用于水华预警的藻类复苏及垂向迁移监测装置及监测方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于水华预警的藻类复苏及垂向迁移监测装置及监测方法，该装置包括水面控制单元和水底测件单元，水面控制单元设有浮台，浮台上设有第一无线通讯器、信号灯和卷扬机，通过缆绳与测件单元相连接。水底测件单元包括设备箱、测量架和采集箱，设备箱内安装有发动机、处理器和第二无线通讯器，测量架上安装有激光光源和荧光接收器；采集箱底面设置有小孔且内部安装有一块可垂直上下活动的齿板并通过电磁铁控制升降状态，采集箱左右两侧各有一个支架，采集箱右侧和设备箱左侧斜对称分别安装一个卷轴。本发明的特点在于通过实时监测底泥藻细胞休眠后的全生命周期侦测湖库水华暴发前兆，填补了不能对水华实施最早期预报的空白。
【专利说明】用于水华预警的藻类复苏及垂向迁移监测装置及监测方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及水环境保护【技术领域】，特别涉及一种用于水华预警的藻类复苏及垂向 迁移测量装置及监测方法。
【背景技术】
[0002]湖泊水库水华灾害波及面宽，次生灾害严重，快速准确地预警水华暴发对湖库水 环境治理十分重要。水华本质是水生态系统突变后水体中藻类密度从低到高的急剧增长现 象，影响水华暴发的原因包括非生物因素和生物因素两方面，非生物因素(如水流、气象、水 质等)是水华暴发的诱因，而生物因素(藻类生理特性及繁殖策略)是水华暴发的内因。
[0003]已有的水华预测工作往往从较易测量的外因这一角度入手，往往回避了较难测量 的水体藻类自身生理习性特征。目前常采用基于数学模型和原型观测方法进行水华预测， 但这些方法均存在以下一些明显的缺点:
[0004]1、数学模型是求解近似描述水生态系统的常微分方程组，涉及的近似参数往往超 过数十个，只能模拟出水生态系统变化的季度变化趋势，不能实时预报水华，预测误差往往 超过数周乃至数月，即使通过改进模型方程或求解技术也不能克服该问题。
[0005]2、原型观测方法(包括遥感技术)只能在局部水华暴发后进行快速通报预警，不能 做到提前预警预报，究其原因，水华暴发过程非常短暂，在数小时之内藻类就会大量聚集繁 殖覆盖在水面，现有技术只能测量影响水华暴发的环境要素和藻类现有数量，不能实时观 测水中藻类细胞的生理特性及繁殖策略。
[0006]孔繁翔等人所著的文献“大型浅水富营养化湖泊中蓝藻水华形成机理的思考”中 提到根据水生态学基本理论和野外水华过程原位观测表明，湖库水华(如常见蓝藻水华)形 成过程大致分为“藻类休眠”、“藻类复苏”、“生物量增加(生长)”、“上浮及聚集”四个阶段。 由此可知，水华暴发是冬季休眠的藻细胞大量萌发复苏，重新进入上覆水、不断垂向迁移进 入上层水体吸收养分，待环境条件适宜时，在短时间内迅速繁殖聚集的全生命周期行为。
[0007]因此，开展实时水华预警最理想、最适宜的监测阶段应是水华暴发前底泥休眠藻 类细胞的复苏和上浮时段，一旦准确获知该时段底泥-上覆水藻细胞垂向迁移突变数据， 配合以外因监测信息，既可在最早期准确预警水华。由于藻类细胞尺寸微小、活动状态不明 显、底泥边界层出流态不恒定，目前尚无一项技术可以直接连续监测水华暴发前藻类在底 泥休眠之后的复苏、上浮、迁移情况:
