水中结构体及其使用方法

专利名称：水中结构体及其使用方法
发明的背景本发明涉及一种促进和/或控制水中生物生长的系统，本发明还涉及控制和/或改善水体环境质量的结构体和方法。
改善水中生长环境的系统可参看美国专利№5669330(O’Hare)、5639657(Saiki)、4950104(Streichenberger)、4818579(Uchida)和4441453(McMickle)。一种开放的海洋漂浮养育系统可参看美国专利№5309672(Spencer)。在水中养育甲壳动物的系统在美国专利№3841266(Hoshino)中有描述。
发明的概述本发明涉及一种促进和/或控制水中生物生长的结构体。根据本发明的一个方面，该结构体具有浮力器、与该浮力器连接的柔软片以及与该柔软片连接的一些柔软带(例如叶状、条状或丝状)。该柔软片可以具有高表面积结构，以便促进光照层内自养生物的生长。所述带可以布置成可促进光照层下异养生物例如细菌的生长。
根据本发明的另一方面，该柔软片可以悬挂在一中空管上。即使柔软片和柔软带的重量随时间的延长而增加，所述中空管也有足够的浮力漂浮在水面上。由于例如生物体和无机物聚积在柔软物的表面上，它们会变得更重。为了保证管子不会沉没，也可以提供另外的漂浮器。这些另外的漂浮器可以使用在例如大量沉积物和生物生长物聚积在结构体上的部位。
根据本发明的一个优选实施方式，柔软片可以通过一根柔软套管连接到中空管上。该套管能够在中空管上旋转，使得套管在长期使用过程中不会缠绕到管子上。柔软片优选在光照层中保持基本垂直悬挂。
柔软带可以有彼此不连接的最低的自由端。有些自由端可以固定到水底上。而其他的自由端则任其在水流中摇摆，形成分枝的栖息部位，吸引一些水生生物。所述柔软带的比重优选至少为1.02，使它们不会向上漂浮到水面上。如果需要，可以提供镇重器，例如吊锤或填充有镇重材料的柔软袋，将一些柔软带固定在水底上。如果需要，可以将其他的固定结构体系到中空管的末端。所述水产业装置的总高度优选大于水的深度，使镇重器和/或锚定物能够达到水底。
本发明还涉及在水中配置该水产业结构体的方法，以及使用该结构体促进水生生物生长和/或聚集的方法。
在本发明的一个优选实施方式中，柔软的高表面积结构体用来促进生物膜的形成。高表面积结构体可以分别悬在光照层和异养层内。高表面积结构体可以由多种材料形成，包括但不局限于针刺纺粘织物、针刺机织稀纱的火焰密封织物(needle-punched woven scrim flame sealed fabric)、开放孔隙的泡沫材料、棉絮和微孔颗粒材料。高表面积结构体可以提供在柔软片、板和/或条的上面或内部。优选的柔软结构体可以形成为单层或并列的多层。
本发明的一个目的是提供一种人造的水中结构体，它易于操作和布置，可在所要求的水体深度保持其生物活性部分。
本发明的另一个目的是提供一种在水性环境中能产生食物、控制水体质量并提供庇护所的系统。
本发明的又一个目的是为多种条件下成功的水产业养育，促进和支持生产天然的再生食物源。这样，本发明就可以用来例如为水产业向水生生物同时提供食物和庇护所。通过在这同一结构体中提供食物和庇护所，就可以在一集中的区域内保持并支持其生长的给定水生生物的存活量。
本发明的再一个目的是提供一种系统，它能够经济地适用于不同的用途和条件，能够为这些不同用途和条件定制。例如，通过有选择地改善柔软的表面结构，和/或通过在该表面结构中提供所要求的养分，就能够促进固着的和水生附着的生物体的生长。另外，也可以有选择地培养细菌，在水中形成所要求的生物作用。
从下面的详细说明和说明本发明优选实施方式的附图，可以明白本发明的其他特征、目的和优点。
附图的简要说明


图1是根据本发明优选实施方式构造的水中结构体的侧视图；图2是
图1所示水中结构体沿2-2线剖开的剖面图3是
图1所示水中结构体的一部分在布置条件下的端视图；图4是根据本发明构造的另一个水中结构体的侧视图；图5和6分别是根据本发明构造的再一个水中结构体的侧视图和端视图。
发明的详细说明下面参看附图，各图中同样的部件用同样的数字表示。
图1示出了根据本发明一优选实施方式构造的水中结构体10。该水中结构体10有细长的浮力器12、支撑套管14、光照区16和异养区18。浮力器12被套管14包围。套管14通过缝线20或其他连接方式与光照区16连接。光照区16同样通过合适的方式与异养区18连接。异养区18可以再细分为垂直带24(图3)。如下面的详细说明所述，镇重器26(
