一种农村河道水环境治理模拟装置的制作方法

本实用新型属于水环境治理试验测量设备领域，涉及一种农村河道水环境治理模拟装置。

背景技术：

农村河道是承接农村居民生产生活排水的基础性工程，在行洪排涝、净化水质等方面发挥着巨大的作用。但随着我国农村经济社会的快速发展以及农村劳动力的大量流失，致使农村河道的污染负荷持续加重且缺乏有效监管，造成河道底泥淤积、水环境恶化、水生态系统功能退化，出现了季节性和常年性的水体黑臭现象，直接影响到农村居民的生产生活，严重制约了农村经济社会的可持续发展。

河道淤积的底泥含有大量的内源性污染物，会随时间的推移而持续的释放到水体中，成为河道水环境的内在污染源。因此，对于农村河道的治理往往采用人力或机械清理河道淤泥，该方法治理效果明显，能够快速减少河道底泥对河流水质的影响，但需要消耗大量的人力物力，且其效果会随着淤泥的累积而逐渐消退，其维护成本较高，需要定期的投入。近年来，水环境净化药剂处理成为河道最简单快捷的治理方式，但净化药剂的施用方案需要根据不同河道底泥、水位、水流等参数具体确定，但现场试验环境因素错综复杂，难以开展相关实验以获取相关参数，其施用方案的不确定性成为阻碍技术推广应用的重大难题。因此，迫切需要通过研制模拟农村河道水环境治理的室内实验装置来快速准确的制定药剂治理方案。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种农村河道水环境治理模拟装置，通过单片机控制天车模块与操作臂模块相互配合实现根据系统设定参数在渠道模块上模拟试验河段，并根据参数在淤泥层接种药剂，以实现在高仿真的模拟环境下研究药剂的不同施用方式对河流水质治理的效果，通过所提出的治理方法，能够依赖人工智能实现全自动探究最佳药剂施用方案，大大减少研究人员的人力消耗，提高工作效率以及研究精度。

为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案如下：渠道模块4由渠道402与固装在渠道402上的轨道401构成，在所述渠道模块4上安装有天车模块1，天车模块1上安装有操作臂模块2；所述渠道模块4一端与首部模块3固装，所述首部模块3由首部水箱301及首部水箱301壁面上的出水孔302构成，渠道模块4另一端与回水模块5固装，所述回水模块5由与渠道402固装的过滤结构501以及与过滤结构501连接的集水箱502构成，所述过滤结构501外壁上有出水口503；所述集水箱502与首部水箱301的底部依次通过拢水管305、氮磷检测传感器306、增压泵ii303和疏水管304相连通；所述集水箱502外侧固装有排水管504，排水管504上安装有抽水泵505。天车模块1的电动主动轮111、多普勒流速传感器113和超声波水位传感器112固装在天车外壳101的底部，电路总成120安装在天车外壳101的内部，在天车外壳101底部预留有起落口110；在所述天车外壳101上固装有药料罐108、底泥料罐105和水罐102，所述药料罐108下端安装有孔盘电机116，孔盘电机116的转轴上固装有限位椎114，所述限位椎114的边缘固装有列位孔盘115；在药料罐108外部固装有气压泵107，气压泵107通过输气管118与气嘴117相固装，所述气嘴117与输药管109固装在药料罐108的内壁上并分别与列位孔盘115的上下表面滑动连接，气嘴117通过列位孔盘115的预留孔洞可以与输药管109连通，所述输药管109的末端与药料喷嘴211连接，药料喷嘴211安装在机械臂iv208上。底泥料罐105通过螺旋泵119与输料管106连接；水罐102通过增压泵i103与输水管104连接，所述输水管104的末端与输料管106的末端通过混料器209与喷嘴210连通，所述混料器209固装在机械臂iv208上。电机i201固装在天车外壳101内，电机i201的转轴与机械臂i202固装，在所述机械臂i202的末端固装有电机ii203，所述电机ii203的转轴与机械臂ii204固装，在机械臂ii204的末端固装有电机iii205，所述电机iii205的转轴上固装有机械臂iii206，在机械臂iii206的末端固装有电机iv207，所述电机iv(207)的转轴与机械臂iv208固装。电路总成120由单片机控制单元121、电机驱动模块122和无线传输模块123构成；所述单片机控制单元121分别与无线传输模块123、氮磷检测传感器306、多普勒流速传感器113、超声波水位传感器112及电机驱动模块122连通，单片机控制单元121通过电机驱动模块122分别与电机i201、电机ii203、电机iii205、电机iv207、电动主动轮111、孔盘电机116、气压泵107、螺旋泵119、抽水泵505及增压泵i103连通。

