(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210542417.5 (22)申请日 2022.05.17 (71)申请人 长江水利委员会长江科 学院 地址 430010 湖北省武汉市黄浦大街23号 申请人 中国长江三峡集团有限公司 (72)发明人 郭辉　王殿常　石浩洋　吴兴华　 周小国　丁锴　李析男　淦方茂　 陈文然　付国栋　 (74)专利代理 机构 武汉楚天专利事务所 421 13 专利代理师 孔敏 (51)Int.Cl. G01M 10/00(2006.01) G01N 21/84(2006.01) G01N 33/18(2006.01) G01D 21/02(2006.01) (54)发明名称 一种量化水生生物运动行为对水质生态修 复效果扰动规 律的装置及方法 (57)摘要 本发明提供一种量化水生生物运动行为对 水质生态 修复效果扰动规律的装置及方法， 该装 置包括可循环 流水实验平台、 水质扰动影响因子 监测系统， 可循环流水实验平台包括顺直玻璃实 验水槽、 连接顺直玻璃实验水槽中进水水流扩散 段和尾水槽的循环水管道、 接至尾水槽的出水管 道、 伸入下沉蓄水池的供水管道， 顺直玻璃实验 水槽中部为水生生物扰动实验区。 本发明通过可 循环流水实验平台营造河流或湖泊中不同水动 力条件， 在水生生物扰动实验区利用水质扰动影 响因子监测系统同步测定水生生物 运动行为、 水 流紊动特性、 浊度剖面分布、 相关水环境参数 以 及水质扰动强度， 解析水生生物行为 ‑水动力‑水 质扰动的响应规律， 为水体生态 修复提供科学支 撑。 权利要求书3页 说明书6页 附图6页 CN 115014702 A 2022.09.06 CN 115014702 A 1.一种量化水生生物运动行为对水质生态修复效果扰动规律的装置， 其特征在于： 包 括可循环流水实验平台、 水质扰动影响因子监测系统； 所述可循环流水实验平台包括顺直玻璃实验水槽、 位于顺直玻璃实验水槽底部的有机 玻璃可变槽底、 位于顺直玻璃实验水槽上游的进水水流扩散段、 位于顺直玻璃实验水槽尾 部的水位调节尾门和尾水槽、 连接进水水流扩散段和尾水槽的循环水管道、 接至尾水槽的 出水管道、 伸入下沉蓄水池的供水管道、 位于循环水管道的电磁流量计、 变频水泵， 循环水 管道与供水管道 连通， 变频水泵 前后段的循环水管道分别设有第一电动闸 门和第二电动闸 门， 第一电动闸门位于循环水管道连通尾水槽的管道上， 供水管道上设有第三电动闸 门， 出 水管道上设有第四电动闸门； 所述顺直玻璃实验水槽 中部为水生生物扰动实验区， 用于模拟水体中水生生物的生存 环境； 所述水质扰动影响因子监测系统包括纵横移动机构、 设于纵横移动机构上的水质参数 检测仪、 安置于原状沉积物和水界面处的水质扰动被动测 量装置、 位于水生生物扰动 实验 区槽壁外侧 面的高速摄像机、 位于水生生物扰动实验区顶部的高速摄像机、 位于水生生物 扰动实验区槽壁内侧面的水 下摄像机。 2.如权利要求1所述一种量化水生生物运动行为对水质生态修复效果扰动规律的装 置， 其特征在于： 通过设置第一电动闸 门、 第二电动闸 门、 第三电动闸 门、 第四电动闸 门的起 闭规则， 并配合变频水泵营造出河流型单向流水流和湖泊型循环流水流两种 水动力条件： 用于模拟河流水质扰动机理 时， 通过变频水泵抽取下沉蓄水池内水体， 尾水排出实验平台， 营造出单向流水流； 用于模拟湖泊水质扰动机理时， 通过变频水泵循环顺直玻璃实验水槽 内已有水体， 营造出循环流水流。 3.如权利要求2所述一种量化水生生物运动行为对水质生态修复效果扰动规律的装 置， 其特征在于： 当模拟河流单向流工况时， 第一电动阀门保持关闭， 开启第三电动阀门和 第四电动阀门， 同时开启变频水泵， 通过变频水泵抽取下沉蓄水池内水体， 尾水排出实验平 台， 营造出单向流水流； 当模拟 循环水流工况时， 开启第一电动阀门关闭第三电动阀门和 第 四电动阀门， 同时开启变频水泵， 通过变频水泵循环顺直 玻璃实验水槽内已有 水体， 营造出 循环流水流。 