CN108476768A - 一种低透明度水体沉水植被补光装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种低透明度水体沉水植被补光装置和方法，包括供能装置、控制装置、固定装置和照明装置；所述供能装置设置于堤岸上，连接照明装置，用于为照明装置供能；所述控制装置连接供能装置，控制供能装置启闭；所述固定装置将照明装置固定于水下待照明区域；所述照明装置包括LED面板、设置于LED面板上的LED灯组和防水灯罩；其中，所述LED灯组由红光LED、蓝光LED和紫外光LED组成。本发明的补光装置高效、节能、环保及安全，能有效为沉水植物提供正常生长所需波长光和光强度，促进沉水植物恢复。
Description
技术领域
本发明属于水体生态修复的技术领域，具体涉及一种低透明度水体沉水植物补光装置和方法。
背景技术
地表水污染是普遍存在的环境问题。水体污染的主要原因是水中氮磷等营养物质的富集，藻类异常增值，水色变差，透明度显著降低，沉水植物大量消失。沉水植物是指植物根生泥中，茎、叶全部沉没水中，仅在开花时花露出水面，植物体茎叶的构造具典型的水生特性，通气组织发达。沉水植物在水生态系统中拥有独特生态位，发挥重要的生态功能：吸收水体中营养盐物质，增加水体和沉积物中氧气含量，降低水体流速，促进水体悬浮物沉降，抑制沉积物再悬浮；同时还能抑制水中有害藻类的繁殖。当水体中的沉水植物丰富时，水体能长期保持清水状态，生态系统稳定性强等特点。水生植物衰退后，水体进入以藻为主的浊水状态。沉水植物与水质间存在强烈的负反馈。沉水植物的恢复已经成为水生态学修复的主要途径和目标。
自然条件下，沉水植物由岸边向深水区呈带状分布，造成这一现象的主要原因是水下光环境差异。光随着水深增加而急剧衰减，深水区水下光强无法满足植物生长所需，因此沉水植物的生长区域集中在浅水区。水体受到污染后，浊度显著增加，水下光环境进一步变差，水下光强低于植物光补偿点，浅水区沉水植物分布面积逐渐减少。水下有效光衰减是沉水植物消亡的重要原因。因此需要借助辅助手段改善水下光环境。
专利CN203896840U公开了一种深水区沉水植物光补偿装置，该装置主体是光致储能夜光发光体。激发波长为490nm，高亮度发光2〜3h，余辉持续10h以上。该专利提供的光强度较弱，持续时间短，不能实现对沉水植物高效补光。专利CN205241358U提供了一种补光装置，构建网格状结构的浮体，利用浮体上的导光管将水面光导入水体，改善水下光环境。专利中的浮体占据较大水面，大幅削减进入整个水体的辐射总量；其次，光通过导光管时产生损耗，水下光环境改善程度有限。专利CN206949146U公开的一种补光的植物种植装置也存在上述问题，表面构筑物多，大大削减进入水柱光通量。早期植物补光多使用白光，而不同波长的光线对于植物光合作用的影响存在极大差异，其中，400~520nm（蓝光）的光线以及610~720nm（红光）对于光合作用贡献最大，其他波长的光对植物生长的影响可以忽略不计，因此白光中无效光比重高，有相当多的能量以热效应方式传递到环境中，光能利用率低，植物补光效率低。专利CN106830342A公开了一种沉水植物补光设备，补光灯外侧设有钢丝笼，这会产生两个负面效应：补光灯表面容易附着生物膜，影响补光灯的通透性，减少补光效率，其次，在水流或风浪的作用下，沉水植物叶片会频繁拍打，甚至缠绕在钢丝笼上，对植物叶片造成机械损伤。现有相关专利均未设计沉水植物恢复水深，水深太高的情况下，即使补充人工光源，沉水植物也不能形成稳定自演替群落，对水环境改善有限。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术存在的不足，提供一种低透明度水体沉水植被补光装置和方法。
为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：
一种低透明度水体沉水植被补光装置，包括供能装置、控制装置、固定装置和照明装置；
所述供能装置设置于堤岸上，连接照明装置，用于为照明装置供能；
所述控制装置连接供能装置，控制供能装置启闭；
所述固定装置将照明装置固定于水下待照明区域；
所述照明装置包括LED面板、设置于LED面板上的LED灯组和防水灯罩；其中，所述LED灯组由红光LED、蓝光LED和紫外光LED组成；
所述LED面板为矩形面板，红光LED排布于矩形面板上下两端；蓝光LED和紫外光LED均匀排布在红光LED之间；
