專利名稱：應(yīng)用于湖泊沉積物-水界面過程研究的室內(nèi)模擬系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用以研究界面化學(xué)和生物過程的實(shí)驗(yàn)室模擬設(shè)備，特別是一種應(yīng)用于湖泊 沉積物-水界面過程研究的室內(nèi)模擬系統(tǒng)，屬于地學(xué)及環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
淺水湖泊和河流沉積物-水界面的化學(xué)，物理以及生物過程是最為活躍的，而這些過程 在實(shí)際過程中，由于受到風(fēng)浪，船只以及底棲動(dòng)物的影響，而難以捕捉。因此，淺水湖泊和 河流的沉積物-水界面的研究在多數(shù)情況下是在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行的，不過很多均存在著實(shí)驗(yàn) 裝置的設(shè)計(jì)的不合理性，這些問題在某種程度上帶來實(shí)驗(yàn)誤差，如靜態(tài)培養(yǎng)方式，由于沉 積物的耗氧作用，會(huì)使得沉積物-水界面氧氣侵蝕深度變淺，甚至使得全部沉積物呈現(xiàn)厭 氧狀態(tài)。野外實(shí)際狀況下,沉積物表層是有一定的好氧層的，好氧層的厚度在毫米級(jí)別之 內(nèi)，曝氣或者攪動(dòng)上覆水水體，可以改變因靜止造成的厭氧狀態(tài)。再比如，室內(nèi)沉積物-水 界面研究，由于研究體積較大，溫度控制較難進(jìn)行，有些實(shí)驗(yàn)可能會(huì)采用室內(nèi)空調(diào)控溫，但 是，由于房間體積較大會(huì)造成控溫不穩(wěn)定且達(dá)到預(yù)期溫度所需時(shí)間較長；也有人采用培養(yǎng) 箱控溫，但是,該種控溫方式下，由于空氣干燥，很容易造成上覆水因?yàn)榭焖僬舭l(fā)而減少體 積，且實(shí)驗(yàn)操作空間小，實(shí)際操作不方便.假如采用水浴控溫，那么會(huì)很大程度上縮短降溫 時(shí)間，穩(wěn)定最終溫度，減少上覆水的蒸發(fā)。目前，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行的界面研究在對(duì)實(shí)驗(yàn)條件， 如光照、界面充氧、溫度等方面兼顧難以齊全，其主要原因還在于實(shí)驗(yàn)設(shè)備的不完善和未 加以整合。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服上述缺陷，提供一種應(yīng)用于湖泊沉積物-水界面過程研究的室內(nèi) 模擬系統(tǒng)，能夠?qū)⒍喾N因素(溫度，光照,氧氣，上覆水性質(zhì),擾動(dòng)等)綜合考慮，用于沉積 物-水界面的研究。
本發(fā)明的上述目的是這樣實(shí)現(xiàn)的 一種應(yīng)用于湖泊沉積物-水界面過程研究的室內(nèi)模擬 系統(tǒng)，含設(shè)有頂蓋、底塞的沉積物柱狀樣采集管，采集管內(nèi)有采集的柱狀沉積物樣品， 包括沉積物及其上覆水，其特征是還設(shè)有水動(dòng)力擾動(dòng)系統(tǒng)、光照系統(tǒng)、恒溫水浴系統(tǒng)及 自動(dòng)取樣系統(tǒng)
水動(dòng)力擾動(dòng)系統(tǒng)設(shè)有位于恒溫水浴中心上方的調(diào)頻電機(jī)，其輸出軸下端聯(lián)接磁鐵，多個(gè) 沉積物柱狀樣采集管環(huán)繞電機(jī)輸出軸設(shè)置于恒溫水浴內(nèi)，沉積物柱狀樣采集管頂蓋上設(shè) 有固定向下伸入上覆水中的垂直桿，垂直桿下端活動(dòng)連接磁轉(zhuǎn)子，該磁轉(zhuǎn)子位于電機(jī)輸 出軸下端磁鐵的磁場范圍內(nèi)；
