水利工程影响下的水华生消多功能实验研究系统及运行方法
【专利摘要】本发明公开一种水利工程影响下的水华生消多功能实验研究系统，包括预处理系统、动水循环实验台、动水调控系统和监测分析系统。预处理系统用于为动水循环实验台提供不同背景浓度的含藻实验用水；动水循环实验台用于实现平滑连续水流环境下的藻类无损生长环境；动水调控系统根据实验中设定的上、下游水利工程调度工况，通过调节供水槽的供水流量模拟出河道型水库上、下游水利工程来流流量变化过程；监测分析系统包括水位传感器、流速仪、流量计、视频传感器、叶绿素荧光仪和计算机。本发明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。
【专利说明】水利工程影响下的水华生消多功能实验研究系统及运行方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种水利工程影响下的水华生消多功能实验研究系统，属于水利水电工程及水环境实验【技术领域】。
【背景技术】
[0002]水华是全球地表水的普遍问题,我国有超过一半的湖泊与水库存在水华问题。水体中藻类过量繁殖聚集形成水华，会造成社会、经济、生态、生产、生活等多方面不利影响；例如，在2007年5~6月间，太湖暴发的大范围蓝藻水华引起了周边城市大面积饮用水供给困难，治理成本难以估计。另一方面，我国各大流域已建、在建有大量的水利工程，人类活动对江河湖泊水质的胁迫性显著增加。因此，我国地表水水华治理工作需要尤其关注水利工程影响下的水华生消变化及调控原理、方法与技术，明确水利工程调度运行对水华生长与消亡(水华生消)的影响途径与程度，以形成有利于抑制水华的水利工程优化运行调度方法。
[0003]已有监测研究表明，水华生消与水动力特性存着在密切关系；但由于复杂水体中水华爆发并无明显迹象，在水利工程施加的各种动力扰动作用下，对其开展原型观测十分困难。较为合理的研究手段是:在大量针对性室内水华生消模拟实验的基础上，通过深入研究分析水利工程影响下复杂水动力环境变化对藻类生长与消亡特征的影响机制，为建立水华预警方法以及形成有效治理技术提供数据与原理支持。
[0004]现有模拟地表水水华生消过程的技术手段普遍存在着一些缺陷与局限:
[0005](I) 一类技术是采用小型容器，如试管、烧杯和反应柱等，培养与观察不同环境条件下的藻类生理变化过程；这类方法简单易行，但侧重于分析光温等因素对藻类生长的影响，不涉及水动力变化对水华生消的影响；虽有专利201310001856.6提出了研究紊流脉动强度对藻类生长及优势藻类演替影响的方法，但限于在水箱内放置振动格栅研究，并非针对大尺度水平对流的作用；
[0006](2)另有方法在上述技术基础上增加了模拟水体水平流动的功能，可用于模拟不同流速、不同水质条件对藻类生长规律的影响，但该类方法需采用水泵或水车等传统抽水设备驱动水体单向或循环流动，会使水槽内的流速分布不均匀，也会影响藻类培养水动力环境的连续性，更会对水中藻类细胞产生较大损伤，从而使实验结果受到较大的影响，是一种藻类有损实验方法；
[0007](3)现有技术只能模拟出一定理想流速条件下藻类生长环境，距实际情况有较大差异，不能反映出现实中常见的水利工程对水动力条件、及其对水华生消过程所施加的或扰动、或诱发、或增强、或抑制等多重作用，不能体现出我国地表水水华问题很大程度上是受到水利工程影响这一现实情况，难以为水利工程优化调度抑制水华的技术研发提供支持。
【发明内容】
[0008]发明目的:本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种水利工程影响下的水华生消多功能实验研究系统，能够实现平滑连续水流环境下的藻类无损生长环境，也能够真实体现上下游水利工程的影响作用，实现定量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。
