一种河流入海营养盐通量测定系统的制作方法

本发明涉及通量在线分析系统，尤其是涉及一种河流入海营养盐通量测定系统。

背景技术：

由于流域人口增长、禽畜养殖和化肥施用大量增加、水坝兴建增加河流水力停留时间、气候变化与土地利用改变影响流域风化侵蚀等原因，全球范围内诸多河流已发现营养盐通量显著增加。这种河流营养盐状况的改变对近海的生态系统造成很大的冲击，使得近海富营养化加剧、赤潮频发，季节性底层缺氧等环境问题日益突出。我国近岸海域污染已日益严重，水质超标现象普遍，特别是无机氮、磷，河口海湾的富营养化和藻华问题突出，直接影响水生生态系统的结构、功能与服务，进而影响各项海洋资源利用与经济产业的可持续发展。我国有大量的海湾，河流入海营养盐通量的在线监控是陆海统筹的基础性工作，为陆源污染削减，生态补偿政策的制定提供重要的科学数据和依据，也是推进海洋生态文明建设的重要内容。要掌握河海界面营养盐通量、水质变化规律和生态系统演变，水文和水质的高频同步监控是关键，也是目前国际上海洋生态环境保护领域的技术瓶颈。国家海洋局《2014年全国海洋生态环境监测工作任务》强调在海洋环境监管监测方面，要加大入海排污口和入海江河普查和监测频率，重点排污口尝试开展在线监测，监测结果纳入信息通报。然而，目前在监测方面，存在水文与水质监测体系互相独立，监测站位各不相同，监测设备缺乏集成，运行成本高等问题，无法满足海洋生态环境保护中水文、水质同步监测和营养盐通量动态监控的根本需求。同时，目前营养盐监测频率较低，对于突发的台风、暴雨等极端天气难以捕捉过程中的变化，对营养盐通量评估影响较大。因此紧扣国家海洋保护重大需求，加强水文参数(流速、流量)和水质参数(硝氮、亚硝氮、铵氮、磷酸盐等)的联合在线监测技术的开发，建立一套河流入海营养盐通量测定系统，尤其是以流量控制营养盐测定频率的系统极其重要。

技术实现要素：

本发明的目的是提供能够通过流量控制营养盐测定频率，整个分析过程无需人为干预，可用于河流入海营养盐通量的在线分析的一种河流入海营养盐通量测定系统。

本发明包括控制系统、河流断面面积测定模块、高频声学流速测定模块和营养盐在线测定模块，所述控制系统对河流断面面积测定模块、高频声学流速测定模块和营养盐在线测定模块进行控制、数据采集和数据处理；所述河流断面面积测定模块设有回声探测器、数字传感器和水位计，所述高频声学流速测定模块设有GPS、声学换能器、数据采集卡和水听器，所述营养盐在线测定模块设有发光二极管驱动电路、发光二极管、阀泵控制电路、三通电磁阀、进样蠕动泵、试剂蠕动泵、数据采集电路、光电检测器、纯水瓶、样品瓶、试剂瓶、三通管、反应盘管、流通池和废液收集瓶。

所述回声探测器和数字传感器相连，利用走航对底质和水深进行调查，获得河道地形图；通过水位计对河流断面水位进行实时监测，利用控制系统模拟分析得到河流断面的实时面积和断面面积随时间变化的函数S；

所述GPS的输出端连接数据采集卡，数据采集卡的输出端连接声学换能器；水听器的输出端连接数据采集卡；观测过程中将水声换能器和水听器置于水下，分别用于信号的发射和接收，所发射的信号由控制系统生成的发射信号输送至数据采集卡，由水声换能器的探头发出；水听器的探头接收到信号后通过数据采集卡输送至控制系统对信号进行处理并存储；通过GPS测出水声换能器和水听器在观测时的直线距离L，直线与流速方向的夹角θ，以及声线在互易传输过程中正向声传播时间T⁺和负向传输时间T^-；

