CN108254367B - 船载或岸基水体营养盐自动检测和预警装置及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种船载或岸基水体营养盐自动检测和预警装置及其方法，包括设备平台、采水泵、沉降池、反冲洗过滤器、压力泵、检测池一、检测池二、营养盐检测仪器、多参数水质传感器、数据传输与预警系统；营养盐检测仪器通过仪器支撑架悬挂在检测池一的中心位置；多参数水质传感器通过仪器支撑架悬挂在检测池二内部中心位置；各检测仪器通过检测仪器支架悬挂在检测池上口内部中间位置，进行长时间连续监测，并通过数据传输与预警模块传输至用户服务器。预警模块通过对检测数据进行比较、分析，对监测水体富营养化、赤潮、水华做出评价，超出正常范围时并报警。
Description
技术领域
本发明涉及水体检测领域，具体涉及一种船载或岸基水体营养盐自动检测和预警装置及其方法。
背景技术
营养盐是浮游植物生长的物质基础，随着工农业生产和生活废水的排放加剧，流域土壤风化的加强，海洋、湖泊、河流等自然水体中硝酸盐、铵盐、活性磷酸盐、硅酸盐等营养盐输入加剧，富营养化、有害赤潮、水体缺氧等各种生态灾害频发，因此迫切需要对自然水体营养盐的自动化实时监测和预警。
目前自然水体营养盐检测主要采用以下方式：现场采样船基或岸基实验室分析检测、营养盐传感器水体原位检测、船载或岸基在线仪器检测。
人工现场采样实验室分析检测方法，分析独立样品，收到采样方法和设备的限制，需要较高的人力成本以及时间消耗。
营养盐传感器原位检测，可获取自然水体原位连续数据，但长期工作生物附着严重，需要人工定时清理，试剂或过滤装置需要定时更换，因此仪器设备和定期维护成本都比较高。
船载或岸基在线仪器检测方法是将水样抽离原位、预处理后仪器自动检测的方法，该方法比现场采样分析方法数据实时性高，节省人力和时间，虽需要定期维护、但维护成本比传感器原位检测方法低，数据质量更易于控制。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种船载或岸基水体营养盐自动检测和预警装置及其方法
本发明的船载或岸基水体营养盐自动检测和预警装置包括设备平台、采水泵、沉降池、反冲洗过滤器、压力泵、检测池一、检测池二、营养盐检测仪器、多参数水质传感器、数据传输与预警系统；
采水泵的进水管深入待检测水面之下；采水泵的出水管通过进水三通分为两路，一路与沉降池相连；另一路与检测池二相连；沉降池出水口连接反冲洗过滤器；反冲洗过滤器出水口通过压力泵连接至检测池一；营养盐检测仪器通过仪器支撑架悬挂在检测池一的中心位置；多参数水质传感器通过仪器支撑架悬挂在检测池二内部中心位置；数据传输与预警模块分别与营养盐检测仪器、多参数水质传感器相连；所述的采水泵、沉降池、反冲洗过滤器、压力泵、检测池一、检测池二均设置在设备平台上。
优选的，所述的沉降池为上端圆筒、下端漏斗状结构，漏斗底部设有电磁阀一，圆筒侧面两侧各设一个开口，其中与采水泵连接的开口为进水口一，位于沉降池上口位置，另一侧为出水口一，位于沉降池偏下位置；出水口一处安装电磁阀二，沉降池内壁与进水口一相连处有一圈带孔圆管，其多个开孔位于圆管底部一圈且偏向圆筒内侧方向，；沉降池外侧设有紧贴沉降池外径的环形凹槽状防溢圈，凹槽底部设溢流导管；沉降池上方有一个仪器支撑架，仪器支撑架上安装电动叶轮。
优选的，所述的检测池二和检测池一结构相同，均为上端圆筒、下端漏斗状结构，漏斗底部为三通电磁阀一，检测池一外侧一圈设有一个紧贴检测池外径的环形凹槽状防溢圈，凹槽底部设溢流导管。
