CN219860853U - 一种基于无人机遥感的自启动水污染治理系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型的一种基于无人机遥感的自启动水污染治理系统，包括分别与地面总控制系统通讯连接的无人机遥感监测系统、微纳米曝气系统、自动加药系统及流域循环调水系统；微纳米曝气系统的曝气盘使用球形曝气支撑，球形曝气支撑外固定、缠绕PVC微纳米曝气软管，PVC微纳米曝气软管与曝气支管连接，通过曝气主机给曝气总管管提供气体，曝气支管上缠绕水下溶解氧探测仪，水下溶解氧探测仪将溶解氧探测结果传输到地面总控制系统，通过地面总控制系统控制微纳米曝气系统的启闭以及加药系统的启闭。本实用新型使用以太阳能辅助微纳米曝气设备的供气运转，能节约40%的能耗，改良的曝气支撑可增加3.0倍的充氧效率。

Description

一种基于无人机遥感的自启动水污染治理系统

技术领域

本实用新型涉及水污染治理技术领域，具体涉及一种基于无人机遥感的自启动水污染治理系统。

背景技术

水污染问题作为日常生活中百姓反映最强烈的问题之一，不仅使人们的居住环境深受影响，也严重损害了城市的整体形象。随着城市快速发展，工业废水和生活污水的大量排放，河流中有机碳污染物（CODcr、BOD₅）、有机氮污染物（NH₃-N）以及含磷化合物的负荷也不断加大。有关河流黑臭的成因研究表明：水体中的有机物质在厌氧分解过程中耗氧量大于复氧量，容易造成缺氧环境；且当水中溶解氧浓度下降到一个过低水平时，厌氧微生物分解有机物的过程会产生大量的臭味气体如甲烷（CH₄）、硫化氢(H₂S）、氨(NH₃)等逸出水面进入大气；同时，厌氧条件下，沉积物中产生的甲烷、氢气、硫化氢等难溶于水的气体，在上升过程中也会携带污泥进入水相，综合反应致使水体黑臭。

溶解氧匮乏状态下厌氧微生物分解有机物产生的如：甲烷（CH₄）、硫化氢（H₂S）以及氨气（NH₃）等臭气，是具有强烈的毒性和恶臭的，这些物质存在于水体中将严重抑制水生动物的生存，会直接致使以浮游藻类为食的鱼种数量减少；而水体溶解氧的降低可大大促进P在沉积物的迁移和释放，大量有机物释放到水体中，会造成水体COD不断升高，水体开始富营养化，水体藻类生长速度加快，表层密集的藻类，使阳光难以透射进入深层，深层水体的光合作用明显受到限制而减弱，水体溶解氧也会进一步降低。而藻类本身死亡后会不断地向水底沉积，藻的腐烂分解，也会加速消耗深层水体的溶解氧，严重时可能使深层水体的溶解氧消耗殆尽而呈厌氧状态，从而进一步加剧营养物质的释放，形成恶性循环。

总的来说，水体中溶解氧的降低是致使水体变黑发臭的直接原因。而溶解氧匮乏抑制水生动物生长，也间接加剧了地表水体水华的暴发。

国家重大水专项相关研究结果表明：当溶解氧大于6.0mg/L时，水体处于有氧状态，有机物降解和氨氧化速率显著增加，水体开始具有自净能力。由此可知，以准确响应河湖水中氧气含量变化，满足水生态动植物对氧气的需要为抓手去解决水体制黑臭的溶解氧水平较低的问题可以从优化增氧技术出发。相比较传统曝气方法整体存在传氧效率低、经济成本高、适用条件有限等因素，微纳米曝气系统产生的微纳米气泡直径可达几十微米甚至纳米级，具有停留时间长、传质效率高、界面电位高、比表面积大、能自发产生自由基等特点，该技术也在人工曝气技术中显露出巨大的研发前景。但通过微纳米曝气系统技术在行业内的大量实践应用，逐渐暴露出：设备能耗大、充氧效率低、气泡尺寸不均匀且可控性较差等问题。

实用新型内容

本实用新型提出的一种基于无人机遥感的自启动水污染治理系统，是基于应急治理和长效保障的思路提供一种可以解决河湖水环境污染问题的处理系统。

为实现上述目的，本实用新型采用了以下技术方案：

一种基于无人机遥感的自启动水污染治理系统，包括无人机遥感监测系统，无人机遥感监测系统用于获取卫星遥感监测图像，还包括微纳米曝气系统、自动加药系统及流域循环调水系统以及地面总控制系统；

