本发明涉及水环境监测，具体为一种基于无线通信的汛期水环境质量监测系统。
背景技术：
1、随着全球气候变化和城市化进程的加速，汛期水环境质量监测面临着前所未有的挑战，汛期期间，由于降雨量大增，河流、湖泊水体容易遭受到随着雨水汇集而来污染物的冲击，导致水质急剧恶化，对水生态系统和人类健康构成严重威胁。
2、在汛前风险隐患排查方面，城乡面源污染防治、入河排污口排查整治、工业园区及城镇污水收集处理设施建设和运行、固体废物非法倾倒填埋排查整治、入海河流及河道周边管理范围内的塑料垃圾清理等工作存在诸多问题，若这些问题在汛期前未得到妥善解决，将进一步加剧水环境恶化风险。
3、传统的水环境质量监测系统存在诸多不足，首先，传统系统多采用有线传输方式，导致监测站点布局受限，难以实现对广阔水域的全面覆盖，其次，传统系统的监测频率和时效性较低，往往无法及时捕捉到水质变化的动态过程，导致预警滞后，治理效果不佳，此外，传统系统在溯源分析方面存在明显短板，缺乏有效的数据挖掘和分析手段，难以准确确定污染源头，为治理决策带来困难。
4、综上所述，传统水环境质量监测系统在汛期监测中暴露出诸多局限性，难以满足当前水资源保护和水环境治理的迫切需求，因此，开发了一种基于无线通信的汛期水环境质量监测系统显得尤为重要。
技术实现思路
1、本发明的目的就是为了弥补现有技术的不足，提供了一种基于无线通信的汛期水环境质量监测系统，它能够通过集成数据采集与传输、智能预警、溯源分析及决策支持等多个模块，结合高精度(分辨率)传感器和先进的无线通信技术，能够实现对汛期水环境质量的全面、实时监测，并准确追溯污染源头，为相关部门提供及时、科学的治理对策。
2、本发明为解决上述技术问题，提供如下技术方案：一种基于无线通信的汛期水环境质量监测系统，该系统包括以下组成部分：数据采集与传输模块、智能预警模块、溯源分析模块和决策支持模块；
3、所述数据采集与传输模块：配备多个水质监测传感器分布于不同水域位置，实时采集水质参数数据，包括城乡面源污染、入河排污口、工业园区及城镇污水收集处理设施周边、固体废物非法倾倒填埋区域、入海河流及河道周边等相关水域的酸碱度、溶解氧、化学需氧量参数，并通过无线通信模块将数据传输至数据处理中心；
4、所述智能预警模块：位于数据处理中心，利用预先构建的水质评估模型对接收的监测数据进行实时分析，当监测数据超出正常范围时发出预警信息；
5、所述溯源分析模块：在预警发出的同时启动，结合水流模型与已有的污染源分布信息数据库，对实时水质数据进行分析以确定污染源头；
6、所述决策支持模块：根据溯源结果生成治理建议报告并通过无线通信发送至相关部门。
7、进一步地，所述数据采集与传输模块中，水质监测传感器包括针对酸碱度、溶解氧、化学需氧量参数的传感器，各传感器采用mems技术制造，具有高精度、低功耗特点，对于酸碱度传感器，其测量精度可达±0.01ph，通过对敏感膜材料的优化，能快速响应水体酸碱度变化，溶解氧传感器运用荧光猝灭原理，测量误差小于±0.1mg/l，其内部的荧光物质经过特殊筛选，在不同温度下均能稳定工作，化学需氧量传感器采用电化学氧化法，通过测量特定电压下的电流变化来计算化学需氧量，测量范围为0-500mg/l，精度为±5mg/l，传感器的校准采用多点校准法，定期使用标准溶液对传感器进行校准，确保测量数据的准确性，无线通信模块在信号良好区域优先自动切换至5g通信模式，其数据传输速率可达1gbps以上，满足大量实时数据快速传输需求。
8、更进一步地，所述智能预警模块中，水质评估模型为基于改进的模糊综合评价算法构建，设水质参数集合为x＝{x1,x2,…,xn}，对应各参数的标准值集合为y＝{y1,y2,…,yn}，各参数的权重集合为w＝{w1,w2,…,wn}，权重wi的确定采用层次分析法，首先构建判断矩阵a，矩阵元素aij表示参数xi相对于参数xj对水质影响的重要程度，通过专家打分法确定aij的值，计算判断矩阵的最大特征值λmax及其对应的特征向量w，经过一致性检验后得到各参数的权重，模糊隶属度函数根据不同水质参数的特点分别确定，对于溶解氧，采用梯形隶属度函数：
9、
10、其中为溶解氧的上限标准值，为适宜溶解氧值，通过模糊变换b＝w·r，其中r为模糊关系矩阵，元素rij为参数xi对于第j个水质等级的隶属度，得到水质综合评价结果b，当b超出正常水质等级范围时，智能预警模块启动预警。
11、更进一步地，所追溯源分析模块中，水流模型采用基于非结构化网格的有限元积法求解水方程，浅水方程的基本形式为：
12、
