一种黑臭水体底泥泥位增量的监测方法及监测装置与流程

本发明涉及水质环境监测技术领域，具体为一种黑臭水体底泥泥位增量的监测方法及监测装置。

背景技术：

水体底泥增量是水体水质监测的一项重要指标，现有技术中采用超声波传感器和回波处理技术连续监视污泥层的厚度，但是超声波的最大缺点是受干扰因素较多，当水体浊度较大时，超声波回波监测出现极其不稳定的现象，非常影响监测精度。另外，还有一种监测底泥增量的技术是利用泥质和水体压力不同进行界面确定的，但是底泥形成过程中表层含水率极高，表层压力和水压区别不明显，容易进行误判。

通过公开专利检索，发现以下对比文件：

cn206680943u，公开了一种水利淤泥预警清污装置，包括河道，设置在河道两侧的河堤，河堤上方固定安装有支架，支架上活动安装有清淤管道，清淤管道的一侧上方固定安装有电动葫芦，电动葫芦通过连接线与清淤管道固定连接，在支架的一侧设置有清淤管道固定环；其特征在于：河道左侧设置有固定杆，固定杆下端设有压力探头；支架顶部设有信号采集器和报警器；清淤管道一端与设置于河道内的污泥泵连接，其另一端下端设有污泥浓缩池，污泥浓缩池内设置有螺杆泵；螺杆泵通过输泥管道与脱水池内的带式压滤机连接。该实用新型使用简单方便，能够大大减轻人力的消耗。

经分析，上述公开专利中的淤泥预警清污装置与本申请相比，在结构及功能上均不相同，尤其是在底泥厚度增量的监测方法步骤及监测装置结构存在较大差异，因此不影响本申请的新颖性。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，一种黑臭水体底泥泥位增量的监测方法及监测装置，其首次使用氧化还原电位的作为底泥泥位的监测指标，适合绝大多数自然水体或人工水体长期固定监测，免去经常更换装置导致误差变大的困扰。

一种黑臭水体底泥泥位增量的监测方法，包括以下步骤：

步骤一：首先将监测装置内装入电池，启动监测装置，观察顶部指示灯开始极缓慢闪烁，此时代表监测装置开始工作；启动定时电路，一定时间间隔后，处理器发出监测指令，快速测定所有监测装置内部阳极和阴极之间的氧化还原电位，确保所有阳极和阴极正常工作；

步骤二：将多根监测装置每隔一段距离插入待监测水域的水体底部底泥中，此时可选择直接人工手动将监测装置插入待监测地点底泥中，也可以在监测装置顶部外接延长杆进行深度操作；当明显感觉监测装置上的限位环与底泥接触时，用力将监测装置继续下插微小距离，使得底泥和镀铂钛合金电极接触即可；此时处理器发出监测指令，标识电位差最大的两个阳极，并记录和输出阳电极编号；以此阳电极编号定义为底泥的初始泥位高度；记录并输出陀螺仪测定的当前角度；

步骤三：间隔一段时间后，分别检测多根监测装置的电位值，以电位值变化量为判断标准标记该监测水域的不同位置处底泥高程，标识电位差最大的两个阳电极，并记录和输出电极编号；以此阳电极编号及监测装置角度计算值定义为底泥厚度增量后的底泥泥位高程。

一种黑臭水体底泥泥位增量的监测方法中采用的监测装置，监测装置包括空心结构的检测杆，该检测杆的顶部固设有指示灯，检测杆的周向外壁上由上至下依次固设有阴电极、阳电极组及限位环，检测杆的空心内腔中固设有电控系统，且检测杆的底部同轴制出有尖锥；阳电极组包括多个阳电极绝缘隔层板及镀铂钛合金电极板，其中阳电极绝缘隔层板与镀铂钛合金电极板交替设置、轴向压紧并周向固定套装在检测杆上部的周向外壁上；电控系统分别与指示灯、阴电极及每层镀铂钛合金电极板电连接。