[0009]技术方案:本发明所述的水利工程影响下的水华生消多功能实验研究系统，包括预处理系统、动水循环实验台、动水调控系统和监测分析系统，其中:
[0010]所述预处理系统用于为动水循环实验台提供不同背景浓度的含藻实验用水，包括含藻水培养单元、底质水存储单元、实验用水配合单元和输水单元；所述含藻水培养单元为藻类培养器，由透明培养罐、磁性搅动器、照明单元、充气泵和培养控制器组成，通过输水单元向实验用水配合单元提供叶绿素浓度为C的含藻水，C不低于0.3mg/L ;所述底质水存储单元为储水罐，与含藻水培养单元并联，通过输水单元向实验用水配合单元提供不含藻类的底质水，所述底质水为洁净水或含有一定氮浓度和一定磷浓度的水体；所述实验用水配合单元为封闭水箱,前侧有两个进水口，分别通过输水单元与含藻水培养单元和底质水存储单元相连，后侧有一个出水口，通过输水单元与动水循环实验台相连；
[0011]所述动水循环实验台用于实现平滑连续水流环境下的藻类无损生长环境，包括无损循环系统、升降系统和动力系统；所述无损循环系统由两个首尾连通、并行安置的装置组成，每一个装置依次包括:蓄水槽、蓄水槽连接段、供水槽、供水槽连接段、试验水槽、试验水槽连接段；所述的试验水槽连接段又与另一装置的蓄水槽连接，形成循环；其中每一个装置所含的供水槽有两个，并排安置；所述升降系统包括蓄水槽位置感应器、供水槽位置感应器、试验水槽位置感应器 、供水槽水位感应器、供水槽固定板及供水槽升降装置；所述动力系统包括供水槽活动底板、活动底板位置感应器和活动底板升降装置；所述蓄水槽的蓄水能力大于两个供水槽的蓄水能力之和，蓄水槽与蓄水槽连接段连接的一侧设有两个并行的蓄水槽闸门，可在竖向方向控制升降，其位置分别与并列的两个供水槽相对；所述蓄水槽连接段固接在蓄水槽底板和蓄水槽闸门的下游处，过流表面采用流线型，下游末端装有供水槽位置感应器；所述供水槽连接段设置在试验水槽靠近供水槽的一端，通过导轨与滚轮的作用可在竖直方向上调整位置，过流表面采用流线型；所述试验水槽连接段设置在试验水槽靠近另一组的蓄水槽的一端，通过导轨与滚轮的作用可在竖直方向上调整位置，过流表面采用流线型；所述两个供水槽并列设置，靠向试验水槽一侧设有供水槽闸门，可在竖向方向控制升降，靠向蓄水槽的一侧顶部设有蓄水槽位置感应器，靠向试验水槽的一侧顶部设有试验水槽位置感应器,供水槽的侧板内壁设有供水槽水位感应器、活动底板位置感应上限点及活动底板位置感应下限点；所述试验水槽底部设有可调螺栓，可根据要求对水槽底部坡降进行调节，试验水槽靠近供水槽的一端，顶部设有两个供水槽位置感应器分别对应两个供水槽；所述供水槽固定板与下方的供水槽升降装置固接，供水槽固定板上安置有活动底板升降装置，所述的供水槽活动底板与下方的活动底板升降装置固定连接，所述供水槽活动底板的边缘设有活动底板位置感应器；
[0012]所述动水调控系统包括上游水利工程模拟单元和下游水利工程模拟单元，直接选用动水循环实验台的部分组件构成；所述上游水利工程模拟单元由位于试验水槽来流方向上游的、所述动水循环实验台的供水槽及供水槽闸门构成，可根据实验中设定的上游水利工程调度工况，通过调节供水槽的供水流量模拟出河道型水库上游水利工程来流流量变化过程；所述的下游水利工程模拟单元由位于试验水槽水流方向下游的、所述动水循环实验台的蓄水槽及蓄水槽闸门构成，可根据实验工况设定的下游水利工程调度工况，通过调节供水槽的供水流量模拟出河道型水库下游水利工程出流量变化过程；
