我們家鄉(xiāng)有一個(gè)著名的景區(qū)—— 烏龍山大峽谷，峽谷兩岸分布了兩百多個(gè)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(shí)，我們也不禁心生憂慮：日益增多的游客活動(dòng)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(dòng)，守護(hù)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(dòng)對溶洞內(nèi)生態(tài)環(huán)境的影響。在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)一種智能裝置，對溶洞內(nèi)的生態(tài)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測、管理、修復(fù)，以保護(hù)溶洞，促進(jìn)旅游資源的可持續(xù)開發(fā)利用。

二、實(shí)驗(yàn)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(diǎn)。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(shè)置15個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，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(shí)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(gè)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(dòng)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(gè)監(jiān)測點(diǎn)，旺季與淡季的溫度相差1～2 ℃，溫度變化較小，游客活動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(diǎn)），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(hù)措施：

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

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

（3）對空氣不易流通的位置進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測，并適當(dāng)增加通風(fēng)裝置。

（4）定期對溶洞內(nèi)的環(huán)境因子進(jìn)行監(jiān)測和維護(hù)，及時(shí)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(hù)意識。

三、設(shè)計(jì)與制作

1.功能設(shè)計(jì)

為了保護(hù)溶洞內(nèi)的生態(tài)環(huán)境，我們設(shè)計(jì)了溶洞旅游生態(tài)監(jiān)管與修復(fù)裝置，以二氧化碳濃度為主要監(jiān)測指標(biāo)，對溶洞內(nèi)的生態(tài)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測、管理、修復(fù)。

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(shè)定為三種工作模式。

模式一：當(dāng)溶洞內(nèi)二氧化碳濃度在5000 ppm以下時(shí)，為生態(tài)環(huán)境良好狀態(tài)。此時(shí)溶洞景點(diǎn)正常開放，游客可自由進(jìn)洞參觀，同時(shí)系統(tǒng)會自動(dòng)統(tǒng)計(jì)游客人數(shù)。

模式二：當(dāng)二氧化碳濃度為5000～10 000 ppm時(shí)，表明生態(tài)環(huán)境受到輕度影響。此時(shí)修復(fù)裝置啟動(dòng)，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(fēng)扇向水幕簾不斷送風(fēng)，以加快堿性溶液與空氣中二氧化碳的反應(yīng)速度，有效吸收二氧化碳。此時(shí)溶洞景點(diǎn)依然開放，同時(shí)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(shí)裝置全力工作，同時(shí)關(guān)閉溶洞景點(diǎn)，禁止游客入內(nèi)參觀，并播放語音“目前洞內(nèi)正在修復(fù)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(dǎo)下，我們購買了相關(guān)器材，利用學(xué)?？茖W(xué)儀器室和長沙市長郡芙蓉中學(xué)科技中心的材料和工具，將設(shè)計(jì)圖變成實(shí)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(gè)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(jī)加工制作一個(gè)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(bào)器、風(fēng)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(jìn)

模型制作完成后，我們模擬游客活動(dòng)，往裝置內(nèi)吹氣，測試裝置的性能及各項(xiàng)指標(biāo)。結(jié)果顯示裝置性能穩(wěn)定，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

之后，我們將進(jìn)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(fù)裝置提供更精準(zhǔn)的設(shè)計(jì)參數(shù)，促進(jìn)溶洞旅游的可持續(xù)發(fā)展。

專家點(diǎn)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(xué)創(chuàng)造教育分會會長

這是一個(gè)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(xiàng)目的圓滿完成，充分展現(xiàn)了指導(dǎo)老師優(yōu)秀的引導(dǎo)能力。他們成功地引導(dǎo)學(xué)生從家鄉(xiāng)、從身邊的事物中尋找課題，精心培育學(xué)生的科研潛能。這個(gè)課題看上去很大，小學(xué)生似乎難以完成，然而，經(jīng)過老師的精心設(shè)計(jì)，學(xué)生通過自主思考、深入分析、實(shí)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(xiàng)目，令人欽佩。