CN110574582A - 一种模拟潮间带水位的步入式植物种植系统 - Google Patents
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Abstract
一种模拟潮间带水位的步入式植物种植系统，由栽培室、控制系统和水箱组成，本发明栽培室采用步入式设计，规划了多个的种植区域、步道、明槽等设施，可监测水位、盐度、水质等指标，在栽培室内实施采样、植物处理等，能够满足多处理、多重复的研究需求，在栽培室内用生态砖划分了不同的种植区域，实现了不同区域之间水流通畅，但是基质不会因为水流从高潮区被冲至低潮区。
Description
技术领域
本发明涉及到潮间带植物群落分布和演替的研究，具体为一种模拟潮间带水位的步入式植物种植系统。
背景技术
滨海潮间带是指大潮期间的最高潮位和最低潮位间的海岸或海岸滩涂，它是界于高潮线与低潮线之间的海水涨落地带。根据潮汐活动的规律，潮间带可分为高潮区、中潮区和低潮区。潮间带规律性地被水淹没和暴露，环境的物理和化学性质随着潮汐也呈现出日变化的规律。由于潮水每天淹没不同高程区域的时间和淹水深度都不相同，潮间带环境具有明显的梯度变化，潮间带植被群落随高程不同呈现带状分布。
现有关于研究潮间带植物群落分布和演替的研究，一般不同高程的植物分别种植在独立的空间(如隔离的种植池，或花盆)，施以不同的水位处理。这种固定水位的处理方式无法模拟自然潮间带每天潮涨潮落的环境变化。不同高程的植物被分隔在独立空间也无法保证盐度因子在试验过程中保持稳定和一致。如果通过人工的方式注水和排水，则需要耗费大量的人力，涨潮和退潮的时间也不能保证精确控制。
目前已有专利(CN207589738：一种潮间带植物人工培养装置)提供了潮间带植物人工培养装置，可模拟潮间带涨潮退潮的动态过程和不同的潮位区域。但是该方案有以下一些不足：
(1)种植区没有提供人进入的通道，由于受每天水淹的影响种植基质会比较泥泞和松软，不适合人直接踩上去，人只能在种植区外围实施操作。因此该种方案只能实施小型试验，不适合中型或大型研究系统。
(2)种植基质可能被水从高潮区域冲刷至低潮区域，从而减小了不同高程的差异。
(3)蓄水池与种植区被安放在同一水平高度，排水时如果靠水自流回蓄水池，则蓄水池需占很大的面积，才能保证使蓄水池中的水位低于种植区域的最低水位。如果采用水泵抽水回流的方式，则需要耗费较多的电能，水泵使用次数增倍，消耗较大。
发明内容
根据现有技术的不足，本申请提出了一种模拟潮间带水位的步入式植物种植系统，该系统具有以下显著的进步：
(1)本发明栽培室采用步入式设计，规划了多个的种植区域、步道、明槽等设施，可根据实际需求安装探头监测水位、盐度、水质等指标，在栽培室内实施采样、植物处理等，能够满足多处理、多重复的研究需求。
(2)在栽培室内用生态砖划分了不同的种植区域，实现了不同区域之间水流通畅，但是基质不会因为水流从高潮区被冲至低潮区。种植区域的划分也可满足栽种不同的植物且不相互影响。
(3)本发明的水箱设计位于栽培室下方，使排水时栽培室中的水可自流回水箱，解决了水箱水位必须低于栽培室水位的问题，并且节约了占地空间。水箱壁上设计了观察水位的窗口，能够随时了解水箱中的蓄水是否充足。回水采用完全自流的方式也减少了水泵开启的次数，节约能源和减少水泵损耗。
本发明的技术方案如下：
一种模拟潮间带水位的步入式植物种植系统，由栽培室、控制系统和水箱组成，栽培室内依次设置多个阶梯型种植区，种植区下部为透水生态砖，生态砖上铺种植基质，多个阶梯型种植区之间有透水生态砖垒成的走道，栽培室四周一圈是连通的明槽，明槽内放置水位探头和进水管，走道下方有暗槽，水箱整体位于栽培室下方，水箱中间有若干根立柱，支撑植物栽培室。
