一种河流中磷通量水槽实验装置及方法与流程

1.本发明涉及河流磷通量研究技术领域，特别是涉及一种河流中磷通量水槽实验装置及方法。


背景技术：

2.磷对河流生态系统的重要性已经得到广泛的研究。河道沉积物是河流生态系统中磷的重要存储库，其与上覆水体间的含磷物质的交换量(简称磷通量)是河流生态系统中磷循环的重要组成。对于磷通量的研究可用于河流水质生态模型的建立，为研究河流生态系统、解决河流黑臭和富营养化提供理论依据和研究工具。
3.长期以来，对于磷通量的研究依赖于野外观测和室内静水实验，研究区域主要集中于湖泊，一方面是因为湖泊富营养化等环境事件频发，另一方面也因为相对于河流的动水环境和人工干扰，湖泊的研究环境相对稳定。但是近年来随着城市化的发展，河流黑臭和富营养化程度加剧，对河流磷通量研究愈发重要。
4.已有研究表明磷通量受到水动力、泥沙运动、水质组成和生物活动的共同影响。受限于河道野外复杂的观测条件和越来越多的人工干预，以往磷通量的研究集中于湖泊和静水实验，缺乏在动水环境下磷通量的研究，而这是河流磷通量研究不同于湖泊磷通量研究的主要特点。水槽实验在河流水动力学、泥沙运动力学和水质生态学中有悠久的历史，近年来得益于其沟通不同学科的能力，日益为河流生态学者所重视，更多的被应用与河流生态学问题的研究。
5.河流沉积物与上覆水体界面间磷通量对于河流生态系统的研究有重要意义，其受到水动力环境、沉积物环境、水质环境和生物环境等影响。
6.水动力环境：流速和水位变化；
7.沉积物环境：干湿变化和沉积物来源；
8.水质环境：外源输入和生物化学组成；
9.生物环境：底栖生物群落的构成；
10.对于在河流生态学中应用水槽实验一直有两种意见，一种认为“水槽实验可以控制各种变量，达到分离物理和生物过程，从而有利于河流生态系统的研究”，另一种认为“水槽实验构建的是非自然环境，其中的生物反应不能反映河流生态系统”。这种争议的产生与研究者的关注方向有关，一般来说研究水动力和泥沙的学者注意物理环境的变化，而研究生态的学者需要兼顾生物和物理背景。其实这两种意见都没有错，因为水槽实验不可能模拟自然，即使是模拟小尺寸的微观环境，实验水箱也不能做到百分百重现。所以相对于野外观测直接研究自然环境，水槽实验更关心验证假说。通过野外观测来验证微观假说和通过水槽实验来发现宏观现象不仅困难而且耗资不菲。
11.目前水槽实验在生态学中的应用集中在以下领域：
12.(1)生物多样性的基础研究(leonardet al.1998；shimeta et al.2001))；
13.(2)颗粒物或污染物的输移与累计(butman et al.1994；nepf et al.1997；
widdows et al.2000))；
14.(3)生物动力学(denny et al.1985；riisgard and larsen 1995))；
15.(4)海岸侵蚀(moller et al.1999)；
16.(5)生物污染(berntsson et al.2001)。
17.尽管研究方向不同，研究者逐渐意识到不同形式水箱的约束条件适用于不同比尺问题的研究。jonsson等人(2006)对比了欧洲12个不同类型的水箱的水动力适用范围，认为直线型和跑道型水箱相较于环形水箱更近似于自然环境，但是环形水箱的实验段要远大于直线型和跑道型水箱。rice等人(2010)讨论跨学科水槽实验的设计方法，认为水槽实验在沟通河流地貌学、河流生态学和水利学方面存在以下六个问题：(1)研究问题如何简化？(2)如何表征物种的多样性？(3)如何区分个体响应和群体响应？(4)如何评价比尺效应？(5)如何突破实践和测量技术的限制？(6)如何将实验数据和现场观测数据以及数值模拟数据对比和整合？
18.研究河流沉积物与上覆水体界面间磷通量对于河流生态系统的研究有重要意义，其受到水动力环境、沉积物环境、水质环境和生物环境等影响。
19.本发明采用水槽实验研究河流上覆水体与沉积物界面上磷通量与水动力、泥沙、水质和生物活动之间的关系，具有理论和工程意义。


技术实现要素：

20.本发明的目的是提供一种河流中磷通量水槽实验装置及方法，以解决上述现有技术存在的问题，采用室内回转型水槽实验研究多种因素对河流上覆水体与沉积物界面上磷通量的影响，具有理论和工程意义。
