CN114487343A - 一种基于微生物作用的潮沟崩岸研究系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种考虑微生物作用的潮沟崩岸物理实验系统及方法，属于涉及潮滩‑潮沟系统崩岸机理研究的测量技术领域。实验系统包括：潮沟边壁塑造区、微生物培养区、潮流水位控制区、渗流控制区、土体性质监测系统、崩岸过程监测系统。本发明可以实现潮滩微生物的培养和观测，进而模拟潮流‑渗流‑微生物作用三者共同作用下的潮沟崩岸过程，相关成果可以推动潮沟崩岸治理关键技术发展。

Description

一种基于微生物作用的潮沟崩岸研究系统及方法

技术领域

本发明公开了一种基于微生物作用的潮沟崩岸研究系统及方法，属于涉及潮滩-潮沟系统崩岸机理研究的测量技术领域。

背景技术

海岸带是海陆相互作用最前沿的地带，也是全球变化研究的热点区域之一。潮滩是海岸带的重要地貌单元，一般发育在沿海平原外缘，广泛分布在开敞式、港湾型和河口湾型海岸，具有宽广性、坡度缓、底质颗粒细等特征。潮滩凭借自身丰富的自然资源和优越的地理位置在围垦造地、生态环境、水产养殖以及旅游度假等方面具有重要的环境意义和经济价值。

淤泥质，表明一种潮滩的泥沙类型，例如江苏沿海区域就是典型的淤泥质潮滩。在淤泥质潮滩的潮间带，由潮汐作用形成的潮沟系统广泛发育并呈现树枝状、矩形状、平形状或羽状等平面形态结构。作为潮滩上海陆相互作用最活跃的微地貌单元，潮沟是潮水、泥沙以及营养物质输入与输出潮滩的重要通道，对潮滩的地貌形态塑造、生态系统稳定有重要意义。在潮沟演变过程中，边壁侵蚀后退是对地貌改变最为显著的一环。边壁侵蚀后退涉及多学科内容，从机理上可分为两个阶段:水流冲刷引起的边壁侵蚀(水力学过程)，以及土块自重引起的边壁坍塌(土力学过程)。不同于边壁侵蚀，边壁坍塌是快速、不连续的过程，受多种因素影响，如涨落潮过程、渗流过程、生物扰动等。

目前，对于潮沟边壁侵蚀后退的研究主要集中在水流侵蚀，其主要方法包括现场观测、卫星遥感图像分析、数值模拟等，而对于崩岸(即边壁坍塌)却少有涉及。因此有必要以物理模型为主要技术手段揭示潮滩-潮沟系统多因子共同作用下的崩岸机理，加深对潮滩-潮沟系统稳定性的认识。

发明内容

本发明的发明目的是针对上述背景技术的不足，提供了一种考虑微生物作用的潮沟崩岸物理实验系统及方法，在室内高效模拟了潮流-渗流-生物扰动共同作用下的潮沟崩岸过程，解决了目前还没有针对多因子共同作用下崩岸机理的物理实验系统及方法的技术问题。

本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：一种基于微生物作用的潮沟崩岸物理研究系统，其特征在于：包括构建区和监测区，监测区用于测量构建区的目标参数，构建区包括潮沟边壁塑造区、潮流水位控制区、渗流控制区和微生物培养区，潮流水位控制区和渗流控制区设置在潮沟边壁塑造区两侧，微生物培养区设置在潮沟边壁塑造区内，监测区包括土体性质监测系统和崩岸过程监测系统，分别对潮沟边壁塑造区的土体性质和崩岸过程进行监测，土体性质监测系统设置在潮沟边壁塑造区内；其中，所述潮沟边壁塑造区为开口式框体结构，通过活动板墙与潮流水位控制区连接并实现封闭，所述潮流水位控制区和渗流控制区为封闭式框体结构。

