一种基于浮标站的水质污染物通量监测方法及系统与流程

1.本技术属于水质监测技术领域，更具体的，涉及一种基于浮标站的水质污染物通量监测方法及系统。


背景技术：

2.我国的水资源水量总数多、人均少，随着经济飞速发展，污水排放量增大、污染影响范围广，水质情况趋于复杂。伴随污水的偷排漏排，常见的自然水体因此污染日益加剧。相较于对自然水体的直接治理，利用更加便利的监测技术，可以提高治理效果。
3.对污水来源的类别精选划分，可以分为工业废水、生活污水和农业污水。工业废水因产业的不同会有较大的区别，通常为某一类污染物浓度大，且不易被自然净化，常常带有颜色和异味，同时伴随热流出物排入水体，使水文升高。生活污水主要来自人口密度较高的城镇，包括家庭、学校、商业社区以及其他城市公共设施，污水来自包括厕所、厨房、浴室和其他排水设施，其主要排放方式以雨污混流、偷排漏排等排入自然水体。农业污水主要来自于农作物种植和牲畜饲养，此外还有农产品加工过程的污水排放，在影响环境的同时也对人体健康形成威胁。
4.常见的污染支流浓度随时间变化较为明显，其中排口有不定时排放的现象，所以需要对支流进行长时间、高密度的取样。传统的取样检测不具备时效性，且需要耗费大量人力。安装固定检测设备很大程度降低了人力，但是高昂的费用不利于大批量安装，同时受限于检测方法，检测频率较低，无法应对变化较快的水质状况，还会因为接电问题，受限于安装位置。另外，污水对于自然水体的污染，只考虑水质污染物的浓度，最终在计算污染物贡献率时会受水质通量的影响导致污染物贡献率偏差。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本技术提供了一种基于浮标站的水质污染物通量监测方法及系统，采用一种更为便利且能自己供电的浮标式检测设备作为重要断面的监测手段，同时在具备污染监测时效性的基础上引入通量的概念，从而实现获取长时间和高频率的监测需求，提升水质污染物贡献率的准确性。
6.本技术的具体技术方案如下：
7.本技术提供一种基于浮标站的水质污染物通量监测方法，包括如下步骤：
8.获取一定时期一定范围内水域的基本水质信息，筛选水质变化的水域范围；
9.获取水域范围下的水域状况信息，根据水域状况信息确定浮标站在各个支流的布置点位；
10.利用浮标站获取水域范围下的断面信息和水质信息，其中，断面信息包括横截面积、断面流量、水流流速、液位高度和水流方向；
11.接收断面信息和水质信息并利用积分方式生成污染物通量，根据污染物通量生成各个支流的污染物贡献结果发送至终端。
12.进一步的，所述浮标站包括本体，本体自上至下包括固定连接的圆锥台形浮力组件和空心圆柱形监测组件；
13.浮力组件设有太阳能电池板，通过两个蝴蝶铰链与浮力组件连接；
14.监测组件包括流量监测设备、水质监测设备、固定板和防水盒；
15.固定板为环形设计，与浮力组件的顶部固定连接、与防水盒和水质监测设备于环形内部固定连接、且与流量监测设备于环形外部固定连接；
16.防水盒内设有供电装置、控制装置、通讯装置和定位装置，供电装置与太阳能电池板和控制装置电连接，控制装置与流量监测设备、水质监测设备、通讯装置和定位装置电连接。
17.进一步的，利用浮标站获取水域范围下的断面信息具体为：
18.采用流量监测设备监测水域的断面信息，流量监测设备包括声学多普勒流速剖面仪，通过四芯电线与控制装置连接。
19.进一步的，利用浮标站获取水域范围下的水质信息具体为：
20.采用水质监测设备监测水域的水质信息，水质监测设备包含多参数传感器、cod传感器，氨氮传感器、总磷原水质分析仪和总氮原水质分析仪，其中多参数包含温度、ph、溶解氧、电导率、浊度、藻密度和叶绿素α。
21.进一步的，所述水质监测设备设有清洗模块，清洗模块包括固定部和清扫部，固定部与水质监测设备的顶部固定连接，清扫部为柔性球形设计，球形直径与固定板的内径相适配。
22.进一步的，所述浮力组件设有光感警示灯，光感警示灯为独立供电，与浮力组件的顶部磁力连接。
23.进一步的，所述浮力组件设有圆环形防撞结构，由金属材质制成，通过螺栓固定于浮力组件的外围。
24.进一步的，所述监测组件设有保护套筒，保护套筒为镂空形金属材料制成，与固定板通过螺栓固定连接。
25.进一步的，接收断面信息和水质信息并利用积分方式生成污染物通量具体为：
26.根据时段平均流量和流量时均距平值生成断面流量信息，根据时段平均浓度和浓度时均距平值生成污染物浓度信息；
27.根据断面流量信息和污染物浓度信息生成污染物通量信息。