[0008]1、现有藻类测量技术主要是在实验室对含藻水样进行抽滤萃取，然后用显微镜观 测计数或者用分光光度法、荧光检测法及高效液相色谱法测定藻类叶绿素及其降解产物。 这些方法虽然准确精密，但是需要将含藻水体样品取回实验室，用实验试剂进行处理，再通 过精密仪器进行观测，操作较为复杂，对监测条件要求也较高，存在明显的时间滞后。例如， 专利申请号为2012103918020、名称为“一种捕集水库藻类垂向迁移装置”的发明专利公 开了一种捕集水库藻类垂向迁移装置，通过水样收集柱和藻类捕集网的方式采集不同水深 (不涉及底泥-上覆水)中藻类样本，带回实验室后再进行测定。[0009]2、常见的藻类监测设备如探头式藻类荧光仪等，由于设计缺陷均只做到对表层水 体中的藻类数量进行测量，都不能够直接、实时、微观监测底泥藻类细胞的复苏以及藻类在 底泥与上覆水之间的垂向迁移情况，不能够及时得知藻类越冬后的复苏时间与迁移通量。
[0010]综上所述，提供一种能够克服上述现有技术中的局限和缺陷且快速准确地预警水 华暴发的测量装置及监测方法，成为本领域技术人员亟待解决的问题。
[0011]公开于该发明【背景技术】部分的信息仅仅旨在加深对本发明的一般【背景技术】的理 解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有 技术。
【发明内容】
[0012]本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种用于水华预警的藻类复苏及垂 向迁移监测装置及监测方法，实时监测底泥中休眠藻类细胞的复苏、底泥与上覆水之间的 垂向迁移的情况，并进行实时数据的存储和传输，从而为潜在水华暴发提供最早期的预警信息。
[0013]为实现上述目的，本发明提供一种用于水华预警的藻类复苏及垂向迁移监测装 置，其包括水面控制单元和水底测件单元两部分；所述水面控制单元设有浮台，所述浮台上 方安装有第一无线通讯器和天线，该浮台下方安装有卷扬机，所述卷扬机通过缆绳与所述 水底测件单元相连接；所述水底测件单元包括设备箱、测量架和采集箱；所述的采集箱的 底面能够粘附藻类细胞，所述采集箱的底面还设置有卷材，该卷材能够粘附脱离了采集箱 底面的藻类细胞；所述的测量架上安装有激光光源和荧光接收器，该激光光源发射激光于 卷材上从而激发卷材上粘附的藻类细胞发出荧光，产生荧光信号被荧光接收器接收；
[0014]所述采集箱的一侧安装一个第一卷轴，所述设备箱的一侧安装一个第二卷轴，该 卷材分别缠绕在第一卷轴和第二卷轴上；
[0015]所述的设备箱内部安装有发动机、处理器和第二无线通讯器，所述发动机为第二 卷轴提供动力；所述处理器用于控制水底测件单元的启动和停止，接收并处理荧光接收器 接收的荧光信号将其转换为数字信号；所述第二无线通讯器能够与第一无线通讯器进行无 线通讯，从而将从所述处理器转换得到的数字信号传输给第一无线通讯器。
[0016]优选地，所述浮台还包括信号灯，该浮台由轻质泡沫塑料制成并通过浮力作用保 证第一无线通讯器、信号灯、天线露出水面；缆绳的一端缠绕于浮台下方的卷扬机上，缆绳 的另一端与水底测件单元的设备箱相连接。
[0017]优选地，所述采集箱底面均匀地分布有多个小孔，采集箱内装有藻类絮凝剂，藻类 絮凝剂通过采集箱底面的小孔渗出，形成胶滴，所述胶滴附着在采集箱底面，用以粘附垂向 迁移上浮的藻类细胞。
[0018]优选地，所述的采集箱内部有一块能够上下活动的齿板和电磁铁，通过电磁铁控 制齿板的升降。
[0019]优选地，采集箱内部的齿板下表面均匀地分布有多个小齿，齿板下落时其上的小 齿与采集箱底面上的小孔咬合。
[0020]优选地，所述采集箱左右两侧各有一个支架，所述发动机驱动第二卷轴使得卷材 从第一卷轴通过支架传输到第二卷轴。[0021]优选地，所述卷材由间隔分布的防水粘性膜构成，卷材的边缘有柔性尼龙绳，每片 防水粘性膜间隔固定在尼龙绳上；卷材的宽度D、每片防水粘性膜的长度LI以及防水粘性 膜间隔长度L2的尺寸大小分别由以下公式计算得出:D=D8-10cm ；L1=L8 ；L2=L8+H8 ;其中， D为卷材的宽度，LI为每片防水粘性膜的长度，L2为防水粘性膜间隔长度，D8为采集箱的 宽度，L8为采集箱的长度，H8为采集箱的高度，单位均为cm。
