CN107219059A - 一种用于环境与生态水力学流速试验模拟装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于环境与生态水力学流速实验的模拟装置，属于生态环境保护技术领域。该装置包括环形水槽、光照系统、流速发生装置及温度控制系统；所述环形水槽由亚克力材料(不局限于该材料)制成，由环形外墙、环形内墙和底板组装而成，尺寸可根据具体需要确定；所述光照系统由日光灯管、灯管固定板及光照定时器组成；所述流速发生装置由变频器、变频电机、尼龙塑料棒、伞形齿轮组、塑料材质船用螺旋桨、卧式轴承组成；所述温度控制系统由空调和浸水式恒温加热棒构成。此装置可用于单一流速因素以及流速与光照、温度等多因素耦合作用效果的模拟试验。

Description

一种用于环境与生态水力学流速试验模拟装置及方法

技术领域

本发明涉及生态环境保护技术领域，具体地说是涉及室内模拟流速单一因素变化和流速与光照、温度等多因素耦合作用对水生生物生长的试验装置及其使用方法，是用于水生态环境研究的实验设备，同时该装置也可用于泥沙悬浮试验研究。

背景技术

受人类活动强烈干扰，很多生态系统的水动力特性发生了显著改变。水动力特性是影响水生环境的一个重要因素，比如流速降低导致湖泊、水库的换水周期增加，营养物质得以积累，加速水体的富营养化进程，引起有害藻类水华频繁爆发；流速可造成水体泥沙输移特性改变从而影响沉积型湿生环境的稳定发展；流速增加不仅对水生生物产生直接的机械损伤，还能够通过泥沙悬浮影响水体的光照，从而带来水生生物退化等生态环境问题。

变化水动力条件下的生态环境响应研究是当前热点问题之一。流速是水动力条件变化的最直观表征因素之一。关于流速变化对湖泊藻类生长-消亡过程的影响、对沉积物污染物释放的影响以及对高等水生生物生理因素的影响是当前需要解决的基础问题。现有关于流速生态环境效应室内试验的流速发生装置多通过剪切力实现，同时在实现流速与其他环境因子耦合效应的模拟上也存在一定的难度。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种用于环境与生态水力学流速试验模拟装置。

技术方案：

一种用于环境与生态水力学流速试验模拟装置，包括环形水槽、光照系统、流速发生装置以及温度控制系统；

所述环形水槽包括底板及固定安装在所述底板上的环形外墙和环形内墙；所述光照系统包括若干日光灯管、灯管固定板及用于控制所述日光灯管通电时间的光照定时器；所述灯管固定板覆盖在所述环形水槽的敞口处，所述日光灯管固定在所述灯管固定板上；所述光照定时器安插在市电电源插孔上；

所述流速发生装置包括变频器、变频电机、转矩传递装置以及螺旋桨；所述螺旋桨通过所述转矩传递装置与所述变频电机的电机轴连接；

所述温度控制系统包括空调和浸水式恒温加热棒，所述浸水式恒温加热棒安装在所述环形水槽内。

所述环形水槽由亚克力材料制成或砖石和水泥砌成。

所述环形水槽的形状为跑道型或同心圆环型。

所述日光灯管根据所述环形水槽形状选择灯泡型、直灯管或环状灯管。

所述日光灯管的数量根据需要设置成单排或多排。

根据试验需要调整所述日光灯管的开启数量，实现光照强度控制。

所述流速发生装置的转矩传递装置包括垂直设置的垂直尼龙塑料棒、水平设置的横置尼龙塑料棒及伞形齿轮组；所述垂直尼龙塑料棒的一端连接并固定在所述变频电机的电机轴上，另一端连接并固定有一伞形齿轮；所述横置尼龙塑料棒的一端连接并固定所述螺旋桨，另一端连接并固定一伞形齿轮，两个所述伞形齿轮咬合共同构成所述伞形齿轮组。

