CN114314842B

CN114314842B - 一种应用于圩区的农业面源污染防控方法

Info

Publication number: CN114314842B
Application number: CN202210244974.9A
Authority: CN
Inventors: 张友德; 何建军; 戴曹培; 钱益武; 章蔷; 杨超
Original assignee: Anhui Xinyu Environmental Protection Technology Co ltd
Current assignee: Anhui Xinyu Environmental Protection Technology Co ltd
Priority date: 2022-03-14
Filing date: 2022-03-14
Publication date: 2022-05-31
Anticipated expiration: 2042-03-14
Also published as: CN114314842A

Abstract

本发明公开了一种应用于圩区的农业面源污染防控方法，属于农业污染处理技术领域，具体方法包括：步骤一：获取农田分布图，根据获取的农田分布图构建农田水渠分布图；步骤二：识别自然水体的位置，并绘制在农田水渠分布图中，设置厌氧塘、兼性塘、好氧塘和蓄水塘之间的有效容积；步骤三：确定厌氧塘、兼性塘、好氧塘和蓄水塘的位置，并绘制在农田水渠分布图中；步骤四：在蓄水塘靠近自然水体的一侧设置溢流坝，溢流坝和自然水体之间挖设有水沟；步骤五：在蓄水塘内设置检测模块和水泵，根据检测模块的检测结果控制水泵的运行，检测结果包括检测合格和检测不合格。

Description

一种应用于圩区的农业面源污染防控方法

技术领域

本发明属于农业污染处理技术领域，具体是一种应用于圩区的农业面源污染防控方法。

背景技术

在农业发展过程中，农田所使用的化肥不断增加，但化肥利用率相对低下，这就造成了农业排水沟渠中的化肥残留物过高，未利用的营养物质通过径流流入受纳水体，对周围的生态环境造成了严重的污染，甚至会破坏其水质，这是导致受纳水体富营养化的一个主要原因。

目前，在流域水净化处理中通常使用人工湿地技术，利用生态手段去除水中的污染物，但是，构建人工湿地需占用一定规模的整片土地，这对于规划空间有限或涉及基本农田保护政策，常规人工湿地往往不具备建设条件或可建成规模无法达到修复目标要求，另外，现有的农业种植区域采用的灌渠多为简单渠系结构，边坡为土质或水泥等材质构建的光滑边坡，其主要功能为水流导排，渠道内部季节性存水、自然生长动植物，一般不具有可观的生态净化功能，从而导致农田尾水的污染防治效果较差。

发明内容

为了解决上述方案存在的问题，本发明提供了一种应用于圩区的农业面源污染防控方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种应用于圩区的农业面源污染防控方法，具体方法包括：

步骤一：获取农田分布图，根据获取的农田分布图构建农田水渠分布图；

步骤二：识别自然水体的位置，并绘制在农田水渠分布图中，设置厌氧塘、兼性塘、好氧塘和蓄水塘之间的有效容积；

步骤三：确定厌氧塘、兼性塘、好氧塘和蓄水塘的位置，并绘制在农田水渠分布图中；

步骤四：在蓄水塘靠近自然水体的一侧设置溢流坝，溢流坝和自然水体之间挖设有水沟；

步骤五：在蓄水塘内设置检测模块和水泵，根据检测模块的检测结果控制水泵的运行，检测结果包括检测合格和检测不合格。

进一步地，根据获取的农田分布图构建农田水渠分布图的方法包括：

识别农田分布图中的农田边界线，获得农田区域，计算农田区域的面积，获取农田边界线组合的形状，设置农田形状赋值；将农田区域标记为i，i=1、2、……、n，n为正整数，将农田区域面积标记为Pi，将农田形状赋值标记为Li，建立农田区域的特征向量

=(Pi，Li)，基于层次聚类法进行农田区域的合并，获得单元区域，在单元区域间建立支渠，若干个支渠之间连通有干渠，干渠的另一侧连通有连通渠；根据单元区域、支渠、干渠和连通渠绘制农田水渠分布图。

进一步地，基于层次聚类法进行农田区域合并的方法包括：

步骤SA1：根据农田区域的特征向量建立聚类样本集合D={

、

、

、……、

}，将农田区域的特征向量视为一个独立的聚类簇，计算两两聚类簇之间的距离，设置最大服务半径，将距离最近的两个聚类簇合并为一个新的聚类簇；

步骤SA2：计算合并后的聚类簇与其他聚类簇之间的距离，当合并聚类簇与其他聚类簇之间的最小距离小于最大服务半径时，将对应的两个聚类簇进行合并，再次形成一个新的合并聚类簇；