所述无人机遥感监测系统、微纳米曝气系统、自动加药系统及流域循环调水系统分别与地面总控制系统通讯连接；

所述微纳米曝气系统和加药系统采用并联的方式；

所述微纳米曝气系统的曝气盘使用球形曝气支撑，球形曝气支撑外固定PVC微纳米曝气软管，PVC微纳米曝气软管与曝气支管连接，曝气支管与曝气主管连接用于给曝气软管提供气体，同时曝气支管上缠绕水下溶解氧探测仪，所述水下溶解氧探测仪将溶解氧探测结果传输到地面总控制系统，通过地面总控制系统关联微纳米曝气系统的启闭系统。

进一步地，所述微纳米曝气装置还包括供电模块，所述供电模块为在室外设备间另设太阳能板面，太阳能板面连接到微纳米曝气系统的电控总箱。

进一步地，所述的流域循环调水系统包括流域排口水位监测模块和流域闸门自动启闭装置，所述流域排口水位监测模块和流域闸门自动启闭装置分别与地面总控制系统通讯连接。

由上述技术方案可知，本实用新型的基于无人机遥感技术的自启动系统，基于无人机遥感技术的水质水文监测反演系统、通过反演结果自动控制启闭的集合数据接收、发送以及存储模块的中控系统、可自动启闭的微纳米曝气系统、可自动启闭的加药系统，以及流域循环调水系统等，同时此系统的动力主要来源于太阳能。本实用新型是通过上述系统去实现河湖水质达标、水安全保障、应急治理以及长效久清的目标。

本实用新型的基于无人机遥感技术的自启动系统，具体涉及一种可用于河湖水体污染预警、应急处理和常态化控制的系统。可降低河湖水环境季节性爆发蓝藻水华的风险，通过增加小流域范围内河湖水系联通，进一步加强水体自净能力。同时，自启动式的曝气增氧系统搭配改良的供气方式，能及时高效恢复水体缺氧状态，加药系统能应急处理非法入河的高浓度有机物，两者互相辅助，能有效防止水体黑臭的恶性循环。最后，自启动系统的应用，可有效降低系统能耗。整体的，本系统适应现有河湖治理后的反黑反臭现象，能兼顾预警、应急、长效控制，实现河湖水环境健康发展的稳定态势。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果如下：

1、精准高效：卫星遥感影像覆盖范围广、成像速度快、信息量丰富且性价比高，相比较传统方法的缺点，遥感技术能更精准的通过设定参数获取待测图像数据，并通过图像数据反演以定位湖泊中蓝藻水华需重点治理的区域，同时精准识别蓝藻暴发的风险等级，并及时传输给下一步系统快速做出响应措施，是针对性更强、精确度更高、治理成效更加明显的方式；

2、安全可控：通过无人机卫星遥感监测反演数据同时控制微纳米曝气系统、加药系统以及流域循环调水系统，是根据水质情况动态调整，是兼顾预警、应急和常态化管理的多重保险措施，安全可靠；

3、经济合理：本实用新型使用以太阳能辅助微纳米曝气设备的供气运转，能直接节约40%的能耗，同时改良的曝气支撑可增加3.0倍的充氧效率，该系统是通过水下溶解氧和遥感监测图像的共同分析结果去调整曝气增氧设备的，因此是经济合理的。

附图说明

图1是本实用新型实施例的结构示意图；

图2是本实用新型实施例的控制框图；

图3是本实用新型实施例的工作原理图；

附图中：

1、无人机；2、机载高光谱视频相机；3、球形曝气支撑；4、pvc微纳米曝气软管；5、水下溶解氧探测仪；6、加药喷射盘（视水体情况加各类水溶性药剂）；7、曝气支管；8、曝气主管；9、水溶性药剂加药管；10、流域排口闸门水位探测仪；11、各流域智慧闸门（拍门等）；12、微纳米曝气机（鼓风+太阳能功能系统）；13、加药设备（蓝藻或高浓度有机物抑制等水溶性药剂）；14、地面总控制系统（即集合数据接收、发送以及存储模块的总控系统）；15、太阳能面板；16、室外设备间。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。

如图1和图2所示，本实施例所述的基于无人机遥感的自启动水污染治理系统，包括无人机遥感监测系统，无人机遥感监测系统用于获取卫星遥感监测图像，还包括微纳米曝气系统、自动加药系统及流域循环调水系统以及地面总控制系统14；

