本发明涉及一种集净水与灯光亮化为一体的人工浮岛，适合用于各类河流湖泊水库、景观水等水体。
背景技术：
在湖泊水库中，由于水量大，水体流速缓慢，停留时间长，波浪小，自净能力低，导致水体富营养化问题日益严重，湖泊水库水质的恶化将直接影响水资源的可持续利用，加剧了淡水资源短缺问题，很大程度上影响了城市的供水安全。随着可再生水资源的日益减少，寻找一种高效、经济的水质净化方法越来越成为更多研究者的关注焦点。目前，对富营养化的湖泊水库水体的治理措施有人工曝气、调水冲污、底泥疏浚等的物理修复技术，但是这种技术的工程量较大，且部分技术存在治标不治本的缺点。还有化学絮凝、化学沉淀等的化学修复技术，但是这种技术在处理过程中化学试剂可能对环境造成二次污染。
植物修复技术通过植物根部的吸收、吸附作用和物种竞争相克原理，削减水体中的氮、磷、有机物质及重金属，从而达到净化水质的效果，投资低、美化环境、对城市生态建设起着不可忽视的重要作用。人工浮岛是植物修复技术应用到湖泊水库水质净化的形式之一，即将植物种在水面上，植物浮床在吸收水中营养物质的同时，还为水生昆虫、鱼类和鸟类提供了摄饵、繁衍、栖息的空间。
随着生活水平的提高，人们对居住生活环境的美化有了更高的要求，政府也积极采取各种措施加强城市景观建设，城市亮化工程建设体现了城市艺术、人文特色。设计和实施城市亮化工程，可以展现城市夜间丰富多彩、特色鲜明的光形象，增强城市的时代感和空间吸引力。亮丽的城市夜景不仅可以为人们的夜间活动创造一个良好的环境，丰富人们的夜生活，而且对繁荣经济、发展旅游业、树立良好的城市夜间形象，营造高尚的文化氛围等有具有十分重要的意义。
技术实现要素：
本发明的目的在于针对现有的湖泊水库水质净化技术的不足，提供了一种集净水与灯光为一体的人工浮岛。该类浮岛对于高效净化水质、丰富浮岛小环境的生物多样性、提高城市生态建设有着良好的效果，另外，其亮化设计满足了夜间景观水体的美化建设，对提高城市形象，增强城市吸引力有不可小觑的作用。
本发明采用如下技术方案来实现的：
一种集净水与灯光亮化为一体的人工浮岛，包括人工浮岛系统、混合充氧系统和灯光亮化系统；其中，
人工浮岛系统包括浮体以及设置在浮体周向上的pvc加固管，浮体用于漂浮在水面上，浮体上按照预设图形镶嵌有若干个圆形浮体，且相邻两个圆形浮体连接在一起，每个圆形浮体的中心均开设有花篮套空，花篮套空处设置有用于种植浮岛水生植物的种植盆；
混合充氧系统包括水泵系统、水流上升系统、文丘里进气系统和锚固墩，锚固墩设置在水体底部，并与浮体连接；
水泵系统包括设置在浮体上的太阳能发电装置以及设置在水中的水泵，且太阳能发电装置用于为水泵供电；
文丘里进气系统包括两端开口且纵向设置的文丘里管以及连通在文丘里管喉部的若干进气管，进气管的进气口位于水面之上；
水流上升系统在纵向贯穿于浮体，其底部与文丘里管的上部直筒连接，文丘里管的下部直筒底部与水泵的进水口连通；
灯光亮化系统包括若干设置在pvc加固管上且与太阳能发电装置连接的led灯串。
本发明进一步的改进在于，锚固墩通过尼龙吊绳与浮体连接，水泵通过尼龙绳与浮体连接。
本发明进一步的改进在于，水泵为立式水泵，其吸水口在立式水泵中部，出水口在立式水泵顶端。
本发明进一步的改进在于，若干进气管周向均匀连通在文丘里管喉部，且进气管的进气口朝下设置。
本发明进一步的改进在于，水流上升系统包括在纵向贯穿于浮体的出水延伸筒，该出水延伸筒的底部与文丘里管的上部直筒连接，顶部通过周向设置的若干支撑杆连接有顶部水平导流板。
本发明进一步的改进在于，出水延伸筒的底部内侧开设有内螺纹，文丘里管的上部直筒外侧设置有外螺纹，使得出水延伸筒的底部与文丘里管的上部直筒螺纹连接。
本发明进一步的改进在于，出水延伸筒的顶部外侧设置有一圈硅胶面，若干支撑杆通过卡箍周向设置在出水延伸筒的顶部外侧。
