CN111855945A - 一种智慧型流域水质污染溯源的船载监测技术及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于水环境监测领域，具体涉及一种流域水环境污染物排放溯源的智慧型船载监测技术及方法，包括感知监测装置和智慧航迹指挥系统，所述的感知监测装置安装于智能无人船上，实时采集、监测和传输水环境污染特征指标变化数据，包括但不限于pH值、溶解氧、总有机碳、浊度、电导率、水温、流速和流向，地理位置坐标，所述的智慧航迹指挥系统通过对实时监测数据的可靠性分析和对不同地理坐标位置的水环境污染特征指标的变化趋势分析，结合监测位点的流速和流向，规划航迹指引所述智能无人船对疑似污染源进行动态溯源追踪。本发明与智能无人船有机结合能够快速、准确实时地发现和追溯污染源，为流域污染防治的高效管理提供技术支持。
Description
技术领域
本发明属于水环境监测领域，具体涉及一种流域水环境污染物排放溯源的智慧型船载监测技术及方法。
背景技术
近年来，因污染源事故或环境质量局部恶化造成流域水环境污染事件偶有发生。通过常规追踪监测手段仅能够说明污染事故点水质污染情况，无法快速定位污染源，进而无法第一时间从源头控制污染事态的扩大，也给后续肇事责任追查带来困难。
在实际流域污染源环境管理中，一般是在流域单元设置少数固定的监测断面，根据监测断面的水质监测数据判断上游污染事故的发生。有些环境监管机构已经运用现代化技术手段和流域水环境数学模型对污染事故进行污染源溯源，如采用卫星遥感技术、GIS技术、水环境污染物源项识别等。但这类技术以大量基础数据作支撑，数据量或数据的精确性制约了其计算或研判结果的可靠性，这也是诸多现代化技术在水环境污染源溯源领域应用上“华而不实”的通病。如遥感技术实际运用过程要求具有全天候、全天时、大范围、多谱段和灵敏度高的特点，才能满足环境污染动态、实时、多样的监测需求，且仅能处理对水污染特征值显像比较突出的水质因子；单纯依赖GIS的应用对区域的数据支持要求很高，如完善基础信息流域污染源信息等，且在处理移动源时分析能力不足；多数污染源溯源模型不仅需要水环境基础数据，还依赖于污染源数据，而污染源数据很难及时动态更新，因此不能保证模型计算结果的可靠性。
因此，迫切需要简便易行、准确可靠的污染物溯源技术方法对污染物的扩散、事故灾害进行准确溯源，以便在环境应急处置时能快速、准确反应，及时控制污染事态的发展。
发明内容
本发明旨在提供一种智慧型流域水质污染溯源的船载监测技术及方法，基于流域水质污染特征变化趋势的跟踪监测和结合流域地理信息特征和水环境模型进行追踪航迹规划，指引智能无人船实现对流域污染源的实时追踪溯源。
一种智慧型流域水质污染溯源的船载监测技术及方法，包括感知监测装置和智慧航迹指挥系统，其特征在于：所述的感知监测装置安装于智能无人船船体上，实时采集、监测和传输水环境污染特征指标变化数据，包括但不限于pH值、溶解氧、总有机碳、浊度、电导率、水温、流速和流向，地理位置坐标，所述的智慧航迹指挥系统接收所述感知监测装置实时数据，通过对实时监测数据的可靠性分析和对不同地理坐标位置的水质污染特征指标浓度差分析，结合监测位点的流速和流向，预测污染源的污染扩散轨迹，进而规划航迹指引所述智能无人船对疑似污染源进行动态溯源追踪。所述智慧航迹指挥系统包括数据中心、逻辑模块、航迹分析模块。
本发明与智能无人船相结合进行流域污染源追溯的具体实施步骤如下：
步骤S1，智能无人船按照指定巡航区域和既定航迹下巡航监测，监测指标包括但不限于：pH值、溶解氧、总有机碳、浊度、电导率、水温、流速和流向，地理位置坐标，并通过4G/5G实时传输给智慧航迹指挥系统。
