体圆柱处于通电状态，电磁体圆柱吸附藻絮凝物样品，取样叶片顺时针旋转120度时，设置在左、右测量室侧壁上的测量装置测得藻絮凝物样品中种群组成及含量比，取样叶片再次顺时针旋转120度后，叶片末端电磁体圆柱处于断电状态，藻絮凝物掉落；
所述移除装置包括电磁吸附板、滑槽、将测样单元及收集单元连通的联通孔，所述电磁吸附板安装在左、右测量室顶部靠近联通孔一端的滑槽内，电磁吸附板在左、右测量室上方时通电，电磁吸附板运动到联通孔上方时断电，电磁吸附板通电时吸附因断电失去磁性的电磁铁圆柱掉落的藻絮凝物样品，并将藻絮凝物样品通过联通孔送入收集单元。
进一步的，所述测量装置包括分别设置在左、右测量室侧壁中部上与电磁铁圆柱对应的发光二极管(LED)和侧壁下部上的荧光接收装置，所述发光二极管(LED)发射的光源照射到靠近发光二极管(LED)的取样叶片的电磁铁圆柱上，发光二极管(LED)投射在电磁铁圆柱上的光照范围大于电磁铁圆柱的最大截面，荧光接收装置接收电磁铁圆柱上经发光二极管(LED)照射显示出的不同特征的荧光光谱，荧光接收装置将接收到的信号传递给单片机。
一种湖库浅水域藻种群生物量一体化量测装置的测量方法，包括如下步骤：
步骤一：清水标定实验，测量水深和待测湖库水深相同的清水池内的工作数据，固定水上工作面板的工作位置后，由输入装置录入启动信息，设定后开启装置运行，由第一动力单元带动水下水下工作箱匀速下降至清水池底，同时开启水下相关测量设备的运行；
步骤二：无藻水样采集，水下水下工作箱下降过程中，测量测量组件除喷药单元外其他设备开启运行，测量组件保持排藻门关闭和内箱持续旋转的状态，在水流作用下测量排藻门重力数组，数据由单片机实时记录；
步骤三：现场原位测量，将装置挪到湖库需要测量的位置，固定水上工作面板的工作位置，由输入装置录入与清水标定实验相同的启动信息，开启装置内所有设备投入运行，由第一动力单元带动水下工作箱匀速下降，同时开启水下测量设备的运转；
步骤四：含藻水样采集，含藻水体由外箱体的进水口进入测量组件，由集成传感器测量采集的含藻水样流量，同时喷药单元向流经的含藻水体定量释放絮凝剂及磁性粉状颗粒，记录总质量流量为，含藻水体、絮凝剂及磁性粉状颗粒进入测量组件混合絮凝；
步骤五：藻生物量量测，含藻水体接收来自喷药单元释放的絮凝剂及磁性粉状颗粒，在反应池进行扰动及初步絮凝后进入内箱，磁性粉状颗粒与絮凝剂作用可显著提高藻类絮凝效率，与磁性粉状颗粒混合的藻絮凝物经旋转沉降在排藻门上，水流则透过内箱侧壁的过滤材料渗透至外箱体内并排出，测量所得藻絮凝物重量数组由单片机存储计算处理；
步骤六：种群组成识别，识别组件接收由定时打开的排藻门排入的藻絮凝物，由内置测样单元通过对藻絮凝物进行部分取样及测样分析，得到水体实际种群组成及含量比；
步骤七：收集单元接收全体藻絮凝物，实时监测并提示满箱除藻。
进一步的，来自测量组件、反应组件、识别组件上传的数据信息由设置在工作面板上的显示单元的电子显示屏实时显示，显示单元的除藻报警灯接收识别组件发送的除藻信号，通过灯亮提示收集单元除藻。
进一步的，单片机测量t1至t2时段内藻生物量，藻生物量的计算公式为：
其中，为t1到t2时段所测藻絮凝物中藻生物量，mg/l；为现场原位测量时，喷药单元喷洒的磁性粉状颗粒及固体絮凝剂的总质量流量，kg/s；为现场原位测量时，测量组件进水口的实时含藻水流量，m3/s；为消除水流在t1时刻造成的测量影响后藻絮凝物的总质量，kg；为消除水流在t2时刻造成的测量影响后藻絮凝物的总质量，kg；其中，分别为t1、t2时刻现场原位测量时，排藻门所测数值，N；分别为t1、t2时刻清水标定实验时，排藻门所测数值，N。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明装置通过磁絮凝与旋转沉降技术实现了对对湖库浅水域藻种群生物量的实时垂向测量，能准确、实时、连续地获取水域藻生物量和藻类种群组成及其比例，同时通过装置在水中的垂向移动测出藻在水中的垂向分布，为水体藻生物量的原位垂向测量开辟了新的途径；
(2)本发明装置通过测样单元快速、高效地测量出各藻类种群的组成及其比例，并利用通信单元具有同步实时反馈调节絮凝剂配比功能，最终实现自动实时地调节絮凝剂和磁性粉状颗粒的用量，使得絮凝沉降更具合理性和智能化；