而且，限位环同轴并固定套装在检测杆中部的周向外壁上，该限位环上轴向制出有多个轴向贯通的圆孔。

本发明的优点和技术效果是：

本发明的一种黑臭水体底泥泥位增量的监测方法及监测装置，首次使用氧化还原电位的作为底泥泥位的监测指标，以底泥增厚过程中依次接触多层间隔设置的镀铂钛合金电极板，来检测阴电极与阳电极组的氧化还原电位，进而判定底泥顶面所达到的高度，该高度减去在底泥内初始安装监测装置时底泥与阳电极组的最初接触高度，即为该段时间内该水域某区域的底泥厚度增量，实现底泥泥位标高检测，及精确检测河床高度变化的功能。

本发明的一种黑臭水体底泥泥位增量的监测方法及监测装置，开发了一种全新的监测装置，可以有效的完成对氧化还原指标的监测，并且具有防止水体中悬浮细小颗粒沉降附着至电极表面的功能，并且适合绝大多数自然水体或人工水体长期固定监测，免去经常更换设导致误差变大的困扰，适合底泥表层显示淡黑色或深黑色的情况，有效避免黑臭水体水质较差(透明度较低，悬浮颗粒物质较多)，选用传统方法误差较大的问题。在监测过程中水体orp为正值或略负值，阳电极接触泥位后orp显示极负值，并在一定时间内保持极负值状态，可以根据阴阳电极的电位差判断阳电极是否和底泥表面接触。上位机捕捉orp数值迅速降低的时间，并记录发生突变电极区间，确定底泥泥位高程；最后监测装置只需保证插入底泥后无角度改变，对于该装置本身是否处于竖直的形态对监测结果无影响，极大方便现场操作人员进行操作和运行。需要注意的是该监测装置使用时，一般选择需要重点关注的点位，进行针对式单个使用或网格化多个使用的监测方式进行。

附图说明

图1为本发明的检测杆结构示意图；

图2为本发明的检测杆局部剖视图；

图3为本发明中限位环的俯视图；

图4为图1中a处的局部放大图；

图5为本发明的电位信息采集原理示意图；

图6为本发明的电控单元的系统框架图；

图7-图9为本发明在a、b、c三条河道底泥厚度增量监测过程中采集到的水体和底泥表层的orp值对比分析图；

图中：1-指示灯；2-阴电极；3-检测杆；4-缓释多孔陶瓷；5-阳电极组；6-限位环；7-尖锥；8-电池；9-电控系统；10-圆孔；11-阳电极隔层板；12-镀铂钛合金电极；13-导电线；14-缓释电子；15-微处理器。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下。需要说明的是，本实施例是描述性的，不是限定性的，不能由此限定本发明的保护范围。

一种黑臭水体底泥泥位增量的监测方法，包括以下步骤：

步骤一：首先将监测装置内装入电池8，启动监测装置，观察顶部指示灯1开始极缓慢闪烁，此时代表监测装置开始工作；启动定时电路，一定时间间隔后，处理器发出监测指令，快速测定所有监测装置内部阳极和阴极之间的氧化还原电位，确保所有阳极和阴极正常工作；

步骤二：将多根监测装置每隔一段距离插入待监测水域的水体底部底泥中，此时可选择直接人工手动将监测装置插入待监测地点底泥中，也可以在监测装置顶部外接延长杆进行深度操作；当明显感觉监测装置上的限位环与底泥接触时，用力将监测装置继续下插微小距离，使得底泥和镀铂钛合金电极接触即可；此时处理器发出监测指令，标识电位差最大的两个阳极，并记录和输出阳电极编号；以此阳电极编号定义为底泥的初始泥位高度；记录并输出陀螺仪测定的当前角度；

步骤三：间隔一段时间后，分别检测多根监测装置的电位值，以电位值变化量为判断标准标记该监测水域的不同位置处底泥高程，标识电位差最大的两个阳电极，并记录和输出电极编号；以此阳电极编号及监测装置角度计算值定义为底泥厚度增量后的底泥泥位高程。