优选的，所述的反冲洗过滤器包括底盖、筒体、滤芯，底盖侧壁设有入水口二、出水口二，入水口二连接沉降池，出水口二连接压力泵，底盖设有电磁阀三，为反向冲洗排污口；滤芯位于筒体内部；出水口二通过管路与滤芯内部空间相连。
优选的，所述的进水管的进水口设置进水滤网。
所述装置的水体营养盐自动检测和预警方法步骤如下：
采水泵通过水管将待测水样抽离水面，水样进水三通分为两路，一路与沉降池相连；另一路与检测池二相连；
在沉降池中，水样进入与入水口一连接的带孔圆管，经带孔圆管上的孔流出，沿沉降池内壁流下，此时出水口一的电磁阀二处于闭合状态，漏斗底部电磁阀一处于开启状态，水样经带孔圆管流出冲洗沉降池3内壁，从电磁阀一流出；完成沉降池冲洗后，电磁阀一闭合，采水泵持续抽水，沉降池开始蓄水，到达设定时间后，采水泵停止工作；沉降池溢出水由溢流导管排出，防止沉降池水位太高溢出至设备平台，到达预定沉降时间后，颗粒物沉降至沉降池底部，电磁阀二开启，水样由入水口二流入反冲洗过滤器；
流入反冲洗过滤器的水样进入筒体，经滤芯过滤后由出水口二流出；
压力泵将滤芯过滤后的水样由三通电磁阀一抽入检测池一，并蓄水为营养盐检测仪器清洗，蓄水至水位没过营养盐检测仪器的检测窗口后，从三通电磁阀一的第三路排出，再次蓄水成功后营养盐检测仪器开始检测，数据传输与预警模块获得数据，超出正常范围时报警并通知用户；一个检测周期完成后，营养盐检测仪器8停止采集数据，出水口一的电磁阀二闭合，沉降池内部电动叶轮搅拌含沉积物水体，然后沉降池底部电磁阀一开启，沉降池中的污水排出。
同时，压力泵反向抽取检测池一内的水样，水样经三通电磁阀一进入过滤器滤芯，由滤芯内部向外部渗透，冲洗掉滤芯外部的过滤杂质，电磁阀二关闭，反冲洗过滤器底部的电磁阀三打开，反冲洗污水从磁阀三排出，水样反冲洗可防止过滤器滤芯堵塞，反向冲洗完成后，检测池一漏斗底部剩余的水由三通电磁阀一第三路排空；
在检测池二中，首先蓄水为水质传感器清洗，蓄水至水位没过多参数水质传感器的检测窗口后，从三通电磁阀二的第三路排出，再次蓄水成功后多参数水质传感器开始检测，数据传输与预警模块获得数据，超出正常范围时报警并通知用户；一个检测周期完成后，水样从三通电磁阀二的排出。
营养盐数据检测采用多通道在线营养盐监测仪器，仪器根据设定程序控制内部活塞运动，将水样吸入仪器，按国家标准方法自动添加试剂，进行化学试剂显色反应。其他水质参数由多参数水质传感器测定，包括温度，盐度，溶解氧，浊度，叶绿素，化学需氧量等，各检测仪器通过检测仪器支架悬挂在检测池上口内部中间位置，进行长时间连续监测，并通过数据传输与预警模块传输至用户服务器。预警模块通过对检测数据进行比较、分析，对监测水体富营养化、赤潮、水华做出评价，超出正常范围时并报警。
附图说明
图1营养盐自动检测装置结构示意图；
图2沉降池结构示意图；
图3沉降池剖面示意图；
图4反冲洗过滤器结构示意图；
图5检测池结构示意图；
图6监测和预警流程示意图；
图中：1设备平台、2采水泵、3沉降池、4反冲洗过滤器、5压力泵、6检测池一、7检测池二、8营养盐检测仪器、9多参数水质传感器、10数据传输与预警模块、11万向轮、12进水滤网、13水管、14进水三通、15入水口一、16出水口一、17电磁阀一、18电磁阀二、19电动叶轮、20带孔圆管、21防溢圈、22溢流导管、23仪器支撑架、24底盖、25滤芯、26筒体、27电磁阀三、28入水口二、29出水口二、30三通电磁阀一、31三通电磁阀二。
具体实施方式
