CN103798121A - 水利工程影响下的水华生消多功能实验研究***及运行方法 - Google Patents

Abstract

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***，包括预处理***、动水循环实验台、动水调控***和监测分析***。预处理***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***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***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。

Description

水利工程影响下的水华生消多功能实验研究***及运行方法

技术领域

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***，属于水利水电工程及水环境实验技术领域。 

背景技术

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。 

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。 

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： 

（1）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； 

（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； 

（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

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***，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。 

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***，包括预处理***、动水循环实验台、动水调控***和监测分析***，其中： 

所述预处理***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； 

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***、升降***和动力***；所述无损循环***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***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***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； 

所述动水调控***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； 

所述监测分析***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。 

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： 

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。 

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。 

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。 

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。 

利用所述的水利工程影响下的水华生消多功能实验研究***的运行方法，其中： 

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： 

（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； 

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； 

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： 

$Q=(1.728+\frac{0.24(H_2+0.0011)}{P_2})b_2{(H_2+0.0011)}^{\frac{3}{2}}$

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； 

（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v_d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v_d为： 

v_d=Q/A_d

其中，Q为供水需求流量，A_d为供水槽活动底板的面积； 

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； 

（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Q_R为： 

$Q_R=\mathrm{\μ}{b}_{1}e\sqrt{2\mathrm{gH}}$

其中，e为蓄水槽闸门的开度，H为蓄水槽内水深，μ为闸孔自由出流的流量系数，b₁为蓄水槽闸门的过水宽度； 

蓄水槽闸门应该保持一定开度e，使得流量Q_R满足如下条件： 

V/Q_R+t<V/Q，其中V=A_d×h_d

其中V为供水槽的供水容量，h_d为供水槽蓄满时的水深，t为供水槽在供水槽升降装置作用下运动的时间；Q为供水槽的供水需求流量； 

在供水槽接水的同时，供水槽活动底板下降，下降速度应在1.0～1.1Q_R/A_d的 范围内，以保证供水槽内的水不至溢出；当活动底板位置感应器与活动底板位置感应下限点相遇，且供水槽内水位上涨至供水槽水位感应器时，蓄水槽闸门立即关闭，供水槽升降装置将供水槽向上提升，直至试验水槽位置感应器与试验水槽连接段上设置的供水槽位置感应器相遇时即停止，做好供水准备； 

当另一个正在供水的供水槽供水停止后，启动该补水完成的供水槽，按照步骤（1-1）和（1-2）继续供水；两端蓄水槽及供水槽均按上述流程运动，形成水流的循环回路；由于上述步骤中不借助水泵或者水车等机械装置完成水循环，有效避免了机械装置对水体藻类细胞的破坏干扰； 

动水调控***按以下方法运行以实现水利工程调度运行对水华生消影响的实验研究： 

（2-1）按照所述动水循环实验台的运行方法以实现平滑连续水流下的藻类无损生长环境； 

（2-2）进而，根据实际中上游或下游或梯级水利工程的调度方案，即实际的上下游单个或组合水利工程的下泄流量变化过程，按照模型比例尺，将实际水利工程的下泄流量转换为模型中上游水利工程模拟单元和下游水利工程模拟单元的下泄流量过程；具体操作时候，优选将整个研究周期分为若干时段，在每一个时段内调节并保持上游水利工程模拟单元或下游水利工程模拟单元的下泄流量为一定值，不同时段内下泄流量则按预设变化过程调整； 

（2-3）同时，启动监测分析***实时监测分析不同时段内，水利工程调度工况下的水动力因子和水体藻类浓度随时间变化的情况，据此分析研究上游或下游或梯级水利工程不同调控方案下水华的生消状况。 

本发明与现有技术相比，其有益效果是： 

（1）本发明充分利用了流体力学原理与电信号触发原理，不需借助水泵或水车等传统机械装置，就可实现循环水槽引排水、水平流动等功能，有效避免机械装置对水体藻类细胞的破坏干扰，是一种藻类生理活性无损实验***； 

（2）本发明通过明渠流连接段与升降装置的新型设计，既保证了水槽内水流平滑连续流动，也能够准确调控流速变化，对研究不同动水条件下水华生态过程的测量精度提供了保障；采用对称装置布局，可以同时开展两组实验； 