4.如权利要求1所述一种量化水生生物运动行为对水质生态修复效果扰动规律的装 置， 其特征在于： 所述水生生物扰动实验区上下游设有 水生生物限位网， 水生生物扰动实验 区底部设有沉积物铺设凹槽， 沉积物铺设凹槽用于放置原状沉积物， 原状沉积物中栖息有 底栖动物， 原状沉积物上种植有水生 植物， 水生 生物扰动实验区的水体中栖息有鱼类。 5.如权利要求1所述一种量化水生生物运动行为对水质生态修复效果扰动规律的装 置， 其特征在于： 所述纵横移动机构包括固定于顺直玻璃实验水槽两侧侧墙顶部的纵向滑 轨， 纵向滑轨上连接可纵向滑动的纵向滑座， 两个纵向滑座固定横向滑轨， 横向滑轨上连接 可横向滑动的横向滑座， 所述水质参数检测仪固定 于横向滑座。 6.如权利要求1所述一种量化水生生物运动行为对水质生态修复效果扰动规律的装 置， 其特征在于： 所述水质参数检测仪包括ADV流速 仪、 ASM‑IV剖面浊度仪和多参数 水质仪。 7.一种量化水生生物运动行为对水质生态修复效果扰动 规律的方法， 其特征在于采用 权利要求1 ‑6中任一项所述装置进行， 所述方法包括如下步骤：权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 115014702 A 2S1： 采取河流或湖泊原状沉积物， 铺设至水生 生物扰动实验区底部凹槽内； S2： 选取目标种类和数量的鱼类、 水生 植物和底栖动物， 栖息 于水生生物扰动实验区； S3： 在顺直实验水槽内充水至目标水位后， 关闭可循环流水实验平台尾部电动阀门， 静 置稳定一段时间； S4： 根据实验所需工况， 通过多个电动阀门不同控制规则， 同时设置变频泵频率， 营造 单向流或循环流， 模拟 河流或湖泊的水动力工况； S5： 实验过程中， 侧面高速摄像机和顶部高速摄像机记录鱼类游动行为和水生植物摆 动特征， 水下摄像机记录底栖动物活动行为， 通过移动纵横移动机构， 操作ADV流速仪测量 水体流速及紊动特性、 通过剖面浊度仪测量水体垂向浊度、 通过多参数水质仪测量水环境 参数、 通过 水质和沉积物被动测量装置测定水质扰动强度； S6： 实验结束后， 使用图像处理软件分析高速摄像机连续多帧图片， 提取不同水动力条 件下水生生物摆动频率、 活动轨 迹， 计算特 征水流紊动指标的垂向分布规 律。 S7： 调整变频泵频率， 改变水动力条件， 或者改变鱼类、 水生植物、 底栖动物的种类或数 量， 重新执 行S1～S6， 开展不同工况 条件的实验； S8： 综合分析不同工况实验成果， 建立水生生物活动行为 ‑水动力‑水质扰动之间的耦 合影响关系， 揭示水生 生物运动行为对水质生态修复 效果扰动规 律的影响机理。 8.如权利要求7所述一种量化水生生物运动行为对水质生态修复效果扰动规律的方 法， 其特征在于： 步骤S4具体包括： 当模拟河流单向流工况时， 第一电动阀门保持关闭， 开启 第三电动阀门和第四电动阀门， 同时开启变频水泵， 通过变频水泵抽取下沉蓄水池内水体， 尾水排出实验平台， 营造出单向流水流； 当模拟循环水流工况时， 开启第一电动阀门， 关闭 第三电动阀门和第四电动阀门， 同时开启变频水泵， 通过变频水泵循环顺直玻璃实验水槽 内已有水体， 营造出循环流水流。 9.如权利要求7所述一种量化水生生物运动行为对水质生态修复效果扰动规律的方 法， 其特征在于： 步骤S6中所述特 征水流紊动指标包括紊动强度、 紊动能、 雷诺 应力。 10.如权利要求9所述一种量化水生生物运动行为对水质生态修复效果扰动规律的方 法， 其特征在于： 鱼类或水生 植物摆动频率P采用如下公式计算： P＝N/n 式中， N为高速摄像机拍摄频率； n为提取鱼类或水生植物最大摆动幅度所需要的连续 照片帧数； 紊动强度、 紊动能、 雷诺 应力分别采用如下公式计算： 式中， Ii为x、 y或z方向的紊动强度； U ′i为x、 y或z方向的脉动流速； Ui为x、 y或z方向的瞬权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 115014702 A 3