CN111579738A - 一种浮标式水质监测设备、污染监测及溯源系统、方法 - Google Patents

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王酉
李光
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Abstract

本发明公开了一种浮标式水质监测设备、污染监测及溯源系统、方法。该水质监测设备包括浮标本体，所述浮标本体顶部设有太阳能板，所述浮标本体下表面中部设有防水盒，所述防水盒内设有中央处理单元、蓄电池、数据采集模块、无线通信模块和GPS定位模块，所述浮标本体下表面外侧设有若干个用于监测水质参数的传感器，所述浮标本体外侧设有防撞橡胶圈，所述太阳能板与蓄电池电连接，所述中央处理单元分别与蓄电池、无线通信模块和GPS定位模块电连接，所述数据采集模块分别与中央处理单元和传感器电连接。本发明用于对河道、湖泊等地水质信息的在线实时监测，通过采集的水质数据判断当前水质是否污染超标，便于及时采取解决措施。

Description

一种浮标式水质监测设备、污染监测及溯源系统、方法
技术领域
本发明涉及水质监测技术领域，尤其涉及一种浮标式水质监测设备、污染监测及溯源系统、方法。
背景技术
随着经济的飞速发展，工业化水平的提高，工业污水对环境的污染日益加剧，环境污染事故的发生也多为工业污水事故，为了有效改善水质，国家每年投入资金近千亿元。工业污水排放具有排放量大，污染范围广，排放方式复杂，污染物种类繁多等特点，因此对污水的检测具有十分重要的意义。
污水对环境的污染日益加剧，改善水质、保护水源的呼声越来越高，污水处理是为使污水达到排水某一水体或再次使用的水质要求对其进行净化的过程。污水处理被广泛应用在建筑、农业、交通、能源、石化、环保、城市景观、医疗、餐饮等各个领域，也越来越多地走进人们的日常生活。目前，污水检测设备的结构一般都是比较复杂，价格十分昂贵，不适合在村镇地区使用。
超标污水非法偷排的问题在我国比较严重，已对生态环境构成了严重的污染和伤害。加强对超标污水偷排现象的有效监管、污染物溯源和追责，是一项十分艰巨的任务。只有很好的实现污染溯源，才可以及时切断污染源，防止污染情况进一步恶化，追究排污企业责任，防止再次非法排放。目前针对污水处理厂的水质监测大多采用定期实验室分析，但是此种方法耗费人力物力，并且不能及时地对污水进行检测。发生污水事故处理效率较慢，滞后性较大。
目前的水污染溯源技术，主要是在事故发生后采集被污染的下游水样和上游涉污企业排污口的水样，对这样水样进行检测分析，对检测结果进行分析对比，以实现对污染源的排查和追溯，找到违规排污的责任方。若上游的涉污企业比较多，怀疑面广，则要进行的污染溯源工作量大，耗费时间精力大，不能及时的进行污染源排查、污染源溯源工作，不能及时有效防治污染事故。
发明内容
本发明为了解决上述技术问题，提供了一种浮标式水质监测设备、污染监测及溯源系统、方法，其用于对河道、湖泊等地水质信息的在线实时监测，通过采集的水质数据判断当前水质是否污染超标，便于及时采取解决措施，具有结构简单、方便实用，易于维护的特点。
为了解决上述问题，本发明采用以下技术方案予以实现：
本发明的一种浮标式水质监测设备，包括浮标本体，所述浮标本体顶部设有太阳能板，所述浮标本体下表面中部设有防水盒，所述防水盒内设有中央处理单元、蓄电池、数据采集模块、无线通信模块和GPS定位模块，所述浮标本体下表面外侧设有若干个用于监测水质参数的传感器，所述浮标本体外侧设有防撞橡胶圈，所述太阳能板与蓄电池电连接，所述中央处理单元分别与蓄电池、无线通信模块和GPS定位模块电连接，所述数据采集模块分别与中央处理单元和传感器电连接。
