CN108051549A - 一种测定水生植物能承受的水流临界流速的装置与方法 - Google Patents

一种测定水生植物能承受的水流临界流速的装置与方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种测定水生植物能承受的水流临界流速的装置与方法。该装置包括支架、上夹具、下夹具和拉力计,支架包括可上下移动的调节杆,拉力计上端连接于调节杆上,拉力计下端连接上夹具,下夹具固定连接于支架上,并位于上夹具的下方。测定水生植物能承受的水流临界流速时,将待测部位固定于上夹具和下夹具之间,通过检测待测部位的断裂应力并计算得到水生植物所能承受的水流临界流速。该装置和方法可以有效辨识出植物易受损部位并获取受损阈值和易受损物种和抗性强的物种,有利于在生态恢复工程中根据水动力条件配置适宜的物种,提升生态恢复效果。该装置和方法具有装置布设方法简单,易于操作,测量精度高,数据可靠的优点。

Description

一种测定水生植物能承受的水流临界流速的装置与方法
技术领域
本发明属于水生植物生态学研究与水生植物生态恢复技术领域,具体涉及一种测定水生植物能承受的水流临界流速的装置与方法。
背景技术
水生植物是湖泊生态系统的重要组成部分,在维持生态系统平衡、改善水环境方面具有重要作用。水生植物群落保护和重建不但是保持“清水型”湖泊的关键,而且是湖泊富营养化控制及水质改善的重要手段。水动力是植物恢复限制性因素之一,人工恢复植物在一次或数次大风浪作用后,常出现一些物种生物量减少甚至消失的现象(Gulati et al,2008)。非人工修复的湖泊自然生态系统也常发生水生植物受水动力损害现象(Schefferet al,1993;Bachmann et al,2000)。由此可见,强湖泊水动力过程对人工修复水生植物和湖泊水体中自然植被都会造成损害。然而,水动力对植物的影响不仅与水动力强弱有关外,还与植物种类及其能承受的水流临界流速密切相关。一些植物可以适应强风浪,一些植物由于能承受的水流临界流速较小,在风浪影响下容易受损。因此,在目前我国湖泊水生植被保护与修复受到高度重视,并成为改善湖泊水质核心任务和手段的形势下,摸清水生植物能承受的水流临界流速在植物体不同部位的差异,以及不同物种之间能承受的临界流速的差异,对于深入研究水生植物生态学特征,揭示大型富营养化湖泊水生植物衰退对水动力的响应机制具有重要理论意义,也对于指导水生植被生态恢复的物种配置和管理具有实践意义。水生植物的能承受的临界流速与其机械抗性密切相关,而其机械抗性可以通过断裂应力来表征。在湖泊中,水生植物各部位所承受的拉力为波浪湖流作用下的拖曳力,植物某一部位拖曳力超过断裂应力时,该部位将断裂受损。因此,需要寻求一种能够进行水生植物能承受的水流临界流速测定的装置与方法,弄清水生植物易受损部位和关键阈值,揭示不同物种之间能承受的水流临界流速差异,对于在生态恢复工程中根据水动力条件合理进行物种配置,提升生态恢复效果具有重要指导意义。
发明内容
本发明旨在提供一种测定水生植物能承受的水流临界流速的装置与方法,可以测定并计算水生植物所能承受的临界流速,有利于辨识出植物易受损部位和受损阈值,揭示不同物种的能承受的水流临界流速差异,为生态恢复工程中根据水动力条件合理进行物种配置提供研究方法。
为达成上述目的,本发明提出一种测定水生植物能承受的水流临界流速的装置,包括支架、上夹具、下夹具和拉力计,
所述支架包括可上下移动的调节杆,
所述拉力计上端连接于所述调节杆上,所述拉力计下端连接所述上夹具,
所述下夹具固定连接于所述支架上,并位于所述上夹具的下方。
进一步的,所述调节杆水平设置,所述支架包括竖直设置的调节轨,所述调节轨上通过夹紧装置连接所述调节杆。使用者通过调整所述夹紧装置,可以调整所述调节杆的高度,从而调节所述拉力计的高度,使得该装置能够适用于不同高度的植物及植物不同的待测部位。
进一步的,所述夹紧装置为定位夹。
进一步的,所述调节杆上连接有手摇式绞盘,与所述绞盘配合的绞绳为钢丝,所述钢丝的自由端连接所述拉力计。使用者通过转动手摇式绞盘,可精确调整拉力计的高度,使得该装置能够精确匹配所测量的植物与植物的待测部位。
进一步的,所述拉力计为数显拉力计。
进一步的,所述支架的材质为金属。
进一步的,所述支架为镀锌钢管。
进一步的,所述下夹具包括两片夹片和紧固螺栓,所述紧固螺栓贯穿所述两片夹片。使用者可通过调节紧固螺栓来调节下夹具的松紧,用以调节和固定测量对象。
进一步的,所述夹片表面包裹有纱布,可防止夹片对植物的破坏。
进一步的,所述调节轨高度为2000mm,直径为25mm。
进一步的,所述调节杆直径为100mm,长400mm。
进一步的,所述拉力计最大负荷为200N,分度值为0.01N,测量精度为0.01N。
本发明还提供一种测定水生植物能承受的水流临界流速的方法,包括如下步骤:
1)首先将水生植物的根部固定在所述下夹具上;
2)利用所述上夹具固定所述水生植物的待测部位;
3)缓慢增加所述拉力计的高度直至所述水生植物断裂,并记录所述拉力计所显示的最大值F,即为该水生植物的待测部位的断裂应力;
