CN115015516B - 一种船式水资源环境修复治理方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及水资源环境修复治理，尤其涉及一种水资源环境修复治理方法及系统。一种水资源环境修复治理方法，包括：一个或多个水上移动设施设有采集模块、水处理模块、排放模块、水质监测分析模块、监测模块、定位导航模块、控制模块。本发明的有益效果是：实现了水资源的高效监测和智能化处理，并根据水质变动随时移动水上移动设施、快速布局调整水上移动设施布局点位，有效治理重点水资源污染物质，适宜江河湖海等多种水资源的修复和治理。

Description

一种船式水资源环境修复治理方法及系统
技术领域
本发明涉及水资源环境修复治理，尤其涉及一种船式水资源环境修复治理方法及系统。
背景技术
国家对水生态环境保护日益重视，而某些水资源环境如邻近工业和居住的河流湖海区域，特别是河流入海口，港湾水域，因陆源污染物排放量过度，水质中富养、高盐、含磷、含油等污染物的增加，对我们的生活环境造成破坏和影响，尤其是临近发达工业生活区域的水环境形势严峻。
另外对于重点的江、河、湖、沿海，因自然生态独特、战略地位突出的水资源保护区域，需要对水质持续监测和水质治理；另外部分水域的水产品养殖造成污染也需要加大人工治理力度。
而依靠自然力量稀释净化和种植植物的方法吸收污染物去净化周期漫长，不能短期修复恢复生态环境，治理效果差，亟需一种对上述重点江河湖海区域的水资源和水生态质量更有效监测、提升改善的治理方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术中存在的不足，提供一种船式水资源环境修复治理方法及系统。
本发明是通过以下技术方案予以实现：
一种船式水资源环境修复治理方法，包括：
一个或多个水上移动设施设有采集模块、水处理模块、排放模块、水质监测分析模块、探测模块、定位导航模块、控制模块；
所述采集模块用于采集水上移动设施外部的水；
所述水处理模块用于处理采集模块采集的水；
所述排放模块用于将水处理模块处理后的水排放至水上移动设施外部；
所述水质监测分析模块用于对采集模块和排放模块的水质监测，得到水质污染物分布数据；
所述探测模块用于采集治理水域的水体流动速度、排放模块的排放压力和速度、采集模块的吸入压力和吸入速度；
所述定位导航模块用于水上移动设施的定置与导航；
所述控制模块根据水质污染物分布数据控制水上移动设施在当前位置的作业时间和水上移动设施的位移；
所述控制模块的控制方法为：
如果治理水域的水体流动速度为零，待处理水体含污染物浓度为a，处理后水体含污染物浓度标准为b；
在湍流模型中输入排放位置、排放压力、速度、采集模块到排放模块的垂直长度l、吸入口的吸入压力和吸入速度，得到排放水体在水平方向上扩散后污染物浓度范围为1/4(a-b)到1/3(a-b)之间的边界长度R1达到采集模块与排放模块的垂直长度l的时间t，时间t为水上移动设施在当前位置的作业时间；本技术方案认为水体污染物浓度在1/4(a-b)到1/3(a-b)之间时，水体污染物浓度已显著降低，本技术方案对于周围水体的净化处理取得了效果。
完成作业时间后，控制水上移动设施移动，距离为l；
如果治理水域的水体流动速度不为零：
如果水流速度大于排放后水平向船首矢量速度，水上移动设施在当前位置停留；
如果水流速度不大于排放后水平向船首矢量速度，按照上述控制方法控制水上移动设施的移动。
根据上述技术方案，优选地，当水上移动设施的数量为多个时，多个水上移动设施采用同向平行的方式移动。
本发明的有益效果是：实现了水资源的高效监测和智能化处理，并根据水质变动随时移动水上移动设施、快速布局调整水上移动设施布局点位，有效治理重点水资源污染物质，适宜江河湖海等多种水资源的修复和治理。
附图说明
图1示出了本发明的实施例的水资源环境修复治理系统图。
图2示出了本发明的实施例的水上移动设施结构示意图。
图3示出了本发明的实施例的水资源环境修复管理系统框架图。
图4示出了本发明的实施例的控制模块的控制方法框架图。
图中：1.水上移动设施，2.采集模块，3.水处理模块，4.排放模块。
具体实施方式
为了使本技术领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和最佳实施例对本发明作进一步的详细说明。