（3）本发明设计了灵活高效的预处理***，设计了含藻水与底质水分离培育再混合的模式，可针对不同研究任务及其目标，提供不同背景藻类浓度、不同 营养物质浓度或实际条件下的实验用水，操作方便，适用性广； 

（4）本发明在不影响上述平滑连续水流环境下的藻类无损生长环境技术前提下，所设计的水利工程调控装置可以高效准确地模拟出水利工程影响下的水动力条件变化及其对水华生消的影响，更贴合我国地表水水质问题受到强人为干扰的实际情况，具有广阔的应用前景； 

（5）本发明具有多种用途：当试验水槽内的水流速度一定时，可以作为研究理想动水环境下水华生消的实验研究装置；当变化控制上下游水利工程模拟单元的流量时，可以研究单个或梯级水利工程不同调控方案下水华的生消状况，为制定水利工程的生态调度方案提供参考；还可以通过快速切换单个水利工程模拟单元制造出人造内波，用于研究水库运行在下游水体产生的内波对水华的抑制效果。 

附图说明

图1为本发明水利工程影响下的水华生消多功能实验研究***的整体示意图。 

图2为本发明水利工程影响下的水华生消多功能实验研究***的结构与功能示意图。 

图3为本发明动水循环实验台俯视示意图。 

图4为图3中A-A断面的侧视图。 

图5为图3中B-B断面的侧视图。 

图6为本发明动水循环实验台的活动底板升降装置示意图。 

具体实施方式

下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。 

实施例1：理想动水条件下水华生消变化实验研究 

在本实施例中，本发明的***整体示意图如图1所示，***的结构与功能示意图如图2所示，本发明的含藻水培养单元1001采用PB250藻类大型培养器，底质水存储单元1002为容积5m³的贮水桶，用水配合单元1003的长、宽均为200cm，高100cm。动水循环实验台2的结构示意图如图3到图6所示，其中蓄水槽2001长100cm，宽50cm，深85cm；蓄水槽连接段2002水平方向及竖直方向的投影长度均为10cm；供水槽2003宽25cm，深85cm，沿试验水槽方向长度 80cm；供水槽连接段2004水平及竖直方向的投影长度均为10cm，试验水槽2005长度500cm，宽50cm，深80cm；试验水槽连接段2006水平及竖直方向的投影长度均为20cm。监测分析***4所含的监测仪器在布置时使得相同监测仪器的间距D为10cm。 

利用本发明进行藻类动水条件下培养的过程如下： 

（一）调整含藻水培养单元1001的光照、温度等参数，使含藻水的叶绿素浓度c约为1mg/L。由于实验用水的设定藻类浓度c_合=0.2mg/L,则含藻水和底质水水量比

调整实验用水配合单元1003前侧两个进水口的流量控制阀，使含藻水和底质水的流量之比为1:4。水体充分混合后，打开实验用水配合单元1003后侧的出水口，将实验用水供应给动水循环实验台2的蓄水槽2001，直至各水槽的水位均达到要求，关闭出水口。 

（二）根据实验设定的试验水槽2005内所需实验流速为v=0.02m/s，实验水深为h=45cm，则实验所需供水需求流量为： 

Q=v(h·b₃)=0.02×(0.45×0.5)=4.5×10^-3(m³/s)，调整试验水槽2005下的螺栓，使试验水槽2005内水流为明渠均匀流。 

（三）调整供水槽水位感应器2014的位置，使其距供水槽顶沿5cm。根据发明内容中所提到的薄壁堰流计算公式及供水需求流量计算出H₂，调整活动底板位置感应上限点2201，使其位于供水槽水位感应器2104下方距离H₂处，同时设置供水槽闸门2102下降高度为5cm+H₂。 

（四）启动动水循环实验台2，其过程如下： 

（1）检验各水槽的水深，即两端蓄水槽2001的水深H₁=20cm，试验水槽2005的水深h=45cm，供水槽2003内水深为50cm，且四个供水槽2003都处于供水位置。 

（2）供水开始，实验台两端各有一个供水槽2003开始供水，其上的供水槽闸门2102下降，同时，供水槽活动底板升降装置2023推动供水槽活动底板2021向上匀速运动，保证供水流量不变。 

（3）当供水槽活动底板2021到达活动底板位置感应上限点2201后，该供水槽2003的供水槽闸门2102关闭，另一供水槽2003的供水槽闸门2102打开，并持续前一供水槽2003的供水过程。同时，已供水结束的供水槽2003在供水槽升降装置2016的作用下下降到蓄水槽受水位置，即蓄水槽位置感应器2011与蓄水槽连接段2002上的供水槽位置感应器2012接触。 