三通电磁阀的两个进样入口分别连接纯水瓶和样品瓶的出口，电磁阀中间的公共通道与进样蠕动泵的入口连接；试剂瓶的出口与试剂蠕动泵的入口连接；三通管的两端入口分别连接进样蠕动泵的出口端和试剂蠕动泵的出口端，三通管的出口与反应盘管的入口连接；反应盘管的出口与流通池的入口连接；流通池的出口连接至废液收集瓶。控制系统通过对发光二极管驱动电路、阀泵控制电路、数据采集电路进行控制，进而控制发光二极管光强的变化、三通电磁阀阀位的切换、进样蠕动泵与试剂蠕动泵的转速转向和转动时长的调节，从而利用光电检测器所采集的信号值进一步处理得到河流断面样品的吸光值，代入工作曲线自动计算得到营养盐含量，并得到营养盐随时间变化的函数C。

所述营养盐在线测定模块中三通电磁阀的两个进样入口分别连接样品瓶和纯水瓶的出口，电磁阀中间的公共通道与进样蠕动泵的入口连接；试剂瓶的出口与试剂蠕动泵的入口连接；三通管的两端入口分别连接进样蠕动泵的出口端与试剂蠕动泵的出口端，三通管的出口与反应盘管的入口连接；反应盘管的出口与流通池的入口连接；流通池的出口连接至废液收集瓶。控制系统通过对发光二极管驱动电路、阀泵控制电路、数据采集电路进行控制，进而控制发光二极管光强的变化，三通电磁阀阀位的切换，进样蠕动泵和试剂蠕动泵转速、转向和转动时长的调节，从而利用光电检测器所采集的信号值进一步处理得到河流断面的营养盐含量。

某一时间段τ内的营养盐通量通过河流断面面积测定模块得到的河流断面面积随时间变化的函数S、高频声学流速测定模块得到的水流流速随时间变化的函数V和营养盐在线测定模块得到的营养盐含量随时间变化的函数C，代入公式(1)计算得到。河流断面实时流量q通过实时断面面积s和实时流速υ代入公式(2)得到。

q＝sυ (2)

所述声学流量测量的高频特性可作为同步水文和营养盐测量的可调参数，控制数据采集速率。

所述营养盐在线测定频率由实时流量控制，即设定阈值，当实时流量大于或等于阈值时，自动开启高频营养盐测定模式；当实时流量小于阈值时，开启一般营养盐测定模式。

所述控制系统上机位采用基于LabVIEW编写的用户程序，能够对河流断面面积测定模块、高频声学流速测定模块、营养盐在线测定模块进行同时控制，共用流速测定模块中的GPS信息，根据GPS的时间报文和脉冲信号同时触发三个模块进行同步采样，提升准确性。

所述营养盐参数包括氨氮、硝氮、亚硝氮、磷酸盐、硅酸盐等，可以根据需求选择一种或多种同时测定。

本发明结合了河流断面面积测定、水流流速实时测定与营养盐在线测定等技术。

与现有技术相比，本发明具有如下的特点：

1)设备集成化：利用一个系统集成流量和营养盐参数的同步测定，保证采样站位的一致性，使水文和水质参数的测定结果可用于通量的计算；

2)设备自动化：河流断面面积、水流流速和营养盐含量都可自动测定，整个过程无需人为干预，自动化程度较高；

3)非入侵式测定：本发明采用非入侵式测定的方式，仪器本身不需要到达观测位置即可完成测定，属于环境友好型，对现有环境不会造成人为破坏，

4)营养盐测定频率可自动调节：通过流量控制营养盐测定模式，对于突发的台风、暴雨等极端天气自动开启高频营养盐测定模式，提高营养盐测定频率以捕捉洪水过程中营养盐浓度的快速变化，营养盐通量计算结果更为准确；

