CN112393816B - 一种潜流人工湿地堵塞和短流的探测方法及其系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种潜流人工湿地堵塞和短流的探测方法及其系统，先在湿地基质中布置大量温度传感器，形成传感器阵列，对湿地进行变温灌水，通过在变温灌水后监测湿地基质中各个位点的各温度节点变化差值，获取得各部位基质堵塞情况，本发明的优点在于不向水中添加任何示踪物质，不对环境和人工湿地本身造成任何影响。

Description

一种潜流人工湿地堵塞和短流的探测方法及其系统

技术领域

本发明属于环境监测技术领域，具体涉及一种潜流人工湿地堵塞和短流的探测方法及其系统。

背景技术

人工湿地作为一种污水生态处理工艺由于其投资少、能耗低、效果好、维护管理简单等优势，已广泛的应用于生活污水、暴雨径流、污水处理厂的尾水处理以及河流、湖泊的污染防治。人工湿地在运行一段时间后，通过对湿地基质的冲刷和堵塞物质的积累，会形成习惯性的过流通路，这些通路中水流的过流阻力会比较小，显著影响其它部分基质的过水量。同时，部分基质区域也会发生堵塞情况，使得人工湿地有效工作空间缩小，湿地工况变坏。检测基质堵塞位点的快捷手段，一直是人工湿地设计、建设与维护人员的研究焦点。

专利号为201611159664.8中国发明专利公开了一种潜流人工湿地堵塞的探测方法，该发明基于潜流湿地堵塞区域所含沉积物会导致其持水能力增强的特点，利用潜流湿地排空水分后，湿地床含水率随着堵塞程度增加而增加，进而造成湿地床视电阻率随着堵塞程度增加而降低的特点，采用温纳法电阻率测量技术，测量并计算出测定区域的视电阻率，并根据视电阻率大小定位堵塞区域以及判断堵塞程度。本发明可以准确定位堵塞区域，并能判断出堵塞区域的相对堵塞程度，对潜流人工湿地的可持续运行提供了技术支撑，该方案具有以下三个缺点：首先，必须在湿地工作停歇排空的情况下，才能工作。如果是浸泡式的潜流湿地，假若没有底排空结构，则无法使用该方法；其次，电极只可定性评判某个区域的堵塞情况，却无法实时评价某个点位在整体系统中所处的堵塞程度等级；最后，由于人工湿地填料在水平和垂直方向上亦非同材质均匀分布、而且材质自身的电导率与背景值的差异情况都会严重干扰到最后的检测结果。本方法需要操作人员对目标湿地材质结构极为熟悉，布点位置明晰准确，这在实操中有较大障碍。

专利号为201810656942.3的中国发明专利公开了一种强化电阻率差异的人工湿地堵塞区域探测方法。通过添加NaCl溶液的方式来强化堵塞区域与未堵塞区域的电阻率差异。 添加NaCl溶液后，堵塞区域中短时间内无法流进 NaCl溶液，所以堵塞区域的电阻率会比未堵塞的区域电阻率高。因此，未加入和加入NaCl溶液测得的电阻率分布存在较大差异，而NaCl溶液饱和人工湿地中由于堵塞区域的存在，相较于未加入 NaCl溶液的人工湿地电阻率分布变化较大，其电阻率分布图上出现的高阻区域即为堵塞区域，实现人工湿地堵塞区域的监测和定位，该方案实用性、经济型、可自动化程度都较高。但是对于水中背景离子浓度较高的情况便几乎失去了工作能力（在沿海或盐碱化程度较高的地区，较为常见）。并且水体离子变化本身，对于湿地生物膜也是一种冲击。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供如下技术方案： 一种潜流人工湿地堵塞和短流的探测方法及其系统，包括以下步骤：