（4）下降的供水槽2003到达位置后，与之相对的蓄水槽闸门2101打开，水流经由蓄水槽连接段2002流入供水槽2003，供水槽活动底板2021匀速下降，待供水槽2003内水位上涨至供水槽水位感应器2104且供水槽活动底板2021下降到活动底板位置感应下限点2202时，蓄水槽闸门2101立刻关闭。 

（5）通过供水槽升降装置2016再将供水槽2003移至供水位置，即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。 

（6）循环以上过程可保证试验水槽得到稳定连续供水，水流流向过程为：试验台一端的蓄水槽2001中所蓄水通过蓄水槽连接段2002流向供水槽2003，经供水槽连接段2004平顺后进入试验水槽2005，然后通过试验水槽连接段2006流向另一端的蓄水槽2001，再循环流经相应的另一组蓄水槽连接段2002、供水槽2003、供水槽连接段2004、试验水槽2005、实验水槽连接段2006，如此循环往复。 

（五）试验水槽2005内水流稳定后，启动监测分析***4的各水位传感器4001、流速仪4002、流量计4003、视频传感器4004、叶绿素荧光仪4005，将监测数据实时传输至计算机4006，得出各水动力因子和水体藻类浓度随时间变化的情况，据此分析研究影响水华生消的水动力条件特征。 

实施例2：梯级水利工程不同调控方案下水库水华生消变化研究 

在本实施例中，本发明的***整体示意图如图1所示，***的结构与功能示意图如图2所示，本发明含藻水培养单元1001采用PB250藻类大型培养器，底质水存储单元1002为容积5m³的贮水桶，用水配合单元1003的长、宽均为200cm，高100cm。动水循环实验台2的结构示意图如图3到图6所示，蓄水槽2001长100cm，宽50cm，深85cm；蓄水槽连接段2002水平方向及竖直方向的投影长度均为10cm；供水槽2003宽25cm，深85cm，沿试验水槽方向长度80cm；供水槽连接段2004水平及竖直方向的投影长度均为10cm，试验水槽2005长度 500cm，宽50cm，深80cm；试验水槽连接段2006水平及竖直方向的投影长度均为20cm。相同监测仪器的间距D为10cm。 

利用本发明进行梯级水利工程不同调控方案下水华的生消状况研究的过程如下： 

（一）充水预处理：调整含藻水培养单元1001的光照、温度等参数，使含藻水的叶绿素浓度c约为1mg/L。设定实验用水的藻类浓度c_合=0.2mg/L,则含藻水和底质水水量比

调整实验用水配合单元1003前侧两个进水口的流量控制阀，使含藻水和低质水的流量之比为1:4。水体充分混合后，打开实验用水配合单元1003后侧的出水口，将水流供应给动水循环实验台2的蓄水槽2001，直至各水槽的水位均达到要求。 

（二）调度方案确定：根据实际梯级水利工程上下游水利工程的下泄流量过程，按照模型比例确定实验过程中上下游水利工程模拟单元的下泄流量过程。设上游水利工程第i时段的下泄流量为Q_上i，下游水利工程第i时段的下泄流量为Q_下i，其中i=1,2,...,t，t为一个调度周期所分的时段数。 

（三）动水循环启动（针对每一时段i）： 

（1）调整上游水利工程模拟单元3001所对应的供水槽水位感应器2014下方的活动底板位置感应上限点2201位置，使活动底板位置感应上限点2201距离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： 

$Q=(1.728+\frac{0.24(H_2+0.0011)}{P_2})b_2{(H_2+0.0011)}^{\frac{3}{2}}$

式中Q=Q_上i，b₂为供水槽闸门2102的宽度，P₂为供水槽闸门2102开启后闸门上沿与供水槽活动底板2021之间的高差。 

（2）上游水利工程模拟单元3001所对应的处于供水状态的供水槽2003的供水槽闸门2102立即下降，使其闸门上沿与活动底板位置感应上限点2201在同一高程，此状态下的供水流量为Q_上i；同时，供水槽活动底板升降装置2023推动供水槽活动底板2021以一定速度v_d向上做匀速运动，运动速度为： 

v_d=Q/A_d

其中，Q=Q_上i，A_d为供水槽活动底板2021的面积； 

此过程中，水流以恒定流量Q流入上游水利工程模拟单元3001所对应的试验水槽2005，直到活动底板位置感应器2022与活动底板位置感应上限点2201相遇为止；此时，立刻关闭该供水槽2003的供水槽闸门2102，转而由另一个供水槽2003按照步骤（1）和（2）重复前一供水槽2003的供水过程。 

