变化环境下应急调控水华的模拟系统及运行方法
【专利摘要】本发明公开了一种变化环境下应急调控水华的模拟系统及方法，所述系统包括用水定制单元、多功能模拟单元、环境调节单元、水华投放单元、水质监测单元、控制平台，其中的用水定制单元用于将源水处理定制成为实验用水，多功能模拟单元针对大尺度水域进行物理建模并模拟水华应急措施，环境调节单元用于仿真现场光照、温度、风场等环境条件的组合变化，水华投放单元实现对初始时刻任意形态水华的空间分布模拟，水质监测单元用于实时测量关键水质指标的时空分布，控制平台用于控制关键装置的运行状态。本发明适用于大尺度水域水华暴发后的应急处置方案效果预测与优选，能够便捷准确地预测流域调水、局部水循环、曝气法等水华应急措施的实施效果。
【专利说明】变化环境下应急调控水华的模拟系统及运行方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种变化环境下应急调控水华的模拟系统及方法，属于水资源与水环 境保护【技术领域】。
【背景技术】
[0002] 随着工业化和城镇化的不断加速，大量污水排放使得生态环境不断恶化。其中的 湖泊水体富营养化问题尤为突出，威胁着经济社会的可持续发展。对于水流交换不畅的富 营养化湖泊（如太湖、巢湖、滇池等），容易出现严重水华灾害。当藻类在短时间内大量繁殖 聚集后，会造成生物多样性下降、鱼类大量死亡、居民饮用水短缺等不良后果。治理湖泊水 华是当前水环境治理的重中之重，常见的水华应急调控措施主要包括流域调水、局部水循 环、人工曝气等。
[0003] 应急调控湖泊水华的现有研究手段主要有现场观测、数学模型两种。然而，实践表 明，现场观测方法往往只适用于工程实施阶段的后评估，或仅能为类似工程规划提供定性 的参考依据，难以服务于规划论证与方案优选。另一方面，数学模型手段存在着两方面的局 限，其一是模型的率定与验证需要大量历史实测数据（水文、水动力、水质等）的支撑，其二 是该手段往往更适用于历史水华事件的时空模拟，尚难以对复杂变化条件下（气象、水文、 水动力等）的水华事件进行准确模拟和应急调控效果预测。
[0004] 室内模拟实验具有便捷、高效、直观的优点，已有学者对水华治理的模拟实验技术 进行了探索，如一种模拟湖泊修复生态机理的装置和方法（专利申请号201110004505. 1)， 利用实验柱体模拟湖泊生态环境以对湖泊生态修复机理进行研究；又如一种模拟水华暴发 的实验装置（专利申请号201020688297. 2)，通过模拟不同水流流速、不同水质条件对藻 类发生规律的影响；另有针对水利工程影响下的水华生消过程实验研究系统（专利申请 号201410045838. 2)，可用于定量实验研究水利工程影响下复杂水动力条件变化、动水条件 下藻类生长变化、上下游单个或梯级水利工程优化调度抑制水华效果分析与预测等多种功 能。
[0005] 分析现有类似技术可知，当前手段基本只能利用规则形状的水槽、柱体等仪器进 行水华暴发的机理研究或分析环境变化对水华的影响，不能对复杂环境条件下、具有复杂 边界条件的湖泊进行水华暴发及多种应急调控的实验测试。因此，研发适用于变化环境下 应急调控水华的模拟系统及方法，在实验室内实现对复杂环境条件下水华事件的准确模 拟、对多种应急调控替代方案的优选，是我国水体富营养治理与水华调控的现实需求。
【发明内容】