在本方案中，太阳能板将太阳能转换为电能给蓄电池充电，蓄电池给浮标式水质监测设备供电。浮标本体漂浮在河道、湖泊等水面上，传感器的探头伸至浮标本体水位线以下保持一定深度，传感器监测水质数据，中央处理单元通过数据采集模块采集传感器监测的数据，通过无线通信模块发送到云平台服务器。无线通信模块为WIFI模块、蓝牙模块、3G模块或4G模块。
防撞橡胶圈位于浮标本体水位线处防止船体等碰撞毁坏设备，GPS定位模块用于定位浮标式水质监测设备当前位置，当浮标式水质监测设备脱离预设范围，通过无线通信模块向云平台服务器报警。
作为优选，所述浮标本体下表面外缘设有环形筛网，所述传感器位于环形筛网内侧。环形筛网能够防止水中杂物如石块、水草等对传感器造成影响，提高传感器工作寿命。
作为优选，所述若干个用于监测水质参数的传感器为pH传感器、溶解氧传感器、色度传感器、浊度传感器、电导率传感器、温度传感器、COD传感器、氨氮传感器、光谱分析仪中的一种或多种。
作为优选，所述浮标本体上还设有光控闪烁警示灯，所述光控闪烁警示灯与蓄电池电连接。光控闪烁警示灯在黑暗环境下开启，提示往来船只等。
作为优选，所述防水盒呈圆柱状。
作为优选，传感器头部设有超声波清洗模块，所述超声波清洗模块与中央处理单元电连接。通过超声波清洗模块产生震动实现定时清洗传感器功能。
本发明的一种污染监测及溯源系统，包括云平台服务器和若干个上述的一种浮标式水质监测设备。
将多个浮标式水质监测设备设置在河道、湖泊的不同位置，就能够自动监测不同位置的水质情况。
本发明的一种污染监测及溯源方法，河流内各个水质采集点设置有浮标式水质监测设备，包括以下步骤：
各个浮标式水质监测设备采集其所在位置的水质数据，并将其发送到云平台服务器；
云平台服务器分析接收到的水质数据，当某个浮标式水质监测设备采集的水质数据异常时，判断存在水质污染，并计算污染源所在位置；
计算污染源所在位置的方法包括以下步骤：
S1：建立各个浮标式水质监测设备对应的水质模型；
建立某个浮标式水质监测设备对应的水质模型的方法如下：
S11：河流中某处污染物对流扩散方程为：
Figure BDA0002261404300000041
由对流扩散方程解得，
Figure BDA0002261404300000042
其中，C为污染物当前位置的水质数值，t为时间，x为污染物所处位置，α是湍流扩散系数，K为污染物衰减系数，u为河流流速，M为该浮标式水质监测设备采集到的水质数值；
S12：将该浮标式水质监测设备采集到的水质数值M代入公式(2)，得到计算值与观测值的差距
Figure BDA0002261404300000051
S13：采用梯度下降法得到瞬时污染源的排放强度，优化求解得到参数α、K；
S14：将优化后的参数α、K代入公式(2)，将该浮标式水质监测设备采集到的水质数值M再次代入公式(2)，计算出L，判断L是否小于ε，如果是则将公式(2)作为该浮标式水质监测设备对应的水质模型，否则执行步骤S13；
S2：比较各个浮标式水质监测设备采集到的水质数值，找出水质数值最大的浮标式水质监测设备，采用该水质数值最大的浮标式水质监测设备对应的水质模型计算其下游距离其最近的浮标式水质监测设备所在位置的理论水质数值，比较该理论水质数值与对应位置的浮标式水质监测设备采集的实际水质数值，如果实际水质数值＜理论水质数值，则污染源位于水质数值最大的浮标式水质监测设备与其上游距离其最近的浮标式水质监测设备之间；如果实际水质数值＞理论水质数值，则污染源位于水质数值最大的浮标式水质监测设备与其下游距离其最近的浮标式水质监测设备之间；如果实际水质数值＝理论水质数值，则污染源位于水质数值最大的浮标式水质监测设备处。
