CN113213638B

CN113213638B - 一种河流沿岸带栖息地模拟系统

Info

Publication number: CN113213638B
Application number: CN202110480330.5A
Authority: CN
Inventors: 马沛明; 龚昱田; 赵先富; 陈威; 张俊芳; 王晞
Original assignee: Institute of Hydroecology MWR and CAS
Current assignee: Institute of Hydroecology MWR and CAS
Priority date: 2021-04-30
Filing date: 2021-04-30
Publication date: 2022-06-21
Anticipated expiration: 2041-04-30
Also published as: CN113213638A

Abstract

本发明涉及一种河流沿岸带栖息地模拟系统，包括水循环装置和一条或多条实验水道，所述实验水道底部设置有底质，并且所述实验水道中设置有流水；所述水循环装置向所述实验水道供水，并接收来自所述实验水道的水。本发明的河流沿岸带栖息地模拟系统包括模拟生物覆盖模拟实验水道和水下可调节的水文、底质、水质等环境的设施，在以上设施建设的基础上配套相关专用设备。通过人工模拟不同沿岸带水温、水文、水质、底部基质等环境，测试不同环境条件对河流沿岸带水生生物的影响，研究探讨生物覆盖的生态过程，为受损河流沿岸带生境重塑、生物资源的恢复与重建提供科学支撑。

Description

一种河流沿岸带栖息地模拟系统

技术领域

本发明涉及水环境领域，更特别地，涉及一种河流沿岸带栖息地模拟系统。

背景技术

河流沿岸带(riparian zone)指河水与陆地交界处的两边直至河水影响消失为止的地带，是能量、物质以及生物通过景观的重要通道并且也是陆地区域与水生区域之间的生境和廊道。河流沿岸带常见的生境类型包括河漫滩、洲滩、激流生境、植被缓冲带等。

河流沿岸带具有涵养水源、净化水质、维持生物多样性等生态功能。沿岸带物种生物多样性丰富，是水生动物的重要栖息地，是河溪中粗木质碎屑和养分能量的来源，它直接影响着河湖的微气候，更保护着河湖的水质。许多研究表明，沿岸带通过过滤和截留沉积物、水分以及营养物质等来协调河流横向(河岸边高地到河流水体)和纵向(河流上游到下游)的物质和能量流，因而在与之相关的土壤侵蚀程度降低、渠道稳定化、生物栖息地保护以及水质改善方面都起着重要的作用，是河流健康的重要屏障。

在大自然的长期进化中，多样化的地理气候及生境孕育了丰富的生物多样性，形成了复杂稳定的水生态系统结构，具有重大的生态功能和经济价值。受流域社会经济活动影响，河流沿岸带面临诸多问题，叠加累积效应复杂。然而，现在缺乏研究河流沿岸带的人工平台、技术手段和方法，难以支撑水生态保护与修复工作的开展。

因此，需要一种河流沿岸带栖息地模拟系统。

发明内容

为解决以上问题，本发明提供了一种河流沿岸带栖息地模拟系统，包括水循环装置和一条或多条实验水道，所述实验水道底部设置有底质，并且所述实验水道中设置有流水；

所述水循环装置向所述实验水道供水，并接收来自所述实验水道的水。

底质可由泥沙、卵石、陶片或瓷片等单独或混合制成，也可从目的水域采集需要的沉积物铺设于水道中，用于研究。

本发明的河流沿岸带栖息地模拟系统包括模拟生物覆盖模拟实验水道和水下可调节的水文、底质、水质等环境的设施，在以上设施建设的基础上配套相关专用设备。通过人工模拟不同沿岸带水温、水文、水质、底部基质等环境，测试不同环境条件对河流沿岸带水生生物的影响，研究探讨生物覆盖的生态过程，为受损河流沿岸带生境重塑、生物资源的恢复与重建提供科学支撑。

在一个具体实施方案中，所述实验水道包括连通的进水区段和流道，所述进水区段的深度大于所述所述流道的深度，位于所述流道头部。所述流道的尾部设置有流水出口，所述流水出口与所述水循环装置连通，所述底质铺设于所述流道的底部。

进水区段靠近底部设置有进水口，水从低位进入进水区段，通过低位进水，可消除进入实验水道的流水的初动能，以方便更好地控制实验水道中的流水的流速。流水出口可设置成尾门，流道中的水漫过尾门顶部离开流道11，该设置可通过调节尾门的高度来调节水深。