步骤S2，智慧航迹指挥系统对步骤S1的监测数据进行实时评估，发现数据异常，发出预警并进行请求信息验证，规划验证信息航迹和采样监测要求。
步骤S3，智能无人船执行规划的验证信息航迹和采样监测要求，实时采集和传输数据给智慧航迹指挥系统。
步骤S4，智慧航迹指挥系统对步骤S1和步骤S3的监测数据进行实时评估，评估结果包括：确认污染事故/继续请求信息验证/取消预警。一旦确认污染事故即发出报警，并规划污染源追溯航迹和采样监测要求。
步骤S5，智能无人船执行规划的污染源追溯航迹和采样监测要求，实时采集和传输数据与智慧航迹指挥系统信息交互，动态评估和调校规划航迹，直至锁定污染源目标或区域。
在本发明的一种实施方式中，所述感知监测装置包括壳体、水质传感器、水质在线检测仪、水质采样器、数据采集与传输模块、电源管理与控制器、监测程序。
所述水质传感器，包括但不限于pH值传感器、溶解氧传感器、浊度传感器、电导率传感器、水温传感器、流速传感器。传感器探头位于水下，设置有防碰撞保护。
所述水质在线检测仪，包括但不限于在线总有机碳分析仪，通过管道与水质采用器连接。
所述数据采集与传输模块与所述水质传感器和所述在线检测仪连接，将模拟量数据转换为数字量数据，并通过4G/5G/以太网实时传输给智慧航迹智慧系统。
所述电源管理与控制器，包括电源管理模块、控制面板和控制执行器，控制感知监测设备的电源开关、数据连接与传输以及执行设置完成的监测程序。
在本发明的一种实施方式中，所述智慧航迹指挥系统的所述逻辑模块根据所述感知监测装置实时传输的pH值、溶解氧、总有机碳、浊度、电导率数据分析判断疑似污染源的预警和报警、以及对疑似污染源追踪、锁定目标区域和终止追踪，相应的技术标准要求如下：
判断疑似污染源预警的技术标准：
单一监测指标值大于所在监测区域相应指标的设定阈值k1倍(k1＝1～2，具体由调试人员设定)，或两个及以上监测指标超过所在监测区域相应的设定阈值，确定超标指标为疑似污染特征指标。所述设定阈值是根据流域历史数据和对应的地表水环境标准综合考量设定的污染程度加剧预警值，其中溶解氧指标阈值应进行水温修正。
判断疑似污染源报警的技术标准须同时满足下述两个条件：
①确定疑似污染物特征指标，且对所在监测点位置周边区域进行复测，复测水样不少于2次，疑似指标的复测值大于所在监测区域相应指标的设定阈值k2倍(k2＝1～2)。所述的所在监测点位置周边指距离所处监测点位置不少于3～5m(准确值根据具体流域特征设定)的距离且不超过10～20m的距离(准确值根据具体流域特征设定)。
②对监测数据可靠性分析，可靠度R1的计算方法：R1＝(r+1)/(n+1)，其中r为满足①要求的水样数，n 为监测的水样数。可靠度判断：
R1＞75％，确定超标指标为疑似污染物特征指标。
60％≤R1＜75％时，继续进行复测；
R1＜60％时或监测水样数超过设定的最大复测数时放弃复测，报警不成立。
判断对疑似污染源追踪的技术标准是满足下述两个条件之一：
①追踪监测点特征指标值(或复测平均值)与对应追踪监测点的流域水质模型反演计算值相关性检验的相关系数R2≥0.5，
其中xi为第i个追踪监测点特征指标值(或复测平均值)，yi为对应第i个追踪监测点的流域水质模型反演计算值，n为追踪监测点数。
②追踪监测点特征指标值(或复测平均值)不低于前一追踪监测点特征指标值(或复测平均值)。
判断锁定目标区域的技术标准须同时满足下述两个条件：
①上游追踪监测点a特征指标值(或复测平均值)低于相邻的下游追踪监测点b特征指标值(或复测平均值)。
②在监测点a至监测点b之间的河段内存在特征指标值最高的监测点或区域，则可锁定该检测点附件或区域为锁定目标区域。