所述控制系统由控制箱，水泵以及水位探头、水管和常闭式电磁水阀构成，控制箱中有一个双通路时控开关，两个通路分别连接两个水位继电器，排水水位继电器连接最低水位探头和常闭式电磁水阀，最低水位探头置于栽培室明槽中，垂直位置是栽培室的最低水位，常闭式电磁水阀安装于栽培室明槽底部，注水水位继电器连接最高水位探头和水泵，最高水位探头置于栽培室明槽中，垂直位置是栽培室的最高水位，水泵通过水泵进水管从水箱抽水，通过水泵出水管向栽培室注水。
所述阶梯型种植区包括低潮位种植区、中潮位种植区和高潮位种植区，栽培室的四壁安装有通风扇，栽培室靠近高潮位的一侧通过台阶和进入门相连供人步入。
所述水箱侧面有观察窗可观察水箱中的水位，水箱的一侧上部具有进水管，水箱四周上沿有一些溢出孔。
双路时控开关设定了每天涨潮和退潮的时间。涨潮即水位从最低水位探头的位置升至最高水位探头的位置，退潮即水位从最高水位探头的位置降至最低水位探头的位置。退潮即从栽培室向水箱排水。时控开关的A路控制注水水位继电器和水泵的启停，实现涨潮过程，根据设定的涨潮开始时刻水泵自动开启，水从水箱注入栽培室，当水位升至最高水位探头的位置时水泵自动停止。时控开关的B路控制排水水位继电器和常闭式电磁水阀的启停，实现退潮过程，根据设定的退潮开始时刻常闭式电磁水阀自动打开，水位退至低于最低水位探头的位置时常闭式电磁水阀自动关闭。栽培室内的水位在涨潮时逐渐升高，低潮位种植区、中潮位种植区和高潮位种植区依次被淹没，退潮时高潮位种植区、中潮位种植区、低潮位种植区依次退水。这样就实现了低潮位种植区每天淹水时间最长，高潮位种植区每天淹水时间最短，与实际滨海潮间带的涨潮落潮情况相符。
具体步骤为：
(1)将最高水位探头固定到设定的最高水位，将最低水位探头固定到设定的最低水位。将时控开关的A路连接水位继电器设定每天计划涨潮开始和结束的时间；将时控开关的B路连接水位继电器，设定每天的退潮开始和结束的时间。
(2)第一次使用本发明时，先通过注水口向水箱注入栽培用水，需先计算好栽培系统中用水的盐浓度C(或营养浓度)和水箱需要注水的总体积V。先配置10倍(或100倍)于浓度C的母液0.1V(或0.01V)，然后可用自来水源向水箱中注入水0.9V(或0.99V)，这样水箱中用于栽培植物用水的盐度(或营养浓度)刚好达到C。
(3)在每天的涨潮开始时刻，时控开关的A路通电，启动水位继电器工作。水位继电器通过最高水位探头感应到水位未达到设定高潮位，启动水泵向栽培室内注水。注入栽培室的水可通过围绕栽培室的明槽和走道下方的暗槽快速到达栽培室的每个角落，透水生态砖使水迅速渗入栽培基质，整个栽培室的水位逐渐上升。当水位液面接触到最高水位探头时，水泵停止工作。此时栽培室内达到最高潮位状态。设定的涨潮时间段结束后，时控开关的A路断电，水位继电器处于不工作状态，也不会给水泵发送指令。
(4)在每天的退潮开始时刻，时控开关的B路通电，启动水位继电器工作。水位继电器通过最低水位探头探测到栽培室内的水位超过了设定的低潮位水位，因此开启常闭式电磁水阀，栽培室内的水利用自重通过水阀向水箱注入。整个栽培室的水位逐渐下降，直到水位降至最低水位探头的位置，常闭式电磁水阀断电闭合。此时栽培室内达到最低潮位状态。设定的退潮时间段结束后，时控开关的B路断电，水位继电器处于不工作状态，也不会给常闭式电磁水阀发送指令。
(5)每天栽培室中水位处于最低潮位的时候，研究人员可通过台阶和栽培室门进入栽培室，查看和维护栽培室中的植物，采集数据等。当栽培室内水位处于最高潮位的时段，由于低潮位和中潮位的步道都处于淹水状态，研究人员不宜进入栽培室；如果特殊情况必须进入，需穿戴水鞋。