所述防水灯罩用于密封LED灯组和固定LED灯组的LED面板。
作为本发明的进一步改进，所述防水灯罩内设置三个矩形LED面板；所述三个LED面板尺寸相等，组合成三棱柱型组合光源，对周围水体进行立体补光。
作为本发明的进一步改进，所述红光LED的波长为660±10nm；蓝光LED的波长为450±10nm；紫外光LED的波长为250±10nm。据测试紫外光在污染水体的穿透能力极低，99%的紫外光在距离光源1cm处完全衰减，对沉水植物影响可以忽略不计。
作为本发明的进一步改进，LED灯珠在LED面板上排布的行间距与列间距均为10-30mm。10-30mm的间距以便各波段的光辐射分布均匀。
作为本发明的进一步改进，所述红光LED、蓝光LED和紫外光LED的灯珠数量比为6：（4-3）：（2-1）。红光LED、蓝光LED和紫外光LED相互间隔排列，红光在水中的削减系数最高，故适当提高红光LED的比重。红光LED、蓝光LED和紫外光LED的数量比例为6：（4-3）：（2-1）。具体比例关系根据供电及具体水质状况确定。
作为本发明的进一步改进，所述LED面板上，同一种波段的灯珠同行并联或同列并联，之后再行与行并联或列与列并联，最后通过侧面的穿线孔与启动控制器相连。使同一个波段的灯珠并联且可以单独控制，整个灯板一颗灯珠损坏不影响其他灯珠工作。
作为本发明的进一步改进，所述待照明区域为水体真光层以下，四倍水体最大透明度以上的水域。
作为本发明的进一步改进，所述防水灯罩为圆柱形灯罩，包括柱状防水灯罩本体和两端的密封件；所述防水灯罩本体材质选用玻璃；所述密封件选用橡胶塞；在橡胶塞接头处和穿线孔处采用透明胶做防水封装。
作为本发明的进一步改进，所述固定装置为固定桩；所述防水灯罩两端通过带橡皮圈的抱箍与固定桩相连。所述的照明装置通过绳索固定在固定桩，照明装置在水和沉积物界面上方20-30cm。河道工况下，照明装置的安装方向与堤岸平行；湖泊工况下，照明装置的安装方向与盛行风平行，尽可能减少照明装置在水中的阻力，同时避免沉水植物枝条与照明装置缠绕在一起；
作为本发明的进一步改进，所述照明装置采用风光互补发电装置，所述风光互补发电装置将太阳能和风能转换为电能存储于蓄电池中，为照明装置供能。风光互补发电装置、照明装置和控制装置用电缆连接，形成循环回路。整个装置固定在堤岸上，减少发电装置构建物对水面接受太阳光的通量的影响，同时避免对水面景观带来负面影响；
本发明还提供了采用上述装置进行低透明度水体沉水植被补光的方法，包括如下步骤：
（1）测定水体真光层深度及透明度；
（2）在真光层以下，水体最大透明度四倍以上的水域内设置权利要求1~10任一项所述装置；
（3）通过控制装置设置照明装置通电时间，每日光照时间10-16h。红光LED和蓝光LED的开启时间为日出前1小时至日落后1小时，通过适当延长光照时间，弥补水体光照强度弱的缺陷，促进植物光合作用，提高植株的定植率；紫外光的开启时间为日出前1小时至日出后1小时。
本发明的装置和方法可具有如下有益效果：
（1）沉水植物种植初期，通过水下照明装置增加沉水植物叶面附件有效光照的强度、并适当延长光照时间，克服了在浑浊水体下的沉水植物光照不足的问题，促进植物光合作用，改善植物长势，提高了沉水植物种植的成活率。
（2）照明装置由三种LED灯珠组成。其中，红、蓝光为植物有效光，可以最大限度提高能源的利用率，减少无效光源的耗散；水下植物生长补光首次使用紫外光，紫外光的引入并非为植物生长提供直接帮助，紫外光主要是抑制照明设备外表面生物膜的附着，紫外光LED的波长为250±10nm，该波长的紫外光可有效促进生物膜脱落，这一特性可使照明设备表面长期保持清洁，提高红光和蓝光等两种植物有效光的补光效率，此外，紫外光还可促进照明装置附近水体有机质降解，进一步改善水质；并可根据水体浊度，精确调节光源的红、蓝和紫光比例，以及光周期，实现人工光源的精细调控。
（3）照明装置外观设计成透明圆柱体，避免了早期的植物补光设备仅能向下补光的不足。照明装置内部LED灯排列呈三棱柱型，可全方位立体改善水下光环境，可为高度超过照明装置的部分植株枝条提供充足光照，进一步促进植株生长。
（4）太阳能和风能相结合，为照明设备的提供充足电源，减少极端天气的负面影响；太阳能和风能属绿色环保能源，LED为节能灯，符合节能环保的要求。