(3)本发明装置克服了传统除藻法耗时长、效率低，污染大的难题，便捷地收集了较密实的藻絮凝物，具有同步除藻的功能，装置易安装、测量便捷、设备灵敏度高、稳定性好，通过一体化现场原位量测的新方法，为预防湖库浅水域藻类暴发提供了可靠的技术手段。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1为本发明实施例所述的湖库浅水域藻种群生物量一体化量测装置的结构纵剖面示意图；
图2为本发明实施例所述的湖库浅水域藻种群生物量一体化量测装置的内箱示意图；
图3为本发明实施例所述的湖库浅水域藻种群生物量一体化量测装置的十字板示意图；
图4为本发明实施例所述的湖库浅水域藻种群生物量一体化量测装置的喷药单元示意图；
图5为本发明实施例所述的湖库浅水域藻种群生物量一体化量测装置的测样单元示意图；
图6为本发明实施例所述的使用湖库浅水域藻种群生物量一体化量测装置的测量方法步骤图；
图7为本发明实施例所述的使用湖库浅水域藻种群生物量一体化量测装置从2016年4月1日起开始到2016年6月30日测量某湖湾藻生物量及种群组成结果。
附图标记：
1-输入装置；2-启动芯片；3-通讯单元；4-显示单元；5-工作面板；6-第一无线通讯器；7-第二无线通讯器；8-单片机；9-显示屏；10-除藻报警灯；11-第一动力单元；12-第二动力单元；13-外箱体；14-进水口；15-排水口；16-防水罩；17-第二转轴；18-导流叶片；19-钢丝绳；20-第一电池组；21-固定支架；22-第一电机；23-第一转轴；24-第二电池组；25-第二电机；26-第二联轴器；27-变向齿轮；28-引流板；29-集成传感器；30-反应池；31-喷药单元；32-内箱；33-十字杆；34-支撑柱；35-过滤卡槽；36-过滤材料；37-排藻门；38-荷重传感器；39-挡板；40-隔离板；41-气泵；42-药剂瓶；43-喷头；44-可控阀门；45-流量计；46-测样单元；47-收集单元；49-隔板；50-临时取样室；51a-右测量室；51b-左测量室；52-取样孔；53-集藻门；54-取样装置；55-测量装置；56-移除装置；57-取样转轴；58-取样叶片；59-电磁铁圆柱；60a-位置A；60b-位置B；60c-位置C；61-发光二极管；62-荧光接收装置；63-电磁吸附板；64-滑槽；65-联通孔。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
本实施例选取某湖北部的一浅水湖湾为对象，运用本发明提供的湖库浅水域藻生物量与种群组成一体化量测的装置，开展藻类测量与清除工作。该湖湾东西长6km，南北宽0.3～1.5km，面积约6.4km2，常年水位3.07m，平均水深2.7m。近年来该湖湾作为生活污水接纳湖湾，富营养化日益严重，已成为该湖区污染最严重的水域。
如图1所示，湖库浅水域藻种群生物量一体化量测装置包括操作组件、动力组件、测量组件、识别组件组成。
操作组件通过向动力组件下达运转的启停指令控制整个装置的运行与测量，由输入装置1、启动芯片2、通讯单元3及显示单元4组成；输入装置1为自带显示屏9的输入键盘，用于手动输入本次工作的最大工作深度、装置匀速升降的速度及内箱32旋转的转速，并在其自带显示屏9上同步显示；最大工作深度在装置工作前人工测量确定，是指装置所能到达的最大深度也是标定实验池的深度,此次测量的最大工作深度为2.8m，匀速升降的速度设定为0.02m/s，内箱32的转速为60r/min；输入装置1安装在设置在水上的工作面板5上，工作面板5由测量船固定在离水面0.3m的高度上，避免面板上的装置被波浪打湿，工作面板5是由不锈钢材料构成的长方体面板，尺寸为1.2m×1.2m×0.2m；输入装置1接收启动信息的录入与设定后，由与输入装置1连接的启动芯片2下达启动指令，一方面启动动力组件带动水下水下工作箱匀速下降，另一方面由启动芯片2启动通讯单元3，通讯单元3与启动芯片2连接，通讯单元3开启水上的工作面板5与水下工作箱的信息同步传输；启动芯片2安装于工作面板5中的芯片槽中，用于接收输入装置1传递的工作信号，一方面启动第一动力单元11带动水下工作箱匀速下降，另一方面启动通讯单元3，开启水上的工作面