CN114674981A - 一种海洋环境垂直梯度模拟实验装置 - Google Patents

Abstract

一种海洋环境垂直梯度模拟实验装置，包括基座、筒体及顶盖，所述筒体由一系列的层块构成，每个层块具有独立的温度控制模块、光照控制模块、物质浓度控制模块以及环境监测模块。通过对每个层块的温度、光照以及物质浓度的独立控制，可以模拟海洋环境的温度、光照以及物质浓度的垂直剖面梯度变化，为气候变化下的海洋生态系统研究提供前所未有的模拟实验装置。本发明具有良好的扩展性与适用性，可以通过对层块数量的增减，控制垂直剖面的模拟精度与建造成本，满足不同实验目的的需求。

Description

一种海洋环境垂直梯度模拟实验装置

技术领域

本发明涉及海洋环境领域，尤其涉及一种海洋环境垂直梯度模拟实验装置。

背景技术

人类活动导致以二氧化碳为代表的温室气体浓度显著增加，引发以全球变暖为主要特征的气候变化问题日益突出，成为人类可持续发展最严峻的挑战之一。海洋作为地球上最大的活跃碳库，吸收了人类排放二氧化碳的近三分之一，发挥着气候变化“缓冲器”的作用。然而，海洋在缓解气候变化的过程中，也深受气候变化的影响。例如，海洋从大气中吸收二氧化碳，会改变海水碳酸盐体系的平衡，造成“海洋酸化”，进而改变海洋生态系统的群落结构和功能属性；全球变暖导致海洋升温，将打破海水温度和密度的平衡，加剧“海洋层化”，改变海洋营养盐水平，影响海洋生物地球化学循环。

海洋对气候变化和人类活动的响应与反馈关系到人类自身的可持续发展。若想认知现象背后的规律，就必须通过科学实验了解其中的过程机制。海洋平均深度将近4000米，占据了生物在地球上所能发展空间的99％。研究海洋对气候变化和人类活动的响应与反馈，需要多维时空尺度上环境变量的过程参数。建立全球气候变化背景下海洋环境垂直剖面梯度变化模拟实验系统，通过环境参数的全面调控，模拟全球变暖、海洋酸化、海洋缺氧等重大海洋事件的环境条件，在中大尺度上进行多学科交叉的海洋过程与机制研究，是开展海洋对气候变化响应与反馈研究，预测未来海洋生态环境演变的理想途径。

现有海洋环境模拟实验体系主要是围隔体系(Mesocosm)，其将一定体积的水体封闭起来，形成可以对封闭体系进行人工干预的实验体系，例如添加某些潜在的限制性营养盐，然后进行原位的模拟实验研究。然而，围隔体系所能控制的环境因子非常有限，甚至连最基本的温度都难以控制，更无法模拟海洋环境垂直剖面梯度变化，难以满足气候变化背景下海洋生态环境过程机制的研究需求。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中的上述问题，提供一种海洋环境垂直梯度模拟实验装置，使其能够在中大尺度模拟海洋环境垂直剖面梯度变化，有效模拟温度、光照、溶解氧、二氧化碳、营养盐等环境参数在海洋垂直剖面上的梯度变化，克服现有模拟实验装置无法进行垂直剖面过程研究的不足，为研究全球气候变化背景下的海洋生态环境变化，如海洋变暖、层化加剧、海洋酸化等生态环境问题，提供多学科交叉研究的模拟实验装置。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种海洋环境垂直梯度模拟实验装置，包括控制系统、位于底部的基座、坐落于基座上面的筒体以及密封顶盖；所述基座设有排水孔、通气孔以及采样孔；所述顶盖所处区域为大气区，设有可密闭的出入口，并配有顶部照明系统、通气系统和垂直剖面监测系统；所述筒体由一系列相互独立的层块竖直叠加构成；每个层块均设有温度控制模块、光照控制模块、物质浓度控制模块、环境监测模块；所述物质浓度控制模块包括实验体系、缓冲体系、物质储存罐和低本底海水储存罐，所述缓冲体系通过阀门与实验体系、物质储存罐和低本底海水储存罐连接；所述环境监测模块设有温度、盐度、pH值、溶解氧、物质浓度、有效光合辐射度传感器，以对海水进行实时监测并与控制系统进行交互，实现对温度、盐度、pH值、溶解氧、物质浓度、有效光合辐射度的自动化控制；所述控制系统通过对每个层块的独立控制，进而实现海洋环境垂直剖面梯度变化的模拟。