本发明进一步的改进在于，顶部水平导流板的底部设置有流线型导流锥台，且流线型导流锥台的中心线与出水延伸筒的中心线重合。
本发明进一步的改进在于，文丘里管和出水延伸筒的尺寸与水泵流量以及最大安装高度之间的关系式为：
其中，d1－文丘里管的缩小管内径；
d2－文丘里管的上部直筒内径；
d3－出水延伸筒内径；
g－重力加速度；
ρ－水的密度；
q－水泵出水流量；
δd1－进气管的出气口最大水下安装高度；
λ－摩擦阻力系数；
p1－大气压；
基于文丘里管中空气流速的曝气量的计算公式为：
其中，β－气体体积膨胀系数；
v文－文丘里管中空气流速；
t－气体平均温度，℃；
k－局部阻力系数；
dg－进气管直径；
δd2＝δd1+0.15，其中0.15表示进气管的进气口高于水面0.15m。
本发明进一步的改进在于，若干led灯串沿浮岛通过防水胶带布置在pvc加固管及太阳能发电装置上，并设计有多种艺术造型。
本发明具有如下有益的技术效果：
本发明提供的提供了一种集净水与灯光为一体的人工浮岛，曝气充氧系统可以根据水体污染情况及景观要求选择混合模式。当水流上升系统的顶部位于水面上方时，水流在水泵作用下依次流经文丘里管的上部直筒、缩小管、下部直筒和水流上升系统，在缩小管处因过流断面变小获得一个较大的流速，根据文丘里原理，当流速大到一定数值时，会在缩小管中产生负压，空气则从进气管中进入缩小管，完成充氧过程；当水流冲击到水流上升系统顶部时，向四周喷射，形成二次充氧过程；从水流上升系统流出的水流可以混合一定范围的水体，将下层水体提升到水体上层并充氧；露出水面的喷射水流还可以作为一个景观喷泉。当水流上升系统顶部位于水面下时，从水流上升系统流出的水流可以混合更大范围的水体，但水流只完成一次充氧过程。
进一步，水泵为立式水泵，其吸水口在立式水泵中部，出水口在立式水泵顶端，进而方便水泵进水，并且可以避免将水底的杂物吸入。
进一步，若干进气管周向均匀连通在文丘里管喉部，且进气管的进气口朝下设置，如此便可以有效避免从水流上升系统喷出的水堵塞进气管。
进一步，水流上升系统包括在纵向贯穿于浮体的出水延伸筒，该出水延伸筒的底部与文丘里管的上部直筒连接，顶部通过周向设置的若干支撑杆连接有顶部水平导流板，且顶部水平导流板的底部设置有流线型导流锥台，且流线型导流锥台的中心线与出水延伸筒的中心线重合，这样，当顶部水平导流板伸出水面，水流会依次经过出水延伸筒和顶部水平导流板，经流线型导流锥台导流像喷泉一样向四周喷水，此为二次曝气过程。
进一步，为了更加高效节能的改善水质，推导出了曝气量的计算公式。对喉管断面与出水口断面利用bernoulli方程可得出文丘里进气系统2、出水延伸筒4的尺寸与水泵流量、最大安装高度之间关系式。根据当确定了水泵流量以及安装高度后，对喉管断面与进气口断面再次利用气体bernoulli方程可以求出曝气量。具体案例实施中，可以根据实际所需曝气量来确定装置的尺寸、选择合适的水泵及安装高度，从而高效节能的改善水质。
进一步，浮体是由高密度聚乙烯材料制成，外形呈同心圆，外圆直径32.5cm,内圆直径15.5cm，用以放置种植盆，种植盆采用注塑镂空花盆，直径155毫米，高度135毫米。
进一步，每个浮体上有孔口，各个浮体用尼龙扎带连接而成由三个边长2.3米的正三角形组合而成的人工浮岛，组合形成的浮岛增加加固边框，材质采用pvc管，起到加固、防撞、抗风浪的作用。
进一步，人工浮岛系统所采用装置材料现成易得，可大规模制作，安装、拆卸方便快捷，采用圆形浮体，使用灵活自由，可根据需求设计成各种造型，有效利用水生植物根部吸收、吸附能力，达到高效净化水质的作用，结合曝气充氧系统，使水体循环流动，从而进一步提高净化效果。浮体连接形成由三个三角形拼接而成的人工浮岛，浮岛上可用网框种植法种植水生植物，浮岛围成的水域用拉线种植法种植水生植物。浮岛上种植的水生植物包括花叶美人蕉，黄花鸢尾，常绿鸢尾，花叶芦竹，梭鱼草，浮岛所围水域主要种植凤眼莲。