5)控制系统上机位采用基于LabVIEW编写的用户程序，界面简洁友好，易于操作，可自动分析并计算得到营养盐通量。

附图说明

图1为本发明实施例的控制电路组成框图。

图2为本发明实施例的河道地形图。

图3本发明实施例控制系统的流程框图。

图4为本发明中营养盐在线测定模块的流路示意图。

具体实施方式

以下实施例将结合附图对本发明作进一步的说明。

利用本发明对九龙江某一入海河流断面的营养盐通量进行监测。

参见图1～4，本发明实施例包括控制系统1、河流断面面积测定模块、高频声学流速测定模块和营养盐在线测定模块，所述控制系统1对河流断面面积测定模块、高频声学流速测定模块和营养盐在线测定模块进行控制、数据采集和数据处理；所述河流断面面积测定模块设有回声探测器2、数字传感器3和水位计4，所述高频声学流速测定模块设有GPS6、声学换能器8、数据采集卡7和水听器9，所述营养盐在线测定模块设有发光二极管驱动电路11、发光二极管12、阀泵控制电路13、三通电磁阀14、进样蠕动泵15、试剂蠕动泵16、数据采集电路17、光电检测器18、纯水瓶20、样品瓶21、试剂瓶22、三通管23、反应盘管24、流通池25和废液收集瓶26。

所述回声探测器2和数字传感器3相连，利用走航对底质和水深进行调查，获得河道地形图；通过水位计4对河流断面水位进行实时监测，利用控制系统1模拟分析得到河流断面的实时面积5和断面面积随时间变化的函数S；

所述GPS 6的输出端连接数据采集卡7，数据采集卡7的输出端连接声学换能器8；水听器9的输出端连接数据采集卡7；观测过程中将水声换能器8和水听器9置于水下，分别用于信号的发射和接收，所发射的信号由控制系统1生成的发射信号输送至数据采集卡7，由水声换能器8的探头发出；水听器9的探头接收到信号后通过数据采集卡7输送至控制系统1对信号进行处理并存储；通过GPS 6测出水声换能器8和水听器9在观测时的直线距离L，直线与流速方向的夹角θ，以及声线在互易传输过程中正向声传播时间T⁺和负向传输时间T^-；

三通电磁阀14的两个进样入口分别连接纯水瓶20和样品瓶21的出口，电磁阀14中间的公共通道与进样蠕动泵15的入口连接；试剂瓶22的出口与试剂蠕动泵16的入口连接；三通管23的两端入口分别连接进样蠕动泵15的出口端和试剂蠕动泵16的出口端，三通管23的出口与反应盘管24的入口连接；反应盘管24的出口与流通池25的入口连接；流通池25的出口连接至废液收集瓶26。控制系统1通过对发光二极管驱动电路11、阀泵控制电路13、数据采集电路17进行控制，进而控制发光二极管12光强的变化、三通电磁阀14阀位的切换、进样蠕动泵15与试剂蠕动泵16的转速转向和转动时长的调节，从而利用光电检测器18所采集的信号值进一步处理得到河流断面样品的吸光值，代入工作曲线自动计算得到营养盐含量，并得到营养盐随时间变化的函数C。

所述营养盐在线测定模块中三通电磁阀的两个进样入口分别连接样品瓶和纯水瓶的出口，电磁阀中间的公共通道与进样蠕动泵的入口连接；试剂瓶的出口与试剂蠕动泵的入口连接；三通管的两端入口分别连接进样蠕动泵的出口端与试剂蠕动泵的出口端，三通管的出口与反应盘管的入口连接；反应盘管的出口与流通池的入口连接；流通池的出口连接至废液收集瓶。控制系统通过对发光二极管驱动电路、阀泵控制电路、数据采集电路进行控制，进而控制发光二极管光强的变化，三通电磁阀阀位的切换，进样蠕动泵和试剂蠕动泵转速、转向和转动时长的调节，从而利用光电检测器所采集的信号值进一步处理得到河流断面的营养盐含量。

某一时间段τ内的营养盐通量通过河流断面面积测定模块得到的河流断面面积随时间变化的函数S、高频声学流速测定模块得到的水流流速随时间变化的函数V和营养盐在线测定模块得到的营养盐含量随时间变化的函数C，代入公式(1)计算得到。河流断面实时流量q通过实时断面面积s和实时流速υ代入公式(2)得到。

q＝sυ (2)