优选的，所述潮沟边壁塑造区呈一侧开口的矩形结构，通过活动板墙与潮流水位控制区连接，所述潮沟边壁塑造区的底部为不透水底层，在不透水底层的外围砌筑均设有若干凹槽的第一有机玻璃墙和第二有机玻璃墙，第二有机玻璃墙与第一有机玻璃墙相对设置，并通过多孔有机玻璃墙进行连接，多孔有机玻璃墙的对边设置活动板墙，活动板墙通过设置在不透水底层的凹槽与不透水底层连接；在第一有机玻璃墙的内侧设置的第一塑料薄板，第一塑料薄板和所述第一有机玻璃墙之间不同高程处设置若干横向缝隙和纵向缝隙、在第二有机玻璃墙内侧设置第二塑料薄板，第二塑料薄板和第二有机玻璃墙之间不同高程处同样设置若干横向缝隙和纵向缝隙，多孔有机玻璃墙内侧设置第三塑料薄板，第一塑料薄板、第二塑料薄板和第三塑料薄板上均设置若干圆形孔洞，并在圆形孔洞上套设拉绳；在第一塑料薄板、第二塑料薄板、第三塑料薄板和活动板墙与不透水底层围设的空间内，将现场边壁土铺设在不透水底层上。

优选的，所述潮流水位控制区通过第一玻璃墙、第二玻璃墙和第三玻璃墙围设在玻璃底板上形成可拆卸玻璃水槽，并通过活动板墙与所述潮沟边壁塑造区连接实现所述潮流水位控制区的封闭；

所述可拆卸玻璃水槽的进水口处设置在进水阀门，出水口处设置出水阀门，分别向可拆卸玻璃水槽的内部注水、外部排水，进水阀门与进水管、水泵连接；出水阀门的高程低于进水阀门的高程，不透水底层的高程与玻璃底板的高程齐平；所述潮沟边壁塑造区的第一有机玻璃墙、第二有机玻璃墙、不透水底层与潮流水位控制区的第一玻璃墙、玻璃底板、第三玻璃墙之间设有吻合接口，第一有机玻璃墙和第一玻璃墙连接处设置第一密封条，不透水底层和玻璃底板连接处设置第二密封条，第二有机玻璃墙和第一玻璃墙连接处设置第三密封条，实现密封；在第二玻璃墙上还设置进气泵和暴气管。

优选的，所述渗流控制区包括第一玻璃墙、第二玻璃墙、第三玻璃墙、进水阀门、水泵、进水管和出水阀门，第一玻璃墙、第二玻璃墙、第三玻璃墙与不透水底层砌筑而成的整体与多孔有机玻璃墙围成渗流控制区域，渗流控制区域的进水口处和出水口处设置进水阀门和出水阀门、进水阀门通过进水管与水泵连接，实现对渗流控制区的水位控制，

优选的，所述微生物培养区包括微生物生物膜生长区、养料投放设备、控温设备、进气泵和暴气管，微生物生物膜生长区养殖在现场边壁土表面至10厘米深度范围内，养料投放设备安置在现场边壁土正上方，高程高于潮流水位控制区的进水阀门；控温设备固定在潮沟边壁塑造区的多孔有机玻璃上方，高程高于潮流水位控制区的进水阀门和渗流控制区的进水阀门；

优选的，所述土体性质监测系统包括含水率测定仪、张力计、数据缆线和数据采集装置，含水率测定仪和张力计埋设在现场边壁土中的设定位置，数据采集装置通过数据缆线接收含水率测定仪测量的含水率数据和张力计采集的基质吸力数据。

优选的，所述崩岸过程监测系统包括固定在现场边壁土正上方的第一摄像机、固定在第一有机玻璃墙外侧的第二摄像机、固定在活动板墙外侧的第三摄像机，三个摄像机从不同的位置分别拍摄岸壁的崩岸过程。

优选的，所述多孔玻璃板上均匀地开有圆形孔洞，圆形孔洞的密度根据渗流控制要求设定。

作为本发明其中一方面，本发明提高一种潮沟崩岸物理实验方法，包括如下步骤：S1、建立基于微生物作用的潮沟崩岸物理研究系统，根据实际潮沟空间尺度确定潮沟边壁塑造区的潮沟边壁的长度、宽度和高度，根据潮汐特性和渗流特性确定潮流水位、水位变化速率、渗流水头高度的设定值；S2、构建潮沟边壁塑造区的初始岸壁并获取初始岸壁形态；S3、培养与观测微生物生物膜生长区；S4、模拟潮沟边壁冲刷和侵蚀过程；