一种黑臭水体底泥泥位增量的监测方法中采用的监测装置，监测装置包括空心结构的检测杆3，该检测杆的顶部固设有指示灯，检测杆的周向外壁上由上至下依次固设有阴电极2、阳电极组5及限位环6，检测杆的空心内腔中固设有电控系统9，且检测杆的底部同轴制出有尖锥7；阳电极组包括多个阳电极绝缘隔层板11及镀铂钛合金电极板12，其中阳电极绝缘隔层板与镀铂钛合金电极板交替设置、轴向压紧并周向固定套装在检测杆上部的周向外壁上；电控系统分别与指示灯、阴电极及每层镀铂钛合金电极板电连接。

而且，限位环同轴并固定套装在检测杆中部的周向外壁上，该限位环上轴向制出有多个轴向贯通的圆孔10。

另外，本发明优选的，阴电极为现有技术中的银/氯化银电极，其内部的银/氯化银导电介质为液态，由银/氯化银电极底部的缓释多孔陶瓷4缓慢释放并进行电化学反应。

为了更清楚地说明本发明的具体实施方式，下面提供实施例：

本发明的一种黑臭水体底泥泥位增量的监测方法及监测装置，其结构原理依据电化学监测的准确性和快速性的特点，设置电化学装置进行环境数据采集。装置主要监测结构为阳电极组的镀铂钛合金电极和阴电极的银/氯化银电极在水体中组成的电化学装置，阴阳电极不同的电位差可以间接反映阴阳电极周围的环境状态。该装置在阳电极组设置多个阳电极，在装置顶部设置单个阴电极，内部电路为每个阳电极通过电控单元内的电极采集模块与阴电极相连，另一端，外部电路阴电极通过环境中的水或者泥与阳电极相连构成回路。

该监测装置的工作原理是：由于自然界中固液态存在的固定差异不可避免，固态底泥物质接触镀铂钛合金阳电极时，必然会导致与银/氯化银阴电极之间的电位发生剧烈变化，且数值变化方向为负。利用这个特点，电控单元在一定时间间隔内两次检测每个电极的电位，并快速检测出电位差最大的两个相邻的阳电极，以较低数值的阳电极的高程值为此时底泥表层所处的位置。当底泥泥位上升时，底泥接触新的阳电极时，原本已经出现极负orp值的电化学组仍维持原状态，但新的阳电极与阴电极组成的电化学组orp值迅速降低，与更高一阶的电化学组orp值差变为最大；当底泥泥位下降时，同理，新组成的电化学组orp迅速变化，与更低一阶的电化学组orp值差变为最大。

阳电极组设置为阳电极隔层板11和镀铂钛合金电极12交替的形式，并且电极较隔层板直径较小而镀铂钛合金电极直径结案，该形态改变局部靠近装置水体流动方向，增加流过阳电极表面的水体流速，有效防止水体中颗粒物沉降。

阴电极中银电极浸泡在氯化银溶液中，底部设置缓释多孔陶瓷，可以保证电极内部溶液与外部水体连接，并使阴电极内的氯化银溶液在水中形成缓释电子14，但并不会导致电极内部溶液快速扩散导致电极失效。该结构可以使得阴电极释放的溶液携带电子通过外部环境组成的电路与阳电极连接，并且由电控单元内的微处理器15，通过导电线分别连接阴电极以及每层的镀铂钛合金电极连接，从而与内部电路结合形成回路。

另外，本发明优选的，电控单元由现有技术中的电路系统及定时电路构成，其具体包括：

1、gnss定位部分：定位部分为gt-u12双频gnss定位模块，可以根据实际监测场地需要和装置兼容性考虑选择不同的定位系统。定位模块置于浮板上方，外接天线连接定位模块，由电池进行供电。

2、远程遥控反馈部分：远程遥控反馈部分为单片机。主要包含64位四核微处理器15，broadcombcm2837、ask遥控发射模块和ask遥控接收模块、gprs信号上传模块、内存模块ic型号为is62wv51216bll-55tlic。