在所述横置尼龙塑料棒上设有两个卧式轴承，所述卧式轴承固定安装在底座上，所述底座固定安装在所述环形水槽的底板上。

在所述环形水槽的底部设有便于试验结束后快速排净水槽内的试验用水的排水口。

一种环境与生态水力学流速试验模拟方法，包括步骤：

步骤1：通过ADV流速仪率定变频电机转速与流速的关系，并建立校准曲线；通过控制电机转速控制环形水槽内的水流速度；

步骤2：将过滤净化后的自来水引入环形水槽内，加入适当的培养基母液，获得水生生物生长的培养液；并通过温度控制系统根据实验需要调节环形水槽内的水温；

步骤3：加入预先培养好的水生生物母株、母液或母体，获得所需的起始水生生物密度；

步骤4：开启电机，通过光照系统根据实验需要调节光照强度和时间，开始流速变化对水生生物生长的影响试验；

步骤5：定期测量水槽内水生生物的生物量或生理指标，绘制不同流速下水生生物的生长曲线或生理指标的变化曲线。

有益效果：

1、本发明通过对现有的流速变化试验装置进行改进，克服了剪切力产生水流过程中流速垂向差异较大的缺陷。

2、本发明通过伞形齿轮组实现电机传动力方向的转变，确保电机位于水位上方，避免了电机浸水的危险。

3、本发明的流速发生装置位置固定，为大型水生生物在装置内的生长提供了相对固定和稳定的环境，避免了剪切力流速发生装置在该类试验中应用的局限。

4、本发明不仅能够进行流速变化单因素生态环境效应试验，还能开展流速与光照、温度等其他环境因素耦合作用下的生态环境效应试验。

附图说明

图1为本发明的结构俯视图。

图2为本发明的结构侧视图。

图3为本发明的结构剖视图。

图4为本发明的光照系统的结构示意图。

图5为本发明的流速发生装置的结构示意图。

图6为采用本发明装置绘制的不同流速下铜绿微囊藻的生长曲线图。

其中，环形外墙1、环形内墙2、底板3、日光灯管4、灯管固定板5、光照定时器6、变频电机7、变频器8、垂直尼龙塑料棒9、横置尼龙塑料棒10、伞形齿轮组11、塑料材质船用螺旋桨12、卧式轴承13、底座14。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

图1为本发明的结构示意图。如图1所示，本发明的环境与生态水力学流速试验模拟装置，包括环形水槽、光照系统、流速发生装置和温度控制系统。

其中，环形水槽由亚克力材料或其他材料制成，如砖石和水泥砌成的水槽；由环形外墙1、环形内墙2和底板3组装而成，其形状可根据需要设计成跑道型或同心圆环型，尺寸也可根据具体需要确定。环形外墙1、环形内墙2固定在底板3上。

其中，如图2所示，光照系统由日光灯管4、灯管固定板5(轻质PVC广告板)、光照定时器6组成。日光灯管4可根据环形水槽形状选择灯泡型、直灯管或环状灯管。灯管固定板5上安装灯管底座，用于固定日光灯管4，灯管底座与电源线路连接，灯管固定板5覆盖在环形水槽的敞口处，减少试验水体与外界空气或微生物的接触。日光灯管4的数量可根据需要设置成单排或多排，根据需要调整日光灯管4的开启数量，实现光照强度控制。光照定时器6为市售定时器，安插在市电电源插孔上；光照定时器6通过通电时间设置，实现不同光照时间的控制。

其中，流速发生装置由变频电机7、垂直尼龙塑料棒9、横置尼龙塑料棒10、伞形齿轮组11、塑料材质船用螺旋桨12、卧式轴承13和底座14组成。变频电机7连接有变频器8，通过变频器8实现变频电机7转速的调节与控制。垂直尼龙塑料棒9垂直设置，其一端连接并固定在变频电机7的电机轴上，另一端连接并固定有一个伞形齿轮。横置尼龙塑料棒10水平设置，其一端连接并固定塑料材质船用螺旋桨12，另一端连接并固定另一个伞形齿轮，两个伞形齿轮共同构成伞形齿轮组11，通过2个伞形齿轮的咬合调节变频电机的位置并最终固定。通过伞形齿轮组11可以实现将电机的转动机械能传递到横置尼龙塑料棒10，从而带动塑料材质船用螺旋桨12转动。在安装过程中注意确保伞形齿轮组11轴心的重合，可以降低装置运行过程中的噪声以及轴心偏离产生的额外阻力。横置尼龙塑料棒10穿过2个卧式轴承13，2个卧式轴承13固定安装在底座14上，通过卧式轴承13将横置尼龙塑料棒固定安装在底座14上，整个流速发生装置通过底座14固定安装在环形水槽的底板3上。

其中，温度控制系统由空调和市售浸水式恒温加热棒构成。空调为室内空调，控制实验室的大空间温度，实现大范围内温度的调节和控制，市售浸水式加热棒棒身整体浸没在水面以下，实现局部小区域温度的调节和控制。

现结合流速单一因素变化对铜绿微囊藻生长影响试验对本发明实施方式作进一步说明。

以1cm厚亚克力有机玻璃板，分4段建成跑道型环形水槽的直道(2段)和半圆形弯道(2段)，直道长度1.7m，弯道外环半径0.6m，弯道内环半径0.3m，环形水槽储水槽宽0.3m。水槽直立面和底板3采用螺丝进行固定连接，并用玻璃胶对缝隙处进行防水处理。

在水槽的底部留有排水口，以便试验结束后快速排净水槽内的试验用水。

水槽组装过程中，通过6组钢架将水槽整体抬离地面0.15m。

水槽直道和弯道通过螺丝连接，并用玻璃胶对缝隙处进行防水处理。

在直道区灯管固定板上设置4排灯管固定底座，购买市售15w日光灯管安装后作为试验光源。通过控制日光灯管的开关数量调节试验水面的光照强度为2000～3000lux。弯道区灯管固定板上不布设灯管，与直道区灯管固定板覆盖至水槽敞口侧，起到保护作用。

通过定时器控制试验期间光照时间为12小时。

通过卧式轴承13和底座14将连接了塑料材质船用螺旋桨12和伞形齿轮的横置尼龙塑料棒10固定在环形水槽直道区向弯道区过渡位置的底板3上。通过2个伞形齿轮的咬合调节变频电机7的位置并最终固定。