28.本技术还提供一种基于浮标站的水质污染物通量监测系统，包括水域信息采集模块、通量信息采集模块、无线通讯模块和云服务器；
29.水域信息采集模块用于获取一定时期一定范围内水域的基本水质信息，筛选水质变化的水域范围；以及获取水域范围下的水域状况信息，根据水域状况信息确定浮标站在各个支流的布置点位；
30.通量信息采集模块用于利用浮标站获取水域范围下的断面信息和水质信息，其中，断面信息包括横截面积、断面流量、水流流速、液位高度和水流方向；
31.无线通讯模块用于将采集数据传输至云服务器；
32.云服务器用于接收断面信息和水质信息并利用积分方式生成污染物通量，根据污染物通量生成各个支流的污染物贡献结果发送至终端。
33.综上所述，本技术提供了一种基于浮标站的水质污染物通量监测方法及系统。本技术通过设计结构简单、易于维护的浮标工作站获取了单个断面点位的信息后，可以将设备迁移至其他监测点位，扩大了调查范围，提高了设备的利用率和稳定性，能适应大多数室外多变环境，改善数据准确性；浮标污染通量监测具有时效性，避免了长时间的取样工作，提高工作效率，还能为后台提供长时间，高频率的采集数据；拥有远程通讯模块，可以在后端云监测平台对变化数据进行分析，降低了分析人员的工作量；引入通量的概念，在水质数据的基础上，配合流量数据，获取水流污染物通量，为后续治理提供更具参考意义的数据。本技术用于河道断面、湖泊进出水、支流等各污染物通量的数据采集，其工作原理结合前端设备和后端控制平台的计算方法得到相应的污染物通量数据，实施在线长效监测，最终可以获取监测支流污染物对主河道影响程度，为后续溯源工作以及应急方案提供数据支持。
附图说明
34.为了更清楚地说明本技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
35.图1为本技术一种基于浮标站的水质污染物通量监测方法的流程图；
36.图2本技术实施例中浮标站的俯视结构示意图；
37.图3为本技术实施例中浮标站的内部结构示意图；
38.图4为本技术实施例中浮标站的正视结构示意图；
39.图5为本技术一种基于浮标站的水质污染物通量监测系统的框图；
40.图6为本技术实施例中基于浮标站的水质污染物通量监测方法应用示意图；
41.图2～4中，1为浮力组件，2为太阳能电池板，3为光感警示灯，4为防撞结构，5为流量监测设备，6为监测组件，7为固定板，8为水质监测设备，9为防水盒。
具体实施方式
42.为使得本技术的目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而非全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本技术保护的范围。
43.请参照图1，图1为本技术一种基于浮标站的水质污染物通量监测方法的流程图。
44.本技术实施例提供一种基于浮标站的水质污染物通量监测方法，包括如下步骤：
45.s102:获取一定时期一定范围内水域的基本水质信息，筛选水质变化的水域范围；
46.s104:获取水域范围下的水域状况信息，根据水域状况信息确定浮标站在各个支流的布置点位；
47.s106:利用浮标站获取水域范围下的断面信息和水质信息，其中，断面信息包括横截面积、断面流量、水流流速、液位高度和水流方向；
48.s108:接收断面信息和水质信息并利用积分方式生成污染物通量，根据污染物通量生成各个支流的污染物贡献结果发送至终端。
49.需要说明的是，s102中基本水质信息包括水域的酸碱度、污染物浓度、微生物浓度等水质信息，可通过环境监测平台获取数据，选取水质发生异常变化的水域范围进行重点监测和排查。s104中水域状况信息包括水域的形状、覆盖面、支流分布等地理信息。设备安装点位很大程度影响通量数据获取，最终污染贡献率的计算，安装于主河道的污染物通量站可以安装于其他支流监测点位的下游，此外还需要获取各个监测点位上游的数据，好排除上游水质变化，影响河道下游数据分析的准确性，所以需要对河段基本信息进行初步获取。s106中浮标站带有水域断面和水质监测设备，可实时采集水域信息上传至服务器进行数据处理。s108中采用积分方式进行数据处理生成污染物通量，并进行分析得到各个支流的污染物贡献结果用于对各个支流进行重点干预和治理。
50.请参照图2～4，根据本技术实施例，所述浮标站包括本体，本体自上至下包括固定连接的圆锥台形浮力组件1和空心圆柱形监测组件6；
51.浮力组件1设有太阳能电池板2，通过两个蝴蝶铰链与浮力组件1连接；
52.监测组件6包括流量监测设备5、水质监测设备8、固定板7和防水盒9；