4)根据如下公式计算水生植物在水流中所能承受的临界流速,
式中U为水生植物在水流中所能承受的临界流速,单位为m/s;F为测得的断裂应力,单位为N;CD为植物系数,CD为0.2~2.5,具体数值取决于所测试的水生植物的外形,对于无冠层的水生植物(如苦草)CD=0.2,CD随水生植物冠层面积的增加而增大,对于冠层发达的水生植物,如微齿眼子菜,CD=2.5;ρ为水体密度,单位为kg/m3,Biomass为测定对象的干重生物量,单位为kg。
进一步的,所述待测部位为所述水生植物的基部、茎、节或叶柄。
进一步的,所述步骤1-4重复实施4次,每次的待测部位分别为所述水生植物的基部、茎、节和叶柄,分别得到所述水生植物的基部、茎、节、叶柄在水流中所能承受的临界流速U、U、U、U叶柄,所得到的U、U、U、U叶柄中的最小值即为所述水生植物在水流中所能承受的临界流速,当水流流速小于临界流速时,植株在该水流中不会受到物理损伤,当水流流速大于临界流速时,植株在水流冲击下受损。
进一步的,所述缓慢增加拉力计的高度的方法为:缓慢提高所述调节杆的高度。
进一步缓慢增加拉力计的高度的方法为,缓慢摇动手摇式绞盘,使得所述绞绳逐渐收短,从而带动所述拉力计的高度上升。
由以上本发明的技术方案可知,本发明具有装置布设方法简单,易于操作,测量精度高,数据可靠的优点。可以揭示水生植物断裂应力在植株体不同部位的差异,有效辨识出植物易受损部位并获取受损阈值,也可以揭示水生植物的机械抗性和能承受的临界流速在不同物种之间的差异,有效辨识出易受损物种和能承受的临界流速强的物种。本发明所计算出的植株所能承受的临界流速,有利于在生态恢复工程中根据水动力条件配置适宜的物种,提升生态恢复效果,适用于水生植物生态学研究及水生植物维护管理实践。
应当理解,前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的发明主题的一部分。另外,所要求保护的主题的所有组合都被视为本公开的发明主题的一部分。
结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的前述和其他方面、实施例和特征。本发明的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见,或通过根据本发明教导的具体实施方式的实践中得知。
附图说明
附图不意在按比例绘制。在附图中,在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见,在每个图中,并非每个组成部分均被标记。现在,将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的实施例,其中:
图1是本发明所述一种测定水生植物能承受的水流临界流速的装置结构示意图。
图2是本发明所述支架和下夹具结构示意图。
图3是本发明所述调节杆和手摇式绞盘的局部结构示意图。
图4是本发明所述手摇式绞盘的结构侧视图。
其中,10为测定水生植物能承受的水流临界流速的装置,20为支架,30为上夹具,40为拉力计,50为测试对象,具体为植物,60为下夹具,201为调节轨,202为调节杆,203为定位夹,601为夹片,602为紧固装置,70为手摇式绞盘,701为钢丝,702为绞盘手柄。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例,所述实施例的示例在附图中示出,其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。本公开的实施例不必定意在包括本发明的所有方面。应当理解,上面介绍的多种构思和实施例,以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施,这是因为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外,本发明公开的一些方面可以单独使用,或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的,仅用于解释本发明,而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中,需要说明的是,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地连接;可以是机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言,可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1-4所示的一种测定水生植物能承受的水流临界流速的装置,包括支架20、上夹具30、下夹具60和拉力计40,所述支架20包括可上下移动的调节杆202,所述拉力计40上端连接于所述调节杆202上,所述拉力计40下端连接所述上夹具30,所述下夹具60固定连接于所述支架20上,并位于所述上夹具30的下方。