图1)可以连接到带24的一部分或全部的末端28上。
如图3所示，水中结构体10可以布置在水体30中。浮力器12的比重优选小于水体30。因此，浮力器12和包围的套管14漂浮在水面32上。而光照区和异养区16和18的比重大于1.0，使带24的末端28沉到水底34。水中结构体10的高度36(
图1)可以大于水体30的深度38(图3)。
结果，浮力器12可以在风40或水流的作用下横向漂移乃至离镇重器26。浮力器12的轴42还可以定向成与风主流方向平行或垂直，以便增大到达光照区16的光照量。另外，如下面的详细说明所述，带24还可以相对于浮力器12进行移动。镇重器26用作锚定物，阻止或阻碍整个结构体10相对于水底34移动。
水中结构体10可以以多种尺寸和形状提供。在此说明性的实施方式中，结构体10的高度36约为0.5-3.0m，优选为0.7-1.5m。此说明性实施方式的长度(中空管12的两端50、52的距离)可以约为0.5-10m，优选为1.0-3.0m，但是，本发明不局限于下面所示和详细说明的具体实施例。
在此说明性实施方式中，浮力器12是中空管，其两端50和52有不透水的盖。管子12可以是软管或硬管。管子12可以是根整体管子，也可以有结合件。可以在其两端50、52提供合适的连接件(未示出)，用于操作和或将结构体10串联连接到其他同样的结构体10上。中空管12可提供足够的浮力，使支撑套管14的上部，即使有大量生物膜生长和固着的和水季附着的生物体聚积在柔软区16、18上后，仍保持浮在水面32上。
可以选择浮力器12的直径，来抵消冲到支撑套管14上风速和/或水速的作用。在一个优选的实施方式中，管子12的直径可以约为1.0-7.0cm，优选为2.0-5.0cm。在本发明的另一个实施方式中，浮力器12可以是漂浮塑料泡沫材料的实心棒或柔软棒。
支撑套管14可以由包围浮力器12的柔软片形成。支撑套管14的直径应当足以使浮力器12滑入并盖上盖子。管12两端50、52上的盖子可以用来阻止管12滑出套管14。套管材料14应当具有大的拉伸强度和优良的耐紫外光照射的性能。套管14可能在水面32上长期暴露于日光(3-4年或更长)。支撑套管14可以例如由聚乙烯织物制成，所述织物有两面上覆以1.75mil聚乙烯的12×10.5的稀纱织物，套管14可以着色，或带有可看见的图案或标记，为的是美观和/或标识结构体10在水面32上的位置之用。
光照区16可以由织物或另外合适的柔软合成材料形成。所述织物16优选是人造的高表面积结构，以促进和支撑藻类和/或其他自养生物体的生长。光照区16的高度54(
图1)应使得在应用时光照区16全部或大部分悬浮在水体30的光照层内。因此，在此说明性的实施方式中，光照区16的高度54约为0.3m。自养物附着于光照区16上并进行光合成，为水体30内的其他生物体提供养分。
光照区16可以例如由针刺聚酯纺粘织物形成，其每平方米织物的表面积或切断纤维纺成的棉絮，为55米2(m2/m2)。其他的柔软高表面积结构，包括孔隙开放的泡沫材料、柔软基材上的微孔颗粒和密毡，也可以用来形成光照区16。总而言之，光照区16可以由任何高表面积结构的材料形成，如国际专利申请(PCT)№ WO99/17605所述。它于1999年4月15日公开，其内容参考结合于此。
示出的光照区16的表面积可以约为2.0-100m2/m2。在本发明的一个优选实施方式中，光照区16的表面积为20-75m2/m2。光照区16的孔径分布可以约为25-10000微米，优选为100-1000微米。柔软材料16应当具有优良的长期耐紫外光性能。
异养区18可以由具有有效的高表面积的柔软片材料形成。异养区18也可以具有合适的物理和/或化学特性(润湿的表面接触角、电离电势等)。该异养区18布置成能够使和/或促进异养生物和/或其他水生生物占据。
带(形状可以是条、束、叶或丝)24可以通过平行剖切异养区18的织物形成。带24可以在异养区18与光照区16结合之前或之后形成。带24应当优选在结构体10布置到水体30中之前形成。在使用时，水流会使带24彼此分散并分离，形成类似蓝果树下部的运动的分枝结构。所述分散和部分交扭的带24在水体30中前后摇摆，为鱼和其他水生生物提供优良的栖息所(遮避光照和捕食的庇护所)。分枝结构24的运动也促进养分随同水体30作生物量的迁移。
