CN111213537B - 一种基于5g网络的干旱区生态修复控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于5G网络的干旱区生态修复控制系统及控制方法，包括降雨监测模块、5G通信模块、云端处理系统、水沙过滤板控制模块等；把进行生态修复的区域划分成若干个小区域，在每个小区域布置降雨监测模块，降雨监测模块可以获取某一周期内每个小区域的降雨量数据；每个小区域布置5G通信模块，5G通信模块可以将降雨量数据传递给云端处理系统；云端处理系统可以传递指令控制水沙过滤板控制模块，水沙过滤板控制模块可以调节水沙过滤板的单位长度渗透流量或长度实现水的分离沉淀，增强生态修复的可靠性。

Description

一种基于5G网络的干旱区生态修复控制系统及控制方法

技术领域

本发明属于智能控制系统领域、水的分离沉淀领域、生态环境领域，具体涉及一种基于5G网络的干旱区生态修复控制系统及控制方法。

背景技术

干旱区降雨少，同时该地区受季风气候影响，降水集中，而且多为暴雨；暴雨形成含沙径流，对地表冲刷严重，导致干旱地区植被覆盖率低，被冲刷后的土地形成千沟万壑，其中沟道侵蚀汇聚大量的泥沙，会导致严重的水土流失，同时沟道侵蚀会切削坡脚，影响边坡的稳定性。含沙径流的水分离和泥沙沉淀如果无法解决，会加剧水土流失，而水土流失又破坏植被生长，形成恶性循环。所以，干旱区的生态修复工作及艰难又复杂。

现有技术中，传统的生态修复拦挡坝存在施工周期长、建造费用高及建成后使用年限短等缺点，尤其不适用于上游径流分散的小沟道。同时由于干旱区人烟稀少，生态修复区域面积广，难以实现智能化控制管理。另一方面，采用柔性措施直接在沟道内种植植物，雨季径流冲刷会导致植物被冲倒，旱季植物容易缺水而死，无法实现智能化调控，不能科学管理植物生长，因此，效果不佳。

发明内容

本发明的目的在于：针对现有技术存在的问题，提供一种基于5G网络的干旱区生态修复控制系统及控制方法。其能够通过基于5G网络的智能化控制系统，实现干旱区沟道的含沙水流的水分离和泥沙沉淀，减缓沟道冲刷，将雨水储存起来供养植物达到生态环境修复的目的。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种基于5G网络的干旱区生态修复控制系统，包括降雨监测模块、5G通信模块、云端处理系统、沟槽、透水盲沟、水沙过滤板、水沙过滤板控制模块；

将干旱区划分成若干个小区域，在每个小区域均布置降雨监测模块，降雨监测模块用于获取某一周期内每个小区域的降雨量数据；

每个小区域均布置5G通信模块，5G通信模块用于将降雨监测模块获取的降雨量数据传递给云端处理系统；

所述云端处理系统用于传递指令控制水沙过滤板控制模块，所述水沙过滤板控制模块用于调节水沙过滤板的长度或单位长度渗透流量，具体为所述的调节水沙过滤板的单位长度渗透流量是通过水沙过滤板控制模块控制电动机改变水沙过滤板的孔隙大小来改变水沙过滤板的单位长度渗透流量，所述的调节水沙过滤板的长度是通过关闭或打开一部分水沙过滤板的孔隙，改变使其发挥作用的长度来调节水沙过滤板的长度；所述水沙过滤板的长度或单位长度渗透流量的计算过程如下：

S1：采集或计算沟道过水断面的沟底宽度、沟道两侧边坡的坡角、沟道底线与水平线夹角、沟道糙率的数据；

S2：根据降雨量数据计算沟道的径流流量，得到流过沟道的径流的水面高度；

S3：建立基于沟底宽度、沟道两侧边坡的坡角、沟道底线与水平线夹角、沟道糙率、水面高度的水沙过滤板的长度或单位长度渗透流量计算模型：具体如下：

其中，b为沟底宽度，单位为m，L₀为水沙过滤板的长度，单位为m，h为水面高度，单位为m，α为沟道两侧边坡的坡角，β为沟道底线与水平线夹角，n为沟道糙率，R为水力半径，单位为m，q为单位长度水沙过滤板的渗透流量，单位为m²/s，数值q由实验测得；

根据水沙过滤板的长度或单位长度渗透流量计算模型，在保证水沙过滤板的长度不变时，得到满足计算模型的水沙过滤板的单位长度渗透流量；保证水沙过滤板的单位长度渗透流量不变时，得到满足计算模型的水沙过滤板的长度；

