一种基于河道污染底泥生态修复系统及方法与流程

本发明涉及河道污染底泥修复，具体为一种基于河道污染底泥生态修复系统及方法。

背景技术：

1、河道污染底泥治理中，底泥空间分布特征的精确识别一直是技术难点。现有的底泥调查手段多依赖人工采样与实验室分析，采样点布设稀疏导致空间代表性不足，难以完整描绘河段内污染底泥的连续分布形态。部分技术引入声学探测设备进行底泥厚度测量，但声学数据仅能反映底泥物理分层特征，无法直接表征底泥有机质含量及污染负荷等级。多光谱遥感虽具备大面积同步观测能力，在浅水河道环境中受水体散射效应和悬浮颗粒干扰，底泥反射光谱信号被上覆水体强烈衰减，提取的底泥光谱特征与真实污染指标间的映射关系不稳定。现有技术缺乏将遥感宏观探测与底泥污染程度定量反演有效融合的手段，导致污染底泥空间分布识别精度不足，难以支撑后续差异化精准修复作业。河道底泥修复过程中，曝气推流装置的运行调控通常依赖固定时间表或单一溶解氧监测数据触发。这种调控方式忽略了河段内不同区域底泥污染释放潜势的显著空间差异，装置布设点位选择缺乏与污染分布格局的量化关联。在装置投放作业环节，传统的水面船舶路径规划方法仅考虑目标点坐标序列，未将河道水深浅滩限制区域纳入约束条件进行动态避让，也未针对水面风场扰动引起的船舶航行漂移进行实时补偿计算。当风速风向变化导致船舶偏离预定航线时，作业系统无法在漂移累积量超出安全阈值前执行路径重构，投放点位精度和作业安全性难以兼顾。装置运行阶段，曝气推流强度与底泥扰动程度的匹配关系缺少基于底泥释放动力学模型的预测机制，无法根据实时水动力条件和水质状态对溶解氧补给效率进行前馈调节。

技术实现思路

1、本发明目的在于提供一种基于河道污染底泥生态修复系统及方法，通过多光谱遥感技术实现污染底泥空间分布与水质状态的同步感知，并根据底泥污染负荷与水质的空间耦合关系确定修复装置的差异化布置与运行策略，实现底泥扰动强度和溶解氧补给效率的实时调控。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

3、本发明提供一种基于河道污染底泥生态修复方法，包括以下步骤：

4、基于多光谱遥感设备获取目标河段的底泥分布遥感数据和上覆水体的水质参数反演数据，根据所述底泥分布遥感数据确定目标河段的污染底泥空间分布情况。作为一个优选的实施方案，采用自适应中值滤波算法对底泥分布遥感数据进行斑点噪声抑制，引入经验模态分解算法进行数据分解获得若干本征模态分量，通过对本征模态分量进行希尔伯特谱分析构建时频能量分布矩阵，进而计算各波段区间的反射率均值、反射率峰值、反射率积分面积和反射率变异系数，得到底泥污染特征光谱曲线。将各采样点的底泥污染特征光谱曲线进行空间坐标配准，构建三维底泥污染特征光谱场，利用该光谱场确定各采样点的底泥有机质含量，构建目标河段的污染底泥空间分布等值线图和底泥污染负荷梯度场，由此准确获取污染底泥的空间分布全貌，为后续精准修复提供依据。