所述无人机遥感监测系统、微纳米曝气系统、自动加药系统及流域循环调水系统分别与地面总控制系统通讯连接；

所述微纳米曝气系统和加药系统采用并联的方式；

所述微纳米曝气系统使用球形曝气支撑3，曝气盘外固定PVC微纳米曝气软管4，PVC微纳米曝气软管4与曝气支管7连接，曝气支管7与曝气主管8连接用于给曝气软管提供气体，同时曝气支管7上缠绕水下溶解氧探测仪5，所述水下溶解氧探测仪5将溶解氧探测结果传输到地面总控制系统14，通过地面总控制系统14关联微纳米曝气系统以及加药系统的启闭系统。

所述微纳米曝气装置还包括供电模块，所述供电模块为在室外设备间16另设太阳能板面15，太阳能板面15连接到微纳米曝气系统的电控总箱。

所述的流域循环调水系统包括流域排口闸门水位探测仪10和流域闸门自动启闭装置，所述流域排口闸门水位探测仪10和流域闸门自动启闭装置分别与地面总控制系统通讯连接。

以下具体说明：

总来说来，本实施例所述的基于无人机遥感的自启动水污染治理系统包含了水污染预警、水体治理以及长效保障三个系统，其中预警系统是依赖无人机遥感的日常巡查获取的图像数据的反演和总控命令的下达来实现的，该无人机系统具体包含了基于北斗导航系统及自动控制技术，同时无人机会根据待监测水体背景情况及生境差异，配置不同的任务吊舱，任务吊舱内部涉及的为待系统设计的红外遥感待捕捉的有关待监测数据的目标因素，由此红外遥感技术可根据需求捕捉图像进而反演结果给下一个可控系统，响应的无人机的布点和设计也要按不同水体类别和历史背景分片设计，总体上不影响日常水面的航运，采用周期运行即可；

所述的无人机系统是可通过高精度RTK（实时动态），实现自动飞行、一键测流、实时悬停、自动返航的功能，通过地面工作站和飞行导航图进行多种方式控制的无人机流量测验，并可实时生成相应的流量测验成果。而无人机配置的任务吊舱，要求至少使用系统配置H-ADCP（声学多普勒剖面流量计）、通信电缆、数据采集仪、通信模块和供电电源组成流量在线监测系统，系统通过H-ADCP测量水层横向流速分布，建立代表流速与断面平均流速的关系，利用实测水位得到断面面积，进而推求流量，实现自动化流量在线实时测量。H-ADCP也可以根据待测水域具体情况与其它仪器和设备集成为各类水质、水位、气象、水量等遥测站。

经过无人机的周期巡视后，所获取的数据将传输、存储到岸上设备间内的总控系统内，该系统是集图像反演结果的接受、发送和存储功能的总控，同时该系统需链接本实用新型后续的微纳米曝气系统、加药系统、流域循环调水系统的自动启闭装置。

地面总控制系统将反演数据发送到以下三个系统：微纳米曝气系统、加药系统、流域循环调水系统，其中微纳米曝气系统和加药系统采用并联的方式，曝气方式采用微纳米曝气装置，且曝气盘是改良传统曝气盘的组装模式，使用球形曝气支撑，支撑外固定PVC微纳米曝气软管，较传统软管固定圈数增加3.0倍的曝气面积，同时曝气支管上缠绕水下溶解氧探测仪，该溶解氧探测结果也将传输到地面总控制系统，同时与微纳米曝气系统的启闭系统关联；

所述的微纳米曝气装置的功能系统处电力供给外，在设备间另设太阳能板面，连接到微纳米曝气系统的电控总箱，太阳能面板面积的设置以使用区域的历史天气为背景，以减少能耗40%为基准进行布设；

所述的加药系统与微纳米曝气系统采用并联设计、布置的方式是指，加药系统会根据水质反演的结果进行分析，在高风险区域实行抑制黑臭药剂的加入与曝气增氧措施同步实施，而反演结果未识别到高风险时，可适当降低药量，上述的加药类型根据待测水域背景提前设定三个类型，主要为黑臭水体抑制剂（5~20g/m³水）、蓝藻水华抑制剂（可采用含沉水植物分泌的可生物降解的焦性没食子酸等药剂）以及底泥改良剂。上述药剂的使用时间和用量均依赖遥感数据反演结果的发送指令，应急污染发生时，加药系统与曝气增氧系统共同进行，常规情况下，可周期性调整到底泥的原位治理模式，即通过加药系统释放底泥改良剂。