[0006] 发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种变化环境下应急调 控水华的模拟系统及运行方法，用于对复杂环境条件下、具有复杂边界条件的湖泊进行水 华暴发实验模拟及应急调控测试，使之能便捷准确地预测流域调水、局部水循环、曝气法等 水华应急措施的实施效果，进行方案优选。
[0007] 技术方案：为解决上述技术问题，本发明的一种变化环境下应急调控水华的模拟 系统，包括用水定制单元、多功能模拟单元、环境调节单元、水华投放单元、水质监测单元、 控制平台，
[0008] 所述用水定制单元包含源水存储装置、水藻分离装置、无藻水存储装置、含藻水存 储装置、调配装置，源水存储装置与水藻分离装置连接，水藻分离装置同时与无藻水存储装 置和含藻水存储装置连接，无藻水存储装置和含藻水存储装置同时与调配装置连接；
[0009] 所述多功能模拟单元包含环形水槽、模拟池、连通水道、投影装置，所述环形水槽 布置在所述模拟池的外围一圈，两者之间通过若干个可拆卸的连通水道连接，所述环形水 槽的外壁留有进水口，与调配装置的出水口连接，同时环形水槽内壁预留多个可拆卸式出 水口，每个出水口可连接一条连通水道，连通水道内设可逆流量调节阀，投影装置为一台高 清投影仪，位于模拟池中心的正上方，连通水道和投影装置分别通过连通水道控制模块和 投影装置控制模块与控制平台进行信号连接；
[0010] 所述环境调节单元包含密闭罩、光照调节单元、温度调节单元、风场调节单元，用 于模拟现场气象环境，所述密闭罩为圆柱型的密闭罩体，密闭罩位于模拟池的上方，能完全 罩住多功能模拟单元，密闭罩罩体边壁由双层透明材质制成，内部设有坚向导轨；所述光照 调节单元为安装在密闭罩顶部的发光板，用于模拟不同的光照强度；所述温度调节单元包 含安装在密闭罩四周边壁内的多圈温控管，通过控制多圈温控管管内液体的温度实现对密 闭空间内的气温控制，多圈温控管安装高度不低于风场调节单元的顶端；所述风场调节单 元包含固定在密闭罩四周边壁内的八台鼓风机，所述鼓风机在同一高度上等距布置，高度 不低于模拟池的顶部；环境调节单元通过环境调控制模块与控制平台进行信号连接；
[0011] 所述水华投放单元位于模拟池上方，包含承重杆、顶盘、投放管、气泵，所述承重杆 水平安置，两端安装在密闭罩边壁上的坚向导轨内，可上下升降；顶盘为水平圆盘，通过连 接杆安装在承重杆的中心，顶盘的直径不小于模拟池的直径，顶盘上均匀密布多个圆孔；所 述投放管上端固定在顶盘的圆孔上，下端管口处内置可充气橡胶小球，可通过充放气控制 小球的体积进而控制投放管内液体的释放流量；所述气泵通过在顶盘上部网状布置的充气 管道与橡胶小球相连；水华投放单元通过水华投放控制模块与控制平台进行信号连接；
[0012] 所述水质监测单元包含多参数测量架，用于采集水情与水质信息；所述多参数测 量架为圆柱形框架，底部有凸出尖端可插入模拟池内；多参数测量架内水平设有三层下凹 的铁丝网，分别用于固定水位传感器、叶绿素传感器和溶解氧传感器；多参数测量架通过水 质监测模块与控制平台进行信号连接。
[0013] 作为优选，所述源水存储装置为开敞式水箱，用于存储从现场采集的源水，与水藻 分离装置通过管道连接；所述水藻分离装置为开敞式水箱，包含集水池、过滤池、收集池、出 水池四部分，所述集水池安置在上游，过滤池安置在中游，出水池安置在下游，收集池安置 在过滤池和出水池的正下方，用于将源水存储装置提供的天然源水进行水、藻的分离后分 别输入无藻水存储装置和含藻水存储装置中；所述无藻水存储装置为开敞式水箱，与出水 池通过上出水管连接，用于接收并存储水藻分离装置输出的不含藻水体；所述含藻水存储 装置为恒温透明培养罐，内设微气泡曝气装置和外设照明单元，与水藻分离装置的收集池 通过下出水管连接，用于接收并存储高浓度含藻水；所述调配装置包括第一水罐和第二水 罐，第一水罐用于调配低浓度含藻水进而为多功能模拟单元提供实验用水，第二水罐用于 调配高浓度含藻水进而为水华投放单元提供实验用水，第一水罐和第二水罐均有两个进水 口分别与无藻水存储装置和含藻水存储装置相连，同时均设有一个出水口。
