一种湿地植物群落研究的多水文过程原位模拟监测系统

摘要

本发明公开一种湿地植物群落研究的多水文过程原位模拟监测系统,包括水槽，所述水槽内由前至后划分为进水口区、植被区和出水口区，所述进水口区、植被区和出水口区依次连通，所述植被区内设有待研究的植被群斑块或单株个体，通过分别测定所述进水口区和出水口区的水文要素，比较所述进水口区和出水口区的水文要素，其差值大小则反映了植被区存在的待研究的植被群落斑块和植被个体对水文要素的影响程度，所述水文要素包括流速，水位、水体泥沙含量，以及营养物质浓度。本系统结构简单，使用方便，更为解决空间自组织研究的尺度依赖型研究提供便利。

说明书

技术领域

本发明涉及生态水文研究领域，具体为一种湿地植物群落研究的多水文过程原位模拟监测系统。

背景技术

湿地植被群落分布研究需要开展基于多重水文过程的现场调研、监测与模拟。以往对水生态过程的研究大多以现场实地调查，结合实验室水槽模拟，进而构建水文水生态模型。但是，实验室条件下的水槽实验模拟，不仅需要大而开阔的空间，更无法满足现实区域内对现场实际研究区域具体水文过程的描述，因此往往导致某些重要参数的缺失，造成模拟精度的降低。因此急需要开展切合实际的现场模拟实验。因此，如何在满足室内水槽所具备的功能的同时，研发集多参数、多过程为一体的原位水槽，是当前开展水生态研究重要条件。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种湿地植物群落研究的多水文过程原位模拟监测系统。

本发明解决其技术问题所采用技术方案为：一种湿地植物群落研究的多水文过程原位模拟监测系统，包括水槽，所述水槽内由前至后划分为进水口区、植被区和出水口区，所述进水口区、植被区和出水口区依次连通，所述植被区内设有待研究的植被个体或斑块，通过分别测定所述进水口区和出水口区的水文要素，所述水文要素包括流速(含大小和方向)、泥沙含量、营养物质浓度等；并且比较所述进水口区、植被区和出水口区的水文要素，其差值大小则反映了植被区存在的待研究的植被个体或斑块对水文要素的影响程度。植被区则为在植被影响下该植被群落或植被植被斑块内部的水文过程或要素的变化情况，PS:水文要素的测定需要在现场利用流速仪、泥沙含量测定仪以及YSI等水质测定装置进行测定。

优选的，分别在所述进水口区、植被区和出水口区的侧面和正上方设有摄像机(摄像机的作用主要是用于记录在多重水文要素综合作用下，植被个体或者植被斑块生长状态的变化，通过比对其变化特征，定量各水文要素与植被个体或植被斑块变异度之间的关系)，用于录制水文水动力变化下，实验植被群落或斑块内植被个体或群落整体的的形态变化特征。最后根据不同条件下图像中植被形态差异进行差异化比对，主要基于影像中目标植被个体或整体偏离特定中心点的位置轨迹变化，定量其变化特征，最终定量其形态变化与水文要素之间的关系。

优选的，所述水槽通过中轴隔板左右划分为对比区域和模拟区域，所述模拟区域的水槽由前至后划分为所述进水口区、植被区和出水口区，所述对比区域水槽平行于模拟槽由前至后参照模拟区域水槽等比例划分为进水口区、对比植被区和对比出水口区，所述对比区域的水槽和模拟区水槽中间由隔板分离，所述对比区域水槽的进水口区、植被区和出水口区内均不放置任何植被个体与植被斑块。通过分别测定所述对比进水口区、进水口区、对比出水口区和出水口区的水文要素，如流速大小和方向、泥沙含量、营养物质浓度等，确定植被个体和斑块形态对水文要素的影响，这影响主要表征了植被对进水口端和出水口端水体的阻隔作用，表现为位水位、流速、泥沙沉降，营养物质浓度等的变化；由于模拟区内植被区设置为了揭示植被存在状态下植被个体和植被斑块内部的水文过程或要素的变化情况。因此，比较对比区域和模拟区域的水文要素，其差值大小揭示了模拟区中植被存在的状态下植被个体或斑块对水文要素影响的绝对值。