板5与水下工作箱的信息同步传输；通讯单元3由第一无线通讯器6、第二无线通讯器7及单片机8组成；第一无线通讯器6设置在水上的工作面板5上，在装置启动时通过第二无线通讯器7与单片机8连接并下达水下工作箱内设备的启动指令，在装置投入运行后，第一无线通讯器6用于接收来自第二无线通讯器7实时传输的数据，并在电子显示屏9上实时显示；第二无线通讯器7与单片机8安放在水下的防水罩16内，防水罩16内部还包括喷药单元31和第二动力单元12，防水罩16由钢化玻璃构成，防水罩16的尺寸为半径为0.9m，高为0.2m；上述实时传输的工作数据，包括实测水文信息(水温、流量、水深)、藻絮凝物重量、絮凝剂及磁性粉状颗粒的用量、总的藻生物量、种群组成及含量比；第二无线通讯器7用于接收来自第一无线通讯器6的启动指令信号，进而通知单片机8控制水下工作箱内装置启动运行，在装置投入运行后，由第二无线通讯器7向第一无线通讯器6传输水下工作箱内设备测量的实时数据；单片机8一方面用于接收来自第二无线通讯器7的启动信号，进一步控制测量组件、识别组件内装置的启动与运行；另一方面，在装置投入运行后单片机8接收来自测量组件、识别组件实时测量的数据，并进行数据的处理，处理后的数据经由通讯单元3在电子显示屏9上实时显示。显示单元4由电子显示屏9及除藻报警灯10组成；电子显示屏9用于实时显示水下工作箱传输的工作数据；除藻报警灯10用于接收识别组件经通讯单元3发送的除藻报警信号，通过除藻报警灯10亮提示进行除藻工作。在操作组件开启装置运行后，由第一无线通讯器6将信号传输至第二无线通讯器7，经单片机8开启装置水下部分的测量组件、识别组件中设备工作；开启运行后，由单片机8接收水下工作设备实时采集的数据并处理，处理后的实时数据经由第二无线通讯器7传输至第一无线通讯器6并在显示单元4的电子显示屏9上实时显示。
动力组件包括第一动力单元11、第二动力单元12及外箱体13。第一动力单元11安放在水上工作面板5上，为装置匀速升、降提供动力，第一动力单元11包括第一电池组20、固定支架21、第一电机22、第一转轴23，固定支架21上安装有钢丝绳19及第一转轴23。其中，钢丝绳19一端固定缠绕在第一转轴23上，另一端固定连接在水下工作箱的上端中部。第二动力单元12内置于外箱体13顶部的防水罩16内，包括第二电池组24、第二电机25、第二联轴器26及变向齿轮27；第二电机25接收单片机8发送的信号，开启或停止运行，通过第二联轴器26及变向齿轮27连接并带动第二转轴17旋转；外箱体13为圆台形状，上底半径为0.9m，下底半径为0.6m，高为0.9m，包括设置在外箱体13左端上部的进水口14及设置在外箱体13下端的排水口15；长方形进水口14尺寸为0.7m×0.2m，进水口14与设置在外箱体13内部上方的反应池30连接，进水口14到反应池30之间设有引流板28及集成传感器29；引流板28左端连接进水口14，右端伸长至反应池30内，引流板28长度为0.2m；集成传感器29用于测量流经水体的水文信息，包括流量、水温、水深。排水口15处设有导流叶片18，导流叶片18为变截面叶片，其固定在第二转轴17下端，由第二转轴17带动旋转，在排水口15区域形成涡旋单向流，将箱内流体排出箱外。第二转轴17上端通过变向齿轮27与第二电机25连接；如图3所示，与第二转轴17中部固定连接的十字杆33的四个端部固定连接测量组件的内箱32上方的四个端部。动力组件接收启动单元的启动信息后，第一动力单元11通过钢丝绳19实现水下装置匀速升降，同时第二动力单元12接收单片机8的启动信息后开启第二转轴17转动，从而带动导流叶片18转动形成涡旋单向流，实现了水流从外箱体13的进水口14流入，流经测量单元后从排水口15导流出箱外。