在一个具体实施方案中，所述进水区段与所述流道连接之处设置有挡板，所述挡板的上缘高于所述底质。在研究过程中，我们发现在不设挡板的情况下，实验结果的可重复性比较差，在仔细分析了各种可能性之后，我们进一步发现，由于流水对底质横截面的冲刷，使底质常常被流水带走，导致实验环境容易发生不可预测的改变。挡板的设置使水在底质的上面流淌，防止因流水对底质横截面冲刷而带走底质，维持了流道中铺设的底质的稳定性，为研究底质、水质和水中的生态之间的关系提供了稳定的环境。

在一个具体实施方案中，所述挡板向所述流道的方向弯折。优选地，末端成水平向。使用该设定，水流从挡板进入到流道中的部位不在挡板与底质的交界面上，水流不会对底质的头部断面产生冲刷作用，更好的模拟了天然河道中底质的状态。

在一个具体实施方案中，所述挡板包括固定部和活动部，所述活动部轴接于固定部顶端，可向所述流道的方向转动。通过该设置，可调节尾门和活动部两者顶端处于水平线上，从而既可实现避免水流对底质头部断面的冲刷，又可将流道的水面与进水区段的水面保持在同一平面上，消除了两个部分的落差，进一步降低了水流对底质的冲刷。

在一个具体实施方案中，所述河流沿岸带栖息地模拟系统还设置有光照装置。所述光照装置可安装所述流道的上方，可通过控制光照装置来控制水面的光照强度、光照时间和光照周期。

在一个具体实施方案中，所述水循环装置包括储水池、第一泵和第一供水管，所述储水池接收来自所述水回收装置的水，所述储水池通过所述第一供水管与所述实验水道连通，所述第一泵可将所述储水池中的水通过所述第一供水管驱动至所述实验水道中。通过第一泵来控制实验水道中的流速和水深。

优选地，所述储水池由保温材料围成，所述储水池中设置有温度控制装置。优选地，第一供水管设置成温度可控，形成恒温体系，储水池的水流经第一供水管后，获得特定的温度，从而控制实验水道中流水的水温。在实验过程中，可将两个实验水道分别设置成两个实验组，一个实验水道进行温度控制，另一个实验水道不进行温度控制。也可设置多个实验控制组，分别将水温控制在预定的温度范围内。通过上述设置，可对比不同水温对生态的影响。

在一个具体实施方案中，所述河流沿岸带栖息地模拟系统还包括水回收装置，所述水回收装置包括回收池、溢流管、第二泵和第二供水管，所述溢流管的进水口设置在所述储水池内，出水口设置于所述回收池内，所述回收池通过所述第二供水管与所述水循环装置连通，所述第二泵可将所述回收池中的水通过所述第二供水管驱动至所水循环装置中。当储水池中的水位高于溢流管时，储水池中的水通过溢流管进入回收池中，当储水池中的水位低于一定高度时，第二泵启动，将回收池中的水输送至储水池中。

附图说明

图1为本发明实施例1的河流沿岸带栖息地模拟系统的侧面示意图；

图2为本发明实施例2的河流沿岸带栖息地模拟系统的流道与进水区段的侧面示意图；

图3为本发明实施例2的河流沿岸带栖息地模拟系统的流道与进水区段的立体视图；

图4为本发明实施例3的河流沿岸带栖息地模拟系统的流道与进水区段的侧面示意图；

图5为本发明实施例3的河流沿岸带栖息地模拟系统的流道与进水区段的立体视图；

图6为本发明实施例4的河流沿岸带栖息地模拟系统的流道与进水区段的侧面示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、实验水道，11、流道，12、进水区段，13、流水出口，14、挡板，141、固定部，142、活动部，2、水循环装置，21、储水池，22、第一泵，23、第一供水管，3、水回收装置，31、回收池，32、溢流管，33、第二泵，34、第二供水管。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

实施例1

本实施例的河流沿岸带栖息地模拟系统如图1所示，包括水循环装置2和一条或多条条实验水道1，所述实验水道1底部设置有底质，并且所述实验水道1中设置有流水；所述水循环装置2接收来自所述实验水道1的水。所述实验水道1可外接水源，提供流水。在一个优选实施方案中，所述水循环装置2向所述实验水道1供水。