21.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
22.本发明提供一种河流中磷通量水槽实验装置，包括水箱，所述水箱内设置有多个隔板，多个所述隔板将所述水箱分成多个隔间，多个所述隔间首尾依次连通，所述隔间内能够填充有填充物；所述水箱上设置有进水口和出水口，所述进水口和所述出水口上均安装有流量控制阀；所述水箱上还设置有采样口，所述采样口上安装有流量控制阀。
23.优选的，所述水箱为长方体结构，所述水箱长160cm、宽100cm、高50cm；所述水箱的顶部设置有开口，所述水箱的四周和底部采用有机玻璃制成。
24.优选的，所述水箱内均布有三个所述隔板，三个所述隔板将所述水箱均分成四个所述隔间，所述隔板平行于所述水箱的长边设置。
25.优选的，所述隔板采用有机玻璃制成，所述隔板长130cm、宽0.05m、高0.5m。
26.优选的，所述隔板的一端与所述水箱的内壁连接，所述隔板的另一端与所述水箱的内壁之间留有间隙，相邻的两个所述隔间通过所述间隙连通；多个所述隔板交错设置。
27.优选的，所述水箱的长边中间部位设置有一组所述采样口，所述水箱的短边上设置有多组所述采样口，所述短边上的每组所述采样口均与一个所述隔间对应；每组所述采样口均由上至下均布有多个。
28.优选的，所述水箱内所述填充物的厚度不超过所述水箱的高度的一半，所述水箱内上覆水体液面与所述水箱的顶部距离不少于0.05m；
29.所述填充物采用沉积物、底栖植物或微生物，每个所述隔间内的所述填充物的粒
径不同。
30.优选的，所述水箱的进口处、相邻所述隔间的连接处、所述水箱的出口处的所述填充物内垂向中部和底部埋设有孔隙水取样器；
31.所述水箱的填充物中和水中均设置有温度计。
32.本发明还公开了一种河流中磷通量水槽实验方法，包括：
33.模拟动水环境，在水箱底部铺设填充物试样，注水至实验标高，通过循环泵设定水箱内水体流动速度，待速度稳定后，采集水样；
34.模拟人工坝，在水箱底部铺设填充物试样，在水箱内试验段前设置挡水装置，注水至实验标高，开启挡水装置和循环泵，待流速稳定后，采集水样和沉积物表层土样；
35.模拟干湿变化，首先在水箱底部试验段铺设填充物试样，注水至实验标高，采集水样，之后每隔设定重复一次采集水样，重复两次；之后排水使水面降至泥水分界面，静置，采集水样；之后注水使水面至实验标高，静置，采集水样。
36.优选的，所述动水环境包括低速流动环境、中速流动环境和高速流动环境，所述低速流动环境中水体流动速度为0.05m/s，所述中速流动环境中水体流动速度为0.1m/s，所述高速流动环境中水体流动速度为0.25m/s；
37.所述人工坝包括水坝排水和堰流排水两种模式，所述水坝排水和所述堰流排水两种模式对应于所述挡水装置的完全开启和部分开启两种状态；
38.所述干湿变化包括短期变化和长期变化。
39.本发明相对于现有技术取得了以下有益技术效果：
40.本发明提供的河流中磷通量水槽实验装置及方法，采用室内回转型水槽实验研究水动力、沉积物、水质和生物等多种因素对河流上覆水体与沉积物界面上磷通量的影响，具有理论和工程意义；
41.本发明通过隔板的交错安置，形成连通的最大有效长度6m的水道，用于模拟河道；水箱内四个隔间可以填充不同粒径的沉积物、底栖植物或微生物，提高实验效率。
附图说明
42.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
43.图1为本发明中河流中磷通量水槽实验装置的俯视图；
44.图2为本发明中河流中磷通量水槽实验装置的左视图；
45.图3为本发明中河流中磷通量水槽实验装置的正视图；
46.图4为本发明中河流中磷通量水槽实验装置的右视图；
47.图中：1
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水箱、2
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隔板、3
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出水口、4
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进水口、5