带24的宽度可以约为5-100mm，优选为10-25mm。
如上所述，在使用中，柔软带24会逐渐下沉到水底。在本发明的一个优选实施方式中，光照区和异养区16、18的比重约为1.02-1.50。这两个织物区16、18的比重优选为1.05-1.25。
异养区18(包括带24)的表面积可以约为25-400m2/m2，优选为120-320m2/m2。异养区18的孔径分布应当约为2-250微米，优选为5-50微米。柔软的异养区18材料可以是具有足够分子量的聚合物材料，以保证接触到大量微生物作用时保持其稳定性。
在本发明的一个优选实施方式中，异养区18(包括带24)的材料可以由针刺机织聚酯(火焰密封)形成，所述聚酯织物的表面积约为60m2/m2，平均孔径约为89微米。异养区18材料也可以包括任何高表面积的结构，如国际专利申请(PCT)№ WO99/17605所述。
镇重器26的材料可以是金属(例如铅)或另一种合适的耐久材料。重物26可以夹到带24的下端28上。每个镇重器26的重量可以约为100-1000g，优选为200-400g。每个结构体10的所有镇重器26的总重量例如约为1.0-10千克/结构体10的延米，优选为3.0-5.0千克/延米。
镇重器26可以夹在或缝到带24的自由端28上。重物26可以连接到沿结构体10的长度上选定的分隔的一些带24上。在另一个实施方式中，每个重物26都可以夹到一个以上的带24上。
在本发明的另一个实施方式中，镇重器26可以是柔软袋或小容器的形式。袋26可以由聚丙烯织物或另一种合适的材料形成。根据本发明的该实施方式，结构体10运输时其柔软袋或小容器可以是空的。然后，所述袋或容器26可以填充砂、石子或其他合适的镇重材料，包括在使用的水体地方容易找到的颗粒物料。此后乃可以将结构体10布置到水中。这样，镇重材料就不必作为结构体10的一部分进行运输，这就使结构体10的运输和操作更容易。填充了的镇重器26可以具有例如装了豆子的袋子外观。
柔软的镇重器26可以用多种合适的连接装置(未示出)连接到带24的末端28上，包括而不局限于缝合、夹子、夹具、卡钉和柔软的连接件。带24和连接装置应当足够经用，能够经受在水面32上随波浪(未示出)上下运动的漂浮管12所形成的重复牵拉力。这样形成的装有颗粒物料的柔软袋镇重器26就有这样的优点，在带24的末端28的连接部位不会形成刚性的冲击性作用力。柔软的镇重器26能够连接到带24上，不会产生由于固体金属重物连接到带子末端28上时会产生的拉伸应力集中现象。
在本发明的另一个实施方式中，如图4所示，套管14和光照区和异养区16、18由整片柔软材料形成为一个整体。即，不需第二行缝线22就可以制成水中结构体100，而且光照区和异养区16、18可以由同样的材料形成。用与套管14连接的整片材料16、18制成结构体100，可以具有降低制造成本和安装成本的优点，即使装置的生物生长性能会低于其最佳状态时。根据本发明的的另一个实施方式，套管和光照区和异养区全部都可以由整片柔软材料制成一个整体。
在本发明的又一个实施方式中，如图5和6所示，将其他的漂浮器200、202连接到浮力器12的末端。漂浮器200、202可以充气，或它们可以用孔隙封闭的泡沫材料或其他合适材料形成。漂浮器200、202为结构体204提供额外的浮力，保证即使大量沉积物或生物物质聚积在水下部分16、18上时，光照区16也可保持在光照层内。漂浮器200、202可以先连接到浮力器12上，然后将结构体204安装在水体30中。也可以在结构体204在水体30中应用一段时间后，才将漂浮器200、202连接到浮力器12上。这样，就可以根据沉积状况、生物生长状况和/或水流状况如果引起浮力器12沉入水面32以下的话，将漂浮器220、202连接到结构体204上。漂浮器200、202优选由经用的耐紫外光的材料形成。
如图5和6所示，也可以提供锚定件210、212，使结构体204固定在水底34上。锚定件210、212可以由混凝土或水泥块或其他合适的材料形成。锚定件210、212可以由合适的系链214、216(或绳、链或缆索)连接到浮力器12的末端50、52上。系链214、216优选比结构体204的高度36短，使柔软带24的末端28在使用时可以达到水底34。锚定件210、212可以用于会有大风40或急水流使得镇重器26和/或带24的拉伸强度不足以使结构体204保持在所要求部位的情况。