测量组件接收从进水口14流入的含藻水体，在单片机8的指令下实时测量藻生物量，如图1和图2所示，测量组件包括反应池30、喷药单元31及内箱32，喷药单元31设置在靠近进水口14一端的防水罩16内部，喷药单元31的喷头43从反应池30的上部露出，反应池30是一个长方体的流道，承接由引流板28流入的含藻水体，同时接收喷药单元31喷洒的絮凝剂及磁性粉状颗粒，进行藻类磁絮凝。反应池30的尺寸为0.5m×0.6m×0.2m；反应池30内设有挡板39，挡板39的高度小于反应池30的内部高度，挡板39交错布置在反应池30内，增加挡板39的设计可以增加水体扰动提升含藻水体在反应池30内磁絮凝作用；反应池30末端右侧0.1m处设置一块隔离板40，隔离板40与外箱体13的顶部固定不随内箱32旋转，可以防止反应池30内初步絮凝后的含藻水体溅落到外箱体13内。初步磁絮凝的含藻水体经由反应池30出口流入内箱32内。喷药单元31如图1和图4所示，内置于外箱体13顶部的防水罩16内，用于提供絮凝剂及磁性粉状颗粒，喷药单元31包括气泵41、药剂瓶42、喷头43、可控阀门44、流量计45。气泵41在单片机8的控制下自动出气，保证药剂瓶42内絮凝剂及磁性粉状颗粒顺利流至喷头43进入反应池30。药剂瓶42包括磁性粉状颗粒药剂罐和粉末絮凝药剂罐，通过可控阀门44控制絮凝剂及磁性粉状颗粒出流量，絮凝剂为壳聚糖改性硅藻土粉末；流量计45用于测量絮凝剂及磁性粉状颗粒的出流量并传输到单片机8存储处理；喷头43为单向球形结构，用于将絮凝剂均匀喷洒至反应池30内。内箱32为正四棱台形状，上底边长为0.7m，下底边长为0.4m，高0.4m，由固定连接的第二转轴17带动旋转，包括上下设置的过滤卡槽35、卡在上下过滤卡槽35之间的过滤材料36、四个支撑柱34及排藻门37，其中带有过滤材料36的侧壁及不锈钢材料支撑柱34构成内箱32主体框架。侧壁包括过滤卡槽35及过滤材料36，过滤卡槽35安放在侧壁上下两端，过滤卡槽35内安装有可拆卸清洗的过滤材料36，过滤材料36为小孔径、高强度的针刺毡除尘滤料，表面光滑平整，利于高效隔离过滤藻絮凝物在内箱32中旋转沉降，同时将水流渗透至外箱体13内并排出。支撑柱34为不锈钢材料，用于连接过滤卡槽35及底面排藻门37。内箱32底部中间安装排藻门37，排藻门37为两片对开式长方形门板，上表面为镍合金材料制成的测量头，内部为电容式荷重传感器38。荷重传感器38用于测量在内箱32充分旋转絮凝后沉降在排藻门37上藻絮凝物重量，同时传输到单片机8经计算处理后，在电子显示屏9上显示实际的藻生物量，同时由单片机8定时控制排藻门37打开实现自动排藻，将藻絮凝物排入识别组件。
识别组件用于接收并收集由测量组件排藻门37排入的藻絮凝物，如图5所示，识别组件包括测样单元46及收集单元47。测样单元46的尺寸为0.5m×0.5m×0.15m,其内部由两个对凹的两隔板49隔开，形成中部的临时取样室50及左右两侧对称的左、右测量室(51a、51b)。隔板49表面由高吸水树脂(SAP)构成，用于吸附经排藻门37排入临时取样室50内藻类絮凝物中残存的水分。临时取样室50两侧通过设置在隔板49中下部上的取样孔52与左、右测量室(51a、51b)连接，下部通过由单片机8控制开关的两片对开式长方形集藻门53与收集单元47连接。左、右测量室(51a、51b)内包括取样装置54、测量装置55、移除装置56。取样装置54以取样转轴57中心点为圆心，以叶杆长为半径，以120°为圆心角距等距设置三个相同的取样叶片58，叶片末端设置有与取样转轴57平行的电磁铁圆柱59。取样叶片58工作流程如下：当取样叶片58旋转至位置A(60a)时，叶片上的电磁体圆柱处于通电状态，通过取样孔52吸附藻絮凝物样品，之后取样叶片58旋转至位置B(60b)，由此处的测量装置55测得藻絮凝物样品中种群组成及含量比，进而取样叶片58旋转至位置C(60c)，此时叶片末端电磁体圆柱处于断电状态，藻絮凝物样品被电磁吸附板63吸附并移至收集单元47。测量装置55包括设置在左、右测量室(51a、51b)侧壁中部的发光二极管61(LED)和设置在侧壁下部的荧光接收装置62。发光二极管61(LED)为低耗能激发光源，发射波长为640nm的光源直接照射至位置B(60b)处取样叶片58的电磁铁圆柱59上，其投射在电磁铁圆柱59上的光照范围大于电磁铁圆柱59的最大截面。电磁铁圆柱59吸附的藻絮凝物在接收激发光照射后，因不同藻种种群所含特征色素不同，激发出不同的特征荧光光谱被荧光接收装置62接收。荧光接收装置62在400nm到700nm的范围内设置六个激发波长，分别为470nm、525nm、570nm、560nm、670nm，用于接收不同种群样品被荧光激发后形成的不同特征荧光光谱，与单片机8中的特征谱谱库比较，识别出包括硅藻、蓝藻、绿藻、隐藻等种群，同时根据藻生物量不同呈现出特征荧光光谱强度不同，实现了絮凝物中种群组成及含量比的测定。