[0022]优选地，所述齿板下落时，齿板上的小齿穿过采集箱底面上的小孔将采集箱底面 粘附的藻类细胞打离采集箱底面而使藻类细胞粘附于卷材的防水粘性膜上。
[0023]优选地，所述激光光源发出的激光波长范围为400nm到700nm，光强范围为8mW到 12mff,投射在卷材上的光照范围大于卷材上一片防水粘性膜的面积。
[0024]优选地，所述齿板上面的至少两个角部各固定有一个竖直的细杆，细杆的顶端固 接一个磁铁，细杆的一端连接一连杆并通过该连杆与支架的末端相连。
[0025]优选地，所述连杆的中心铰接在采集箱的侧壁，支架的每根竖直杆上都有一个套 筒，套筒固定在采集箱或设备箱的侧壁，套筒的内侧面有一圈橡胶。
[0026]本发明还提供一种监测方法，所述监测方法为使用所述的用于水华预警的藻类复 苏及垂向迁移监测装置对藻类复苏及垂向迁移进行监测，所述监测方法包括如下步骤:
[0027]第一无线通讯器接受信号，设定采集时间间隔At，卷扬机启动将水底测件单元下 放到水中使得藻类细胞粘附于采集箱底面；
[0028]At时间之后，粘附于采集箱底面的藻类细胞脱离采集箱底面而粘附于卷材上；
[0029]激光光源发出激光照射在卷材上并激发其上的藻类细胞发出荧光，产生荧光信号 被荧光接收器接收；
[0030]接收到的荧光信号经过处理传输给第一无线通讯器。
[0031]优选地，所述水底测件单元下放到水中直至采集箱底面至水底泥面的距离为 10 ?20cm。
[0032]优选地，所述采集时间间隔A t为0.75小时?1.5小时。
[0033]优选地，所述荧光信号为光信号，通过所述处理器转换为藻类数量的数字信号进 行储存并通过第二无线通讯器传输给第一无线通讯器。
[0034]本发明的有益效果是:
[0035]1、本发明提供的装置能够长期连续测量底泥-上覆水界面的藻类生长和垂向迁 移情况，填补了水华形成过程中水底藻类生理活动数据缺失的空白。
[0036]2、本发明提供的装置解决了水华暴发前底泥藻类复苏和垂向迁移情况的全自动 现场监测问题，可以准确界定藻类从休眠到复苏的时段，在水华暴发前的最早期就可进行 预警预报，从而为防治水华危害争取了宝贵的提前时间。
[0037]3、本发明装置简单，易于操作，能够与遥感技术及物联网技术结合，可用于远程全 自动的剖面监测系统，具有广阔的应用前景。
【专利附图】
【附图说明】
[0038]图1为根据本发明的用于水华预警的藻类复苏及垂向迁移监测装置的组成示意 图。
[0039]图2为根据本发明的用于水华预警的藻类复苏及垂向迁移监测装置的水面控制单元及其设备的示意图。
[0040]图3为根据本发明的用于水华预警的藻类复苏及垂向迁移监测装置的水底测件 单元及其设备的示意图。
[0041]图4为根据本发明的用于水华预警的藻类复苏及垂向迁移监测装置所用卷材的 示意图。
[0042]图5为根据本发明的用于水华预警的藻类复苏及垂向迁移监测装置的齿板和支 架的示意图。
[0043]图6为根据本发明的用于水华预警的藻类复苏及垂向迁移监测装置的齿板上升 时的原理示意图。
[0044]图7为根据本发明的用于水华预警的藻类复苏及垂向迁移监测装置的齿板下落 时的原理示意图。
[0045]图8为根据本发明的用于水华预警的藻类复苏及垂向迁移监测装置及监测方法 实时监测底泥藻类复苏后垂向迁移数量变化图。
[0046]主要部件符号说明:
[0047]I 浮台
[0048]2 第一无线通讯器
[0049]3 信号灯
[0050]4 天线
[0051]5 缆绳
[0052]6 设备箱
[0053]7 测量架
[0054]8 采集箱
[0055]9 第一卷轴
[0056]10第二卷轴
[0057]11激光光源
[0058]12荧光接收器
[0059]13卷扬机
[0060]14 支架
