CN106379999A - 富营养化湖泊水体的立体净化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了富营养化湖泊水体的立体净化方法，包括如下步骤：(1)水质检测；(2)水体样本净化试验；(3)建立基站；(4)生物强化；本发明针对现有技术中的缺陷，首先对湖泊水质进行全面立体的检测，针对检测结果以对照组试验法探测净化方案，具有科学研究的优点，获得的净化方案能够快速、有效的除去水中藻类，降低总氮量及总磷量；在此基础上增加底泥疏浚及生物净化手段，形成全方位、环保的净化方法。本发明在净化过程中引入无人机，无需工人自行检测，省时省力，检测结果精确可靠。

Description

富营养化湖泊水体的立体净化方法

技术领域

本发明属于湖泊水体净化领域，尤其是涉及富营养化湖泊水体的立体净化方法。

背景技术

随着全球气候变暖和人类活动的加剧，湖泊水库及其水资源的不合理开发利用，使我国湖泊面临着严峻的环境问题。如西部湖泊萎缩，咸化，甚至干涸；东部湖泊围垦与网围养殖严重，污染加剧，普遍存在富营养化，造成水质恶化，水生生态系统退化；我国北方和西部受自然环境的限制以及经济和社会的快速发展，水资源严重短缺；而水资源比较丰富的南方却因水环境的人为污染而造成水质性缺水，严重制约着人类的生存和区域的经济与社会发展，必须引起社会的高度重视和采取有力的措施，加强湖泊环境的保护与治理，维持人与自然的和谐和区域的可持续发展。

富营养化是指生物所需的氮、磷等营养物质大量进入湖泊、河口、海湾等缓流水体，引起藻类及其它浮游生物迅速繁殖，水体溶氧量下降，鱼类及其它生物大量死亡的现象。大量死亡的水生生物沉积到湖底，被微生物分解，消耗大量的溶解氧，使水体溶解氧含量急剧降低，水质恶化，以致影响到鱼类的生存，大大加速了水体的富营养化过程。水体出现富营养化现象时，由于浮游生物大量繁殖，往往使水体呈现蓝色、红色、棕色、乳白色等，这种现象在江河湖泊中叫水华(水花)，在海中叫赤潮。在发生赤潮的水域里，一些浮游生物暴发性繁殖，使水变成红色，因此叫“赤潮”。这些藻类有恶臭、有毒，鱼不能食用。藻类遮蔽阳光，使水底生植物因光合作用受到阻碍而死去，腐败后放出氮、磷等植物的营养物质，再供藻类利用。这样年深月久，造成恶性循环，藻类大量繁殖，水质恶化而又腥臭，水中缺氧，造成鱼类窒息死亡。

目前，对于水体富营养化的处理主要以防治结合为主，无法快速有效的治愈水体富营养化，且过程复杂，费时费力，富营养化易反复，不稳定。

发明内容

本发明的目的在于提供富营养化湖泊水体的立体净化方法，针对现有技术中的缺陷，首先对湖泊水质进行全面立体的检测，针对检测结果以对照组试验法探测净化方案，具有科学研究的优点，获得的净化方案能够快速、有效的除去水中藻类，降低总氮量及总磷量；在此基础上增加底泥疏浚及生物净化手段，形成全方位、环保的净化方法。

为了解决上述技术问题，采用如下技术方案：、

富营养化湖泊水体的立体净化方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)水质检测：a、对湖泊进行分区；b、组装无人机，在无人机上搭载遥感装置、水质检测装置及水体采集装置；c、无人机依次巡航各个分区，借助水质检测装置检测各个分区的水体富营养化情况，并采集各个分区的水体样本，并进行编号；

(2)水体样本净化试验：首先将每份水体样本作为独立的试验组，然后取第一试验组的水体样本，根据所述步骤(1)的水体富营养化检测情况，对该水体样本作净化试验，根据试验结果确定该水体样本的最终净化方案；最后，采用上述试验过程处理其他试验组；