一种农村河道水环境治理模拟装置配套使用的治理方法包括如下步骤：

s1：针对所需治理的农村河道选择典型河段测定其淤泥厚度h和平均流速v，并采集淤泥和河水运回实验室；

s2：在一种农村河道水环境治理模拟装置的系统中输入如下参数：典型河段测定的淤泥厚度h和平均流速v，以及药剂植入深度h药、药剂植入密度ρ药的参数范围，数据库集合数n，预期处理时间t0，预设最大处理期限tmax，允许误差比例δ预设；系统通过粘性相似准则转换出模拟淤泥厚度h拟和模拟平均流速v拟，以及药剂模拟植入深度h药拟、药剂模拟植入密度ρ药拟的参数范围；

s3：随机在药剂模拟植入深度h药拟、药剂模拟植入密度ρ药拟的参数范围内选择施药参数，分别通过一种农村河道水环境治理模拟装置根据模拟淤泥厚度h拟制成的模拟河道上进行药剂布局，并按照模拟平均流速v拟开始试验，记录不同时间的水体氮磷含量；

s4：若经过预期处理时间t0后，氮含量n＞2mg/l或磷含量p＞0.4mg/l，则通过现有检测的氮含量、磷含量数据与处理时间计算拟合函数，并以n＝2-0.1^-10mg/l、p＝0.4-0.1^-10mg/l为参数通过所述拟合函数计算理论处理时间t，如果理论处理时间t＞预设最大处理时间tmax，则该次试验不计入有效试验次数n有效之中，随后停止试验，自动清理该模拟装置，并从步骤s3再次开始；如果理论处理时间t＜预设最大处理时间tmax，则将理论处理时间t、n＝2-0.1^-10mg/l、p＝0.4-0.1^-10mg/l，以及其对应的药剂模拟植入深度h药拟、药剂模拟植入密度ρ药拟作为一组数据计入数据库，并将该次试验计入有效试验次数n有效之中，随后停止试验，自动清理该模拟装置，并从步骤s3再次开始；若经过预期处理时间t0后，氮含量n＜2mg/l且磷含量p＜0.4mg/l，则检测当前的氮含量、磷含量，并和预期时间t0，以及其对应的药剂模拟植入深度h药拟、药剂模拟植入密度ρ药拟作为一组数据计入数据库，并将该次试验计入有效试验次数n有效之中，随后停止试验，自动清理该模拟装置，并从步骤s3重新开始，直到有效试验次数n有效等于数据库集合数n；

s5：利用数据库的数据，通过神经网络模型迭代计算预期处理时间t0条件下当n＝2-0.1^-10mg/l、p＝0.4-0.1^-10mg/l时，药剂模拟植入密度的最小值ρ药min以及其对应的药剂模拟植入深度h药对应，并通过一种农村河道水环境治理模拟装置测定在药剂模拟植入密度的最小值ρ药min以及其对应的药剂模拟植入深度h药对应条件下，在预期处理时间t0时，水体氮含量n对应和磷含量p对应，并将该次测量数据作为一组新数据计入数据库，随后，停止试验，自动清理该模拟装置，并从s4再次开始，直到(n-n对应)/n＜δ预设且(p-p对应)/p＜δ预设时为止，输出最后一次循环试验中的药剂模拟植入密度的最小值ρ药min以及其对应的药剂模拟植入深度h药对应，系统通过粘性相似准则转换出药剂植入深度h药、药剂植入密度ρ药，该组数据即为所需治理农村河道的最佳药剂使用参数。