所述物质浓度控制模块设有物质检测器，所述物质检测器设于实验体系、缓冲体系和物质储存罐中，以检测物质浓度，通过检测结果对缓冲体系中的营养物质浓度进行调节，使其达到设定的浓度范围，然后通过阀门，将缓冲体系中的海水与实验体系进行交换，实现对物质浓度的控制。

所述温度控制模块设有加热系统、冷却系统和温度传感器，通过温度传感器对水体温度进行实时监测，并反馈控制加热系统与冷却系统，进而实现水体温度的控制。

所述光照控制模块，在层块侧壁均匀设置光源，通过控制光源的开启数量与光照强度，进而实现对每个层块光照强度的独立控制。

所述光源采用水平平行照射。

所述通气系统，通过阀门与气体源连接，所述气体源包括高压空气、二氧化碳或者氧气，以对大气区域的气体成分进行控制。

所述顶部照明系统，配备有可控制光照强度的照明装置，以根据有效光合辐照度的强度，对光照强度进行控制。

所述垂直剖面监测系统包括电动绞车、滑轮、缆绳与水质参数传感器，所述传感器悬挂于缆绳末端，所述缆绳穿过滑轮与电动绞车连接，其中通过控制电动绞车，实现对整个垂直剖面的实时监测。

所述层块设有三个以上。

所述层块的外层采用保温材质。

相对于现有技术，本发明技术方案取得的有益效果是：

本发明提供一种海洋环境垂直梯度模拟实验装置，在实验室内实现温度、光照、溶解氧、二氧化碳、营养盐等参数的垂直梯度变化，能够有效模拟海洋环境垂直剖面变化的真实环境，解决了海洋垂直过程研究模拟实验装置难题，具有安全可靠、调控参数多、能够进行实时有效监测等优点。同时，筒体采用模块化的设计方案，具有良好的扩展性，通过增加或者减少层块的数量，可以实现建造成本、垂直梯度变化层位等的精确控制，也有利于后续的功能扩展与日常维护。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为层块的结构示意图；

图3为顶盖的结构示意图。

附图标记：顶盖1，筒体2，基座3，层块4，通气孔5，沉积物采样孔6，排水孔7，环境监测模块8，罐体9，光照控制模块10，温度控制模块11，进水阀门12，缓冲体系13，物质阀门14，物质储存罐15，低本底海水储存罐16，海水阀门17，出水阀门18，实验体系19，通气装置20，顶部照明系统21，出气装置22，出入口23。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚、明白，以下结合附图和实施例，对本发明做进一步详细说明。

本发明提供了一种海洋环境垂直梯度模拟实验装置，可以在实验室内实现海洋环境垂直剖面梯度变化的模拟，不仅可以有效模拟温度、光照、溶解氧、二氧化碳、营养盐等参数在垂直剖面上的变化过程，也可以模拟气候变化下海洋大气成分的变化，为进行气候环境变化下的海气通量变化、海洋酸化、海洋缺氧化、海洋垂直过程与通量等海洋气候环境过程机制研究提供前所未有的模拟实验装置。

如图1所示，本实施例一种海洋环境垂直梯度模拟实验装置，包括控制系统、位于底部的基座3、坐落于基座3上面的筒体2以及密封的顶盖1；

所述基座3设有排水孔7、通气孔5以及沉积物采样孔6；排水孔7用于实验装置内海水的排放。通气孔5可以根据研究目的的不同，选择通入二氧化碳、甲烷或者其他气体，模拟海底气体泄漏；又或者关闭通气孔5，保持水体的稳定。沉积物采样孔6，可以收集海底沉积物，为研究水体往沉积物的物质输送提供研究对象；