[0061]15 卷材
[0062]16 套筒
[0063]17 细杆
[0064]18 磁铁
[0065]19 连杆
[0066]20 齿板
[0067]21电磁铁
[0068]D 卷材的宽度
[0069]LI每片防水粘性膜的长度
[0070]L2防水粘性膜间隔长度
[0071]D8采集箱的宽度[0072]L8采集箱的长度
[0073]H8采集箱的高度。
【具体实施方式】
[0074]在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以 很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况 下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
[0075]本发明提供了一种用于水华预警的藻类复苏及垂向迁移的监测装置及监测方法， 该装置包括水面控制单元和水底测件单元两部分。
[0076]水面控制单元设有浮台，浮台上方安装有第一无线通讯器、信号灯、天线，浮台下 方安装有卷扬机，浮台通过卷扬机上的缆绳与水底测件单元相连接。
[0077]水底测件单元由上到下分为设备箱、测量架和采集箱三部分。其中，设备箱内安装 有微型发动机、处理器和第二无线通讯器；测量架上安装有激光光源和荧光接收器；采集 箱底面密布均匀小孔，内部有一块可上下活动的齿板，通过电磁铁控制升降；采集箱左右两 侧各有一个支架，采集箱右侧和设备箱左侧各有一个卷轴用于传输卷材。
[0078]浮台由轻质泡沫塑料制成，所受的浮力保证整个装置的第一无线通讯器、信号灯、 天线能露出水面正常运行。卷扬机设在浮台下侧正中位置，其上缠绕有足够长的缆绳，缆绳 的一端连接在测件的设备箱顶面中心位置。可以通过卷扬机控制水底测件单元在水中的深 度位置。
[0079]水底测件单元的设备箱做防水处理，设备箱内部安装有微型发动机、处理器和第 二无线通讯器。微型发动机为设备箱左侧的第二卷轴提供动力，使卷材从第一卷轴经过设 备箱底面、测量架侧面传输到第二卷轴；处理器采用微型单片机，用于控制水底测件单元所 含各个设备的启动和停止，并接收测量架上荧光接收器接收的荧光信号，将荧光信号转换 为藻类数量的数字数据，也即通过所述处理器将荧光信号转换为藻类数量的数字信号进行 储存，第二无线通讯器能够接收浮台上第一无线通讯器的信号，并将测量的藻类数量的数 字信号的数据传输给第一无线通讯器从而传输给远程控制中心，。
[0080]测量架上安装有激光光源和荧光接收器，用以检测防水粘性膜上所附的藻类的数 量；激光光源和荧光接收器做防水处理。激光光源发出的激光波长范围为400nm到700nm， 光强范围为8mW到12mW，较佳选择10mW，投射的光斑中心在测量架的左侧中心，投射在卷 材上的光照范围大于卷材上一块防水粘性膜的面积，具体地，一块防水粘性膜的面积为 DXLI，其中，D为卷材的宽度，LI为每片防水粘性膜的长度。
[0081]所述采集箱左右两侧各有一个支架，采集箱的右侧安装一个第一卷轴，其上的卷 材可由第一卷轴通过支架传输到设备箱左侧的第二卷轴。第二卷轴为主动轴，与设备箱里 的微型发动机相连，为卷材传输提供动力。该卷材为间隔分布的防水粘性膜，卷材的边缘有 柔性细尼龙绳，防水粘性膜固定在尼龙绳上。
[0082]卷材的宽度D、每片防水粘性膜的长度LI以及防水粘性膜间隔长度L2的尺寸大 小分别由以下公式计算得出:D=D8-10cm (公式I) ；L1=L8 (公式2) ；L2=L8+H8 (公式3);其 中，D为卷材的宽度，LI为每片防水粘性膜的长度，L2为防水粘性膜间隔长度，D8为采集箱 的宽度，L8为采集箱的长度，H8为采集箱的高度，单位均为cm。[0083]采集箱的底面分布有密集均匀的小孔，采集箱内装有藻类絮凝剂，絮凝剂会由箱 底的小孔渗出，在水解作用下生成胶体，从而形成一层密集的胶滴粘附在箱底，用以粘附从 底泥垂向迁移上浮的藻细胞。
