CN113003730A - 一种水下森林保育系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种水下森林保育系统，光伏板、设备柜固定于浮体上，设备柜内安装有空气泵、锂电池、可编程逻辑控制器，空气泵分别与锂电池、可编程逻辑控制器相连，光伏板、空气泵、锂电池、可编程逻辑控制器之间以电线连接。设备柜与补光环、曝气头、溶氧探头、光照探头和底部配重通过支撑杆连接，在支撑杆上装有伸缩套筒，支撑杆中空，在支撑杆内部布设输气管与电线。支撑杆上设置旋转轴承，旋转轴承通过连接杆与圆环毛刷连接，并与曝气输气管连通。溶氧探头和光照探头与支撑杆连接，溶氧探头和光照探头通过电线与可编程逻辑控制器连接。结构简单，使用寿命长，可提升水下光照补偿的持续性和稳定性，适用于多种水体的水生态修复，应用性强。
Description
技术领域
本发明属于水生态修复技术领域，特别涉及一种水下森林保育系统，尤其适用于水生态修复中的水下森林保育。
背景技术
水体富营养化已成为中国大部分水体所面临的主要问题，水生态系统衰退是富营养化程度逐渐加剧的自然表征，也是当前国内主要的环境难题之一。水下森林主要以沉水植物为主体，在维持水生态系统健康方面具有十分重要的意义。因此，修复受损水体的水下森林无疑是水生态修复的重要途径之一。
充足的水下光照是水下森林存活的必要前提，水下光照条件受到水体中浮游藻类、悬浮颗粒物、有色可溶性有机物等因素的共同影响，而在富营养化水体中这些影响更为剧烈。在水生态修复实践中，常常由于水下光照的不足导致水下森林恢复失败，因此必须为水下森林提供充足的光照条件。
目前，关于水下森林的种植已具有较多的技术手段与方法，而针对水下森林的保育尤其是补充水下光照方面的探索却存在一些技术缺陷。中国专利(申请)号为201210140952.4的专利提供了一种恢复沉水植被的水下补光系统。中国专利(申请)号为201720253284.4的专利提供了一种沉水植物补光-曝气一体化装置。中国专利(申请)号为201821599510.5的专利提供了一种沉水植物光补偿装置。上述专利对于水下光照补偿方面进行了一定的探索，但存在一些无法解决的问题。一方面是装置无法长期稳定运行，这主要是由于补光设备长期浸泡在水下，再加上充足的光照条件，设备表面会滋生大量的生物膜和附着藻类阻碍光的传播，影响补光系统的正常工作，甚至到后期完全无法提供光照补偿。另一方面是未综合考虑水体中悬浮颗粒物、有色可溶性有机物等因素，导致补偿光可扩散范围不一定能到达水下森林界面。
发明内容
针对现有水下光照补偿装置存在的缺陷和水下森林保育的需求，本发明的目的是在于提供了一种水下森林保育系统，结构简单，使用寿命长，可极大地提升了水下光照补偿的持续性和稳定性，同时兼顾水下溶氧的补充，适用于多种水体的水生态修复，应用性强。
为达到上述的目的，本发明采用以下技术方案：
一种水下森林保育系统，它由光伏板、设备柜、空气泵、锂电池、可编程逻辑控制器、浮体、支撑杆、输气管、伸缩套筒、旋转轴承、出气口、连接杆、圆环毛刷、补光环、曝气头、溶氧探头、光照探头、底部配重组成。其中补光环由LED植物补光灯和环形紫外灯构成。其特征在于：光伏板、设备柜均固定于浮体之上，设备柜内安装有空气泵、锂电池、可编程逻辑控制器，空气泵分别与锂电池、可编程逻辑控制器相连，光伏板、空气泵、锂电池、可编程逻辑控制器之间以电线连接。设备柜与补光环、曝气头、溶氧探头、光照探头和底部配重通过支撑杆连接，支撑杆穿过浮体中央，在支撑杆上装有伸缩套筒，支撑杆中空，在支撑杆上装内部布设输气管与电线。支撑杆上设置旋转轴承，旋转轴承通过连接杆与圆环毛刷连接，连接杆上设置出气口。曝气头与支撑杆连接，并与曝气输气管连通。溶氧探头和光照探头与支撑杆连接，溶氧探头和光照探头通过电线与可编程逻辑控制器连接。