锚定件210、212可以与其他的漂浮器200、202一同使用或不用它们。漂浮器200、202可以与锚定件210、212一同使用或不用它们。锚定件210、212和/或漂浮器200、202可以用于
图1所示的复合结构体10和/或图4所示的整体结构体100。
根据本发明的另一个实施方式，不用任何类型的镇重器26，就可以安装
图1所示结构体10。在有些环境中，不需要或者不要求镇重器。例如，在有高堤坝保护并且是静风和静止水体情况的孵化池或小池塘中，不需用镇重器。根据本发明的这个方面，带24自身会沉入水底34，并在光照区16下面轻柔地前后摇摆。因为带24比周围的水30密度稍大些，所以会下沉。带24的底端28会逐渐彼此分离，形成水生生物的分枝栖息所。在不用镇重物或锚定件的环境中，会要求将漂浮管12的末端例如系到孵化池的壁上在操作中，为了安装结构体10、100、204，可以先将柔软材料16、18缠绕着浮力器12或靠着它折叠起来。接着，从船上(未示出)或从水体30的岸边将结构体10、100、204放下落入水体30中。重物26会自动将柔软材料16、18从浮力器12上松散开来，水流则会使各根带24以图3和6所示的方式彼此分离。尤其在大风和急流条件下，锚定物210、212可以在将柔软材料16、18全部安装在水体30中之前进行安装，在此情形下，锚定物210、212是必需的，以便保证结构体204按照所要求的位置和/或取向进行安装。
如果需要，结构体10、100、204的末端50、52可以连接到其他同样的结构体10、100、204或合适的绳或缆索上。另外，结构体10、100、204也可以仅由沉在水底34的重物26就自身保持在位。随着时间的过去，生物生长，积聚在织物片和带16、18上。光照区16支持着光合成过程。在分枝的柔软带24上和它们之间，异养生物的食物培育和占据得到促进和支持。如果需要，水中结构体10、100、204可以取出、报废和/或加以清洁再放回水体30中。
水体30可以是海水、淡水或其他水体系统和环境。在本发明的一个优选实施方式中，水体30可以限定在水产海鳃(aquaculture sea pen)的水域内(图中未示)。在本发明的另一个实施方式中，水体30可以含有过量养分，例如氮和磷和/或重金属，柔软材料16、18可以制成促进特定自养生物和异养生物生长，以便从水体30中除去或集结过量的养分和/或重金属。
水中结构体10、100、204中使用的材料应当优选是不会向环境中浸出有害化学物，而且也不会在水(包括海水)和日光中分解的聚合物。所述水中结构体可以长期使用，而且可以清洁，重新使用和/或运输。如果需要，柔软区16、18可以包括一层或更多的其他层(图中未示)或材料，用来增强、保持或保护所述的水中结构体。
如图所示的结构体10、100、204的优点是其重量较轻，柔软而且容易操作。该结构体可以安装在水体30中无需或很少需用其他的特殊装置。将结构体锚定到水底34，不需潜水员。
随着时间的过去，生物膜的生长和生物体附着于柔软材料16、18会逐渐减少结构体10、100、204的总浮力。但是，当总浮力减少时，漂浮管12不会沉到水体30中更深的位置。漂浮管12仍保持在水面32上，保持光照区16处于光照层内，接受日光，用来进行养分的有效光合成。
上述描述和附图仅用于说明能够实现本发明目的、特征和优点的优选实施方式。本发明并不限于此处详细描述和显示的例子。符合权利要求范围和精神的改动都被认为是本发明的一部分。
权利要求
1.一种促进生物生长的水中结构体，所述结构体包括浮力器；与该浮力器连接的柔软片，该片具有促进光照层内自养生物体生长的高表面积结构；和与所述柔软片连接的一些柔软带，所述柔软带布置成能促进异养生物体的生长。
2.如权利要求1所述的结构体，其特征在于所述的浮力器包括中空管。
3.如权利要求1所述的结构体，其特征在于它还包含将所述柔软片连接到所述中空管的柔软套管。
4.如权利要求3所述的结构体，其特征在于它还包含将所述柔软带连接到所述柔软片上的缝线。
5.如权利要求4所述的结构体，其特征在于所述柔软带和所述柔软片由不同材料形成。
6.如权利要求3所述的结构体，其特征在于所述柔软带和所述柔软片以整片织物整体形成。