在本方案中，河流内各个水质采集点设置有浮标式水质监测设备，当水质数据异常时判断存在污染，此时数值数据数值最大的浮标式水质监测设备肯定距离污染源最近，然后再去判断污染源是在该浮标式水质监测设备的上游还是下游。如果污染源在该浮标式水质监测设备的下游，在该浮标式水质监测设备下游的最近浮标式水质监测设备实际检测到的水质数值会大于理论水质数值。
本发明的有益效果是：(1)本设备具有浮标式结构特点，适用于河道、湖泊、海洋等地方监测，采用太阳能供电，更加环保，便于安装投放，适用范围广。(2)数据采集模块实时采集数据，无线通信模块将采集到的水质数据通过无线传输至服务器，由后台进行数据的储存、分析，并进行污染报警等具体功能，从而实现远程在线监控。(3)实现了基于云平台的污染溯源，能对污染的快速排查，精准定位，减少工作量。(4)全自动实时在线监测，无需工作人员操作，只需定期维护，大大减少抽样监测部分工作，提高工作效率，使用方便，结构设计更好地保护设备，提高了设备的使用寿命，保证采集数据的准确性，适用于大规模的推广应用。
附图说明
图1是实施例的结构示意图；
图2是传感器的结构示意图；
图3是实施例的电路原理连接框图；
图4是实施例的污染监测及溯源方法的网点图。
图中：1、浮标本体，2、太阳能板，3、防水盒，4、中央处理单元，5、蓄电池，6、数据采集模块，7、无线通信模块，8、GPS定位模块，9、传感器，10、防撞橡胶圈，11、环形筛网，12、光控闪烁警示灯。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
实施例：本实施例的一种浮标式水质监测设备，如图1、图2、图3所示，包括浮标本体1，浮标本体1顶部设有太阳能板2，浮标本体1下表面中部设有防水盒3，防水盒3呈圆柱状，防水盒3内设有中央处理单元4、蓄电池5、数据采集模块6、无线通信模块7和GPS定位模块8，浮标本体1下表面外侧设有九个用于监测水质参数的传感器9，九个传感器9分别为pH传感器、溶解氧传感器、色度传感器、浊度传感器、电导率传感器、温度传感器、COD传感器、氨氮传感器、光谱分析仪，浮标本体1外侧设有防撞橡胶圈10，浮标本体1下表面外缘设有环形筛网11，传感器9位于环形筛网11内侧，太阳能板2与蓄电池5电连接，中央处理单元4分别与蓄电池5、无线通信模块7和GPS定位模块8电连接，数据采集模块6分别与中央处理单元4和传感器9电连接。
在本方案中，太阳能板将太阳能转换为电能给蓄电池充电，蓄电池给浮标式水质监测设备供电。浮标本体漂浮在河道、湖泊等水面上，传感器的探头伸至浮标本体水位线以下保持一定深度，传感器监测水质数据，中央处理单元通过数据采集模块采集传感器监测的数据，通过无线通信模块发送到云平台服务器。无线通信模块为WIFI模块、蓝牙模块、3G模块或4G模块。
防撞橡胶圈位于浮标本体水位线处防止船体等碰撞毁坏设备，GPS定位模块用于定位浮标式水质监测设备当前位置，当浮标式水质监测设备脱离预设范围，通过无线通信模块向云平台服务器报警。环形筛网能够防止水中杂物如石块、水草等对传感器造成影响，提高传感器工作寿命。
浮标本体1上还设有光控闪烁警示灯12，光控闪烁警示灯12与蓄电池5电连接。光控闪烁警示灯在黑暗环境下开启，提示往来船只等。
传感器9头部设有超声波清洗模块，超声波清洗模块与中央处理单元4电连接。通过超声波清洗模块产生震动实现定时清洗传感器功能。
本实施例的一种污染监测及溯源系统，包括云平台服务器和若干个上述的一种浮标式水质监测设备。
