一种潮汐模拟装置及方法

本发明涉及环境工程的，具体涉及一种潮汐模拟装置及方法。

背景技术：

1、滨海湿地、湖岸、农田和湿地、河流的沉积物容易受到光照、温度、氧气浓度、微生物、上覆水中的金属元素和有机物、潮汐循环等因素影响，从而难以监测和研究这些环境中的羟基自由基的变化趋势。

2、目前，对于沉积物在氧化还原波动的界面产生羟基自由基这部分的研究，现有技术主要是通过简单的水位升降来模拟潮汐过程的方式来研究羟基自由基的产生。为了增加潮汐循环过程，使得潮汐模拟条件更加丰富或者更加贴近实际的环境，通常会引入循环泵，例如，申请号202210664726.x中的研究物质循环的潮汐模拟系统通过增设内置潮汐循环泵，并将进出口和出水口设置在沙箱的靠近底部的部位，实现水流在沙箱中循环流动，进而实现模拟水平迁移的过程和潮汐过程的循环强度条件控制，但这样的设置会引起沉积物表面的扰动较大，难以充分确保将不同高度的水都进行了潮汐循环过程，故其存在潮汐模拟的真实性较差、不利于监测潮汐状况、不利于提高研究数据的可信度的问题。

3、另外，在长期循环的过程中，潮汐模拟装置容易受到水分蒸发、部件的水量损失的累积效应，还存在无法进行长期潮汐循环研究的问题。

4、因此，亟需开发一种潮汐模拟更丰富、更真实，潮汐循环过程更可控，分层取样与监测更方便，且能研究潮汐作用对沉积物中的羟基自由基的影响的模拟潮汐装置。

技术实现思路

1、为了克服现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种潮汐模拟装置及方法。

2、为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：

3、第一方面，本发明提供了一种潮汐模拟装置，包括泥柱、水槽、进水蠕动泵、进出水控制阀、外置潮汐循环泵、时控开关、支撑架、上覆水出水控制阀和上覆水进水控制阀；

4、所述支撑架至少具有上下两层结构，所述泥柱和所述水槽分别设置于所述支撑架的上层和下层；

5、所述泥柱包括泥柱外壳和用于密封泥柱的塞子，所述泥柱外壳的底部设置有通水口；所述泥柱外壳的侧壁的下半部分设置有至少2个位于不同水平面的测样口；

6、所述的泥柱外壳的侧壁的上半部分设置有位于不同水平面的上覆水出水口和上覆水进水口；

7、所述水槽包括水槽本体、水槽的通水口、循环水出水口和循环水进水口；

8、所述水槽的通水口通过管路与所述进出水蠕动泵、进出水控制阀和泥柱的通水口相连，用于模拟涨潮和退潮的过程；

9、所述水槽的循环水出水口通过管路依次与所述外置潮汐循环泵、上覆水进水控制阀、泥柱的上覆水进水口相连，所述泥柱的上覆水出水口通过管路依次与所述上覆水出水控制阀、水槽的循环水进水口相连，用于模拟上覆水循环的过程；

10、所述时控开关分别通过线路与所述进出水蠕动泵、外置潮汐循环泵相连，用于控制潮汐模拟的类型和上覆水循环的运行周期。

11、在本发明的一些实施例中，所述泥柱顶部带有盖子；所述测样口均带有匹配大小的塞子(例如，硅胶胶塞、木头塞子、玻璃胶塞)。

12、具体地，在泥柱中，所述通水口与本发明实施方式中的“进出水口”对应，意思是能够实现进水和出水的原件或通孔；而所述泥柱上的各个出水口和进水口均设置有阀门或塞子，能够使得泥柱在潮汐模拟装置暂时处于相对封闭的状态，从而使得该模拟潮汐装置能够在单个泵和泥柱内部压力的作用下，实现上覆水的有效循环。同时，所述上覆水出水口和上覆水进水口处于设置在不同水平面上，用于提高上覆水循环的有效性。而且，通过设置泥柱的通水口在底部，减少对沉积物的扰动。需要说明的是，由于泥柱内部处于相对封闭的状态，在外置循环泵的作用下，上覆水从管道进入泥柱后，泥柱为了维持内部压力的平衡，会使得部分上覆水通过泥柱的上覆水出水口流出、流回到水槽里面。

