CN107399824A - 一种沉水植物恢复的自动控制系统及方法 - Google Patents

一种沉水植物恢复的自动控制系统及方法 Download PDF

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程寒飞
詹茂华
张红
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Abstract

本发明公开了一种沉水植物恢复的自动控制系统，属于水体修复技术领域，该系统包括在线监测设备、调控设施和主控机柜，该在线监测设备和调控设施均与主控机柜连接；通过主控机柜接收在线监测设备探测的水体数据并处理，再控制调控设施进行相应处理。本发明还公开了一种沉水植物恢复的自动控制方法。本发明能够为沉水植物保持稳定的生境，并且采用自动控制的方式，维护简单，同时不影响水体的排涝调蓄功能，解决了现有技术中富营养化水体及黑臭河道沉水植物恢复困难的问题。

Description

一种沉水植物恢复的自动控制系统及方法
技术领域
本发明属于水体修复技术领域，具体涉及一种沉水植物恢复的自动控制系统及方法。
背景技术
沉水植物是水体生态系统的重要组成部分，不仅是重要的初级生产者，而且是水环境的重要调节者，可为鱼类提供觅食产卵育肥栖息场所、为浮游动物提供避难所，有利于提高水体生态系统的生物多样性和稳定性。沉水植物能吸收水体中的氮磷等营养元素，对维护水体生态系统，控制水体富营养化具有重要生态价值；不仅影响着水中的鱼类、浮游生物、底栖动物的组成和分布，而且可以起到消浪和净化水质的作用。此外，沉水植物除通过直接吸收转化水体营养盐外，还能借助水下光合作用向水体放氧，为其他水体有益生物提供生态位并改善其生境；同时通过生态位争夺抑制蓝藻等有害生物生长；固定底泥并抑制底泥内源污染物释放，从而净化水质和改善水体生态，营造水面和水下自然景观等，沉水植物恢复和重建是富营养化水体及黑臭水体治理的重要途径，是水域生态系统生态恢复的难点之一。
沉水植物恢复受水体深度、透明度、溶解氧含量等条件影响，当前的沉水植物恢复的主要难点在于：水体水质受降雨影响，波动较大，难以为沉水植物保持稳定的生境；若通过人工控制则大多依靠维护人员的经验，工作繁琐，费时费力；在恢复沉水植物的过程中难以保持水体的排涝调蓄功能。
发明内容
针对现有技术的难点，本发明提供了一种沉水植物恢复的自动控制系统及方法，能够为沉水植物保持稳定的生境，并且采用自动控制的方式，维护简单，同时不影响水体的排涝调蓄功能。
本发明解决技术问题的技术方案如下：
一种沉水植物恢复的自动控制系统，包括在线监测设备、调控设施和主控机柜；所述在线监测设备、调控设施均与主控机柜连接；所述在线监测设备包括雨量探测单元和均置于水中的溶解氧探测单元及浊度探测单元；所述调控设施包括曝气机、微孔曝气器和调节水深的水利设施，该微孔曝气器与曝气机连接并置于水中；所述主控机柜包括PLC控制器以及和PLC控制器均连接的触摸显示单元、雨量测定单元、溶解氧测定单元、浊度测定单元、曝气机控制单元、调节水深的水利设施控制单元；其中，所述主控机柜中雨量测定单元、溶解氧测定单元和浊度测定单元用于分别接收并处理在线监测设备的雨量探测单元、溶解氧探测单元和浊度探测单元的所探测数据；所述触摸显示单元用于输入参数；所述PLC控制器用于接收并处理雨量测定单元、溶解氧测定单元、浊度测定单元所传输来的数据以及触摸显示单元输入的参数，同时根据处理结果控制曝气机控制单元和调节水深的水利设施控制单元进而控制调控设施运行。
进一步地，所述雨量探测单元置于堤岸。
进一步地，所述雨量探测单元放置的高度高于河道设计洪水位。