所述沟槽位于小区域的沟道内，沟槽内回填营养土，营养土上方设置水沙过滤板，水沙过滤板上方设置透水盲沟；植物种植在沟槽内。

进一步地，所述的植物采用灌木植物，植物露在地表的部分套有保护套。

进一步地，所述的保护套为预制混凝土构件。

进一步地，所述的水沙过滤板下方设置砂卵石层，砂卵石层的单位长度渗透流量大于水沙过滤板的最大单位长度渗透流量。

进一步地，所述的透水盲沟表面包裹土工布或土工膜。

一种基于5G网络的干旱区生态修复控制系统的控制方法，基于权利要求1-5任意一项的基于5G网络的干旱区生态修复控制系统实现，包括如下步骤：

（1）将干旱区划分为若干个小区域，每个小区域设置降雨监测模块、5G通信模块，在小区域的沟道内开挖沟槽；

（2）向沟道内回填营养土，在营养土中栽培植物后，在营养土上方铺设沙卵石层，在沙卵石层上方铺设水沙过滤板，在水沙过滤板上方铺设透水盲沟，在植物上套上保护套；

（3）将水沙过滤板控制模块与水沙过滤板连接，水沙过滤板控制模块控制水沙过滤板；

（4）降雨发生后，降雨监测模块监测到降雨数据通过5G通信模块将数据传递给云端处理系统，云端处理系统结合沟道地形参数计算径流数据，径流数据通过5G通信模块传输给水沙过滤板控制模块，水沙过滤板控制模块根据径流数据计算得出需要的水沙过滤板的长度或单位长度渗透流量；保证降雨形成的径流流过沟槽后，水下泄到沟槽内并储存，泥沙淤积在沟槽上；

（5）径流结束后，水沙过滤板控制模块调节水沙过滤板的长度或单位长度渗透流量，保证沟槽内的水分不被蒸发。

本发明的有益效果如下：

（1）本发明通过监测各个小区域降雨数据，计算径流数据，通过5g网络及时传递并分析数据，经过云端处理器计算分析，以此控制水沙过滤板的单位长度渗透流量，改变其单位长度渗透流量，使水下泄到沟槽内并储存，泥沙淤积在沟槽上，储存水可以为植物生长提供保证，同时沟道内泥沙被分离淤积，减小沟道坡率，减缓沟道受到侵蚀冲刷，保证生态修复的可靠性。

（2）本发明的通过水沙过滤板的单位长度渗透流量或长度的计算方法，保证水沙过滤板的单位长度渗透流量或长度可以随径流大小变化及时调整，径流过后及时改变渗透系数，防止储存的水分被蒸发，保证植物生长供应的稳定性。

（3）本发明的植物设有保护套，保护植物免受径流冲击，保护了植物生长，同时，保护套可以起到稳固泥沙的作用，防止水土流失破环生态，加强了生态修复的可靠性。

附图说明

图1是本发明实施例1提供的一种基于5G网络的干旱区生态修复控制系统的结构示意图。

图2是本发明实施例1提供的一种基于5G网络的干旱区生态修复控制系统的透水盲沟的横断面示意图。

图3是本发明实施例1提供的一种基于5G网络的干旱区生态修复控制系统的水沙过滤板的俯视图。

图4是本发明实施例2提供的一种基于5G网络的干旱区生态修复控制系统的控制方法中改变水沙过滤板渗透流量的示意图。

图5是本发明实施例2提供的一种基于5G网络的干旱区生态修复控制系统的控制方法中改变水沙过滤板长度的示意图。

图6是本发明实施例3提供的一种基于5G网络的干旱区生态修复控制系统的水沙过滤板的单位长度渗透流量或长度的计算方法中的水沟过水断面示意图。

图7是本发明实施例3提供的一种基于5G网络的干旱区生态修复控制系统的水沙过滤板的单位长度渗透流量或长度的计算方法的计算示意图。

图标：1-沟道；2-营养土；3-砂卵石层；4-水沙过滤板；41-孔隙；5-透水盲沟；51-土工布；6-植物；7-保护套；8-泥沙；9-水沙过滤板控制模块；10-5G通信模块；11-沟槽。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作详细的说明。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

如图1-3所示，一种基于5G网络的干旱区生态修复控制系统，包括降雨监测模块、5G通信模块10、云端处理系统、沟槽11、透水盲沟5、水沙过滤板4、水沙过滤板控制模块9；