判断对疑似污染源终止追踪的技术标准是满足下述五个要求之一：
①完成锁定目标区域。
②完成追踪监测点实测值与模型计算值相关性检验的相关系数R2≥0.3的流域水质模型预测的污染源位置的追踪溯源，但仍未完成锁定目标区域的。
③追踪监测点特征指标值(或复测平均值)不符合所述预警、报警、追踪污染源疑似区域和锁定目标区域的判断标准要求的。
④追踪区域不满足无人船驶入要求的。
所述智慧航迹指挥系统的所述航迹分析模块是根据追踪规则、流域水环境模型和地理信息系统确定无人船的航迹规划和追踪监测要求。
在本发明的一种实施方式中，所述航迹分析模块的所述追踪规则包括通用规则和适用不同类型水环境及无人船特征的专用规则。通用规则包括：
通用规则①：无人船启动追踪是以水流方向上游为航向行驶。
通用规则②：无人船沿水流方向向上游行驶时，当上游特征污染物指标监测值≥下游特征污染物指标监测值时，无人船继续沿水流方向向上游追踪。
通用规则③：无人船沿水流方向向上游行驶时，当上游特征污染物指标监测值＜下游特征污染物指标监测值时，无人船改变航向返回前一监测点位置，再改为垂直于水流、向流域水质模型预测的污染源所在河岸横向行驶。
通用规则④：无人船垂直于水流方向横向行驶时，当流域水环境模型无法给出追踪方向，则按先向待巡检侧岸边搜索特征污染物指标浓度高的区域，当无人船行驶邻近岸边浅水危险区时再掉头向已巡检侧岸边搜索特征污染物指标浓度高的区域。
通用规则⑤：无人船垂直于水流方向横向行驶时，当前一追踪点特征污染物指标监测值＜后一追踪点特征污染物指标监测值，无人船改变航向返回前一监测点位置，再改为沿水流方向向上游行驶。
通用规则⑥：无人船垂直于水流方向横向行驶时，当无人船行驶邻近岸边浅水危险区无法继续向前行驶，则改变航向沿水流方向向上游行驶，若上游仍然是邻近岸边浅水危险区无法继续向前行驶，则先垂直于水流朝远离浅水区方向横向行驶1个监测点距离，再改变航向继续向上游行驶。
通用规则⑦：执行上述规则，直至锁定目标区域并向管理人员发出目标信息，终止追踪。
通用规则⑧：追踪未能锁定目标区域，但超出流域水质模型预测的污染源最远位置，并向管理人员发出未能锁定目标信息，终止追踪。
所述流域环境模型是根据不同类型流域和不同污染物建立的流域水质模型集，适用于不同的应用场景，能够在相应的场景下根据实测值与模型计算值相关性检验的相关系数大小排序选择最合适模型，且模型参数根据实测数据进行参数的反演优化。
在本发明的一种实施方式中，所述追踪监测要求是根据追踪阶段和模型预测的重要节点确定水质监测频率要求如下：
①在确定污染源疑似区域前的监测频率取每100m～1000m距离1个追踪监测点，具体根据追踪的特征污染指标的浓度变化和水体流速确定或人为设定。
②确定污染源疑似区域后进行密集追踪监测的监测频率取每20～200m间距1个追踪监测点，具体根据追踪的特征污染指标的浓度变化和水体流速确定或人为设定。
本发明的有益效果是：本发明与智能无人船有机结合形成流域污染巡查和溯源新的技术手段，能够快速、准确实时地发现和追溯污染源，相比较目前固定的定点监测和地毯式排查搜寻污染源的技术方法，大大提高了污染溯源的效率和智能性，为流域污染防治的高效管理提供技术支持。
附图说明
图1是本发明的智慧型流域水质污染溯源监测的实施流程图。
图2是本发明实施例的规划航迹示意图。
图3是本发明实施例的监测点复测线路图。
附图中：1出发点，2监测点2，3监测点3，4监测点4，5监测点5，6监测点6，7监测点7，8监测点8，9监测点9，10监测点10，11监测点11，12监测点12，13监测点13，20监测点20，21复测点 21，22复测点22，23复测点23，24复测点24，25复测点25，26复测点26，27复测点27，28复测点 28。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