(6)研究人员可采集栽培室明槽中的水样定期监测栽培用水的盐度(或营养浓度)，如果未达到实验要求可及时调节水箱中的盐度(或营养浓度)。
(7)由于存在植物吸水、蒸腾和蒸发等效应，整个系统中的水会逐渐减少。研究人员可在栽培室处于最低潮位的时间段通过水箱观察窗了解水箱中的水位，如果发现不足可及时补水。当水注入过多时，会从溢出孔溢出。
附图说明
附图1是一种模拟潮间带水位的步入式植物种植系统侧面图；
附图2是一种模拟潮间带水位的步入式植物种植系统俯视图。
其中，1.水箱进水口，2水箱观察窗，3.水箱，4.水箱溢出孔，5.水箱立柱，6.常闭式电磁水阀，7.水泵进水管，8.水泵；9.水泵出水管，10.排水水位继电器，11.进水水位继电器，12.时控开关，13.控制箱，14.最高水位探头，15明槽，16.最低水位探头；17.低潮位植物种植区，18.中潮位植物种植区，19.生态砖，20.生态砖步道，21.高潮位植物种植区，22.通风扇，23植物栽培室，24.栽培室门，25.台阶，26.滤网，27.暗槽。
具体实施方式
实施例1
研究模拟的生态系统为半日潮滨海滩湿地，即每日涨潮2次，退潮2次。设定每日5：00AM开始涨潮，11：00AM开始退潮；17：00PM开始涨潮，23：00PM开始退潮。最高潮位时水深50cm，最低潮位时水深20cm，即涨潮时水位从20cm升至50cm，退潮时水位从50cm降至20cm。栽培用水的盐度为1.5％。栽培室面积为10m×10m。
步骤：
(1)在栽培室中在三个潮位栽上不同的植物，如低潮位种海三棱藨草，中潮位栽种盐地碱蓬，高潮位栽种芦苇。
(2)将最高水位探头14固定到离明槽15底部50cm的高度，将最低水位探头16固定到离明槽底部20cm高度。将时控开关12的A路设定每天两次的涨潮时间段：5：00AM通电，7：30AM断电；17：00PM通电，19：30PM断电。A路断电的时间点应在水位涨至设定最高水位后，但在退潮开始之前，本案例中假设栽培室的水位能在2小时内从20cm涨至50cm。将时控开关9的B路设定每天两次的退潮时间：11：00AM通电，13：30PM断电；23:00PM通电，次日1：30AM断电。第2路断电的时间点应在水位退至最低水位之后，但在下一次涨潮之前，本案例中假设栽培室的水位能在2小时内从50cm降至20cm。时控开关12的A路连接注水水位继电器11，注水水位继电器11连接最高水位探头14和水泵8。时空开关12的B路连接排水水位继电器10，排水水位继电器10连接最低水位探头16和常闭式电磁水阀6。
本案例中栽培室面积为10m×10m＝100平方米，最高蓄水高度为0.5米，即最大用水量为50立方米。计划向水箱中注60立方米1.5％盐水供栽培室循环使用。先配置浓度为15％的盐水6立方米，通过注水口1注入水箱，再向水箱中注入自来水54立方米。通过观察窗上的刻度了解水箱中的水体积。
(3)第一次运行时，使水泵直接通电，从水箱3中抽水注入栽培室23，直至栽培室中的水位液面接触到最低水位探头16的位置。连接好水泵8与注水水位继电器11之间的电线，开启控制箱13电源，通过时控开关12和水位继电器11和10联合控制水泵8和常闭式电磁水阀6的运行。
(4)每天第一次涨潮：5：00AM，时控开关12的A路通电，使注水水位继电器11开始工作。最高水位探头14感应到栽培室23内水位没有达到设定高度50cm，将信号传至注水水位继电器11，注水水位继电器11启动水泵8，水泵向栽培室内注水。直到栽培室内水位液面接触到最高水位探头14，注水水位继电器11停止水泵8，本案例假设这一过程约2小时。至7：30AM，时控开关A路自动断电，注水水位继电器11停止工作。栽培室内的水位将维持在50cm，直到退潮程序开启。
