CN109781336A - 模拟并测定不同流速下水生植物所受拖曳力的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种模拟并测定不同流速下水生植物所受拖曳力的装置和方法，所述装置包括：调速电机、固定杆、牵引绳和一对轨道，轨道沿水槽上沿相对且平行设置，固定杆两端分别设置有与轨道相配合的滚轮并垂直架设于轨道之间，固定杆与调速电机之间通过与轨道平行的牵引绳连接，测力计固定连接于固定杆上，其下方的测量端固定连接传力杆，传力杆固定连接夹具。该装置计算出的植物拖曳力参数，有利于明确生态恢复工程水动力要素的影响，进而优化植物群落配置，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。该装置具有装置制作方法简单，易于操作，测量精度高，数据可靠的优点。

Description

模拟并测定不同流速下水生植物所受拖曳力的装置和方法

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，具体涉及一种可模拟并测定不同流速下水生植物所承受拖曳力的装置和方法。

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，还与植物种类及其自身在水流作用下承受的拖曳力大小有关。一些流线型物种外形较为修长，受水流冲刷时可通过折叠形迹减少自身承受的拖曳力，进而确保植株体不被连根拔起或发生局部损伤。这一类物种往往对水动力具有较强的适应性，在强风浪湖泊(湖区)具有较高的存活概率。相应的，冠层蓬松且韧性较低的植株体，受水流冲刷作用时，自身很难发生形迹，因此水动力对植株体形成较大的拖曳作用，往往导致植株体生物量损失，或整株倒浮。

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，摸清水生植物在不同水流作用下承受拖曳力的大小，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。因此，需要寻求一种能够模拟不同流速条件，并进行各流速条件下植物承受拖曳力的测定的装置和方法，揭示不同物种水生植物在各流速下承受的拖曳力特征及其差异，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可模拟并测定不同流速下水生植物所承受拖曳力大小的装置和方法，可以模拟不同流速作用下植物的受力情况，并进行拖曳力测定，有利于明确水动力对水生植物的胁迫作用，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，本发明采用如下技术方案：

一种模拟并测定不同流速下水生植物所受拖曳力的装置，包括：水槽、轨道系统和测量系统，

所述轨道系统包括调速电机、固定杆、牵引绳和一对轨道，所述轨道沿所述水槽上沿相对且平行设置，所述固定杆两端分别设置有与所述轨道相配合的滚轮，所述固定杆垂直架设于所述轨道之间，所述固定杆与所述调速电机之间通过所述牵引绳连接，所述牵引绳与所述轨道平行，

所述测量系统包括测力计、刚性的传力杆和夹具，所述测力计固定连接于所述固定杆上，所述测力计的下方的测量端固定连接所述传力杆，所述传力杆固定连接所述夹具。

进一步的，所述调速电机固定连接于所述水槽的上沿。

进一步的，所述滚轮为卡槽式滑轮。

进一步的，所述测力计为可连接电脑带实时拉力存储功能的数显测力计，记录频率5组/s。

进一步的，所述测力计最大负荷为200N，分度值为0.01N，测量精度为0.01N。

进一步的，所述夹具表面包裹有纱布，可以防止夹具对被测试植物造成破坏。

进一步的，所述水槽为透明材质。

进一步的，所述水槽为透明有机玻璃材质。

本发明还提供采用上述装置模拟并测定不同流速下水生植物所受拖拽力的方法，包括如下步骤：

(1)向所述水槽中注水，使得水面高于所述夹具；

(2)通过设定所述调速电机的转速，使得所述固定杆带动所述测量系统匀速运动，并记录所述测力计显示的力值；

(3)重复步骤(2)，得到同一速度下多次测量得到的力值，去除最开始的5个数据和测力结束前5个数据，对剩余数据进行平均，得到的平均值记为f_i，即为测力传感器和夹具在水流中受到的阻力；

(4)用所述夹具夹住被测试的水生植物的根部；

(5)重复步骤(2)，得到同一速度下多次测量得到的力值，去除最开始的5个数据和测力结束前5个数据，对剩余数据进行平均，得到的平均值记为F_i，即为水生植物受到的阻力以及测力传感器和夹具在水流中受到的阻力之和；

(6)计算得到水生植物在该水流流速下受到的拖曳力R_i；R_i＝F_i-f_i。

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。可以揭示水生植物在不同流速作用下受到拖曳力，定量表征水流对水生植物形成的物理胁迫。本发明所计算出的水生植物在不流速下的拖曳力，结合水生植物机械抗性参数，可以进一步明确水生植物群落对水动力的响应。机械抗性弱且相同流速下拖曳力大的物种，容易在水动力增强的形势下发生损伤或退化，进而对群落演替产生影响。因此，本发明所计算出的植物拖曳力参数，有利于明确生态恢复工程水动力要素的影响，进而优化植物群落配置，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是本发明所述模拟并测定不同流速下水生植物所受拖曳力的装置结构示意图。

图2是本发明所述轨道系统的结构俯视图。

图3是本发明所述测量系统的结构示意图。

其中，10为模拟并测定不同流速下水生植物所受拖曳力的装置，20为水槽，30为轨道系统，40为测量系统，50为水生植物，301为调速电机，302为牵引绳，303为轨道，304为固定杆，305为滚轮，401为测力计，402为夹具，403为传力杆，404为夹具，405为测力计固定杆。