实施例一和智慧航迹指挥系统
如图1所示，本发明实施例的智慧型流域水质污染溯源的船载监测技术及方法是基于智能无人船配备的硬件设施和软件系统实现的，所述硬件设施即感知监测装置，包括pH值、溶解氧、总有机碳、浊度、电导率、水温、流速和流向、地理位置坐标等指标的在线监测和数据采集装置，将数据信息通过4G/5G实时传输给软件系统即智慧航迹指挥系统进行及时的数据分析，并及时反馈信息给智能无人船指引其航行航向。
如图2所示为本发明实施例的一种情景，智能无人船从1出发进行巡航，并根据航行距离定时进行水质监测，实时传输数据给智慧航迹智慧系统。
步骤S2，智能无人船巡航至监测点2时，智慧航迹智慧系统分析该监测点水质数据异常，超出设置的预警阈值范围，评估结果为存在污染源排放的可能，发出预警同时请求信息验证，并给出智能无人船验证预警信息的航迹规划和复测点位置，如图3所示。
步骤S3，图3的监测点20本处为预警点，亦即图2中的巡航监测点2，规划的复测航迹从20开始，按图2所示线路进行复测点21——22——23——.....的顺序复测，实时传输给智慧航迹智慧系统。
步骤S4，智慧航迹指挥系统进行数据的分析评估，直至满足判断疑似污染源报警的标准，确认存在污染源排放事故，即时发出报警，并规划污染源追溯航迹和采样监测要求。
步骤S5，疑似污染源追溯航迹的规划是实时动态调整的，先根据所在位置流向向上游追溯，按照智能无人船的追踪规则执行。
如图2所示，监测点2和监测点3之间的各追踪监测点均满足通用规则②，监测点3和监测点4之间执行的是通用规则③和通用规则④。
同步的，智慧航迹指挥系统根据河段的基础地理数据根据相应流域水质模型预测疑似污染源距离和动态位置信息作为辅助航迹规划决策，本实施例模型预测如下：
(1)从无人船执行第一个所述通用规则③所在追踪点位置距离疑似污染源的可能最大河段长度：
(2)疑似污染源位置预测模型
式(1)、(2)、(3)中：
Lmax——疑似污染源距离计算点可能的最长河段长度，m/s；
u——河段平均流速，m/s；
H——河段平均水深，m；
B——河段平均宽度，m；
I——河流坡度，‰；
c(x，y)——(x，y)点污染源垂直平均浓度，mg/L；
x——监测点离排放点的纵向距离，m；
y——监测点离排放口的横向距离，m；
My——河段横向混合(弥散)系数，m2/s；
cpQp——疑似污染源的排放特征，g/s；
ch——河段上游该特征污染物的浓度，mg/L；
k1——污染物降解的速率常数(d-1)；
式(2)适合于溶解氧无相关性变化的持久性污染物排放计算，式(3)适合于溶解氧呈相关性变化的非持久性污染物排放计算。通过利用多个追踪监测点特征污染物浓度值反演计算疑似污染源的位置、以及疑似污染源的排放特征。
如图2，监测点3、监测点5、监测点6之间执行的是通用规则⑤，监测点5与监测点7之间执行的是通用规则②，监测点7与监测点8之间执行的是通用规则③，监测点7、监测点9、监测点10之间执行的是通用规则⑤，监测点9与监测点11之间执行的是通用规则②，监测点11与监测点12之间执行的是通用规则③，最终锁定污染源13所在的目标区域，追溯终止。
