一种基于多源传感器融合的地下水监测系统的制作方法

本发明涉及地下水污染监测，特别是一种基于多源传感器融合的地下水监测系统。

背景技术：

1、随着污染场地监管由阶段性取样评价向长期动态监测发展，地下水监测技术已逐渐由人工定期采样和实验室检测，转向结合水位、电导率、氧化还原电位及目标污染物浓度等多源数据的在线或半在线监测模式，对于已经形成污染羽的场地而言，污染物浓度并非仅受降解或稀释作用影响，还会随地下水主流向、含水层渗透性差异以及局部水力扰动发生空间迁移，因此，在污染羽中心区域布设监测井并跟踪其浓度变化，已成为判断污染羽演化状态和修复效果的重要手段。

2、然而，现有地下水污染监测系统在判断污染羽消退状态时，仍依赖污染羽中心井的污染物浓度变化，当中心井污染物浓度下降时，该变化既可能源于污染物原位衰减，也可能源于污染羽向下游或侧向转移后形成的表观降低，由于现有技术缺少对中心井浓度下降来源的分层判别机制，难以区分真实消退与转移式伪消退，导致后续采样频率调整和风险井位锁定缺乏可靠依据。

技术实现思路

1、第一方面，本发明提供了一种基于多源传感器融合的地下水监测系统，其包括监测控制模块、采样控制模块以及数据处理模块；

2、监测控制模块，通过水位传感器、电导率传感器、氧化还原电位传感器以及目标污染物浓度在线监测仪，获取水位数据、电导率数据、氧化还原电位数据以及目标污染物浓度数据；

3、采样控制模块，用于响应数据处理模块的控制指令，对污染羽中心井进行低幅度水力扰动，并调整各监测井的采样频率；

4、数据处理模块，包括根据污染羽中心井的目标污染物浓度序列识别浓度下降事件；

5、在识别到浓度下降事件后，控制采样控制模块对污染羽中心井施加低幅度水力扰动，并获取周边监测井在停止扰动后的恢复段水位序列；

6、基于周边监测井相对于地下水主流向的空间方位，根据恢复段水位序列，从周边监测井中筛选出迁移候选通道；

7、上述筛选的依据，包括周边监测井的水位响应强度和水力响应顺序；

8、在迁移候选通道内，在未利用恢复段水位序列确定时间起算点的条件下，根据候选井自身的目标污染物浓度上扬事件，以及电导率或氧化还原电位的变化，确定候选井是否形成有效化学响应事件；

9、根据迁移候选通道内有效化学响应事件的形成情况，判别污染羽中心井的浓度下降事件的来源；

10、根据浓度下降事件的来源，通过采样控制模块调整后续采样策略。

11、作为本发明所述基于多源传感器融合的地下水监测系统的一种优选方案，其中：所述污染羽中心井为历史调查中，在污染羽主体区域或污染物浓度主控区域的监测井；

12、所述周边监测井，包括在污染羽中心井下游方向的下游监测井、在污染羽中心井侧向方向的侧向边界井以及在污染羽中心井上游方向的背景井；

13、所述数据处理模块，将井筒换水体积达到井筒积水体积的预设倍数以上、采样前后预设时长内未进行扰动作业、且目标污染物浓度检测值处于仪器标定曲线线性范围内的采样周期，确定为有效采样周期。

14、作为本发明所述基于多源传感器融合的地下水监测系统的一种优选方案，其中：所述数据处理模块，根据污染羽中心井当前有效采样周期的目标污染物浓度，以及当前有效采样周期之前，连续n个有效采样周期的目标污染物浓度，识别浓度下降事件，其中n为有效采样周期数量；

15、当污染羽中心井当前目标污染物浓度，相对于连续n个有效采样周期的浓度均值，得到的下降比例，达到预设下降比例，且当前目标污染物浓度，低于连续n个有效采样周期中的第p个采样周期的目标污染物浓度时，数据处理模块输出浓度下降事件，p为采样周期索引。

16、作为本发明所述基于多源传感器融合的地下水监测系统的一种优选方案，其中：所述数据处理模块，在输出浓度下降事件后，控制采样控制模块对污染羽中心井施加低幅度水力扰动，并获取各周边监测井在停止扰动后的恢复段水位序列；

17、对恢复段水位序列进行滤波处理，根据相邻采样点的水位变化量生成恢复响应强度序列，并根据恢复段起始部分采样点的恢复响应强度，确定背景响应强度；

18、当周边监测井在恢复段内，存在连续多个采样点的恢复响应强度，均达到背景响应强度的预设倍数时，将该周边监测井标记为可响应井；

19、否则，将该周边监测井标记为无响应井。

20、作为本发明所述基于多源传感器融合的地下水监测系统的一种优选方案，其中：所述数据处理模块，仅对可响应井进行迁移候选通道筛选；

21、将可响应井中，最早满足响应条件的采样点作为水力响应排序量；

22、当两口及以上可响应井的水力响应排序量相同时，以对应恢复响应强度的峰值大小确定排序先后；

23、根据可响应井相对于地下水主流向的夹角，将可响应井划分为主要下游候选井、侧向偏转候选井和非候选井，并由主要下游候选井以及满足排序条件的侧向偏转候选井，形成迁移候选通道：