如图1-5所示，本发明的船载或岸基水体营养盐自动检测和预警装置包括设备平台1、采水泵2、沉降池3、反冲洗过滤器4、压力泵5、检测池一6、检测池二7、营养盐检测仪器8、多参数水质传感器9、数据传输与预警系统10；设备平台1采用框架式工作台结构，用于安装固定整套检测装置的其它组件，其底部安装万向轮，便于挪动搬运；
采水泵2的进水管13深入待检测水面之下；采水泵2的出水管通过进水三通14分为两路，一路与沉降池3相连；另一路与检测池二7相连；沉降池3出水口连接反冲洗过滤器4；反冲洗过滤器4出水口通过压力泵5连接至检测池一6；营养盐检测仪器8通过仪器支撑架23悬挂在检测池一6的中心位置；多参数水质传感器9通过仪器支撑架23悬挂在检测池二7内部中心位置；数据传输与预警模块10分别与营养盐检测仪器8、多参数水质传感器9相连；所述的采水泵2、沉降池3、反冲洗过滤器4、压力泵5、检测池一6、检测池二7均设置在设备平台1上。
优选的，所述的沉降池3为上端圆筒、下端漏斗状结构，漏斗底部设有电磁阀一17，圆筒侧面两侧各设一个开口，其中与采水泵连接的开口为进水口一15，位于沉降池上口位置，另一侧为出水口一16，位于沉降池偏下位置；出水口一16处安装电磁阀二18，沉降池内壁与进水口一16相连处有一圈带孔圆管，其多个开孔位于圆管底部一圈且偏向圆筒内侧方向，；沉降池外侧设有紧贴沉降池外径的环形凹槽状防溢圈，凹槽底部设溢流导管；沉降池上方有一个仪器支撑架23，仪器支撑架上安装电动叶轮19。
优选的，所述的检测池二7和检测池一6结构相同，均为上端圆筒、下端漏斗状结构，漏斗底部为三通电磁阀一30，检测池一6外侧一圈设有一个紧贴检测池外径的环形凹槽状防溢圈21，凹槽底部设溢流导管22。
优选的，所述的反冲洗过滤器包括底盖24、筒体26、滤芯25，底盖侧壁设有入水口二28、出水口二29，入水口二连接沉降池，出水口二连接压力泵5，底盖设有电磁阀三27，为反向冲洗排污口；滤芯25位于筒体26内部；出水口二29通过管路与滤芯25内部空间相连。
优选的，所述的进水管13的进水口设置进水滤网12，避免生物体、漂浮物等较大颗粒物进入。
如图6所示，所述装置的水体营养盐自动检测和预警方法步骤如下：
采水泵2一端深入海洋、湖泊、河流等水面之下，采水泵2通过水管13将待测水样抽离水面，水样进水三通14分为两路，一路与沉降池3相连；另一路与检测池二7相连；
在沉降池3中，水样进入与入水口一15连接的带孔圆管20，经带孔圆管20上的孔流出，沿沉降池3内壁流下，此时出水口一16的电磁阀二18处于闭合状态，漏斗底部电磁阀一17处于开启状态，水样经带孔圆管20流出冲洗沉降池3内壁，从电磁阀一17流出；完成沉降池3冲洗后，电磁阀一17闭合，采水泵2持续抽水，沉降池3开始蓄水，到达设定时间后，采水泵2停止工作；沉降池3溢出水由溢流导管22排出，防止沉降池3水位太高溢出至设备平台1，到达预定沉降时间后，颗粒物沉降至沉降池3底部，电磁阀二18开启，水样由入水口二28流入反冲洗过滤器4；
流入反冲洗过滤器4的水样进入筒体26，经滤芯25过滤后由出水口二29流出；
压力泵5将滤芯25过滤后的水样由三通电磁阀一30抽入检测池一6，并蓄水为营养盐检测仪器8清洗，蓄水至水位没过营养盐检测仪器8的检测窗口后，从三通电磁阀一30的第三路排出，再次蓄水成功后营养盐检测仪器8开始检测，数据传输与预警模块10获得数据，超出正常范围时报警并通知用户；一个检测周期完成后，营养盐检测仪器8停止采集数据，出水口一16的电磁阀二18闭合，沉降池3内部电动叶轮19搅拌含沉积物水体，然后沉降池3底部电磁阀一17开启，沉降池3中的污水排出。