本发明的智慧型流域水质污染溯源的船载监测技术及方法，具有实时自动追溯污染源的特点，且效率高、反应快，为流域污染防治管理工作提供了实用的技术手段。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种智慧型流域水质污染溯源的船载监测技术，包括感知监测装置和智慧航迹指挥系统，其特征在于：所述的感知监测装置安装于智能无人船船体上，实时采集、监测和传输水环境污染特征指标变化数据，包括但不限于pH值、溶解氧、总有机碳、浊度、电导率、水温、流速和流向，地理位置坐标，所述的智慧航迹指挥系统接收所述感知监测装置实时数据，通过对实时监测数据的可靠性分析和对不同地理坐标位置的水质污染特征指标浓度差分析，结合监测位点的流速和流向，预测污染源的污染扩散轨迹，进而规划航迹指引所述智能无人船对疑似污染源进行动态溯源追踪，所述智慧航迹指挥系统包括数据中心、逻辑模块、航迹分析模块。
2.根据权利要求1所述的智慧型流域水质污染溯源的船载监测技术，其特征在于所述的感知监测装置，包括壳体、水质传感器、水质在线检测仪、水质采样器、数据采集与传输模块、电源管理与控制器、监测程序；
所述水质传感器，包括但不限于pH值传感器、溶解氧传感器、浊度传感器、电导率传感器、水温传感器、流速传感器，传感器探头位于水下，设置有防碰撞保护；
所述水质在线检测仪，包括但不限于在线总有机碳分析仪，通过管道与水质采样器连接；
所述数据采集与传输模块与所述水质传感器和所述在线检测仪连接，将模拟量数据转换为数字量数据，并通过4G/5G/其他网络实时传输给智慧航迹智慧系统；
所述电源管理与控制器，包括电源管理模块、控制面板和控制执行器，控制感知监测设备的电源开关、数据连接与传输以及执行设置完成的监测程序。
3.根据权利要求1所述的智慧型流域水质污染溯源的船载监测技术，其特征在于所述智慧航迹指挥系统的所述逻辑模块根据所述感知监测装置实时传输的pH值、溶解氧、总有机碳、浊度、电导率数据分析判断疑似污染源的预警和报警、以及对疑似污染源追踪、锁定目标区域和终止追踪；
判断疑似污染源预警的技术标准：
单一监测指标值大于所在监测区域相应指标的设定阈值k1倍(k1＝1～2)，或两个及以上监测指标超过所在监测区域相应的设定阈值，确定超标指标为疑似污染特征指标，所述设定阈值是根据流域历史数据和对应的地表水环境标准综合考量设定的污染程度加剧预警值，其中溶解氧指标阈值应进行水温修正；
判断疑似污染源报警的技术标准须同时满足下述两个条件：
①确定疑似污染物特征指标，且对所在监测点位置周边区域进行复测，复测水样不少于2次，疑似指标的复测值大于所在监测区域相应指标的设定阈值k2倍(k2＝1～2)，所述的所在监测点位置周边指距离所处监测点位置不少于3～5m的距离且不超过10～20m的距离；
②对监测数据可靠性分析，可靠度R1的计算方法：R1＝(r+1)/(n+1)，其中r为满足①要求的水样数，n为监测的水样数，可靠度判断：
R1＞75％，确定超标指标为疑似污染物特征指标；
60％≤R1＜75％时，继续进行复测；
R1＜60％时或监测水样数超过设定的最大复测数时放弃复测，报警不成立；
判断对疑似污染源追踪的技术标准是满足下述两个条件之一：
①追踪监测点特征指标值(或复测平均值)与对应追踪监测点的流域水质模型反演计算值相关性检验的相关系数R2≥0.5，
其中xi为第i个追踪监测点特征指标值(或复测平均值)，yi为对应第i个追踪监测点的流域水质模型反演计算值，n为追踪监测点数；
②追踪监测点特征指标值(或复测平均值)不低于前一追踪监测点特征指标值(或复测平均值)；
判断锁定目标区域的技术标准须同时满足下述两个条件：：
①上游追踪监测点a特征指标值(或复测平均值)低于相邻的下游追踪监测点b特征指标值(或复测平均值)；
②在监测点a至监测点b之间的河段内存在特征指标值最高的监测点或区域，则可锁定该检测点附件或区域为锁定目标区域；
判断对疑似污染源终止追踪的技术标准是满足下述五个要求之一：