优选的，所述水槽的进水口端安装有若干可调节进水量的进水挡板，所述进水挡板通过活页可转动地安装在所述水槽的进水口端，调节所述进水挡板的旋转角度大小，以调节所述水槽的进水口大小，实现对水流的阻隔作用的调节；由于进水口处由多层活页排列而成，每一层活页所位于的不同高度层，代表了其对不同水层的调节，最终实现调节不同水层的水体流速与流量。作为上述方案的另一种构思，所述水槽的出水口端安装也有若干可调节出水量的出水挡板，所述出水挡板通过活页可转动地安装在所述水槽的出水口端，调节所述出水挡板的旋转角度大小，以调节所述水槽的出水口大小，实现对水流的阻隔作用，同样不同层活页设置，实现调节出水口处不同水层的水体流速和流量。进水口处的活页设计，通过连接的抽拉杆可以调节活页与进水口面之间的角度，进而调节进水时水体的流向。由于研究过程中，除了现场地点差异导致的流速差异以外，研究时还会根据需要，调节控制不同水层的流速，以研究不同水层流速变化对水生植被周围水文要素影响。所以，在进水口端，设置有可调节的挡板(可以是有机玻璃或不锈钢的薄板，板面通过连接活页调节其与地表的角度)。这里，主要通过转动连接活页的挡板与垂直面/地面之间的角度大小，以实现对水流的阻隔作用，进而调节不同水层的水体流速(进水口区域黑线平行四边形所示意图)。另外，在进水口方向，也可以设计为各个方向的转动挡板，以控制水体的流向。

优选的，所述水槽的底部还安装有若干微地形模拟构件，所述微地形模拟构件由不锈钢的正方形或长方形不锈钢钢片，串联连接至两个相互垂直的转动手柄上。两根垂直交叉的转动手柄嵌插到垂直交叉焊接的两根中空的不锈钢钢管，以实现两个垂直面对转动手柄的转动调节。

优选的，所有多组所述微地形模拟构件的正方形或者长方形不锈钢片工整的排列成一个平面。由于垂直交叉的转动手柄嵌插于垂直交叉焊接的两根中空的不锈钢钢管内，这样就可以根据某一平面点的地形地瞄调节的需要，转动手柄杆使不锈钢片倾斜一定角度并锁定于某一位置，实现对地面起伏的调节，进而模拟微地形结构。

本发明的有益效果是：本系统结构简单，使用方便，通过构建多部件整合,形成立式多空间、多区室划分相结合，为定量比对水文过程和植被群落斑块或单株个体之间的相互作用机理研究提供技术装置，更为解决空间自组织研究的尺度依赖型研究提供便利。

附图说明

图1为本发明的结构立体示意图；

图2为本发明的水槽结构俯视图；

图3a为本发明的水槽结构右视图；

图3b为本发明的进水挡板结构示意图；

图4为本发明的水槽结构仰视图；

图5为本发明的水槽结构仰视图；

图6为本发明的微地形模拟构件结构主视图；

图7为本发明的微地形模拟构件结构侧视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步的说明。其中，图中箭头标示为水流方向或其部件可运动的方向。

如图1所示，一种湿地植物群落研究的多水文过程原位模拟监测系统，包括水槽，所述水槽通过中轴隔板左右划分为对比区域B和模拟区域A，所述对比区域B由前至后划分为对比进水口区11、对比植被区12和对比出水口区13，所述模拟区域A由前至后划分为进水口区21、植被区22和出水口区23，所述对比进水口区11、对比植被区12和对比出水口区13内均不放置任何植被，所述进水口区21、植被区22和出水口区23依次连通，所述对比进水口区11、对比植被区12和对比出水口13区依次连通，所述植被区22内设有待研究的植被群落10或个体或斑块，通过分别测定所述对比进水口区11和对比出水口区13以及进水口区21和出水口区23的水文要素，如流速大小和方向、泥沙含量、营养物质浓度等；并且比较所述进水口区21和出水口区23以及比较对比区域和模拟区域的水文要素，其差值大小则反映了植被区存在的待研究的植被群落或个体或斑块对水文要素的影响程度。植被区则为在植被影响下该植被群落或植被植被斑块内部的水文过程或要素的变化情况。本实施例的图1和图2中，右侧为进水口/进水端，左侧为出水口/出水端。

