CN112505094B - 一种大尺度表面流湿地短流和堵塞的探测方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大尺度表面流湿地短流和堵塞的探测方法及系统，通过对大尺度表面流湿地进行变温灌水，表面流湿地过流温度发生显著变化的情况下，通过空中遥感湿地检测目标区域的红外成像变化，观测大尺度湿地的不同位点水体温度变化趋势，从而了解表面流湿地堵塞和短流情况。本发明的优点在于方便对大型人工湿地进行检测。
Description
技术领域
本发明属于环境监测技术领域，具体涉及一种大尺度表面流湿地短流和堵塞的探测方法及系统。
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）。并且水体盐度变化本身，对于湿地生物膜也是一种冲击。
以上几种监测人工湿地堵塞的方法，除了上述缺点外，还都只适用于小型人工湿地，对于大尺度的人工湿地监测，操作起来就颇感困难。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供如下技术方案： 一种大尺度表面流湿地短流和堵塞的探测方法，包括以下步骤：
A 设置检测点，置检测点，通过对选定的大尺度表面流湿地进行区域布点划分，每个区域点为一个检测点；每个区域点的面积小于湿地总体面积的5%，每个区域点的面积大于湿地总体面积的0.5%；；
B观察各检测点初始温度图，通过空中遥感红外探测方法观察各检测点初始温度图；
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 数据收集，在大尺度表面流湿地中各检测点的水温发生显著变化时，观测大尺度湿地的不同检测点的水体温度变化趋势，收集相应的变化数据；
E 数据分析，根据收集到的信息进行分析，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，述步骤B之前还包括有控制恒温，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，所述向湿地进行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中向湿地进行变温通水持续进行至温度变化信息收集完毕。
进一步地，所述恒温通水和变温通水中对湿地通水所用的水均从湿地周边进行抽取。
进一步地，所述空中遥感红外探测方法为通过升空载具搭载红外探测器进行空中远距离探测湿地各检测点的红外辐射信息并传输给地面终端。
一种大尺度表面流湿地短流和堵塞的探测系统，其特征在于：包括区域布点单元、遥感数据采集单元、数据传输单元、数据接收分析模块和变温水流控制装置；
所述区域布点单元包括面积获取模块、布点面积模块和布点数量计算划分模块；所述面积获取模块用于获取整体湿地面积大小，所述布点面积模块用于根据湿地面积对单个检测点面积进行设定，所述布点数量计算划分模块用于计算检测点数量，并根据检测点数量和检测点面积对湿地整体进行布点划分；
所述遥感数据采集单元包括红外探测器、数据转换模块和升空载具；所述红外探测器用于探测湿地的不同检测点的红外辐射能量，所述数据转换模块用于将红外探测器检测到的红外辐射能量转换为电信号，所述升空载具用于搭载红外探测器在空中适当距离遥感获取湿地各位点的红外辐射信息；
所述数据传输单元用于为遥感数据采集单元和数据接收分析模块之间进行数据传输；
所述数据接收分析模块用于接收红外探测器探测到的红外辐射能量的电信号并转换成图像信息和温度值，对图像信息和温度值进行分析；
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，所述数据传输单元为无线传输模块。
本发明的优点为：
1.利用无人机机载红外探测器从空中远距离对大尺度表面流湿地进行温度，在进水温度发生显著变化的情况下，可以通过空中遥感红外探测方法，观测大尺度湿地的不同位点水体温度变化趋势，从而了解表面流湿地堵塞和短流情况。
2. 本发明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，具有环保且成本低的效果。
附图说明
图1为本发明湿地分层结构示意图；
图2为本发明探测系统的框架示意图。
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
一种大尺度表面流湿地短流和堵塞的探测方法，具体的探测步骤如下：
设置检测点，通过全球gps定位系统对湿地进行表面面积进行定位测量或者从已有的数据库中搜索湿地的实际区域面积信息，对湿地进行布点划分，每一个布点为一个检测点，具体的，湿地的总面积数据获取后，设定每个网格点的面积大小，每个网格点的面积不能超过湿地总体面积的5%，由于湿地的实际面积是非常大的，因此如果每个网格点的面积超过湿地总体面积的5%，那么每个网格点的湿地区域面积是非常大的，那么这个区域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，每个网格点的面积也不能小于湿地总体面积的0.5%，太小的话不便于观测其温度值，通过湿地的总面积除以每个网格点的面积，获得网格点的总数量，之后对湿地进行布点划分。