其中，步骤S3包括：S31、控制潮流水位：打开第一水泵和进水阀门，根据预设水位升高速率调节进水阀门的流量；当水位到达预设的最高水位时，关闭第一水泵和进水阀门，维持一段时间；打开出水阀门，根据预设水位降低速率调节出水阀门的流量，预设水位高于初始岸壁顶部20cm以上；S32、投放养料与控制温度：当水位到达预设的最高水位时，投放养料，投放过程中用玻璃棒缓慢搅动，使养料扩散；根据预设的微生物培养温度调节控温设备；通过进气泵和暴气管将空气打入水体，避免微生物因缺氧而导致死亡；S33、采集微生物培养各个时期的样品，测量生物膜特征参数；

其中，步骤S4包括：S41、模拟潮流冲刷过程：移除活动板墙，在岸壁表面涂上白色网格线，移除有机玻璃墙侧边薄板，开始实验；根据实验设定，将第一薄片插入第一有机玻璃墙内侧指定高程位置的凹槽，在第一薄片完全插入时将第二薄片插入第一有机玻璃墙外侧指定位置的纵向缝隙；移除被薄片分离的土体，静置10分钟后重复上述过程，直至崩岸发生；S42、控制和模拟渗流过程：打开第二水泵和进水阀门，在渗流控制区域内水位上升至设定水位处时打开出水阀门，调节进水阀门和出水阀门流量，使得渗流控制区域内水位维持在设定水位处；S43、采集实验过程中岸壁缓慢侵蚀以及瞬时崩塌过程的图象、岸壁土体基质吸力及含水率变化过程的数据。

优选的，步骤S1中，构建潮沟边壁塑造区的初始岸壁的方法包括以下步骤，取适量现场边壁土，加入过氧化氢溶液，以除去土样中的有机质；将清洗后的现场边壁土敲碎并碾压至颗粒状，以构建一系列10cm高土层为单元，通过分层填埋振捣的方式逐步建造岸壁，对每一土层，填充一定质量的土体以达到现场观测的土壤密度；将外侧包裹有塑料管的张力计和含水率测定仪放置在岸壁泥沙的层内以测定该泥沙层的基质吸力压及含水率；土层压缩完成后，静置16小时，使其在自重作用下充分排水，取出包裹在张力计和含水率测定仪外侧的塑料管；达到预设岸壁高度后，将岸壁再静置60小时；实验开始前在岸壁表面绘制白色正交网格线，网格线间隔根据岸壁尺寸设定。

本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：

(1)提出的潮沟崩岸物理模型可以方便高效地在室内模拟潮流-渗流-生物扰动共同作用下的潮沟崩岸过程，实验结果能够真实反映现场潮沟边壁演变过程；

(2)采用现场边壁土建造空间尺寸为1:1的岸壁模型，可以消除模型缩放造成的影响，并能对岸壁侵蚀的细节过程进行观察；

(3)渗流控制系统可以方便、有效地模拟并控制一定水头高度的渗流过程；

(4)微生物培养区能够有效的进行微生物的培养、采集和观测，实现生物扰动下的崩岸研究；

(5)潮流冲刷过程模拟采用薄片开挖的方法，能够节约水资源，达到了环保、可持续的效果；

(6)土体性质监测系统可测量渗流作用下的岸壁土体基质吸力及土壤含水率，建立水动力条件与基质吸力变化、潮沟边壁侵蚀过程的相关关系；

(7)基于提出的物理模型实现的潮沟边壁侵蚀物理模型试验方法，通过采集实验各阶段的潮沟边壁形态图、微生物生长发育指标、岸壁土体基质吸力及含水率变化过程，得到潮沟崩岸的演变规律、微生物生长发育过程、基质吸力随渗流的变化规律。

附图说明

图1是根据本发明进行潮沟崩岸物理模型实验的流程示意图。

图2是本发明物理模型实验装置的示意图，其中，断面A-A为图4(A)。

图3是本发明物理模型实验装置的断面示意图。

图4是本发明物理模型实验装置局部放大图，其中，图4(A)为潮沟边壁塑造区有机玻璃墙的断面图，图4(B)为潮沟边壁塑造区有机玻璃墙的侧视图，图4(C)为潮沟边壁塑造区有塑料薄板的侧视图，图4(D)为潮流水位控制区与潮沟边壁塑造区内有机玻璃墙之间的吻合结构。