所述筒体2由一系列(三个以上)相互独立的层块4竖直叠加构成，具有良好的扩展性与适用性，可以通过对层块4的结构、数量进行优化组合，可以实现模拟实验装置高度、垂直梯度变化层数、建造成本等的控制，进而满足不同研究目的和研究对象的需求，所述述控制系统通过对每个层块4的独立控制，实现对海洋环境垂直剖面梯度变化的模拟。

如图1和图2所示，所述层块4，设置有罐体9、温度控制模块11、光照控制模块10、物质浓度控制模块、环境监测模块8。所述环境监测模块8，设有温度、盐度、pH值、溶解氧、物质浓度、有效光合辐射度传感器，以对海水进行实时监测并与控制系统进行交互，由此所述温度控制模块11、光照控制模块10、物质浓度控制模块能够根据环境监测模块8的检测结果，实现对温度、盐度、pH值、溶解氧、物质浓度、有效光合辐射度的自动化控制。

所述温度控制模块11根据环境监测模块8中的温度监测数据进行加热或者制冷，进而控制模拟实验装置内各个层块4的水体温度；具体地，温度控制模块11设有加热系统、冷却系统和温度传感器，通过温度传感器对水体温度进行实时监测，并反馈控制加热系统与冷却系统，进而实现水体温度的准确控制。

所述光照控制模块10，在层块4侧壁均匀设置光源，所述光源采用水平平行照射，避免对上下层块4的干扰，进而实现对每个层块4光照强度的独立控制。光照控制模块10根据监测模块的光强传感器，控制光源的光照强度和光源数量，进而控制各个层块4的光照强度。

所述物质浓度控制模块包括实验体系19、缓冲体系13、物质储存罐15和低本底海水储存罐16，并根据拟控制的物质种类，例如硝酸盐、磷酸盐、铁离子、碳酸盐、溶解氧等，设置有相应的物质检测器。所述物质检测器设于实验体系19、缓冲体系13和物质储存罐15中，以实时检测物质浓度，通过检测结果对缓冲体系13中的营养物质浓度进行调节，使其达到设定的浓度范围，然后通过阀门，将缓冲体系13中的海水与实验体系19进行交换，实现对物质浓度的控制。

具体地，所述缓冲体系13通过进水阀门12和出水阀门18与实验体系19连接，缓冲体系13通过物质阀门14连接物质储存罐15，缓冲体系13通过海水阀门17连接低本底海水储存罐16。通过物质检测器可以实时检测物质浓度，一旦物质浓度低于设定值，就将打开物质阀门14，将物质储存罐15中的物质注入缓冲体系13中；而如果物质浓度高于设定值，则将打开海水阀门17，将海水储存罐16中的低本底海水注入缓冲体系13，进而实现实验体系19中的物质浓度处于设定值。如果不需要对物质浓度进行控制，那么就可以关闭进水阀门12和出水阀门18，观察实验体系19的响应过程。

如图1和图3所示，所述顶盖1，所处区域为大气区，设有可密闭的出入口23，并配有顶部照明系统21、通气系统和垂直剖面监测系统；通过出入口23，可以从顶盖1进入，对所有的层块4进行检修、清洗与维护；

所述通气系统，位于顶盖1的侧壁，包括有通气装置20和出气装置22，通过阀门与气体源连接，所述气体源包括高压空气、二氧化碳或者氧气，以对大气区域的气体成分进行控制；通过通气装置20和出气装置22，可以控制大气区域的气体含量，模拟温室气体对于实验体系19的影响；

所述顶部照明系统21，位于顶盖1内正上方，配备有可控制光照强度的照明装置，可以根据需要，对光照强度、光照时间进行控制，模拟太阳照射对于实验体系19的影响。

所述垂直剖面监测系统，包括电动绞车、滑轮、缆绳与水质参数传感器，所述传感器悬挂于缆绳末端，所述缆绳穿过滑轮与电动绞车连接，其中通过控制电动绞车，实现对整个垂直剖面的实时监测。