移除装置56包括电磁吸附板63、滑槽64及联通孔65。电磁吸附板63安装在位置C(60c)顶端的滑槽64内，通电时用于吸附位置C(60c)处断电失去磁性的电磁铁圆柱59的藻絮凝物样品，通过滑槽64移动至联通孔65上方后，电磁吸附板63断电失去磁性，藻絮凝物样品落入收集单元47。左、右测量室(51a、51b)通过取样孔52获取少量藻絮凝物样本进入，实时测样得到藻絮凝物中种群组成及比例，一方面由单片机8反馈给喷药单元31调节絮凝剂及磁性粉状颗粒的实时喷洒量配比，另一方面通过通讯单元3传输至显示单元4进行实时显示。在取样测量结束后定期打开集藻门53，将临时取样室50内的藻絮凝物排入收集单元47。
收集单元47接收并收集未被采样测样及测样后的藻絮凝物，收集单元47的尺寸为0.5m×0.5m×0.25m，收集单元47中的超声波传感器具有实时监测收集单元47内藻絮凝物总量并提示满箱除藻的功能，除藻后根据停机前记录的深度位置继续测量，从而实现垂向的连续测量。
如图2所示，湖库浅水域藻种群生物量一体化量测装置的测量方法，包括以下步骤：
此次测量的最大工作深度为H＝2.8m，查找数据库中是否有相近的数据(误差小于0.1m)，如果有就直接用存储的标定实验数据，如果没有则进行清水标定实验。
A.清水标定实验
按目标湖库水域深度1：1确定清水实验池深度，该深度为本次标定实验后装置的最大测量深度，每次清水标定实验的数据都存储在固定的数据库中；所述清水标定实验中采用无藻清水样，用于消除因水压垂向分布对实测藻生物量造成的误差；
A-1装置的设定与启动运行：固定水上工作面板5的工作位置后，由输入装置1接收启动信息的录入，包括装置匀速下降的速度v＝0.02m/s、本次最大工作深度H＝2.8m；同时对装置进行清水标定实验设定，包括停止喷药单元31、识别组件的运行，同时保持排藻门37处于关闭状态；设定后开启装置运行，由第一动力单元11带动水下工作箱匀速下降，同时开启水下相关测量设备的运行；
A-2实时通讯传输：由通讯单元3负责将水下工作组件，包括测量组件、反应组件实时采集的数据在单片机8内进行存储处理后，将实时数据经由通讯单元3传输至水上工作面板5的电子显示屏9上显示；
A-3无藻水样采集：将水下测量箱匀速下降至清水池底，过程中测量组件除喷药单元31外其他设备开启运行，反应组件保持排藻门37关闭状态下内箱32持续旋转测量，则排藻门37所测数据为无藻水样随采集处水深变化时，内箱32旋转时水流作用下排藻门37所测重力数组{Wc}，数据由单片机8实现记录；
B.现场原位测量
B-1装置的设定与启动运行：在需要待测量的水域上固定水上工作面板5的工作位置后，由输入装置1默认清水标定实验时录入的启动信息设定，包括匀速下降的速度v＝0.02m/s、本次最大工作深度H＝2.8m；同时对装置进行现场原位测量设定，开启装置内所有设备投入运行，由第一动力单元11带动水下工作箱匀速下降，同时开启水下测量设备的运转；
B-2实时通讯传输：由通讯单元3负责将水下工作组件，包括测量组件、反应组件、识别组件实时采集的数据在单片机8内进行存储处理后，将实时数据经由通讯单元3传输至水上工作面板5的电子显示屏9上显示；
B-3含藻水样采集：含藻水体由外箱体13的进水口14进入测量组件，由集成传感器29测量采集的含藻水样流量同时喷药单元31向流经的含藻水体定量释放絮凝剂及磁性粉状颗粒，记录总质量流量为含藻水体、絮凝剂及磁性粉状颗粒进入反应组件混合絮凝；
B-4藻生物量量测：含藻水体接收来自喷药单元31释放的絮凝剂及磁性粉状颗粒，在反应池30进行扰动及初步絮凝后进入内箱32，磁性粉状颗粒与絮凝剂作用可显著提高藻类絮凝效率，与磁性粉状颗粒混合的藻絮凝物经旋转沉降在排藻门37上，水流则透过内箱32侧壁的过滤材料36渗透至外箱体13内并排出；测量所得藻絮凝物重量数组{Wi-s}由单片机8存储计算处理后，在显示单元4上显示实际的藻生物量，同时定时打开排藻门37，将藻絮凝物排入识别组件；
按照上述步骤所测t1至t2时段内藻生物量由单片机8按下式计算所得：