13、其中h为水深，u,v分别为x,y方向的流速，f，g为通量向量，s为源项向量，非结构化网格根据地形和河道形状进行自适应划分，在水流变化剧烈区域网格加密，以提高计算精度，模型参数如曼宁系数，根据不同的河床材质和粗糙度，通过现场测量和经验公式相结合的方式确定，污染源分布信息数据库包含城乡面源污染、入河排污口、工业园区及城镇污水收集处理设施周边、固体废物非法倾倒填埋区域、入海河流及河道周边等相关水域的数据，数据更新采用定期普查与实时监测相结合的方式，对于工业企业排放数据，通过安装在线监测设备实时获取，城乡面源、生活污水排放及其他数据则通过定期实地调查更新，确保数据库的准确性和时效性。
14、更进一步地，所述溯源分析模块运用的数据挖掘算法为改进的关联规则挖掘算法，设水质数据集合d＝{d1,d2,…,dm}，每个数据记录di包含多个水质参数值，首先对数据进行离散化处理，将连续的水质参数值划分为若干区间，然后构建事务数据库t，其中每个事务对应一个监测点在某一时刻的水质数据记录，对于关联规则a→b，支持度置信度其中σ(a)表示包含项集a的事务数，为提高算法效率，引入剪枝策略，根据设定的最小支持度和最小置信度阈值，删除不满足条件的候选项集和规则，在确定污染源头时，将水质异常数据与污染源排放特征数据进行关联分析，发现水质中重金属浓度异常升高，通过关联规则挖掘发现该重金属与工厂排放特征高度相关，同时结合水流模型确定该工厂所在位置的水流能够影响到监测点，则判定该工厂为污染源头。
15、更进一步地，所述决策支持模块生成治理建议报告时，针对工业污染源，根据污染源头的污染物种类和排放量，运用线性规划算法确定最优治理方案，设治理措施集合为m＝{m1,m2,…,mk}，每种治理措施的成本为c＝{c1,c2,…,ck}，治理后污染物的削减量为r＝{r1,r2,…,rk}，目标是在满足污染物减排要求的前提下最小化治理成本，建立线性规划模型约束条件为其中xi为决策变量，表示是否采用第i种治理措施，rtarget为目标污染物削减量，对于农业面源污染，根据区域内农作物种植类型、施肥用药情况以及地形地貌，利用地理信息系统技术制定分区治理方案，在易发生水土流失区域设置生态拦截带，在高污染风险区域推广绿色农业生产技术。
16、更进一步地，所述系统还包括设备自维护模块，该模块定期对水质监测传感器进行状态检测，通过在传感器内部设置自检电路，检测传感器的电气性能、信号传输稳定性参数，对于无线通信模块，采用信号强度检测与误码率分析相结合的方式评估通信质量，检测到传感器出现故障或通信质量下降，设备自维护模块通过无线通信向数据处理中心发送故障信息，并尝试进行自我修复，对于传感器的轻微故障，通过自动校准程序进行修复，对于通信模块的信号干扰问题，自动调整通信频段或功率，同时，设备自维护模块根据传感器的使用时间和工作环境，预测传感器的寿命，提前向工作人员发出更换预警，保障系统的长期稳定运行。
17、更进一步地，所述系统具备与其他监测系统的数据共享接口，通过标准化的数据接口协议，能够与气象监测系统、水利监测系统等进行数据交互，从气象监测系统获取汛期的降雨量、气温气象数据，从水利监测系统获取水位、流量水文数据，将这些数据与水质监测数据进行综合分析，结合降雨量和水位变化预测水质变化趋势，利用气象数据中的气温信息优化水质评估模型中的温度校正参数，进一步提高系统对汛期水环境质量监测和预警溯源的准确性和全面性，实现多系统协同监测与分析。
18、更进一步地，所述系统采用区块链技术保障数据安全与可信，在数据采集环节，传感器采集的数据经过哈希运算生成唯一的哈希值，与数据本身一起通过无线通信传输至数据处理中心，数据处理中心将接收到的数据按照时间顺序组成数据块，每个数据块包含前一个数据块的哈希值、当前数据块的哈希值以及数据内容，通过区块链的分布式账本技术，将数据块存储在多个节点上，确保数据的不可篡改和可追溯性，当进行预警和溯源分析时，使用区块链上的数据作为依据，任何对数据的非法修改都会导致哈希值不匹配，从而保证数据的真实性和可靠性，为治理决策提供坚实的数据基础。
19、与现有技术相比，该一种基于无线通信的汛期水环境质量监测系统具备如下有益效果：
20、一、本系统通过集成数据采集与传输、智能预警、溯源分析及决策支持多个模块，实现了对汛前水环境质量的全面、实时监测，借助高精度水质监测传感器和先进的无线通信技术，系统能够迅速捕捉水质变化，及时发出预警信息，并准确追溯污染源头，为相关部门提供科学的治理建议，这大大提高了水环境质量监测的效率和准确性，有助于及时采取有效措施，防止水质恶化，保护水资源安全。
21、二、本系统通过采用区块链技术来保障数据安全与可信，在数据采集、传输、存储和分析的全过程中，系统通过哈希运算和分布式账本技术，确保了数据的不可篡改和可追溯性，这为预警和溯源分析提供了坚实的数据基础，增强了治理决策的可靠性和权威性，同时，系统还具备与其他监测系统的数据共享接口，能够实现多系统协同监测与分析，进一步提高了汛期水环境质量监测的准确性和全面性。
22、本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。