同时，压力泵5反向抽取检测池一6内的水样，水样经三通电磁阀一30进入过滤器滤芯25，由滤芯25内部向外部渗透，冲洗掉滤芯25外部的过滤杂质，电磁阀二18关闭，反冲洗过滤器4底部的电磁阀三27打开，反冲洗污水从磁阀三27排出，水样反冲洗可防止过滤器滤芯25堵塞，反向冲洗完成后，检测池一6漏斗底部剩余的水由三通电磁阀一30第三路排空；
在检测池二7中，首先蓄水为水质传感器9清洗，蓄水至水位没过多参数水质传感器9的检测窗口后，从三通电磁阀二31的第三路排出，再次蓄水成功后多参数水质传感器9开始检测，数据传输与预警模块10获得数据，超出正常范围时报警并通知用户；一个检测周期完成后，水样从三通电磁阀二31的排出。
海水中富营养化状况评价模型采用富营养化指数法，计算公式为：
E＝(CCOD×CDIN×CDIP×106)/4500(1)
其中，
E：富营养化指数；
CCOD：化学需氧量浓度，单位为mg/L；
CDIN：无机氮浓度，即亚硝酸盐-氮(NO2-N)、硝酸盐-氮(NO3-N)、氨-氮(NH4-N)浓度的总和，单位均为mg/L；
CDIP：活性磷酸盐浓度，单位为mg/L。
当E<1时，水体处于非富营养化状态，预警模块10不发出警报；
当1≤E≤3时，水体处于轻度富营养化，数据传输与预警模块10发出黄色轻度富营养化警报；
当3<E≤9时，水体处于中度富营养化，数据传输与预警模块10发出橙色中度富营养化警报；
当E>9时，水体处于重度富营养化，数据传输与预警模块10发出红色重度富营养化警报。
湖泊富营养化评价采用数学模式判断法，当[化学耗氧量(mg/L)×无机磷(ppm)×无机氮(ppm)/1500]≥l时水体达到富营养化状态，数据传输与预警模块10发出红色富营养化警报。
赤潮或水华的发生受到营养盐、光照、温度、盐度、溶解氧、浊度等因素的综合影响，根据邹景忠(1983)，张水浸等人(1994)的研究，取pH>8.22或溶解氧饱和度>110％或叶绿素>10mg/L为赤潮阈值，数据传输与预警模块10进行比较分析，监测数据达到任意其中一个阈值时，发出赤潮或水华的蓝色预警。
Claims (2)
1.一种船载或岸基水体营养盐自动检测和预警装置的水体营养盐自动检测和预警方法，其特征在于，所述的装置包括设备平台（1）、采水泵（2）、沉降池（3）、反冲洗过滤器（4）、压力泵（5）、检测池一（6）、检测池二（7）、营养盐检测仪器（8）、多参数水质传感器（9）、数据传输与预警模块（10）；
采水泵（2）的进水管（13）深入待检测水面之下；采水泵（2）的出水管通过进水三通（14）分为两路，一路与沉降池（3）相连；另一路与检测池二（7）相连；沉降池（3）出水口连接反冲洗过滤器（4）；反冲洗过滤器（4）出水口通过压力泵（5）连接至检测池一（6）；营养盐检测仪器（8）通过仪器支撑架（23）悬挂在检测池一（6）的中心位置；多参数水质传感器（9）通过仪器支撑架（23）悬挂在检测池二（7）内部中心位置；数据传输与预警模块（10）分别与营养盐检测仪器（8）、多参数水质传感器（9）相连；所述的采水泵（2）、沉降池（3）、反冲洗过滤器（4）、压力泵（5）、检测池一（6）、检测池二（7）均设置在设备平台（1）上；
所述的沉降池（3）为上端圆筒、下端漏斗状结构，漏斗底部设有电磁阀一（17），圆筒侧面两侧各设一个开口，其中与采水泵连接的开口为进水口一（15），位于沉降池上口位置，另一侧为出水口一（16），位于沉降池偏下位置；出水口一（16）处安装电磁阀二（18），沉降池内壁与进水口一（15）相连处有一圈带孔圆管，其多个开孔位于圆管底部一圈且偏向圆筒内侧方向；沉降池外侧设有紧贴沉降池外径的环形凹槽状防溢圈（21），凹槽底部设溢流导管（22）；沉降池上方有一个仪器支撑架（23），仪器支撑架上安装电动叶轮（19）；