本发明可在实验室内实现温度、光照、溶解氧、二氧化碳、营养盐等参数的垂直梯度变化，能够有效模拟海洋环境垂直剖面变化的真实环境，解决了海洋垂直过程研究模拟实验装置难题，具有安全可靠、调控参数多、能够进行实时有效监测等优点。同时，筒体采用模块化的设计方案，具有良好的扩展性，通过增加或者减少层块的数量，可以实现建造成本、垂直梯度变化层位等的精确控制，也有利于后续的功能扩展与日常维护。

以上所述，仅是为清楚说明所做的举例，并非对实施方式的限定。本领域技术人员根据上述所述技术内容的基础上，还可以做出不同形式的修改或变动，而由此所引出的显而易见的修改或变动，仍处于本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种海洋环境垂直梯度模拟实验装置，其特征在于：包括控制系统、位于底部的基座、坐落于基座上面的筒体以及顶盖；所述基座设有排水孔、通气孔以及采样孔；所述顶盖所处区域为大气区，设有可密闭的出入口，并配有顶部照明系统、通气系统和垂直剖面监测系统；所述筒体由一系列相互独立的层块竖直叠加构成；每个层块均设有温度控制模块、光照控制模块、物质浓度控制模块、环境监测模块；所述物质浓度控制模块包括实验体系、缓冲体系、物质储存罐和低本底海水储存罐，所述缓冲体系通过阀门与实验体系、物质储存罐和低本底海水储存罐连接；所述环境监测模块设有温度、盐度、pH值、溶解氧、物质浓度、有效光合辐射度传感器，以对海水进行实时监测并与控制系统进行交互，实现对温度、盐度、pH值、溶解氧、物质浓度、有效光合辐射度的自动化控制；所述控制系统通过对每个层块的独立控制，进而实现海洋环境垂直剖面梯度变化的模拟。

2.如权利要求1所述的一种海洋环境垂直梯度模拟实验装置，其特征在于：所述物质浓度控制模块设有物质检测器，所述物质检测器设于实验体系、缓冲体系和物质储存罐中，以检测物质浓度，通过检测结果对缓冲体系中的营养物质浓度进行调节，使其达到设定的浓度范围，然后通过阀门，将缓冲体系中的海水与实验体系进行交换，实现对物质浓度的控制。

3.如权利要求1所述的一种海洋环境垂直梯度模拟实验装置，其特征在于：所述温度控制模块设有加热系统、冷却系统和温度传感器，通过温度传感器对水体温度进行实时监测，并反馈控制加热系统与冷却系统，进而实现对水体温度的控制。

4.如权利要求1所述的一种海洋环境垂直梯度模拟实验装置，其特征在于：所述光照控制模块，在层块侧壁均匀设置光源，通过控制光源的开启数量与光照强度，进而实现对每个层块光照强度的独立控制。

5.如权利要求4所述的一种海洋环境垂直梯度模拟实验装置，其特征在于：所述光源采用水平平行照射。

6.如权利要求1所述的一种海洋环境垂直梯度模拟实验装置，其特征在于：所述通气系统，通过阀门与气体源连接，所述气体源包括高压空气、二氧化碳或者氧气，以对大气区域的气体成分进行控制。

7.如权利要求1所述的一种海洋环境垂直梯度模拟实验装置，其特征在于：所述顶部照明系统，配备有可控制光照强度的照明装置，以根据有效光合辐照度的强度，对光照强度进行控制。

8.如权利要求1所述的一种海洋环境垂直梯度模拟实验装置，其特征在于：所述垂直剖面监测系统包括电动绞车、滑轮、缆绳与水质参数传感器，所述水质参数传感器悬挂于缆绳末端，所述缆绳穿过滑轮与电动绞车连接，其中通过控制电动绞车，实现对整个垂直剖面的实时监测。

9.如权利要求1所述的一种海洋环境垂直梯度模拟实验装置，其特征在于：所述层块设有三个以上。

10.如权利要求1所述的一种海洋环境垂直梯度模拟实验装置，其特征在于：所述层块的外层采用保温材质。

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