本发明属于水污染治理工程技术领域，涉及一种基于滨水运动上肢牵引器曝气的城市河流生态修复系统。
背景技术：
随着经济的快速发展，城市化进程加快，大量的生活污水和工业废水直接或间接排入河道，导致水质变差，河流水体富营养化状况严重，甚至出现黑臭现象。自“大力推进生态文明建设”的战略决策实施以来，污染河流的治理与保护受到了极大重视；当下“河长制”提出“坚持绿色发展，着力改善生态环境”，则进一步把河流生态环境的改善放在了重要位置，并强调了绿色发展的重要性。显然，一些传统的物理、化学及生物-生态修复技术已不能满足当前需求。因此，基于“绿色发展”理念开发河流水体污染修复新技术以改善河流生态环境，在当前“河长制”背景下具有重要意义。
经对现有技术的文献检索发现，河流污染修复较多采用曝气富氧的方式，能量供给主要来自风能、太阳能等，中国专利申请201510096191.0提出一种“风能水体增氧装置”、中国专利申请201310744142.4提出了一种“修复受污染水体的太阳能曝气系统及修复该水体的方法”，中国专利申请201620573387.4还提出一种利用势能的“跌水曝气反应装置”。此外，中国专利申请201621455038.9提出了曝气与生态浮床联合作用的“一种生态浮床”。这些发明专利在修复污染水体、改善水生态环境方面具有很好的效果，但均对气候、地理条件等方面有特定的要求。滨水运动场能有效克服这一缺陷，通过收集滨水运动场中产生的机械能作为曝气的动力，并与生态浮床联合作用于污染水体，可有效解决河流的富营养化及黑臭问题。目前，在已有专利中，这一方面的研究尚未见报道。
技术实现要素：
目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于滨水运动上肢牵引器曝气的城市河流生态修复系统，通过汇集水流，使其在重力作用下带动漏斗翻转，从而进行曝气。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种基于滨水运动上肢牵引器曝气的城市河流生态修复系统，其特征在于：包括自上而下依次连接的能量传动转化单元、上肢牵引单元、微孔曝气单元和景观植物修复单元；
能量传动转化单元包括外筒、中套、内筒、皮碗、钢珠单向阀、空心底座、倒“十”字型支架；上肢牵引单元包括上钢丝绳、下钢丝绳和上肢牵引器；微孔曝气单元包括输气管和微孔纳米曝气管；景观植物修复单元包括固定转轴和椭圆柱型框架；
外筒、中套、内筒、皮碗、钢珠单向阀以及空心底座组成气筒装置；所述倒“十”字型支架底端连接在上肢牵引器的立柱上，用于改变力的方向；倒“十”字型支架上左右分别设置气筒装置，外筒的顶端和侧面分别通过上钢丝绳和下钢丝绳与上肢牵引器连接，通过上肢牵引器上下交替运动，牵动外筒提起或压缩，使气体进入内筒和空心底座，空心底座通过输气管与微孔曝气单元的微孔纳米曝气管连接。
所述空心底座连接在倒“十”字型支架的横杆上，内筒底端固定在空心底座上，内筒是固定不动的，内筒内置钢珠单向阀，所述外筒为倒扣的圆筒，外筒套设在内筒外，内筒顶端装设皮碗，外筒底端设置中套，用以连接外筒和内筒。所述外筒和内筒的材质为不锈钢或铝合金，中套的材质为pvc塑料。所述倒“十”字型支架材质为不锈钢，底端焊接在上肢牵引器的立柱上。
所述外筒顶端和侧面焊接有用于钢丝绳穿过或连接的金属环，所述上肢牵引器转轴上设置有用于钢丝绳连接的金属环。
进一步的，所述基于滨水运动上肢牵引器曝气的城市河流生态修复系统，其特征在于：还包括双轨滑轮，双轨滑轮安装在倒“十”字型支架的顶端，其中上钢丝绳一端与外筒顶端的金属环相连，从双轨滑轮顶端绕过后，另一端通过弹簧扣扣入上肢牵引器转轴上的金属环内，下钢丝绳一端与外筒侧面的金属环相连，然后与外筒侧面上另一个金属环相连，另一端通过弹簧扣扣入上肢牵引器转轴上的金属环内。双轨滑轮和弹簧扣的材质为不锈钢。