图中标号说明：

1为活动板墙、2为第一有机玻璃墙、3为第二有机玻璃墙、4为多孔有机玻璃墙、5为不透水底层、6为第一塑料薄板、7为第二塑料薄板、8为第三塑料薄板、9为第一玻璃墙、10为第二玻璃墙、11为第三玻璃墙、17为第一玻璃墙、18为第二玻璃墙、19为第三玻璃墙、12为玻璃底板、13为进水阀门、14为水泵、15为进水管、16为出水阀门、20为进水阀门、21为水泵、22为进水管、23为出水阀门、24为含水率测定仪、25为张力计、26为数据缆线、27为数据采集装置、28为现场边壁土、29为微生物生物膜生长区、30为养料投放设备、31为控温设备、32为摄像机、33为摄像机、34为摄像机、35为凹槽、36为横向缝隙、37为纵向缝隙、38为第一密封条、39为第二密封条、40为第三密封条、41为圆形孔洞、42为拉绳、43为可拆卸玻璃水槽，44为进气泵，45为暴气管。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明。

本发明提供一种模拟准确性高、测量精度高、数据处理分析方便的微生物作用的潮沟崩岸物理实验装置及实验方法。

如图2、图3所示，该潮沟边壁侵蚀物理模型实验装置，其包括潮流水位控制区、潮沟边壁塑造区、渗流控制区、微生物培养区、土体性质监测系统和岸壁破坏监测系统。

该实验装置的中部是开口式有机玻璃墙构成的潮沟边壁塑造区，潮沟边壁塑造区的内部设置微生物培养区，两侧设置潮流水位控制区和渗流控制区，土体性质监测系统和岸壁破坏监测系统分别对土体性质和岸壁破坏进行监测。

具体的，潮沟边壁塑造区由活动板墙1、第一有机玻璃墙2、第二有机玻璃墙3、多孔有机玻璃墙4、不透水底层5、第一塑料薄板6、第二塑料薄板7、第三塑料薄板8、塑料板27、现场边壁土28组成；其中不透水底层5为水泥浇筑的平整矩形区域，也可以是其它形状的区域，并根据潮沟边壁塑造区具体尺寸确定不透水底层5的长度和宽度。在不透水底层5浇筑过程中嵌入第一有机玻璃墙2、第一有机玻璃墙3和多孔有机玻璃墙4以使其形成一个稳定的一侧开口的框体。在不透水底层5浇筑过程中框体开口一侧的底部留有插槽，用于实验开始时将活动板墙1插入插槽，与第一有机玻璃墙2、第一有机玻璃墙3和多孔有机玻璃墙4构成封闭框体。进一步的，第一有机玻璃墙2和第二有机玻璃墙3相对设置，其内壁均开设若干凹槽35，如图4(A)所示，外侧设有若干横向缝隙36和纵向缝隙37，如图4(B)所示。将第一塑料薄板6置于第一有机玻璃墙2内侧，第二塑料薄板7置于第二有机玻璃墙3内侧，第三塑料薄板8置于多孔有机玻璃墙4内侧用于隔绝有机玻璃墙和岸壁土体，土体堆完后移除，可以消除岸壁边界处的应力集中。第一塑料薄板6、第二塑料薄板7、第三塑料薄板8的两侧均涂有润滑油，且侧边设有若干圆形孔洞41，并配有与其开口形状相匹配的拉绳42，如图4(C)所示。

现场边壁土28按照实验要求铺设在第一塑料薄板6、第二塑料薄板7、第三塑料薄板8的内部的不透水底层5上，形成微生物培养区现场边壁土28的表层一定深度处为微生物生物膜生长区29，养料投放设备30、控温设备31设置在微生物生物膜生长区29的上方，养料投放设备30用于将营养液注入水中，为微生物生物膜生长区29的生长提供养料。

进一步的，潮流水位控制区由第一玻璃墙9、第二玻璃墙10、第三玻璃墙11、玻璃底板12、进水阀门13、水泵14、进水管15、出水阀门16、第一密封条38、第二密封条39、第三密封条40组成；玻璃底板12为平整矩形区域(也可以是其它形状的区域)，并根据不透水底层5具体尺寸确定玻璃底板12的长度。进水管15上安装有进水阀门13和水泵14，第二玻璃墙10上安装有出水阀门16，为了满足微生物生长的氧气需要，第二玻璃墙10上还设置进气泵44和暴气管45。出水阀门16的高程低于进水阀门13的高程。进一步的，渗流控制区由不透水底层5、第一玻璃墙17、第二玻璃墙18、第三玻璃墙19、进水阀门20、水泵21、进水管22、出水阀门23组成，在玻璃底板12周边嵌入第一玻璃墙9、第二玻璃墙10和第三玻璃墙11以使其形成可拆卸玻璃水槽43，潮沟边壁塑造区内不透水底层5的底高程与可拆卸玻璃水槽43底高程齐平。可拆卸玻璃水槽43经第一密封条(38)、第二密封条(39)和第三密封条(40)与潮沟边壁塑造区实现密封，吻合结构如图4(D)所示。可拆卸玻璃水槽43接触潮沟边壁塑造区中活动板墙1的一侧开有便于潮流淹没现场边壁土28的开口。