试验正式开始前，通过ADV流速仪率定变频电机7转速与流速的关系，并建立校准曲线，以实现通过控制电机转速控制水槽内的水流速度。

变频电机转速通过变频器8调节控制。

将过滤净化后的自来水引入水槽内，加入适当的培养基母液，获得铜绿微囊藻生长的培养液。

利用空调和浸水式加热棒调节水槽内的水温在25℃左右。

加入预先培养好的铜绿微囊藻母液，获得所需的起始藻类密度。

开启电源，开启电机和光源，开始流速变化对铜绿微囊藻生长的影响试验。

定期测量水槽内铜绿微囊藻的藻密度，绘制不同流速下铜绿微囊藻的生长曲线。

0、10、20、30、40和50cm/s流速的试验结果表明，铜绿微囊藻在各种流速下均能够较快地进入快速增殖期，整体上在试验开展后的第7天获得最大生物现存量，随后，不同试验组的生物量呈现不同程度下降，藻类进入衰亡期。铜绿微囊藻在30cm/s时的生长状况最好，最大生物现存量最大，为178.1万cell/mL，其次是流速等于40cm/s时，最大生物现存量为167.9万cell/mL。流速降低或进一步升高均不利于铜绿微囊藻的生长。

同样，本发明也可以开展流速与光照、温度等其他环境因素耦合作用下的生态环境效应试验。

以上所述仅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，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于环境与生态水力学流速试验模拟装置，其特征在于：包括环形水槽、光照系统、流速发生装置以及温度控制系统；

所述环形水槽包括底板(3)及固定安装在所述底板(3)上的环形外墙(1)和环形内墙(2)；所述光照系统包括若干日光灯管(4)、灯管固定板(5)及用于控制所述日光灯管(4)通电时间的光照定时器(6)；所述灯管固定板(5)覆盖在所述环形水槽的敞口处，所述日光灯管(4)固定在所述灯管固定板(5)上；所述光照定时器(6)安插在市电电源插孔上；

所述流速发生装置包括变频电机(7)、转矩传递装置以及螺旋桨(12)；所述螺旋桨(12)通过所述转矩传递装置与所述变频电机(7)的电机轴连接；

所述温度控制系统包括空调和浸水式恒温加热棒，所述浸水式恒温加热棒安装在所述环形水槽内。

2.根据权利要求1所述的环境与生态水力学流速试验模拟装置，其特征在于：所述环形水槽由亚克力材料制成或砖石和水泥砌成。

3.根据权利要求1所述的环境与生态水力学流速试验模拟装置，其特征在于：所述环形水槽的形状为跑道型或同心圆环型。

4.根据权利要求1所述的环境与生态水力学流速试验模拟装置，其特征在于：所述日光灯管(4)根据所述环形水槽形状选择灯泡型、直灯管或环状灯管。

5.根据权利要求1所述的环境与生态水力学流速试验模拟装置，其特征在于：所述日光灯管(4)的数量根据需要设置成单排或多排。

6.根据权利要求1所述的环境与生态水力学流速试验模拟装置，其特征在于：根据试验需要调整所述日光灯管(4)的开启数量，实现光照强度控制。

7.根据权利要求1所述的环境与生态水力学流速试验模拟装置，其特征在于：所述流速发生装置的转矩传递装置包括垂直设置的垂直尼龙塑料棒(9)、水平设置的横置尼龙塑料棒(10)及伞形齿轮组(11)；所述垂直尼龙塑料棒(9)的一端连接并固定在所述变频电机(7)的电机轴上，另一端连接并固定有一伞形齿轮；所述横置尼龙塑料棒(10)的一端连接并固定所述螺旋桨(12)，另一端连接并固定一伞形齿轮，两个所述伞形齿轮咬合共同构成所述伞形齿轮组(11)。

8.根据权利要求7所述的环境与生态水力学流速试验模拟装置，其特征在于：在所述横置尼龙塑料棒(10)上设有两个卧式轴承(13)，所述卧式轴承(13)固定安装在底座(14)上，所述底座(14)固定安装在所述环形水槽的底板(3)上。

9.根据权利要求1所述的环境与生态水力学流速试验模拟装置，其特征在于：在所述环形水槽的底部设有便于试验结束后快速排净水槽内的试验用水的排水口。

10.一种应用权利要求1～9任一权利要求所述的环境与生态水力学流速试验模拟装置的模拟方法，其特征在于：包括步骤：

步骤1：通过ADV流速仪率定变频电机转速与流速的关系，并建立校准曲线；通过控制电机转速控制环形水槽内的水流速度；

步骤2：将过滤净化后的自来水引入环形水槽内，加入适当的培养基母液，获得水生生物生长的培养液；并通过温度控制系统根据实验需要调节环形水槽内的水温；

步骤3：加入预先培养好的水生生物母株、母液或母体，获得所需的起始水生生物密度；

步骤4：开启电机，通过光照系统根据实验需要调节光照强度和时间，开始流速变化对水生生物生长的影响试验；

步骤5：定期测量水槽内水生生物的生物量或生理指标，绘制不同流速下水生生物的生长曲线或生理指标的变化曲线。