[0014] 作为优选，所述集水池在靠近上游的壁上有进水口，与源水存储装置相连，集水池 和过滤池之间由隔板隔开，隔板上均匀分布有多个小孔，每个孔直径不小于5cm;
[0015] 所述过滤池内沿水流方向等距安置有三层向下游倾斜安置的滤网，拦截水中的藻 使之易于聚集沉淀；所述过滤池与出水池由隔板隔开，隔板上均匀分布有多个小孔，每个孔 直径不大于lcm;
[0016] 所述出水池在过滤池的下游，高度与过滤池一致，在靠近下游的壁上顶部安置有 一根上出水管，与无藻水存储装置相连，为其提供不含藻水体；
[0017] 所述收集池在过滤池和出水池的正下方，底部与集水池的底部相接；收集池与出 水池、集水池均不连通，收集池与过滤池之间通过安置在每层滤网前的可翻转连通阀板进 行连通，可将过滤池滤网前聚集的藻类向下翻转落入收集池中；收集池下游一侧留有出口， 通过下出水管与含藻水存储装置相连，为其提供含藻水体；
[0018] 所述水藻分离装置的底板，即集水池与收集池的底部，自上游向下游呈倾斜安置， 倾斜角不大于3度。
[0019] 作为优选，所述模拟池的附属部件包括卡槽、支撑杆、围隔帘、曝气孔、糙率塞，模 拟池为圆形水池，用于对发生水华的水域进行物理建模及模拟水华应急措施，模拟池底板 上均匀分布有圆孔状的卡槽，每个卡槽的底部预留有曝气孔；所述模拟池底板下设有中空 的底座，内部布设网状的供气管，通过外置气泵为曝气孔供气，控制平台通过曝气控制模块 控制外置气泵；所述连通水道用于模拟水域的支流，设有可逆流量调节阀，控制平台通过无 线信号控制可逆流量调节阀；所述投影装置为安装在高度可调的铁架上的一台高清投影 仪，位于模拟池中心正上方，向下投影，控制平台通过投影装置控制模块控制投影装置；所 述支撑杆为若干根预先定制而成的塑料棒，上粗下细，下部较细的一段可插入底板卡槽内； 围隔帘为透明材质的不透水加厚塑料膜，与支撑杆配合使用，用于在模拟池内拼装出水域 边界；所述糙率塞包括下部尖端与上部塞帽，下部尖端可塞入卡槽，上部塞帽扁平略凸起， 用于调节模拟池底部糙率。
[0020] 所述模拟池底板上均匀分布有多个圆孔状的卡槽，每个卡槽有四种可选的工作 状态：一是插入支撑杆，用于制作复杂水域边界；二是插入糙率塞，用于模拟水域内床底糙 率；三是插入多参数测量架，用于实时测量该位置的水位、叶绿素和溶解氧浓度变化；四是 卡槽底部曝气孔进入工作状态。
[0021] 作为优选，所述水质监测单元还包括多层取样管，多层取样管包括外管和内管，均 为透明有机玻璃材质，所述外管的高度大于模拟池的池深，底部装有支撑架，外管管壁有一 条从上端管口至下端管底的坚直镂空带，可透水；所述内管的高度与外管一致，管径略小于 外管的管径，可完全放入外管且与之紧密贴合，内管管壁也有一条从上端管口至下端管底 边的坚直镂空带，可透水，且尺寸与外管的镂空带一致；内管的外底部与外管的内底部通过 螺纹连接，内管的上端固接有转动片，用于水平转动内管；内管的内部有多片水平的不透水 玻璃片，将内管沿垂向分割为多层。