光照系統(tǒng)設(shè)有光源，光源下方設(shè)置一透明質(zhì)地的降溫槽，自來水管接入降溫槽的入口， 降溫槽出口接下水道.降溫槽下方設(shè)有遮光層；
恒溫水浴系統(tǒng)設(shè)置于遮光層下方，內(nèi)設(shè)保溫箱中的熱交換器外接恒溫槽;恒溫槽中的循 環(huán)水被泵出，流經(jīng)熱交換器后又流回恒溫槽;保溫箱內(nèi)設(shè)有潛水泵；
自動(dòng)取樣系統(tǒng)，包括一高于保溫箱水平的補(bǔ)水池，補(bǔ)水池出水口連通沉積物柱狀樣采集 管頂蓋上的活動(dòng)密封螺紋進(jìn)水口，頂蓋上的活動(dòng)密封螺紋出水口連通注射器；還設(shè)有電 極通過頂蓋的活動(dòng)密封孔伸入至上覆水中。
所說光源為金鹵燈，通過遮光層后的光強(qiáng)為0-600 nmol m—2 s—'。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)及效果l，可有效的控制沉積物以及上覆水水體的溫度，波動(dòng)范圍小 (±1°C),達(dá)到預(yù)設(shè)目標(biāo)溫度時(shí)間短；2，為上覆水及表層沉積物提供光照,光譜有利于光合 作用(涵蓋400-700nm),光強(qiáng)可以通過不同級(jí)別的遮光布進(jìn)行調(diào)節(jié)(0-600 pmol m—2 s—')， 且通過降溫槽解決了燈源過熱對(duì)儀器造成的問題提升；3，通過中心磁鐵形成的磁場帶動(dòng) 采樣管中的內(nèi)磁轉(zhuǎn)子同步轉(zhuǎn)動(dòng)，且轉(zhuǎn)動(dòng)速度可以調(diào)節(jié)(0 500 rpm)，降低甚至杜絕沉積物 過度厭氧造成的實(shí)驗(yàn)誤差；4，控制三通閥的開關(guān)，由于重力作用，采樣管內(nèi)形成的內(nèi)壓會(huì) 推進(jìn)上覆水進(jìn)入注射器內(nèi)，這種自動(dòng)采樣方式，能夠大大的降低實(shí)驗(yàn)人員的工作強(qiáng)度；5， 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)緊湊，裝拆更換零部件方便，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)可靠且廉價(jià)，可長時(shí)間不間斷的運(yùn)轉(zhuǎn),使用 壽命長。


圖1是模擬系統(tǒng)總體示意圖2是模擬系統(tǒng)中的沉積物柱狀樣采集管；
圖3是恒溫水浴俯視圖4是模擬系統(tǒng)立體圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明
附圖標(biāo)號(hào)說明1,光源(金鹵燈)；2,降溫槽進(jìn)水管；3,降溫槽；4,電機(jī)保護(hù)罩； 5，電極a; 6,電極b; 7,蓋子；8，箱內(nèi)膽；9，上覆水；10,電機(jī)；11，中心磁鐵；12， 熱交換器；13，沉積物柱狀樣采集管；14,遮光布；15,降溫槽出水管；16,補(bǔ)水池；17， 三通閥；18,注射器；19，進(jìn)水管；20，進(jìn)水口 (或出水口，接三通閥)21,采集管洞位； 22，取樣管；23，內(nèi)磁轉(zhuǎn)子；24,保溫箱；25，沉積物；26，湖水；27,垂直桿；28，連 接器；29,圓形平板；30,連接桿；31,潛水泵