53.固定板7为环形设计，与浮力组件1的顶部固定连接、与防水盒9和水质监测设备8于环形内部固定连接、且与流量监测设备5于环形外部固定连接；
54.防水盒9内设有供电装置、控制装置、通讯装置和定位装置，供电装置与太阳能电池板2和控制装置电连接，控制装置与流量监测设备5、水质监测设备8、通讯装置和定位装置电连接。
55.需要说明的是，太阳能电池板将太阳能转换为电能，给防水盒中蓄电池充电，蓄电池为其他设备模块供电。防水盒内设有通讯装置提供wifi网络与4g网络。控制装置中太阳能控制装置对太阳能板提供开关与定时功能，方便太阳能板的维修检测，检测设备控制装置主要控制检测设备开关、检测频率和工作状态，对异常情况给与后台反馈。水质监测设备和流量监测设备将数据反馈于设备控制装置，通过通信装置将数据发送至云监测平台，平台对接收的数据进行处理以图表的方式展示。gps定位模块用于定位浮标当前位置，掌握浮标的位置信息，预防突发情况。
56.根据本技术实施例，利用浮标站获取水域范围下的断面信息具体为：
57.采用流量监测设备监测水域的断面信息，流量监测设备包括声学多普勒流速剖面仪，通过四芯电线与控制装置连接。
58.根据本技术实施例，利用浮标站获取水域范围下的水质信息具体为：
59.采用水质监测设备监测水域的水质信息，水质监测设备包含多参数传感器、cod传感器，氨氮传感器、总磷原水质分析仪和总氮原水质分析仪，其中多参数包含温度、ph、溶解氧、电导率、浊度、藻密度和叶绿素α。
60.根据本技术实施例，所述水质监测设备设有清洗模块，清洗模块包括固定部和清扫部，固定部与水质监测设备的顶部固定连接，清扫部为柔性球形设计，球形直径与固定板的内径相适配。
61.需要说明的是，清洗模块可用于清扫水质监测设备表面至固定板周围内的污垢和阻挡物，柔性材质的球形清扫部可充分接触并清理器件表面的异物同时不会伤害器件，其可由伸缩杆配合驱动模块实现自动清洁工作。定期对多参数传感器、cod传感器、氨氮传感器等传感器进行清扫，避免水中杂质对传感器的附着，降低监测数据的准确性。
62.请参照图2～4，根据本技术实施例，所述浮力组件设有光感警示灯3，光感警示灯3为独立供电，与浮力组件1的顶部磁力连接。
63.根据本技术实施例，所述浮力组件1设有圆环形防撞结构4，由金属材质制成，通过螺栓固定于浮力组件1的外围。
64.需要说明的是，圆环形防撞结构在增加橡胶浮标整体刚性的同时，防止外来碰撞对内部设备造成的损害。
65.根据本技术实施例，所述监测组件6设有保护套筒，保护套筒为镂空形金属材料制成，与固定板7通过螺栓固定连接。
66.需要说明的是，能在监测设备接触水流的同时，提供防撞保护，避免水底沙石或漂浮物对设备的损耗。
67.根据本技术实施例，接收断面信息和水质信息并利用积分方式生成污染物通量具体为：
68.根据时段平均流量和流量时均距平值生成断面流量信息，根据时段平均浓度和浓度时均距平值生成污染物浓度信息；
69.根据断面流量信息和污染物浓度信息生成污染物通量信息。
70.需要说明的是，采用断面信息和水质信息的积分公式计算通量信息结果更准确和具有针对性。具体可采用以下公式：
[0071][0072][0073]
w＝∫
t
f(t)dt＝∫
t
q(t)c(t)dt＝qacat+∫
tq″c″
d；
[0074]
式中，qa为时段平均流量；ca为时段平均浓度；t为估算时段；
[0075]
q＂，c＂为流量时均距平值与浓度时均距平值。河流污染物通量的计算目标断面污染物通量(w，kg/s)可由污染物浓度(c，mg/l)和断面流量(q，m3/s)之积而得。
[0076]
在本技术另一实施例中，筛选水质变化的水域范围具体为：
[0077]
按照预设周期时间截取水域各干流段的基本水质信息；
[0078]
根据相邻周期下各干流段基本水质信息差值筛选水质变化的干流段位；
[0079]
提取各干流段位的地理位置信息生成水域范围。
[0080]
需要说明的是，基本水质信息来源于环境监测设备的采集数据，其往往布置于各干流段，根据相邻周期基本水质信息差值大小判断水域水质是否为异常，将异常的干流段进行重点监控。地理位置信息可由卫星云图获取，包括该干流段的地理形貌、地理坐标和周边环境等信息。
[0081]
在本技术另一实施例中，获取水域范围下的水域状况信息具体为：
[0082]
识别水域范围中断面带范围，根据断面带范围筛选重点断面点位，采集重点断面点位的坐标信息；
[0083]
识别水域范围中支流宽度和角度，根据支流宽度和角度筛选重要支流点位，采集重要支流点位的坐标信息；
[0084]
根据重点断面点位和重要支流点位的坐标信息设置浮标站的布置点位。
