一种基于区域定位的农村水污染环境预警系统的制作方法

本发明属于水污染监测预警，尤其涉及一种基于区域定位的农村水污染环境预警系统。

背景技术：

1、农村河道、水渠等水体通常需要通过设置水质监测点，对污染物浓度、水体流速等参数进行采集，并根据监测结果判断水体污染状态。通过在不同区域设置监测点并获取相应位置的水质数据，可以为农村水污染监测及污染区域识别提供数据基础。

2、现有农村水污染监测方式通常以定点采样或者静态监测为主，在水体流动较缓或者污染物存在附着、沉积的情况下，常规采样所获得的污染物浓度数据可能难以充分反映监测区域内污染物的实际分布情况，从而影响监测数据的代表性。同时，不同监测点采集的污染物浓度、流速等数据通常相对独立，多个监测点之间的数据缺少与监测位置及采集时间相对应的关联关系，因而难以根据上下游监测数据确定污染物沿河道的传播关系和传播路径。

3、此外，在突发性排污等情况下，仅依据单个监测点的污染物浓度变化进行判断，难以结合污染物在不同监测位置之间的传播情况确定连续的污染异常区段，导致重点监测区域的确定缺乏相应的传播路径依据，进而影响水污染监测预警的针对性。

4、因此，如何提高农村水体污染监测数据的代表性，建立不同监测点之间的时空关联，并据此确定污染物传播路径和重点监测区域，是现有农村水污染监测预警中需要解决的问题。

技术实现思路

1、为解决现有技术存在的问题，本发明提出一种基于区域定位的农村水污染环境预警系统。

2、本发明的技术方案如下：

3、一种基于区域定位的农村水污染环境预警系统，包括扰动设备、设置于河道下游的多个监测点以及控制处理装置，所述控制处理装置包括扰动流场采样模块、信号触发与传播模块、数据响应监测模块、污染路径推算模块和风险评估反馈模块；

4、所述扰动流场采样模块，用于在所述扰动设备启动前采集河道入口区域的背景流速和背景污染物浓度，根据所述背景流速控制所述扰动设备在河道入口区域形成扰动流场，并采集扰动状态下的实时流速和实时污染物浓度；

5、所述信号触发与传播模块，用于按照预设的扰动信号释放参数控制所述扰动设备以脉冲式气体释放方式生成扰动信号，并记录所述扰动信号的初始释放时间、释放压力值和释放持续时长；

6、所述数据响应监测模块，用于监测所述扰动信号沿河道向下游传播的过程，采集所述扰动信号到达各监测点的到达时间，以及各监测点对应的流速和污染物浓度；

7、所述污染路径推算模块，用于根据各监测点的空间坐标、所述到达时间、流速和污染物浓度，对多个监测点的监测数据进行时空关联，并根据相邻监测点之间的传播时间关系和空间位置关系确定污染物的传播方向，生成污染路径数据；

8、所述风险评估反馈模块，用于将各监测点的实时污染物浓度与对应的污染物浓度异常判定阈值进行比较，以确定浓度异常监测点，并根据所述浓度异常监测点的空间坐标和所述污染路径数据生成重点监测区域。

9、进一步地，所述扰动流场采样模块按照时间顺序执行背景数据采集和扰动数据采集；

10、所述背景数据包括所述扰动设备启动前采集的背景流速和背景污染物浓度；

11、所述扰动数据包括所述扰动流场形成后采集的实时流速和实时污染物浓度；

12、所述扰动流场采样模块根据采集时间分别对所述背景数据和所述扰动数据进行时间标记，以获得对应的背景状态数据和扰动状态数据。

13、进一步地，所述扰动设备包括旋转叶片和气体注入组件；

14、所述扰动流场采样模块包括转速调节控制子模块和气压注入子模块；

15、所述转速调节控制子模块用于调节所述旋转叶片的转速，并将所述旋转叶片的转速转换为叶片外缘线速度，根据所述叶片外缘线速度与所述背景流速之间的偏差调节所述旋转叶片的转速；

16、所述气压注入子模块用于在所述旋转叶片转速调节后控制所述气体注入组件进行气体注入，以形成所述扰动流场。

17、进一步地，所述转速调节控制子模块按照下式将所述旋转叶片的转速转换为所述叶片外缘线速度：

18、u=πdn/60；

19、其中，u为所述叶片外缘线速度，d为所述旋转叶片的直径，n为所述旋转叶片的转速；

20、所述转速调节控制子模块在所述叶片外缘线速度与所述背景流速之间的偏差大于预设偏差阈值时，按照预设转速调节步长调节所述旋转叶片的转速，并在所述偏差不大于所述预设偏差阈值且连续预设数量的采样周期保持稳定时终止转速调节。

