CN110514815A - 一种原位模拟滨岸带不同淹没-落干频率的试验系统及方法 - Google Patents

一种原位模拟滨岸带不同淹没-落干频率的试验系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种原位模拟滨岸带不同淹没‑落干频率的试验系统及方法，其中系统包括水位计、数据处理模块和试验模拟装置，所述水位计与所述数据处理模块连接，所述水位计在使用时安装于所述试验模拟装置附近，所述试验模拟装置包括若干试验单元，所述试验单元包括第一管道、第二管道和第三管道，所述第一管道与所述第二管道垂直连通，所述第二管道的出水口连接只出水不进水的单向阀，所述第三管道与所述第二管道垂直连通，且与所述第一管道平行，若干试验单元的第三管道的高度依次递减或递增，所述数据处理模块用于根据水位计监测到的试验模拟装置的水位情况生成淹没‑落干数据。本发明可以得到同时同地而不同周期的实验效果，且操作简单灵活，省时省力。

Description

一种原位模拟滨岸带不同淹没-落干频率的试验系统及方法
技术领域
本发明涉及滨岸带环境监测领域，尤其涉及一种原位模拟滨岸带不同淹没-落干频率的试验系统及方法。
背景技术
湖库滨岸带是各种生物地球化学反应的热点区，探究滨岸带干-湿循环过程中沉积物在不同淹水时期的理化性质及沉积物内生物地球化学反应，是揭示滨岸带生物地球化学反应真实面貌的基础。为了精确研究滨岸带生物地球化学反应机制，必须避免或控制不同地区和时间尺度下由环境差异性带来的扰动。目前对于滨岸带干-湿循环下沉积物生物地球化学反应的试验，多集中在室内培养试验、野外同位素示踪或野外长期监测等方面。室内培养试验与实际情况常存在较大差异，无法完全模拟野外情况；而野外同位素示踪试验和野外常期监测，或无法避免时间尺度上的环境差异性进行同时期不同淹水周期定量模拟，或无法避免沉积物差异性进行同试验区不同淹水周期模拟。
发明内容
发明目的：为了小沉积物非均质性及其它因素引起的干扰，本发明提供了一种原位模拟滨岸带不同淹没-落干频率的试验系统及方法，能够野外模拟相同环境下不同周期的干湿循环，具有实地模拟、可同时同地对比试验、无需人力监测等优点。
技术方案：本发明所述的原位模拟滨岸带潜流区不同淹没-落干频率的试验系统包括水位计、数据处理模块和试验模拟装置，所述水位计与所述数据处理模块连接，所述水位计在使用时安装于所述试验模拟装置附近，所述试验模拟装置包括若干试验单元，所述试验单元包括第一管道、第二管道和第三管道，所述第一管道高度大概在150cm，所述第一管道与所述第二管道垂直连通，所述第二管道的出水口连接只出水不进水的单向阀，所述第三管道与所述第二管道垂直连通，且与所述第一管道平行，若干试验单元的第三管道的高度依次递减或递增，所述数据处理模块用于根据水位计监测到的试验模拟装置的水位情况生成淹没-落干数据。
进一步的，所述试验单元的第一管道与所述第二管道的连通位置位于所述第二管道下部大致1/3处。所述试验模拟装置的所有试验单元的第一管道的高度相同，第三管道的高度都低于第一管道的高度。
可选的，所述水位计与所述数据处理模块集成在一起，形成一个整体。
可选的，所述水位计与所述数据处理模块为两个装置，并通过有线网络或无线网络连接。
进一步的，所述数据处理模块具体用于根据水位计监测到的水位、已知各试验单元第二管道的出水口高程和各试验单元第三管道的高度，计算出每个试验单元的淹水情况，生成淹没频次、各淹没周期时间和时长。
本发明所述的原位模拟滨岸带潜流区不同淹没-落干频率的试验方法基于上述实验系统，该方法包括：
将试验模拟装置的试验单元沿水流方向大致等间隔的安装于湖库多年平均水位淹没的滨岸带潜流区，安装时，各试验单元第三管道高度依次递增或递减，各试验单元第一管道垂直插入滨岸带沉积物中，直至第二管道与滨岸带沉积物接触；
将水位计安装于所述试验模拟装置附近；
安装完成后，水位计自动监测试验模拟装置的各试验单元水位，并将水位信息发送至数据处理模块；
数据处理模块根据根据水位计监测到的水位、已知各试验单元第二管道的出水口高程和各试验单元第三管道的高度，计算出每个试验单元的淹水情况，生成淹没频次、各淹没周期时间和时长。
其中，安装试验模拟装置时，各试验单元的第二管道平行于岸线，且朝向水流流向方向。各试验单元安装位置高程大致相同，第二管道的高程相同。
有益效果：本发明与现有技术相比，其显著优点是：
1.排除了沉积物异质性干扰。沉积物是滨岸带生物地球化学反应的载体，本试验系统在同一区域开展试验，避免了沉积物异质性对试验结果的影响。