（3）当步骤（2）中的原实施供水工作的供水槽2003停止供水并关闭其供水槽闸门2102后，该供水槽2003在供水槽升降装置2016的作用下下移，直至其顶部蓄水槽位置感应器2011与蓄水槽连接段2002上的供水槽位置感应器2012相遇；水流经由蓄水槽连接段2002流入该供水槽2003，补水流量Q_R为： 

$Q_R=\mathrm{\&mu;}{b}_{1}e\sqrt{2\mathrm{gH}}$

其中，e为蓄水槽闸门2101的开度，H为蓄水槽2001内水深，μ为闸孔自由出流的流量系数，b₁为蓄水槽闸门2101的过水宽度； 

蓄水槽闸门2101应该保持一定开度e，使得流量Q_R满足如下条件： 

V/Q_R+t<V/Q，其中V=A_d×h_d

其中V为供水槽2003的供水容量，h_d为供水槽2003蓄满时的水深，t为供水槽2003在供水槽升降装置2016作用下运动的时间；Q为供水槽2003的供水需求流量； 

在供水槽2003接水的同时，供水槽活动底板2021下降，下降速度应在1.0～1.1Q_R/A_d的范围内，以保证供水槽2003内的水不至溢出；当活动底板位置感应器2022与活动底板位置感应下限点2202相遇，且供水槽2003内水位上涨至供水槽水位感应器2014时，蓄水槽闸门2101立即关闭，供水槽升降装置2016将供水槽2003向上提升，直至试验水槽位置感应器2013与试验水槽连接段2004上设置的供水槽位置感应器2012相遇时即停止，做好供水准备。当另一个正在供水的供水槽2003供水停止后，启动该补水完成的供水槽2003，按照步骤（1） 和（2）继续供水。 

（4）与上游水利工程模拟单元3001类似，下游水利工程模拟单元3002每一时段的下泄流量Q_下i也按照步骤（1）至（3）的过程进行操作。上下游水利工程模拟单元同时运行，根据其自身不同时段i的实际流量过程分别调控操作，以准确模拟出水库上下游的调度变化，进而在试验水槽2005内形成梯级水利工程在设计调控方案下的水动力条件。 

（四）水华监测分析：在不同时段，在试验水槽2005内周期性启动监测分析***4的各水位传感器4001、流速仪4002、流量计4003、视频传感器4004、叶绿素荧光仪4005，将监测数据实时传输至计算机4006，得出梯级水库调度影响下各水动力因子和水体藻类浓度随时间变化的情况，据此分析研究梯级水利工程不同调控方案下水华的生消状况。 

实施例3：经由水利工程调控实施人造内波对水华的抑制效果研究 

在本实施例中，本发明的***整体示意图如图1所示，***的结构与功能示意图如图2所示，本发明含藻水培养单元1001采用PB250藻类大型培养器，底质水存储单元1002为容积5m³的贮水桶，用水配合单元1003的长、宽均为200cm，高100cm。动水循环实验台2的结构示意图如图3到图6所示，蓄水槽2001长100cm，宽50cm，深85cm；蓄水槽连接段2002水平方向及竖直方向的投影长度均为10cm；供水槽2003宽25cm，深85cm，沿试验水槽方向长度80cm；供水槽连接段2004水平及竖直方向的投影长度均为10cm，试验水槽2005长度500cm，宽50cm，深80cm；试验水槽连接段2006水平及竖直方向的投影长度均为20cm。相同监测仪器的间距D为10cm。 

利用本发明进行水体内波对水华的抑制效果研究的过程如下： 

（一）充水预处理：调整含藻水培养单元1001的光照、温度等参数，使含藻水的叶绿素浓度c约为1mg/L。设定实验用水的藻类浓度c_合=0.2mg/L,则含藻水和底质水水量比

调整实验用水配合单元1003前侧两个进水口的流量控制阀，使含藻水和低质水的流量之比为1:4。水体充分混合后，打开实验用水配合单元1003后侧的出水口，将水流供应给动水循环实验台2的蓄水槽2001，直至各水槽的水位均达到要求。 