A 设置检测点，在选定的人工湿地区域进行上下分层，每层进行布点划分检测点，在每个检测点埋设有温度传感器；

B 温度标准化，对各检测点的温度传感器所采集到的趋于稳定的温度作为初始标准温度；

C 控制变温，向湿地进行变温通水，对湿地各检测点进行变温；

D 检测分析，通过对变温后各温度传感器的温度变化差值进行分析，温度变化幅度较大的检测点的为短流点，温度变化幅度较小的为堵塞点。

进一步地，所述步骤B中还包括有控制恒温，向湿地进行恒温通水，让各检测点的温度趋于接近且不再变化。

进一步地，所述步骤B中恒温通水所用水的水温与湿地周边环境气温温度相接近。

进一步地，所述步骤C中变温通水持续进行至温度变化信息收集完毕。

进一步地，所述步骤B和步骤C中对湿地通水所用的水均从湿地周边进行抽取。

一种潜流人工湿地堵塞和短流的探测系统，其特征在于：包括湿地探测布点单元、多个温度传感器、数据转换单元、数据传输单元、接收分析模块和变温水流控制装置；

所述湿地探测布点单元包括湿地模型获取模块、区域分层模块和单层布点模块，所述湿地模型获取模块用于获取湿地的三维模型，所述区域分层模块用于对湿地的三维模型进行上下分层，所述单层布点模块包括单层布点面积计算模块和单层布点数量划分模块，所述单层布点面积计算模块计算每层区域总面积，根据总面积计算单个布点面积大小，所述单层布点数量划分模块根据每层总面积和单个布点面积计算布点数量并进行划分；

所述多个温度传感器组成传感器阵列，分别埋设在相应的检测点；

所述数据转换单元分别与多个温度传感器相电连接，将温度传感器探测到的模拟信号转换为数字信号；

所述数据传输单元与数据转换单元相连接，数据传输单元将数字信号发送给接收分析模块，由接收分析模块接收并分析；

所述变温水流控制装置用于连接不同温度水体，控制不同温度水体内的水进入湿地进水区。

进一步地，所述温度传感器为热敏电阻。

进一步地，所述数据传单元为无线传输模块。

本发明的优点为：

1. 在检测时，不向水中添加任何示踪物质，不对环境和人工湿地本身造成任何影响，根据湿地基质中各个位点的各温度节点变化差值，即可了解各部位基质堵塞情况。

2.本发明的中的温度传感器选用热敏电阻器，热敏电阻器结构简单，寿命可覆盖人工湿地全部使用周期且几乎不需要保养。

附图说明

图1为本发明湿地分层结构示意图；

图2为本发明湿地每层网格布点示意图；

图3为本发明型流程图。

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。

实施例1

一种潜流人工湿地堵塞和短流的探测方法，具体的探测步骤如下：

设置检测点，在选定的人工湿地区域进行上下分层布点，如图1所示，首先要获取湿地的三维模型，即湿地等比例整体的长度、宽度和高度，三维模型与湿地等比例相同，三维模型可以从已有的数据库中获取，因为是人工湿地，相关的施工单位的数据库中会保存有相应的数据信息，也可以对选定的人工湿地区域进行测量，从而获得大致的三维模型数据参数即可，如图1所示，按照三维模型的高度将其共分为3层，每层采用相同的网格进行布点，每个网格点代表了一个检测点，每个网格点面积是根据每层的总体面积进行划分的，每个网格点的表面面积不能超过每层的总体面积的10%，如果每个网格点的面积每层的总体面积的10%，那么导致检测点对应的湿地实际检测面积过大，首先温度传感器就无法准确读取该点的准确温度，其次区域过大很有可能就会同时覆盖堵塞或者短流的情况，无法进行一个准确的探测，而如果每个网格点的面积小于每层的总体面积的1%，虽然该面积下的网格点对应的湿地实际区域由于面积不大不会发生同时堵塞或者短流的情况，也有助于更加精确探测范围，但是由于本申请中的人工湿地范围较小，实际探测湿地的堵塞点和短流点时无需将范围精准到这个地步，同时也会导致所需的温度传感器数量增多，使得成本增加，在提升作用不大的情况下增加了成本投入，因此，优选的如图2所示，每层共平均分有12个网格，按行分为A、B、C和D四个区域，每个网格点为一个检测点，三维模型中的每个检测点与湿地实际区域一一对应，根据三维模型上的检测点区域划分在与之对应的湿地的实际区域范围进行检测点划分，每个检测点埋设有温度传感器，用于采集检测点的温度，多个温度传感器形成传感器阵列。