(3)建立基站：首先在各个分区的中间位置建立处理基站，并在基站的周围搭建底泥疏浚系统，搭建完成后试运行30-45min；然后在基站的上端安装投料器，投料器内填充所述步骤(2)最终净化方案中的化学药剂；

(4)生物强化：a、重新组装无人机，卸下遥感装置、水质检测装置及水体采集装置，将生物投放器搭载至无人机上；b、设计生物强化配方，配方中包括糖类、微生物菌液、底栖软体动物类、鱼类、河蚌及虾类；c、将生物强化配方装入生物投放器内，借助无人机将生物强化配方均匀的投放至各个分区中。

优选后，所述步骤(1)a中湖泊分区的具体过程为：基于湖泊的面积与形状，将湖泊均匀分区为区1、区2、区3、…、区N。将湖泊进行分区，能够比较全面的分析湖泊水质的富营养化情况，便于针对性的制定净化水质方案，显著提升净化效果。

优选后，所述步骤(1)c中无人机巡航前需要设定航线，根据分区的状况采用CHC算法规划航线。采用CHC算法规范的航线精确度高，可用在约束条件下(湖泊的面积的形状)比较合理的规划航线，操作简单。

优选后，CHC算法规划航线的具体过程为：a、确定规划方法，具体形式表现为R＝{S，a₁，a₂，…，a_n-1，a_n，G}，其中S为起始点，G为目标点，a_i(i＝1，…，n)是航迹点；b、初始航线集产生：从起始点开始按照扩展，按一定概率一步步随机扩展下去，直到扩展到目标点，初步确定航线；c、采用适应度函数分析航线的适应度，适应度未合格的返回步骤b重新计算；d、在三维图中仿真试验。

优选后，所述步骤(1)c中对个水体样本进行编号，根据区1、区2、区3、…、区N，将对应的水体样本编号为：样本1、样本2、样本3、…、样本N。将水体样品进行编号，方便试验人员分辨。

优选后，所述步骤(2)中每份水体样本作为独立的试验组，依次将样本1、样本2、样本3、…、样本N作为试验组1、试验组2、试验组3、…、试验组N。

根据权利要求1所述富营养化湖泊水体的立体净化方法，其特征在于：所述步骤(2)水体样本在试验过程中水体样本分成分样1、…、分样X，X≥3；根据所述步骤(1)的水体富营养化检测情况，制定净化方案1、…、净化方案X，X≥3；分样1采用净化方案1处理，分样2采用净化方案2处理，…，分样X采用净化方案X处理；处理完成后，检验分样1、…、分样X的总磷量及总氮量，从而确定最终净化方案。以每个样本为基本单元设立相互独立的对照试验组，以科学的方法探索最佳每组试验组的最佳净化方案，十分合理，获得净化方案净化效果显著。

优选后，所述步骤(3)中在各个分区的中间位置设立处理基站，处理基站采用混凝土灌浆浇筑于水底上，处理基站的上端设置底泥仓，底泥仓连接至岸边，且底泥仓连接底泥疏浚系统。

优选后，所述步骤(4)b中糖类与微生物菌液的质量之比为1：5.6。

优选后，所述步骤(4)c中糖类、微生物菌液、底栖软体动物类、鱼类、河蚌及虾类分开装入生物投放器内，相互之间隔离，投放时同时投放。

由于采用上述技术方案，具有以下有益效果：

本发明为富营养化湖泊水体的立体净化方法，针对现有技术中的缺陷，首先对湖泊水质进行全面立体的检测，针对检测结果以对照组试验法探测净化方案，具有科学研究的优点，获得的净化方案能够快速、有效的除去水中藻类，降低总氮量及总磷量；在此基础上增加底泥疏浚及生物净化手段，形成全方位、环保的净化方法。其具体有益效果表现为以下几点：

