溶洞旅游生態(tài)監(jiān)管與修復裝置

我們家鄉(xiāng)有一個著名的景區(qū)—— 烏龍山大峽谷，峽谷兩岸分布了兩百多個溶洞。這些溶洞像仙境，似迷宮，每次踏入其中，我們都會被大自然的鬼斧神工折服。

然而，在欣賞美景的同時，我們也不禁心生憂慮：日益增多的游客活動會對溶洞內(nèi)的生態(tài)環(huán)境造成不良影響嗎？如果有影響，我們又該如何行動，守護好這份大自然的饋贈呢？

一、研究思路

調(diào)查龍山縣溶洞旅游現(xiàn)狀，利用傳感器監(jiān)測溶洞內(nèi)的溫度、濕度、二氧化碳濃度，根據(jù)數(shù)據(jù)評估游客活動對溶洞內(nèi)生態(tài)環(huán)境的影響。在此基礎(chǔ)上設計一種智能裝置，對溶洞內(nèi)的生態(tài)環(huán)境進行監(jiān)測、管理、修復，以保護溶洞，促進旅游資源的可持續(xù)開發(fā)利用。

二、實驗與分析

1.采集數(shù)據(jù)

烏龍山大峽谷景區(qū)主要有飛虎洞、惹迷洞、鰱魚洞等景點。我們選擇了惹迷洞作為研究對象，在其洞口以及洞內(nèi)不同位置設置15個監(jiān)測點，將溫濕度傳感器、二氧化碳傳感器與主控板組合在一起，構(gòu)成一套監(jiān)測裝置，連續(xù)監(jiān)測溶洞內(nèi)的溫度、濕度、二氧化碳濃度。監(jiān)測時間覆蓋旅游旺季（7月至9月）和淡季（11月至次年3月）的每個雙休日，最終數(shù)據(jù)取平均值。

2.分析數(shù)據(jù)

從圖2可以看出，游客活動對溶洞內(nèi)的溫度有一定影響，游客數(shù)量與溫度呈正相關(guān)的關(guān)系。在同一個監(jiān)測點，旺季與淡季的溫度相差1～2 ℃，溫度變化較小，游客活動對洞內(nèi)溫度的影響不大。

從圖3可以看出，溶洞內(nèi)的空氣濕度一直較高，游客活動對洞內(nèi)濕度的影響較小。分析其原因，可能是由于洞內(nèi)不斷有水滴落，水分蒸發(fā)使洞內(nèi)空氣保持較高濕度，游客活動不足以對空氣濕度產(chǎn)生較大影響。

從圖4可以看出，游客活動對溶洞內(nèi)二氧化碳濃度的影響很大。尤其是在洞內(nèi)游客休息區(qū)域（7號、8號監(jiān)測點），二氧化碳濃度的變化十分明顯。

3.思考與討論

通過以上數(shù)據(jù)可以看出，在旅游旺季，隨著游客數(shù)量的增加，溶洞內(nèi)二氧化碳濃度上升。

高濃度的二氧化碳不僅會引起游客不適，還會加速碳酸鹽的溶解，破壞溶洞景觀。為此，我們集思廣益，提出了以下幾條保護措施：

（1）在溶洞內(nèi)安裝二氧化碳濃度監(jiān)測設備，一旦濃度超標，便立即觸發(fā)警報并限制游客人數(shù)。

（2）在溶洞內(nèi)安裝生態(tài)修復系統(tǒng)，利用堿性溶液與二氧化碳發(fā)生化學反應，降低洞內(nèi)的二氧化碳濃度。

（3）對空氣不易流通的位置進行重點監(jiān)測，并適當增加通風裝置。

（4）定期對溶洞內(nèi)的環(huán)境因子進行監(jiān)測和維護，及時發(fā)現(xiàn)并解決問題。

（5）通過宣傳、教育等方式，提高游客的環(huán)保意識和自我保護意識。

三、設計與制作

1.功能設計

為了保護溶洞內(nèi)的生態(tài)環(huán)境，我們設計了溶洞旅游生態(tài)監(jiān)管與修復裝置，以二氧化碳濃度為主要監(jiān)測指標，對溶洞內(nèi)的生態(tài)環(huán)境進行監(jiān)測、管理、修復。

參照二氧化碳濃度對人體健康影響的相關(guān)研究，我們將裝置設定為三種工作模式。

模式一：當溶洞內(nèi)二氧化碳濃度在5000 ppm以下時，為生態(tài)環(huán)境良好狀態(tài)。此時溶洞景點正常開放，游客可自由進洞參觀，同時系統(tǒng)會自動統(tǒng)計游客人數(shù)。

模式二：當二氧化碳濃度為5000～10 000 ppm時，表明生態(tài)環(huán)境受到輕度影響。此時修復裝置啟動，水泵將下水槽內(nèi)的堿性溶液輸送到上水槽，溶液沿著水幕簾緩緩流下，風扇向水幕簾不斷送風，以加快堿性溶液與空氣中二氧化碳的反應速度，有效吸收二氧化碳。此時溶洞景點依然開放，同時播放語音“目前洞內(nèi)游客較多，請注意安全”。

模式三：一旦二氧化碳濃度超過10 000 ppm，表明生態(tài)環(huán)境受到重度影響。此時裝置全力工作，同時關(guān)閉溶洞景點，禁止游客入內(nèi)參觀，并播放語音“目前洞內(nèi)正在修復生態(tài)因子，請您在洞外耐心等候”。

2.模型制作

在老師的指導下，我們購買了相關(guān)器材，利用學校科學儀器室和長沙市長郡芙蓉中學科技中心的材料和工具，將設計圖變成實物。

（1）將方形塑料桶和泡沫加工制作成模型的外殼，再涂上顏料，制作一個溶洞景觀的外殼。

（2）根據(jù)裝置的功能，利用Mind+軟件編寫程序。

（3）利用激光切割機加工制作一個水幕簾。

（4）將二氧化碳傳感器、紅外線傳感器、三色燈、語音播報器、風扇、水泵、顯示屏、主控板與溶洞景觀、水幕簾等組裝在一起。

3.測試與改進

模型制作完成后，我們模擬游客活動，往裝置內(nèi)吹氣，測試裝置的性能及各項指標。結(jié)果顯示裝置性能穩(wěn)定，達到了設計要求。

之后，我們將進一步開展二氧化碳濃度對鐘乳石的次生影響的研究，為溶洞旅游生態(tài)監(jiān)管與修復裝置提供更精準的設計參數(shù)，促進溶洞旅游的可持續(xù)發(fā)展。

專家點評

譚迪熬

中國發(fā)明協(xié)會院士專家咨詢工作委員會首任專家、中國發(fā)明協(xié)會中小學創(chuàng)造教育分會會長

這是一個熱愛大自然、熱愛家鄉(xiāng)，創(chuàng)建環(huán)境美好型社會的好選題。該項目的圓滿完成，充分展現(xiàn)了指導老師優(yōu)秀的引導能力。他們成功地引導學生從家鄉(xiāng)、從身邊的事物中尋找課題，精心培育學生的科研潛能。這個課題看上去很大，小學生似乎難以完成，然而，經(jīng)過老師的精心設計，學生通過自主思考、深入分析、實踐探索，逐步攻克難關(guān)，最終完成了這一看似不可能完成的項目，令人欽佩。