进一步地，所述溶解氧探测单元和浊度探测单元置于靠近沉水植物恢复区域位置，远离微孔曝气器。
进一步地，所述溶解氧探测单元和浊度探测单元放置的高度在河道底部与河道设计最低水位之间。
进一步地，所述微孔曝气器位于沉水植物恢复区域上游。
进一步地，所述调节水深的水利设施位于沉水植物恢复区域下游。
本发明解决技术问题的另一种技术方案如下：
一种基于上述任一项权利要求所述系统的沉水植物恢复的自动控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、参数设定；
S1.1、预先设定透明度与浊度换算经验公式；
S1.2、预先设定水深与恢复所需透明度换算经验公式；
S2、在线监测；
S2.1、浊度测定，用于测定水体的浊度；
S2.2、雨量测定，用于测定雨量的大小；
S2.3、溶解氧测定，用于测定水体内溶解氧的情况；
S3、信息处理；
S3.1、判断水深是否偏高，通过步骤S2.1中的水体浊度和步骤S1.1中设定的透明度与浊度换算经验公式以及步骤S1.2中设定的水深与恢复所需透明度换算经验公式共同进行水深高低的判断；
S3.2、判断雨量是否偏大，通过步骤S2.2中雨量的测定情况进行雨量大小的判断；
S3.3、判断溶解氧浓度是否偏低，通过步骤S2.3中溶解氧测定的情况进行水体内溶解氧浓度高低的判断；
S4、信息反馈；
S4.1、增氧曝气，根据步骤S3.3中判断的水体内溶解氧浓度是否偏低，执行是否增氧曝气；
S4.2、调节水深，根据步骤S3.1中判断的水体深度是否偏高或者S3.2中判断的雨量是否偏大，通过调节水深的水利设施执行是否进行水深的调节；
S4.3、调整参数，根据步骤S4.1和步骤S4.2中的反馈结果进行步骤S1参数设定中各经验公式中的参数调整。
进一步地，所述步骤S4.1增氧曝气和步骤S4.2调节水深均由自动控制系统实现。
进一步地，所述步骤S4.3中的调整参数由人为实现或通过机器学习实现。
由于采用了上述技术方案，本发明相对于现有技术至少具有以下优点：
1、本发明能够维持沉水植物恢复所需的透明度和溶解氧含量，为沉水植物保持稳定的生境；
2、本发明采用自动控制，无需人工值守，维护简单，省时经济；
3、本发明在恢复沉水植物的过程中能够保持水体的排涝调蓄功能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例中所需使用的附图作简单地介绍，显而易见，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明所述沉水植物恢复的自动控制系统的平面布置示意图；
图2是本发明所述沉水植物恢复的自动控制系统中主控机柜系统框图；
图3是本发明所述沉水植物恢复自动控制方法流程图；
其中：1—沉水植物；2—主控机柜；21—PLC控制器；22—触摸显示单元；23—雨量测定单元；24—溶解氧测定单元；25—浊度测定单元；26—曝气机控制单元；27—调节水深的水利设施控制单元；3—雨量探测单元；4—溶解氧探测单元；5—浊度探测单元；6—曝气机；7—微孔曝气器；8—调节水深的水利设施；9—堤岸。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