2.排除了时间尺度上差异性干扰。以往实验方法中，为避免沉积物异质性干扰常采用长期监测的手段，但无法控制长时间尺度上其他环境因素的影响。本试验系统利用第三管道作为进水口和第二管道作为出水口，通过不同高程的进水口，模拟不同淹没周期，达到定量研究滨岸带干湿循环周期与沉积物生物地球化学反应关系的目的，排除了时间尺度上差异性的干扰。
3.操作简单灵活，无需长期人力监测。本试验系统制作和安装简单，布设灵活，在长期模拟中无需人力在野外长期坚守，省时省力。
附图说明
图1是本发明提供的原位模拟滨岸带潜流区不同淹没-落干频率的试验系统的安装示意图；
图2是图1中试验单元的结构图；
图3是采用本发明得到的不同高度进水口淹没频次对比图。
具体实施方式
本实施例提供了一种原位模拟滨岸带潜流区不同淹没-落干频率的试验系统，如图1和图2所示，包括水位计1、数据处理模块和试验模拟装置，水位计1与数据处理模块连接，试验模拟装置包括若干试验单元2，试验单元2包括第一管道21、第二管道22和第三管道23，试验单元2的第一管道21与第二管道22垂直连通，连通位置位于第二管道下部大致1/3处，第二管道22的出水口连接只出水不进水的单向阀24，第三管道23与第二管道22垂直连通，且与第一管道21平行。试验模拟装置的所有试验单元的第一管道21的高度相同，第三管道23的高度都低于第一管道21的高度，且高度依次递减或递增，一般递增或递减的长度大于或等于5cm，各试验单元除第三管道高度不同外，其余参数均相同。各试验单元单位第三管道23的入口作为进水口，第二管道的出口作为出水口。
水位计1可以根据需要选择，本实施例中为雷达水位计，安装在实验模拟装置附近，其精度要求为1～2cm，监测时间间隔为2～6h。数据处理模块具体用于根据水位计监测到的水位、已知各试验单元第二管道的出水口高程和各试验单元第三管道的高度，计算出每个试验单元的淹水情况，生成淹没-落干频次、各淹没周期时间和时长，可以通过MATLAB等程序实现。水位计1与数据处理模块可以集成在一起，形成一个整体，在监测时，数据处理模块可以将数据通过USB/SD卡存储在本地也可联网发送至其他装置。水位计与数据处理模块也可为两个装置，两者通过有线网络或无线网络连接，数据处理模块位于岸上。
本发明的使用方法和原理为：试验单元安装在湖库多年平均水位淹没的滨岸带沉积物附近，为避免水流和波浪对装置排水影响，第二管道22应平行于岸线朝向水流流向方向，第一管道21垂直插入滨岸带沉积物至第二管道22下部与沉积物接触，第一管道21深入滨岸带沉积物是为了防止水位上升时湖库内水大量涌入第一管道21。对于单个试验单元来说，在一个水位升降周期中，当水位上升但低于第三管道23进水口高度时，第一管道21内沉积物一直处于落干状态；当水位上升至高于第三管道23进水口高度时，由连通器原理，第一管道21内水位与外界水位持平，沉积物处于淹没状态；当水位下降至低于第三管道23进水口高度时，第一管道21内水位随库水位下降；水位继续下降至水位下降至第二管道22出水口高度，第一管道21内沉积物落干，到下一次淹水开始时为一个完整淹水-落干周期。对于整个实验模拟装置来说，当湖库开始涨水时，进水口高度较低的第三管道23先被淹没，水流从进水口进入第一管道21淹没管底沉积物；而进水口高度较高的试验单元内部则未被淹没，圆管内沉积物处于落干状态；当水位回落但高于第二管道22出水口时，已受淹没的沉积物持续受到淹没，直至水位低于第二管道22单向出水口时，第一管道21内水体全部排出进入落干期。水位计1定时检测湖库水位，发送给数据处理模块，数据处理模块处理后得到每个试验单元的淹水情况，生成淹没频次、各淹没周期时间和时长。如此，可以达到在同试验区域同一时段模拟不同干湿循环的周期，以减小沉积物非均质性引起的扰动的效果。整个试验周期中，根据具体试验方案，通过对从试验单元第一管道内采取的沉积物样品在实验室分析测验，结合每个试验单元在各时期淹水情况，最终达到量化滨岸带干湿循环周期与沉积物某生物地球化学反应之间关系的目的。
本实施例还提供了一种原位模拟滨岸带潜流区不同淹没-落干频率的试验方法，该方法基于上述实验系统，该方法包括：
S1、将试验模拟装置的试验单元沿水流方向大致等间隔的安装于湖库多年平均水位淹没的滨岸带潜流区，安装时，各试验单元第三管道高度依次递增或递减，各试验单元第一管道垂直插入滨岸带沉积物中，直至第二管道与滨岸带沉积物接触。
本实施例中选取的湖泊多年平均水位、多年平均最低水位和多年平均最高水位分别为3.4m、3.0m和4.2m，本次试验时间为6个月。试验模拟装置包括8个试验单元，各试验单元第一管道21为内径20cm高150cm的无缝不锈钢圆管，第二管道和第三管道为内径3cm的无缝不锈钢圆管，第三管道23高度分别为5cm、15cm、25cm、35cm、45cm、55cm、65cm、75cm。试验模拟装置安装在湖滨带高程3.4m的沉积物上，为避免水流和波浪对装置排水影响，第二管道平行于岸线，且朝向水流流向方向，各试验单元的第二管道均处于3.4m高程，安装间隔为10cm。