[0013]所述监测分析系统包括若干个水位传感器、流速仪、流量计、视频传感器和叶绿素荧光仪，通过线路与计算机相连接；所述流量计用于实时监控试验水槽内的水位、流速和流量变化，等距布置在试验水槽的内侧壁，相同仪器的间距D ≤0.2m ;所述视频传感器设置在试验水槽的上方和外侧，用于采集试验水槽内整体流态与水华表观视频信号；所述叶绿素荧光仪设置在试验水槽的上方，用于测量试验水槽内水利工程影响下的叶绿素浓度时空变化。
[0014]进一步地，所述实验用水配合单元的每个进出水口均设置控制水流大小的阀门，根据实验所需的水质背景浓度，按不同比例引入含藻水与底质水，混合均匀后供给动水循
环实验台；其中，含藻水和底质水的水量混合比例μ的计算方法为:=μc合/c-c合式中c合为
实验用水所需的藻类浓度，c为含藻水培养单元所提供含藻水的藻类浓度。
[0015]优选地，所述输水单元为透明柔性材料输水管，近水平小角度倾斜安置在架子上，避免倾角过大出现急流影响水中藻类细胞活性。
[0016]优选地，所述供水槽水位感应器距离供水槽上边缘5cm，为供水槽蓄满水时的水位，所述活动底板位置感应上限点及活动底板位置感应下限点可在竖直方向上调整位置。
[0017]优选地，所述的供水槽升降装置及活动底板升降装置均为螺旋抬升结构。
[0018]利用所述的水利工程影响下的水华生消多功能实验研究系统的运行方法，其中:
[0019]动水循环实验台按如下方法运行以实现平滑连续水流下的藻类无损生长环境:
[0020](1-1)实验台运行前的准备工作:蓄水槽的设定水深为H1，试验水槽的设定水深为h;两个并列的供水槽中有一个处于供水状态，其上的试验水槽位置感应器与试验水槽上的供水槽位置感应器接触；
[0021]针对实验设计工况条件中试验水槽的所需流速V，此时所对应的供水需求流量Q为:Q=v (h.b3)，式中，b3为试验水槽的宽度；
[0022]为满足该供水需求流量Q，首先操作调整活动底板位置感应上限点的位置，使活动底板位置感应上限点与上方的供水槽水位感应器距离为H2, H2可由雷伯克堰流计算公式得出:
[0023]g-(l-728+°'24(H?- + Q.001 -)/>2(H2 + 0.001 I)1
[0024]式中Q为供水需求流量，b2为供水槽闸门的宽度，P2为供水槽闸门开启后闸门上沿与供水槽活动底板之间的高差；
[0025](1-2)实验运行中的供水控制方法:处于供水状态的供水槽的供水槽闸门立即下降，使其闸门上沿与活动底板位置感应上限点在同一高程，同时供水槽活动底板升降装置推动供水槽活动底板以一定速度Vd向上做匀速运动，此状态下的供水流量为上述的供水需求流量Q，其中运动速度vd为:
[0026]vd=Q/Ad
[0027]其中，Q为供水需求流量，Ad为供水槽活动底板的面积；
[0028]此过程中，水流以恒定流量Q流入试验水槽，直到活动底板位置感应器与活动底板位置感应上限点相遇为止；此时，立刻关闭该供水槽的供水槽闸门，转而由另一个供水槽按照步骤(1)和重复前一供水槽的供水过程；
[0029](1-3)实验运行中的补水方法:当步骤(1-2)中的原实施供水工作的供水槽停止供水并关闭其供水槽闸门后，该供水槽在供水槽升降装置的作用下下移，直至其顶部蓄水槽位置感应器与蓄水槽连接段上的供水槽位置感应器相遇；水流经由蓄水槽连接段流入该供水槽，补水流量％为:
[0030]
【权利要求】