13、在本发明的一些实施方式中，所述水槽还包括曝气孔，传感器孔、补给水口和用于固定原件和密封的盖子；所述曝气孔、传感器孔和循环水出水口均设置在所述盖子上；

14、所述循环水进水口在水槽本体的侧壁上，且设置在距离所述水槽本体顶部的0.1～0.5cm的位置，所述水槽的通水口和补给水口均设置在所述水槽本体的侧壁上，且设置在距离所述水槽本体的底部0.1～0.5cm的位置。

15、所述的潮汐模拟装置还包括氧气发生装置、流量调节阀和曝气头，所述曝气头安装在所述水槽本体的内部；

16、所述氧气发生装置通过管路与流量调节阀、曝气孔和曝气头相连，所述氧气发生装置还与时控开关相连，用于调节水槽内部液体的溶氧量。

17、在本发明的一些优选的实施方式中，所述传感器孔的个数为2～10个。

18、在本发明的一些更优选的实施方式中，所述曝气孔上安装有固定水管的导管。

19、具体地，所述水槽具有至少以下功能：(1)储水功能，(2)提供上覆水或循环水，(3)为调控和监测上覆水提供空间，(4)与设置在不同高度的补偿水槽、单向阀相连，具有自动补给水的功能。

20、在本发明的一些实施方式中，所述氧气发生装置包括氧气瓶、氧气泵中的至少一种。

21、在本发明的一些实施方式中，所述的潮汐模拟装置还包括光照系统、数据检测系统、数据显示和控制系统和移动电极体系；

22、所述光照系统设置在所述支撑架的顶部，并与时控开关相连，用于照射泥柱并模拟不同的光照条件；

23、所述数据检测系统安装在水槽上，用于检测水槽中上覆水的情况；

24、所述移动电极体系用于检测泥柱中的沉积物的电位信号；

25、所述数据检测系统、移动电极体系分别与数据显示和控制系统相连，用于将检测得到的数据，直接显示和反馈数据显示和控制系统的显示器上，便于监测与控制沉积物与上覆水的情况。

26、在本发明的一些实施方式中，所述数据检测系统包括水位传感器、溶解氧传感器、ph传感器、温度传感器和氧化还原电位传感器。

27、在本发明的一些实施例中，所述移动电极体系包括参比电极和工作电极。

28、在本发明的一些实施例中，所述参比电极为甘汞电极，所述工作电极为铂电极。

29、在本发明的一些优选的实施方式中，所述数据检测系统包括水位传感器、溶解氧传感器、ph传感器、温度传感器和氧化还原电位传感器，且所述数据检测系统中的传感器均是经过水槽的盖子上的传感器口安装在水槽上。

30、在本发明的一些优选的实施方式中，所述水位传感器选自浮子液位传感器、光学液位传感器中的至少一种。

31、具体地，可供选择的传感器如下：

32、所述水位传感器包括浮子液位传感器littelfuse 59630、光学液位传感器cynergy 3ols500d3、基恩士fl-cp120液位传感器、基恩士fl-cp100液位传感器中的至少一种；

33、所述溶解氧传感器包括雷磁jpbj-608型的溶解氧传感器，雷磁jpbj-607a型的溶解氧传感器，德国amer在线溶解氧仪oom223,德国amer在线溶解氧仪oom253；梅特勒托利多inpro6050溶解氧传感器中的至少一种；

34、所述ph传感器包括型号为inpro4800，inpro3100/120pt100，inpro3100/150pt100中的至少一种；所述ph传感器的厂家为梅特勒托利多；

