一種用于環境與生態水力學流速試驗模擬裝置及方法與流程

本發明涉及生態環境保護技術領域，具體地說是涉及室內模擬流速單一因素變化和流速與光照、溫度等多因素耦合作用對水生生物生長的試驗裝置及其使用方法，是用于水生態環境研究的實驗設備，同時該裝置也可用于泥沙懸浮試驗研究。

背景技術：

受人類活動強烈干擾，很多生態系統的水動力特性發生了顯著改變。水動力特性是影響水生環境的一個重要因素，比如流速降低導致湖泊、水庫的換水周期增加，營養物質得以積累，加速水體的富營養化進程，引起有害藻類水華頻繁爆發；流速可造成水體泥沙輸移特性改變從而影響沉積型濕生環境的穩定發展；流速增加不僅對水生生物產生直接的機械損傷，還能夠通過泥沙懸浮影響水體的光照，從而帶來水生生物退化等生態環境問題。

變化水動力條件下的生態環境響應研究是當前熱點問題之一。流速是水動力條件變化的最直觀表征因素之一。關于流速變化對湖泊藻類生長-消亡過程的影響、對沉積物污染物釋放的影響以及對高等水生生物生理因素的影響是當前需要解決的基礎問題。現有關于流速生態環境效應室內試驗的流速發生裝置多通過剪切力實現，同時在實現流速與其他環境因子耦合效應的模擬上也存在一定的難度。

技術實現要素：

發明目的：為了克服現有技術中存在的不足，本發明提供一種用于環境與生態水力學流速試驗模擬裝置。

技術方案：

一種用于環境與生態水力學流速試驗模擬裝置，包括環形水槽、光照系統、流速發生裝置以及溫度控制系統；

所述環形水槽包括底板及固定安裝在所述底板上的環形外墻和環形內墻；所述光照系統包括若干日光燈管、燈管固定板及用于控制所述日光燈管通電時間的光照定時器；所述燈管固定板覆蓋在所述環形水槽的敞口處，所述日光燈管固定在所述燈管固定板上；所述光照定時器安插在市電電源插孔上；

所述流速發生裝置包括變頻器、變頻電機、轉矩傳遞裝置以及螺旋槳；所述螺旋槳通過所述轉矩傳遞裝置與所述變頻電機的電機軸連接；

所述溫度控制系統包括空調和浸水式恒溫加熱棒，所述浸水式恒溫加熱棒安裝在所述環形水槽內。

所述環形水槽由亞克力材料制成或磚石和水泥砌成。

所述環形水槽的形狀為跑道型或同心圓環型。

所述日光燈管根據所述環形水槽形狀選擇燈泡型、直燈管或環狀燈管。

所述日光燈管的數量根據需要設置成單排或多排。

根據試驗需要調整所述日光燈管的開啟數量，實現光照強度控制。

所述流速發生裝置的轉矩傳遞裝置包括垂直設置的垂直尼龍塑料棒、水平設置的橫置尼龍塑料棒及傘形齒輪組；所述垂直尼龍塑料棒的一端連接并固定在所述變頻電機的電機軸上，另一端連接并固定有一傘形齒輪；所述橫置尼龍塑料棒的一端連接并固定所述螺旋槳，另一端連接并固定一傘形齒輪，兩個所述傘形齒輪咬合共同構成所述傘形齒輪組。

在所述橫置尼龍塑料棒上設有兩個臥式軸承，所述臥式軸承固定安裝在底座上，所述底座固定安裝在所述環形水槽的底板上。

在所述環形水槽的底部設有便于試驗結束后快速排凈水槽內的試驗用水的排水口。

一種環境與生態水力學流速試驗模擬方法，包括步驟：

步驟1：通過adv流速儀率定變頻電機轉速與流速的關系，并建立校準曲線；通過控制電機轉速控制環形水槽內的水流速度；

步驟2：將過濾凈化后的自來水引入環形水槽內，加入適當的培養基母液，獲得水生生物生長的培養液；并通過溫度控制系統根據實驗需要調節環形水槽內的水溫；

步驟3：加入預先培養好的水生生物母株、母液或母體，獲得所需的起始水生生物密度；

步驟4：開啟電機，通過光照系統根據實驗需要調節光照強度和時間，開始流速變化對水生生物生長的影響試驗；

步驟5：定期測量水槽內水生生物的生物量或生理指標，繪制不同流速下水生生物的生長曲線或生理指標的變化曲線。

有益效果：

1、本發明通過對現有的流速變化試驗裝置進行改進，克服了剪切力產生水流過程中流速垂向差異較大的缺陷。

2、本發明通過傘形齒輪組實現電機傳動力方向的轉變，確保電機位于水位上方，避免了電機浸水的危險。

3、本發明的流速發生裝置位置固定，為大型水生生物在裝置內的生長提供了相對固定和穩定的環境，避免了剪切力流速發生裝置在該類試驗中應用的局限。

4、本發明不僅能夠進行流速變化單因素生態環境效應試驗，還能開展流速與光照、溫度等其他環境因素耦合作用下的生態環境效應試驗。

附圖說明

圖1為本發明的結構俯視圖。

圖2為本發明的結構側視圖。

圖3為本發明的結構剖視圖。

圖4為本發明的光照系統的結構示意圖。

圖5為本發明的流速發生裝置的結構示意圖。

圖6為采用本發明裝置繪制的不同流速下銅綠微囊藻的生長曲線圖。

其中，環形外墻1、環形內墻2、底板3、日光燈管4、燈管固定板5、光照定時器6、變頻電機7、變頻器8、垂直尼龍塑料棒9、橫置尼龍塑料棒10、傘形齒輪組11、塑料材質船用螺旋槳12、臥式軸承13、底座14。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明作更進一步的說明。