1.一种水利工程影响下的水华生消多功能实验研究系统，其特征在于:包括预处理系统(I)、动水循环实验台(2)、动水调控系统(3)和监测分析系统(4)，其中: 所述预处理系统(I)用于为动水循环实验台(2)提供不同背景浓度的含藻实验用水，包括含藻水培养单元(1001 )、底质水存储单元(1002)、实验用水配合单元(1003)和输水单元(1004);所述含藻水培养单元(1001)为藻类培养器，由透明培养罐、磁性搅动器、照明单元、充气泵和培养控制器组成，通过输水单元(1004)向实验用水配合单元(1003)提供叶绿素浓度为c的含藻水，c不低于0.3mg/L ;所述底质水存储单元(1002)为储水罐，与含藻水培养单元(1001)并联，通过输水单元(1004)向实验用水配合单元(1003)提供不含藻类的底质水，所述底质水为洁净水或含有一定氮浓度和一定磷浓度的水体；所述实验用水配合单元(1003)为封闭水箱，前侧有两个进水口，分别通过输水单元(1004)与含藻水培养单元(1001)和底质水存储单元(1002)相连，后侧有一个出水口，通过输水单元(1004)与动水循环实验台(2)相连； 所述动水循环实验台(2)用于实现平滑连续水流环境下的藻类无损生长环境，包括无损循环系统、升降系统和动力系统；所述无损循环系统由两个首尾连通、并行安置的装置组成，每一个装置依次包括:蓄水槽(2001)、蓄水槽连接段(2002)、供水槽(2003)、供水槽连接段(2004)、试验水槽(2005)、试验水槽连接段(2006);所述的试验水槽连接段(2006)又与另一装置的蓄水槽(2001)连接，形成循环；其中每一个装置所含的供水槽(2003)有两个，并排安置；所述升降系统包括蓄水槽位置感应器(2011)、供水槽位置感应器(2012)、试验水槽位置感应器(2013)、供水槽水位感应器(2014)、供水槽固定板(2015)及供水槽升降装置(2016);所述动力系统包括供水槽活动底板(2021)、活动底板位置感应器(2022)和活动底板升降装置(2023);所述蓄水槽(2001)的蓄水能力大于两个供水槽(2003)的蓄水能力之和，蓄水槽(2001)与蓄水槽连接段(2002)连接的一侧设有两个并行的蓄水槽闸门(2101)，可在竖向方向控制升降，其位置分别与并列的两个供水槽(2003)相对；所述蓄水槽连接段(2002)固接在 蓄水槽底板和蓄水槽闸门(2101)的下游处，过流表面采用流线型，下游末端装有供水槽位置感应器(2012);所述供水槽连接段(2004)设置在试验水槽(2005)靠近供水槽(2003)的一端，通过导轨与滚轮的作用可在竖直方向上调整位置，过流表面采用流线型；所述试验水槽连接段(2006)设置在试验水槽(2005)靠近另一组的蓄水槽(2001)的一端，通过导轨与滚轮的作用可在竖直方向上调整位置，过流表面采用流线型；所述两个供水槽(2003)并列设置，靠向试验水槽(2005) —侧设有供水槽闸门(2102)，可在竖向方向控制升降，靠向蓄水槽(2001)的一侧顶部设有蓄水槽位置感应器(2011)，靠向试验水槽(2005)的一侧顶部设有试验水槽位置感应器(2013)，供水槽(2003)的侧板内壁设有供水槽水位感应器(2014)、活动底板位置感应上限点(2201)及活动底板位置感应下限点(2202);所述试验水槽(2005)底部设有可调螺栓，可根据要求对水槽底部坡降进行调节，试验水槽(2005)靠近供水槽(2003)的一端，顶部设有两个供水槽位置感应器(2012)分别对应两个供水槽(2003);所述供水槽固定板(2015)与下方的供水槽升降装置(2016)固接，供水槽固定板(2015)上安置有活动底板升降装置(2023)，所述的供水槽活动底板(2021)与下方的活动底板升降装置(2023)固定连接，所述供水槽活动底板(2021)的边缘设有活动底板位置感应器(2022)； 所述动水调控系统(3)包括上游水利工程模拟单元(3001)和下游水利工程模拟单元(3002)，直接选用动水循环实验台(2)的部分组件构成；所述上游水利工程模拟单元(3001)由位于试验水槽(2005 )来流方向上游的、所述动水循环实验台(2 )的供水槽(2003 )及供水槽闸门(2102)构成，可根据实验中设定的上游水利工程调度工况，通过调节供水槽(2003)的供水流量模拟出河道型水库上游水利工程来流流量变化过程；所述的下游水利工程模拟单元(3002)由位于试验水槽(2005)水流方向下游的、所述动水循环实验台(2)的蓄水槽(2001)及蓄水槽闸门(2101)构成，可根据实验工况设定的下游水利工程调度工况，通过调节供水槽(2003)的供水流量模拟出河道型水库下游水利工程出流量变化过程； 所述监测分析系统(4)包括若干个水位传感器(4001)、流速仪(4002)、流量计(4003)、视频传感器(4004)和叶绿素荧光仪(4005)，通过线路与计算机(4006)相连接；所述流量计(4003)用于实时监控试验水槽(2005)内的水位、流速和流量变化，等距布置在试验水槽(2005)的内侧壁，相同仪器的间距D ≤0.2m ;所述视频传感器(4004)设置在试验水槽(2005)的上方和外侧，用于采集试验水槽(2005)内整体流态与水华表观视频信号；所述叶绿素荧光仪(4005)设置在试验水槽(2005)的上方，用于测量试验水槽(2005)内水利工程影响下的叶绿素浓度时空变化。
2.根据权利要求1所述的水利工程影响下的水华生消多功能实验研究系统，其特征在于:所述实验用水配合单元(1003)的每个进出水口均设置控制水流大小的阀门，根据实验所需的水质背景浓度，按不同比例引入含藻水与底质水，混合均匀后供给动水循环实验台(2);其中，含藻水和底质水的水量混合比例μ的计算方法为:μ=c合/c-c合 式中C合为实验用水所需的藻类浓度，c为含藻水培养单元(1001)所提供含藻水的藻类浓度。
3.根据权利要求1所述的水利工程影响下的水华生消多功能实验研究系统，其特征在于:所述输水单元(1004)为透明柔性材料输水管，近水平小角度倾斜安置在架子上，避免倾角过大出现急流影响水中藻类细胞活性。
4.根据权利要求1所述的水利工程影响下的水华生消多功能实验研究系统，其特征在于:所述供水槽水位感应器(2014)距离供水槽(2003)上边缘5cm，为供水槽(2003)蓄满水时的水位，所述活动底板位置感应上限点(2201)及活动底板位置感应下限点(2202)可在竖直方向上调整位置。
5.根据权利要求1所述的水利工程影响下的水华生消多功能实验研究系统，其特征在于:所述的供水槽升降装置(2016)及活动底板升降装置(2023)均为螺旋抬升结构。
6.根据权利要求1-5所述的水利工程影响下的水华生消多功能实验研究系统的运行方法，其特征在于: 动水循环实验台(2)按如下方法运行以实现平滑连续水流下的藻类无损生长环境: (1-1)实验台运行前的准备工作:蓄水槽(2001)的设定水深为H1，试验水槽(2005)的设定水深为h ;两个并列的供水槽(2003)中有一个处于供水状态，其上的试验水槽位置感应器(2013 )与试验水槽(2005 )上的供水槽位置感应器(2012 )接触； 针对实验设计工况条件中试验水槽(2005)的所需流速V，此时所对应的供水需求流量Q为:Q=v(h.b3)，式中，b3为试验水槽(2005)的宽度； 为满足该供水需求流量Q，首先操作调整活动底板位置感应上限点(2201)的位置，使活动底板位置感应上限点(2201)与上方的供水槽水位感应器(2014)距离为H2, H2可由雷伯克堰流计算公式得出:
【文档编号】G01N21/64GK103798121SQ201410045838
【公开日】2014年5月21日 申请日期:2014年2月8日 优先权日:2014年2月8日
【发明者】戴会超, 蒋定国, 毛劲乔, 张培培, 刘伟, 唐梦君 申请人:河海大学, 中国长江三峡集团公司