35、所述氧化还原电位传感器包括梅特勒托利的氧化还原电位(orp)复合电极le501，梅特勒托利的氧化还原电极inlab redox ag805中的至少一种。

36、在本发明的一些实施方式中，所述的潮汐模拟装置还包括补偿水槽和单向阀门；所述补偿水槽设置在所述支撑架的上层；

37、所述补偿水槽设置有出水口，且所述补偿水槽的出水口通过管路依次与单向阀门、水槽的补给水口相连，所述单向阀门通过线路与数据显示和控制系统相连，用于及时补充中的水量。

38、在本发明的一些优选的实施方式中，所述支撑架具有上中下三层结构，并设置所述光照系统位于所述支撑架的上层，所述泥柱位所述支撑架位于中层，所述水槽和补偿水槽位于所述支撑架的下层。

39、在本发明的一些优选的实施方式中，所述补偿水槽的出水口设置距离补偿水槽的底部0.1cm～0.5cm的侧壁上。

40、在本发明的一些实施方式中，所述补偿水槽的出水口的直径为0.1cm～1cm。

41、在本发明的一些实施方式中，所述补偿水槽包括补偿水槽本体和盖子。

42、在本发明的一些实施方式中，所述水槽的容积和所述补偿水槽的体积之比为(6～10)：1。

43、在本发明的一些实施方式中，所述泥柱外壳的侧壁的下半部分设置有6～20个位于不同水平面的测样口。

44、在本发明的一些优选的实施方式中，所述泥柱外壳上的测样口为圆形通孔，所述测样口的直径和所述泥柱的高的长度之比为(0.005～0.03):1。

45、在本发明的一些优选的实施方式中，所述泥柱外壳的侧壁的下半部分的每个水平面上，设置2-4个圆形测样口；所述测样口至少设置在4～15个水平面上，且所述测样口的直径为0.2cm～0.6cm。

46、在本发明的一些更优选的实施方式中，所述圆孔通孔在内嵌体的侧壁上按层均匀分布，共6～15层。

47、在本发明的一些实施方式中，所述泥柱外壳的上覆水出水口设置在上覆水进水口的上方，且上覆水出水口设置在垂直距离泥柱顶端0.1～4cm处。

48、在本发明的一些优选的实施方式中，所述上覆水出水口与上覆水进水口的垂直距离为5～8cm。

49、在本发明的一些实施方式中，所述泥柱还包括内嵌体，所述内嵌体选自长方体、圆柱体中的一种。

50、在本发明的一些优选的实施方式中，所述泥柱还包括内嵌体，所述内嵌体为圆柱状，中空且无盖；所述内嵌体的内侧具有圆柱形的纱布，所述内嵌体的侧壁上具有若干个通孔。

51、具体地，所述圆柱状的内嵌体能够称为“内嵌圆柱体”。

52、在本发明的一些实施方式中，所述泥柱外壳的内部为圆柱状；所述泥柱外壳的内径与所述内嵌圆柱体的外径之差≤0.5cm。

53、在本发明的一些实施方式中，所述内嵌体的高度和所述泥柱外壳的高度之比为(0.3～0.6)：1。

54、在本发明的一些优选的实施方式中，所述内嵌体侧壁上的通孔与测样口的尺寸相同。

55、在本发明的一些优选的实施方式中，所述圆柱形的纱布的目数为100～300目。

56、具体地，所述圆柱形纱布是为了减少模拟潮汐对沉积物的影响(包括沉积物的流失)，而所述内嵌圆柱体是为了固定用圆柱形纱布包裹住的沉积物，使得其固定在泥柱的底部。同时，由于设置泥柱的通水口在底部，涨潮和落潮模拟时，水利用内嵌体的通孔来输送上覆水。