步骤SA3：重复步骤SA2，直到合并聚类簇与其他聚类簇之间的最小距离不小于最大服务半径时，停止重复步骤SA2，将对应的合并聚类簇标记为单元区域。

进一步地，设置农田形状赋值的方法包括：

获取当前地区内具有的农田形状，对获得的农田形状进行筛选，获得若干个标准形状，对标准形状进行赋值，获取相似度模型，计算所有的农田形状与每个标准形状之间的相似度，选取农田形状与若干个标准形状中最高的相似度作为赋值标准，并打上对应标准形状的识别标签，进行对应的相似度和赋值的扩充，建立对应标准形状的相似度赋值表；获取当前农田边界线组合的形状并计算与标准形状之间的相似度，从相似度赋值表中匹配到对应的赋值，标记为农田形状赋值。

进一步地，根据检测模块的检测结果控制水泵的运行的方法包括：

实时获取检测模块的检测结果，当检测结果为检测不合格时，水泵开始工作，将蓄水塘中的水抽至沟渠中；当检测结果为检测合格时，水泵不工作，蓄水塘水位持续上升，直至水位高于溢流坝通过水沟流入附近的自然水体。

进一步地，检测模块的工作方法包括：

建立蓄水塘三维模型，并标记为蓄水塘模型，在蓄水塘模型中建立空间坐标系；并标记为模型坐标系，将模型坐标系按比例设置在蓄水塘中，标记为实物坐标系；

对蓄水塘进行荧光光照，获取光照下的蓄水塘内高清图像，采集蓄水塘的尺寸和当前的水位，建立点位模型，将实物坐标系、当前水位、高清图像、蓄水塘的尺寸整合标记为点位输入数据，将点位输入数据输入到点位模型中，获得点位坐标集，将点位坐标集输入到蓄水塘模型中，并进行区别标注，为蓄水塘模型中的点位坐标集设置采集区间；

通过采样装置进行采样，在采样装置上设置定位单元，定位单元用于实时定位采样装置的位置，并将采集的位置坐标实时的在蓄水塘模型中进行显示，当定位单元发送的坐标位于采集区间内时，生成采集信号，停止采样装置的移动，进行样品采样，对采集的样品进行水质检测，获得检测数据，判断检测数据是否符合地表五类水质标准，进行判断结果的梳理统计，根据统计结果生成对应的检测结果。

进一步地，连通渠的尾端与渗透坝相连通，渗透坝通过管道与厌氧塘相连接，厌氧塘的另一侧与兼性塘相连接，兼性塘远离厌氧塘的一侧与好氧塘相连接，好氧塘远离厌氧塘的一侧与蓄水塘相连接。

进一步地，厌氧塘、兼性塘、好氧塘和蓄水塘之间的有效容积比例关系为1:1.5:4:4。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

通过多条支渠收集农业活动产生的尾水并将其汇入干渠，再经干渠流入连通渠，并利用连通渠尾端的渗透坝进行过滤，然后依次进入厌氧塘、兼性塘、好氧塘和蓄水塘进行净化处理，减小了占地面积，降低了投入成本；

实现农田尾水的收集并进行集中处理，同时能够监测污水的水质，防止未达标污水排放至自然水体中，减小了对生态环境的污染，从而提高了农田尾水污染的防治效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明方法流程图；

图2为本发明农田水渠分布示意图；

图3为本发明支渠的剖面结构示意图；

图4为本发明干渠或连通渠的剖面结构示意图；

图5为本发明厌氧塘、兼性塘或蓄水塘的剖面结构示意图；

图6为本发明好氧塘的剖面结构示意图；

图7为本发明渗透坝的剖面结构示意图；

图8为本发明溢流坝的剖面结构示意图。

图中，1、单元区域；2、支渠；3、干渠；4、连通渠；5、渗透坝；6、厌氧塘；7、兼性塘；8、好氧塘；9、蓄水塘；10、砾石；11、自然水体；12、溢流坝；13、水沟；14、素土；15、种植土；16、火山岩；17、生态砖护坡；18、覆土；19、太阳能曝气浮岛。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1至图8所示，一种应用于圩区的农业面源污染防控方法，具体方法包括：