24、排序条件为：该侧向偏转候选井的水力响应排序量，早于任一已入选的主要下游候选井，或其水力响应排序量处于全部可响应井排序的前z个，z为比例值。

25、作为本发明所述基于多源传感器融合的地下水监测系统的一种优选方案，其中：所述数据处理模块，对迁移候选通道内的候选井，建立近期浓度基线和浓度波动基准；

26、所述近期浓度基线，由候选井在浓度下降事件发生前，连续m个有效采样周期的目标污染物浓度的中位数确定，m为有效采样周期数量；

27、所述浓度波动基准，由连续m个有效采样周期的目标污染物浓度，相对于近期浓度基线的偏差的中位数确定；

28、当浓度波动基准为零时，以目标污染物浓度采集系统的最小检出分辨率作为浓度波动基准。

29、作为本发明所述基于多源传感器融合的地下水监测系统的一种优选方案，其中：所述数据处理模块，对候选井进行连续采样，形成三点浓度观察组；

30、当三点浓度观察组中，至少存在两个上扬关系，且三点浓度观察组中，最后一个采样点相对于第一个采样点的净上扬量大于浓度波动基准，并且当前目标污染物浓度相对于近期浓度基线的上扬幅度，达到或超过浓度波动基准的设定倍数时，将当前采样时刻确定为该候选井的化学确认起点。

31、作为本发明所述基于多源传感器融合的地下水监测系统的一种优选方案，其中：所述数据处理模块以化学确认起点为起点，在连续有效采样周期内，检测该候选井的电导率或氧化还原电位，是否相对于该候选井在浓度下降事件发生前，连续m个有效采样周期的电导率中位数或氧化还原电位中位数发生偏离；

32、当候选井形成目标污染物浓度上扬事件，并且电导率或氧化还原电位的偏离幅度达到预设水化学偏离阈值时，将该候选井标记为形成有效化学响应事件；

33、当候选井未形成目标污染物浓度上扬事件，或者电导率及氧化还原电位均未达到预设水化学偏离阈值时，将该候选井标记为未形成有效化学响应事件。

34、作为本发明所述基于多源传感器融合的地下水监测系统的一种优选方案，其中：所述数据处理模块，根据迁移候选通道内有效化学响应事件的数量和空间相邻关系，判别污染羽中心井的浓度下降事件来源；

35、当迁移候选通道内存在空间相邻的候选井，且均形成有效化学响应事件时，将污染羽中心井的浓度下降事件，判别为转移式伪消退；

36、当迁移候选通道内仅一口候选井形成有效化学响应事件时，将污染羽中心井的浓度下降事件，判别为待复核的转移式伪消退；

37、当迁移候选通道内未形成有效化学响应事件，且污染羽中心井处于有效采样周期时，将污染羽中心井的浓度下降事件，判别为原位衰减式真消退；

38、当迁移候选通道内未形成有效化学响应事件，且污染羽中心井未处于有效采样周期时，将污染羽中心井的浓度下降事件，判别为井筒滞后混合伪异常。

39、作为本发明所述基于多源传感器融合的地下水监测系统的一种优选方案，其中：所述数据处理模块，根据污染羽中心井的浓度下降事件来源，通过所述采样控制模块调整后续采样策略；

40、当判别为转移式伪消退时，将形成有效化学响应事件，且位于下游风险方向的候选井，设为临时主控井，并提高临时主控井、临时主控井下游相邻井以及污染羽中心井的采样频率；

41、当判别为待复核的转移式伪消退时，将形成有效化学响应事件的候选井，设为复核井，并提高复核井及其下游相邻井的采样频率；

42、当判别为原位衰减式真消退时，维持当前采样频率；

43、当判别为井筒滞后混合伪异常时，对污染羽中心井执行重新换水采样。

44、本发明有益效果为：通过数据处理模块被配置为先根据水位序列筛选迁移候选通道，再在通道内根据污染物浓度及电化学参数确认化学响应，且水位序列不用于确定化学响应到达时间，这一配置使水力筛选与化学确认在系统内功能性解耦，从设计层面避免了因水力响应与溶质迁移时间尺度不一致导致的误判；

45、数据处理模块输出多类型来源判别结果后，采样控制模块据此自动执行差异化的采样策略调整，实现了从识别、判别到策略调整的闭环自动化，使监测资源自适应聚焦于高风险路径；

46、监测控制模块集成的多源传感器数据，在判别逻辑中被分层使用而非简单融合，水位用于空间筛选、电化学参数用于辅助确认、污染物浓度作为主判断依据，使系统对单一传感器噪声具有天然容错能力。