记录各检测点初始温度，通过空中遥感红外探测方法观察各检测点温度，记录一个温度基准，使得后续变温时方便进行各检测点温度变化对比，由于湿地本身各检测点的初始温度是非常不均匀的，为了更好的便于观察判断，通过往湿地的进水区通入一定温度的水使得各检测点的温度趋于接近，可以在第一轮通水时选择高温水，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，在第一轮通水时如果选择低温水，在通水后各检测点的温度会随之下降，由于环境气温的影响，各检测点的水温会下降的非常慢，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夏季，湿地周边环境温度较高，因此在第一轮通水时选择温度较高的生活污水，生活污水由湿地周边的污水池抽取，通过向湿地源源不断地通入高温污水使得各检测点的温度趋于接近，直至通过红外探测装置所探测到的红外能量生成的热图像显示各检测点的灰度级以及温度值接近，即水温不再发生明显的变化，本实施例中选用无人机搭载红外相机的方式进行空中遥感红外探测，通过无人机搭载红外相机升空至一定高度，使得红外相机对整个大尺度表面流湿地进行红外辐射监测，获得一个时间阶段内的有效数据，通过将所探测到的红外能量转换为电信号，通过信息传输设备将信号传输给地面的计算机，在计算机的显示器上生成热图像和温度值，生成的热图像是与湿地呈等比例大小的，热图像上也划分有等比例大小的网格点，便于对检测点的温度进行观察和分析。
控制变温，向湿地进行第二轮变温通水，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，无法准确判断温度变化幅度，温度差别越大，对于探测的效果越好，但是由于探测所需的水量较高，因此处于成本的考虑，向湿地通入的水都是从周边环境的水体进行抽取的，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，之后对检测点水流温度进行变温，由于第一轮通水选用了污水池的水，第二轮通水选用湿地周边的大型水体的深层水，等待变温水流即第二轮通水流经每个检测点时，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，通过空中遥感红外成像，观测大尺度湿地的不同位点水体温度变化趋势，从而了解表面流湿地堵塞和短流情况，具体的，湿地中的短流通路中水流的过流阻力会比较小，水流流量大，通入低温的深层水后，原本的温度会迅速降低，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，通过利用无人机机载红外相机将探测到的红外能量变换的情况传递给计算机，在计算机显示器上生成同一间隔时间段各检测点的红外图像以及温度值，根据观察红外影像观测下冷流在湿地表面网格检测点上的扩散趋势图，可以很清楚的探知各个检测点堵塞或者过流情况，遭遇冷流快速扩散的检测点区域为短流点，该点低温水流渗透速率快，从而温度降低速度快，热图像上的对应点的颜色变化就快，遭遇冷流缓慢扩散的检测点区域为堵塞点，该点低温水流渗透速率慢，从而温度降低速度慢，热图像上的对应点的颜色变化就慢。
实施例2
一种大尺度表面流湿地短流和堵塞的探测方法，具体的探测步骤如下：
设置检测点，通过全球gps定位系统对湿地进行表面面积进行定位测量或者从已有的数据库中搜索湿地的实际区域面积信息，对湿地进行布点划分，每一个布点为一个检测点，一共12个检测点。
记录各检测点初始温度，通过空中遥感红外探测方法观察各检测点温度，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=11℃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。T2、T3一般可选取任意相同间隔时间段检测点水温。
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SA1 ,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SA2 ,则：
定义A2检测点的温度变化特征值为SA3 ,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。
实施例3
一种大尺度表面流湿地短流和堵塞的探测系统，包括遥感数据采集单元、区域布点单元、数据传输单元、数据接收分析模块和变温水流控制装置；
所述遥感数据采集单元包括红外探测器、数据转换模块和升空载具；所述红外探测器用于探测湿地的不同检测点的红外辐射能量，所述数据转换模块用于将红外探测器检测到的红外辐射能量转换为电信号，所述升空载具用于搭载红外探测器在空中远距离获取湿地各位点的红外辐射信息；