①完成锁定目标区域；
②完成追踪监测点实测值与模型计算值相关性检验的相关系数R2≥0.3的流域水质模型预测的污染源位置的追踪溯源，但仍未完成锁定目标区域的；
③追踪监测点特征指标值(或复测平均值)不符合所述预警、报警、追踪污染源疑似区域和锁定目标区域的判断标准要求的；
④追踪区域不满足无人船驶入要求的。
4.根据权利要求1所述的智慧型流域水质污染溯源的船载监测技术，其特征在于所述智慧航迹指挥系统的所述航迹分析模块是根据追踪规则、流域水环境模型和地理信息系统确定无人船的航迹规划和追踪监测要求，所述航迹分析模块的所述追踪规则包括通用规则和适用不同类型水环境及无人船特征的专用规则，所述通用规则，其特征在于，包括：
通用规则①：无人船启动追踪是以水流方向上游为航向行驶；
通用规则②：无人船沿水流方向向上游行驶时，当上游特征污染物指标监测值≥下游特征污染物指标监测值时，无人船继续沿水流方向向上游追踪；
通用规则③：无人船沿水流方向向上游行驶时，当上游特征污染物指标监测值＜下游特征污染物指标监测值时，无人船改变航向返回前一监测点位置，再改为垂直于水流、向流域水质模型预测的污染源所在河岸横向行驶；
通用规则④：无人船垂直于水流方向横向行驶时，当流域水环境模型无法给出追踪方向，则按先向待巡检侧岸边搜索特征污染物指标浓度高的区域，当无人船行驶邻近岸边浅水危险区时再掉头向已巡检侧岸边搜索特征污染物指标浓度高的区域；
通用规则⑤：无人船垂直于水流方向横向行驶时，当前一追踪点特征污染物指标监测值＜后一追踪点特征污染物指标监测值，无人船改变航向返回前一监测点位置，再改为沿水流方向向上游行驶；
通用规则⑥：无人船垂直于水流方向横向行驶时，当无人船行驶邻近岸边浅水危险区无法继续向前行驶，则改变航向沿水流方向向上游行驶，若上游仍然是邻近岸边浅水危险区无法继续向前行驶，则先垂直于水流朝远离浅水区方向横向行驶1个监测点距离，再改变航向继续向上游行驶；
通用规则⑦：执行上述规则，直至锁定目标区域并向管理人员发出目标信息，终止追踪；
通用规则⑧：追踪未能锁定目标区域，但超出流域水质模型预测的污染源最远位置，并向管理人员发出未能锁定目标信息，终止追踪；
所述流域环境模型是根据不同类型流域和不同污染物建立的流域水质模型集，适用于不同的应用场景，能够在相应的场景下根据实测值与模型计算值相关性检验的相关系数大小排序选择最合适模型，且模型参数根据实测数据进行参数的反演优化。
5.一种智慧型流域水质污染溯源的船载监测方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1，智能无人船按照指定巡航区域和既定航迹下巡航监测，监测指标包括但不限于：pH值、溶解氧、总有机碳、浊度、电导率、水温、流速和流向，地理位置坐标，并通过4G/5G实时传输给智慧航迹指挥系统；
步骤S2，智慧航迹指挥系统对步骤S1的监测数据进行实时评估，发现数据异常，发出预警并进行请求信息验证，规划验证信息航迹和采样监测要求；
步骤S3，智能无人船执行规划的验证信息航迹和采样监测要求，实时采集和传输数据给智慧航迹指挥系统；
步骤S4，智慧航迹指挥系统对步骤S1和步骤S3的监测数据进行实时评估，评估结果包括：确认污染事故/继续请求信息验证/取消预警，一旦确认污染事故即发出报警，并规划污染源追溯航迹和采样监测要求；
步骤S5，智能无人船执行规划的污染源追溯航迹和采样监测要求，实时采集和传输数据与智慧航迹指挥系统信息交互，动态评估和调校规划航迹，直至锁定污染源目标或区域。
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