1、借助无人机全方位的检测湖泊各个分区的水质富营养化情况，进而对湖泊各个分区的水质进行立体分析，借助无人机检测使得该方法安全方便，无需工人自行检测，省时省力，检测结果精确可靠；同时，在该立体检测的基础上，能够实现针对性的水质处理，对症下药，全面提升水质净化效果。

2、本发明将各水体样本作为独立的试验组，根据该样本的水质检测结果制定多套净化方案，多套净化方案分别处理该本，从而形成对照组试验，根据处理结果(包括藻类含量、总磷量及总氮量)筛选出多套净化方案中的最佳方案，该试验方法科学合理，获得最佳方案安全可靠，其净化效果十分显著，能够快速有效的除去水中藻类、氮磷元素。

3、处理基站搭配有底泥疏浚系统，借助底泥疏浚系统能够清理水底的污泥，直接带走污泥中的营养盐，并且清理底泥中的其他杂质。

4、生物强化配方丰富湖泊内的生态系统，借助水生动物食用藻类控制水体内的藻类含量，借助微生物的分解作用降低水体内的总磷量与总氮量，从而逐渐缓解水体的富营养化情况；进一步，强化湖泊的生态系统，改善湖泊的水体环境。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明：

图1为本发明富营养化湖泊水体的立体净化方法流出框图；

图2为本发明中基站的结构示意图；

其中1为基站，2为底泥仓、3为底泥疏浚系统，4为投料器，5为控制器，6为投料喷头。

具体实施方式

本发明介绍了富营养化湖泊水体的立体净化方法，首先采用无人机对湖泊的水质富营养化情况做全面的检测，然后采用对照组试验法优选理想的净化方案，借助处理基站1实现水质净化，同时利用生物强化方法强化湖泊水体的生态环境。主要包括以下步骤：

(1)水质检测：

a、对湖泊进行分区：基于湖泊的面积与形状，将湖泊均匀分区为区1、区2、区3、…、区N。将湖泊进行分区，能够比较全面的分析湖泊水质的富营养化情况，便于针对性的制定净化水质方案，显著提升净化效果。

b、组装无人机，在无人机上搭载遥感装置、水质检测装置及水体采集装置；

c、无人机巡航前需要设定航线，根据区1、区2、区3、…、区N的分布情况采用CHC算法规划航线。采用CHC算法规范的航线精确度高，可用在约束条件下(湖泊的面积的形状)比较合理的规划航线，操作简单。其具体过程为：

①确定规划方法，具体形式表现为R＝{S，a₁，a₂，…，a_n-1，a_n，G}，其中S为起始点，G为目标点，a_i(i＝1，…，n)是航迹点；即航线可以是变长的，航迹点包含如下信息：经度坐标、纬度坐标、海拔高度及序号。

②初始航线集产生：从起始点开始按照扩展，可拓展点就是起始点的直接相连接点，直接相邻点均通过计算获得；按一定概率一步步随机扩展下去，直到扩展到目标点，初步确定航线；

③采用适应度函数分析航线的适应度：评价无人机航线最优性能指标一般包括路径最短、威胁最小等，也可以是它们的综合，最优目标函数可以写为

J＝k×J_d+(1-k)×J_thread

其中k是权衡系数，决定距离指标和威胁指标所占的比重；距离指标n是航迹点的个数，β≥1，是一个惩罚系数，当航线上的2个轨迹点不再同一个高度时，会相对增加无人机飞行的耗油量，加入惩罚系数就使这2个航迹点的计算距离大于它们之间的实际距离，保证无人机尽量选择平飞航线；威胁指标l是威胁区的个数，d_i，j是某条航线上第i个轨迹点到第j个威胁区边缘的距离，可以通过航迹点到威胁中心的距离减去威胁半径和缓冲区域半径之和来求，缓冲区域半径预先设定好一个常数。在实际计算时如果d_i，j大于某一常数D时认为对这个点的威胁为0。