[0084]采集箱内部有一通过电磁铁控制的可上下活动的齿板，板上分布有密集均匀的小 齿；当齿板下落时，其上的小齿与采集箱底面上的小孔咬合，小齿穿过小孔，将采集箱底面 粘附有藻类的胶滴打离采集箱底面。同时，齿板下落带动支架升起，其上的卷材也上移，此 时采集箱下方的卷材处于防水粘性膜段并且具有粘性的一面朝上，防水粘性膜上移贴在采 集箱底面，将脱落的带藻胶滴粘住，并随之传输到测量架。
[0085]为达到上述齿板可以通过电磁铁控制而上下活动的目的，采取如下技术方案:齿 板上表面的四角各固定有一个竖直的细杆，细杆的顶端固接一个磁铁，当电磁铁正向通电 时，电磁铁下端的磁极与磁铁上端的磁极相异，电磁铁吸引磁铁，使细杆上移，从而带动齿 板上移；当电磁铁反向通电时，电磁铁下端的磁极与磁铁上端的磁极相同，电磁铁排斥磁 铁，使细杆下移，从而带动齿板下移。
[0086]为达到上述齿板下落带动支架升起的目的，采取如下技术方案:齿板上的细杆通 过连杆与支架竖直杆的末端相连，连杆的中心铰接在采集箱的侧壁，支架的每根竖直杆上 都套有一个套筒，套筒固定在采集箱或设备箱的侧壁，套筒内侧面有一圈橡胶，使竖直杆在 摩擦力作用下保证卷材传输时支架静止不动；当齿板下落时，拉动连杆使支架的竖直杆上 升，从而支架上升；当齿板上升时，推动连杆使支架的竖直杆下落，从而支架下落。
[0087]为达到上述齿板上升带动支架下落的目的，采取如下技术方案:齿板和支架的结 构同上，当齿板上升时，推动连杆使支架的竖直杆下落，从而支架下落。
[0088]本发明的监测方法如下所述。装置运行时，根据第一无线通讯器接受到的信号，设 定采集时间间隔At，该采集时间间隔At为0.75小时?1.5小时，较佳选择I小时。卷扬 机启动，根据接收的测点水深信号，将水底测件单元下放到水中直至采集箱的底面距离底 泥10-20cm。初始时，水底测件单元处于采集状态，采集箱下方的卷材处于间隔处，即采集箱 下方只有两根细尼龙绳。电磁铁通正向电流，齿板处在抬升状态，支架处在下落状态。藻类 絮凝剂通过采集箱下底面的小孔渗出，形成胶滴附着在底面上，当有藻类上浮到达采集箱 底面时，就会被粘附在胶滴上。
[0089]At时间之后，水底测件单元达到测量状态，设备箱里的微型发动机启动，带动第 二卷轴转动，使卷材开始从第一卷轴向第二卷轴传输，当一片防水粘性膜恰好位于采集箱 的正下方(即传输距离为LI)，微型发动机停止。上述过程结束后，微型电磁铁自动转为通反 向电流，齿板下落，支架上升，使防水粘性膜贴在采集箱的底面，齿板上的小齿穿过采集箱 底面的小孔，将粘附有藻类的胶滴打离采集箱底面，粘在防水粘性膜上。
[0090]随后，电磁铁自动重新通正向电流，齿板上升，支架下落，微型发动机启动，卷材开 始从第一卷轴向第二卷轴传输，到粘附有藻类的防水粘性膜恰好竖直位于测量架左侧，采 集箱的正下方和左侧壁对着卷材的间隔处(即传输距离为L2)，微型发动机停止，水底测件 单元回到采集状态。此时，测量架上的激光光源打开，发出激光照射在竖直位于测量架左侧 壁中间的防水粘性膜上，光线范围大于一片防水粘性膜面积。粘附在防水粘性膜上的藻类 因为具有荧光特性，体内的叶绿素在激光的照射下发出荧光，激发出的荧光被荧光接收器 接收。接受到的荧光信号传输到设备箱中的处理器，将光信号转换为藻类数量的数字信号，将数据储存并通过第二无线通讯器传输给第一无线通讯器，从而传输给远程控制中心。
[0091]下面通过具体实施例并结合附图对本发明技术方案进行详细说明。
[0092]如图1所示，本发明提供一种用于水华预警的藻类复苏及垂向迁移监测装置，其 包括水面控制单元和水底测件单元两部分。