如图1和图2所示，一种沉水植物恢复的自动控制系统，包括在线监测设备、调控设施和主控机柜2；所述在线监测设备包括雨量探测单元3和均置于水中的溶解氧探测单元4及浊度探测单元5；所述调控设施包括曝气机6、微孔曝气器7和调节水深的水利设施8，该微孔曝气器7与曝气机6连接并置于水中，并且该微孔曝气器7应置于沉水植物1恢复区域上游，以便于通过曝气机6及微孔曝气器7进行曝气增氧时，水体内大副增加的溶解氧随水流从上游经沉水植物1恢复区域流向下游，满足沉水植物1对溶解氧的需求，该微孔曝气器7可以为微孔曝气盘或者曝气软管等同类型产品，所述的调节水深的水利设施8位于沉水植物1恢复区的下游，可以根据水位的高低进行水深的调节，以改变水体的水深/透明度(Z/ZSD)比值，减少因水体透明度的问题对水体内沉水植物1恢复的影响，即保证水体内的沉水植物1能在合适的透明度下进行光合作用，避免水体过深，透明度低，进而影响沉水植物1的光合作用，同时对水深的调节可以有效保持水体的排涝调蓄功能，这里的调节水深的水利设施8可使用升降可调堰或其它装置；所述主控机柜2包括PLC控制器21以及和PLC控制器21均连接的触摸显示单元22、雨量测定单元23、溶解氧测定单元24、浊度测定单元25、曝气机控制单元26、调节水深的水利设施控制单元27；所述线监测设备和调控设施均与主控机柜2连接，这里的连接更具体一点为，所述雨量探测单元3、溶解氧探测单元4和浊度探测单元5分别与雨量测定单元23、溶解氧测定单元24和浊度测定单元25相互连接，所述曝气机6与曝气机控制单元26相互连接，所述调节水深的水利设施8与调节水深的水利设施控制单元27连接；其中所述雨量探测单元3置于堤岸9上，其放置的高度应高于河道设计洪水位，以便于在雨量大的季节，该雨量探测单元3不会因放置高度过低而被洪水淹没，导致无法测定雨量；所述溶解氧探测单元4及所述浊度探测单元5应靠近沉水植物1恢复区域并远离微孔曝气器7所在区域，具体一点为该所述溶解氧探测单元4及所述浊度探测单元5距沉水植物1恢复区域的距离不超过1m且远离微孔曝气器7有5m以上，以利于两个探测单元测出准确的水体溶解氧浓度值和水体浊度值，同时该溶解氧探测单元4及浊度探测单元5放置的高度在河道底部与河道设计最低水位之间，以保证该两个探测单元始终在水体内，进而保证该所述系统能够正常运行；所述主控机柜2中雨量测定单元23、溶解氧测定单元24和浊度测定单元25用于分别接收并处理在线监测设备的雨量探测单元3、溶解氧探测单元4和浊度探测单元5的所探测数据；所述触摸显示单元22用于输入参数；所述PLC控制器21用于接收并处理雨量测定单元23、溶解氧测定单元24和浊度测定单元25所传输来的数据以及触摸显示单元22输入的参数，同时根据处理结果控制曝气机控制单元26和调节水深的水利设施控制单元27进而控制调控设施中曝气机6以及调节水深的水利设施8的运行。
该所述沉水植物恢复的自动控制系统运行时，雨量探测单元3、溶解氧探测单元4和浊度探测单元5所探测的数据分别传输至主控机柜2中雨量测定单元23、溶解氧测定单元24和浊度测定单元25进行雨量的测定、溶解氧浓度的测定和水体浊度的测定，经三个测定单元处理后数据和人工通过触摸显示单元22输入的参数一起再经PLC控制器21处理后，再由PLC控制器21控制曝气机控制单元26和调节水深的水利设施控制单元27进而控制调控设施运行。
实施例2：
如图1至图3所示，一种沉水植物恢复的自动控制方法，可通过上述实施例1所述自动控制系统进行，包括如下步骤：
S1、参数设定，可通过所述自动控制系统的触摸显示单元22进行各类参数的设定；
S1.1、预先设定透明度与浊度换算经验公式；该透明度与浊度换算经验公式可以预先设定为
S1.2、预先设定水深与恢复所需透明度换算经验公式；该水深与恢复所需透明度换算经验公式可以预先设定为水深(cm)＝3×透明度(cm)-30cm；
S2、在线监测，可通过所述自动控制系统中各测定单元对水体的各类情况进行实时在线测定；