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。

实施例1

如图1-3所示，一种模拟并测定不同流速下水生植物所受拖曳力的装置，包括：水槽、轨道系统和测量系统，

所述轨道系统包括调速电机、固定杆、牵引绳和一对轨道，所述轨道沿所述水槽上沿相对且平行设置，所述固定杆两端分别设置有与所述轨道相配合的滚轮，所述固定杆垂直架设于所述轨道之间，所述固定杆与所述调速电机之间通过所述牵引绳连接，所述牵引绳与所述轨道平行，

所述测量系统包括测力计、刚性的传力杆和夹具，所述测力计固定连接于所述固定杆上，所述测力计的下方的测量端固定连接所述传力杆，所述传力杆固定连接所述夹具。

所述调速电机固定连接于所述水槽的上沿。

所述滚轮为卡槽式滑轮。

所述测力计为可连接电脑带实时拉力存储功能的数显测力计，记录频率5组/s。

所述测力计最大负荷为200N，分度值为0.01N，测量精度为0.01N。

所述夹具表面包裹有纱布，可以防止夹具对被测试植物造成破坏。

所述水槽为透明材质，长×宽×高为5m×1m×1m。。

所述水槽为透明有机玻璃材质。

采用上述装置模拟并测定不同流速下水生植物所受拖拽力，包括如下步骤：

首先明确拟测的流速大小，本实施例拟测流速为5组：0.1m/s、0.2m/s、0.3m/s、0.4m/s。

第一组测试：

(1)向所述水槽中注水，使得水面高于所述夹具；

(2)通过设定所述调速电机的转速为0.1m/s，使得所述固定杆带动所述测量系统匀速运动，并记录所述测力计显示的力值；

(3)重复步骤(2)，得到0.1m/s下多次测量得到的力值，去除最开始的5个数据和测力结束前5个数据，对剩余4个数据进行平均，得到的平均值记为f_i，即为测力传感器和夹具在水流中受到的阻力；f_i＝0.14N；

(4)用所述夹具夹住被测试的水盾草的根部；

(5)重复步骤(2)，得到同一速度下多次测量得到的力值，去除最开始的5个数据和测力结束前5个数据，对剩余4个数据进行平均，得到的平均值记为F_i，即为水生植物受到的阻力以及测力传感器和夹具在水流中受到的阻力之和；F_i＝1.17N；

(6)计算得到水盾草在水流流速0.1m/s下受到的拖曳力R_i；R_i＝F_i-f_i＝1.03N。

重复上述步骤，进行流速0.2m/s、0.3m/s、0.4m/s下的测试，得到0.2m/s、0.3m/s、0.4m/s流速下，f_i分别为0.25N、0.48N和0.93N，F_i分别为2.58N、4.72N和9.14N，从而得到水盾草在0.1m/s、0.2m/s、0.3m/s、0.4m/s流速下受到的拖曳力分别为1.03N、2.33N、4.24N和8.21N。

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 (9)

1.一种模拟并测定不同流速下水生植物所受拖曳力的装置，其特征在于，包括：水槽、轨道系统和测量系统，

所述轨道系统包括调速电机、固定杆、牵引绳和一对轨道，所述轨道沿所述水槽上沿相对且平行设置，所述固定杆两端分别设置有与所述轨道相配合的滚轮，所述固定杆垂直架设于所述轨道之间，所述固定杆与所述调速电机之间通过所述牵引绳连接，所述牵引绳与所述轨道平行，

所述测量系统包括测力计、刚性的传力杆和夹具，所述测力计固定连接于所述固定杆上，所述测力计的下方的测量端固定连接所述传力杆，所述传力杆固定连接所述夹具。

2.根据权利要求1所述的模拟并测定不同流速下水生植物所受拖曳力的装置，其特征在于，所述调速电机固定连接于所述水槽的上沿。

3.根据权利要求1所述的模拟并测定不同流速下水生植物所受拖曳力的装置，其特征在于，所述滚轮为卡槽式滑轮。

4.根据权利要求1所述的模拟并测定不同流速下水生植物所受拖曳力的装置，其特征在于，所述测力计为可连接电脑带实时拉力存储功能的数显测力计，记录频率5组/s。

5.根据权利要求1所述的模拟并测定不同流速下水生植物所受拖曳力的装置，其特征在于，所述测力计最大负荷为200N，分度值为0.01N，测量精度为0.01N。

6.根据权利要求1所述的模拟并测定不同流速下水生植物所受拖曳力的装置，其特征在于，所述夹具表面包裹有纱布。

7.根据权利要求1所述的模拟并测定不同流速下水生植物所受拖曳力的装置，其特征在于，所述水槽为透明材质。

8.根据权利要求7所述的模拟并测定不同流速下水生植物所受拖曳力的装置，其特征在于，所述水槽为透明有机玻璃材质。

9.一种采用权利要求1-8任一所述装置模拟并测定不同流速下水生植物所受拖拽力的方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)向所述水槽中注水，使得水面高于所述夹具；

(2)通过设定所述调速电机的转速，使得所述固定杆带动所述测量系统匀速运动，并记录所述测力计显示的力值；

(3)重复步骤(2)，得到同一速度下多次测量得到的力值，去除最开始的5个数据和测力结束前5个数据，对剩余数据进行平均，得到的平均值记为f_i，即为测力传感器和夹具在水流中受到的阻力；

(4)用所述夹具夹住被测试的水生植物的根部；

(5)重复步骤(2)，得到同一速度下多次测量得到的力值，去除最开始的5个数据和测力结束前5个数据，对剩余数据进行平均，得到的平均值记为F_i，即为水生植物受到的阻力以及测力传感器和夹具在水流中受到的阻力之和；

(6)计算得到水生植物在该水流流速下受到的拖曳力R_i；R_i＝F_i-f_i。