进一步，灯光亮化系统创新采用防水型太阳能led灯串，沿浮岛pvc管布置，用防水胶带将灯串的电线沿浮岛pvc管粘贴，灯串电线材质为pvc墨绿线材，灯泡外包墨绿pvc套管，防水，抗氧化，耐高低温，为景观水体的夜间照明增加美观性。另外，灯光照射可以使浮岛植物在夜晚有效进行光合作用，有利于进一步提高净化效果。led灯串为led节能灯珠，全部灌胶密封，防水性能好，具有节能、寿命长、发光纯、亮度高、搬动不易损坏、可重复使用的优点。led灯串带有2v、100ma的太阳能板，白天充电6-8小时，晚上可照明8-12小时。因此夜晚浮岛植物可充分利用灯光照射有效进行光合作用，使得植物的净化作用更加高效彻底。太阳能led灯串有两种规格：沿浮岛外框布置的是7米50灯的灯串，其中引线长2米，有灯长5米，灯距10厘米，沿浮岛内框布置的是5米20灯的灯串，其中引线长60厘米，灯距22厘米。灯串外形各式各样，有玫瑰花形、星星形、桃花形、蝴蝶形、气泡形，颜色也多样，有暖色、蓝色、白色、彩色，五彩斑斓、造型艺术的灯光亮化系统大大增加了人工浮岛的应用场所的夜间照明艺术效果。
附图说明
图1为文丘里进气系统和水流上升系统的第一断面图。
图2为文丘里进气系统和水流上升系统的第一断面图。
图3为本发明集净化与灯光亮化为一体的人工浮岛的剖面示意图。
图4为本发明水流上升系统的示意图。
图5为本发明文丘里进气系统的示意图。
图6为本发明集净化与灯光亮化为一体的人工浮岛的平面示意图。
图中：1、水泵；2、文丘里进气系统；201、文丘里管；3、进气管；4、出水延伸筒；5、流线型导流锥台；6、螺钉；7、浮体；8、吸水口；9、尼龙绳；10、锚固墩；11、顶部水平导流板；12、尼龙吊绳；13、太阳能发电装置；14、支撑杆；15、卡箍；16、pvc加固管；17、种植盆；18、led灯串；19、浮岛水生植物；20、圆形浮体。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图3至图6所示，本发明提供的集净水与灯光亮化为一体的人工浮岛，包括曝气充氧系统、人工浮岛系统和灯光亮化系统。
其中，曝气充氧系统包括水泵系统、水流上升系统、文丘里进气系统2、浮体7和锚固墩10，各个单元均可拆卸，方便维修。
文丘里进气系统2包括两端开口且纵向设置的文丘里管201以及连通在文丘里管喉部的若干进气管3，进气管3的进气口朝下，为u型防水进气口。文丘里管201包括缩小管、下部直筒和上部直筒，上部直筒外部有30cm的外螺纹，用于连接出水延伸筒4，可以通过两装置螺纹的拧实程度来调节水泵导流板距水面的高度。
水泵系统包括太阳能发电装置13(含面板、蓄电池及逆变器)和水泵1；水泵1为立式水泵，吸水口8在立式水泵中部，出水口在立式水泵顶端。
水流上升系统包括出水延伸筒4、流线型导流锥台5、顶部水平导流板11和卡箍15。顶部水平导流板11和流线型导流锥台5通过4根支撑杆14固定在卡箍15上，工作时，将卡箍15固定在出水延伸筒4上部的硅胶面上。
出水延伸筒4上部设计一定长度的硅胶面包裹黏附于其上，下部直筒内有一圈30cm的内螺纹用于连接文丘里管201。
如图1所示，文丘里进气系统2的出气口最大水下安装高度(即淹没深度，△h1)和吸气量的确定方法，如下：
缩小管内径d1、上部直筒内径d2、出水延伸筒内径d3和进气管直径dg，1-1断面为缩小管断面，2-2断面为突扩断面，3-3断面为水平面，根据bernoulli方程可知：
其中z1、z3为断面1-1、断面3-3相对水体底部的标高，p1和p3分别为断面1-1和断面3-3处压强，v1和v3为缩小管和出水延伸筒内流速，忽略较短的缩小管的沿程阻力，得到：