[0022] 特别的，所述多层取样管有两个工作步骤：一是坚直放入取样位置后，利用支撑架 稳定安放在模拟池的底板上，此时取样管处于开放状态，即外管镂空带与内管镂空带完全 重合，水流可以进入；二是当水通过镂空带流入内管后，旋转内管上的转动片使得取样管处 于封闭状态，即外管镂空带与内管镂空带完全不重合且内外两管底部螺纹咬合，随后取出 多层取样管。
[0023] -种基于上述变化环境下应急调控水华的模拟系统的运行方法，包含以下步骤：
[0024] (1)水域建模
[0025] (1-1)比尺设定：基于目标水域实际尺寸和模拟池大小限制，确定实验物理模型 的水平比尺垂直比尺入v与时间比尺XT，进而将实际目标水域按照比尺缩放得到模型 尺寸、地形数据和糙率空间分布的物理模型数据集，将其制成平面图形；
[0026] 上述的^ =Lp/Lm，式中、为目标水域实际长度，Lm为模拟池中的对应长度；上述 的Xv=Dp/Dm，式中Dp为目标水域实际平均水深，Dm为模拟池的对应平均水深；上述的入t =入L0.5;
[0027] (1-2)投影：将投影装置的高清投影仪安装在铁架上后摆放在模拟池正中心的上 方；将目标水域的模型尺寸、地形数据和糙率空间分布的物理模型数据集平面图像通过高 清投影仪向下投影到模拟池上；通过控制平台调节高清投影仪的高度及投影焦距，使投影 成像的水平比尺与步骤（1-1)中的水平比尺入。一致；
[0028] (1-3)岸边界建模：将支撑杆逐个插入与投影图像中边界轮廓重合的卡槽内；然 后用围隔帘沿着安插好的支撑杆外围依次将其包裹，并将所有接口处密封，初步形成待实 验的水域，并在出入支流的位置预留进出口；
[0029] (1-4)支流建模：针对每一个支流进出口的实际位置，选择安装对应的连通水道， 将其一端安置在环形水槽内壁，另一端加接柔性导流槽后安装在步骤（1-3)中预留的支流 进出口处；
[0030] (1-5)监测点布置：按照实际目标水域中水源地、半封闭港湾等重要位置，在模拟 池中选取对应监测点，将多参数测量架安置在对应位置的卡槽内；
[0031] (1-6)糙率布置：根据目标水域物理模型的糙率空间分布数据集，选择尺寸对应 的糙率塞逐个安装在模拟池上的卡槽内，使得待实验的水域的糙率与目标水域糙率变化相 符；
[0032] 完成上述步骤后，移除投影装置；
[0033] (2)实验准备阶段
[0034] (2-1)实验用水定制：将源水存储装置中的含藻源水输入水藻分离装置进行水、 藻分离后，将不含藻水体输入无藻水存储装置，将高浓度含藻水输入含藻水存储装置，进而 通过调配装置调配出与实际水华含藻浓度一致的实验用水，供水华投放单元备用；
[0035] (2-2)背景实验用水加注：从无藻水存储装置向模拟池内加注不含藻水体，直至 水深为Dm，其中Dm =Dp/入v，式中Dp为目标水域实际平均水深，入v为垂直比尺；
[0036] (2-3)水华投放单元准备：根据目标水域暴发水华的实际空间位置分布，在水华 投放单元的顶盘的对应位置的圆孔上安装投放管，此时投放管底部处于密闭状态，将调配 装置的实验用水注入投放管内；
[0037] (2-4)环境条件设定：安装好环境调节单元，使得密闭罩完全罩住多功能模拟单 元；根据目标水域暴发水华期间的实际气象条件，通过环境调节控制模块控制光照调节单 元、温度调节单元、风场调节单元，使其在密闭罩内模拟出对应的实验光照、温度与风场条 件；其中风场调节单元设定时的风速比尺Aw=A，5;
[0038] (3)实际水华分布模拟