如图2至图5所示，农田水渠包括支渠2、干渠3和连通渠4，支渠2两侧壁的素土14上铺设有用于供挺水植物生长的种植土15，支渠2底壁的素土14上均铺设有火山岩16，干渠3和连通渠4的底壁及两侧壁上均铺设有素土14，干渠3和连通渠4两侧壁的素土14上均铺设有用于供挺水植物生长的生态砖护坡17，干渠3和连通渠4底壁的素土14上均铺设有用于供沉水植物生长的火山岩16。

根据获取的农田分布图构建农田水渠分布图的方法包括：

=(Pi，Li)，基于层次聚类法进行农田区域的合并，获得单元区域1，在单元区域1间建立支渠2，若干个支渠2之间连通有干渠3，干渠3的另一侧连通有连通渠4；示例性的，支渠2、干渠3及连通渠4的剖面均设为坡比1:1.5的倒梯形结构；根据单元区域1、支渠2、干渠3和连通渠4绘制农田水渠分布图。

基于层次聚类法进行农田区域合并的方法包括：

步骤SA1：根据农田区域的特征向量建立聚类样本集合D={

、

、

、……、

}，将农田区域的特征向量视为一个独立的聚类簇，计算两两聚类簇之间的距离，设置最大服务半径，最大服务半径是由专家组根据排水管理和农田排水情况进行设置的，将距离最近的两个聚类簇合并为一个新的聚类簇；

步骤SA3：重复步骤SA2，直到合并聚类簇与其他聚类簇之间的最小距离不小于最大服务半径时，停止重复步骤SA2，将对应的合并聚类簇标记为单元区域1。

设置农田形状赋值的方法包括：

获取当前地区内具有的农田形状，对获得的农田形状进行筛选，获得若干个标准形状，对标准形状进行赋值，获取现有的相似度模型，计算所有的农田形状与每个标准形状之间的相似度，选取农田形状与若干个标准形状中最高的相似度作为赋值标准，并打上对应标准形状的识别标签，进行对应的相似度和赋值的扩充，建立对应标准形状的相似度赋值表；获取当前农田边界线组合的形状并计算与标准形状之间的相似度，从相似度赋值表中匹配到对应的赋值，标记为农田形状赋值。

进行对应的相似度和赋值的扩充就是根据标准形状赋值进行相应的匹配区间扩充，为本领域常识，因此不进行详细的叙述。

建立对应标准形状的相似度赋值表的方法就是根据标准形状的赋值设置不同的相似度区间，每个相似度区间设置对应的赋值。

对获得的农田形状进行筛选就是筛选出具有代表性的农田形状，可以由专家组进行人工筛选。

步骤二：识别自然水体11的位置，并绘制在农田水渠分布图中，设置厌氧塘6、兼性塘7、好氧塘8和蓄水塘9之间的有效容积；

厌氧塘6、兼性塘7、好氧塘8和蓄水塘9均为土塘改造并将底部压实，厌氧塘6、兼性塘7和蓄水塘9的底壁和两侧壁上从内至外依次平铺有素土14和覆土18，好氧塘8的底壁和两侧壁上从内至外依次平铺有素土14和种植土15，且好氧塘8的水面设有太阳能曝气浮岛19；

设置厌氧塘6、兼性塘7、好氧塘8和蓄水塘9之间的有效容积的方法包括：

获取当前农田范围内的历史农业活动产生的尾水数据，根据获取的尾水数据计算当前农田范围的尾水处理效率，获取厌氧塘6、兼性塘7、好氧塘8和蓄水塘9之间的有效容积比例关系，为一个比例范围，可以根据对应的属性进行设置，示例性的，厌氧塘6、兼性塘7、好氧塘8和蓄水塘9之间的有效容积比例关系为1:1.5:4:4；根据有效容积比例关系和尾水处理效率设置厌氧塘6、兼性塘7、好氧塘8和蓄水塘9的有效容积。