(5)每天第一次退潮：11:00AM，时控开关12的B路通电，使排水水位继电器10开始工作。最低水位探头16感应到栽培室内水位超过了设定高度20cm，将信号传至排水水位继电器10，排水水位继电器10使常闭式电子水阀6通电，栽培室与水箱之间的水阀管道打开，水流从栽培室通过水阀自动流入水箱。直至栽培室中水位降至20cm以下，液面离开最低水位探头16，排水水位继电器10使常闭式电子水阀3断电，水阀管道关闭，栽培室的水停止流入水箱，本案例假设这一过程约2小时。至13：30PM，时控开关12的B路自动断电，排水水位继电器10停止工作。栽培室内水位将维持在20cm，直到下一次涨潮程序开启。至此完成一次涨潮和退潮过程。
(6)每天第二次涨潮和退潮：每天17：00PM，时控开关12的A路通电，启动第二次涨潮，过程与(4)相同；至19：30PM时控开关12的A路断电，第二次涨潮结束。每天23：00PM，时控开关12的第2路通电，启动第二次退潮，过程与(7)相同；至次日凌晨1：30AM时控开关12的B路断电，第二次退潮结束。如此每日可循环往复在栽培室内模拟涨潮和退潮的过程。
实施例2
系统运行的起始阶段，系统总蓄水量为60立方米，栽培室实际最大用水量为50立方米。考虑到水泵的抽水需求，当系统中总体水量降至55立方米以下，就不能保证栽培室的最高水位能达到实验要求了。栽培系统经过一段时间的运行后，由于植物吸收、蒸腾、蒸发等作用，系统中循环的水量减少，且盐度有所升高，需调节系统的水量和盐度来达到实验要求。
步骤：
在栽培箱处于最低潮位时期(即水位为20cm)，通过水箱的观察窗，记录水箱中的蓄水体积为33立方米。当前系统中的总蓄水量为栽培室中20立方米和水箱中33立方米之和，总计53立方米，需补水保证系统运行。
用盐度计检测栽培室中水的盐度达到了1.8％，超出了实验要求的盐度为1.5％浓度，因此需适当降低系统中水的盐度。
计算获得：当系统起始状态时，系统中含盐量为60吨水(初始纯水质量)*1.5％＝0.9吨，而运行一段时间后，发现系统中含盐量为53吨水(系统中剩余的水质量)*1.8％＝0.954吨(一般系统运行，含盐量不会增加这么多，这里只展示极端情况，比如有意外的盐输入等)。此时，系统中需减少盐0.054吨，补水7立方米。
由于系统中的盐总量超过了系统起始状态，需先排出一部分盐水，再注入纯水，才能达到降盐补水的目的。计算需排掉的盐水量：0.054吨盐/1.8％＝3吨水，即3立方米水。接通水泵电源，将水箱中的水向外抽3立方米，即观察窗上显示的蓄水量从33立方米降水30立方米，此时系统中总含盐量为(30+20)吨*1.8％＝0.09吨，符合系统起始阶段的盐量，排盐完成。
再向水箱中注入10立方米自来水，稀释原来水箱中的盐水。系统再经过几次涨潮和退潮的过程后，盐水能够混合均匀，达到实验要求1.5％。
Claims (5)
1.一种模拟潮间带水位的步入式植物种植系统，由栽培室(23)、控制系统和水箱(3)组成，栽培室内依次设置多个阶梯型种植区，种植区下部为透水生态砖(19)，生态砖(19)上方填充种植基质，多个阶梯型种植区的基质厚度相同，多个阶梯型种植区之间有透水生态砖铺成的走道(20)，栽培室(23)四周一圈是连通的明槽(15)，明槽(15)内放置水位探头(14)、最低水位探头(16)和进水管(9)，走道(20)下方有暗槽(20)，水箱(3)整体位于栽培室(23)下方，使各个区域的水流通畅，整个栽培室的水位可维持统一水平，水箱中间有若干根立柱(5)，支撑植物栽培室。