[0039] (3-1)支流设定模拟：根据目标水域支流出入流的实际情况，通过连通水道控制 模块控制连通水道的相应入流量或出流量，实现对支流出入流的模拟；
[0040] (3-2)水华初始时刻模拟：在步骤（3-1)运行时间t后，其中t= 1. 5Vm/Qin，式 中为步骤（2-2)中注入模拟池中的不含藻水体体积，Qin为实验中支流入流总量，所述的
【权利要求】
1. 一种变化环境下应急调控水华的模拟系统，其特征在于：包括用水定制单元、多功 能模拟单元、环境调节单元、水华投放单元、水质监测单元、控制平台； 所述用水定制单元包含源水存储装置、水藻分离装置、无藻水存储装置、含藻水存储装 置、调配装置，源水存储装置与水藻分离装置连接，水藻分离装置同时与无藻水存储装置和 含藻水存储装置连接，无藻水存储装置和含藻水存储装置同时与调配装置连接； 所述多功能模拟单元包含环形水槽、模拟池、连通水道、投影装置，所述环形水槽布置 在所述模拟池的外围一圈，两者之间通过若干个可拆卸的连通水道连接，所述环形水槽的 外壁留有进水口，与调配装置的出水口连接，同时环形水槽内壁预留多个可拆卸式出水口， 每个出水口可连接一条连通水道，连通水道内设可逆流量调节阀，投影装置为一台高清投 影仪，位于模拟池中心的正上方，连通水道和投影装置分别通过连通水道控制模块和投影 装置控制模块与控制平台进行信号连接； 所述环境调节单元包含密闭罩、光照调节单元、温度调节单元、风场调节单元，用于模 拟现场气象环境，所述密闭罩为圆柱型的密闭罩体，密闭罩位于模拟池的上方，能完全罩住 多功能模拟单元，密闭罩罩体边壁由双层透明材质制成，内部设有坚向导轨；所述光照调节 单元为安装在密闭罩顶部的发光板，用于模拟不同的光照强度；所述温度调节单元包含安 装在密闭罩四周边壁内的多圈温控管，通过控制多圈温控管管内液体的温度实现对密闭空 间内的气温控制，多圈温控管安装高度不低于风场调节单元的顶端；所述风场调节单元包 含固定在密闭罩四周边壁内的八台鼓风机，所述鼓风机在同一高度上等距布置，高度不低 于模拟池的顶部；环境调节单元通过环境调控制模块与控制平台进行信号连接； 所述水华投放单元位于模拟池上方，包含承重杆、顶盘、投放管、气泵，所述承重杆水平 安置，两端安装在密闭罩边壁上的坚向导轨内，可上下升降；顶盘为水平圆盘，通过连接杆 安装在承重杆的中心，顶盘的直径不小于模拟池的直径，顶盘上均匀密布多个圆孔；所述投 放管上端固定在顶盘的圆孔上，下端管口处内置可充气橡胶小球，可通过充放气控制小球 的体积进而控制投放管内液体的释放流量；所述气泵通过在顶盘上部网状布置的充气管道 与橡胶小球相连；水华投放单元通过水华投放控制模块与控制平台进行信号连接； 所述水质监测单元包含多参数测量架，用于采集水情与水质信息，所述多参数测量架 为圆柱形框架，底部有凸出尖端可插入模拟池内，多参数测量架内水平设有三层下凹的铁 丝网，分别用于固定水位传感器、叶绿素传感器和溶解氧传感器，多参数测量架通过水质监 测模块与控制平台进行信号连接。