而适应度函数的确定一般是根据最优目标函数来确定的，由于目标函数值J不可能为O，所以可取适应度函数为最优指标的倒数：

f_i＝1/j_i

其中j_i是第i条航线的综合指标代价值。

根据上述目标函数确定航线的适应度，适应度未合格的返回步骤b重新计算；

④在三维图中仿真试验。

c、无人机依次巡航各个分区，借助遥感装置控制无人机并拍摄各个分区的图像并；借助水质检测装置检测各个分区的水体富营养化情况，并采集各个分区的水体样本，并进行编号：区1采集的水体样本标号为样本1，区2采集的水体样本标号为样本2，区3采集的水体样本标号为样本3，…，区N采集的水体样本标号为样本N；

(2)水体样本净化试验：

首先将每份水体样本作为独立的试验组，将样本1作为试验组1，将样本2作为试验组2，将样本3作为试验组3，…，样本N作为试验组N；然后取试验组1的水体样本，将其分成分样1、分样2、分样3、分样4；根据所述步骤(1)的水体富营养化检测情况，制定净化方案1、净化方案2、净化方案3、净化方案4，净化方案1、净化方案2、净化方案3、净化方案4如表1、表2、表3及表4；

表1净化方案1

表2净化方案2

表3净化方案3

表4净化方案4

分样1采用净化方案1处理，并对分样1处理前后的富营养化指标进行检测，检测结果如表5

表5

分样2采用净化方案2处理，并对分样2处理前后的富营养化指标进行检测，检测结果如表6

表6

分样3采用净化方案3处理，并对分样3处理前后的富营养化指标进行检测，检测结果如表7

表7

分样4采用净化方案4处理，并对分样4处理前后的富营养化指标进行检测，检测结果如表8

表8

根据试验结果确定该水体样本的最终净化方案为净化方案4；最后，采用上述试验过程处理其他试验组；以每个样本为基本单元设立相互独立的对照试验组，以科学的方法探索最佳每组试验组的最佳净化方案，十分合理，获得净化方案净化效果显著。

(3)建立基站1：在各个分区的中间位置设立处理基站1，处理基站1采用混凝土灌浆浇筑于水底上，处理基站1的上端设置底泥仓2，底泥仓2连接至岸边；并在基站1的周围搭建底泥疏浚系统3，底泥仓2连接底泥疏浚系统3，底泥疏浚系统3能够清理底泥，并将底泥吸至底泥仓2内，通过底泥仓2输送至岸边。搭建完成后试运行30-45min；

然后在基站1的上端安装投料器4，投料器4内填充所述步骤(2)最终净化方案中的化学药剂，投料器4上安装有控制器5，控制器5连接至控制室，在控制室内能够控制投料器4工作。

(4)生物强化：

a、重新组装无人机，卸下遥感装置、水质检测装置及水体采集装置，将生物投放器搭载至无人机上；

b、设计生物强化配方，配方中包括糖类、微生物菌液、底栖软体动物类、鱼类、河蚌及虾类；糖类与微生物菌液的质量之比为1：5.6。糖类、微生物菌液、底栖软体动物类、鱼类、河蚌及虾类分开装入生物投放器内，相互之间隔离，投放时同时投放。

c、将生物强化配方装入生物投放器内，无人机巡航过程中，向各个分区均匀投放生物强化配方。

以上仅为本发明的具体实施例，但本发明的技术特征并不局限于此。任何以本发明为基础，为解决基本相同的技术问题，实现基本相同的技术效果，所作出地简单变化、等同替换或者修饰等，皆涵盖于本发明的保护范围之中。

Claims (10)

1.富营养化湖泊水体的立体净化方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)水质检测：a、对湖泊进行分区；b、组装无人机，在无人机上搭载遥感装置、水质检测装置及水体采集装置；c、无人机依次巡航各个分区，借助水质检测装置检测各个分区的水体富营养化情况，并采集各个分区的水体样本，并进行编号；