将干旱区需要进行生态修复的区域划分成若干个小区域，在每个小区域布置降雨监测模块，降雨监测模块可以获取某一周期内每个小区域的降雨量数据；

每个小区域布置5G通信模块10，5G通信模块10可以将降雨量数据传递给云端处理系统；

云端处理系统可以传递指令控制水沙过滤板控制模块9，水沙过滤板控制模块9可以调节水沙过滤板4的长度或单位长度渗透流量；

在小区域的沟道1内开挖沟槽11，沟槽11内回填营养土2，营养土2上方设置水沙过滤板4，水沙过滤板4上方设置透水盲沟5；植物6种植在沟槽11内。

作为本发明的优选方案，水沙过滤板控制模块9控制电动机改变水沙过滤板4的孔隙41大小来改变水沙过滤板4的长度或单位长度渗透流量。

作为本发明的优选方案，改变水沙过滤板4的长度通过关闭或打开一部分水沙过滤板的孔隙41，改变使其发挥作用的长度来调节水沙过滤板4的长度。

作为本发明的优选方案，植物6采用灌木植物，植物露在地表的部分套有保护套7。

作为本发明的优选方案，保护套7为预制混凝土构件。

作为本发明的优选方案，水沙过滤板4下方设置砂卵石层3，砂卵石层3的单位长度渗透流量大于水沙过滤板4的最大单位长度渗透流量。

作为本发明的优选方案，透水盲沟5表面包裹土工布51或土工膜。

实施例2

如图1-5所示，一种基于5G网络的干旱区生态修复控制系统及控制方法，包括如下步骤：

（1）将干旱区划分为若干个小区域，每个小区域设置降雨监测模块、5G通信模块10，在小区域的沟道1内开挖沟槽11；

（2）向沟道1的沟槽11内回填一定量营养土2，在营养土2中栽培植物6后，在营养土2上方铺设沙卵石层3，在沙卵石层3上方铺设水沙过滤板4，在水沙过滤板4上方铺设透水盲沟5，在植物6上套上保护套7；

（3）将水沙过滤板控制模块9与水沙过滤板4连接，水沙过滤板控制模块9控制水沙过滤板4；

（4）降雨发生后，降雨监测模块监测到降雨数据通过5G通信模块10将数据传递给云端处理系统，云端处理系统结合沟道地形参数计算径流数据，径流数据通过5G通信模块10传输给水沙过滤板控制模块9，水沙过滤板控制模块9根据径流数据计算得出需要的水沙过滤板4的长度或单位长度渗透流量；保证降雨形成的径流流过沟槽11后，水下泄到沟槽11内并储存，泥沙8淤积在沟槽上；

（5）径流结束后，水沙过滤板控制模块9调节水沙过滤板4的长度或单位长度渗透流量，保证沟槽11内的水分不被蒸发。

实施例3

如图6所示，本发明还提供一种基于5G网络的干旱区生态修复控制系统的水沙过滤板的单位长度渗透流量或长度的计算方法，用于保证上述的基于5G网络的干旱区生态修复控制系统能够储存降雨形成的水，雨后沟槽11的水不被蒸发，包括如下步骤：

S1：采集或计算沟道过水断面的沟底宽度、沟道两侧边坡的坡角、沟道底线与水平线夹角、沟道糙率的数据；

S2：根据降雨数据计算的径流流量，求出流过沟道1的径流的水面高度；

S3：建立基于沟底宽度、沟道两侧边坡的坡角、沟道底线与水平线夹角、沟道糙率、水面高度的水沙过滤板的长度或单位长度渗透流量计算模型：

其中，b为沟底宽度，单位为m，L₀为水沙过滤板的长度，单位为m，h为水面高度，单位为m，α为沟道两侧边坡的坡角，β为沟道底线与水平线夹角，单位为度，n为沟道糙率，R为水力半径，单位为m，q为单位长度水沙过滤板的渗透流量，单位为m²/s，数值q由实验测得。

具体计算过程为：

假定沟道水流为明渠均匀流，且沟道1的过水断面为梯形断面，设沟底宽度为b，水沙过滤板的长度为L₀，水沙过滤板对应水平线长度为L，水面高度为h，沟道两侧边坡的坡角为α，沟道底线与水平线夹角为β。

梯形断面的面积为：

湿周为：

水力半径为：

根据恒定流连续方程与适用于明渠均匀流的谢才公式：

其中，i为沟道坡率，g为重力加速度，求解谢才系数：

式中，n为沟道糙率，R为水力半径。

沟道水流流过水沙过滤板的区水头损失为：

令流量模数为：

由L0和L的关系可得：

如图7所示，在距离水沙过滤板的起点A距离为x的C点断面处，流量为：

式中，q为单位长度水沙过滤板的的渗透流量，数值由实验测的。

由于沟道径流沿沟道不断变化，水流属于变量流且是非均匀流，但是在微小流段dx内，认为流量不变，并且当作均匀流考虑。可以求出在dx流段内的沿程水头损失为：

如图7所示，将微小流段的水头损失对整个水沙过滤板的段进行积分，可以得到全部水沙过滤板的A到B的沿程水头损失：

当沟道径流流到B点时水流全部下渗，即Q=0，可得：

由此可以得出水沙过滤板长度和单位长度渗透流量的模型为：

根据得到的计算模型，在保证水沙过滤板的长度不变时，可以求出满足计算模型的水沙过滤板的单位长度渗透流量；在保证水沙过滤板的单位长度渗透流量不变时，可以求出满足计算模型的水沙过滤板的长度。