作为优选方案，微孔曝气单元还包括三通、气体止回阀；所述固定转轴为中空结构，左右两支输气管通过三通合为一股导出后穿入固定转轴中，并与气体止回阀连接，气体止回阀固定在在固定转轴中，气体止回阀的另一端连接若干根微孔纳米曝气管。所述输气管为pvc软管；三通为pvc硬质塑料。
所述椭圆柱型框架的侧面和底面布置有编织网套；椭圆柱型框架内置有用于吸附水中的污染物的填料网兜，填料网兜上种植挺水植物。
所述椭圆柱型框架通过连接环套在固定转轴上，当水位变化或者有流速时，椭圆柱型框架能够围绕固定转轴上下浮动或旋转。
所述椭圆柱型框架和连接环材质为聚四氯乙烯材料或有机玻璃，编织网套为竹片或藤条编织网。
所述基于滨水运动上肢牵引器曝气的城市河流生态修复系统，其特征在于：所述填料网兜由生物沸石层和陶粒层按厚度1:3装在天然椰棕网兜中构成，天然椰棕网兜孔径为1cm，生物沸石的粒径为2~3cm，陶粒的粒径为1.5~2cm。
所述挺水植物为荷花、千屈莱、水生鸢尾、香蒲、菖蒲中的一种或几种。
本发明实现的原理是：通过气筒装置传动并转化滨水运动场健身器材使用时产生的机械能，为曝气装置提供足够的动力，增加水体中溶解氧含量，从而改善污染水体的厌氧环境；同时联合可随水流移动的生态修复浮床，用于拦截和吸附水体中n、p、s等营养物质，从而提高净化效率、改善河流的富营养化和黑臭状况。其中能量传动转化单元在人群做上肢牵引锻炼时转化产生的机械能，在上下交替运动中将空气汇集并源源不断输出，保证曝气装置的氧气来源；椭圆柱型框架载有微孔纳米曝气管，可绕固定转轴180°旋转，增大曝气面积；生物基质包中的生物沸石和陶粒通过吸附作用减少污染水体中的氨氮等污染物，挺水植物根系通过同化作用吸收水体氮磷等营养成分，且景观植物能吸引人群驻足观看、锻炼，增加仪器的使用频次。通过长期曝气富氧与污染物去除，逐步改善河流富营养化和黑臭问题，实现生态修复的目的。
有益效果：本发明提供的一种基于滨水运动上肢牵引器曝气的城市河流生态修复系统，关注到滨水运动场中健身器材使用时产生的能量未被利用的现象，通过设计气筒装置有效转化滨水运动场中上肢牵引器使用时产生的机械能，为曝气装置提供足够动力，从而增加水体中溶解氧含量，并结合可随水流移动的生态修复浮床，提高了城市河流富营养化、黑臭水体的净化效率，同时具有环保美观、结构简单、经济实用的优点。具有以下优点：
1.动力来源为使用运动器材时产生的机械能，节能环保。关注到滨水运动场中上肢牵引器使用时产生的能量未被利用的现象，设计气筒装置传动转化上肢牵引器交替运动过程中产生的机械能，为曝气装置提供动力；
2.身体锻炼与河道修复的恰当融合体现出了生态文明的和谐发展；
3.可直接安装在运动器材上，且具有人性化的弹簧扣设计。本装置无需改造已有运动器材，运行成本低；弹簧扣设计使得锻炼者可根据自身情况选择是否使用该装置，不会影响运动器材原有的使用，保证了锻炼者的积极性；
4.曝气富氧与可旋转的生态浮床联合作用，一方面扩大曝气面积、提高净化效率，另一方面旋转的浮床对河流水体的流动性影响较小；
本发明能为增加河流水体溶解氧、减轻富营养化状况提供方法，能够实现污染水体的净化和水生态的修复，具有环保美观、结构简单、经济实用的优点，且动力来源契合“绿色发展”原则，应用前景较好。
附图说明
图1为本发明系统的结构示意图；
图2为本发明中景观植物修复单元的结构示意图；