本实用新型创造结构新颖、合理，能够根据研究人员参数设定模拟不同的河道底泥的淤积状态和平均流速，并由单片机控制完成药剂的接种，由此在试验过程中自动完成最佳药剂使用参数的测定，生成河道治理的最优方案；该设备在试验准备以及试验过程中实现了自动化，与该设备配套的治理方法极大地减少了研究人员的人力消耗，节省了研究人员的时间，提高了研究工作的效率。

附图说明

图1是一种农村河道水环境治理模拟装置结构示意图；

图2是工作天车内部结构示意图；

图3是喷头细部结构示意图；

图4是工作天车底部结构示意图；

图5是尾水处理结构示意图；

图6是施药罐内部结构示意图；

图7渠道剖视内部结构图；

图8是电路总成结构示意图。

图中件号说明：

1、天车模块；2、操作臂模块；3、首部模块；4、渠道模块；5、回水模块；101、天车外壳；102、水罐；103、增压泵i；104、输水管；105、底泥料罐；106、输料管；107、气压泵；108、药料罐；109、输药管；110、起落口；111、电动主动轮；112、超声波水位传感器；113、多普勒流速传感器；114、限位椎；115、列位孔盘；116、孔盘电机；117、气嘴；118、输气管；119、螺旋泵；120、电路总成；121、单片机控制单元；122、电机驱动模块；123、无线传输模块；201、电机i；202、机械臂i；203、电机ii；204；机械臂ii；205、电机iii；206、机械臂iii；207、电机iv；208、机械臂iv；209、混料器；210、喷嘴；211、药料喷嘴；301、首部水箱；302、出水孔；303、增压泵ii；304、疏水管；305、拢水管；306、氮磷检测传感器；401、轨道；402、渠道；501、过滤结构；502、集水箱；503、出水口；504、排水管；505、抽水泵。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型创造实施方案进行详细描述。所举实例只用于解释本实用新型，并非用于限定本实用新型的范围。渠道模块4由渠道402与固装在渠道402上的轨道401构成，在所述渠道模块4上安装有天车模块1，天车模块1上安装有操作臂模块2；所述渠道模块4一端与首部模块3固装，所述首部模块3由首部水箱301及首部水箱301壁面上的出水孔302构成，渠道模块4另一端与回水模块5固装，所述回水模块5由与渠道402固装的过滤结构501以及与过滤结构501连接的集水箱502构成，所述过滤结构501外壁上有出水口503；所述集水箱502与首部水箱301的底部依次通过拢水管305、氮磷检测传感器306、增压泵ii303和疏水管304相连通；所述集水箱502外侧固装有排水管504，排水管504上安装有抽水泵505。天车模块1的电动主动轮111、多普勒流速传感器113和超声波水位传感器112固装在天车外壳101的底部，电路总成120安装在天车外壳101的内部，在天车外壳101底部预留有起落口110；在所述天车外壳101上固装有药料罐108、底泥料罐105和水罐102，所述药料罐108下端安装有孔盘电机116，孔盘电机116的转轴上固装有限位椎114，所述限位椎114的边缘固装有列位孔盘115；在药料罐108外部固装有气压泵107，气压泵107通过输气管118与气嘴117相固装，所述气嘴117与输药管109固装在药料罐108的内壁上并分别与列位孔盘115的上下表面滑动连接，气嘴117通过列位孔盘115的预留孔洞可以与输药管109连通，所述输药管109的末端与药料喷嘴211连接，药料喷嘴211安装在机械臂iv208上。底泥料罐105通过螺旋泵119与输料管106连接；水罐102通过增压泵i103与输水管104连接，所述输水管104的末端与输料管106的末端通过混料器209与喷嘴210连通，所述混料器209固装在机械臂iv208上。电机i201固装在天车外壳101内，电机i201的转轴与机械臂i202固装，在所述机械臂i202的末端固装有电机ii203，所述电机ii203的转轴与机械臂ii204固装，在机械臂ii204的末端固装有电机iii205，所述电机iii205的转轴上固装有机械臂iii206，在机械臂iii206的末端固装有电机iv207，所述电机iv(207)的转轴与机械臂iv208固装。电路总成120由单片机控制单元121、电机驱动模块122和无线传输模块123构成；所述单片机控制单元121分别与无线传输模块123、氮磷检测传感器306、多普勒流速传感器113、超声波水位传感器112及电机驱动模块122连通，单片机控制单元121通过电机驱动模块122分别与电机i201、电机ii203、电机iii205、电机iv207、电动主动轮111、孔盘电机116、气压泵107、螺旋泵119、抽水泵505及增压泵i103连通。