2. 根据权利要求1所述的变化环境下应急调控水华的模拟系统，其特征在于：所述源 水存储装置为开敞式水箱，用于存储从现场采集的源水，与水藻分离装置通过管道连接；所 述水藻分离装置为开敞式水箱，包含集水池、过滤池、收集池、出水池四部分，所述集水池安 置在上游，过滤池安置在中游，出水池安置在下游，收集池安置在过滤池和出水池的正下 方，用于将源水存储装置提供的天然源水进行水、藻的分离后分别输入无藻水存储装置和 含藻水存储装置中；所述无藻水存储装置为开敞式水箱，与出水池通过上出水管连接，用于 接收并存储水藻分离装置输出的不含藻水体；所述含藻水存储装置为恒温透明培养罐，内 设微气泡曝气装置和外设照明单元，与水藻分离装置的收集池通过下出水管连接，用于接 收并存储高浓度含藻水；所述调配装置包括第一水罐和第二水罐，第一水罐用于调配低浓 度含藻水进而为多功能模拟单元提供实验用水，第二水罐用于调配高浓度含藻水进而为水 华投放单元提供实验用水，第一水罐和第二水罐均有两个进水口分别与无藻水存储装置和 含藻水存储装置相连，同时均设有一个出水口。
3. 根据权利要求2所述的变化环境下应急调控水华的模拟系统，其特征在于：所述集 水池在靠近上游的壁上有进水口，与源水存储装置相连，集水池和过滤池之间由隔板隔开， 隔板上均匀分布有多个小孔，每个孔直径不小于5cm; 所述过滤池内沿水流方向等距安置有三层向下游倾斜安置的滤网，拦截水中的藻类使 之易于聚集沉淀；所述过滤池与出水池由隔板隔开，隔板上均匀分布有多个小孔，每个孔直 径不大于Icm; 所述出水池在过滤池的下游，高度与过滤池一致，在靠近下游的壁上顶部安置有一根 上出水管，与无藻水存储装置相连，为其提供不含藻水体； 所述收集池在过滤池和出水池的正下方，底部与集水池的底部相接；收集池与出水池、 集水池均不连通，收集池与过滤池之间通过安置在每层滤网前的可翻转连通阀板进行连 通，可将过滤池滤网前聚集的藻类向下翻转落入收集池中；收集池下游一侧留有出口，通过 下出水管与含藻水存储装置相连，为其提供含藻水体； 所述水藻分离装置的底板，即集水池与收集池的底部，自上游向下游呈倾斜安置，倾斜 角不大于3度。
4. 根据权利要求1所述的变化环境下应急调控水华的模拟系统，其特征在于：所述模 拟池的附属部件包括卡槽、支撑杆、围隔帘、曝气孔、糙率塞，模拟池为圆形水池，用于对发 生水华的水域进行物理建模及模拟水华应急措施，模拟池底板上均匀分布有圆孔状的卡 槽，每个卡槽的底部预留有曝气孔；所述模拟池底板下设有中空的底座，内部布设网状的供 气管，通过外置气泵为曝气孔供气，控制平台通过曝气控制模块控制外置气泵；所述连通水 道用于模拟水域的支流，设有可逆流量调节阀，控制平台通过无线信号控制可逆流量调节 阀；所述投影装置为安装在高度可调的铁架上的一台高清投影仪，位于模拟池中心正上方， 向下投影，控制平台通过投影装置控制模块控制投影装置；所述支撑杆为若干根预先定制 而成的塑料棒，上粗下细，下部较细的一段可插入底板卡槽内；围隔帘为透明材质的不透水 加厚塑料膜，与支撑杆配合使用，用于在模拟池内拼装出水域边界；所述糙率塞包括下部尖 端与上部塞帽，下部尖端可塞入卡槽，上部塞帽扁平略凸起，用于调节模拟池底部糙率。
5. 根据权利要求1所述的变化环境下应急调控水华的模拟系统，其特征在于：所述水 质监测单元还包括多层取样管，多层取样管包括外管和内管，均为透明有机玻璃材质，所述 外管的高度大于模拟池的池深，底部装有支撑架，外管管壁有一条从上端管口至下端管底 的坚直镂空带，可透水；所述内管的高度与外管一致，管径略小于外管的管径，可完全放入 外管且与之紧密贴合，内管管壁也有一条从上端管口至下端管底边的坚直镂空带，可透水， 且尺寸与外管的镂空带一致；内管的外底部与外管的内底部通过螺纹连接，内管的上端固 接有转动片，用于水平转动内管；内管的内部有多片水平的不透水玻璃片，将内管沿垂向分 割为多层。