參看圖l-4,模擬系統(tǒng)由水動(dòng)力擾動(dòng)系統(tǒng),光照系統(tǒng)，恒溫水浴系統(tǒng)，自動(dòng)取樣系統(tǒng)四 部分構(gòu)成。水動(dòng)力擾動(dòng)系統(tǒng)中電機(jī)10的中心軸下方設(shè)有中心磁鐵11,沉積物柱狀樣采集 管13的頂蓋7設(shè)有固定的垂直軸桿30，其方接一連接器28,連接器28活動(dòng)連接與外設(shè) 中心磁鐵11同步轉(zhuǎn)動(dòng)的內(nèi)磁轉(zhuǎn)子23。光照系統(tǒng)采用金鹵燈1作為光源，金鹵燈1下方設(shè) 置一玻璃質(zhì)地的降溫槽3，自來水管接入降溫槽的入口，降溫槽出口接入下水道.降溫槽 下方設(shè)有遮光布14，可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康倪x擇使用不同遮光效率(如20%)。恒溫水浴系統(tǒng)保 溫箱中的熱交換器12外接恒溫槽(圖略)；恒溫槽中的循環(huán)水被泵出，流經(jīng)熱交換器后又流 回恒溫槽，從而保證湖水26的溫度達(dá)到恒溫槽內(nèi)的水溫，保溫箱內(nèi)部安置潛水泵31,用來 促進(jìn)保溫箱24內(nèi)的湖水26流動(dòng)。自動(dòng)取樣系統(tǒng)設(shè)有一高于保溫箱水平的補(bǔ)水池16,補(bǔ) 水池出水口依次連接三通閥,硅膠管，三通閥，采集管頂蓋上的進(jìn)水口 20，然后，采集管頂
蓋上的出水口依次連接三通闊，硅膠管，注射器，使用過程中，開放三通閥，重力作用下，采 集管13中的上覆水9就會(huì)被自動(dòng)壓入注射器18中。沉積物柱狀樣采集管頂蓋內(nèi)側(cè)有密 封橡膠圈；蓋子上方有四個(gè)孔(兩個(gè)插入電極，另兩個(gè)是補(bǔ)水及取樣)，在不進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的時(shí) 候，可以使用密封螺絲封住？L。根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，與進(jìn)出水管相連的三通閥17或者在線電極 5/6可以代替密封螺絲活動(dòng)密封固定在孔上。保溫箱24內(nèi)可以放置一配套的箱內(nèi)膽8,箱 內(nèi)膽由三根連接桿8活動(dòng)連接兩圓形平板29，上方一圓形平板中心螺絲固定電機(jī)罩4，四 周有一定數(shù)量的圓形采集管洞位21.此外,金鹵燈1可以通過電線與定時(shí)器連接控制電路 開關(guān),該部分圖略。同時(shí)省略的圖有:熱交換器12通過水管與恒溫槽相連以控制熱保溫箱 24內(nèi)的湖水26溫度。電機(jī)10與調(diào)頻器相連接以控制內(nèi)磁轉(zhuǎn)子23轉(zhuǎn)速。
本模擬系統(tǒng)的操作方法如下
I, 按照?qǐng)D4，將電機(jī)10,中心磁鐵11，己經(jīng)與恒溫槽相連接的熱交換器12安放在箱 內(nèi)膽8上，然后將箱內(nèi)膽放入保溫箱24內(nèi)；
2，在保溫箱24中注入相應(yīng)的湖水26;放入潛水泵31并接通電源； 3，啟動(dòng)恒溫槽(以及泵)；并設(shè)置相應(yīng)的溫度；
4,確認(rèn)保溫箱24中水體溫度達(dá)到了預(yù)設(shè)溫度后,將裝有待測沉積物和部分上覆水的 采樣管13放入采樣管洞位21中；
5，按照采集管蓋子7，連接器28,內(nèi)磁轉(zhuǎn)子23的順序安裝好內(nèi)磁轉(zhuǎn)子；
6，蓋上采集管蓋子7，并順序接好補(bǔ)水池16，三通閥17，進(jìn)水管19,三通閥，采樣管蓋 子上的進(jìn)水口 20;開啟三通閥，排空進(jìn)水管中的空氣并注入補(bǔ)給水直至溢流;連接注射器 18至蓋子的出水口；
7,對(duì)每個(gè)采集管13,重復(fù)上述4-6步驟,直至所有采集管均接好；
8，啟動(dòng)調(diào)頻電機(jī)，調(diào)節(jié)至預(yù)設(shè)轉(zhuǎn)速；