21、进一步地，所述信号触发与传播模块包括扰动信号生成子模块；所述扰动信号生成子模块用于按照预设的气体释放压力和释放持续时长控制所述气体注入组件，以脉冲式气体释放方式生成所述扰动信号，并记录每次扰动信号对应的初始释放时间、释放压力值和实际释放持续时长。

22、进一步地，所述数据响应监测模块包括信号到达监测子模块和数据处理子模块；

23、所述信号到达监测子模块用于根据所述扰动信号的初始释放时间，采集所述扰动信号到达各监测点的到达时间以及对应时刻的流速和污染物浓度；

24、所述数据处理子模块用于按照监测点的排列顺序计算相邻监测点之间的信号到达时间差，并调用卡尔曼滤波模型对所述信号到达时间差进行滤波处理，获得滤波后的信号到达时间差。

25、进一步地，所述污染路径推算模块包括数据整合子模块和区段传播分析子模块；

26、所述数据整合子模块用于按照时间戳和监测点编号，对各监测点的空间坐标、所述滤波后的信号到达时间差、流速和污染物浓度进行关联；

27、所述区段传播分析子模块用于按照多个监测点沿河道的排列顺序，将相邻监测点之间的河道划分为多个传播区段，并根据各传播区段两端监测点之间的空间位置关系和所述滤波后的信号到达时间差确定对应传播区段的传播方向和传播时间。

28、进一步地，所述污染路径推算模块还包括路径解析子模块；

29、所述路径解析子模块用于将各传播区段的传播方向按照监测点排列顺序进行连接，并根据相邻传播区段之间的传播方向变化确定传播路径的转折或延伸；

30、将各监测点的实时污染物浓度与对应的背景污染物浓度进行比较，获得各监测点对应的污染物浓度变化，并将所述污染物浓度变化与对应的传播区段进行关联，根据所述传播区段及其对应的污染物浓度变化生成所述污染路径数据。

31、进一步地，所述风险评估反馈模块包括浓度异常判定子模块和重点区域生成子模块；

32、所述浓度异常判定子模块用于获取各监测点的实时污染物浓度以及对应污染物的背景污染物浓度，根据所述背景污染物浓度确定所述污染物浓度异常判定阈值，并将所述实时污染物浓度与所述污染物浓度异常判定阈值进行比较，以确定浓度异常监测点；

33、所述重点区域生成子模块用于根据沿污染路径连续分布的浓度异常监测点确定浓度异常区段，并结合污染路径数据以及对应监测点的空间坐标生成所述重点监测区域。

34、进一步地，所述浓度异常判定子模块用于根据背景污染物浓度时间序列计算背景污染物浓度均值和背景污染物浓度标准差，并将所述背景污染物浓度均值与预设倍数的所述背景污染物浓度标准差之和确定为所述污染物浓度异常判定阈值。

35、相比于现有技术，本发明具有如下有益效果：

36、本发明首先在扰动设备启动前采集河道入口区域的背景流速和背景污染物浓度，并根据背景流速控制扰动设备形成扰动流场，在扰动状态下进一步采集实时流速和实时污染物浓度，由此将未扰动状态下的背景数据与扰动状态下的监测数据相结合，能够避免直接以扰动后的水体状态作为背景判断依据，并有利于使附着或沉积状态下的污染物参与监测过程，提高污染物监测数据对水体污染状态的表征能力。

37、在此基础上，本发明通过生成具有确定初始释放时间、释放压力值和释放持续时长的扰动信号，并在河道下游设置多个监测点，采集扰动信号到达各监测点的到达时间以及对应的流速和污染物浓度，使不同监测位置获得的监测数据能够按照时间和空间位置建立关联；通过对相邻监测点之间的信号到达时间关系进行处理，可以降低单一监测点数据难以反映污染物传播过程的影响，为确定不同河道区段之间的污染传播关系提供时空数据基础。

38、进一步地，本发明根据各监测点的空间坐标、信号到达时间、流速和污染物浓度，对多个监测点的监测数据进行时空关联，并结合相邻监测点之间的传播时间关系和空间位置关系确定污染物的传播方向，由此生成污染路径数据，使污染风险分析不仅依据单个监测点的污染物浓度变化，还能够结合污染物在不同监测位置之间的传播关系进行判断，有利于提高污染传播路径识别的完整性。

39、此外，本发明根据背景污染物浓度确定污染物浓度异常判定阈值，对各监测点的实时污染物浓度进行异常判断，并将浓度异常监测点的空间位置与污染路径数据相结合生成重点监测区域，从而能够将污染物浓度异常信息与污染传播位置关系进行关联，便于确定需要重点监测的连续河道区域，提高农村水污染监测预警的针对性。