[0085]
需要说明的是，在水域范围的基础上可采用视觉检测工具对断面带范围、支流宽
度和角度进行识别和标记，再通过阈值设定的方式筛选可能产生较大影响的重点监测点位，最后利用gps信号获取这些点位的地理坐标信息。采用本技术实施例的布置点位方法布置浮标站能较大限度地提升水域监测效率和数据有效性。
[0086]
在本技术另一实施例中，根据污染物通量生成各个支流的污染物贡献结果具体为：
[0087]
对各支流的污染物通量数据由大至小进行预排序；
[0088]
采集相关支流的污染物通量数据，并根据相关支流的地理位置信息引入影响因子对预排序结果进行校正生成排序结果；
[0089]
生成以排序结果为次序、以支流位点和支流污染物通量占比为标题的污染物贡献结果图表。
[0090]
需要说明的是，根据各支流的污染物通量依次经过排列、修正生成最终的支流污染物贡献率结果。其中，相关支流是指相邻位支流、对角位支流等由于水流冲击力产生交叉影响的支流。影响因子可根据行业经验判断也可由历史数据经过分析得到。输出结果中支流位点为坐标信息，可用于工作人员再次布置监测设施或进行实地考察、治理，支流污染物通量可用于对比干流或其他支流数据分析严重程度或排查计算出错等问题。
[0091]
请参照图5，图5为本技术一种基于浮标站的水质污染物通量监测系统的框图。
[0092]
本技术实施例还提供一种基于浮标站的水质污染物通量监测系统，包括水域信息采集模块21、通量信息采集模块22、无线通讯模块23和云服务器24；
[0093]
水域信息采集模块21用于获取一定时期一定范围内水域的基本水质信息，筛选水质变化的水域范围；以及获取水域范围下的水域状况信息，根据水域状况信息确定浮标站在各个支流的布置点位；
[0094]
通量信息采集模块22用于利用浮标站获取水域范围下的断面信息和水质信息，其中，断面信息包括横截面积、断面流量、水流流速、液位高度和水流方向；
[0095]
无线通讯模块23用于将采集数据传输至云服务器；
[0096]
云服务器24用于接收断面信息和水质信息并利用积分方式生成污染物通量，根据污染物通量生成各个支流的污染物贡献结果发送至终端。
[0097]
根据本技术实施例，通量信息采集模块包括浮标站，所述浮标站包括本体，本体自上至下包括固定连接的圆锥台形浮力组件和空心圆柱形监测组件；
[0098]
浮力组件设有太阳能电池板，通过两个蝴蝶铰链与浮力组件连接；
[0099]
监测组件包括流量监测设备、水质监测设备、固定板和防水盒；
[0100]
固定板为环形设计，与浮力组件的顶部固定连接、与防水盒和水质监测设备于环形内部固定连接、且与流量监测设备于环形外部固定连接；
[0101]
防水盒内设有供电装置、控制装置、通讯装置和定位装置，供电装置与太阳能电池板和控制装置电连接，控制装置与流量监测设备、水质监测设备、通讯装置和定位装置电连接。
[0102]
根据本技术实施例，通量信息采集模块用于：
[0103]
采用流量监测设备监测水域的断面信息，流量监测设备包括声学多普勒流速剖面仪，通过四芯电线与控制装置连接。
[0104]
根据本技术实施例，通量信息采集模块用于：
[0105]
采用水质监测设备监测水域的水质信息，水质监测设备包含多参数传感器、cod传感器，氨氮传感器、总磷原水质分析仪和总氮原水质分析仪，其中多参数包含温度、ph、溶解氧、电导率、浊度、藻密度和叶绿素α。
[0106]
根据本技术实施例，所述水质监测设备设有清洗模块，清洗模块包括固定部和清扫部，固定部与水质监测设备的顶部固定连接，清扫部为柔性球形设计，球形直径与固定板的内径相适配。
[0107]
根据本技术实施例，所述浮力组件设有光感警示灯，光感警示灯为独立供电，与浮力组件的顶部磁力连接。
[0108]
根据本技术实施例，所述浮力组件设有圆环形防撞结构，由金属材质制成，通过螺栓固定于浮力组件的外围。
[0109]
根据本技术实施例，所述监测组件设有保护套筒，保护套筒为镂空形金属材料制成，与固定板通过螺栓固定连接。
[0110]
根据本技术实施例，云服务器用于：
[0111]
根据时段平均流量和流量时均距平值生成断面流量信息，根据时段平均浓度和浓度时均距平值生成污染物浓度信息；
[0112]
根据断面流量信息和污染物浓度信息生成污染物通量信息。
[0113]
在本技术另一实施例中，水域信息采集模块用于：
[0114]
按照预设周期时间截取水域各干流段的基本水质信息；
[0115]
根据相邻周期下各干流段基本水质信息差值筛选水质变化的干流段位；
[0116]
提取各干流段位的地理位置信息生成水域范围。