当已知水泵流量，即可得到v1和v3以及上述方程中各项参数；由于该方程只有1项未知数(△h1)，故当刚能发生吸气现象时，p1和p3均为大气压，从而可以计算出出气口最大水下安装高度δη1＝z3-z1。
根据连续性方程可知：
其中
将
令p1＝0时即可算出最大安装高度。
如图2所示，缩小管内径d1、上部直筒内径d2、出水延伸筒内径d3，进气管直径dg，1-1断面为缩小管断面，0-0断面进气管吸气口断面，根据bernoulli方程可知：
其中：
l---进气管总长，m；
β---气体体积膨胀系数，1/273；
v文---文丘里管中空气流速；
λ---摩擦阻力系数，取工程计算中粗略值0.03；
t---气体平均温度，℃；
k---局部阻力系数，k＝k1+k2，k1＝0.15，为90°弯管处阻力系数，k2＝0.5，为u型管处局部阻力系数；
代入各参数数值得：
其中，δη2＝δη1+0.15(文丘里进气管高于水面0.15m)。
当确定水泵流量q后，可以根据①式确定最大安装高度。安装设备时可以根据情况来确定合适的安装高度。水泵流量q以及安装高度都确定之后，可以根据①式计算得出缩小管处负压的大小，再将求出的负压p1的值代入②式，即可算出文丘里管中空气流速v文，以及曝气量q吸。
顶部水平导流板11的垂直位置可以调节，通过螺纹调节出水延伸筒4与上部直筒的重合程度，可以根据水体情况选择使顶部水平导流板11露出水面或在水面下。
为了防止进气管进水，将进气口设计为u型进气口，进气口开口向下。
将装置整体通过浮体7漂浮垂直立于水面下；同时为了使装置固定，在水体底部设置锚固墩10；水泵1通过尼龙绳9和浮体7相连，浮体7用锚固墩10固定使其不随水体流动；装置与锚固墩10采用锚钩法相连接。
浮体7连接太阳能板钢架，太阳能板接收光能发电，给水泵1供电；浮体7中心开一直径400mm圆洞供出水延伸筒4露出水面，以满足不同的水质改善和水体景观要求。
图6给出了本发明的一种集净化与灯光亮化为一体的人工浮岛的平面布置图，包括pvc加固管16、种植盆17、led灯串18和圆形浮体20。
将圆形浮体20用尼龙扎带固定，拼接组成如图6所示的浮岛，整个浮岛与太阳能钢架之间用尼龙绳连接，太阳能钢架与浮体7之间用尼龙绳连接。整个人工浮岛装置、太阳能发电系统都靠浮体7所受浮力来支撑，用pvc管16对安装完成的浮岛进行加固，然后把浮岛植物19放入种植盆17里，将种植盆17放入浮体上，最后把太阳能led灯串18沿pvc管16布置，在浮岛所围水域里主要种植水生植物——凤眼莲。
种植浮岛植物时，首先要用海绵包裹植物的根茎，并让一部分植物根部露出，然后再将植物放入种植盆17，并扶正，最后将植物盆17放入浮体中。
太阳能led灯串用防水胶带将其电线沿着pvc管16粘贴，围绕浮岛一周，使其在夜晚充分为浮岛植物照明，并美化湖泊、水库、小区人工湖等应用场所。
为了对本发明进一步了解，现对其工作原理做一说明。
本发明提供的集净水与灯光亮化为一体的人工浮岛，其安放在各类景观水体中，实现净化水质与改善景观水体环境多功能作用。人工浮岛种植水生植物，利用植物根系的吸附和吸收作用，以除去水体中过量的氮磷等营养物质，达到净化水质的目的。其曝气充氧系统有着充足的曝气量，并使下部水体经充氧提升至上部水体，形成一定范围内的水体循环。不仅可以解决水质问题，而且整个装置都在水面以下，水面上可以形成一个喷泉景观。其灯光亮化系统一方面在夜晚为植物提供光能，使其有效进行光合作用，从而达到高效净化水质的效果，另一方面，采用装饰灯串布置浮岛，大大增强了应用场所的夜间美化功能，展现了夜晚城市不一样的风貌，满足了现代人们对生活环境的高标准要求。另外，浮岛水生植物也使得应用水域的生物多样性大大增加，为城市的生态建设起到很大的作用，响应了绿色城市的号召。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。