优选的，分别在所述进水口区21、植被区22和出水口区23的侧面和正上方设有摄像机3，用于录制水文水动力变化下，实验植被群落或斑块内植被个体或群落斑块整体的形态变化特征。最后对比图像上植被的形态变化，明确图片中目标植被个体或整体斑块植被群落形态(植株茎和茎叶)偏离特定中心点的位置轨迹区间或幅度，定量其变化特征，最终定量植被个体性状或斑块形态特征变化与水文要素之间的定量关系。

如图3a和图3b所示，所述水槽的进水口端安装有若干可调节进水量的进水挡板4，所述进水挡板4通过活页可转动地安装在所述水槽的进水口端，进水挡板4的一端连接有旋转把手41，以调节所述进水挡板4的旋转角度大小，以调节所述水槽的进水口大小，实现对水流的阻隔作用，根据其设置的不同层位于不同的高度，进而调节不同水层的水体流速，本实施例中，旋转把手41设置为可旋转0-90°，即最多使进水挡板4平行水槽底部。其中，进水挡板4采用有机玻片制作，方便观测，另外，根据植被高度，研究水层的层数，进水挡板4的数量也可以是多层的，且呈上下排布于水槽的进水口端，越细致则进水挡板4的数量越多。作为上述方案的另一种构思，所述水槽的出水口端安装也可以有若干可调节出水量的出水挡板，所述出水挡板统一通过活页可转动地安装在所述水槽的出水口端，调节所述出水挡板的旋转角度大小，以调节所述水槽的出水口大小，实现对水流的阻隔作用，进而调节不同水层的水体流速，以控制水体的流向。

如图4至图7所示，由于研究过程中，植被群落斑块或者个体周围地貌形态会影响进入水槽的水动力、流场，因此水槽底部在所述进水口区21和/或所述对比进水口区11设计有可模拟微地形结构差异性对水动力影响的若干微地形模拟构件5，所述微地形模拟构件5可以为通过旋转形成竖立与平放的小型弹片，小型弹片竖立与平放错综交错设置，用于模拟进水前端地形变化对植被个体或斑块上周形状的影响研究，其主要作用是地形改变水动力、流场条件进而影响植被。当竖立弹片旋转(顺时针或逆时针)90°时，弹片平行贴靠底面。两排平行的竖立弹片交错排布，可形成此起彼伏的地形变化程度。本实施例中所述微地形模拟构件5呈十字架式设计，由不锈钢的球体51和两个垂直的不锈钢片52焊接或有机玻璃片钳插组成而成。球体51中心可插入细长式转动手柄50的轴，多组微地形模拟构件5的可竖立挡片(不锈钢片52或有机玻璃片)排列整齐平铺于水槽底部。整个装置由多组微地形模拟构件正方形或者长方形不锈钢片工整的排列成一条线个平面。由于中空的球体51可以满足转动手柄的自由旋转，转动手柄使其倾斜一定角度，实现对地面起伏的调节，进而模拟微地形结构，最终实现对地形地貌的调节作用。

以往的研究中，水槽实验模拟大多只是在室内条件下完成，而且水体流速的调控则是通过环形状水槽的某一位置安装发动机，并配装划动水体的转动轮。这以流速的控制，脱离了实际环境中，植被区域水动力条件的多要素综合效应，而且很难控制流速，尤其是各个水层流速控制很难实现。由于水动力变化不仅受到植被的影响，且受到微地貌单元形态的影响，因此水动力-植被-微地形三者之间相互作用相互影响，现有实验室的水槽研究并不能集这些因素为一体，而且实验室条件下移栽植被也是导致实验结果不准确的因素，本设计不需要移植植被，现场条件下即可完成。完全可以实现现场真实条件下，集多水文要素与过程为一体进行调控模拟研究。

本研究的水槽设计除了可以是不锈钢装置，还可以以任何耐腐蚀、耐磨等具有韧性的材质所作。水槽的流速设置，除了上述简单的人工控制以外，还可以通过在现场配备电机和安装有可推动水体流动的装置实现。水槽底部的微地形模拟构件，还可以通过放置任何可定量的塑料制、不锈钢制、石头等粗糙形态的物理结构部件。

以上所述者，仅为本发明的较佳实施例而已，当不能以此限定本发明实施的范围，即大凡依本发明申请专利范围及发明说明内容所作的简单等效变化与修饰，皆仍属本发明专利涵盖的范围内。