所述的检测池二（7）和检测池一（6）结构相同，均为上端圆筒、下端漏斗状结构，漏斗底部为三通电磁阀，检测池外侧一圈设有一个紧贴检测池外径的环形凹槽状防溢圈（21），凹槽底部设溢流导管（22）；
所述的反冲洗过滤器包括底盖（24）、筒体（26）、滤芯（25），底盖侧壁设有入水口二（28）、出水口二（29），入水口二连接沉降池，出水口二连接压力泵（5），底盖设有电磁阀三（27），为反向冲洗排污口；滤芯（25）位于筒体（26）内部；出水口二（29）通过管路与滤芯（25）内部空间相连；
所述装置的水体营养盐自动检测和预警方法，步骤如下：
采水泵（2）通过水管（13）将待测水样抽离水面，水样进水三通（14）分为两路，一路与沉降池（3）相连；另一路与检测池二（7）相连；
在沉降池（3）中，水样进入与入水口一（15）连接的带孔圆管（20），经带孔圆管（20）上的孔流出，沿沉降池（3）内壁流下，此时出水口一（16）的电磁阀二（18）处于闭合状态，漏斗底部电磁阀一（17）处于开启状态，水样经带孔圆管（20）流出冲洗沉降池（3）内壁，从电磁阀一（17）流出；完成沉降池（3）冲洗后，电磁阀一（17）闭合，采水泵（2）持续抽水，沉降池（3）开始蓄水，到达设定时间后，采水泵（2）停止工作；沉降池（3）溢出水由溢流导管（22）排出，防止沉降池（3）水位太高溢出至设备平台（1），到达预定沉降时间后，颗粒物沉降至沉降池（3）底部，电磁阀二（18）开启，水样由入水口二（28）流入反冲洗过滤器（4）；
流入反冲洗过滤器（4）的水样进入筒体（26），经滤芯（25）过滤后由出水口二（29）流出；
压力泵（5）将滤芯（25）过滤后的水样由三通电磁阀一（30）抽入检测池一（6），并蓄水为营养盐检测仪器（8）清洗，蓄水至水位没过营养盐检测仪器（8）的检测窗口后，从三通电磁阀一（30）的第三路排出，再次蓄水成功后营养盐检测仪器（8）开始检测，数据传输与预警模块（10）获得数据，超出正常范围时报警并通知用户；一个检测周期完成后，营养盐检测仪器（8）停止采集数据，出水口一（16）的电磁阀二（18）闭合，沉降池（3）内部电动叶轮（19）搅拌含沉积物水体，然后沉降池（3）底部电磁阀一（17）开启，沉降池（3）中的污水排出；
同时，压力泵（5）反向抽取检测池一（6）内的水样，水样经三通电磁阀一（30）进入过滤器滤芯（25），由滤芯（25）内部向外部渗透，冲洗掉滤芯（25）外部的过滤杂质，电磁阀二（18）关闭，反冲洗过滤器（4）底部的电磁阀三（27）打开，反冲洗污水从磁阀三（27）排出，水样反冲洗可防止过滤器滤芯（25）堵塞，反向冲洗完成后，检测池一（6）漏斗底部剩余的水由三通电磁阀一（30）第三路排空；
在检测池二（7）中，首先蓄水为水质传感器（9）清洗，蓄水至水位没过多参数水质传感器（9）的检测窗口后，从三通电磁阀二（31）的第三路排出，再次蓄水成功后多参数水质传感器（9）开始检测，数据传输与预警模块（10）获得数据，超出正常范围时报警并通知用户；一个检测周期完成后，水样从三通电磁阀二（31）的排出。
2.根据权利要求1所述的水体营养盐自动检测和预警方法，其特征在于所述的进水管（13）的进水口设置进水滤网（12）。
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