其中，为t1到t2时段所测藻絮凝物中藻生物量，mg/l；为现场原位测量时，喷药单元31喷洒的磁性粉状颗粒及固体絮凝剂的总质量流量，kg/s；为现场原位测量时，测量组件进水口14的实时含藻水流量，m3/s；为消除水流在t1时刻造成的测量影响后藻絮凝物的总质量，kg；为消除水流在t2时刻造成的测量影响后藻絮凝物的总质量，kg；其中，分别为t1、t2时刻现场原位测量时，排藻门37所测数值，N；分别为t1、t2时刻清水标定实验时，排藻门37所测数值，N；
B-5种群组成识别：所述识别组件接收由排藻门37排入的藻絮凝物，由内置测样单元46通过对藻絮凝物进行部分取样及测样分析，得到水体实际种群组成及含量比后传输至显示单元4实时显示，同时反馈喷药单元31调节絮凝剂喷洒量配比；最后由内置收集单元47接收全体藻絮凝物，实时监测并提示满箱除藻；
B-6信息实时显示：由显示单元4的电子显示屏9实时显示来自测量组件、反应组件、识别组件上传的数据信息，由显示单元4的除藻报警灯10提示识别组件发送的除藻信号，通过灯亮提示除藻后重复以上B-1至B-5步连续测量至目标深度。
按照上述过程，将本装置的量测方法运用到目标水域中。本装置从4月1日起开始进行现场测量，之后每间隔10天进行一次，一直持续到6月30日，总共进行10次测量，其测量结果如图7所示。经过测量得出该水域的主要的藻类种群是蓝藻、绿藻、硅藻，总的藻生物量在4月初有下降的趋势，到4月中下旬开始逐渐上升并在5月20日左右达到峰值，之后急速下降，在6月中旬到达最小值后开始缓慢上升。其中蓝藻为该区域的优势藻种，其藻生物量和总的藻生物量的趋势趋于一致，绿藻在4月初有短暂时间成为优势藻种，但大多时间其藻生物量都比较低，硅藻的藻生物量在这段时间里趋于稳定且占总的藻生物量的比例较低。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。
Claims (9)
1.湖库浅水域藻种群生物量一体化量测装置，其特征在于：包括设置在水面上的工作面板(5)、水下工作箱、操作组件、动力组件、测量组件和识别组件；
所述操作组件包括输入装置(1)、启动芯片(2)和通讯单元(3)，输入装置(1)和启动芯片(2)分别安装在工作面板(5)上，启动芯片(2)分别与输入装置(1)、通讯单元(3)和动力组件连接，启动芯片(2)根据输入装置(1)内的设定信息对通讯单元(3)和动力组件下达启动指令；
所述通讯单元(3)包含设置在工作面板(5)上的第一无线通讯器(6)、设置在水下工作箱的外箱体(13)上方的防水罩(16)内部的第二无线通讯器(7)和单片机(8)，第一无线通讯器(6)和第二无线通讯器(7)互相传递和接收信号，第二无线通讯器(7)将信号传递给单片机(8)的同时也接收单片机(8)传递来的信号；
所述动力组件包括设置在工作面板(5)上的第一动力单元(11)、设置在外箱体(13)上部防水罩(16)中的第二动力单元(12)，第一动力单元(11)通过钢丝绳(19)和外箱体(13)的上端中部连接，第一动力单元(11)带动外箱体(13)做竖直方向的运动，第二动力单元(12)与第二转轴(17)上端连接，单片机(8)与第二动力单元(12)连接，排水口(15)处第二转轴(17)的下端设有固定连接的导流叶片(18)，第二动力单元(12)接收单片机(8)的启动信息后开启第二转轴(17)转动，从而带动导流叶片(18)旋转形成涡旋单向流，实现了水流从外箱体(13)的进水口(14)流入，流经测量单元后从排水口(15)流出箱外；
所述外箱体(13)包括设置在外箱体(13)左端上部的进水口(14)和设置在外箱体(13)下端的排水口(15)，外箱体(13)内部设置有用于测量待检测水质中的藻生物量的测量组件，含藻水体从进水口(14)流入测量组件，测量后的水从测量组件排到外箱体(13)内最终从排水口(15)流出外箱体(13)，测量组件的下方设置有用于识别藻种群组成及含量比的识别组件，从测量组件产出的藻絮凝物进入识别组件进行识别，单片机(8)分别与测量组件和识别组件连接，单片机(8)控制测量组件和识别组件的同时也接收并处理测量组件和识别组件传递来的信息；