图中：1、能量传动转化单元；2、上肢牵引单元；3、微孔曝气单元；4、景观植物修复单元；5、外筒；6、中套；7、内筒；8、皮碗；9、钢珠单向阀；10空心底座；11、倒“十”字型支架；12、双轨滑轮；13、上钢丝绳；14、下钢丝绳；15、弹簧扣；16、金属环；17、上肢牵引器、18、三通；19、输气管；20、气体止回阀；21、微孔纳米曝气管；22、固定转轴；23、连接环；24、挺水植物；25、填料网兜；26、椭圆柱型框架；27、编织网套。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作更进一步的说明。
如图1和图2所示，一种基于滨水运动上肢牵引器曝气的城市河流生态修复系统，包括自上而下依次连接的能量传动转化单元1、上肢牵引单元2、微孔曝气单元3和景观植物修复单元4；
其中能量传动转化单元1由外筒5、中套6、内筒7、皮碗8、钢珠单向阀9、空心底座10、倒“十”字型支架11组成；上肢牵引单元2由双轨滑轮12、上钢丝绳13、下钢丝绳14、弹簧扣15、金属环16和上肢牵引器17组成；微孔曝气单元3由三通18、输气管19、气体止回阀20和微孔纳米曝气管21组成；景观植物修复单元3由固定转轴22、连接环23、挺水植物24、填料网兜25、椭圆柱型框架26和编织网套27组成。其中：
所述能量传动转化单元1中倒“十”字型支架11底端焊接在上肢牵引单元2中的上肢牵引器17的立柱上，用于改变力的方向。外筒5、中套6、内筒7、皮碗8、钢珠单向阀9以及空心底座10组成一个类似打气筒的装置，其中外筒5为可移动的，顶端和侧面焊接有金属环16，外筒5底端装有中套6，用以连接外筒5和内筒7，中套6上有孔；内筒7是固定不动的，顶端装有皮碗8，内筒7内置钢珠单向阀9，内筒7底端固定在空心底座10上，空心底座10焊接在倒“十”字型支架11的横杆上，外筒5和内筒7的材质为不锈钢或铝合金，中套6材质为pvc塑料。
所述上肢牵引单元2中双轨滑轮12安装在倒“十”字型支架11的顶端，上钢丝绳13和下钢丝绳14分别连接上肢牵引器17与外筒5，其中上钢丝绳13一端与外筒5顶端的金属环16相连，另一端固定有弹簧扣15，从双轨滑轮12顶端绕过后扣入上肢牵引器17转轴上焊接的金属环16内，双轨滑轮12和弹簧扣15的材质为不锈钢；下钢丝绳14一端与外筒5侧面的金属环16相连，另一端穿过弹簧扣15，与外筒5侧面上另一个金属环16相连，弹簧扣15扣入上肢牵引器17转轴上焊接的金属环16内。
所述能量传动转化单元1和上肢牵引单元2的工作过程是：以左边打气筒装置为例，在上肢牵引器17上下交替运动中，当右边手柄往下拉动时，左边外筒5被往上提起，皮碗8收缩，钢珠单向阀9关闭，空气从外筒5下端中套6上的孔进入外筒5顶端腔室，这时换左手手柄向下拉动，牵引左边外筒5下压，皮碗8向下压紧，防止其他外漏，同时钢珠单向阀9向下打开，气体就会进入内筒7和空心底座10。在这个过程中，右边的打气筒装置也经历着相反的过程，即左边外筒5压缩时，右边外筒5被提起，左边外筒5被提起时，右边外筒5被压缩，循环进行这个过程，不断输送气体至微孔曝气单元3。
所述微孔曝气单元3中输气管19用以输出空心底座10中的空气，左右两支输气管19通过三通18合为一股导出后穿入固定转轴22，并与气体止回阀20连接，气体止回阀20安置在固定转轴22上，气体止回阀20的另一端连接若干根微孔纳米曝气管21，输气管19为pvc软管。
所述景观植物修复单元4中椭圆柱型框架26通过连接环23套在固定转轴22上，当水位变化或者有流速时，椭圆柱型框架26可围绕固定转轴22上下浮动或旋转，椭圆柱型框架26的侧面和底面由编织网套27构成，椭圆柱型框架26和连接环23材质为聚四氯乙烯材料或有机玻璃，编织网套27为竹片或藤条编织网。填料网兜25由生物沸石层和陶粒层按厚度1:3装在天然椰棕网兜中构成，放置于椭圆柱型框架26的底面上，用以吸附水中的污染物。填料网兜25上种植一种或多种荷花、千屈莱、水生鸢尾、香蒲、菖蒲等挺水植物24，挺水植物24作为景观可吸引人群前来观看和运动，同时植物的根系发挥同化作用减少水中的污染物。