(2)水体样本净化试验：首先将每份水体样本作为独立的试验组，然后取第一试验组的水体样本，根据所述步骤(1)的水体富营养化检测情况，对该水体样本作净化试验，根据试验结果确定该水体样本的最终净化方案；最后，采用上述试验过程处理其他试验组；

(3)建立基站：首先在各个分区的中间位置建立处理基站，并在基站的周围搭建底泥疏浚系统，搭建完成后试运行30-45min；然后在基站的上端安装投料器，投料器内填充所述步骤(2)最终净化方案中的化学药剂；

(4)生物强化：a、重新组装无人机，卸下遥感装置、水质检测装置及水体采集装置，将生物投放器搭载至无人机上；b、设计生物强化配方，配方中包括糖类、微生物菌液、底栖软体动物类、鱼类、河蚌及虾类；c、将生物强化配方装入生物投放器内，借助无人机将生物强化配方均匀的投放至各个分区中。

2.根据权利要求1所述富营养化湖泊水体的立体净化方法，其特征在于：所述步骤(1)a中湖泊分区的具体过程为：基于湖泊的面积与形状，将湖泊均匀分区为区1、区2、区3、…、区N。

3.根据权利要求1所述富营养化湖泊水体的立体净化方法，其特征在于：所述步骤(1)c中无人机巡航前需要设定航线，根据分区的状况采用CHC算法规划航线。

4.根据权利要求3所述富营养化湖泊水体的立体净化方法，其特征在于：CHC算法规划航线的具体过程为：a、确定规划方法，具体形式表现为R＝{S，a₁，a₂，…，a_n-1，a_n，G}，其中S为起始点，G为目标点，a_i(i＝1，…，n)是航迹点；b、初始航线集产生：从起始点开始按照扩展，按一定概率一步步随机扩展下去，直到扩展到目标点，初步确定航线；c、采用适应度函数分析航线的适应度，适应度未合格的返回步骤b重新计算；d、在三维图中仿真试验。

5.根据权利要求2所述富营养化湖泊水体的立体净化方法，其特征在于：所述步骤(1)c中对个水体样本进行编号，根据区1、区2、区3、…、区N，将对应的水体样本编号为：样本1、样本2、样本3、…、样本N。

6.根据权利要求5所述富营养化湖泊水体的立体净化方法，其特征在于：所述步骤(2)中每份水体样本作为独立的试验组，依次将样本1、样本2、样本3、…、样本N作为试验组1、试验组2、试验组3、…、试验组N。

7.根据权利要求1所述富营养化湖泊水体的立体净化方法，其特征在于：所述步骤(2)水体样本在试验过程中水体样本分成分样1、…、分样X，X≥3；根据所述步骤(1)的水体富营养化检测情况，制定净化方案1、…、净化方案X，X≥3；分样1采用净化方案1处理，分样2采用净化方案2处理，…，分样X采用净化方案X处理；处理完成后，检验分样1、…、分样X的总磷量及总氮量，从而确定最终净化方案。

8.根据权利要求1所述富营养化湖泊水体的立体净化方法，其特征在于：所述步骤(3)中在各个分区的中间位置设立处理基站，处理基站采用混凝土灌浆浇筑于水底上，处理基站的上端设置底泥仓，底泥仓连接至岸边，且底泥仓连接底泥疏浚系统。

9.根据权利要求1所述富营养化湖泊水体的立体净化方法，其特征在于：所述步骤(4)b中糖类与微生物菌液的质量之比为1：5.6。

10.根据权利要求1所述富营养化湖泊水体的立体净化方法，其特征在于：所述步骤(4)c中糖类、微生物菌液、底栖软体动物类、鱼类、河蚌及虾类分开装入生物投放器内，相互之间隔离，投放时同时投放。