土体性质监测系统由含水率测定仪24、张力计25、数据缆线26、数据采集装置27组成，岸壁破坏监测系统由第一摄像机32、第二摄像机33、第三摄像机34组成，含水率测定仪24和张力计25埋在现场边壁土28的设定位置，含水率测定仪24和张力计25测量的含水率和基质吸力数据经数据缆线26上传至数据采集装置27。第一摄像机32、第二摄像机33、第三摄像机34分别固定在潮沟边壁塑造区的现场边壁土28正上方、第一有机玻璃墙2外侧、活动板墙1外侧，分别实现对岸壁顶部、侧面和正面的裂缝的出现至破坏的崩岸过程的记录。

土体性质监测系统和岸壁破坏监测系统中涉及到的仪器可以放在土体中的任何位置，主要根据实验检测的目标位置进行设定，下面给出一个具体安装位置的实施例子：

含水率测定仪24和张力计25埋在现场边壁土28的设定位置，如图2和图3所示，重塑现场边壁的长、宽、高分别为L、W、H，其中，长度方向为坐标轴X方向、宽度方向为坐标轴Y方向、高度方向为坐标轴Z方向。含水率测定仪24分两层设置在现场边壁土28的同一侧，第一层含水率测定仪21离不透水底层的距离为岸壁高度H的三分之一，坐标分别为(1/4L,2/3W,1/3H)、(1/2L,2/3W,1/3H)、(3/4L,2/3W,1/3H)；第二层含水率测定仪21离不透水底层的距离为岸壁高度H的三分之二，坐标分别为(1/4L,2/3W,2/3H)、(1/2L,2/3W,2/3H)、(3/4L,2/3W,2/3H)；张力计25设置在现场边壁土28的另一侧，坐标分别为(1/4L,1/3W,1/2H)、(3/4L,1/3W,1/2H)，实现全面、均匀的数据采集。

图1示出了根据本发明进行潮沟崩岸物理模型实验的流程示意图。如图1所示，本发明提供一种潮沟边壁侵蚀物理模型实验方法，包括如下步骤：

步骤S1，根据实际潮沟空间尺度确定潮沟边壁塑造区的潮沟边壁的长度、宽度和高度，根据潮汐特性(潮差、水位变化速率)和渗流特性(渗流坡度)确定潮流水位、水位变化速率、渗流水头高度的设定值；

步骤S2，构建潮沟边壁塑造区的初始岸壁并获取初始岸壁形态：取适量现场边壁土，加入过氧化氢溶液，以除去土样中的有机质。将清洗后的现场边壁土敲碎并碾压至颗粒状，以构建一系列10cm高土层为单元，通过分层填埋振捣的方式逐步建造岸壁。对每一土层，填充一定质量的现场原状土样，以达到现场观测的土壤密度。将外侧包裹有塑料管的张力计和含水率测定仪放置在岸壁泥沙的层内以测定该泥沙层的基质吸力压及含水率。土层压缩完成后，静置16小时，使其在自重作用下充分排水，取出包裹在张力计和含水率测定仪外侧的塑料管；达到预设岸壁高度后，将岸壁再静置60小时。为了量化崩岸过程，包括裂缝出现的位置、形成的大小，以及崩岸引起的后退距离，实验开始前在岸壁表面绘制白色正交网格线，网格线间隔根据岸壁尺寸设定。

步骤S3，培养与观测微生物生物膜生长区：

子步骤S31，控制潮流水位：打开水泵14和进水阀门13，调节进水阀门的流量，使其达到预设的水位升高速率，进行涨潮阶段模拟，持续1小时；当水位到达预设的最高水位，预设最高水位至少高于岸壁顶部20cm时，关闭水泵14和进水阀门(13)，进行憩流期模拟，持续3小时；打开出水阀门，调节出水阀门的流量，使其达到预设的水位降低速率，进行落潮阶段模拟，持续1小时，