S2、将水位计安装于试验模拟装置附近。水位计自动监测时间间隔设定为3小时。
S3、安装完成后，水位计自动监测试验模拟装置的各试验单元水位，并将水位信息发送至数据处理模块。
S4、数据处理模块根据根据水位计监测到的水位、已知各试验单元第二管道的出水口高程和各试验单元第三管道的高度，计算出每个试验单元的淹水情况，生成淹没-落干频次、各淹没周期时间和时长。
在安装完成后的某次洪水涨落过程中，湖泊水位从3.35m涨至3.7m，后又回落至3.4m。此过程中，湖水依次淹没5cm、15cm和25cm的进水口，这三个试验单元第一管道内的沉积物受到淹没；随着水位逐渐消退，进水口按高度25cm、15cm和5cm逐渐露出，圆管内水位慢慢回落，直至水位降至3.4m三个第一管道内水完全排净。整个过程直至下一次水位上升，为一个淹没落干周期，整个周期中除进水口高度为5cm、15cm和25cm的试验单元中沉积物受到淹没，其他试验单元内沉积物均处于落干状态。数据处理模块通过水位信息、已知的8个试验单元出水口高程和安装高程3.4m，计算出每个试验单元的淹水情况，通过MATLAB自编程序可直接生成每个试验单元淹水周期编号、时间和时长，如图3所示为不同高度进水口淹没频次对比图，深色曲线表示圆管内沉积物受淹没时期。再通过实验室测定第一管道内内沉积物各硝化反应物质量的变化，计算6个月中沉积物反硝化速率，结合每个试验单元淹水情况，最终达到量化滨岸带干湿循环周期与沉积物反硝化作用之间关系的目的。
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (9)

1.一种原位模拟滨岸带不同淹没-落干频率的试验系统，其特征在于：包括水位计、数据处理模块和试验模拟装置，所述水位计与所述数据处理模块连接，所述水位计在使用时安装于所述试验模拟装置附近，所述试验模拟装置包括若干试验单元，所述试验单元包括第一管道、第二管道和第三管道，所述第一管道与所述第二管道垂直连通，所述第二管道的出水口连接只出水不进水的单向阀，所述第三管道与所述第二管道垂直连通，且与所述第一管道平行，若干试验单元的第三管道的高度依次递减或递增，所述数据处理模块用于根据水位计监测到的试验模拟装置的水位情况生成淹没-落干数据。
2.根据权利要求1所述的原位模拟滨岸带不同淹没-落干频率的试验系统，其特征在于：所述试验单元的第一管道与第二管道的连通位置位于第一管道下部大致1/3处。
3.根据权利要求1所述的原位模拟滨岸带不同淹没-落干频率的试验系统，其特征在于：所述试验模拟装置的所有试验单元的第一管道的高度相同，第三管道的高度都低于第一管道的高度。
4.根据权利要求1所述的原位模拟滨岸带不同淹没-落干频率的试验系统，其特征在于：所述水位计与所述数据处理模块集成在一起，形成一个整体。
5.根据权利要求1所述的原位模拟滨岸带不同淹没-落干频率的试验系统，其特征在于：所述水位计与所述数据处理模块为两个装置，并通过有线网络或无线网络连接。
6.根据权利要求1所述的原位模拟滨岸带不同淹没-落干频率的试验系统，其特征在于：所述数据处理模块具体用于根据水位计监测到的水位、已知各试验单元第二管道的出水口高程和各试验单元第三管道的高度，计算出每个试验单元的淹水情况，生成淹没频次、各淹没周期时间和时长。
7.一种原位模拟滨岸带不同淹没-落干频率的试验方法，其特征在于：该方法基于权利要求1-6中任意一项所述的试验系统，该方法包括：
将试验模拟装置的试验单元沿水流方向大致等间隔的安装于湖库多年平均水位淹没的滨岸带，安装时，各试验单元第三管道高度依次递增或递减，各试验单元第一管道垂直插入滨岸带沉积物中，直至第二管道与滨岸带沉积物接触；
将水位计安装于所述试验模拟装置附近；
安装完成后，水位计自动监测试验模拟装置的各试验单元水位，并将水位信息发送至数据处理模块；
数据处理模块根据根据水位计监测到的水位、已知各试验单元第二管道的出水口高程和各试验单元第三管道的高度，计算出每个试验单元的淹水情况，生成淹没频次、各淹没周期时间和时长。
8.根据权利要求7所述的原位模拟滨岸带不同淹没-落干频率的试验方法，其特征在于：安装试验模拟装置时，各试验单元的第二管道平行于岸线，且朝向水流流向方向。
9.根据权利要求7所述的原位模拟滨岸带不同淹没-落干频率的试验方法，其特征在于：安装试验模拟装置时，各试验单元安装位置高程大致相同，第二管道的高程相同。
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