（二）内波方案确定：根据水利工程动态调控下泄流量可在下游水体产生人造内波的原理，将人造内波调度方案所对应的下泄流量设计过程按照模型比例尺，确定得出上游水利工程模拟单元3001的下泄流量过程。设上游水利工程第i时段的下泄流量为Q_上i其中i=1,2,...,t，t为一个调度周期所分的时段数。 

（三）动水循环启动（针对每一时段i）： 

（1）调整上游水利工程模拟单元3001所对应的供水槽水位感应器2014下方的活动底板位置感应上限点2201位置，使活动底板位置感应上限点2201距离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： 

$Q=(1.728+\frac{0.24(H_2+0.0011)}{P_2})b_2{(H_2+0.0011)}^{\frac{3}{2}}$

式中Q=Q_上i，b₂为供水槽闸门2102的宽度，P₂为供水槽闸门2102开启后闸门上沿与供水槽活动底板2021之间的高差。 

（2）上游水利工程模拟单元3001所对应的处于供水状态的供水槽2003的供水槽闸门2102立即下降，使其闸门上沿与活动底板位置感应上限点2201在同一高程，此状态下的供水流量为Q_上i；同时，供水槽活动底板升降装置2023推动供水槽活动底板2021以一定速度v_d向上做匀速运动，运动速度为： 

v_d=Q/A_d

其中，Q=Q_上i，A_d为供水槽活动底板2021的面积； 

此过程中，水流以恒定流量Q流入上游水利工程模拟单元3001所对应的试验水槽2005，直到活动底板位置感应器2022与活动底板位置感应上限点2201相遇为止；此时，立刻关闭该供水槽2003的供水槽闸门2102，转而由另一个供水槽2003按照步骤（1）和（2）重复前一供水槽2003的供水过程。 

（3）当步骤（2）中的原实施供水工作的供水槽2003停止供水并关闭其供水槽闸门2102后，该供水槽2003在供水槽升降装置2016的作用下下移，直至其顶部蓄水槽位置感应器2011与蓄水槽连接段2002上的供水槽位置感应器2012相遇；水流经由蓄水槽连接段2002流入该供水槽2003，补水流量Q_R为： 

$Q_R=\mathrm{\&mu;}{b}_{1}e\sqrt{2\mathrm{gH}}$

其中，e为蓄水槽闸门2101的开度，H为蓄水槽2001内水深，μ为闸孔自由出流的流量系数，b₁为蓄水槽闸门2101的过水宽度； 

蓄水槽闸门2101应该保持一定开度e，使得流量Q_R满足如下条件： 

V/Q_R+t<V/Q，其中V=A_d×h_d

其中V为供水槽2003的供水容量，h_d为供水槽2003蓄满时的水深，t为供水槽2003在供水槽升降装置2016作用下运动的时间；Q为供水槽2003的供水需求流量； 

在供水槽2003接水的同时，供水槽活动底板2021下降，下降速度应在1.0～1.1Q_R/A_d的范围内，以保证供水槽2003内的水不至溢出；当活动底板位置感应器2022与活动底板位置感应下限点2202相遇，且供水槽2003内水位上涨至供水槽水位感应器2014时，蓄水槽闸门2101立即关闭，供水槽升降装置2016将供水槽2003向上提升，直至试验水槽位置感应器2013与试验水槽连接段2004上设置的供水槽位置感应器2012相遇时即停止，做好供水准备。当另一个正在供水的供水槽2003供水停止后，启动该补水完成的供水槽2003，按照步骤（1）和（2）继续供水，形成上游水利工程的人造内波调度方案。 

（四）内波检验：启动上游水利工程模拟单元3001所对应的试验水槽2005内的水位传感器4001、流速仪4002、流量计4003、视频传感器4004，将监测数据实时传输至计算机4006，检验实验水槽2005内的水动力特征，通过计算机实时监测水位与流速变化分析是否已经形成稳定的人造内波。 

（五）水华监测分析：试验水槽2005内形成人造内波后，启动监测分析***4的相应叶绿素荧光仪4005，将监测数据实时传输至计算机4006，得出水体藻类浓度随时间变化的情况，据此可分析研究人造内波对水华的抑制效果。 

如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。 

Claims (6)

1.一种水利工程影响下的水华生消多功能实验研究***，其特征在于：包括预处理***（1）、动水循环实验台（2）、动水调控***（3）和监测分析***（4），其中：