子步骤S32，投放养料与控制温度：当水位到达预设的最高水位时模拟憩流期，即岸壁被水流淹没后，在水体中投放养料，投放过程中用玻璃棒缓慢搅动，使养料快速扩散；调节控温设备，以达到预设的微生物培养温度；

子步骤S33，当水位下降，岸壁出露时，使用玻璃棒刮取岸壁表面泥沙，采集时间分别为生物膜培养2天、10天、15天和22天后，测量生物膜特征参数(如胞外聚合物含量、生物量等)。

步骤S4，模拟潮沟边壁冲刷和侵蚀过程：

子步骤S41，模拟潮流冲刷过程：移除活动板墙，在岸壁表面(顶部和正面)涂上白色网格线。根据实验设定，将第一薄片插入第一有机玻璃墙内侧指定高程位置的凹槽，在第一薄片完全插入时将第二薄片插入第一有机玻璃墙外侧指定位置的纵向缝隙，凹槽间距和缝隙距离的设置根据开挖高度和深度，一般情况下，可设置为10cm；薄片移除岸壁下部土体会引起崩岸，按照实验设定的开挖高度和深度，移除被薄片分离的土体至实验装置外部，静置10分钟；单次移除动作是模拟一次冲刷和侵蚀量的，重复移除被薄片分离的土体这个过程，直至崩岸发生。

子步骤S42，控制和模拟渗流过程：因为水体会渗入岸壁，导致水位下降，所以需要流动维持，因此打开第二水泵和进水阀门，在渗流控制区域内水位上升至设定水位处时打开出水阀门，调节进水阀门和出水阀门流量，使得渗流控制区域内水位维持在设定水位处，此时，移除潮沟边壁塑造区内的第三塑料薄板，使得水流缓慢流经重塑后(将现场的岸壁土取回来，重新堆建了岸壁)的现场边壁土内部；

子步骤S43，采集实验各个阶段岸壁缓慢侵蚀以及瞬时崩塌过程的图片，每隔一段时间间隔(如5分钟或者10分钟)，具体时间根据岸壁高度确定，岸壁高度越高，时间间隔越短

步骤S5，模型试验数据处理与分析：通过摄像机测得实验各个阶段岸壁的三维形态以获取岸壁形态的演变过程；根据测得岸壁土体基质吸力、含水率变化过程可以获取实验过程中饱和土-非饱和土之间的转换规律；根据测得的微生物生物膜生长区生长过程，结合崩岸过程即可揭示潮流-渗流-生物扰动共同作用下的崩岸机理；还可以通过多组实验分析不同水动力条件、不同土壤类型对潮沟崩岸过程的影响。

本发明公开了一种考虑微生物作用的潮沟崩岸物理实验系统及方法，属于涉及潮滩-潮沟系统崩岸机理研究的测量技术领域。实验系统包括：潮沟边壁塑造区、微生物培养区、潮流水位控制区、渗流控制区、土体性质监测系统、崩岸过程监测系统。本发明可以实现潮滩微生物的培养和观测，进而模拟潮流-渗流-微生物作用三者共同作用下的潮沟崩岸过程，相关成果可以推动潮沟崩岸治理关键技术发展。

应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种基于微生物作用的潮沟崩岸物理研究系统，其特征在于：包括构建区和监测区，监测区用于测量构建区的目标参数，构建区包括潮沟边壁塑造区、潮流水位控制区、渗流控制区和微生物培养区，潮流水位控制区和渗流控制区设置在潮沟边壁塑造区两侧，微生物培养区设置在潮沟边壁塑造区内，监测区包括土体性质监测系统和崩岸过程监测系统，分别对潮沟边壁塑造区的土体性质和崩岸过程进行监测，土体性质监测系统设置在潮沟边壁塑造区内；