如图所示，一种船式水资源环境修复治理方法，包括：
一个或多个水上移动设施设有采集模块、水处理模块、排放模块、水质监测分析模块、定位导航模块、控制模块。采集模块用于采集水上移动设施外部的水。水处理模块用于处理采集模块采集的水。排放模块用于将水处理模块处理后的水排放至水上移动设施外部。
水上移动设施可以采用一种可在水面移动的船体。采集模块即船体上的水体进口，水处理模块即污水处理工艺装置，排放模块即船体上的排口。
水质监测分析模块用于对采集模块和排放模块的水质监测，得到水质污染物分布数据。
探测模块用于采集治理水域的水体流动速度、排放模块的排放压力和速度、采集模块的吸入压力和吸入速度等数据。
定位导航模块用于对水上移动设施进行定位与导航。定位导航模块可以采用GPS或北斗定位器。
控制模块根据水质监测分析模块采集到的水体含污染物浓度数据控制水上移动设施的位移。控制模块包括独立于水上移动设施的控制设施和安装于水上移动设施的PLC控制系统。
水上移动设施和控制模块还设有通信模块，用于多个水上移动设施和控制模块之间传输控制指令和水质监测数据、水体流动速度、排放模块的排放压力和速度、采集模块的吸入压力和吸入速度等数据。
根据上述实施例，优选地，控制模块的位移控制方法为：假设待处理水体含污染物初始浓度为a，处理后水体含污染物浓度标准为b，水质监测分析模块检测到采集模块吸入的水体污染物浓度在1/4(a-b)到1/3(a-b)之间后，判断治理水域的水体流动速度是否为零，如果治理水域的水体流动速度为零，执行步骤1；如果治理水域的水体流动速度不为零，判断水体流动速度是否大于排放模块的排放后水平向船首矢量速度，如果水流速度大于排放模块的排放后水平向船首矢量速度，水上移动设施在当前位置停留；如果水流速度不大于排放模块的排放速度，执行步骤1；
步骤1：在湍流模型中输入排放模块的排放压力和速度、采集模块到排放模块的垂直长度l、采集模块的吸入压力和吸入速度，得到排放水体在水平方向上扩散后污染物浓度范围为1/4(a-b)到1/3(a-b)之间的边界长度R1达到采集模块与排放模块的垂直长度l的时间t，经过时间t后控制水上移动设施移动，移动距离为l。
本实施例认为水体污染物浓度在1/4(a-b)到1/3(a-b)之间时，水体污染物浓度已显著降低，本技术方案对于周围水体的净化处理取得了效果。
根据上述实施例，优选地，当水上移动设施的数量为多个时，多个水上移动设施采用同向平行的方式移动。
本实施例的工作原理为：水上移动设施可以为一种船体，船体停留于治理水域。采集模块可以为一种采集软管，排放模块可以为排出管，采集软管通过水泵吸入水体，水体经水处理模块处理后，经排出管排出。水上移动设施通过定位导航模块确定当前位置和移动位置。
水质监测分析模块收集吸入和排出的水体污染物浓度，并且得到治理水域的待处理水体含污染物初始浓度a，并且设定处理后水体含污染物浓度标准为b。
本项技术使用开放式水上处理设施对水域空间进行治理，将以持续发挥设施最佳治理效率作为首要的目标。
按照如下设定，发挥设施最大治理效率的原则包括:
t1:假设吸入水体未受排出水体的影响，并能够持续吸入采集水体，则认为设施在水体治理过程中达到了最高工作效率，反而吸入了治理后的水体团将影响了整体的治理效果；
t2：为最好实现设施对原水体的吸入效果，治理过程中设施应对待治理的原水体减少扰动，也是发挥了最大的整体治理效率，因此设施实施治理过程的移动可采用步进式，同时有利于减少设施移动的动力消耗；
t3:假设采集口垂直水平面的吸入和排出口处垂直水平面的排出，能够最大限度降低待治理水体的扰动，从而可发挥最大设施治理能力；若治理后的水体排放速度垂直于水平地面，排放外形呈裙边圆形，若排放速度有水平方向的分量，或排放面不水平时，扩散外形不再呈圆形，并适当降低吸入压力和排出压力有利于降低对原水体的扰动；
t4:假设待治理水体含污染物浓度为a，治理后水体含污染物浓度达标为b。
t5:设施处理水的处理能力稳定，吸入口的吸入压力和排出口的排出压力稳定。
在上述设施最大治理效率的原则基础上，考虑不同排放速度、吸入速度及水域层流的共同作用影响，选择使用合适的湍流模型工具，进行项目条件边界设定，将排出口水质水域扩散的湍流模型看成是一个扩散速度、扩散长度的函数，单设施进行水体的治理需计算在吸入口负压力源影响下治理后排放水体扩散速度、形态，并决定在此位置的水处理持续作业时间。