[0117]
在本技术另一实施例中，水域信息采集模块用于：
[0118]
识别水域范围中断面带范围，根据断面带范围筛选重点断面点位，采集重点断面点位的坐标信息；
[0119]
识别水域范围中支流宽度和角度，根据支流宽度和角度筛选重要支流点位，采集重要支流点位的坐标信息；
[0120]
根据重点断面点位和重要支流点位的坐标信息设置浮标站的布置点位。
[0121]
在本技术另一实施例中，云服务器还用于：
[0122]
对各支流的污染物通量数据由大至小进行预排序；
[0123]
采集相关支流的污染物通量数据，并根据相关支流的地理位置信息引入影响因子对预排序结果进行校正生成排序结果；
[0124]
生成以排序结果为次序、以支流位点和支流污染物通量占比为标题的污染物贡献结果图表。
[0125]
请参阅图6，以下对本技术实施例中基于浮标站的水质污染物通量监测方法应用进行说明。在一段河道中，水流流动方向从左向右，根据该河段实际情况，在沿途几条支流及上下游安装浮标式污染物通量站，分别标注点位为监测点1、监测点2、监测点3、监测点4、监测点5和监测点6，具体数据如表1所示，表中数据均为某日一天数据平均值。
[0126]
表1各监测点位污染物通量
[0127]
[0128][0129]
从上表可以看出监测点位2对应的支流虽然流量最小，但是各污染物通量均最高，对河道整体影响最大；监测点位3所对应的支流虽然流量最大，但是水质较好，各污染物浓度低，对应的污染物通量均小于其他监测点位。后续河道治理可以根据上述污染物通量，对监测点位2加以治理管控。
[0130]
在本技术所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的设备和方法，可以通过其它的方式实现。以上所描述的设备实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，如：多个单元或组件可以结合，或可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另外，所显示或讨论的各组成部分相互之间的耦合、或直接耦合、或通信连接可以是通过一些接口，设备或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性的、机械的或其它形式的。
[0131]
上述作为分离部件说明的单元可以是、或也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是、或也可以不是物理单元；既可以位于一个地方，也可以分布到多个网络单元上；可以根据实际的需要选择其中的部分或全部单元来实现本实施例方案的目的。
[0132]
另外，在本发明各实施例中的各功能单元可以全部集成在一个处理单元中，也可以是各单元分别单独作为一个单元，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中；上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用硬件加软件功能单元的形式实现。
[0133]
本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：移动存储设备、只读存储器(rom，read-only memory)、随机存取存储器(ram，random access memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
[0134]
或者，本发明上述集成的单元如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实施例的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机、服务器、或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分。而前述的存储介质包括：移动存储设备、rom、ram、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码
的介质。
[0135]
以上所述，以上实施例仅用以说明本技术的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本技术进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本技术各实施例技术方案的精神和范围。