[0093]水面控制单元设有浮台1，浮台I上有第一无线通讯器2、信号灯3、天线4，浮台I 下方安装有卷扬机13，浮台I通过卷扬机13上的缆绳5与水底测件单元相连接。
[0094]水底测件单元由上到下分为设备箱6、测量架7和采集箱8三部分；设备箱6内安 装有微型发动机、处理器和第二无线通讯器(上述微型发动机、处理器和第二无线通讯器在 图中未示出)；测量架7上安装有激光光源11和荧光接收器12 ;采集箱8底面密布均匀小 孔，内部有一块可上下活动的齿板20，通过电磁铁21控制升降；采集箱8左右两侧各有一 个支架14，采集箱右侧和设备箱左侧分别有一个第一卷轴9和第二卷轴10。
[0095]该浮台I及其上设备如图2所示,浮台I为底面半径100cm、高150cm的圆柱体,底 部50cm高度为空腔。浮台I由轻质泡沫塑料制成，所受的浮力保证第一无线通讯器2、信号 灯3、天线4露出水面。
[0096]该水底测件单元部分如图3所示，其中的设备箱6的尺寸为IIOcmX IIOcmX 50cm，
设备箱的内部安装有微型发动机、处理器和第二无线通讯器。
[0097]测量架7的高度为110cm，由4根直径2cm的圆杆组成；采集箱8的尺寸为 IlOcmX IlOcmX 30cm,顶面和侧壁厚度为0.5cm,底面厚度为0.2cm。第一卷轴9和第二卷 轴10的长度均为110cm。
[0098]由公式I至公式3计算得出，卷材15的宽度D为100cm，每片防水粘性膜的长度 LI为IlOcm,间隔长度L2为140cm,该卷材尺寸示意图如图4所示。
[0099]齿板20和支架14的示意图如图5所示，齿板20的尺寸为109cmX 109cm，板厚
0.2cm,其上的小齿高为0.3cm,优选形状为梯形台的形状；细杆17的直径为0.5cm,高度为 17cm ;磁铁18为底面直径5cm、高3cm的圆柱体磁铁；连杆19的长度为5cm,两端和中心各 有一个连接铰；支架14的竖直杆直径为0.5cm，长20cm，水平杆直径0.5cm，长102cm ;套筒 16长3cm,外径Icm,内侧橡胶圈的内径为0.5cm。采集箱8的底面小孔的直径为2mm,相邻 两孔的距离为5mm (相邻小孔圆心的距离)。藻类絮凝剂选用聚氯化铝(PAC)絮凝剂。
[0100]装置运行时，启动卷扬机13，将水底测件单元下放到水中直至采集箱8的底面距 离底泥约20cm，设定采集时间间隔为I小时。初始时，水底测件单元处于采集状态，采集箱 8下方的卷材15处于间隔处，即采集箱下方只有两根细尼龙绳。电磁铁21通正向电流，吸 住细杆17上的磁铁18，齿板20处在抬升状态，支架14处在下落状态，如图6所示。藻类絮 凝剂通过采集箱8下底面的小孔渗出，形成胶滴附着在底面上，当有藻类上浮接近胶滴时， 就会被粘附在胶滴上。
[0101]一个小时之后，水底测件单元达到测量状态，设备箱6里的微型发动机启动，带动 第二卷轴10转动，使卷材15开始从第一卷轴9向第二卷轴10传输，到一片防水粘性膜恰 位于采集箱8的正下方(传输距离为LI，其值为IlOcm)，微型发动机停止。随后，微型电磁 铁21自动转为通反向电流,如图7所示，电磁铁21排斥磁铁18,细杆17下落,带动齿板20 同时下落，并通过连杆19带动支架14上的竖直杆上升，从而支架14上升，使防水粘性膜贴 在采集箱8的底面，齿板20上的小齿穿过采集箱8底面的小孔，将粘附有藻类的胶滴打离采集箱8，粘在防水粘性膜上。
[0102]随后，电磁铁21自动转回通正向电流，齿板20上升，支架14下落，微型发动机启 动，卷材15开始从第一卷轴9向第二卷轴10传输，到粘附有藻类的防水粘性膜恰好竖直 位于测量架7左侧壁的中间，采集箱8的正下方和左侧壁对着卷材的间隔处(传输距离为 L2=140cm)，微型发动机停止，水底测件单元回到采集状态。
