一种河道监测用河流浊度监测装置及方法与流程

本发明属于河道监测，尤其涉及一种河道监测用河流浊度监测装置及方法。

背景技术：

1、河流浊度是反映水体中悬浮物含量的关键水质参数，直接关系到饮用水安全、水生态健康及河道综合治理效果。然而，现有的河流浊度监测手段存在诸多技术短板：传统人工采样—实验室分析模式时效性差，无法反映浊度的实时动态变化；固定式在线监测站虽能实现连续监测，但设备投资大、维护成本高，且受取水管道沉积物堵塞影响，数据可靠性随运行时间显著下降。近年来出现的光学浮标式浊度监测装置虽实现了浸水式原位测量，但仍面临三个核心难题：

2、其一，光学浊度探头长期浸没于水体中，其测量窗面极易被藻类生物膜、泥沙结垢覆盖，导致光路衰减和散射特性改变，造成测量值逐渐漂移，现有依赖人工定期清洗的方式难以及时恢复探头精度；

3、其二，浊度的光学测量受水体温度变化影响显著—温度改变水的折射率及颗粒物的布朗运动强度，进而影响后向散射光强度，而现有装置缺乏对温度漂移的系统性校正手段；

4、其三，在强降雨或汛期高流速工况下，水底沉积物被冲刷翻滚，造成水体浊度瞬时急剧升高，这种“伪影性”浊度激增并非水体污染程度的真实反映，但现有算法无法有效区分水流搅动引入的干扰与真实水质恶化信号，导致误报警频发。

5、因此，亟需一种具备自清洁能力、多物理量同步感知及智能数据校正功能的河流浊度监测装置与方法，实现浊度数据的长期稳定、精准输出。

技术实现思路

1、本发明实施例的目的在于提供一种河道监测用河流浊度监测装置，旨在解决上述问题。

2、本发明是这样实现的，一种河道监测用河流浊度监测装置，包括：浮体主架、水样采集腔、多源传感节点、自清洁机构以及中央数据处理模块；

3、所述浮体主架用于提供水面悬浮支撑，所述水样采集腔设置于所述浮体主架底部，且腔体两侧开设有导流孔以允许河水流经；

4、所述多源传感节点及所述自清洁机构均安装于所述水样采集腔内部；所述自清洁机构位于所述多源传感节点的测量端面外侧；

5、所述中央数据处理模块密封安装于所述浮体主架顶部，分别与所述多源传感节点及所述自清洁机构进行电性连接。

6、进一步的技术方案，所述自清洁机构包括微型驱动电机、丝杠导轨、往复式机械刮刷以及超声波换能器；

7、所述微型驱动电机通过所述丝杠导轨带动所述往复式机械刮刷在所述多源传感节点的测量端面上贴合滑动；

8、所述超声波换能器嵌设于所述水样采集腔内壁，用于通过高频空化效应剥离附着于传感节点的生物膜与泥沙结垢。

9、3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述多源传感节点内嵌有基于后向散射原理的光学浊度探头、超声波多普勒流速探头以及高精度热敏电阻温度探头，分别用于同步获取水体浊度、河水流速以及水体温度数据，并将采集信号实时传输至所述中央数据处理模块。

10、一种基于上述任一项所述装置的河流浊度监测方法，包含以下步骤：

11、s1：装置部署，将装置锚定于待测河道，通过多源传感节点同步采集原始浊度、实时流速与水温数据；

12、s2：自清洁触发，中央数据处理模块基于设定的时间周期或浊度异常波动阈值，驱动自清洁机构执行机械刮刷与超声波除垢；

13、s3：多维数据耦合处理，对采集到的原始浊度进行基于温度补偿与流速标定的数学模型修正；

14、s4：状态预警，根据修正后的最终浊度值，计算河流健康综合预警指数，并在超标时触发远端报警。

15、进一步的技术方案，步骤s3中，针对水体温度变化引起水汽折射率与光学散射特性改变进而导致的测量误差，建立基于温度无量纲化的浊度补偿模型，对原始浊度测量值进行修正，具体计算方式为：