6. 根据权利要求1至5所述的变化环境下应急调控水华的模拟系统的运行方法，其特 征在于，包含以下步骤： (1)水域建模 (1-1)比尺设定：基于目标水域实际尺寸和模拟池大小限制，确定实验物理模型的水 平比尺λρ垂直比尺λν与时间比尺λτ，进而将实际目标水域按照比尺缩放得到模型尺 寸、地形数据和糙率空间分布的物理模型数据集，将其制成平面图形； 上述的\ =Lp/Lm，式中Lp为目标水域实际长度，Lm为模拟池中的对应长度；上述的λ v = Dp/Dm，式中Dp为目标水域实际平均水深，Dm为模拟池的对应平均水深；上述的λτ = λ 0. 5 AL； (1-2)投影：将投影装置的高清投影仪安装在铁架上后摆放在模拟池正中心的上方； 将目标水域的模型尺寸、地形数据和糙率空间分布的物理模型数据集平面图像通过高清投 影仪向下投影到模拟池上；通过控制平台调节高清投影仪的高度及投影焦距，使投影成像 的水平比尺与步骤（1-1)中的水平比尺λ^-致； (1-3)岸边界建模：将支撑杆逐个插入与投影图像中边界轮廓重合的卡槽内；然后用 围隔帘沿着安插好的支撑杆外围依次将其包裹，并将所有接口处密封，初步形成待实验的 水域，并在出入支流的位置预留进出口； (1-4)支流建模：针对每一个支流进出口的实际位置，选择安装对应的连通水道，将其 一端安置在环形水槽内壁，另一端加接柔性导流槽后安装在步骤（1-3)中预留的支流进出 口处； (1-5)监测点布置：按照实际目标水域中水源地、半封闭港湾等重要位置，在模拟池中 选取对应监测点，将多参数测量架安置在对应位置的卡槽内； (1-6)糙率布置：根据目标水域物理模型的糙率空间分布数据集，选择尺寸对应的糙 率塞逐个安装在模拟池上的卡槽内，使得待实验的水域的糙率与目标水域糙率变化相符； 完成上述步骤后，移除投影装置； (2) 实验准备阶段 (2-1)实验用水定制：将源水存储装置中的含藻源水输入水藻分离装置进行水、藻分 离后，将不含藻水体输入无藻水存储装置，将高浓度含藻水输入含藻水存储装置，进而通过 调配装置调配出与实际水华含藻浓度一致的实验用水，供水华投放单元备用； (2-2)背景实验用水加注：从无藻水存储装置向模拟池内加注不含藻水体，直至水深 为Dni，其中Dni = Dp/λν，式中Dp为目标水域实际平均水深，λν为垂直比尺； (2-3)水华投放单元准备：根据目标水域暴发水华的实际空间位置分布，在水华投放 单元的顶盘的对应位置的圆孔上安装投放管，此时投放管底部处于密闭状态，将调配装置 的实验用水注入投放管内； (2-4)环境条件设定：安装好环境调节单元，使得密闭罩完全罩住多功能模拟单元；根 据目标水域暴发水华期间的实际气象条件，通过环境调节控制模块控制光照调节单元、温 度调节单元、风场调节单元，使其在密闭罩内模拟出对应的实验光照、温度与风场条件；其 中风场调节单元设定时的风速比尺Aw=λ，5; (3) 实际水华分布模拟 (3-1)支流设定模拟：根据目标水域支流出入流的实际情况，通过连通水道控制模块 控制连通水道的相应入流量或出流量，实现对支流出入流的模拟； (3-2)水华初始时刻模拟：在步骤（3-1)运行时间t后，其中t= 1.5Vm/Qin，式中Vm为步骤（2-2)中注入模拟池中的不含藻水体体积，Qin为实验中支流入流总量，所述的 β"其中Qin，p为实际支流入流总量；随后，通过水华投放单元控制模块控制 水华投放单元，使其缓慢下移，当水华投放单元的投放管底部接触到模拟池内水面时，通过 气泵对可充气橡胶小球抽气，使投放管内含藻水缓慢注入模拟池中；当注入预设体积含藻 水后，通过气泵对可充气橡胶小球充气，重新密闭投放管，抬升水华投放单元回归原位； (3-3)水质监测：一方面，通过水质监测控制模块启动模拟池内的多参数测量架，实时 采集关键位置的水位、叶绿素和溶解氧变化情况；另一方面，每间隔一定时段，通过多层取 样管在没有安装固定测量柱的空白水域进行手动采集水样进行离线水化学分析，对实时监 测进行补充测量。