将多个浮标式水质监测设备设置在河道、湖泊的不同位置，就能够自动监测不同位置的水质情况。浮标式水质监测设备将监测数据发送到云平台服务器，由云平台服务器进行数据的储存、分析，并进行污染报警等具体功能。
本实施例的一种污染监测及溯源方法，河流内各个水质采集点设置有浮标式水质监测设备，包括以下步骤：
各个浮标式水质监测设备采集其所在位置的水质数据，并将其发送到云平台服务器；
云平台服务器分析接收到的水质数据，当某个浮标式水质监测设备采集的水质数据异常时，判断存在水质污染，并计算污染源所在位置；
计算污染源所在位置的方法包括以下步骤：
S1：建立各个浮标式水质监测设备对应的水质模型；
建立某个浮标式水质监测设备对应的水质模型的方法如下：
S11：河流中某处污染物对流扩散方程为：
Figure BDA0002261404300000091
由对流扩散方程解得，
Figure BDA0002261404300000092
其中，C为污染物当前位置的水质数值，t为时间，x为污染物所处位置，α是湍流扩散系数，K为污染物衰减系数，u为河流流速，M为该浮标式水质监测设备采集到的水质数值；
S12：将该浮标式水质监测设备采集到的水质数值M代入公式(2)，得到计算值与观测值的差距
Figure BDA0002261404300000093
S13：采用梯度下降法得到瞬时污染源的排放强度，优化求解得到参数α、K；
S14：将优化后的参数α、K代入公式(2)，将该浮标式水质监测设备采集到的水质数值M再次代入公式(2)，计算出L，判断L是否小于ε，如果是则将公式(2)作为该浮标式水质监测设备对应的水质模型，否则执行步骤S13；
S2：比较各个浮标式水质监测设备采集到的水质数值，找出水质数值最大的浮标式水质监测设备，采用该水质数值最大的浮标式水质监测设备对应的水质模型计算其下游距离其最近的浮标式水质监测设备所在位置的理论水质数值，比较该理论水质数值与对应位置的浮标式水质监测设备采集的实际水质数值，如果实际水质数值＜理论水质数值，则污染源位于水质数值最大的浮标式水质监测设备与其上游距离其最近的浮标式水质监测设备之间；如果实际水质数值＞理论水质数值，则污染源位于水质数值最大的浮标式水质监测设备与其下游距离其最近的浮标式水质监测设备之间；如果实际水质数值＝理论水质数值，则污染源位于水质数值最大的浮标式水质监测设备处。
在本方案中，河流内各个水质采集点设置有浮标式水质监测设备，当水质数据异常时判断存在污染，此时数值数据数值最大的浮标式水质监测设备肯定距离污染源最近，然后再去判断污染源是在该浮标式水质监测设备的上游还是下游。如果污染源在该浮标式水质监测设备的下游，在该浮标式水质监测设备下游的最近浮标式水质监测设备实际检测到的水质数值会大于理论水质数值。
例如：如图4所示，河流流动方向从左至右，在河流内5个位置分别设置有浮标式水质监测设备，5个浮标式水质监测设备分别标注为监测点1、监测点2、监测点3、监测点4、监测点5，浮标式水质监测设备监测COD浓度，如表一所示，
Figure BDA0002261404300000101
表一
从表一可以看出监测点3检测的COD浓度值最大，污染源在监测点3附件，由于以监测点3为参考采用监测点3的水质模型计算出的监测点4的理论COD浓度值大于监测点4监测到的实际COD浓度值，所以污染源不在监测点3与监测点4之间，从而得到污染源在监测点2与监测点3之间。

Claims (7)