一种农村河道水环境治理模拟装置配套使用的治理方法包括如下步骤：

s1：针对所需治理的农村河道选择典型河段测定其淤泥厚度h和平均流速v，并采集淤泥和河水运回实验室；

s2：在一种农村河道水环境治理模拟装置的系统中输入如下参数：典型河段测定的淤泥厚度h和平均流速v，以及药剂植入深度h药、药剂植入密度ρ药的参数范围，数据库集合数n，预期处理时间t0，预设最大处理期限tmax，允许误差比例δ预设；系统通过粘性相似准则转换出模拟淤泥厚度h拟和模拟平均流速v拟，以及药剂模拟植入深度h药拟、药剂模拟植入密度ρ药拟的参数范围；

s3：随机在药剂模拟植入深度h药拟、药剂模拟植入密度ρ药拟的参数范围内选择施药参数，分别通过一种农村河道水环境治理模拟装置根据模拟淤泥厚度h拟制成的模拟河道上进行药剂布局，并按照模拟平均流速v拟开始试验，记录不同时间的水体氮磷含量；

s4：若经过预期处理时间t0后，氮含量n＞2mg/l或磷含量p＞0.4mg/l，则通过现有检测的氮含量、磷含量数据与处理时间计算拟合函数，并以n＝2-0.1^-10mg/l、p＝0.4-0.1^-10mg/l为参数通过所述拟合函数计算理论处理时间t，如果理论处理时间t＞预设最大处理时间tmax，则该次试验不计入有效试验次数n有效之中，随后停止试验，自动清理该模拟装置，并从步骤s3再次开始；如果理论处理时间t＜预设最大处理时间tmax，则将理论处理时间t、n＝2-0.1^-10mg/l、p＝0.4-0.1^-10mg/l，以及其对应的药剂模拟植入深度h药拟、药剂模拟植入密度ρ药拟作为一组数据计入数据库，并将该次试验计入有效试验次数n有效之中，随后停止试验，自动清理该模拟装置，并从步骤s3再次开始；若经过预期处理时间t0后，氮含量n＜2mg/l且磷含量p＜0.4mg/l，则检测当前的氮含量、磷含量，并和预期时间t0，以及其对应的药剂模拟植入深度h药拟、药剂模拟植入密度ρ药拟作为一组数据计入数据库，并将该次试验计入有效试验次数n有效之中，随后停止试验，自动清理该模拟装置，并从步骤s3重新开始，直到有效试验次数n有效等于数据库集合数n；

s5：利用数据库的数据，通过神经网络模型迭代计算预期处理时间t0条件下当n＝2-0.1^-10mg/l、p＝0.4-0.1^-10mg/l时，药剂模拟植入密度的最小值ρ药min以及其对应的药剂模拟植入深度h药对应，并通过一种农村河道水环境治理模拟装置测定在药剂模拟植入密度的最小值ρ药min以及其对应的药剂模拟植入深度h药对应条件下，在预期处理时间t0时，水体氮含量n对应和磷含量p对应，并将该次测量数据作为一组新数据计入数据库，随后，停止试验，自动清理该模拟装置，并从s4再次开始，直到(n-n对应)/n＜δ预设且(p-p对应)/p＜δ预设时为止，输出最后一次循环试验中的药剂模拟植入密度的最小值ρ药min以及其对应的药剂模拟植入深度h药对应，系统通过粘性相似准则转换出药剂植入深度h药、药剂植入密度ρ药，该组数据即为所需治理农村河道的最佳药剂使用参数。