在一个实施例中，厌氧塘6、兼性塘7、好氧塘8和蓄水塘9均为土塘改造并将底部压实，坡比均为1:2。

根据获取的尾水数据计算当前农田范围的尾水处理效率，可以通过现有的数理计算方法进行计算，因此不进行详细的叙述。

根据有效容积比例关系和尾水处理效率设置厌氧塘6、兼性塘7、好氧塘8和蓄水塘9的有效容积的方法为：

在一个实施例中，直接利用现有的数学计算方法计算满足尾水处理效率条件下的各自的有效容积范围，再有专家组从有效容积范围中选择对应的有效容积。

在另一个实施例中，通过基于CNN网络或DNN网络建立计算模型，通过计算模型进行对应的有效容积计算。

步骤三：确定厌氧塘6、兼性塘7、好氧塘8和蓄水塘9的位置，并绘制在农田水渠分布图中；

确定厌氧塘6、兼性塘7、好氧塘8和蓄水塘9的位置的方法包括：

根据厌氧塘6、兼性塘7、好氧塘8和蓄水塘9之间的连接关系和有效容积，基于蚁群算法获取对应的位置。

连通渠4的尾端设有用于过滤污水的渗透坝5，渗透坝5的内部填充有砾石10，且渗透坝5通过管道连通有厌氧塘6，厌氧塘6的另一侧连通有兼性塘7，兼性塘7远离厌氧塘6的一侧连通有好氧塘8，好氧塘8远离厌氧塘6的一侧连通有蓄水塘9。

步骤四：在蓄水塘9靠近自然水体11的一侧设置溢流坝12，溢流坝12和自然水体11之间挖设有水沟13；

步骤五：在蓄水塘9内设置检测模块和水泵，根据检测模块的检测结果控制水泵的运行，检测结果包括检测合格和检测不合格。

根据检测模块的检测结果控制水泵的运行的方法包括：

实时获取检测模块的检测结果，当检测结果为检测合格时，水泵不工作，蓄水塘9水位持续上升，直至水位高于溢流坝12通过水沟13流入附近的自然水体11；当检测结果为检测不合格时，水泵开始工作，将蓄水塘9中的水抽至沟渠中。沟渠指的是农田间的支渠2、干渠3、连通渠4等沟渠，将蓄水塘9中多余的水抽回去，再次净化；通过设置溢流坝12，在保障水位处于安全状态下，尽可能的减小对生态环境的污染。

检测模块的工作方法包括：

在一个实施例中，建立蓄水塘9三维模型，并标记为蓄水塘模型，在蓄水塘模型中建立空间坐标系；空间坐标系的原点和方向并不是固定的，可以根据实际需要进行调整，例如以蓄水塘模型的中心、拐点等位置为原点，并标记为模型坐标系，将模型坐标系按比例设置在蓄水塘9中，相当于放样；标记为实物坐标系；

对蓄水塘9进行荧光光照，一般使用检测氮磷的荧光照射；获取光照下的蓄水塘9内高清图像，采集蓄水塘9的尺寸和当前的水位，建立点位模型，将实物坐标系、当前水位、高清图像、蓄水塘9的尺寸整合标记为点位输入数据，将点位输入数据输入到点位模型中，获得点位坐标集，将点位坐标集输入到蓄水塘模型中，并进行区别标注，区别标注即为使得点位坐标集在蓄水塘模型中可以直观的看见，可以使用不同的颜色进行标注；为蓄水塘模型中的点位坐标集设置采集区间，即为以点位坐标为中心，建立一个球形的采集区间，采集区间的半径是根据采集精度要求和点位坐标的密集度进行设置的；

通过采样装置进行采样，采样装置可以使用现有的采样装置，在采样装置上设置定位单元，定位单元用于实时定位采样装置的位置，并将采集的位置坐标实时的在蓄水塘模型中进行显示，当定位单元发送的坐标位于采集区间内时，生成采集信号，停止采样装置的移动，进行样品采样，对采集的样品进行水质检测，获得检测数据，判断检测数据是否符合地表五类水质标准，进行判断结果的梳理统计，根据统计结果生成对应的检测结果。

点位模型用于根据输入的数据生成需要进行采样的点位坐标集，点位模型是基于DNN网络或CNN网络实现的，

对采集的样品进行水质检测，可以直接使用现有的水质检测装置进行检测。

进行判断结果的梳理统计就是根据点位的检测结果和对应的高清图像，利用现有的数学模型进行全局分析，获得对应的统计结果，具体的分析过程为本领域常识，因此不进行详细的叙述。

在一个实施例中，直接在蓄水塘9设置水质检测装置进行检测，但是该方法检测结果不够全面。

上述公式均是去除量纲取其数值计算，公式是由采集大量数据进行软件模拟得到最接近真实情况的一个公式，公式中的预设参数和预设阈值由本领域的技术人员根据实际情况设定或者大量数据模拟获得。