3、陀螺仪：电路板耦合meme微机电陀螺仪stmly3200alh。

另外，本发明优选的，在检测过程中：

1、首先将监测装置内装入电池，启动装置，观察顶部指示灯开始极缓慢闪烁，此时代表监测装置开始工作；

2、设置程序，选择合适的监测时间间隔。程序启动定时电路，一定时间间隔后，处理器发出监测指令，快速测定所有阳电极和阴电极之间的氧化还原电位，标识电位差最大的两个阳电极，并记录和输出电极编号(系统自下而上将所有电极进行编号，输出编号可以直接转换为高程值)。

3、将监测装置插入水体底部底泥中，此时可以选择直接人工用手将监测装置插入待监测地点底泥中，也可以在监测装置顶部外接其他杆子进行深度操作。当明显感觉限位环与底泥接触时，用力将监测装置继续下插微小距离，使得底泥和镀铂钛合金电极接触(在装置中，镀铂钛合金电极是阳电极，银/氯化银电极作为阴电极)即可，在此过程中尽可能保证监测装置竖直。

另外，本发明优选的，限位环上的小圆孔有两个作用，第一是尽量不影响局部底泥生化反应，减少监测装置对原生底泥的影响；第二是当监测装置下插入底泥时，由于局部压力导致监测点位松软底泥下陷，在该点位形成小坑，影响底泥增量监测效果，小圆孔的存在可以极大的缓解局部压力的不平衡，限位环下的底泥可以穿过小孔至限位环上方，避免出现压力坑。

另外，本发明优选的，可在检测杆上加设振动防尘功能，在检测杆内部固装高频直流振动偏心马达。

另外，本发明优选的，输出信号可以通过gpsr信号上传模块进行信号上传至上位机，也可以通过rs232/rs485或双极性的电流环路通讯，控制电路板集成远程数据传输能力。

另外，本发明优选的，使用过后的监测装置可以重复使用，节约监测成本。对之前水体中无机物污染物较多的情况，可将电极浸入0.1mol/l稀盐酸中30min，用纯水清洗，再浸入3.5mol/l氯化钾溶液中浸泡6小时后即可。对之前水体中有机油污和油膜污染严重的情况下，可用洗涤剂清洗铂或金表面后用纯水清洗，再浸入3.5mol/l氯化钾溶液中浸泡6小时后用。铂金表面污染严重形成氧化膜，可用牙膏对铂或金表面进行抛光，然后用纯水清洗，再浸入3.5mol/l氯化钾溶液中浸泡6小时后即可再次使用。

最后，本发明对不同区域水体采用电位监测手段对底泥增量进行监测的实验数据如下表所示(单位mv)：

从表中可以看出自然水体中的底泥表层orp和水体的orp有明显的规律：底泥表层orp始终维持在-450～-350之间，河道水体orp始终维持在100以上。在极个别的情况下，存在水体orp值低于0，但仍能和底泥表层orp值保持较大差距。在长期稳定监测的情况下，出现监测数据波动的偶然现象可以利用后期数据处理过滤。因此河道底泥表层orp和河道水体orp之间存在明显差距的规律可以有效的利用在监测装置上，用来监测底泥和水体的液固界面。

而图7-图9是采用a，b，c三个河道的原生底泥和水体在实验室中试条件下进行底泥orp模拟实验得到的相关数据，实验中放置两个orp一体化电极，分别位于底泥表层和垂直于上述位置上方50cm处，固定时间间隔记录orp值。从图中可以看出，a，b，c三个河道的底泥表层orp和河道水体orp均保持较大的差距，且底泥表层orp波动较小，由此可见，采用电位差分析法得出的底泥增量数据相比于现有技术中超声波等底泥增量监测方法是更加精确且可靠的。

最后，本发明的未述之处均采用现有技术中的成熟产品及成熟技术手段。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。