在使用设备前将复合微生物活性调理剂倒入药料罐108内，将河道底泥倒入底泥料罐105内，将采集的河水倒入水罐102内，在设备使用时，可通过上位机将淤泥厚度、施药数量、施药间距等参数通过无线传输模块123输入单片机控制单元121。单片机控制单元121通过电机驱动模块122驱动螺旋泵119工作，将底泥料罐105内的河道底泥通过输料管106运送到混料器209，同时，单片机控制单元121通过电机驱动模块122驱动增压泵i103工作，将水罐102内的水通过输水管104运送到混料器209，底泥和水在混料器209内按一定比例混匀后，通过喷嘴210喷射向机械臂iv208所指向的位置。单片机控制单元121通过电机驱动模块122驱动电机i、电机ii、电机iii、电机iv工作，在电机i、电机ii、电机iii、电机iv的配合下，使得操作臂模块2能够触及渠道模块4内壁的任何位置。单片机控制单元121通过电机驱动模块122驱动电动主动轮111转动，天车模块1在电动主动轮111的带动下按参数设定的速度匀速沿着轨道401前进，直到整个渠道模块4内部按照参数设定铺设了所需厚度的河道底泥。铺设底泥工作完成后，单片机控制单元121通过电机驱动模块122驱动孔盘电机116和气压泵107工作，当颗粒状的复合微生物活性调理剂通过限位锥114进入列位孔盘115上的孔洞里，在孔盘电机116的转动作用下，列位孔盘115上的孔洞上下侧分别与气嘴117与输药管109对齐，气压泵107通过输气管118和气嘴117将孔洞中的复合微生物活性调理剂压入输药管109，最终通过药料喷嘴211植入机械臂iv208所指向的河道底泥中，单片机控制单元121通过电机驱动模块122驱动电机i、电机ii、电机iii、电机iv工作，在电机i、电机ii、电机iii、电机iv的配合下，使得操作臂模块2能够触及渠道模块4内壁的任何位置，同时，单片机控制单元121通过电机驱动模块122驱动电动主动轮111转动，天车模块1在电动主动轮111的带动下按参数设定的速度匀速前进，直到整个渠道模块4内部的河道底泥中按照参数设定完成了调理剂植入工作。完成了调理剂植入工作后，单片机控制单元121通过电机驱动模块122驱动电机i、电机ii、电机iii、电机iv工作，在电机i、电机ii、电机iii、电机iv的配合下，使得操作臂模块2能够折叠并通过起落口110收回天车模块1内。开始试验时，首部模块3的首部水箱301供水，通过出水孔302出流，水流经过渠道402上的淤泥面最后通过出水口503和过滤结构501进入集水箱502，并依次通过拢水管305、氮磷检测传感器306、增压泵ii303和疏水管304进入首部水箱301。单片机控制单元121控制多普勒流速传感器113和超声波水位传感器112工作，将测得的流速和水位信息反馈到单片机控制单元121，进而调控增压泵ii303，使得渠道402内的水流流速达到试验预设的参数要求。根据治理方法中设定的时刻，单片机控制单元121控制氮磷检测传感器306工作，采集氮磷含量信息。

当测试工作结束时，单片机控制单元121通过电机驱动模块122驱动抽水泵505，渠道402里的水体通过排水管504排出，单片机控制单元121通过电机驱动模块122驱动增压泵i103工作，将水罐102内的水通过输水管104运送到混料器209，通过喷嘴210喷射向机械臂iv208所指向的位置。单片机控制单元121通过电机驱动模块122驱动电机i、电机ii、电机iii、电机iv工作，在电机i、电机ii、电机iii、电机iv的配合下，使得操作臂模块2能够触及渠道模块4内壁的任何位置，使得渠道模块4内壁的任何位置的淤泥冲洗干净，泥水混合物最后由抽水泵505通过排水管504排出。