（5）确定污染水体最适恢复水深范围为真光层以下，四倍水体最大透明度以上的水域，在超过四倍水体最大透明度的水体恢复沉水植物的成本高，且不容易成活。
附图说明
图1是沉水植被补光装置的空间布局图；
图2是照明装置布置示意图；
图3是照明主体示意图；
图4是实施例1中使用的LED面板示意图；
图5是实施例2中使用的LED面板示意图；
图6是实施例3中使用的LED面板示意图；
图中：1是供能装置；2是蓄电池；3是控制装置；4是电缆；5是固定装置；6是照明装置；7是LED面板；8是防水灯罩；9是密封件；10是抱箍；11是紫外光LED灯珠；12是红光LED灯珠；13是蓝光LED灯珠。
具体实施方式
下面结合附图说明和具体实施方式对本发明的技术方案做进一步阐述。
实施例1
本实施例说明本发明装置的具体结构。
如图1~图3所示的沉水植被补光装置，包括供能装置1、控制装置3、固定装置和照明装置6；供能装置1采用风光互补发电装置，设置于堤岸上，减少发电装置构建物对水面接受太阳光的通量的影响，同时避免分隔开阔水面，进而影响景观；风光互补发电装置1、照明装置6和控制装置3用电缆4连接，形成循环回路。
固定装置将照明装置6固定于水下待照明区域，照明装置6在水和沉积物界面上方30cm。照明装置6的安装方向与堤岸平行，减少照明装置6在水中的阻力，同时避免沉水植物枝条与照明装置6缠绕在一起；相邻的照明装置6可连接在一起，也可间隔一定距离；水下待照明区域优选为真光层以下，水体最大透明度四倍以上的水域。本实施例的固定件为固定桩5，固定桩为竹桩或木桩等材料，优选木桩。
照明装置6包括LED面板7、设置于LED面板上的LED灯组和防水灯罩8；其中，所述LED灯组由红光LED、蓝光LED和紫外光LED组成，红光LED的波长为660±10nm，蓝光LED的波长为450±10nm，紫外光LED的波长为250±10nm。
LED面板7为矩形面板，每个面板长*宽为40cm*100cm，红光LED排布于矩形面板上下两端；蓝光LED和紫外光LED均匀排布在红光LED之间；红光LED、蓝光LED和紫外光LED的灯珠数量比为3：2：1，根据三种波长LED灯珠11、12、13的比例，同一种波段的灯珠同行并联或同列并联，之后再行与行并联或列与列并联，最后通过侧面的穿线孔与启动控制器相连，本实施例的LED灯珠11、12、13的排布方式如图4所示，灯珠单元在LED面板上的排布行间距10mm，列间距均为20mm。
防水灯罩8用于密封LED灯组和固定LED灯组的LED面板。本实施例中，防水灯罩8为圆柱形灯罩，包括柱状防水灯罩本体和两端的密封件9；所述防水灯罩8本体材质选用玻璃；所述密封件9选用橡胶塞；在橡胶塞接头处和穿线孔处采用透明胶做防水封装。防水灯罩8两端通过带橡皮圈的抱箍10与固定桩5相连。
本实施例中，防水灯罩内设置三个尺寸相等的矩形LED面板；三个矩形LED面板组合成三棱柱型组合光源，对周围水体进行立体补光。
实施例2
本实施例以江苏省宜兴市一条农村污染河道为例，说明采用本发明的装置进行补光及生态修复的方法。
该河道最大水深3m，河道透明度30-50cm，真光层深度为100cm，弱光限制真光层以下水域无水生植物生长。水深大于230cm处，恢复难度较高，且难以形成永久性植物群落。生态修复重点区域为水深介于100-200cm之间。春季，种植常见沉水植物耐污种，如苦草、黑藻和马来眼子菜等植物。安装市售风光互补发电装置1，连接蓄电池2（1000W，24V）和控制装置3。制作LED面板7，红光LED灯珠12：蓝光LED灯珠13：紫外光LED灯珠11=6：4：1（排列方式如图5所示）。3块LED面板7组合成三棱柱，密封在防水灯罩8内，悬挂在水泥界面30cm以上的固定桩5上。供能装置1、照明装置6和控制装置3用电缆4连接，形成循环回路。通过控制装置3设置照明装置6通电时间，每日光照时间10-16h；照明装置6中红光LED和蓝光LED的开启时间为日出前1小时至日落后1小时；紫外光LED的开启时间为日出前1小时至日出后1小时。
安装运行1个月后，40%的沉水植物顶端进入真光层，表明植物部分枝条可直接利用太阳辐射；2个月后，80%的沉水植物顶端进入真光层；3个月后，沉水植物覆盖度达到90-95%，悬浮物降低了50-72%，透明度提高了80-90%，为更深水体沉水植物定植创造条件。无人工光源的对照工况下，沉水植物长势极差，植物叶片发黄，覆盖度仅为1-5%。
实施例3
本实施例以在安徽省巢湖市一条以农村污染为主，混合工业污染河道为例，说明采用本发明的装置进行补光及生态修复的方法。