以上所述河流生态修复方法的所需材料均有市售，容易获得。
以下结合图1和图2，进一步说明本发明的具体操作步骤：
本发明提出的一种基于滨水运动上肢牵引器曝气的城市河流生态修复系统，由能量传动转化单元1、上肢牵引单元2、微孔纳米曝气单元3和景观植物修复单元4自上而下依次连接构成。
具体步骤如下：
步骤一：制作示意图1中的倒“十”字型支架10，横杆长×宽×高=0.7m×0.2m×0.1m，竖杆长×宽×高=0.12m×0.15m×0.85m，横杆对称焊接在竖杆1/8节点处构成倒“十”字型，较短的那端焊接在上肢牵引器17的立柱上方，在长的那端安装一个半径为10cm的不锈钢双轨滑轮12。
步骤二：将直径为2.5cm钢珠单向阀9装入外径为9.5cm，高为75cm的内筒7，内筒7顶端和底端留有口径为2cm的孔，在内筒7顶端装一个皮碗8，将内筒7底端镶嵌在长×宽×高=18cm×18cm×3cm的空心底座10上，空心底座10焊接在倒“十”字型支架10的横杆上；在外径为12cm，高78cm的外筒5开口端镶嵌上中套6后，以中套6为头把外筒5套在内筒7上组装成一个打气筒装置。外筒5和内筒7均使用铝合金材质，中套6和空心底座10均使用pvc塑料。
步骤三：以装置左侧为例，在外筒5的顶端焊接一个金属环16，外筒5靠近底端处侧面对称的两边各焊接一个金属环16，上肢牵引器17转架的两侧各均匀焊接两个金属环16。剪一根约1.3m长的钢丝绳作为上钢丝绳13，一端用钢丝绳锁头固定连接在外筒5顶端的金属环16，另一端固定弹簧扣15后跨过双轨滑轮12的一个轨道，扣入上肢牵引器17转架右上的金属环16，再剪一根长约0.8m的钢丝绳作为下钢丝绳14，一端与外筒5侧面的一个金属环16通过钢丝绳锁头固定相连，另一端穿过弹簧扣15，与外筒5侧面上另一个金属环16固定相连，再将弹簧扣15扣入上肢牵引器17转轴左下的金属环16内，装置右侧同理。最终确定的钢丝绳长度要使图1中两侧外筒5呈现半提起静止状态。
步骤四：利用混凝土浆砌的方法将固定转轴22的底端固定于靠近岸边的河底，固定转轴22外径为10cm，长度稍大于河流水深，管壁上固定一个气体止回阀20，位置在水下10-15cm。
步骤五：在左右两个空心底座10下端各安插一根输气管19，用一个三通18将两根输气管19合为一股，合成后的输气管19沿上肢牵引器17的立柱布置，一直通到固定转轴22中与气体止回阀20连接，在气体止回阀20另一端连接微孔纳米曝气管21，输气管材质为pvc软管。
步骤六：搭建一个长轴为1m，短轴为0.4m，高为0.3m的椭圆柱型框架26，在上、下长轴一端各固定一个连接环23，用编织网套27填充椭圆柱型框架26的侧面和底面，椭圆柱型框架26和连接环23材质为聚四氯乙烯材料或有机玻璃，编织网套27为竹片或藤条编织网。
步骤七：在天然椰棕网兜中按厚度比3:1先后装入陶粒层和生物沸石层，构成填料网兜25，将其置于椭圆柱型框架26底部。天然椰棕网兜孔径为1cm，生物沸石的粒径为2~3cm，陶粒的粒径为1.5~2cm。在填料网兜25上种植挺水植物24包括荷花、千屈莱、水生鸢尾、香蒲、菖蒲中的一种或多种，调整植物种类和密度使其尽量美观。
步骤八：不断调试编织网套27的密度，使椭圆型框架24的浮力大于等于所有重力（挺水植物24+填料网兜25+椭圆柱型框架26）之和，调试好之后将其通过连接环23套在固定转轴22上，即完成了所有装置的安装。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。