2.根据权利要求1所述的植物种植系统，其特征在于，所述控制系统由控制箱(13)，水泵(8)以及最高水位探头(14)、最低水位探头(16)、水管(7、9)和常闭式电磁水阀(6)构成，控制箱中有一个双通路时控开关(12)，两个通路分别连接注水水位继电器(11)和排水水位继电器(10)，排水水位继电器(10)连接最低水位探头(16)和常闭式电磁水阀(6)，常闭式电磁水阀(6)安装于栽培室明槽(15)底部，当水阀通电时管道打开，栽培室(23)的水可利用重力流向水箱，常闭式电磁水阀(6)同时也可调节水流速度控制退潮流速，最低水位探头(16)置于栽培室明槽(15)中，垂直位置是栽培室的最低水位，常闭式电磁水阀(6)位于栽培室一侧安装一个滤网(26)用于过滤水流中的大型颗粒物，注水水位继电器(11)连接最高水位探头(14)和水泵(8)，用于控制从水箱(3)向栽培室(23)注水，最高水位探头(14)置于栽培室明槽(15)中，垂直位置是栽培室的最高水位，水泵(8)通过水泵进水管(7)从水箱抽水，通过水泵出水管(9)向栽培室注水。
3.根据权利要求1所述的植物种植系统，其特征在于，所述阶梯型种植区包括低潮位种植区(17)、中潮位种植区(18)和高潮位种植区(21)，栽培室(23)四周一圈有明槽(15)，不同潮位种植区下方由生态砖垫高并留有暗槽(27)，不同潮位种植区间有走道(20)，栽培室(23)的四壁安装有通风扇(22)，栽培室(23)靠近高潮位的一侧通过台阶(25)和进入门(24)相连供人步入。
4.根据权利要求1所述的植物种植系统，其特征在于，所述水箱(3)侧面有观察窗(2)可观察水箱中的水位，水箱的一侧上部具有进水管(1)，水箱四周上沿有一些溢出孔(4)，水箱中部有立柱(3)。
5.权利要求1所述植物种植系统的具体工作方法，包括以下具体步骤：
(1)将最高水位探头(14)固定到设定的最高水位，将最低水位探头(16)固定到设定的最低水位，将时控开关(12)的A路连接注水水位继电器(11)并设定每天计划涨潮开始和结束的时间；将时控开关(12)的B路连接排水水位继电器(10)并设定每天的退潮开始和结束的时间；
(2)第一次使用栽培系统前先计算好栽培系统中用水的盐浓度和水箱需要注水的总体积，从水箱进水管(1)向水箱(3)注入适合盐度的栽培用水；
(3)在每天涨潮开始时刻，时控开关(12)的A路通电，启动注水水位继电器(11)工作，注水水位继电器(11)通过最高水位探头(14)感应到水位未达到设定高潮位，启动水泵(8)向栽培室(23)内注水，栽培室(23)内的水位在涨潮时逐渐升高，低潮位种植区(17)、中潮位种植区(18)和高潮位种植区(21)依次被淹没，当水位液面接触到最高水位探头(14)时，水泵停止工作，此时栽培室(23)内达到最高潮位状态，设定的涨潮时间段结束后，时控开关(12)的A路断电，注水水位继电器(11)处于不工作状态，也不会给水泵(8)发送指令，(4)在每天退潮开始时刻，时控开关(12)的B路通电，启动排水水位继电器(10)工作，排水水位继电器(10)通过最低水位探头(16)探测到栽培室(23)内的水位超过了设定的低潮位水位，因此开启常闭式电磁水阀(6)，栽培室(23)内的水通过水阀向水箱注入，整个栽培室(23)的水位逐渐下降，直到水位降至最低水位探头(16)的位置，常闭式电磁水阀(6)断电闭合，此时栽培室(23)内达到最低潮位状态，设定的退潮时间段结束后，时空开关(12)的B路断电，排水水位继电器(10)处于不工作状态，也不会给常闭式电磁水阀(6)发送指令。
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- 2019-10-24 CN CN201911027569.6A patent/CN110574582A/zh active Pending
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