上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于5G网络的干旱区生态修复控制系统，其特征在于，包括降雨监测模块、5G通信模块、云端处理系统、沟槽、透水盲沟、水沙过滤板、水沙过滤板控制模块；

将干旱区划分成若干个小区域，在每个小区域均布置降雨监测模块，降雨监测模块用于获取某一周期内每个小区域的降雨量数据；

每个小区域均布置5G通信模块，5G通信模块用于将降雨监测模块获取的降雨量数据传递给云端处理系统；

所述云端处理系统用于传递指令控制水沙过滤板控制模块，所述水沙过滤板控制模块用于调节水沙过滤板的长度或单位长度渗透流量，具体为所述的调节水沙过滤板的单位长度渗透流量是通过水沙过滤板控制模块控制电动机改变水沙过滤板的孔隙大小来改变水沙过滤板的单位长度渗透流量，所述的调节水沙过滤板的长度是通过关闭或打开一部分水沙过滤板的孔隙，改变使其发挥作用的长度来调节水沙过滤板的长度；所述水沙过滤板的长度或单位长度渗透流量的计算过程如下：

S1：采集或计算沟道过水断面的沟底宽度、沟道两侧边坡的坡角、沟道底线与水平线夹角、沟道糙率的数据；

S2：根据降雨量数据计算沟道的径流流量，得到流过沟道的径流的水面高度；

S3：建立基于沟底宽度、沟道两侧边坡的坡角、沟道底线与水平线夹角、沟道糙率、水面高度的水沙过滤板的长度或单位长度渗透流量计算模型：具体如下：

其中，b为沟底宽度，单位为m，L₀为水沙过滤板的长度，单位为m，h为水面高度，单位为m，α为沟道两侧边坡的坡角，β为沟道底线与水平线夹角，n为沟道糙率，R为水力半径，单位为m，q为单位长度水沙过滤板的渗透流量，单位为m²/s，数值q由实验测得；

根据水沙过滤板的长度或单位长度渗透流量计算模型，在保证水沙过滤板的长度不变时，得到满足计算模型的水沙过滤板的单位长度渗透流量；保证水沙过滤板的单位长度渗透流量不变时，得到满足计算模型的水沙过滤板的长度；

所述沟槽位于小区域的沟道内，沟槽内回填营养土，营养土上方设置水沙过滤板，水沙过滤板上方设置透水盲沟；植物种植在沟槽内。

2.根据权利要求1所述的一种基于5G网络的干旱区生态修复控制系统，其特征在于，所述的植物采用灌木植物，植物露在地表的部分套有保护套。

3.根据权利要求2所述的一种基于5G网络的干旱区生态修复控制系统，其特征在于，所述的保护套为预制混凝土构件。

4.根据权利要求1所述的一种基于5G网络的干旱区生态修复控制系统，其特征在于，所述的水沙过滤板下方设置砂卵石层，砂卵石层的单位长度渗透流量大于水沙过滤板的最大单位长度渗透流量。

5.根据权利要求1所述的一种基于5G网络的干旱区生态修复控制系统，其特征在于，所述的透水盲沟表面包裹土工布或土工膜。

6.一种基于5G网络的干旱区生态修复控制系统的控制方法，其特征在于，基于权利要求1-5任意一项的基于5G网络的干旱区生态修复控制系统实现，包括如下步骤：

（1）将干旱区划分为若干个小区域，每个小区域设置降雨监测模块、5G通信模块，在小区域的沟道内开挖沟槽；

（2）向沟道内回填营养土，在营养土中栽培植物后，在营养土上方铺设沙卵石层，在沙卵石层上方铺设水沙过滤板，在水沙过滤板上方铺设透水盲沟，在植物上套上保护套；

（3）将水沙过滤板控制模块与水沙过滤板连接，水沙过滤板控制模块控制水沙过滤板；

（4）降雨发生后，降雨监测模块监测到降雨数据通过5G通信模块将数据传递给云端处理系统，云端处理系统结合沟道地形参数计算径流数据，径流数据通过5G通信模块传输给水沙过滤板控制模块，水沙过滤板控制模块根据径流数据计算得出需要的水沙过滤板的长度或单位长度渗透流量；保证降雨形成的径流流过沟槽后，水下泄到沟槽内并储存，泥沙淤积在沟槽上；

（5）径流结束后，水沙过滤板控制模块调节水沙过滤板的长度或单位长度渗透流量，保证沟槽内的水分不被蒸发。

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