其中，所述潮沟边壁塑造区为开口式框体结构，通过活动板墙（1）与潮流水位控制区连接并实现封闭，所述潮流水位控制区和渗流控制区为封闭式框体结构。

2.根据权利要求1所述的基于微生物作用的潮沟崩岸物理研究系统，其特征在于：所述潮沟边壁塑造区呈一侧开口的矩形结构，通过活动板墙（1）与潮流水位控制区连接，所述潮沟边壁塑造区的底部为不透水底层(5)，在不透水底层(5)的外围砌筑均设有若干凹槽（35）的第一有机玻璃墙（2）和第二有机玻璃墙(3) ，第二有机玻璃墙(3)与第一有机玻璃墙(2)相对设置，并通过多孔有机玻璃墙（4）进行连接，多孔有机玻璃墙(4)的对边设置活动板墙(1)，活动板墙（1）通过设置在不透水底层（5）的凹槽与不透水底层（5）连接；在第一有机玻璃墙(2)的内侧设置的第一塑料薄板（6），第一塑料薄板（6）和所述第一有机玻璃墙(2)之间不同高程处设置若干横向缝隙（36）和纵向缝隙（37）、在第二有机玻璃墙(3)内侧设置第二塑料薄板（7），第二塑料薄板（7）和第二有机玻璃墙(3)之间不同高程处同样设置若干横向缝隙（36）和纵向缝隙（37），多孔有机玻璃墙(4)内侧设置第三塑料薄板（8），第一塑料薄板（6）、第二塑料薄板（7）和第三塑料薄板（8）上均设置若干圆形孔洞（41），并在圆形孔洞（41）上套设拉绳（42）；

在第一塑料薄板（6）、第二塑料薄板（7）、第三塑料薄板（8）和活动板墙(1)与不透水底层（5）围设的空间内，将现场边壁土（28）铺设在不透水底层（5）上。

3.根据权利要求1所述的基于微生物作用的潮沟崩岸物理研究系统，其特征在于：所述潮流水位控制区通过第一玻璃墙（9）、第二玻璃墙（10）和第三玻璃墙（11）围设在玻璃底板（12）上形成可拆卸玻璃水槽（43），并通过活动板墙（1）与所述潮沟边壁塑造区连接实现所述潮流水位控制区的封闭；

所述可拆卸玻璃水槽（43）的进水口处设置在进水阀门（13），出水口处设置出水阀门（16），分别向可拆卸玻璃水槽（43）的内部注水、外部排水，进水阀门（13）与进水管（15）、水泵（14）连接；出水阀门（16）的高程低于进水阀门（13）的高程，不透水底层(5)的高程与玻璃底板（12）的高程齐平；

所述潮沟边壁塑造区的第一有机玻璃墙(2)、第二有机玻璃墙(3)、不透水底层(5)与潮流水位控制区的第一玻璃墙（9）、玻璃底板（12）、第三玻璃墙（11）之间设有吻合接口，第一有机玻璃墙(2)和第一玻璃墙（9）连接处设置第一密封条（38），不透水底层(5)和玻璃底板（12）连接处设置第二密封条（39），第二有机玻璃墙(3)和第一玻璃墙（11）连接处设置第三密封条（40），实现密封；在第二玻璃墙（10）上还设置进气泵（44）和暴气管（45）。

4.根据权利要求1所述的基于微生物作用的潮沟崩岸物理研究系统，其特征在于：所述渗流控制区包括第一玻璃墙（17）、第二玻璃墙（18）、第三玻璃墙（19）、进水阀门（20）、水泵（21）、进水管（22）和出水阀门（23），第一玻璃墙（17）、第二玻璃墙（18）、第三玻璃墙（19）与不透水底层（5）砌筑而成的整体与多孔有机玻璃墙（4）围成渗流控制区域，渗流控制区域的进水口处和出水口处设置进水阀门（20）和出水阀门（23）、、进水阀门（20）通过进水管（22）与水泵（21）连接，实现对渗流控制区的水位控制。

5.根据权利要求2所述的基于微生物作用的潮沟崩岸物理研究系统，其特征在于：所述微生物培养区包括微生物生物膜生长区（29）、养料投放设备（30）、控温设备（31）、进气泵（44）和暴气管（45），微生物生物膜生长区（29）养殖在现场边壁土(28)表面至10厘米深度范围内，养料投放设备（30）安置在现场边壁土(28)正上方，高程高于潮流水位控制区的进水阀门（13）；控温设备（31）固定在潮沟边壁塑造区的多孔有机玻璃（4）上方，高程高于潮流水位控制区的进水阀门（13）和渗流控制区的进水阀门（20）。