16、先计算实时水体温度减去该河段历史统计最低水温阈值，得到温度差值；再计算该河段历史统计最高水温阈值减去最低水温阈值，得到温度极差；用温度差值除以温度极差，得到归一化温度变量；再用一次项补偿系数乘以该归一化温度变量，得到一次修正项；用二次项热漂移补偿系数乘以归一化温度变量的平方，得到二次修正项；将一加上一次修正项加上二次修正项，得到温度补偿因子；最后将原始浊度测量值乘以该温度补偿因子，得到经温度补偿后的浊度值。

17、进一步的技术方案，步骤s3中，针对强降雨或汛期高流速导致水底泥沙瞬时翻滚从而引发浊度基础值伪影干扰的问题，进一步建立基于流速归一化的浊度动态标定模型，具体计算方式为：

18、先计算实时河流流速减去静态水流流速阈值，得到流速差值；再计算满载洪汛流速上限阈值减去静态水流流速阈值，得到流速极差；用流速差值除以流速极差，得到归一化流速变量；再计算泥沙沉降干扰阻尼系数乘以该归一化流速变量，并对该乘积取负值后以自然常数e为底计算指数函数值；最后将经温度补偿后的浊度值乘以该指数函数值，得到消除水流搅动干扰后输出的真实河流标定浊度值。

19、进一步的技术方案，步骤s4中，利用时序耦合逻辑构建用于河道水质瞬态评价与趋势预判的综合预警指数模型，具体计算方式为：

20、先计算当前采样周期的最终标定浊度值除以该河道水环境保护标准规定的安全浊度上限值，得到静态超标因子；

21、再计算相邻两个采样周期内的浊度变化量的绝对值除以安全浊度上限值与采样时间间隔的乘积，再乘以固定取值为1秒的归一化时间常数，得到动态恶化趋势因子；

22、将静态评价状态权重系数乘以静态超标因子，加上动态恶化趋势权重系数乘以动态恶化趋势因子，得到综合预警指数；其中两个权重系数之和等于一；

23、当最终标定浊度值大于或等于安全浊度上限值，或者综合预警指数大于或等于一时，系统判定水体处于重度浑浊状态并自动触发高频采样与告警。

24、相比于现有技术，本发明的有益效果：

25、本发明的装置通过浮体主架与水样采集腔的浸水式一体化结构设计，多源传感节点直接浸泡于流经水样采集腔的河水中，实现了原位实时监测，避免了传统取水管路采样带来的沉积物堵塞和水样滞后问题，保证了监测数据的真实性与时效性。

26、本发明采用机械刮刷与超声波空化协同作用的双重自清洁机构——往复式机械刮刷通过丝杠导轨带动刮片贴合测量端面滑动，物理去除附着污物；超声波换能器产生高频空化效应，剥离生物膜与微米级结垢，二者交替或协同工作，有效延长了探头维护周期，保障了长期监测数据的准确性与稳定性。

27、本发明建立了基于温度无量纲化的浊度补偿模型，利用归一化温度变量的一次与二次项修正光学散射的温度漂移误差，有效消除了水温季节性变化及昼夜温差对浊度测量造成的系统性偏差；同时进一步构建基于流速归一化的浊度动态标定模型，通过指数衰减函数对高流速搅动引起的泥沙翻滚伪影进行数学剥离，使输出的最终浊度值真实反映水体悬浮物浓度，显著降低了强降雨及汛期的误报警率。

28、本发明构建了综合预警指数模型，将当前浊度静态超标因子与浊度变化率的动态恶化趋势因子加权融合，同时从“当前状态是否超限”与“未来趋势是否恶化”两个维度综合评价水体健康风险，兼具瞬态评价与趋势预判能力，提高了预警的准确性与提前量，为河道水环境管理提供了可靠的决策支撑。