所述区域布点单元包括面积获取模块、布点面积模块和布点数量计算划分模块；所述面积获取模块用于获取整体湿地面积大小，所述布点面积模块用于根据湿地面积对单个检测点面积进行设定，所述布点数量计算划分模块用于计算检测点数量，并根据检测点数量和检测点面积对湿地整体进行布点划分；
所述数据传输单元用于为遥感数据采集单元和数据接收分析模块之间进行数据传输。
所述数据接收分析模块用于接收红外探测器探测到的红外辐射能量并转换成图像信息和温度值，对图像信息和温度值进行分析；
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。
通过升空载具搭载红外探测器，通过红外探测器在空中远距离获取湿地的红外辐射信息，升空载具要能够可获得一个时间阶段内的有效数据，保证所接收的红外信息的准确性，比如通过无人机进行定点多次升空或者通过热气球来实现，通过数据转换模块将红外辐射转换为电信号并通过无线传输模块发送给计算机，进而在计算机的显示器上生成热图像和温度值，通过计算机对湿地进行总面积计算，从而通过布点模块确认布点面积的大小，再通过布点数量计算划分模块计算出各布点的面积和数量，在湿地与热生成图像上进行网格区域划分，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。数据传输单元为无线传输模块，包括wifi模块、2G/3G/4G/5G模块以及物联网通讯模块，可以选用其中任意一种。通过计算机数据接收分析模块对所得到的图像值和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)
1.一种大尺度表面流湿地短流和堵塞的探测方法，其特征在于，包括以下步骤：
A 设置检测点，通过对选定的大尺度表面流湿地进行区域布点划分，每个区域点为一个检测点；每个区域点的面积小于湿地总体面积的5%，每个区域点的面积大于湿地总体面积的0.5%；
B 观察各检测点初始温度图，通过空中遥感红外探测方法观察各检测点初始温度图；
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 数据收集，在大尺度表面流湿地中各检测点的水温发生显著变化时，观测大尺度湿地的不同检测点的水体温度变化趋势，收集相应的变化数据；
E 数据分析，根据收集到的信息进行分析，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所述的大尺度表面流湿地短流和堵塞的探测方法，其特征在于：所述步骤B之前还包括有控制恒温，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所述的大尺度表面流湿地短流和堵塞的探测方法，其特征在于：所述向湿地进行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所述的大尺度表面流湿地短流和堵塞的探测方法，其特征在于：所述步骤C中向湿地进行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所述的大尺度表面流湿地短流和堵塞的探测方法，其特征在于：所述恒温通水和变温通水中对湿地通水所用的水均从湿地周边进行抽取。
6.根据权利要求1所述的大尺度表面流湿地短流和堵塞的探测方法，其特征在于：所述空中遥感红外探测方法为通过升空载具搭载红外探测器进行空中远距离探测湿地各检测点的红外辐射信息并传输给地面终端。
7.一种大尺度表面流湿地短流和堵塞的探测系统，其特征在于：包括区域布点单元、遥感数据采集单元、数据传输单元、数据接收分析模块和变温水流控制装置；
所述区域布点单元包括面积获取模块、布点面积模块和布点数量计算划分模块；所述面积获取模块用于获取整体湿地面积大小，所述布点面积模块用于根据湿地面积对单个检测点面积进行设定，所述布点数量计算划分模块用于计算检测点数量，并根据检测点数量和检测点面积对湿地整体进行布点划分；
所述遥感数据采集单元包括红外探测器、数据转换模块和升空载具；所述红外探测器用于探测湿地的不同检测点的红外辐射能量，所述数据转换模块用于将红外探测器检测到的红外辐射能量转换为电信号，所述升空载具用于搭载红外探测器在空中适当距离遥感获取湿地各位点的红外辐射信息；
所述数据传输单元用于为遥感数据采集单元和数据接收分析模块之间进行数据传输；
所述数据接收分析模块用于接收红外探测器探测到的红外辐射能量的电信号并转换成图像信息和温度值，对图像信息和温度值进行分析；
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。
8.根据权利要求7所述的大尺度表面流湿地短流和堵塞的探测系统，其特征在于：所述数据传输单元为无线传输模块。
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