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采样口。
具体实施方式
48.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于
本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
49.本发明的目的是提供一种河流中磷通量水槽实验装置及方法，以解决现有技术存在的问题，采用室内回转型水槽实验研究多种因素对河流上覆水体与沉积物界面上磷通量的影响，具有理论和工程意义。
50.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
51.如图1
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4所示，本实施例中提供一种河流中磷通量水槽实验装置，包括水箱1，水箱1内设置有多个隔板2，多个隔板2将水箱1分成多个隔间，多个隔间首尾依次连通，隔间内能够填充有填充物；水箱1上设置有进水口4和出水口3，进水口4和出水口3上均安装有流量控制阀，进水口4可以连接有循环泵，为水体流动提供动力，并对水体流速进行控制；水箱1上还设置有采样口5，采样口5上安装有流量控制阀，通过采样口5可以对样品采集，以便进行测量，并对测量数据进行数据记录。
52.在本实施例中，水箱1为长方体结构，水箱1长160cm、宽100cm、高50cm；水箱1的顶部设置有开口，水箱1的四周和底部采用有机玻璃制成。
53.在本实施例中，水箱1内均布有三个隔板2，三个隔板2将水箱1均分成四个隔间，隔板2平行于水箱1的长边设置；其中，隔板2采用有机玻璃制成，隔板2长130cm、宽0.05m、高0.5m。
54.在本实施例中，隔板2的一端与水箱1的内壁连接，隔板2的另一端与水箱1的内壁之间留有间隙，相邻的两个隔间通过间隙连通；多个隔板2交错设置，通过隔板2的交错安置，形成连通的最大有效长度6m的水道，用于模拟河道。
55.在本实施例中，水箱1的长边中间部位设置有一组采样口5，水箱1的短边上设置有多组采样口5，短边上的每组采样口5均与一个隔间对应；每组采样口5均由上至下均布有多个，形成分层渗滤液出口，采集上覆水样和沉积层孔隙水样。
56.具体地，在水箱1长边的中间位置设置一组采样口5，在水箱1短边等间距设置一组采样口5，共十处分层渗滤液出口，这十处分层渗滤液出口安装独立的流量控制阀，可以选择性使用；开孔位置和开孔间距根据取水量和水箱1材质确定，设计开孔间距不大于0.1m，即每处开孔数不少于5个。其中，水箱1左侧短边设置有进水口4和出水口3，可以不再设置采样口5。
57.在本实施例中，填充物采用沉积物、底栖植物或微生物，每个隔间内的填充物的粒径不同，提高实验效率；水箱1内填充物的厚度不超过水箱1的高度的一半，水箱1内上覆水体液面与水箱1的顶部距离不少于0.05m。
58.本实施例中还公开了一种河流中磷通量水槽实验方法，包括：
59.采集某地河道表层沉积物作为填充物，装入水箱1中间两个试验段底部，人工抹平，水箱1内沉积物厚度不超过水箱1高度的一半，即沉积物厚度范围为0～0.25m，上覆水体液面与水箱1顶部距离不少于0.05m，即上覆水体深度范围为0.2～0.45m，水箱1内部体积共0.725m3(减去隔板2所占体积)。
60.在本实施例中，水箱1的进口处、相邻隔间的连接处、水箱1的出口处的填充物内垂向中部和底部埋设有孔隙水取样器；水箱1的填充物中和水中均设置有温度计。
61.水箱内水体充至实验标高后启动循环泵，使用adv分别测量0.05m/s和0.25m/s流速下，距离边壁0.05m和距水面20％水深处流速分布，按文献(jonsson,van duren et al.2006)分析水箱紊动强度分布和边界层发育情况。
62.水动力测量参数与观测方案：
63.采用adv测量距底部0.05m和距水面20％水深流速，共测量四个时间序列：在为0.05和0.25m/s处、在距泥面高度为0.05米处、在20％水深处，每个时间序列的采样频率为25赫兹，持续时间至少为330秒，用于频谱分析，计算水箱内流速的波动。
64.沉积物测量参数与观测方案：
65.采用adv测量水体浊度，估算泥沙起悬，记录上覆水体