57、在本发明的一些实施方式中，所述泥柱的外壳还包括法兰结构，且所述法兰结构由上法兰和下法兰组成，所述泥柱的底部的通水口分别设置在所述下法兰的中心部位。

58、具体地，所述法兰结构能够用螺丝固定，该法兰结构的设置是为了方便装填包裹有纱布的沉积物的内嵌体。

59、在本发明的一些实施方式中，所述法兰结构是通过螺丝连接和固定的。

60、在本发明的一些实施方式中，所述内嵌体的内部容积与所述泥柱外壳的容积之比为1：(1.5～3)。

61、在本发明的一些优选的实施方式中，所述内嵌圆柱体侧壁上的通孔为圆形通孔，且所述通孔的直径和所述泥柱的高的长度之比为(0.005～0.03):1。

62、在本发明的一些实施方式中，所述泥柱的容积和所述水槽的容积之比为(4～6)：1。

63、在本发明的一些更优选的实施方式中，所述泥柱和内嵌圆柱体均为透明有机玻璃材质，方便观察、取样与研究。

64、在本发明的一些更优选的实施方式中，所述泥柱外壳的内直径与所述内嵌圆柱体的外直径相等，所述内嵌圆柱体的内径与外直径相差0.1～0.5cm。

65、具体地，通过设计合理的泥柱外壳的内直径、内嵌圆柱体的外直径和内径，能够提高泥柱外壳与内嵌圆柱体的接触面和摩擦力，使得内嵌圆柱体和位于内嵌圆柱体内部的沉积物都能够很好地被固定在泥柱外壳的里面底部；还能控制上覆水的路径。

66、在本发明的一些实施方式中，所述泥柱的容积和所述水槽的容积之比为(4～6)：1。

67、在本发明的一些实施方式中，所述泥柱、所述水槽、所述补偿水槽均为透明材质的材料，便于观察、采样与监测。

68、在本发明的一些实施方式中，所述水槽选自长方体、圆柱体中的一种；所述补偿水槽选自长方体、圆柱体中的一种。

69、在本发明的一些实施方式中，所述水槽的盖子选自长方体、圆柱体中的一种；所述补偿水槽的盖子选自长方体、圆柱体中的一种。

70、在本发明一些优选的实施方式中，所述水槽的盖子和所述补偿水槽的盖子为旋盖，所述旋盖高0.5～5cm。

71、在本发明的一些实施方式中，所述透明材质的材料选自无机玻璃、有机玻璃、透明塑料中的至少一种。

72、在本发明的一些实施方式中，所述进出水控制阀、上覆水出水控制阀、上覆水进水控制阀与时控开关相连，能够提高所述潮汐模拟装置的可控性。

73、在本发明的一些实施方式中，所述时控开关与数据显示和控制系统相连，能够提高装置的联动性。

74、具体地，所述时控开关和数据显示和控制系统能够替换为带有时控开关功能和显示功能的设备，例如，手机、电脑、平板等。

75、第二方面，本发明还提供了一种潮汐模拟方法，所述方法是采用上述潮汐模拟装置进行模拟。

76、在本发明的一些实施方式中，所述潮汐模拟方法包括以下步骤：

77、s1：监测并调控水槽中的上覆水的情况；

78、将上覆水与沉积物混合后，用纱布包裹并装填在内嵌体的内部，再将内嵌体安装并固定在泥柱的底部；

79、通过设置时控开关来控制光照系统、进出水蠕动泵和外置潮汐循环泵的运行周期；

80、s2：利用进出水蠕动泵将上覆水从水槽输送至泥柱来模拟涨潮过程；

81、s3：涨潮过程结束后，利用阀门和塞子使得泥柱处于封闭状态后，再打开泥柱的上覆水出水口和上覆水进水口，并利用水槽、外置潮汐循环泵和泥柱内部的压力来进行上覆水循环过程；

82、s4：关闭外置潮汐循环泵，打开进出水控制阀，利用进出水蠕动泵将上覆水输送回水槽来进行退潮模拟过程。

83、在本发明的一些实施方式中，s1中的内嵌体的安装具体是：所述内嵌体上的通过孔位置需与所述测样口对上，便于分层沉积物间隙水的取样，也便于进行沉积物各层微生物研究的前处理操作，且硅胶胶塞的横截面与内嵌圆柱体上的通孔的形状与大小相同，能够用于固定内嵌圆柱体在底部，方便取样与研究，减少涨潮、落潮和循环水湍动过程对沉积物的损耗，确保泥柱里面能够经历较长时间的模拟过程。