6.根据权利要求1所述的基于微生物作用的潮沟崩岸物理研究系统，其特征在于：所述土体性质监测系统包括含水率测定仪(24)、张力计(25)、数据缆线（26）和数据采集装置（27），含水率测定仪(24)和张力计(25)埋设在现场边壁土（28）中的设定位置，数据采集装置（27）通过数据缆线（26）接收含水率测定仪（24）测量的含水率数据和张力计（25）采集的基质吸力数据。

7.根据权利要求1所述的基于微生物作用的潮沟崩岸物理研究系统，其特征在于：所述崩岸过程监测系统包括固定在现场边壁土（28）正上方的第一摄像机(32)、固定在第一有机玻璃墙（2）外侧的第二摄像机（33）、固定在活动板墙（1）外侧的第三摄像机（34），三个摄像机从不同的位置分别拍摄岸壁的崩岸过程。

8.根据权利要求1所述基于微生物作用的潮沟崩岸物理研究系统，其特征在于，所述多孔玻璃板（4）上均匀地开有圆形孔洞，圆形孔洞的密度根据渗流控制要求设定。

9.权利要求1-8任一项所述的系统进行的潮沟崩岸物理实验方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、建立基于微生物作用的潮沟崩岸物理研究系统，根据实际潮沟空间尺度确定潮沟边壁塑造区的潮沟边壁的长度、宽度和高度，根据潮汐特性和渗流特性确定潮流水位、水位变化速率、渗流水头高度的设定值；

S2、构建潮沟边壁塑造区的初始岸壁并获取初始岸壁形态；

S3、培养与观测微生物生物膜生长区；

S4、模拟潮沟边壁冲刷和侵蚀过程；

其中，步骤S3包括：

S31、控制潮流水位：打开水泵（14）和进水阀门（15），根据预设水位升高速率调节进水阀门的流量；当水位到达预设的最高水位时，关闭水泵（14）和进水阀门（15），维持一段时间；打开出水阀门，根据预设水位降低速率调节出水阀门的流量，预设水位高于初始岸壁顶部20cm以上；

S32、投放养料与控制温度：当水位到达预设的最高水位时，投放养料，投放过程中用玻璃棒缓慢搅动，使养料扩散；根据预设的微生物培养温度调节控温设备；通过进气泵和暴气管将空气打入水体，避免微生物因缺氧而导致死亡；

S33、采集微生物培养各个时期的样品，测量生物膜特征参数；

其中，步骤S4包括：

S41、模拟潮流冲刷过程：移除活动板墙，在岸壁表面涂上白色网格线，移除有机玻璃墙侧边薄板，开始实验；根据实验设定，将第一塑料薄板（6）插入第一有机玻璃墙（2）内侧指定高程位置的凹槽（35），在第一塑料薄板（6）完全插入时将第二塑料薄板（7）插入第一有机玻璃墙（2）外侧指定位置的纵向缝隙（37）；移除被薄片分离的土体，静置10分钟后重复上述过程，直至崩岸发生；

S42、控制和模拟渗流过程：打开水泵（14）和进水阀门（15），在渗流控制区域内水位上升至设定水位处时打开出水阀门（16），调节进水阀门（15）和出水阀门（16）流量，使得渗流控制区域内水位维持在设定水位处；

S43、采集实验过程中岸壁缓慢侵蚀以及瞬时崩塌过程的图象、岸壁土体基质吸力及含水率变化过程的数据。

10.根据权利要求9所述的潮沟崩岸物理实验方法，其特征在于：步骤S1中，构建潮沟边壁塑造区的初始岸壁的方法包括以下步骤，

取适量现场边壁土，加入过氧化氢溶液，以除去土样中的有机质；

将清洗后的现场边壁土敲碎并碾压至颗粒状，以构建一系列10 cm高土层为单元，通过分层填埋振捣的方式逐步建造岸壁，对每一土层，填充一定质量的土体以达到现场观测的土壤密度；

将外侧包裹有塑料管的张力计和含水率测定仪放置在岸壁泥沙的层内以测定该泥沙层的基质吸力压及含水率；

土层压缩完成后，静置16小时，使其在自重作用下充分排水，取出包裹在张力计和含水率测定仪外侧的塑料管；达到预设岸壁高度后，将岸壁再静置60小时；实验开始前在岸壁表面绘制白色正交网格线，网格线间隔根据岸壁尺寸设定。

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