所述的补光环采用石英玻璃。
所述的补光环内圈布设环形紫外灯，外圈布设LED植物补光灯。
所述的输气管由动力输气管和曝气输气管构成。
所述的连接杆上设置的出气口均为同一方向。
所述的支撑杆与底部配重间采用非刚性连接。
现有的水下光照补偿装置持久性与稳定性不可控，后期运维成本高。本发明通过可编程逻辑控制器调控系统工作状态，具体为可编程逻辑控制器控制环形紫外灯照射杀灭补光环表面的生物膜与附着藻类，再通过可编程逻辑控制器控制空气泵驱动环形毛刷刷洗清除附着的生物膜及附着藻类，确保了补光环持久稳定地工作；通过可编程逻辑控制器控制空气泵经曝气头增加界面溶氧浓度，有效的改善了微环境同时促进悬浮颗粒物、有色可溶性有机物等物质的分解，提高了界面透光度，确保了补光效果。
本发明和现有的技术相比，具有以下优点和效果：
1、可极大地提高水下补光系统的持久性、稳定性和可靠性。
2、综合改善水下森林微环境，提升保育成效。
3、配置简便，运维成本低廉。
附图说明
图1为一种水下森林保育系统结构图
图2为支撑杆及输气管内部结构图
图3为补光环内部结构图
图4为现有补光方案与本方案的稳定性对比。
根据现有的研究结果，水下固体介质表面在浸泡后很快会被生物膜和附着藻类附着，经过2-3个月的发育即可拥有一定的生物量。现有的补光方案未考虑生物膜和附着藻类的问题，所以在运行2-3个月后补光器材表面将会出现明显的生物膜和附着藻类，补光器材所发出的光将被遮蔽，影响补光效率。随着生物膜和附着藻类的持续发育，补光器材表面将被完全覆盖，从而使补光器材完全无法发挥补光功能。而本方案通过程序化控制的紫外灯照射以及圆环毛刷刷洗，使生物膜和附着藻类在补光环外壁无法生长，同时通过曝气增氧改善微环境的透光度，确保补光效率持久、稳定。
其中，1－光伏板、2－设备柜、3－空气泵、4－锂电池、5－可编程逻辑控制器、6－浮体、7－支撑杆、8－输气管、9－伸缩套筒、10－旋转轴承、11－出气口、12－连接杆、13－圆环毛刷、14－补光环、15－曝气头、16－溶氧探头、17－光照探头、18－底部配重、81－动力输气管、82－曝气输气管、141－LED植物补光灯、142－环形紫外灯。上述各部件均在市场上购置。
具体实施方式
以下结合附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
实施例1：
如图1所示，一种水下森林保育系统，该系统包括：光伏板1、设备柜2、空气泵3、锂电池4、可编程逻辑控制器5、浮体6、支撑杆7、输气管8、伸缩套筒9、旋转轴承10、出气口11、连接杆12、圆环毛刷13、补光环14、曝气头15、溶氧探头16、光照探头17、底部配重18。如图2所示，输气管8由动力输气管81和曝气输气管82组成。如图3所示补光环14由LED植物补光灯141和环形紫外灯142组成。其连接关系是：光伏板1、设备柜2均固定于浮体之上，设备柜2内安装有空气泵3、锂电池4、可编程逻辑控制器5。光伏板1、空气泵3、锂电池4、可编程逻辑控制器5之间通过电线连接，锂电池4储存来自光伏板1的电能并为整个系统供电，可编程逻辑控制器5控制空气泵3的工作状态。设备柜2依次与补光环14、曝气头15、溶氧探头16、光照探头17和底部配重18通过支撑杆7连接，支撑杆7穿过浮体6中央，在支撑杆7上装有伸缩套筒9，可根据水位变化改变支撑杆7的长度。支撑杆7为中空，在支撑杆7内部布设有输气管8与电线。在支撑杆7上设置旋转轴承10，旋转轴承10通过连接杆12与圆环毛刷13连接，旋转轴承10通过连接杆12推动圆环毛刷工作。连接杆12上设置出气口11，出气口11与动力输气管81连接。曝气头15与支撑杆7连接，并与曝气输气管82连通。溶氧探头16和光照探头17与支撑杆7连接，溶氧探头16和光照探头17并通过电线与可编程逻辑控制器5连接。