本发明的工作原理：

农业活动产生的尾水进入支渠2，通过多条支渠2汇入干渠3，干渠3接入连通渠4，则尾水流经连通渠4并利用连通渠4尾端的渗透坝5过滤，再依次进入厌氧塘6、兼性塘7、好氧塘8和蓄水塘9进行净化处理，然后，对蓄水塘9中的水进行监测分析，当检测结果为检测不合格时，水泵开始工作，将蓄水塘9中的水抽至最近的沟渠中，当检测结果为检测合格时，水泵不工作，蓄水塘9水位持续上升，直至水位高于溢流坝12通过水沟13流入附近的自然水体11。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方法而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方法进行修改或等同替换，而不脱离本发明技术方法的精神和范围。

Claims

1.一种应用于圩区的农业面源污染防控方法，其特征在于，具体方法包括：

步骤二：识别自然水体（11）的位置，并绘制在农田水渠分布图中，设置厌氧塘（6）、兼性塘（7）、好氧塘（8）和蓄水塘（9）之间的有效容积；

步骤三：确定厌氧塘（6）、兼性塘（7）、好氧塘（8）和蓄水塘（9）的位置，并绘制在农田水渠分布图中；

步骤四：在蓄水塘（9）靠近自然水体（11）的一侧设置溢流坝（12），溢流坝（12）和自然水体（11）之间挖设有水沟（13）；

步骤五：在蓄水塘（9）内设置检测模块和水泵，根据检测模块的检测结果控制水泵的运行，检测结果包括检测合格和检测不合格；

根据获取的农田分布图构建农田水渠分布图的方法包括：

=(Pi，Li)，基于层次聚类法进行农田区域的合并，获得单元区域（1），在单元区域（1）间建立支渠（2），若干个支渠（2）之间连通有干渠（3），干渠（3）的另一侧连通有连通渠（4）；根据单元区域（1）、支渠（2）、干渠（3）和连通渠（4）绘制农田水渠分布图；

基于层次聚类法进行农田区域合并的方法包括：

步骤SA1：根据农田区域的特征向量建立聚类样本集合D={

、

、

、……、

步骤SA3：重复步骤SA2，直到合并聚类簇与其他聚类簇之间的最小距离不小于最大服务半径时，停止重复步骤SA2，将对应的合并聚类簇标记为单元区域（1）。

2.根据权利要求1所述的一种应用于圩区的农业面源污染防控方法，其特征在于，设置农田形状赋值的方法包括：

3.根据权利要求1所述的一种应用于圩区的农业面源污染防控方法，其特征在于，根据检测模块的检测结果控制水泵的运行的方法包括：

实时获取检测模块的检测结果，当检测结果为检测不合格时，水泵开始工作，将蓄水塘（9）中的水抽至沟渠中；当检测结果为检测合格时，水泵不工作，蓄水塘（9）水位持续上升，直至水位高于溢流坝（12）通过水沟（13）流入附近的自然水体（11）。

4.根据权利要求1所述的一种应用于圩区的农业面源污染防控方法，其特征在于，检测模块的工作方法包括：

建立蓄水塘（9）三维模型，并标记为蓄水塘模型，在蓄水塘模型中建立空间坐标系；并标记为模型坐标系，将模型坐标系按比例设置在蓄水塘（9）中，标记为实物坐标系；

对蓄水塘（9）进行荧光光照，获取光照下的蓄水塘（9）内高清图像，采集蓄水塘（9）的尺寸和当前的水位，建立点位模型，将实物坐标系、当前水位、高清图像、蓄水塘（9）的尺寸整合标记为点位输入数据，将点位输入数据输入到点位模型中，获得点位坐标集，将点位坐标集输入到蓄水塘模型中，并进行区别标注，为蓄水塘模型中的点位坐标集设置采集区间；

5.根据权利要求1所述的一种应用于圩区的农业面源污染防控方法，其特征在于，连通渠（4）的尾端与渗透坝（5）相连通，渗透坝（5）通过管道与厌氧塘（6）相连接，厌氧塘（6）的另一侧与兼性塘（7）相连接，兼性塘（7）远离厌氧塘（6）的一侧与好氧塘（8）相连接，好氧塘（8）远离兼性塘（7）的一侧与蓄水塘（9）相连接。

6.根据权利要求5所述的一种应用于圩区的农业面源污染防控方法，其特征在于，厌氧塘（6）、兼性塘（7）、好氧塘（8）和蓄水塘（9）之间的有效容积比例关系为1:1.5:4:4。