温度标准化，记录好各检测点的初始温度，作为一个标准温度，方便后续变温时进行对比，由于湿地本身各检测点的初始温度是非常不均匀的，为了更好的进行对比观察，各检测点的标准温度初始值最好是接近的，为此可以向湿地进行第一轮恒温通水，使得湿地各检测点的温度趋于接近，后续变温时方便进行各检测点温度变化对比，在第一轮通水时可以选择高温水，也可以选择低温水，但是考虑到季节气候因素，如果湿地的环境气温较高，在第一轮通水时选择低温水的情况下，在通水后各检测点的温度会随之上升，但是由于环境气温的影响，各检测点的水温会上升的非常慢，而长时间进水会导致成本上升，因此，在进行第一轮通水时，在选择水温时需要选择与湿地环境温度相接近的，本次检测由于所处时节为冬季，湿地周边环境温度较低，因此在第一轮通水时选择温度较低的井水，井水由湿地周边的水井抽取，通过向湿地源源不断地通入井水使得各检测点地温度趋于接近，趋于稳定的表现形式为在持续通入井水的情况下，每个检测点的温度根据与进水区距离地远近达到相应地温度低点，水温不再发生明显的变化，各检测点的温度传感器的温度不再变化且相邻两个检测点的温度差值不再变化。

控制变温，向湿地进行第二轮通水，第二轮通水所用水的水温与第一轮通水所用水的水温不同，且具有显著的温度差别，如果温度差别不大，则难以进行温度变化的监测，无法准确判断，温度差别越大，对于探测的效果越好，但是由于检测所需的水量较高，因此出于成本的考虑，所以只能从周边的水体中抽取的温差较大的水作为一轮通水和二轮通水，对检测点水流温度进行变温，由于第一轮通水选用了井水，第二轮通水选用湿地周边的污水池的污水，污水在污水厂处理后具有一定的温度，等待变温水流流经每个检测点时，观察每个检测点的温度变化，当离进水区最远的检测点都发生温度变化时，则认定变温水流已经流经每个检测点。第二轮通水要持续进行至后续温度变化信息收集完毕才能停止，不然一旦停止，容易造成某一时间段内各检测点水流渗透量不足，造成检测数据不准确，影响实验精准度。

数据分析，在变温开始后，首先确定水流流经每个检测点后，每个检测点的温度传感器所检测到温度值的大小，之后由于湿地中短流通路中水流的过流阻力会比较小，水流流量大，通入污水后，原本的温度会迅速升高，而堵塞的通路中，堵塞点由于低温水流一时无法渗透，其温度的变化幅度会比较小，通过温度的变化幅度可以很清楚的探知各个检测点堵塞或者过流情况，可以通过计算机读取各检测点的温度数据信息，来精确的对堵塞点和短流点进行识别，对湿地上区域各检测点进行解读。

由于该方式下，各检测点的温度可以实时采集，因此可以利用温度数据生成曲线图的方式来判定的堵塞点和短流点。将每一个检测点的温度值建立直角坐标系，以X轴作为时间，Y轴作为温度数值，随时间推移，检测点的温度值将以离散的点输入坐标系中，从而形成特征曲线，通过比较各个特征曲线的斜率变化情况，即可识别出堵塞点和短流点。

上述方法的是根据第一层表面温度变化，从而找出第一层的堵塞点和短流点，第二层和第三层可以通过相同的方法探测对应的堵塞点和短流点，从而实现对湿地整体的堵塞点和短流点的探测。

实施例2

一种潜流人工湿地堵塞和短流的探测方法，具体的探测步骤如下：

设置检测点，在选定的人工湿地区域进行上下分层布点，如图1所示，首先要获取湿地的三维模型，即湿地等比例整体的长度、宽度和高度，三维模型与湿地等比例相同，三维模型可以从已有的数据库中获取，因为是人工湿地，相关的施工单位的数据库中会保存有相应的数据信息，也可以对选定的人工湿地区域进行测量，从而获得大致的三维模型数据参数即可，如图2所示，每层共平均分有12个网格，按行分为A、B、C和D四个区域，每个网格点为一个检测点，三维模型中的每个检测点与湿地实际区域一一对应，根据三维模型上的检测点区域划分在与之对应的湿地的实际区域范围进行检测点划分，每个检测点埋设有温度传感器，用于采集检测点的温度，多个温度传感器形成传感器阵列。

温度标准化，记录好各检测点的初始温度，该时刻设为T0。

控制变温，向湿地进行变温通水，所用水的水温与当前环境温度具有显著的差异，等待变温水流流经每个检测点时，观察每个检测点的温度变化，当离进水区最远的检测点都发生温度变化时，则认定变温水流已经流经每个检测点，该时刻设为T1。