[0103]此时，测量架7上的激光光源11打开，发出激光照射在竖直位于测量架7左侧壁 中间的防水粘性膜上，光线范围大于膜面积。粘附在膜上的藻类因为具有荧光特性，即体内 的叶绿素在激光的照射下发出荧光，激发出的荧光被荧光接收器12接收，将接受到的荧光 信号传输到设备箱6中的处理器，处理后得出藻类的数量，将数据储存并通过第二无线通 讯器传输给第一无线通讯器2，从而传输给远程控制中心。
[0104]按照上述过程，装置可以进行长时间的连续“采集”和“测量”工作，即可得到底泥 复苏上浮后向上覆水垂向迁移的连续变化过程。图8为装置在某河道型水库壅水区进行 藻类复苏及垂向迁移连续监测的第7天时的底泥藻类向上覆水垂向迁移的数量与时间的 关系图，从图中可以看出，底泥藻类的复苏时间约在这一天的第8个监测时段(即上午8时 左右)，此后藻类垂向迁移上浮的数量越来越多，在第10到11个监测时段的上浮增量达到
1.086 X IO7 个/L.hr。
[0105]综上，按照上述过程长时间连续采集，即可实时监测底泥藻类复苏后向上覆水垂 向迁移通量，当监测数据值发生显著增长变化时表明底泥藻类开始复苏进入上浮及聚集阶 段，在环境适宜条件下(如高温、强光)就极可能暴发水华并发出警报。
[0106]上述实施例是用于例示性说明本发明的原理及其功效，但是本发明并不限于上述 实施方式。本领域的技术人员均可在不违背本发明的精神及范畴下，在权利要求保护范围 内，对上述实施例进行修改。因此本发明的保护范围，应如本发明的权利要求书覆盖。
【权利要求】
1.一种用于水华预警的藻类复苏及垂向迁移监测装置，其包括水面控制单元和水底测件单元两部分；所述水面控制单元设有浮台(I)，所述浮台(I)上方安装有第一无线通讯器(2 )和天线(4)，该浮台(I)下方安装有卷扬机(13)，所述卷扬机(13)通过缆绳(5)与所述水底测件单元相连接；所述水底测件单元包括设备箱(6)、测量架(7)和采集箱(8)；所述的采集箱(8)的底面能够粘附藻类细胞，所述采集箱(8)的底面还设置有卷材 (15)，该卷材(15)能够粘附脱离了采集箱(8)底面的藻类细胞；所述的测量架(7)上安装有激光光源(11)和荧光接收器(12)，该激光光源(11)发射激光于卷材(15)上从而激发卷材(15)上粘附的藻类细胞发出荧光，产生荧光信号被荧光接收器(12)接收；所述采集箱(8)的一侧安装一个第一卷轴(9)，所述设备箱(6)的一侧安装一个第二卷轴(10 )，该卷材(15 )分别缠绕在第一卷轴(9 )和第二卷轴(10 )上；所述的设备箱(6)内部安装有发动机、处理器和第二无线通讯器，所述发动机为第二卷轴(10)提供动力；所述处理器用于控制水 底测件单元的启动和停止，接收并处理荧光接收器(12)接收的荧光信号将其转换为数字信号；所述第二无线通讯器能够与第一无线通讯器(2)进行无线通讯，从而将从所述处理器转换得到的数字信号传输给第一无线通讯器。
2.根据权利要求1所述的用于水华预警的藻类复苏及垂向迁移监测装置，其特征在于，所述浮台(I)还包括信号灯(3)，该浮台(I)由轻质泡沫塑料制成并通过浮力作用保证第一无线通讯器(2)、信号灯(3)、天线(4)露出水面；缆绳(5)的一端缠绕于浮台(I)下方的卷扬机(13)上，缆绳(5)的另一端与水底测件单元的设备箱(6)相连接。
3.根据权利要求1所述的用于水华预警的藻类复苏及垂向迁移监测装置，其特征在于，所述采集箱(8)底面分布有多个小孔，采集箱(8)内装有藻类絮凝剂，藻类絮凝剂通过采集箱(8)底面的小孔渗出，形成胶滴，所述胶滴附着在采集箱(8)底面，用以粘附垂向迁移上浮的藻类细胞。
4.根据权利要求3所述的用于水华预警的藻类复苏及垂向迁移监测装置，其特征在于，所述的采集箱(8)内部有一块能够上下活动的齿板(20)和电磁铁(21)，通过电磁铁(21)控制齿板(20)的升降。