所述测量组件包含反应池(30)、喷药单元(31)及设置在反应池(30)正下方的内箱(32)，所述反应池(30)的左侧与进水口(14)连通右侧设置有出口，出口设置在内箱(32)右侧的上方，反应池(30)内设有上下交错设置的高度小于反应池(30)高度的挡板(39)，喷药单元(31)设置在反应池(30)上方的靠近进水口(14)一端的防水罩(16)内，与单片机(8)连接的为含藻水体提供絮凝剂及磁性粉状颗粒的喷药单元(31)的喷嘴设置在反应池(30)内，藻类与絮凝剂及磁性粉状颗粒形成藻絮凝物；还包括取样装置(54)，所述取样装置(54)包括取样转轴(57)及取样叶片(58)，取样转轴(57)的侧面等距设置三个相同的取样叶片(58)，所述取样叶片(58)末端设置有与取样转轴(57)平行的电磁铁圆柱(59)，取样叶片(58)旋转至取样孔(52)位置时，叶片上的电磁体圆柱(59)处于通电状态，电磁体圆柱(59)吸附藻絮凝物样品，取样叶片(58)顺时针旋转120度时，设置在左、右测量室(51a、51b)侧壁上的测量装置(55)测得藻絮凝物样品中种群组成及含量比。
2.根据权利要求1所述的湖库浅水域藻种群生物量一体化量测装置，其特征在于：所述内箱(32)为上部开口大下部开口小的正四棱台形状，内箱(32)包括过滤卡槽(35)、过滤材料(36)、支撑柱(34)及排藻门(37)，两个直杆十字交叉成的十字杆(33)的中部与第二转轴(17)垂直固定连接，十字杆(33)的四个端部分别与四个支撑柱(34)的上端连接；
过滤卡槽(35)分别安放在内箱(32)侧壁的上下两端，上下过滤卡槽(35)之间安装有可拆卸清洗的过滤材料(36)，过滤材料(36)用于高效隔离过滤藻絮凝物，过滤藻絮凝物在内箱(32)中旋转沉降，所述内箱(32)底部设置有排藻门(37)，排藻门(37)内设置有用于测量充分旋转絮凝后沉降的藻絮凝物重量的荷重传感器(38)，荷重传感器(38)与单片机(8)连接，单片机(8)将荷重传感器(38)传递来的信号计算处理，同时单片机(8)定时控制排藻门(37)打开，将藻絮凝物排入识别组件。
3.根据权利要求1所述的湖库浅水域藻种群生物量一体化量测装置，其特征在于：所述识别组件包括与单片机(8)连接的测样单元(46)及收集单元(47)，上部设置有开口的测样单元(46)设置在收集单元(47)的上方，测样单元(46)与收集单元(47)的顶部之间留有空隙，所述测样单元(46)内部由两个对凹的两隔板(49)隔开，形成中部的临时取样室(50)及左右两侧对称的左、右测量室(51a、51b)，所述隔板(49)表面由吸水材料构成，所述临时取样室(50)通过设置在两侧隔板(49)中下部上的取样孔(52)分别与左、右测量室(51a、51b)连接，临时取样室(50)底部中间设置有通过由单片机(8)控制开关的两片对开式长方形集藻门(53)；
少量藻絮凝物样本通过取样孔(52)进入左、右测量室(51a、51b)，左、右测量室(51a、51b)实时测样得到藻絮凝物中种群组成及比例后将信号传递给单片机(8)，单片机(8)将信息处理后反馈给喷药单元，喷药单元进行调节，单片机(8)控制所述集藻门(53)在取样测量结束后定期打开。
4.根据权利要求3所述的湖库浅水域藻种群生物量一体化量测装置，其特征在于：所述收集单元(47)为可拆卸的藻絮凝物收集箱，收集单元(47)内部上面板右侧设置超声波传感器，超声波传感器与单片机(8)连接。
5.根据权利要求3所述的湖库浅水域藻种群生物量一体化量测装置，其特征在于：所述左、右测量室(51a、51b)包括取样装置(54)、测量装置(55)和移除装置(56)；
所述取样装置(54)包括取样转轴(57)及取样叶片(58)，取样转轴(57)的侧面等距设置三个相同的取样叶片(58)，取样叶片(58)末端设置有与取样转轴(57)平行的电磁铁圆柱(59)，取样叶片(58)旋转至取样孔(52)位置时，叶片上的电磁体圆柱(59)处于通电状态，电磁体圆柱(59)吸附藻絮凝物样品，取样叶片(58)顺时针旋转120度时，设置在左、右测量室(51a、51b)侧壁上的测量装置(55)测得藻絮凝物样品中种群组成及含量比，取样叶片(58)再次顺时针旋转120度后，叶片末端电磁体圆柱(59)处于断电状态，藻絮凝物掉落；