该河道最大水深3.5 m，河道透明度30-40 cm，真光层深度为90 cm，弱光限制真光层以下水域无水生植物生长，真光层以上零星水生植物。生态修复重点区域定为90-160cm范围内水域。-春季，种植常见土著沉水植物耐污种，如黑藻、微齿眼子菜和马来眼子菜等植物。安装市售风光互补发电装置1，连接蓄电池2（1000W，24V）和控制装置3。制作LED面板7，红光LED灯珠12：蓝光LED灯珠13：紫外光LED灯珠11=6：3：1（排列方式如图6所示）。3块LED面板7组合成三棱柱，密封在防水灯罩8中，悬挂在水泥界面30cm以上的固定桩5上。供能装置1、照明装置7和控制装置3用电缆4连接，形成循环回路。通过控制装置3设置照明装置6通电时间，每日光照时间10-16h；照明装置6中红光LED和蓝光LED的开启时间为日出前1小时至日落后1小时；紫外光LED的开启时间为日出前1小时至日出后1小时。
安装运行1个月后，沉水植物成活率大于80%，30%的沉水植物顶端进入真光层；3个月后，沉水植物覆盖度达到80-90%，悬浮物降低了40-54%，透明度提高了70-80%。在河道中相邻无人工光源的对照水域，沉水植物几乎为零。
Claims (10)
1.一种低透明度水体沉水植被补光装置，其特征在于，包括供能装置、控制装置、固定装置和照明装置；
所述供能装置设置于堤岸上，连接照明装置，用于为照明装置供能；
所述控制装置连接供能装置，控制供能装置启闭；
所述固定装置将照明装置固定于水下待照明区域；
所述照明装置包括LED面板、设置于LED面板上的LED灯组和防水灯罩；其中，所述LED灯组由红光LED、蓝光LED和紫外光LED组成；
所述LED面板为矩形面板，红光LED排布于矩形面板上下两端；蓝光LED和紫外光LED均匀排布在红光LED之间；
所述防水灯罩用于密封LED灯组和固定LED灯组的LED面板。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述防水灯罩内设置三个矩形LED面板；所述三个LED面板尺寸相等，组合成三棱柱型组合光源，对周围水体进行立体补光。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述红光LED的波长为660±10nm，蓝光LED的波长为450±10nm，紫外光LED的波长为250±10nm。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，LED灯珠在LED面板上排布的行间距与列间距均为10-30mm。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述红光LED、蓝光LED和紫外光LED的灯珠数量比为6：（4-3）：（2-1）。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述LED面板上，同一种波段的灯珠同行并联或同列并联，之后再行与行并联或列与列并联，最后通过侧面的穿线孔与启动控制器相连。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述待照明区域为水体真光层以下，四倍水体最大透明度以上的水域。
8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述防水灯罩为圆柱形灯罩，包括柱状防水灯罩本体和两端的密封件；所述防水灯罩本体材质选用玻璃；所述密封件选用橡胶塞；在橡胶塞接头处和穿线孔处采用透明胶做防水封装。
9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述固定装置为固定桩；所述防水灯罩两端通过带橡皮圈的抱箍与固定桩相连。
10.一种低透明度水体沉水植被补光方法，其特征在于，包括：
（1）测定水体真光层深度及透明度；
（2）在真光层以下，水体最大透明度四倍以上的水域内设置权利要求1~10任一项所述装置；
（3）通过控制装置设置照明装置通电时间，每日光照时间10-16h；照明装置中红光LED和蓝光LED的开启时间为日出前1小时至日落后1小时；紫外光LED的开启时间为日出前1小时至日出后1小时。
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