所述调节杆202水平设置,所述支架20包括竖直设置的调节轨201,所述调节轨201上通过夹紧装置203连接所述调节杆202。
所述夹紧装置203为定位夹。
所述调节杆202上连接有手摇式绞盘70,与所述绞盘配合的绞绳701为钢丝,所述钢丝的自由端连接所述拉力计40。
所述拉力计40为数显拉力计。
所述支架20的材质为金属。
所述支架20为镀锌钢管。
所述下夹具60包括两片夹片601和紧固螺栓602,所述紧固螺栓602贯穿所述两片夹片601。
所述夹片601表面包裹有纱布,可防止夹片对植物的破坏。
所述调节轨201高度为2000mm,直径为25mm。
所述调节杆202直径为100mm,长400mm。
所述拉力计40最大负荷为200N,分度值为0.01N,测量精度为0.01N。
实施例1
本实施例1采用上述装置测量菱的茎部能承受的临界流速,具体步骤为:
1)首先将菱的根部固定在所述下夹具60上;
2)利用所述上夹具60固定植物的茎部;
3)缓慢增加所述拉力计40的高度,使得其带动拉力计缓慢上升,直至菱的茎部断裂,并记录所述拉力计所显示的最大值F=96N,即为该茎部的断裂应力;
4)根据如下公式计算菱的茎部在水流中所能承受的临界流速,
其中CD=0.25;ρ=1.0×103kg/m3;Biomass=0.08kg。计算得到菱的茎部在水流中所能承受的临界流速U=3.1m/s。
实施例2
本实施例2采用上述装置测量水盾草能承受的临界流速,具体步骤为:
1)首先将水盾草的根部固定在所述下夹具60上;
2)利用所述上夹具60固定植物的基部;
3)缓慢摇动绞盘手柄702,使得钢丝701逐渐收短,从而带动拉力计40的高度上升直至水盾草的基部断裂,并记录所述拉力计所显示的最大值F=42N,即为该基部的断裂应力;
4)根据如下公式计算水盾草的基部在水流中所能承受的临界流速,
其中CD=0.2;ρ=1.0×103kg/m3;Biomass=0.1kg。计算得到水盾草的基部在水流中所能承受的临界流速U=2.04m/s。
步骤1-4重复实施4次,每次的待测部位分别为水盾草的基部、茎、节和叶柄,分别得到测量对象的基部、茎、节和叶柄在水流中所能承受的临界流速U=3.4m/s,U=3.1m/s,U叶柄=6.8m/s,其中最小流速2.04m/s即为水盾草在水流中所能承受的临界流速。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例,本领域的普通技术人员可以理解:在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型,本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种测定水生植物能承受的水流临界流速的装置,其特征在于,包括支架、上夹具、下夹具和拉力计,
所述支架包括可上下移动的调节杆,
所述拉力计上端连接于所述调节杆上,所述拉力计下端连接所述上夹具,
所述下夹具固定连接于所述支架上,并位于所述上夹具的下方。
2.根据权利要求1所述的装置,其特征在于,所述调节杆水平设置,所述支架包括竖直设置的调节轨,所述调节轨上通过夹紧装置连接所述调节杆。
3.根据权利要求2所述的装置,其特征在于,所述夹紧装置为定位夹。
4.根据权利要求1所述的装置,其特征在于,所述调节杆上连接有手摇式绞盘,与所述绞盘配合的绞绳为钢丝,所述钢丝的自由端连接所述拉力计。
5.根据权利要求1所述的装置,其特征在于,所述拉力计为数显拉力计。
6.根据权利要求1所述的装置,其特征在于,所述下夹具包括两片夹片和紧固螺栓,所述紧固螺栓贯穿所述两片夹片。
7.一种采用权利要求1-6中任意一项所述的装置测定水生植物能承受的水流临界流速的方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)将水生植物的根部固定在所述下夹具上;
(2)利用所述上夹具固定所述水生植物的待测部位;
(3)缓慢增加所述调节杆的高度直至所述水生植物断裂,记录所述拉力计所显示的最大值F,即为该水生植物的待测部位的断裂应力;
(4)根据如下公式计算水生植物在水流中所能承受的临界流速,
式中U为水生植物在水流中所能承受的临界流速,单位为m/s,F为测得的断裂应力,单位为N,植物系数CD=0.2~2.5,ρ为水体密度,单位为kg/m3,Biomass为测定对象的干重生物量,单位为kg。
8.根据权利要求7所述的方法,其特征在于,所述的植物系数CD的取值随所述水生植物冠层面积的增加而增大。
9.根据权利要求7或8所述的方法,其特征在于,所述待测部位为测量对象的基部、茎、节或叶柄。
10.根据权利要求9所述的方法,其特征在于,所述步骤1-4重复实施4次,每次的待测部位分别为所述水生植物的基部、茎、节和叶柄,分别得到所述水生植物的基部、茎、节、叶柄在水流中所能承受的临界流速U、U、U、U叶柄,所得到的U、U、U、U叶柄中的最小值即为所述水生植物在水流中所能承受的临界流速。
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