所述移除装置(50)包括电磁吸附板(63)、滑槽(64)、将测样单元(46)及收集单元(47)连通的联通孔(65)，所述电磁吸附板(63)安装在左、右测量室(51a、51b)顶部靠近联通孔(65)一端的滑槽(64)内，电磁吸附板(63)在左、右测量室(51a、51b)上方时通电，电磁吸附板(63)运动到联通孔(65)上方时断电，电磁吸附板(63)通电时吸附因断电失去磁性的电磁铁圆柱(59)掉落的藻絮凝物样品，并将藻絮凝物样品通过联通孔(65)送入收集单元(47)。
6.根据权利要求5所述的湖库浅水域藻种群生物量一体化量测装置，其特征在于：所述测量装置(55)包括分别设置在左、右测量室(51a、51b)侧壁中部上与电磁铁圆柱(59)对应的发光二极管(61)和侧壁下部上的荧光接收装置(62)，所述发光二极管(61)发射的光源照射到靠近发光二极管(61)的取样叶片(58)的电磁铁圆柱(59)上，发光二极管(61)投射在电磁铁圆柱(59)上的光照范围大于电磁铁圆柱(59)的最大截面，荧光接收装置(62)接收电磁铁圆柱(59)上经发光二极管(61)照射显示出的不同特征的荧光光谱，荧光接收装置(62)将接收到的信号传递给单片机(8)。
7.一种如权利要求1至6任一项所述的湖库浅水域藻种群生物量一体化量测装置的测量方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一：清水标定实验，测量水深和待测湖库水深相同的清水池内的工作数据，固定水上工作面板(5)的工作位置后，由输入装置(1)录入启动信息，设定后开启装置运行，由第一动力单元(11)带动水下工作箱匀速下降至清水池底，同时开启水下相关测量设备的运行；
步骤二：无藻水样采集，水下工作箱下降过程中，测量组件除喷药单元(31)外其他设备开启运行，测量组件保持排藻门(37)关闭和内箱(32)持续旋转的状态，在水流作用下测量排藻门(37)重力数组，数据由单片机(8)实时记录；
步骤三：现场原位测量，将装置挪到湖库需要测量的位置，固定水上工作面板(5)的工作位置，由输入装置(1)录入与清水标定实验相同的启动信息，开启装置内所有设备投入运行，由第一动力单元(11)带动水下水下工作箱匀速下降，同时开启水下测量设备的运转；
步骤四：含藻水样采集，含藻水体由外箱体(13)的进水口(14)进入测量组件，由集成传感器(29)测量采集的含藻水样流量，同时喷药单元(31)向流经的含藻水体定量释放絮凝剂及磁性粉状颗粒，记录总质量流量，含藻水体、絮凝剂及磁性粉状颗粒进入测量组件混合絮凝；
步骤五：藻生物量量测，含藻水体接收来自喷药单元(31)释放的絮凝剂及磁性粉状颗粒，在反应池(30)进行扰动及初步絮凝后进入内箱(32)，磁性粉状颗粒与絮凝剂作用可显著提高藻类絮凝效率，与磁性粉状颗粒混合的藻絮凝物经旋转沉降在排藻门(37)上，水流则透过内箱(32)侧壁的过滤材料(36)渗透至外箱体(13)内并排出，测量所得藻絮凝物重量数组由单片机(8)存储计算处理；
步骤六：种群组成识别，识别组件接收由定时打开的排藻门(37)排入的藻絮凝物，由内置测样单元(46)通过对藻絮凝物进行部分取样及测样分析，得到水体实际种群组成及含量比；
步骤七：收集单元(47)接收全体藻絮凝物，实时监测并提示满箱除藻。
8.根据权利要求7所述的湖库浅水域藻种群生物量一体化量测装置的测量方法，其特征在于：来自测量组件、反应组件、识别组件上传的数据信息由设置在工作面板(5)上的显示单元(4)的电子显示屏(9)实时显示，显示单元(4)的除藻报警灯(10)接收识别组件发送的除藻信号，通过灯亮提示收集单元(47)除藻。
9.根据权利要求7所述的湖库浅水域藻种群生物量一体化量测装置的测量方法，其特征在于：单片机(8)测量t1至t2时段内藻生物量，藻生物量的计算公式为：
其中，为t1到t2时段所测藻絮凝物中藻生物量，mg/l；为现场原位测量时，喷药单元(31)喷洒的磁性粉状颗粒及固体絮凝剂的总质量流量，kg/s；为现场原位测量时，测量组件进水口的实时含藻水流量，m3/s；为消除水流在t1时刻造成的测量影响后藻絮凝物的总质量，kg；为消除水流在t2时刻造成的测量影响后藻絮凝物的总质量，kg；其中，分别为t1、t2时刻现场原位测量时，排藻门所测数值，N；分别为t1、t2时刻清水标定实验时，排藻门所测数值，N。
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