所述的流域循环调水系统主要包含的是排口水位监测模块和闸门（拍门）等的自动启闭装置，上述模块均与遥感数据反演结果的发送指令模块进行关联，以实现小范围的水位调控，以作为水质达标的常态化保障措施。

本实施例所述的一种基于无人机遥感技术的黑臭水污染应急治理系统的布设均应以待治理水域的水质、水位以及底泥等历史情况为背景进行个性化搭配任务吊舱和无人机飞行航线设定。

具体的说，无人机遥感监测系统包括无人机1和机载高光谱视频相机2、高光谱图像处理单元、电源模块、存储模块和数据传输模块。机载高光谱视频相机2主要获取目标区域的高光谱图像，并对图像进行预处理，将区域划分为多个水体像元；遥感图像处理单元，该单元带有计算机程序，所述计算机程序适于由所述处理器加载并执行如上述任意一项所述的水体蓝藻和水质数据的反演方法，对收集到的高光谱图像进行数据反演，得到对应的水质、蓝藻数据指标，并根据数据将对应的水体像元划分为不同的风险等级；存储模块主要对数据进行存储；数据传输模块用于指令的发送和接收，根据不同的风险等级，对相应区域的微纳米曝气机、加药系统以及流域循环调水系统发送开关和量的调节指令。

精准曝气系统与加药系统并联设计与布置，具体的包括集成化微纳米曝气设备模块、水下溶解氧监测模块、加药模块、太阳能供能模块、布气管道、自动化控制模块等，其中氧气监测模块即水下溶解氧探测仪位于水中，缠绕在布气管道上并关联总控系统，以监测水体中溶解氧的浓度，并存储于自动化控制模块中；布气管道为pvc微纳米曝气软管4固定在球形曝气盘上，分别从微纳米曝气机12中引出，连接微纳米曝气机；自动化控制设备通过无人机遥感监测数据及氧气监测模块数据控制微纳米曝气机和加药系统的启闭时间和量的调节。

流域循环调水系统主要包括流域各已建和未建闸门、水位监控以及其响应的启闭系统，均要联接到本申请的卫星遥感总控系统中，以用于宏观流域内循环的水系调控。

综上所述，微纳米曝气的动力供给为电力供给和太阳能供给的混合动力供给方式，微纳米曝气盘采用球状曝气盘，上面固定PVC曝气管道，不仅可以增加充氧率，还能进一步节约曝气能耗，是有效加强污水处理效能的创新系统。

本实用新型可以解决河湖水环境黑臭问题，如图3所示，具体的处理步骤如下：

（1）水质监测，精准定位水体污染重点区域

实施前，通过无人机遥感监测设备和氧气监测模块对湖泊水体的总氮、总磷、溶解氧、叶绿素a、藻密度、悬浮物、透明度、水位等指标进行监测，根据检测结果，结合现场调查和历年蓝藻分布数据，确定湖泊蓝藻治理重点区域、次重点区域。

其中蓝藻等级划分依据如下：

区域划分	叶绿素a（ug/L）	藻密度（万个/L）	水华特征
				重点区域	chl.a＞50	a＞5000	中、重度水华富集
次重点区域	30＜chl.a≤50	1500＜a≤5000	轻度水华富集
				一般区域	chl.a＜30	a＜1500	无明显水华富集

实施过程中，无人机遥感监测设备对目标治理区域水体的水质、蓝藻数量进行定期跟踪监测，对蓝藻暴发风险及时进行预测、预警，并根据不同的风险等级及时启动相应的响应预案。监测方法为通过采集的遥感数据与水质参数之间，利用遥感机理理论及统计回归等方式建立函数关系，对水质的参数进行反演进而实现水质参数的监测和评估。

（2）精准曝气+加药

实施时将微纳米曝气机、加药装置、控制系统集中安装于地面上，布气管安装于水体水面以下，其中布气管安装高度为距水底50cm左右。微纳米曝气机存在三个档位，当水体检测模块将水体蓝藻水华爆发风险识别为低风险等级且水中含氧量不低于8mg/L时，微纳米曝气机处于低档模式；当水体检测模块将水体蓝藻水华爆发风险识别为中风险等级或水中含氧量处于6mg/L-8mg/L时，微纳米曝气机处于中档模式，此时可辅助启动加药系统，加入黑臭水体抑制剂（含铜药剂等）；当水体检测模块将水体蓝藻水华爆发风险识别为高风险等级或水中含氧量小于6mg/L时，微纳米曝气机处于高档模式，此时可合理加入黑臭水体抑制剂，加快黑臭水体的蔓延速度，尽早控制黑臭态势的发展。