所述声学流量测量的高频特性可作为同步水文和营养盐测量的可调参数，控制数据采集速率。

所述营养盐在线测定频率由实时流量控制，即设定阈值，当实时流量大于或等于阈值时，自动开启高频营养盐测定模式；当实时流量小于阈值时，开启一般营养盐测定模式。

所述控制系统上机位采用基于LabVIEW编写的用户程序，能够对河流断面面积测定模块、高频声学流速测定模块、营养盐在线测定模块进行同时控制，共用流速测定模块中的GPS信息，根据GPS的时间报文和脉冲信号同时触发三个模块进行同步采样，提升准确性。

所述营养盐参数包括氨氮、硝氮、亚硝氮、磷酸盐、硅酸盐等，可以根据需求选择一种或多种同时测定。

本发明结合了河流断面面积测定、水流流速实时测定与营养盐在线测定等技术。

河流断面面积测定模块首先通过回声探测器2和数字传感器3相连，利用走航对底质和水深进行调查，获得河道地形图，如图2所示；再通过水位计4对河流断面水位进行实时监测，从而利用控制系统1模拟分析得到河流断面的实时面积和断面面积随时间变化的函数S。

高频声学流速测定模块中GPS 6的输出端连接数据采集卡7；数据采集卡7的输出端连接声学换能器8；水听器9的输出端连接数据采集卡7。观测过程中将水声换能器8和水听器9置于水下，分别用于信号的发射和接收，其余部件集成于水上平台的系统中。所发射的信号由控制系统1生成，输送至数据采集卡7，由水声换能器8的探头发出；水听器9的探头接收到信号后通过数据采集卡7输送至控制系统1对信号进行处理并存储。观测时需要声学换能器8和水听器9在一定的距离上同时进行信号的接收和发射。通过GPS 6测出两套接发装置在观测时的直线距离L，直线与流速方向的夹角θ，以及声线在互易传输过程中正向声传播时间为T⁺和负向传输时间T^-，平均声速C₀，代入流速反演公式(3)可得到水流实时流速υ和水流流速随时间变化的函数V。

将河流断面的实时面积和水流的实时流速υ代入公式(2)即可得到河流断面的实时流量q。参见图3控制系统的流程框图，设定流量阈值为800m³/s，即当实时流量≥800m³/s时，开启营养盐高频测定模式，即频率为每10min一次；流量<800m³/s时，开启营养盐一般测定模式，即频率为每小时一次。

q＝sυ (2)

公式(2)中，s表示河流断面的实时面积。

参见图4，营养盐在线测定模块中三通电磁阀14的两个进样入口分别连接纯水瓶20和样品瓶21的出口，电磁阀14中间的公共通道与进样蠕动泵15的入口连接；试剂瓶22的出口与试剂蠕动泵16的入口连接；三通管23的两端入口分别连接进样蠕动泵15的出口端与试剂蠕动泵16的出口端，三通管23的出口与反应盘管24的入口连接；反应盘管24的出口与流通池25的入口连接；流通池25的出口连接至废液收集瓶26。控制系统1已内置各营养盐参数的工作曲线，通过对发光二极管驱动电路11、阀泵控制电路13、数据采集电路17进行控制，进而控制发光二极管12光强的变化，三通电磁阀14阀位的切换，进样蠕动泵15和试剂蠕动泵16转速、转向和转动时长的调节，从而利用光电检测器18所采集的信号值进一步处理得到河流断面样品的吸光值，代入工作曲线自动计算得到营养盐含量c，并得到营养盐随时间变化的函数C。

将河流断面面积随时间变化的函数S、水流流速随时间变化的函数V和营养盐含量随时间变化的函数C代入公式(1)即可得到九龙江某一入海河流断面的营养盐通量。

在图1中，标记10表示水流流速，19表示营养盐含量。

本发明通过控制系统对河流断面面积测定模块、高频声学流速测定模块和营养盐在线测定模块进行总控制，并且利用流量调节营养盐测定频率，对于突发的台风、暴雨等极端天气自动开启高频营养盐测定模式，以捕捉洪水过程中营养盐浓度的快速变化，使得营养盐通量计算结果更为准确。控制系统上机位采用基于LabVIEW编写的用户程序，界面简洁友好，易于操作，集成化的系统结合了河流断面面积测定、水流流速实时测定与营养盐在线测定等技术，整个分析过程无需人为干预，自动化程度高，可用于河流入海营养盐通量的在线分析。