所述实验水道1包括连通的进水区段12和流道11，所述进水区段12的深度大于所述所述流道11的深度，位于所述流道11头部。所述流道11的尾部设置有流水出口13，所述流水出口13与所述水循环装置2连通，所述底质铺设于所述流道11的底部。

进水区段靠近底部设置有进水口，水从低位进入进水区段，通过低位进水，可消除进入实验水道的流水的初动能，以保证水流平稳进入水道，并方便更好地控制实验水道中的流水的流速。流水出口13设置成尾门，流道11中的水漫过尾门顶部离开流道11，该设置可通过调节尾门的高度来调节水深。

为避免长时间水流腐蚀水道，影响实验的结果，实验水道整体采用不锈钢材料制作，其中承重结构采用不锈钢管材，水道底板和两侧壁均采用不锈钢板，架空部分采用钢管支撑。

所述水循环装置2包括储水池21、第一泵22和第一供水管23，所述储水池21接收来自所述水回收装置3的水，所述储水池21通过所述第一供水管23与所述实验水道1连通，所述第一泵22可将所述储水池21中的水通过所述第一供水管23驱动至所述实验水道1中。通过第一泵22来控制实验水道1中的流速和水深。

在一个具体实施方案中，所述河流沿岸带栖息地模拟系统还设置有光照装置。所述光照装置可安装所述流道11的上方，可通过控制光照装置来控制水面的光照强度、光照时间和光照周期。在一个具体实施方案中，可在流道11中轴线上方0.5m出设置与流道平行的铝合金滑轨，在滑轨上安装全广谱日光灯组，使灯距流道底部约90cm，模拟自然光，流道底部最大光强2000-3000lx，每组日光灯的光强和周期可单独控制。

优选地，所述储水池21由保温材料围成，所述储水池中设置有温度控制装置。优选地，第一供水管23设置成温度可控，形成恒温体系，储水池21的水流经第一供水管23后，获得特定的温度，从而控制实验水道中流水的水温。在实验过程中，可将两个实验水道分别设置成两个实验组，一个实验水道进行温度控制，另一个实验水道不进行温度控制。也可设置多个实验控制组，分别将水温控制在预定的温度范围内。通过上述设置，可对比不同水温对生态的影响。

在一个具体实施方案中，所述河流沿岸带栖息地模拟系统还包括水回收装置3，所述水回收装置3包括回收池31、溢流管32、第二泵33和第二供水管34，所述溢流管32的进水口设置在所述储水池21内，出水口设置于所述回收池内，所述回收池31通过所述第二供水管34与所述水循环装置2连通，所述第二泵33可将所述回收池31中的水通过所述第二供水管34驱动至所水循环装置2中。当储水池21中的水位高于溢流管32时，储水池21中的水通过溢流管32进入回收池31中，当储水池21中的水位低于一定高度时，第二泵33启动，将回收池31中的水输送至储水池21中。

在一个具体实施方案中，所述河流沿岸带栖息地模拟系统包括12条实验水道，可分为多组，用于进行对比实验。为了减小占地面积，水循环装置2的一部分设置在地下，实验水道1设置于地上，将实验水道1的流道11部分架空设置，进水区段12底部设置在地面上，或根据需要垫高。流道11长15m，宽0.7m，高0.45m；进水区段长2m，宽0.7m，高0.85m。为了便于观察，水道顶部高度为1.1m。

储水池21内长3m，宽1m，深2m，总容积6m³，为了便于观测并减少占地面积，储水池21除顶部0.65m位于地上，其余部分均位于地下。储水池21的一面侧壁上约1.5m高处设置溢流管32，当储水池21中的水位高于1.5m时，储水池中的水通过溢流管进入回收池31。第一泵22和第一供水管23从储水池21向实验水道1中供水。本发明的河流沿岸带栖息地模拟系统包括模拟生物覆盖模拟实验水道和水下可调节的水文、底质、水质等环境的设施，在以上设施建设的基础上配套相关专用设备。通过人工模拟不同沿岸带水温、水文水位、流速、水质、底部基质等环境，测试不同环境条件对河流沿岸带水生生物的影响，研究探讨生物覆盖的生态过程，为受损河流沿岸带生境重塑、生物资源的恢复与重建提供科学支撑。