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沉积物界面高程变化。
66.水质测量参数与观测方案：
67.有两种方法：
68.(1)采用土壤孔隙水；
69.(2)采用薄膜扩散梯度技术(以下简称dgt技术)；
70.扩散模型法是借助fick第一定律来计算沉积物－水界面磷扩散通量的方法。薄膜扩散梯度技术(以下简称dgt技术)是1994年由英国davison教授建立的一套高分辨率原位被动采样技术，可原位获得游离态离子等有效态的空间分布信息。zhang等以水铁矿为扩散层结合相发展了的水铁矿凝胶dgt，成功应用于沉积物孔隙水中活性磷的剖面分布分析；随后，ding等在前人的研究基础上发展了zr
‑
oxidedgt，有效增加了dgt容量，并将监测结果从一维尺度拓展到二维尺度；本实施例采用zr
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oxidedgt进行沉积物－水界面磷高分辨观测，并结合扩散模型法定量估算了红枫湖沉积物。
71.生物测量参数与观测方案：
72.采用叶绿素在线分析仪。
73.动水环境：
74.动水环境分为低速(0.05m/s)、中速(0.1m/s)和高速(0.25m/s)流动环境；
75.首先在水箱底部试验段铺设沉积物试样(厚度为10cm)，缓慢注水至实验标高(水深35cm)，通过循环泵设定水箱流动速度，待速度稳定后，分别在三个取样点采集水体表面、水体中部(平面和垂向中心，下同)、泥水分界面、沉积物中部(平面和垂向中心，下同)和沉积物底部采集水样；之后每隔二十四小时重复一次上述采样，重复两次；
76.完成三种流速实验，共取得135份试样。
77.人工坝：
78.人工坝实验分为水坝排水和堰流排水两种，对应于挡水装置的完全开启和部分开启两种状态；
79.首先在水箱底部试验段铺设沉积物试样(厚度为10cm)，在试验段前设置挡水装置，挡水装置根据需要从现有技术中进行选择，如选择挡水闸板等挡水结构；缓慢注水至实验标高(水深35cm)，开启挡水装置和循环泵，待流速稳定后分别在三个取样点采集水体表面、水体中部、泥水分界面、沉积物中部和沉积物底部采集水样和沉积物表层土样，共计取样18份；
80.完成两种排水实验，共计取样36份。
81.干湿变化：
82.干湿变化分为短期变化和长期变化，本实施例以短期变化进行说明，短期变化周期为一天，首先在水箱底部试验段铺设沉积物试样(厚度为10cm)，缓慢注水至实验标高(水深35cm)，分别在三个取样点采集水体表面、水体中部(平面和垂向中心，下同)、泥水分界面、沉积物中部(平面和垂向中心，下同)和沉积物底部采集水样15份；之后每隔四小时重复一次上述采样，重复两次，得到俩批共计30份样品；之后缓慢排水使水面降至泥水分界面，在静置分别在三个取样点的沉积物中部和底部采集水样6份，得到俩批共计12份样品。之后缓慢注水使水面至实验标高，静置八个小时候，分别在三个取样点采集水体表面、水体中部(平面和垂向中心，下同)、泥水分界面、沉积物中部(平面和垂向中心，下同)和沉积物底部采集水样15份。
83.本实施例中通过采集试样孔隙水，测量总磷浓度0.5
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0.7mg/l，使用自来水作为上覆水体，测量自来水总磷浓度约为0.15mg/l；沉积物和上覆水预计送检，测量以下参数：(1)沉积物粒径；(2)沉积物含水率；(3)沉积物颗粒分析；(4)沉积物渗透系数；(5)沉积物和水体中水溶性盐分；(6)沉积物和水样中水溶性和酸溶性硫酸盐；(7)沉积物和水样中的全氮；(8)沉积物和水样中的氨氮；(9)沉积物和水样中的亚硝酸盐氨；(10)沉积物和水样中的硝酸盐氨；(11)沉积物的氧化还原电位；(12)沉积物和水样中的有机碳；(13)沉积物和水样中有机质；(14)沉积物和水样中有机磷；(15)沉积物中底栖生物群落；(16)沉积物中可水解的金属含量。
84.本实施例研究细颗粒泥沙在闸坝水动力条件下的输移与磷通量的关系；沉积物中生物吸附作用与磷通量的关系；河道硬化与磷通量的关系；沉积物的干湿变化历史与磷通量的关系。
85.本发明应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。