该系统中的加药系统还可在常态化水体保障阶段适当释放底泥原位修复药剂（含钙水溶药剂）以加强水体黑臭的稳定管控。

整体上，曝气增氧+加药系统，组合设备间占地面积小、适用性强、能耗低，稳定性高；增加充氧率后的微纳米气泡上升速度缓慢，在水体停留时间长，气水界面存在溶解、传质、释能等多种物理化学反应，能更高效的降解水体中污染物。通过反演结果去合理设置曝气间隙，使水体内存在好氧、缺氧环境，硝化作用和反硝化作用可以在不同空间内同时进行，有利于水体中总氮的去除，同时能有效去除污水中的磷。

其中曝气设备根据不同的风险等级采取不同的响应方案，具体依据如下：

当目标水体风险等级为低风险且水中含氧量不低于8mg/L时，微纳米曝气机处于低运行模式，加药系统关闭；

当目标水体风险等级为中风险或水中含氧量处于6mg/L-8mg/L时，微纳米曝气机处于中运行模式，加药系统开启；

当内目标水体风险等级为高风险等级或水中含氧量小于6mg/L时，微纳米曝气机处于高运行模式，增加投药量。

（3）流域循环调水系统

该系统要求与通过反演结果自动控制启闭的集合数据接收、发送以及存储模块的中控制系统联接，通过河道黑臭程度，设计引水流量，以改善河道黑臭程度以及流域内水位背景情况小范围循环调水，以作为黑臭治理的保障措施。

具体的说，本实用新型就是以无人机遥感技术辅助现有微纳米曝气系统、加药系统和流域循环调水系统，以控制上述的启闭进行预防、应急和保障，同时在曝气增氧系统中改良供气动力源为太阳能板混合电力的方式，整体上实现了能耗40%的节约、增加了3倍的曝气率，同时联合了中控端的微纳米曝气系统的可控性也变强。具体表现在：一方面，本实用新型能精准定位湖泊中蓝藻水华需重点治理的区域，同时精准识别蓝藻暴发的风险等级，通过高效预警传输后续系统以及时快速做出响应措施；另一方面，本实用新型通过无人机卫星遥感监测反演数据同时控制微纳米曝气系统、辅助加药应急系统以及小范围水系闸门启闭系统，能根据水质情况动态调整曝气增氧、加药控制和生态引水调控等措施，是兼顾预警、应急和常态化防控的水污染治理的多重保险措施；最后的，本实用新型使用以太阳能和电能混合作为曝气设备运转的直接动力，优化了传统曝气设备耗电量高的缺点，能充分利用河湖水面大范围吸收太阳光供能，同时，球形的曝气支撑增加了曝气管的布置以及和水体的接触，也增加了3倍的充氧率，是节能高效、经济可靠的综合治理模式。

以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (3)

1.一种基于无人机遥感的自启动水污染治理系统，包括无人机遥感监测系统，无人机遥感监测系统用于获取卫星遥感监测图像，其特征在于，还包括微纳米曝气系统、自动加药系统及流域循环调水系统以及地面总控制系统（14）；

所述无人机遥感监测系统、微纳米曝气系统、自动加药系统及流域循环调水系统分别与地面总控制系统通讯连接；

所述微纳米曝气系统和加药系统采用并联的方式；

所述微纳米曝气系统使用球形曝气支撑（3），曝气支撑外固定PVC微纳米曝气软管（4），PVC微纳米曝气软管（4）与曝气支管（7）连接，曝气支管（7）与曝气主管（8）连接用于给曝气软管提供气体，同时曝气支管（7）上缠绕水下溶解氧探测仪（5），所述水下溶解氧探测仪（5）将溶解氧探测结果传输到地面总控制系统（14），通过地面总控制系统（14）关联微纳米曝气系统以及加药系统的启闭系统。

2.根据权利要求1所述的基于无人机遥感的自启动水污染治理系统，其特征在于：所述微纳米曝气系统还包括供电模块，所述供电模块为在室外设备间（16）另设太阳能板面（15），太阳能板面（15）连接到微纳米曝气系统的电控总箱。

3.根据权利要求1所述的基于无人机遥感的自启动水污染治理系统，其特征在于：所述的流域循环调水系统包括流域排口闸门水位探测仪（10）和流域闸门自动启闭装置，所述流域排口闸门水位探测仪（10）和流域闸门自动启闭装置分别与地面总控制系统通讯连接。