如果设施吸入到原水体受到治理后排出水体团影响，将会使水治理效率降低。因此通过湍流模型计算排出的水体团边界值，判断设施治理水体效果，如果效果降低，通过设施移动，开始新的建模和作业，因此需要判断：
当检测到采集模块吸入的水体污染物浓度在1/4(a-b)到1/3(a-b)之间后，首先判断通过监测模块收集的水体流动速度V1：
V1为零，执行步骤1；
V1不为零，进行以下判断：
V1大于排放模块的排放后水平向船首矢量速度V2，说明水体流动速度足够大，可以扩散处理后的排出水体，水上移动设施停留在当前位置，继续吸入水体进行水处理；
V1不大于V2，则需要按照步骤1的方式移动水上移动设施后，再进行水处理过程。
步骤1采用湍流模型，具体可以采用计算机应用软件CFD计算流体动力学方法适合流体流动相互湍流影响，以及环境条件影响下流体动态空间和时间分布分析。
由于CFD数值模拟是流体在满足流动守恒定律的条件下，运用计算机对包含流动，环境热影响过程的物理现象所做的模拟实验，所以开展模拟工作前首先需要建立起扩散运动的控制方程，不同的计算工具建立的数学模型各不相同，计算精度也会有所差异。
本项技术水域治理后在原水体中的排放扩散，可以用流体动力学，模拟研究使用计算机软件CFD方法。由于排出扩散的流动是一个无序的紊流流动过程，治理后水体在水域中的扩散体受周围水体无序运动的影响，扩散体的扩散运动表现为湍流的运动特性。
在开阔自然水域中，湍流流动是和层流流动相对的一种流动形式，不同于层流流动的线性形式，湍流流动表现出了强烈的无序性和非线性。
在三维流动问题的模拟计算中，雷诺时均方程法建立的基础将湍流的速度看成是由时均运动量和脉动运动量组成。脉动运动量对时均运动量的输运作用可以视为流体粘性的增加，湍流粘度系数tμ的求法有多种，应用的是两方程的湍流模型，它们都引入了湍流动能k和湍流耗散项ε来求解湍流动力粘度。
标准k-ε模型具有较好的经济性和模拟准确性，(RNG k-ε模型和Realizable k-ε模型适合于流形弯曲强烈、涡流等的模拟的过程)；采用Realizable k-ε模型进行湍流建模，该模型通过在湍动粘度系数计算公式中引入了与旋转和曲率有关的变量，考虑湍流流动各向异性的情况，可有效地用于弯曲壁面流动、弯曲流线流动，还可以模拟射流的自由流动、管道环境内流动、边界层流动等，在有障碍物存在时也能够很好地建模重气体弥散。
对于本项技术，由于湍流扩散会对周围水域水质产生影响，即对时间过程的分布特征分析和对影响水域区域的范围进行确定，需要考虑湍流对排出水质扩散的分布，最简单的完整湍流模型是两个方程的模型，以速度和空间尺度两个变量求解。
治理后的排放水体在自然水域的空间扩散主要受环境热因素、动量因素、摩擦力等多重因素影响，如果在设施加工过程中有温度变化，还需要考虑与水体环境的换热过程影响，进而对扩散水体空间产生影响。
动量因素包括惯性力、重力、黏性力，直接驱动着排放向外进行扩展。
排放扩展初始阶段动量因素为主要决定因素，在排放衰减阶段，热交换及摩擦力的作用则显著增强。排放扩展过程影响周围水域面积。
湍流模型如下：
Figure GDA0003862894000000071
Figure GDA0003862894000000072
式中，ρ为密度，k为湍流动能，t为时间(即步骤1中求得的时间t)，uj为速度矢量，xj为空间张量，μ为动力粘度，μt为涡粘滞度，Gk和Gb分别是由于平均速度梯度和浮力产生的湍流动能，ε为耗散率，YM是可压缩湍流中的波动碰撞对总耗散率的贡献，Sk和Sε是用户自定义的源项，C1、C2、CIε、C3ε、σk、σε均为常数，v为流速，
Figure GDA0003862894000000081
和
Figure GDA0003862894000000082
分别为k和ε的湍流普朗特数。
通过湍流模型得到排放水体在水平方向上扩散后污染物浓度范围为1/4(a-b)到1/3(a-b)之间的边界长度R1达到采集模块与排放模块的垂直长度l的时间t，控制模块控制水上移动设施在当前位置继续工作时间t后控制水上移动设施移动，移动距离为l。
以速度和空间尺度两个变量求解，表达湍流水质扩散的分布，目前基于湍流模型利用计算流体动力学CFD(Fluent)仿真模拟软件进行推算湍流空间长度和湍流时间尺度是一种成熟方法。