7.如权利要求3所述的结构体，其特征在于在使用时所述柔软带向下深入水中，所述中空管水平地延伸在水面上。
8.如权利要求7所述的结构体，其特征在于所述柔软带具有彼此不连接的自由端。
9.如权利要求8所述的结构体，其特征在于所述柔软带的比重大于或等于1.02。
10.如权利要求9所述的结构体，它还包括将一个或多个所述柔软带锚定在水底的镇重器。
11.如权利要求10所述的结构体，其特征在于所述镇重器包括连接到第一组柔软带的一个或多个自由端上的金属重物。
12.如权利要求9所述的结构体，其特征在于所述结构体没有镇重器，所述柔软带没有锚定在水底。
13.如权利要求9所述的结构体，其特征在于所述柔软带可以彼此之间运动，形成水生生物的水下分枝栖息所。
14.一种水产业的装置，它包括配置使其漂浮在水面上的一个细长浮力器；具有促进水生物生长的高表面积结构的柔软材料，所述柔软材料的比重大于或等于1.02，所述柔软材料连接到所述细长的浮力器上；至少一个锚定所述水产业装置的镇重器，所述镇重器与所述柔软材料相连。
15.如权利要求14所述的装置，其特征在于所述柔软材料包括柔软片和柔软带，所述柔软片位于所述浮力器和柔软带之间。
16.如权利要求15所述的装置，其特征在于在使用时所述柔软带向下伸向水底，所述浮力器水平地漂浮在水面上。
17.如权利要求16所述的装置，其特征在于所述柔软带具有不彼此连接的自由端。
18.如权利要求17所述的装置，其特征在于所述镇重器连接到至少一个自由端上。
19.如权利要求18所述的装置，其特征在于所述镇重器由柔软材料形成，并包含颗粒物。
20.如权利要求14所述的装置，它还包含位于所述细长浮力器末端的漂浮器。
21.如权利要求14所述的装置，其特征在于它还包含系到所述细长浮力器末端的锚定物。
22.一种水产业的方法，它包括如下步骤使浮力器漂浮在水体表面上；从所述浮力器上将柔软片悬浮在所述水体中；从所述柔软片上悬浮柔软带；随后，促进自养和异养水生生物体生长在所述柔软片和柔软带上。
23.如权利要求22所述的方法，它还包括将所述柔软带的自由端置于所述水体底部上的步骤。
24.如权利要求23所述的方法，它还包括将所述第一组自由端锚定到所述底部的步骤。
25.如权利要求24所述的方法，它还包括通过向柔软的镇重容器内加入镇重材料形成镇重器的步骤。
26.如权利要求23所述的方法，它还包括使所述自由端彼此之间移动形成水下分枝栖息所的步骤。
27.如权利要求26所述的方法，它还包括使异养生物体生长在所述栖息所内的步骤。
28.如权利要求26所述的方法，它还包括在所述浮力器相反的两端提供一些漂浮器的步骤。
29.如权利要求22所述的方法，它还包括将所述锚定物系到所述浮力器上的步骤。
30.一种水产业装置，它包括配置使其漂浮在水面上的一个细长浮力器；悬挂在所述细长浮力器上的柔软片材料，所述柔软片材料具有能促进水生物生长的高表面积结构，所述柔软片材料的比重大于或等于1.02，所述柔软片材料连接到所述细长的浮力器上。
31.如权利要求30所述的装置，其特征在于所述柔软片材料包括柔软片和柔软带，所述柔软片位于所述浮力器和柔软带之间。
32.如权利要求31所述的装置，其特征在于所述柔软带具有彼此不相连的第一末端，和接触所述柔软片的第二末端。
全文摘要
本发明提供一种结构体(10),它用于水产业和其他的用途,能促进水中生物生长。该水中结构体(10)可以有浮力器(12)、柔软片(14)和一些柔软带(24)(例如叶状、条状或丝状)。柔软物(14和24)悬挂在浮力器(12)上。柔软物(14和24)可以具有高表面积结构,能促进分别在光照层和异养层内的自养生物(包括藻类)和异养生物(例如细菌)生长。自养生物和细菌是食物,分散的柔软带(24)为较大的喂养生物例如鱼、甲壳动物和软体动物提供很好的生长环境。如果需要,可以使用镇重器(26),将该水中结构体固定到水底(34)中。当结构体(10)运送至工作地点后,将镇重器(26)填充以颗粒物质。该水中结构体(10)易于配置在水性环境中。在本发明的另一个实施方式中,为了使结构体(10)保持在所要求的位置,还可以提供另外的漂浮器(200)和/或系链锚(210)。
文档编号A01K61/00GK1382015SQ00812861
公开日2002年11月27日 申请日期2000年8月16日 优先权日1999年8月20日
发明者R·J·麦克内尔 申请人:海洋环境方案有限公司