数据分析，在变温持续过程中，记录各检测点不同时刻的温度数据，并对其进行计算，达到识别堵塞点和短流点的目的。具体计算方式有多种，以下阐述一种利用计算各检测点的温度变化特征值进行分析的方法。选取湿地上部分区域的检测点进行分析，选取的部分区域如图1所示，共选有12个检测点，控制变温的恒温水选择H=20℃的生活污水，恒温水流方向如图中箭头所示，该区域检测点的具体的温度参数信息如表1所示；

表1：图1中各检测点不同时刻的温度表：(温度单位为℃)

表中T0到T3为依次递增的4个时刻，其中T0为未向湿地进行变温通水的初始时刻，T1时刻为通入一段时间的恒温水后的某一时刻，一般可选取距离入水处最远的检测点开始变温之时作为T1，以保证恒温水已流经整个湿地范围。T3一般可选取任意检测点水温都未尚未达到恒温水温度的时刻，以保证数值的差异化。

此外，设置一个单独水体，观察单独水体在上述时间段内的水温变化，从而精确湿地各检测点实际温度变化值，单独水体的水温变化表如下方表2所示；(温度单位为℃)

通过对比单独水体的变化，可以得知在环境的作用下，T1、T2、T3的水温相比其前一时刻分别下降0.3℃、下降1.9℃，上升1.1℃；据此，排除环境带来的温度变化干扰后，各检测点不同时刻的温度表如表3所示：

表3：图1中每个检测点不同时间段温度实际变化表：(温度单位为℃)

定义A1检测点的温度变化特征值为S_A1 ,则：

其中H为恒温水的温度。

定义A2检测点的温度变化特征值为S_A2 ,则：

定义A2检测点的温度变化特征值为S_A3 ,则：

特征值计算公式中，分子项反映了各时刻（T1到T3）温度从上一顺序检测点传递到该检测点的效率，A3的上一检测点为A2，A2的上一检测点为A1，A1的上一检测点取恒温水温度，以此类推。该值越大，即前后两次温差越大，说明该检测点从上一顺序检测点的温度传递效率越低，堵塞的可能性较大。

分母项反映了该检测点随时间推移温度上升的速度，该值越小，说明该检测点随时间推移温度上升越慢，堵塞的可能性较大。

两项相除得到特征值，值越大说明堵塞，反之则为短流。

由此依次计算出其他各检测点的特征值，形成下表4：

根据上述分析，可判断出 B2、D3的检测点为短流点，C1的检测点为堵塞点。

以上为一种计算分析方式，也可以计算每个检测点在单位时间内的温度的平均上升幅度与上升数值进行分析。利用这种方式需考虑到由于恒温水流动速度限制，到达各检测点的所需时间不同，导致对水温的影响越到后段（离进水区越远）越不明显，因此数据的比较应分组进行，每组内各个检测点到进水区的距离应接近。上述方法的是根据第一层表面温度变化，从而找出第一层的堵塞点和短流点，第二层和第三层可以通过相同的方法探测对应的堵塞点和短流点，从而实现对湿地整体的堵塞点和短流点的探测。

实施例3

一种潜流人工湿地堵塞和短流的探测系统，包括湿地探测布点单元、多个温度传感器、数据转换单元、数据传输单元、接收分析模块和变温水流控制装置；

所述湿地探测布点单元包括湿地模型获取模块、区域分层模块和单层布点模块，所述湿地模型获取模块用于获取湿地的三维模型，所述区域分层模块用于对湿地的三维模型进行上下分层，所述单层布点模块包括单层布点面积计算模块和单层布点数量划分模块，所述单层布点面积计算模块计算每层区域总面积，根据总面积计算单个布点面积大小，所述单层布点数量划分模块根据每层总面积和单个布点面积计算布点数量并进行划分；