由于湍流扩散会对周围水域水质产生影响，即对时间过程的分布特征分析和对影响水域区域的范围进行确定。由于CFD数值模拟是流体在满足流动守恒定律的条件下，运用计算机对包含流动，环境热影响过程的物理现象所做的模拟实验，开展模拟工作前首先要建立起扩散运动的控制方程,对污水扩散场景进行速度场计算，模拟得出流程分布图。如可知在不同时间条件下，假如流体速度已知，计算机可模拟速度场扩散过程及范围。
对于本技术方案已知设施处理后的水体排出口速度V，假设吸入口(仅采集水体浓度信息)速度约等于0时，即得出排出口处湍流总能量k。
设定“当检测到采集模块吸入的水体污染物浓度在1/4(a-b)到1/3(a-b)之间”某个确定的数，即可计算出ε，即l处的湍流脉动动能耗散率。
对于本技术方案在已知边界条件下，包括可知扩散距离为吸入口到排出口l，又根据k和ε公式
Figure GDA0003862894000000091
其中，ε为耗散率，k为l处的湍动能，l为湍流长度尺度。则可算得知l处的的k值。
又基于湍流模型，可以计算出当设施排出口速度V，吸入口约等于0时，在吸入口l处，l处的湍流脉动动能耗散率为ε的时间t。
假设2条及以上水上设施对水体联合治理，为减少设施治理过程对水体的扰动影响，采用同向平行进行区域水质治理方式，效果最佳。
假设2条及以上水上设施对水体联合治理，尽力减少设施与设施之间的平行距离，有利于整体水域的治理效果。
2条及以上设施治理模式，将由多个吸入口和多个排放口相互对水体产生湍流影响，选择使用合适的湍流模型工具，进行项目条件边界设定，需要对每条设施分别建模推算。
假设如同单条设施治理效果的判断模式，如果吸入口检测到含污染物浓度＝降低到1/4(a-b)到1/3(a-b)值；设施作业持续时间为排出口水体扩散后在污染物浓度为1/4(a-b)到1/3(a-b)之间的边界长度R1＝船长方向吸入口到排出口长度l的时间。则说明设施在位置点发挥了最佳作业效率，实现了最佳的处理过程，PLC控制系统可发出位移指令，多条设施协同向前位移，移动到新的处理点进行开放式水域治理作业。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种船式水资源环境修复治理方法，其特征在于，包括以下步骤：
假设待处理水体含污染物初始浓度为a，处理后水体含污染物浓度标准为b，水质监测分析模块检测到采集模块吸入的水体污染物浓度在1/4(a-b)到1/3(a-b)之间后，判断治理水域的水体流动速度是否为零：
如果治理水域的水体流动速度为零，执行步骤1；
如果治理水域的水体流动速度不为零，判断水体流动速度是否大于排放模块的排放后水平向船首矢量速度：
如果水流速度大于排放模块的排放后水平向船首矢量速度，水上移动设施在当前位置停留；
如果水流速度不大于排放后水平向船首矢量速度，执行步骤1；
步骤1：在湍流模型中输入排放模块的排放压力和速度、采集模块到排放模块的垂直长度l、采集模块的吸入压力和吸入速度，得到排放水体在水平方向上扩散后污染物浓度范围为1/4(a-b)到1/3(a-b)之间的边界长度R1达到采集模块与排放模块的垂直长度l的时间t，经过时间t后控制水上移动设施移动，移动距离为l。
2.根据权利要求1中所述的一种船式水资源环境修复治理方法，其特征在于，当水上移动设施的数量为多个时，多个水上移动设施采用同向平行的方式移动。
3.一种船式水资源环境修复治理系统，采用权利要求1所述的一种船式水资源环境修复治理方法，其特征在于：包括一个或多个水上移动设施设有采集模块、水处理模块、排放模块、水质监测分析模块、探测模块、定位导航模块和控制模块；
所述采集模块用于采集水上移动设施外部的水；
所述水处理模块用于处理采集模块采集的水；
所述排放模块用于将水处理模块处理后的水排放至水上移动设施外部；
所述水质监测分析模块用于对采集模块和排放模块的水质监测，得到水质污染物分布数据；
所述探测模块用于采集治理水域的水体流动速度、排放模块的排放压力和速度、采集模块的吸入压力和吸入速度；
所述定位导航模块用于对水上移动设施进行定位与导航；
所述控制模块根据水质污染物分布数据控制水上移动设施在当前位置的作业时间和水上移动设施的位移。
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