S2.1、浊度测定，用于测定水体的浊度，可通过所述自动控制系统的浊度探测单元5进行探测并将该探测的数据传输至浊度测定单元25进行测定处理；
S2.2、雨量测定，用于测定雨量的大小，可通过所述自动控制系统的雨量探测单元3进行探测并将该探测的数据传输至雨量测定单元23进行测定处理；
S2.3、溶解氧测定，用于测定水体内溶解氧的情况，可通过所述自动控制系统的溶解氧探测单元4进行探测并将该探测的数据传输至溶解氧测定单元24进行测定处理；
S3、信息处理，根据步骤S2中在线监测的各类数据对水体各类情况进行判别；
S3.1、判断水深是否偏高，通过步骤S2.1中的水体浊度和步骤S1.1中设定的透明度与浊度换算经验公式以及步骤S1.2中设定的水深与恢复所需透明度换算经验公式共同进行水深高低的判断；本步骤通过所述自动控制系统进行时，经浊度测定单元25进行处理的数据与步骤S1.1中设定的透明度与浊度换算经验公式以及步骤S1.2中设定的水深与恢复所需透明度换算经验公式一起再经PLC控制器21进行处理，最后判断该水体水深是否偏高；
S3.2、判断雨量是否偏大，通过步骤S2.2中雨量的测定情况进行雨量大小的判断；本步骤通过所述自动控制系统进行时，经雨量测定单元23进行测定处理的数据再经PLC控制器21进行处理，最后判断雨量是否偏大；
S3.3、判断溶解氧浓度是否偏低，通过步骤S2.3中溶解氧测定的情况进行水体内溶解氧浓度高低的判断；本步骤通过所述自动控制系统进行时，经溶解氧测定单元24进行测定处理的数据再经PLC控制器21进行处理，最后判断该水体溶解氧浓度是否偏低；
S4、信息反馈，根据步骤S3中各类信息的判断，对应执行相应的措施；
S4.1、增氧曝气，若步骤S3.3中判断的水体内溶解氧浓度偏低，则执行增氧曝气；该增氧曝气措施可由所述自动控制系统中的PLC控制器21通过曝气机控制单元26控制曝气机6自动进行，以满足河道中沉水植物1恢复区域对氧气的需求；
S4.2、调节水深，若步骤S3.1中判断的水体深度偏高或者S3.2中判断的雨量偏大，则进行水深的调节；该水深调节措施可由所述自动控制系统中PLC控制器21通过调节水深的水利设施控制单元27控制调整水深的水利设施8自动进行，一般该调整水深的水利设施8可以为升降可调堰；
S4.3、调整参数，根据步骤S4.1和步骤S4.2中的反馈结果进行步骤S1参数设定中各经验公式中的参数调整，即可根据所述自动控制系统所记录的数据进行统计并随经验的积累对步骤S1中的各经验公式的参数进行调整，以便使通过该系统测定的信息更为准确，该步骤可以通过人工设定的方式，也可以通过PLC控制器21进行机器学习的方式自动实现所述的调整参数。
本实施例中所述步骤S4.1增氧曝气和步骤S4.2调节水深均由自动控制系统实现。
本实施例中所述各步骤也可以通过也可以通过人工的方式进行，但通过实施例1中所述自动控制系统进行更为高效，能够有效维持沉水植物恢复所需的透明度和溶解氧含量，为沉水植物保持稳定的生境；采用自动控制，无需人工值守，维护简单，省时经济；在恢复沉水植物的过程中能够有效保持水体的排涝调蓄功能。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
本发明未详述之处，均为本技术领域技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种沉水植物恢复的自动控制系统，其特征在于，包括：
在线监测设备，其包括雨量探测单元(3)和均置于水中的溶解氧探测单元(4)及浊度探测单元(5)；
调控设施，其包括曝气机(6)、微孔曝气器(7)和调节水深的水利设施(8)，该微孔曝气器(7)与曝气机(6)连接并置于水中；以及