1.一种浮标式水质监测设备，其特征在于，包括浮标本体(1)，所述浮标本体(1)顶部设有太阳能板(2)，所述浮标本体(1)下表面中部设有防水盒(3)，所述防水盒(3)内设有中央处理单元(4)、蓄电池(5)、数据采集模块(6)、无线通信模块(7)和GPS定位模块(8)，所述浮标本体(1)下表面外侧设有若干个用于监测水质参数的传感器(9)，所述浮标本体(1)外侧设有防撞橡胶圈(10)，所述太阳能板(2)与蓄电池(5)电连接，所述中央处理单元(4)分别与蓄电池(5)、无线通信模块(7)和GPS定位模块(8)电连接，所述数据采集模块(6)分别与中央处理单元(4)和传感器(9)电连接。
2.根据权利要求1所述的一种浮标式水质监测设备，其特征在于，所述浮标本体(1)下表面外缘设有环形筛网(11)，所述传感器(9)位于环形筛网(11)内侧。
3.根据权利要求1所述的一种浮标式水质监测设备，其特征在于，所述若干个用于监测水质参数的传感器(9)为pH传感器、溶解氧传感器、色度传感器、浊度传感器、电导率传感器、温度传感器、COD传感器、氨氮传感器、光谱分析仪中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的一种浮标式水质监测设备，其特征在于，所述浮标本体(1)上还设有光控闪烁警示灯(12)，所述光控闪烁警示灯(12)与蓄电池(5)电连接。
5.根据权利要求1所述的一种浮标式水质监测设备，其特征在于，所述防水盒(9)呈圆柱状。
6.一种污染监测及溯源系统，其特征在于，包括云平台服务器和若干个权利要求1-4中任一权利要求所述的一种浮标式水质监测设备。
7.一种污染监测及溯源方法，河流内各个水质采集点设置有浮标式水质监测设备，其特征在于，包括以下步骤：
各个浮标式水质监测设备采集其所在位置的水质数据，并将其发送到云平台服务器；
云平台服务器分析接收到的水质数据，当某个浮标式水质监测设备采集的水质数据异常时，判断存在水质污染，并计算污染源所在位置；
计算污染源所在位置的方法包括以下步骤：
S1：建立各个浮标式水质监测设备对应的水质模型；
建立某个浮标式水质监测设备对应的水质模型的方法如下：
S11：河流中某处污染物对流扩散方程为：
Figure FDA0002261404290000021
由对流扩散方程解得，
Figure FDA0002261404290000022
其中，C为污染物当前位置的水质数值，t为时间，x为污染物所处位置，α是湍流扩散系数，K为污染物衰减系数，u为河流流速，M为该浮标式水质监测设备采集到的水质数值；
S12：将该浮标式水质监测设备采集到的水质数值M代入公式(2)，得到计算值与观测值的差距
Figure FDA0002261404290000031
S13：采用梯度下降法得到瞬时污染源的排放强度，优化求解得到参数α、K；
S14：将优化后的参数α、K代入公式(2)，将该浮标式水质监测设备采集到的水质数值M再次代入公式(2)，计算出L，判断L是否小于ε，如果是则将公式(2)作为该浮标式水质监测设备对应的水质模型，否则执行步骤S13；
S2：比较各个浮标式水质监测设备采集到的水质数值，找出水质数值最大的浮标式水质监测设备，采用该水质数值最大的浮标式水质监测设备对应的水质模型计算其下游距离其最近的浮标式水质监测设备所在位置的理论水质数值，比较该理论水质数值与对应位置的浮标式水质监测设备采集的实际水质数值，如果实际水质数值<理论水质数值，则污染源位于水质数值最大的浮标式水质监测设备与其上游距离其最近的浮标式水质监测设备之间；如果实际水质数值>理论水质数值，则污染源位于水质数值最大的浮标式水质监测设备与其下游距离其最近的浮标式水质监测设备之间；如果实际水质数值＝理论水质数值，则污染源位于水质数值最大的浮标式水质监测设备处。
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