9，引入降溫槽3的進(jìn)水，放置一定的遮光布;接通金鹵燈1的電源； 10，(根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?計(jì)算時(shí)間，進(jìn)行例行采樣;采樣時(shí)，打開相應(yīng)三通閥開關(guān)，讓補(bǔ)水池 16中的水流出進(jìn)入采樣管中，直至注射器18中的水達(dá)到了一定體積,關(guān)閉三通閥;取出注 射器中的水樣，并將干凈的注射器再次安放至原位;重復(fù)上述采樣過程，直至采集完所有 樣品；根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求分析水樣的物理,化學(xué)及生物性質(zhì)等；
II, (根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?將電極5或者6接入采樣管蓋子7的進(jìn)出水口上,計(jì)算時(shí)間，連續(xù) 觀測上覆水水體的相關(guān)參數(shù)變化；
12，依次關(guān)閉光源1，降溫槽3進(jìn)水，電機(jī)10,恒溫槽(含泵)，潛水泵31; 13,依次拆卸采樣管進(jìn)水口出口的三通閥(或電極a/b)，進(jìn)水管，采樣管蓋子，內(nèi)磁轉(zhuǎn) 子，連接器；
14，使用潛水泵排干保溫箱中的水，并取出裝有沉積物的采樣管,潛水泵，熱交換器. 15，(根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?在取出裝有沉積物的采樣管后，對(duì)沉積物進(jìn)行分層取樣或者只取 表層樣,然后分析沉積物樣品的物理，化學(xué)以及生物性質(zhì)等. 16，清點(diǎn)儀器配件，實(shí)驗(yàn)結(jié)束.
實(shí)施案例太湖是典型的大型淺水富營養(yǎng)化湖泊，關(guān)于太湖底棲藻類的分布及其在生態(tài)系統(tǒng)中作 用的研究也有待開展。根據(jù)以前對(duì)太湖采集的幾個(gè)沉積物短柱(水深1-2米區(qū)域)的硅 藻分析結(jié)果，表明從表層以下3cm到表層硅藻數(shù)量增加了 200倍，達(dá)1X107 valves/g， 且多為中-富營養(yǎng)化(底棲)種屬；閻榮等人最近在太湖局部湖區(qū)底泥中檢測到了越冬活 體藻類；另外在邊沿岸帶水深小于0.5米的水域，也發(fā)現(xiàn)底棲藻類的存在。因此MPB有 在太湖廣泛分布的可能性。太湖另一個(gè)特征是不同湖區(qū)情況各異，表現(xiàn)在生物群落結(jié)構(gòu) 與富營養(yǎng)水平在空間和時(shí)間分布的不均勻性。如太湖北部受工業(yè)和生活污水影響，湖泊 富營養(yǎng)化嚴(yán)重為典型藻型湖泊，其中五里湖已屬異常富營養(yǎng)化，梅梁灣屬極度富營養(yǎng)化; 大太湖屬富營養(yǎng)化而太湖南部基本屬中-富營養(yǎng)化；而東太湖以沉水植物為主，為典型草 型湖泊。根據(jù)太湖的實(shí)際情況,我們選擇了太湖的一個(gè)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，采集24根沉積物,用 于平行實(shí)驗(yàn).沉積物柱在培養(yǎng)系統(tǒng)中過夜平衡，控制水溫，光強(qiáng)及攪拌速度等。第二天 開始培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)，監(jiān)測/記錄02， pH和溫度變化;釆集堿度/TC02等樣品.對(duì)太湖的界面過 程模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該實(shí)驗(yàn)裝置運(yùn)行良好,可很方便的調(diào)節(jié)溫度，光照，轉(zhuǎn)速和自動(dòng)取樣 等，不同處理方式(如攪動(dòng)強(qiáng)度)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果差異顯著，表明了實(shí)驗(yàn)裝置的參數(shù)可調(diào)性;此 外,平行樣間的標(biāo)準(zhǔn)偏差約可控制在10%范圍內(nèi)，表明各管之間參與調(diào)節(jié)的同步性。