与在线监测设备和调控设施均连接的主控机柜(2)，其包括PLC控制器(21)以及和PLC控制器(21)均连接的触摸显示单元(22)、雨量测定单元(23)、溶解氧测定单元(24)、浊度测定单元(25)、曝气机控制单元(26)、调节水深的水利设施控制单元(27)；
其中，所述主控机柜(2)中雨量测定单元(23)、溶解氧测定单元(24)和浊度测定单元(25)用于分别接收并处理在线监测设备的雨量探测单元(3)、溶解氧探测单元(4)和浊度探测单元(5)的所探测数据；所述触摸显示单元(22)用于输入参数；所述PLC控制器(21)用于接收并处理雨量测定单元(23)、溶解氧测定单元(24)、浊度测定单元(25)和触摸显示单元(22)所传输来的数据以及输入的参数，同时根据处理结果控制曝气机控制单元(26)和调节水深的水利设施控制单元(27)进而控制调控设施运行。
2.根据权利要求1所述一种沉水植物恢复的自动控制系统，其特征在于，所述雨量探测单元(3)置于堤岸。
3.根据权利要求1或2所述一种沉水植物恢复的自动控制系统，其特征在于，所述雨量探测单元(3)放置的高度高于河道设计洪水位。
4.根据权利要求1所述一种沉水植物恢复的自动控制系统，其特征在于，所述溶解氧探测单元(4)和浊度探测单元(5)置于靠近沉水植物恢复区域并远离微孔曝气器(7)的位置。
5.根据权利要求1或4所述一种沉水植物恢复的自动控制系统，其特征在于，所述溶解氧探测单元(4)和浊度探测单元(5)放置的高度在河道底部与河道设计最低水位之间。
6.根据权利要求1所述一种沉水植物恢复的自动控制系统，其特征在于，所述微孔曝气器(7)位于沉水植物恢复区域上游。
7.根据权利要求1所述一种沉水植物恢复的自动控制系统，其特征在于，所述调节水深的水利设施(8)位于沉水植物恢复区域下游。
8.一种基于上述任一项权利要求所述系统的沉水植物恢复的自动控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、参数设定；
S1.1、预先设定透明度与浊度换算经验公式；
S1.2、预先设定水深与恢复所需透明度换算经验公式；
S2、在线监测；
S2.1、浊度测定，用于测定水体的浊度；
S2.2、雨量测定，用于测定雨量的大小；
S2.3、溶解氧测定，用于测定水体内溶解氧的情况；
S3、信息处理；
S3.1、判断水深是否偏高，通过步骤S2.1中的水体浊度和步骤S1.1中设定的透明度与浊度换算经验公式以及步骤S1.2中设定的水深与恢复所需透明度换算经验公式共同进行水深高低的判断；
S3.2、判断雨量是否偏大，通过步骤S2.2中雨量的测定情况进行雨量大小的判断；
S3.3、判断溶解氧浓度是否偏低，通过步骤S2.3中溶解氧测定的情况进行水体内溶解氧浓度高低的判断；
S4、信息反馈；
S4.1、增氧曝气，根据步骤S3.3中判断的水体内溶解氧浓度是否偏低，执行是否增氧曝气；
S4.2、调节水深，根据步骤S3.1中判断的水体深度是否偏高或者S3.2中判断的雨量是否偏大，通过调节水深的水利设施执行是否进行水深的调节；
S4.3、调整参数，根据步骤S4.1和步骤S4.2中的反馈结果进行步骤S1参数设定中各经验公式中的参数调整。
9.根据权利要求8所述的沉水植物恢复的自动控制方法，其特征在于，所述步骤S4.1增氧曝气和步骤S4.2调节水深均由自动控制系统实现。
10.根据权利要求8所述的沉水植物恢复的自动控制方法，其特征在于，所述步骤S4.3中的调整参数由人为实现或通过机器学习实现。
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