实施例2

在使用实施例1的河流沿岸带栖息地模拟系统的过程中，我们发现，由于流水对底质横截面的冲刷，使底质常常被流水带走，导致实验环境容易发生不可预测的改变，实验结果的可重复性比较差。

因此，如图2和3所示，本实施例的河流沿岸带栖息地模拟系统做了改进。在进水区段12与所述流道11连接之处设置有挡板14，所述挡板14的上缘高于所述底质，进水区段12中的流水漫过挡板14进入到流道11中，流道11中的水漫过尾门。挡板的设置使降低了流水对底质的冲刷，防止因流水带走底质，维持了流道中铺设的底质的稳定性，为研究底质、水质和水中生物之间的关系提供了稳定的环境。

实施例3

在使用实施例2系统的过程中，我们发现实施例2的底质被冲刷的情况比实施例1大幅减轻，但是在流道11与挡板14的交界处，尤其当使用泥沙等较松软底质时，仍然有一定的侵蚀。我们分析，出现该现象可能是因为底质与挡板14之间存在交界面，水流漫过挡板14顶部进入流道11中时，具有下冲的动能，该动能容易侵蚀质地较软的泥沙底质。

在本实施例中，在实施例2的基础上，进一步改进了挡板14的设置。如图4所示，将挡板14设置成向流道11的方向逐渐弯折，末端成水平向。使用该设置，水流从挡板14进入到流道11中的部位不在挡板14与底质的交界面上，水流不会对底质的头部断面产生冲刷作用，更好的模拟了天然河道中底质的状态。

实施例4

如图6所示，在本实施例中，对实施例2系统做了另一种改进，将挡板14由下至上分成两个部分，固定部141和活动部142，活动部142轴接于固定部141顶端，可向流道11的方向转动≤90°。固定部14顶端高于底质顶部使活动部142转动过程中不扰动底质。通过该设置，可调节尾门13和活动部142使两者顶端处于水平线上，从而既可实现实施例3中避免水流对底质头部断面的冲刷，又可将流道11的水面与进水区段12的水面保持在同一平面上，消除了两个部分的落差，进一步降低了水流对底质的冲刷，在实验水道中保持稳定的底质，为研究底质、水质和水中生物之间的关系提供了稳定的环境，提高了实验的可重复性和可靠性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种河流沿岸带栖息地模拟系统，其特征在于，包括水循环装置（2）和一条或多条实验水道（1），所述实验水道（1）底部设置有底质，并且所述实验水道（1）中设置有流水；

所述水循环装置（2）向所述实验水道（1）供水，并接收来自所述实验水道（1）的水;

所述实验水道（1）包括连通的进水区段（12）和流道（11），所述进水区段（12）的深度大于所述流道（11）的深度，所述进水区段（12）位于所述流道（11）头部，所述进水区段（12）靠近底部设置进水口，所述流道（11）的尾部设置有流水出口（13），所述流水出口（13）与所述水循环装置（2）连通，所述底质铺设于所述流道（11）的底部;

所述进水区段（12）与所述流道（11）连接之处设置有挡板（14），所述挡板（14）的上缘高于所述底质;

所述挡板（14）上端向所述流道（11）的方向弯折，末端成水平向；

所述水循环装置（2）包括储水池（21）、第一泵（22）和第一供水管（23），所述储水池（21）通过所述第一供水管（23）与所述实验水道（1）的进水区段的进水口连通，所述第一泵（22）将所述储水池（21）中的水通过所述第一供水管（23）驱动至所述实验水道（1）中。

2.根据权利要求1所述的河流沿岸带栖息地模拟系统，其特征在于，还设置有光照装置。

3.根据权利要求2所述的河流沿岸带栖息地模拟系统，其特征在于，所述储水池（21）由保温材料围成，所述储水池中设置有温度控制装置。

4.根据权利要求1所述的河流沿岸带栖息地模拟系统，其特征在于，还包括水回收装置（3），所述水回收装置（3）包括回收池（31）、溢流管（32）、第二泵（33）和第二供水管（34），所述溢流管（32）的进水口设置在所述储水池（21）内，出水口设置于所述回收池内，所述回收池（31）通过所述第二供水管（34）与所述水循环装置（2）连通，所述第二泵（33）将所述回收池（31）中的水通过所述第二供水管（34）驱动至所水循环装置（2）中。