所述的光伏板1以圆台形状分布于浮体之上，利于光伏板接收来个各个角度的阳光。
所述的设备柜2的长宽高约为800mm×800mm×1200mm，防水等级为IPX4。
所述的可编程逻辑控制器5为常规可编程逻辑控制器(PLC)，优选为SIMENTS S7系列。
所述的溶氧探头16为常规水下溶氧探头，测量范围为0-20ppm。
所述的光照探头17为常规水下光照探头，测量范围为0-1000μmol m-2s-1。
所述的伸缩套筒9能够随着水体水位的变化，调节支撑杆7的相对长度，可调节范围为0-3m，以确保浮体以上部分始终位于水面之上。
根据图2可知，支撑杆7内的输气管8由动力输气管81和曝气输气管82组成，动力输气管81和曝气输气管82相互独立。动力输气管81向出气口11输送气流产生推力，带动圆环毛刷13运动，刷洗补光环14外壁；曝气输气管82向曝气头15输送气流，实现了对微环境的曝气增氧。
根据图3可知，补光环14由LED植物补光灯141和环形紫外灯142组成，所述的补光环14中空，外壁采用石英玻璃，利于环形紫外灯142发出的紫外线能够透过补光环外壁，补光环内圈布设环形紫外灯142，外圈布设LED植物补光灯141。
所述的连接杆12设置3-4根，一方面为补光环14提供支撑，另一方面连接圆环毛刷13。连接杆12上设置的出气口11均为同一方向，如顺时针或逆时针，这样方能确保动力输气管81输气时连接杆12能够转动起来并带动圆环毛刷13的转动。
所述的补光环14可至少设置一个或多个(3－6)，但最上端的一个补光环距底部配重18应该在0.8-2m之间，最下端的一个补光环距底部配重18应该为0.4-0.8m。
所述的曝气头15距底部配重18应为0.5-0.8m。
所述的溶氧探头16和光照探头17应位于同一水平面，且距底部配重18应为0.3-0.6m。
所述的底部配重18可选用金属或水泥预制件，形状以圆饼状或方饼状为宜，重量应是浮体以上部分总重量的1-2倍。
所述的支撑杆7与底部配重18之间采用非刚性连接，便于系统自身的姿态调整。
所述的可编程逻辑控制器5应自带24小时制时钟，并在本发明安装完毕时进行本地时间校准。日间(7:00-19:00)，当光照探头17检测到光照强度低于25μmol m-2s-1时，即启动补光环14中的LED植物补光灯141进行光照补偿，当光照强度高于80μmol m-2s-1时，停止当前补光程序；当溶氧探头16检测到溶氧低于6mg L-1时，即启动空气泵3，通过曝气输气管82将气体输送至曝气头15进行增氧曝气，当溶氧高于11mg L-1时，停止当前曝气程序。夜间(19:01-6:59)，当可编程逻辑控制器5时钟为00:00时，启动补光环14中的环形紫外灯142进行杀菌，持续2小时后关闭环形紫外灯142结束杀菌程序，随后启动空气泵3，通过动力输气管81向出气口11输送空气，依靠气体推力推动连接杆12沿旋转轴承10进行圆周运动，带动圆环毛刷13对补光环表面进行刷洗，刷洗8分钟停止2分钟，进行4个循环共计40分钟后停止刷洗程序。当锂电池4剩余电量低于容量5％时，停止所有程序运行，待剩余电量大于容量5％时恢复执行相关程序。