84、在本发明的一些实施方式中，在泥柱中，所述沉积物的高度与泥柱高度之比为(0.8～1.2):1。

85、具体地，能够通过设置所述时控开关对进出水蠕动泵、外置潮汐循环泵、光照系统进行控制，来模拟不同光照条件、模拟不同潮间带位置(高潮区、中潮区、低潮区)、不同潮汐类型(半日潮、全日潮)条件、潮位高度(高潮位、中潮位、低潮位)。进一步分析，能够通过设置以下条件来实现模拟不同的潮汐情况，具体见表1。

86、表1时控开关控制的条件和潮汐类型的对应关系

87、 潮汐类型 条件设置 高潮区 覆水时间：裸露时间＝1:2 中潮区 覆水时间：裸露时间＝1:1 低潮区 覆水时间：裸露时间＝2:1 半日潮 覆水时间和裸露时间均为6h 全日潮 覆水时间和裸露时间均为12h

88、注：表1中的一日按照24小时计，不同潮位高度可根据沉积物的装填量和泥柱高度进行设置。

89、在本发明的一些优选的实施方式中，所述潮汐模拟方法的步骤s1包括：先将沉积物在温度为25～35℃的黑暗条件下进行孵化10～20天，然后用上覆水将沉积物含水量调节至30％～50％。

90、特别地，在黑暗中孵化是为了方便研究沉积物中羟基自由基的生成量的变化启示，而先对沉积物的含水量进行调节，可减少上覆水在模拟过程中的损失，有利于监测沉积物的其他数据的变化趋势。

91、在本发明的一些优选的实施方式中，所述潮汐模拟方法还包括：s2、s3和s4能够循环运行若干个周期。

92、在本发明的一些优选的实施方式中，所述潮汐模拟方法包括预运行过程，所述预运行过程包括：进行1次所述的s1过程、进行1～5次所述s2、s3和s4的过程，再开始数据监测和记录。

93、在本发明的一些实施方式中，所述潮汐模拟方法还包括：利用移动电极体系插入泥柱上的测样口，对不同泥柱中不同位置的沉积物进行检测。

94、在本发明的一些实施方式中，所述潮汐模拟方法还包括：拔下硅胶胶塞，在和泥柱上的测样口的位置，用采样器采集泥柱中不同位置沉积物或间隙水样品。

95、具体地，通过移动电极体系和采样器抽取的样品能够用于检测不同位置沉积物中的二价铁含量、溶解性有机碳、羟基自由基含量，从而能够研究不同潮汐作用对沉积物中羟基自由基的影响。

96、在本发明的一些实施方式中，所述潮汐模拟方法还包括：所述潮汐模拟方法还包括：用数据检测系统监测水槽中的上覆水中的溶氧量，并通过控制用氧气泵、流量调节阀和曝气头连接的管路来定量向水槽中的上覆水输送氧气。

97、具体地，通过数据检测系统、氧气泵、流量调节阀和曝气头既可以探究溶氧量对沉积物中羟基自由基的影响，又可以及时控制水槽中的溶氧量。进一步，数据检测系统、氧气泵、流量调节阀、曝气头、泥柱、水槽和移动电极体系连用，能够进一步探究有机物、微生物、铁元素、电位和溶解氧等多因素对沉积物中的羟基自由基的影响。

98、在本发明的一些实施方式中，所述潮汐模拟方法还包括：在潮汐模拟前，用数据检测系统中的水位传感器检测水槽中的初始水位情况；在一个潮汐模拟周期结束后，检测水槽中的潮汐模拟后的水位情况，并根据情况对水槽进行水位补充。