所述预处理***（1）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***、升降***和动力***；所述无损循环***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***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***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）一侧设有供水槽闸门（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***（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***（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***，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：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***，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***，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***，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***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：

$Q=(1.728+\frac{0.24(H_2+0.0011)}{P_2})b_2{(H_2+0.0011)}^{\frac{3}{2}}$

式中Q为供水需求流量，b₂为供水槽闸门（2102）的宽度，P₂为供水槽闸门（2102）开启后闸门上沿与供水槽活动底板（2021）之间的高差；

（1-2）实验运行中的供水控制方法：处于供水状态的供水槽（2003）的供水槽闸门（2102）立即下降，使其闸门上沿与活动底板位置感应上限点（2201）在同一高程，同时供水槽活动底板升降装置（2023）推动供水槽活动底板（2021）以一定速度v_d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v_d为：

v_d=Q/A_d

其中，Q为供水需求流量，A_d为供水槽活动底板（2021）的面积；

此过程中，水流以恒定流量Q流入试验水槽（2005），直到活动底板位置感应器（2022）与活动底板位置感应上限点（2201）相遇为止；此时，立刻关闭该供水槽（2003）的供水槽闸门（2102），转而由另一个供水槽（2003）按照步骤（1）和（2）重复前一供水槽（2003）的供水过程；

（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（2003）停止供水并关闭其供水槽闸门（2102）后，该供水槽（2003）在供水槽升降装置（2016）的作用下下移，直至其顶部蓄水槽位置感应器（2011）与蓄水槽连接段（2002）上的供水槽位置感应器（2012）相遇；水流经由蓄水槽连接段（2002）流入该供水槽（2003），补水流量Q_R为：

$Q_R=\mathrm{\&mu;}{b}_{1}e\sqrt{2\mathrm{gH}}$

其中，e为蓄水槽闸门（2101）的开度，H为蓄水槽（2001）内水深，μ为闸孔自由出流的流量系数，b₁为蓄水槽闸门（2101）的过水宽度；

蓄水槽闸门（2101）应该保持一定开度e，使得流量Q_R满足如下条件：

V/Q_R+t<V/Q，其中V=A_d×h_d

其中V为供水槽（2003）的供水容量，h_d为供水槽（2003）蓄满时的水深，t为供水槽（2003）在供水槽升降装置（2016）作用下运动的时间；Q为供水槽（2003）的供水需求流量；

在供水槽（2003）接水的同时，供水槽活动底板（2021）下降，下降速度应在1.0～1.1Q_R/A_d的范围内，以保证供水槽（2003）内的水不至溢出；当活动底板位置感应器（2022）与活动底板位置感应下限点（2202）相遇，且供水槽（2003）内水位上涨至供水槽水位感应器（2014）时，蓄水槽闸门（2101）立即关闭，供水槽升降装置（2016）将供水槽（2003）向上提升，直至试验水槽位置感应器（2013）与试验水槽连接段（2004）上设置的供水槽位置感应器（2012）相遇时即停止，做好供水准备；

当另一个正在供水的供水槽（2003）供水停止后，启动该补水完成的供水槽（2003），按照步骤（1-1）和（1-2）继续供水；两端蓄水槽（2001）及供水槽（2003）均按上述流程运动，形成水流的循环回路；

动水调控***（3）按以下方法运行以实现水利工程调度运行对水华生消影响的实验研究：

（2-1）按照所述动水循环实验台（2）的运行方法以实现平滑连续水流下的藻类无损生长环境；

（2-2）进而，根据实际中上游或下游或梯级水利工程的调度方案，即实际的上下游单个或组合水利工程的下泄流量变化过程，按照模型比例尺，将实际水利工程的下泄流量转换为模型中上游水利工程模拟单元（3001）和下游水利工程模拟单元（3002）的下泄流量过程；具体操作时候，优选将整个研究周期分为若干时段，在每一个时段内调节并保持上游水利工程模拟单元（3001）或下游水利工程模拟单元（3002）的下泄流量为一定值，不同时段内下泄流量则按预设变化过程调整；

（2-3）同时，启动监测分析***（4）实时监测分析不同时段内，水利工程调度工况下的水动力因子和水体藻类浓度随时间变化的情况，据此分析研究上游或下游或梯级水利工程不同调控方案下水华的生消状况。

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