5、根据所述水质参数反演数据构建目标河段的水质动态模型，并结合污染底泥空间分布情况确定太阳能曝气推流一体化装置的协同运行策略。具体实施时，通过对水质参数反演数据进行时空克里金插值解析，构建水质参数张量场，利用随机森林分类器对吸收光谱特征进行污染源类型识别，生成包含溶解氧浓度、叶绿素a含量、浊度值和污染源类型标签的水质动态模型。将该模型与污染底泥空间分布情况进行空间叠置分析，构建底泥-水质耦合三维空间响应模型并进行体素化划分，通过层次聚类算法将具有相近底泥污染释放潜势的体素子区域进行聚合。根据聚合结果评估每个体素子区域底泥污染物向上覆水体的释放概率，进而确定目标河段每个空间位置的修复需求强度得分，并据此生成包含是否进行曝气推流作业及曝气推流作业强度需求信息的修复作业需求信息。作为本发明的一个技术方案，依据修复作业需求信息和装置对溶解氧的提升效率数据，确定装置对各空间位置进行作业的作用距离，从而获得装置的最优布设点位集合。在投放路径规划时，进一步获取每个布设点位的坐标和水深浅滩限制区域，采用蚁群算法规划水面船舶从初始停泊位置出发的最短初始投放路径，将水深浅滩限制区域设为禁止通行区域，确保投放路径的可行性与安全性。考虑到水面作业的复杂性，实时获取船舶航行过程中的姿态变化、水面风速风向以及航行稳定性数据，判断在感应响应时间内的航行路径漂移累积量。当漂移累积量小于预设阈值时，计算漂移方向和距离并据此进行实时纠偏；当漂移累积量大于预设阈值时，构建风场变化时序图以确定风场演变趋势，基于反距离加权插值确定预设范围内的风场信息，结合船舶抗倾覆能力对风险区段的路径进行重构，生成安全可靠的投放策略，从而实现装置布设与运行策略的动态优化。

6、太阳能曝气推流一体化装置依据所述协同运行策略启动作业，实时获取目标河段的水动力参数和水质参数，并据此对底泥扰动强度和溶解氧补给效率进行实时调控，以得到底泥污染物释放抑制数据。本发明的一个优选方案中，装置通过集成于底部的声学多普勒流速剖面仪获取各水层的流速剖面数据，通过集成于中部的多参数水质传感器获取溶解氧浓度、ph值、水温等水质参数。获取不同污染负荷等级底泥的标准扰动释放曲线数据并标注污染物种类，基于深度残差网络构建并训练底泥释放预测模型。将实时获取的水动力参数和水质参数拼接为特征向量序列导入训练完成的模型，通过自适应池化层对齐时间步长，利用残差连接的卷积层提取参数间的非线性耦合特征，最终输出每个采样断面的底泥污染物释放通量预测值，并计算单位面积污染物释放速率，形成河道全段的底泥污染物释放抑制数据。通过上述闭环调控，实现对底泥内源污染释放的持续、高效抑制，恢复水体自净能力。

7、本发明还包括一种基于河道污染底泥生态修复系统，该系统包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器在执行所述计算机程序时，实现上述一种基于河道污染底泥生态修复方法的步骤，从而通过软硬件的协同配合，自动化完成从遥感诊断、策略规划到装备投放与生态修复的全过程。

8、本发明的有益效果：

9、通过多光谱遥感设备同步获取底泥分布遥感数据与上覆水体水质参数反演数据，采用自适应中值滤波与经验模态分解相结合的算法对底泥分布遥感数据进行噪声抑制和时频分析，从本征模态分量的瞬时频谱和瞬时能量中提取多波段反射率均值、峰值、积分面积和变异系数以构建底泥污染特征光谱曲线，并结合采样点空间坐标配准形成三维底泥污染特征光谱场，进而反演每个采样点的底泥有机质含量，生成污染底泥空间分布等值线图与污染负荷梯度场；该技术手段突破了上覆水体散射效应对底泥光谱的干扰，从复杂水体光学环境中分离出表征底泥污染程度的定量光谱特征，实现了大面积河道污染底泥空间分布的精细化识别，解决了人工采样空间代表性不足与声学方法无法表征污染负荷等级的缺陷。通过将污染底泥空间分布情况与水质动态模型进行空间叠置分析构建底泥-水质耦合三维空间响应模型，对模型进行体素化划分后基于层次聚类算法将底泥污染释放潜势相近的子区域聚合，根据每个体素子区域的底泥污染物释放概率与空间位置信息评估空间修复需求强度得分，并依据得分确定曝气推流作用距离以生成装置布设点位集合和协同运行策略；在装置布设投放阶段，利用蚁群算法规划路径时将水深浅滩限制区域设为不可访问节点并参与启发式信息计算，同时引入水面船舶抗倾覆能力数据与风场感应响应时间数据判断感应响应时间内的航行路径漂移累积量，对漂移累积量超出预设阈值的路径区段依据风场演变趋势进行路径重构；通过污染负荷空间差异与修复需求强度的量化关联实现装置布设点位的精准选址，配合浅滩限制区域约束下动态避让与风致漂移路径重构机制，在保障航行安全的条件下提高投放点位精度与修复资源空间配置效率。