本发明工作时，日间一方面可为水下森林的保育提供充足的光照补偿，另一方面通过曝气增氧改善微环境，同时加速悬浮颗粒物、有色可溶性有机物等物质的分解，提高界面透光度，确保补光效果。夜间执行杀菌程序和刷洗程序，杀菌程序中紫外线能够有效的抑制和杀灭补光环表面的生物膜及附着藻类；而刷洗程序能进一步确保补光环表面的洁净和透光性，从而保障补光环的持久性、稳定性和可靠性，根据图4可知。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
Claims (8)
1.一种水下森林保育系统，该系统包括：光伏板(1)、设备柜(2)、空气泵(3)、锂电池(4)、可编程逻辑控制器(5)、浮体(6)、支撑杆(7)、输气管(8)、伸缩套筒(9)、旋转轴承(10)、连接杆(12)、圆环毛刷(13)、补光环(14)，其特征在于：光伏板(1)、设备柜(2)均固定于浮体(6)之上，设备柜(2)内安装有空气泵(3)、锂电池(4)、可编程逻辑控制器(5)，光伏板(1)、空气泵(3)、锂电池(4)、可编程逻辑控制器(5)之间通过电线连接，设备柜(2)依次与补光环(14)、曝气头(15)、溶氧探头(16)、光照探头(17)和底部配重(18)通过支撑杆(7)连接，支撑杆(7)穿过浮体(6)中央，在支撑杆(7)上装有伸缩套筒(9)，在支撑杆(7)内部布设有输气管(8)与电线，在支撑杆(7)上设置旋转轴承(10)，旋转轴承(10)通过连接杆(12)与圆环毛刷(13)连接，连接杆(12)上设置出气口(11)，出气口(11)与动力输气管(81)连接，曝气头(15)与支撑杆(7)连接，并与曝气输气管(82)连通，溶氧探头(16)和光照探头(17)与支撑杆(7)连接，溶氧探头(16)和光照探头(17)通过电线与可编程逻辑控制器(5)连接。
2.根据权利要求1所述的一种水下森林保育系统，其特征在于：所述的光伏板(1)以圆台形状分布于浮体(6)上。
3.根据权利要求1所述的一种水下森林保育系统，其特征在于：所述的支撑杆(7)内的输气管(8)由动力输气管(81)和曝气输气管(82)组成，动力输气管(81)和曝气输气管(82)相互独立。
4.根据权利要求1所述的一种水下森林保育系统，其特征在于：所述的补光环(14)由LED植物补光灯(141)和环形紫外灯(142)组成，所述的补光环(14)中空，外壁采用石英玻璃，补光环内圈布设环形紫外灯(142)，外圈布设LED植物补光灯(141)。
5.根据权利要求1所述的一种水下森林保育系统，其特征在于：所述的连接杆(12)设置3-4根，连接杆(12)上设置的出气口(11)均为同一方向。
6.根据权利要求1所述的一种水下森林保育系统，其特征在于：所述的补光环(14)至少设置一个，最上端的一个补光环距底部配重(18)在0.8-2m之间，最下端的一个补光环距底部配重(18)应该为0.4-0.8m。
7.根据权利要求1所述的一种水下森林保育系统，其特征在于：所述的溶氧探头(16)和光照探头(17)位于同一水平面，与底部配重(18)之间的距离为0.3-0.6m。
8.根据权利要求1所述的一种水下森林保育系统，其特征在于：所述的支撑杆(7)与底部配重(18)之间采用非刚性连接。
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2021
- 2021-03-12 CN CN202110270703.6A patent/CN113003730B/zh active Active
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