7. 根据权利要求6所述的变化环境下应急调控水华的模拟系统的运行方法，其特征在 于，还包括流域调水调控水华效果预测： ① 通过调节步骤（1-4)中已安装的连通水道流量变化模拟出不同调水方案，观测不同 调水方案影响下水华变化情况；在上述流量调节过程中需要遵循流量守恒，即增加其中的 单个支流或多个支流的入流量Qa，同时对应地增加其中的单个支流或多个支流的出流量 Qb，使得Qa=Qb，其中Qa=Qa，P/ (入l1·5 入V)，Qb=Qb，p/ (入l1·5 入V)，Qa，p、Qb，p为头际支流的入 流、出流量； ② 同步的，依据步骤（3-3)的方法观测叶绿素和溶解氧浓度的时空变化，通过控制平 台将采集到的各调水备选方案的水质观测数据进行存储； ③ 对步骤①和②中采集的各调水备选方案的水质数据进行对比分析，首先筛选出经过 调水措施后叶绿素浓度与溶解氧浓度均能水质达标的若干组工况，再对其进行成本分析， 最后得出最优应急措施。
8. 根据权利要求6所述的变化环境下应急调控水华的模拟系统的运行方法，其特征在 于，还包括局部水循环调控水华效果预测： ① 针对拟定的多个局部水循环消减水华的备选方案依次进行实验，具体实施方法是： 在步骤（1)-(3)的硬件配置基础上，在水华暴发的水域周边加装一套局部水循环设备，包 括一个抽水管和一个排水管，两管的末端放入岸边水体中，另一端通过塑料管连通，形成回 路；依据每一个备选方案的抽水、排水位置及其流量，在微型水泵的作用下通过抽水管将目 标水域的水体抽出后，再由回路通过排水管重新排入另一端的水体中，形成局部水循环； ② 同步的，依据步骤（3-3)的方法观测叶绿素和溶解氧浓度的时空变化，通过控制平 台将采集到的各局部水循环备选方案的水质观测数据进行存储； ③ 对步骤①和②中采集的各局部水循环备选方案的水质数据进行对比分析，首先筛选 出经过局部水循环措施后叶绿素浓度与溶解氧浓度均能水质达标的若干组工况，再对其进 行成本分析，最后得出最优应急措施。
9. 根据权利要求6所述的变化环境下应急调控水华的模拟系统的运行方法，其特征在 于，还包括曝气措施调控水华效果预测： ① 针对拟定的多个曝气措施消减水华的备选方案依次进行实验，具体实施方法是：在 不改变步骤（1)-(3)的硬件配置前提下，通过曝气控制模块调节模拟池底板上的特定位置 的若干曝气孔向水体输入特定量的气体，观测不同曝气方案影响下水华的变化情况； ② 同步的，依据步骤（3-3)的方法观测叶绿素和溶解氧浓度的时空变化，通过控制平 台将采集到的各曝气措施备选方案的水质观测数据进行存储； ③对步骤①和②中采集的各曝气措施备选方案的水质数据进行对比分析，首先筛选出 经过曝气措施后叶绿素浓度与溶解氧浓度均能水质达标的若干组工况，再对其进行成本分 析，最后得出最优应急措施。
【文档编号】G01N33/18GK104459071SQ201410737974
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年12月5日 优先权日:2014年12月5日
【发明者】毛劲乔, 戴会超, 常曼琪, 张培培, 王茹, 徐点点 申请人:河海大学