99、具体地，当初始水位＞潮汐模拟后的水位时，通过时控开关打开单向阀门，补偿水槽通过重力和压力差的作用给水槽输送上覆水，并将水槽中的水位补充至初始水位；

100、其他情况，单向阀门维持关闭的状态。

101、具体地，所述补偿水槽的设置能够使得潮汐模拟装置的运行时间更长，还能减少损失水(例如，蒸发水)对潮汐模拟的影响，提高研究数据的准确性和模拟的真实性。

102、在本发明的一些优选实施方式中，当初始水位＞潮汐模拟后的水位±1cm时，通过时控开关打开单向阀门，补偿水槽通过重力和压力差的作用给水槽输送上覆水，并将水槽中的水位补充至初始水位。

103、在本发明的一些实施方式中，所述沉积物为滨海湿地沉积物、湖岸、农田的地下沉积物、河流沉积物中的至少一种。

104、在本发明的一些实施方式中，所述上覆水为人工海水、超纯水中的至少一种。

105、在在本发明的一些实施方式中，所述上覆水为人工海水、超纯水中的至少一种。

106、本发明的有益效果是：本发明的潮汐模拟装置通过设计泥柱和水槽的结构与安装位置，以及各个设备的连接方式，不仅能够实现潮汐模拟更丰富、更真实，潮汐循环过程更可控，分层取样与监测更方便，对沉积物影响小，而且能研究潮汐作用对沉积物中的羟基自由基和其他参数的影响，还能够通过增设补充水槽使得其装置适合模拟长周期或运行时间长的潮汐作用，适合研究不同潮汐模拟对沉积物的影响。具体为：

107、(1)本发明的潮汐模拟装置的上覆水的循环过程主要是利用了外置循环泵和压力差的作用；

108、具体地，泥柱在覆水状态下，由于泥柱使用塞子，能够使得泥柱的内部能够呈现封闭真空的状态，在外置潮汐循环泵和泥柱的内部压力的作用下，上覆水能从水槽通过泥柱的上覆水进水口流入泥柱中，泥柱的内压就把泥柱中的上覆水从上覆水出水口通过重新流入水槽中，从而实现达到上覆水的循环过程；这样既可以达到上覆水的循环可控，不易引起沉积物表面的扰动，利于研究，又通过控制外置潮汐循环泵的流速快慢，来实现潮汐过程的上覆水的循环强度条件控制。

109、(2)本发明的潮汐模拟装置的更贴切实际的潮汐过程，潮汐模拟运行系统，通过泥柱实现底部进水、并引入外置的进出水蠕动泵实现循环且减少扰动、可减少对沉积物表层的扰动，减少影响实验的取样测定，便于研究，并再加入光照系统，这三点更加贴切实际的潮汐过程。

110、(3)本发明的潮汐模拟装置能实现不同潮间带位置(高潮区、中潮区、低潮区)、不同潮汐类型(半日潮、全日潮)条件、潮位高度(高潮位、中潮位、低潮位)的模拟，不同上覆水的循环强度条件的模拟，上覆水的溶解氧条件的模拟、不同地区的光照条件的模拟。

111、(3)本发明的潮汐模拟装置便于采样和监测，通过设计泥柱具有不同水平面的测样口，便于对不同水平面沉积物间隙水和沉积物的相关理化性质进行原位监测或采样。

112、(4)本发明的潮汐模拟装置通过设计泥柱外壳底部法兰结构，不仅便于放置、固定沉积物，而且能在不破坏沉积物的层状结构的条件下取出沉积物，使得在进行沉积物微生物的分层研究的前处理操作更加便捷。

113、(5)本发明的潮汐模拟装置能实现在运行过程中上覆水的相关指标的直接实时监测与控制。

114、(6)本发明的潮汐模拟装置设置有蒸发水自动补给系统可实现多周期的潮汐运行研究，减少长时间的运行下由于蒸发作用带来的实验误差，利于研究的准确性。

115、(7)本发明提供一种本发明的潮汐模拟的方法，其包括先用上覆水对沉积物进行含水量的调整，减少后续上覆水在输送过程中，对沉积物的影响。