圖1為本發明的結構示意圖。如圖1所示，本發明的環境與生態水力學流速試驗模擬裝置，包括環形水槽、光照系統、流速發生裝置和溫度控制系統。

其中，環形水槽由亞克力材料或其他材料制成，如磚石和水泥砌成的水槽；由環形外墻1、環形內墻2和底板3組裝而成，其形狀可根據需要設計成跑道型或同心圓環型，尺寸也可根據具體需要確定。環形外墻1、環形內墻2固定在底板3上。

其中，如圖2所示，光照系統由日光燈管4、燈管固定板5(輕質pvc廣告板)、光照定時器6組成。日光燈管4可根據環形水槽形狀選擇燈泡型、直燈管或環狀燈管。燈管固定板5上安裝燈管底座，用于固定日光燈管4，燈管底座與電源線路連接，燈管固定板5覆蓋在環形水槽的敞口處，減少試驗水體與外界空氣或微生物的接觸。日光燈管4的數量可根據需要設置成單排或多排，根據需要調整日光燈管4的開啟數量，實現光照強度控制。光照定時器6為市售定時器，安插在市電電源插孔上；光照定時器6通過通電時間設置，實現不同光照時間的控制。

其中，流速發生裝置由變頻電機7、垂直尼龍塑料棒9、橫置尼龍塑料棒10、傘形齒輪組11、塑料材質船用螺旋槳12、臥式軸承13和底座14組成。變頻電機7連接有變頻器8，通過變頻器8實現變頻電機7轉速的調節與控制。垂直尼龍塑料棒9垂直設置，其一端連接并固定在變頻電機7的電機軸上，另一端連接并固定有一個傘形齒輪。橫置尼龍塑料棒10水平設置，其一端連接并固定塑料材質船用螺旋槳12，另一端連接并固定另一個傘形齒輪，兩個傘形齒輪共同構成傘形齒輪組11，通過2個傘形齒輪的咬合調節變頻電機的位置并最終固定。通過傘形齒輪組11可以實現將電機的轉動機械能傳遞到橫置尼龍塑料棒10，從而帶動塑料材質船用螺旋槳12轉動。在安裝過程中注意確保傘形齒輪組11軸心的重合，可以降低裝置運行過程中的噪聲以及軸心偏離產生的額外阻力。橫置尼龍塑料棒10穿過2個臥式軸承13，2個臥式軸承13固定安裝在底座14上，通過臥式軸承13將橫置尼龍塑料棒固定安裝在底座14上，整個流速發生裝置通過底座14固定安裝在環形水槽的底板3上。

其中，溫度控制系統由空調和市售浸水式恒溫加熱棒構成。空調為室內空調，控制實驗室的大空間溫度，實現大范圍內溫度的調節和控制，市售浸水式加熱棒棒身整體浸沒在水面以下，實現局部小區域溫度的調節和控制。

現結合流速單一因素變化對銅綠微囊藻生長影響試驗對本發明實施方式作進一步說明。

以1cm厚亞克力有機玻璃板，分4段建成跑道型環形水槽的直道(2段)和半圓形彎道(2段)，直道長度1.7m，彎道外環半徑0.6m，彎道內環半徑0.3m，環形水槽儲水槽寬0.3m。水槽直立面和底板3采用螺絲進行固定連接，并用玻璃膠對縫隙處進行防水處理。

在水槽的底部留有排水口，以便試驗結束后快速排凈水槽內的試驗用水。

水槽組裝過程中，通過6組鋼架將水槽整體抬離地面0.15m。

水槽直道和彎道通過螺絲連接，并用玻璃膠對縫隙處進行防水處理。

在直道區燈管固定板上設置4排燈管固定底座，購買市售15w日光燈管安裝后作為試驗光源。通過控制日光燈管的開關數量調節試驗水面的光照強度為2000～3000lux。彎道區燈管固定板上不布設燈管，與直道區燈管固定板覆蓋至水槽敞口側，起到保護作用。

通過定時器控制試驗期間光照時間為12小時。

通過臥式軸承13和底座14將連接了塑料材質船用螺旋槳12和傘形齒輪的橫置尼龍塑料棒10固定在環形水槽直道區向彎道區過渡位置的底板3上。通過2個傘形齒輪的咬合調節變頻電機7的位置并最終固定。

試驗正式開始前，通過adv流速儀率定變頻電機7轉速與流速的關系，并建立校準曲線，以實現通過控制電機轉速控制水槽內的水流速度。

變頻電機轉速通過變頻器8調節控制。

將過濾凈化后的自來水引入水槽內，加入適當的培養基母液，獲得銅綠微囊藻生長的培養液。

利用空調和浸水式加熱棒調節水槽內的水溫在25℃左右。

加入預先培養好的銅綠微囊藻母液，獲得所需的起始藻類密度。

開啟電源，開啟電機和光源，開始流速變化對銅綠微囊藻生長的影響試驗。

定期測量水槽內銅綠微囊藻的藻密度，繪制不同流速下銅綠微囊藻的生長曲線。

0、10、20、30、40和50cm/s流速的試驗結果表明，銅綠微囊藻在各種流速下均能夠較快地進入快速增殖期，整體上在試驗開展后的第7天獲得最大生物現存量，隨后，不同試驗組的生物量呈現不同程度下降，藻類進入衰亡期。銅綠微囊藻在30cm/s時的生長狀況最好，最大生物現存量最大，為178.1萬cell/ml，其次是流速等于40cm/s時，最大生物現存量為167.9萬cell/ml。流速降低或進一步升高均不利于銅綠微囊藻的生長。

同樣，本發明也可以開展流速與光照、溫度等其他環境因素耦合作用下的生態環境效應試驗。

以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出：對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護范圍。