5.根据权利要求4所述的用于水华预警的藻类复苏及垂向迁移监测装置，其特征在于，采集箱(8)内部的齿板(20)下表面分布有多个小齿，齿板(20)下落时其上的小齿与采集箱(8)底面上的小孔咬合。
6.根据权利要求5所述的用于水华预警的藻类复苏及垂向迁移监测装置，其特征在于，所述采集箱(8)左右两侧各有一个支架(14)，所述发动机驱动第二卷轴(10)使得卷材(15)从第一卷轴(9)通过支架(14)传输到第二卷轴(10)。
7.根据权利要求6所述的用于水华预警的藻类复苏及垂向迁移监测装置，其特征在于，所述卷材(15)由间隔分布的防水粘性膜构成，卷材(15)的边缘有柔性尼龙绳，每片防水粘性膜间隔固定在尼龙绳上；卷材的宽度(D)、每片防水粘性膜的长度(LI)以及防水粘性膜间隔长度(L2)的尺寸大小分别由以下公式计算得出:D=D8_10cm ；L1=L8 ；L2=L8+H8 ；其中，D为卷材(15)的宽度，LI为每片防水粘性膜的长度，L2为防水粘性膜间隔长度， D8为采集箱(8)的宽度，L8为采集箱(8)的长度，H8为采集箱(8)的高度，单位均为cm。
8.根据权利要求7所述的用于水华预警的藻类复苏及垂向迁移监测装置，其特征在于，所述齿板(20)下落时，齿板(20)上的小齿穿过采集箱(8)底面上的小孔将采集箱(8) 底面粘附的藻类细胞打离采集箱(8)底面而使藻类细胞粘附于卷材(15)的防水粘性膜上。
9.根据权利要求8所述的用于水华预警的藻类复苏及垂向迁移监测装置，其特征在于，所述激光光源(11)发出的激光波长范围为400nm到700nm，光强范围为8mW到12mW，投射在卷材(15)上的光照范围大于卷材(15)上一片防水粘性膜的面积。
10.根据权利要求6所述的用于水华预警的藻类复苏及垂向迁移监测装置，其特征在于，所述齿板(20)上面的至少两个角部各固定有一个竖直的细杆(17)，细杆(17)的顶端固接一个磁铁(18)，细杆(17)的一端连接一连杆(19)并通过该连杆(19)与支架(14)的末端相连。
11.根据权利要求10所述的用于水华预警的藻类复苏及垂向迁移监测装置，其特征在于，所述连杆(19)的中心铰接在采集箱(8)的侧壁，支架(14)的每根竖直杆上都有一个套筒(16 )，套筒(16 )固定在采集箱(8 )或设备箱(6 )的侧壁，套筒(16 )的内侧面有一圈橡胶。
12.—种监测方法，所述监测方法为使用权利要求1至11中任一项所述的用于水华预警的藻类复苏及垂向迁移监测装置对藻类复苏及垂向迁移进行监测，其特征在于，所述监测方法包括如下步骤:第一无线通讯器(2)接受.信号，设定采集时间间隔At，卷扬机(13)启动将水底测件单元下放到水中使得藻类细胞粘附于采集箱(8)底面；At时间之后，粘附于采集箱(8)底面的藻类细胞脱离采集箱(8)底面而粘附于卷材(15)上；激光光源(11)发出激光照射在卷材(15)上并激发其上的藻类细胞发出荧光，产生荧光信号被荧光接收器(12)接收；接收到的荧光信号经过处理传输给第一无线通讯器(2 )。
13.根据权利要求12所述的监测方法，其特征在于，所述水底测件单元下放到水中时， 采集箱(8)底面至水底泥面的距离为10?20cm。
14.根据权利要求12所述的监测方法，其特征在于，所述采集时间间隔At为0.75小时?1.5小时。
15.根据权利要求12所述的监测方法，其特征在于，所述荧光信号为光信号，通过所述处理器转换为藻类数量的数字信号进行储存并通过第二无线通讯器传输给第一无线通讯器⑵。
【文档编号】G01N21/64GK103439303SQ201310346478
【公开日】2013年12月11日 申请日期:2013年8月9日 优先权日:2013年8月9日
【发明者】戴会超, 毛劲乔, 张培培, 戴凌全 申请人:中国长江三峡集团公司