所述多个温度传感器组成传感器阵列，分别埋设在相应的检测点；

所述数据转换单元分别与多个温度传感器相电连接，将温度传感器探测到的模拟信号转换为数字信号；

所述数据传输单元与数据转换单元相连接，数据传输单元将数字信号发送给接收分析模块，由接收分析模块接收并分析；

所述变温水流控制装置用于连接不同温度水体，控制不同温度水体内的水进入湿地进水区。

湿地模型获取模块、区域分层模块和单层布点模块和接收分析模块均为计算机程序，通过计算机上的湿地模型获取模块获取湿地的三维模型，三维模型可以从已有的数据库中获取，因为是人工湿地，相关的施工单位的数据库中会保存有相应的数据信息，也可以对选定的人工湿地区域进行测量，从而获得大致的三维模型数据参数即可，之后根据区域分层模块对三维模型进行上下区域分层划分，划分是根据三维模型的高度进行均匀划分，共划分有三层，每层根据单层布点模块进行布点，布点模块首先进行每层区域面积的总体计算，然后选取的合适的单个检测点的区域面积，单个点的区域面积范围为每层区域总体面积1%-10%，根据总体面积除以单个点的面积从而得到布点的数量，根据布点的面积和数量进行对三维模型每层区域进行网格布点划分，由于湿地与三维模型是等比例对应的，根据三维模型的检测点的划分结果对湿地实际区域进行划分布设检测点，在每个检测点埋设温度传感器，温度传感器优选为热敏电阻，由于热敏电阻的结构简单，寿命可覆盖人工湿地全部使用周期且几乎不需要保养，可以进行长期的检测，无需在后续的检测中重新埋设温度传感器，极大的减小的检测成本，所述数据转换单元为数据转换器，数据转换器分别与多个温度传感器相电连接，将温度传感器探测到的模拟信号转换为数字信号，通过数据传输单元传输给接收分析模块，数据传输单元为无线通讯传输模块，包括wifi模块、2G/3G/4G/5G模块以及物联网通讯模块，从实际需求，由于所传输的仅为温度信息，信息传输量不大，选择物联网通讯模块更为经济。变温水流控制装置包括远程控制器和两个水泵及对应的水管，两个水泵分别通过水管与不同的水体连接，通过计算机远程控制器可以控制不同的水泵和水管出水，对湿地进行通水。通过计算机数据接收分析模块对所得到的温度值变化数据进行分析，探测出湿地中的堵塞点和短流点。

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。

Claims (8)

1.一种潜流人工湿地堵塞和短流的探测方法，其特征在于，包括以下步骤：

A 设置检测点，在选定的人工湿地区域进行上下分层，每层进行布点划分检测点，在每个检测点埋设有温度传感器；

B 温度标准化，对各检测点的温度传感器所采集到的趋于稳定的温度作为初始标准温度；

C 控制变温，向湿地进行变温通水，对湿地各检测点进行变温；

D 检测分析，通过对变温后各温度传感器的温度变化差值进行分析，温度变化幅度较大的检测点的为短流点，温度变化幅度较小的为堵塞点。

2.根据权利要求1所述的潜流人工湿地堵塞和短流的探测方法，其特征在于：所述步骤B中还包括有控制恒温，向湿地进行恒温通水，让各检测点的温度趋于接近且不再变化。

3.根据权利要求2所述的潜流人工湿地堵塞和短流的探测方法，其特征在于：所述步骤B中恒温通水所用水的水温与湿地周边环境气温温度相接近。

4.根据权利要求3所述的潜流人工湿地堵塞和短流的探测方法，其特征在于：所述步骤C中变温通水持续进行至温度变化信息收集完毕。

5.根据权利要求3或权利要求4所述的潜流人工湿地堵塞和短流的探测方法，其特征在于：所述步骤B和步骤C中对湿地通水所用的水均从湿地周边进行抽取。

6.一种潜流人工湿地堵塞和短流的探测系统，其特征在于：包括湿地探测布点单元、多个温度传感器、数据转换单元、数据传输单元、接收分析模块和变温水流控制装置；

所述湿地探测布点单元包括湿地模型获取模块、区域分层模块和单层布点模块，所述湿地模型获取模块用于获取湿地的三维模型，所述区域分层模块用于对湿地的三维模型进行上下分层，所述单层布点模块包括单层布点面积计算模块和单层布点数量划分模块，所述单层布点面积计算模块计算每层区域总面积，根据总面积计算单个布点面积大小，所述单层布点数量划分模块根据每层总面积和单个布点面积计算布点数量并进行划分；

所述多个温度传感器组成传感器阵列，分别埋设在相应的检测点；

所述数据转换单元分别与多个温度传感器相电连接，将温度传感器探测到的模拟信号转换为数字信号；

所述数据传输单元与数据转换单元相连接，数据传输单元将数字信号发送给接收分析模块，由接收分析模块接收并分析；

所述变温水流控制装置用于连接不同温度水体，控制不同温度水体内的水进入湿地进水区。

7.根据权利要求6所述的潜流人工湿地堵塞和短流的探测系统，其特征在于：所述温度传感器为热敏电阻。

8.根据权利要求6所述的潜流人工湿地堵塞和短流的探测系统，其特征在于：所述数据传输单元为无线传输模块。

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