權(quán)利要求
1、一種應(yīng)用于湖泊沉積物-水界面過程研究的室內(nèi)模擬系統(tǒng)，含設(shè)有頂蓋、底塞的沉積物柱狀樣采集管，采集管內(nèi)有采集的柱狀沉積物樣品，包括沉積物及其上覆水，其特征是還設(shè)有水動(dòng)力擾動(dòng)系統(tǒng)、光照系統(tǒng)、恒溫水浴系統(tǒng)及自動(dòng)取樣系統(tǒng)水動(dòng)力擾動(dòng)系統(tǒng)設(shè)有位于恒溫水浴中心上方的調(diào)頻電機(jī)，其輸出軸下端聯(lián)接磁鐵，多個(gè)沉積物柱狀樣采集管環(huán)繞電機(jī)輸出軸設(shè)置于恒溫水浴內(nèi)，沉積物柱狀樣采集管頂蓋上設(shè)有固定向下伸入上覆水中的垂直桿，垂直桿下端活動(dòng)連接磁轉(zhuǎn)子，該磁轉(zhuǎn)子位于電機(jī)輸出軸下端磁鐵的磁場范圍內(nèi)；光照系統(tǒng)設(shè)有光源，光源下方設(shè)置一透明質(zhì)地的降溫槽，自來水管接入降溫槽的入口，降溫槽出口接下水道.降溫槽下方設(shè)有遮光層；恒溫水浴系統(tǒng)設(shè)置于遮光層下方，內(nèi)設(shè)保溫箱中的熱交換器外接恒溫槽；恒溫槽中的循環(huán)水被泵出，流經(jīng)熱交換器后又流回恒溫槽；保溫箱內(nèi)設(shè)有潛水泵；自動(dòng)取樣系統(tǒng)，包括一高于保溫箱水平的補(bǔ)水池，補(bǔ)水池出水口連通沉積物柱狀樣采集管頂蓋上的活動(dòng)密封螺紋進(jìn)水口，頂蓋上的活動(dòng)密封螺紋出水口連通注射器；還設(shè)有電極通過頂蓋的活動(dòng)密封孔伸入至上覆水中。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1中所述的應(yīng)用于湖泊沉積物-水界面過程研究的室內(nèi)模擬系統(tǒng)，其特 征是所說光源為金鹵燈，通過遮光層后的光強(qiáng)為0-600 nmol m—2 s—'。
全文摘要
本發(fā)明提供一種應(yīng)用于湖泊沉積物-水界面過程研究的室內(nèi)模擬系統(tǒng)，其主要包括水動(dòng)力擾動(dòng)系統(tǒng)、光照系統(tǒng)、恒溫水浴系統(tǒng)、自動(dòng)取樣系統(tǒng)四部分，其優(yōu)點(diǎn)在于采集的湖泊沉積物直接放置在保溫箱中，可以人為控制界面水動(dòng)力擾動(dòng)、界面光照、界面溫度以及上覆水化學(xué)特性，并且可以連續(xù)長時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)和多次采樣，而不影響沉積物以及界面過程；能夠較大范圍的滿足預(yù)設(shè)實(shí)驗(yàn)條件要求，以達(dá)到研究人員對(duì)界面化學(xué)或者生物過程研究的基本要求。本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，裝拆更換零部件方便，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)可靠且廉價(jià)，可長時(shí)間不間斷的運(yùn)轉(zhuǎn)，使用壽命長。
文檔編號(hào)C02F1/00GK101172668SQ20071013340
公開日2008年5月7日 申請(qǐng)日期2007年10月19日 優(yōu)先權(quán)日2007年10月19日
發(fā)明者吉 沈, 王建軍, 瞿文川 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所