一种实时监测海河湖库疏浚过程中二次污染的系统及方法与流程

1.本发明涉及一种监测疏浚过程中二次污染的系统及方法，尤其涉及一种实时监测海河湖库疏浚过程中二次污染的系统及方法。


背景技术：

2.为了改善河湖水质、保证河道正常的泄洪能力及通航能力，我国的湖泊、河道都在开展大规模的疏浚和清淤工程。国内海河湖库的清淤疏浚大多采用环保绞吸式疏浚船进行作业，这种方式在作业过程中带来底泥和水体的扰动，容易造成底泥中的污染物扩散到水体中，目前施工过程中对疏浚过程中污染物扩散缺乏了解，导致在施工中无法及时调整工艺参数减少污染影响。现有的疏浚环境影响监测大多针对疏浚工程前后，如申请号为201910841520.8的中国发明专利公开《一种基于cim和gis的生态清淤智慧管控系统及方法》，通过cim和gis对疏浚前中后的底泥、水质、生物情况分析可得污染物和生物的平面分布、垂直分布规律。但该系统存在以下缺陷：
3.①
该发明专利的采用采样、分析的方式调查底泥、水质、生物情况，工作流程繁杂、耗时耗力；
4.②
污染物扩散情况是根据采样、分析结果进行拟合计算得来，数据具有间断性和延时性，不利于及时指导施工工艺改进；
5.申请号为201820566673.7的中国实用新型专利《水质在线监测仪及水质在线监测系统》，通过自动化操作水样采样、试剂反应和废液排出步骤可对水体的氨氮含量进行在线测定。但该系统存在以下不足：
6.①
该实用新型专利测定的污染物类型受测定方法和试剂限制，当增加所需测定的污染物类型时需在系统中增加相应的控制模块和试剂；
7.②
系统只能对取样器位置的水质进行检测分析，当不同监测点间水位发生变化时需不断调整取样器位置；
8.③
采用化学实验法测定污染物指标，结果数据具有一定的间断性和延时性，不利于及时指导施工工艺改进。
9.目前疏浚过程中对二次污染大多采用取样、保存、化验分析或者利用水质在线监测仪的方式监测，这种方式的耗费人力且监测结果具有间断性和延时性，无法利用监测结果对疏浚工况进行实时调整。
10.鉴于此，工程上亟需一种能够弥补上述缺陷的实时监测海河湖库疏浚过程中二次污染的系统。


技术实现要素：

11.发明目的：本发明目的是提供一种实时监测海河湖库疏浚过程中二次污染的系统及方法，使监测结果的输出具有连续性和实时性，并及时反馈给疏浚船，有利于疏浚船调整工况减少污染。
12.技术方案：本发明包括装载于走航船上的水体密度分布监测模块、污染物分布信息转换模块、污染物分布信息输出模块，所述的水体密度分布监测模块用于监测疏浚过程中污染水体在纵向上的密度分布情况，所述的污染物分布信息转换模块用于将污染水体的密度转化为污染物的浓度，并利用污染物分布信息输出模块将监测点位处的水体深度和污染物浓度的关系输出。
13.所述的水体密度分布监测模块采用多频测深仪。
14.所述水体密度分布监测模块的监测方法为：在多频测深仪测得不同污染水体密度的分界面间进行插值，得到监测点上污染水体密度纵向区域的分布图。
15.所述多频测深仪与船体之间的距离至少为30cm以上。
16.所述污染物分布信息转换模块的信息转化方法为：污染水体纵向密度分布与污染物浓度之间的关系为式中为距水面d处水体中污染物p的浓度，ρ
d
为距水面d处的污染水体密度，α
p
为监测水域中污染水体密度与污染物浓度换算系数。
17.所述α
p
的计算方式为式中和ρ
*
为疏浚点位底泥的污染物浓度和密度。
18.所述疏浚点位底泥的污染物浓度和密度信息，利用地理信息系统对疏浚区域的表层底泥勘测点各类污染物平均浓度以及平均密度进行插值计算得到空间分布图。
19.所述污染物分布信息输出模块将监测点位处的水体深度和污染物浓度的关系以表格形式或曲线图方式输出。
20.一种实时监测海河湖库疏浚过程中二次污染的方法，包括以下步骤：
21.(1)在疏浚工程开展前，获取海洋或河流或湖泊或水库疏浚区域的底泥信息，包括表层底泥的各类污染物平均浓度以及底泥平均密度的空间分布图；
22.(2)在疏浚工程开展过程中，将水体密度分布监测模块装载在走航船上，对需要监测可能发生二次污染的水体点位或区域进行循环走航，利用多频声纳频率与介质密度之间的关系，获取监测点位的污染水体密度的纵向分布信息；
23.(3)根据(2)中污染水体密度的纵向分布信息以及(1)中污染水体密度与污染物浓度之间的关系，计算得到监测点位的污染水体污染物浓度纵向分布信息、区域污染分布信息；
24.(4)污染物分布信息输出模块实时传输污染信息，展示污染情况，为业主、施工方、监理方服务。
25.有益效果：
26.(1)通过水体密度间接检测污染物浓度，降低了检测成本并扩大了检测范围，在监测过程中随时可以增加检测项；
27.(2)将水体密度分布监测模块装载在走航船上，既可对监测点定点监测，也可通过巡航扫描监测区域污染物分布；
28.(3)监测结果的输出具有连续性和实时性，及时反馈给疏浚船有利于疏浚船调整工况减少污染。
附图说明
29.图1为本发明系统的示意图；
30.图2为本实施例中监测点位纵向的密度随深度的分布图；
31.图3为本实施例中监测点位的tn浓度随深度的分布图；
32.图4为本实施例中监测点位的tp浓度随深度的分布图。
具体实施方式
33.下面结合附图对本发明作进一步说明。
34.如图1所示，本发明的系统包括三个装载于走航船上的模块：水体密度分布监测模块、污染物分布信息转换模块、污染物分布信息输出模块，其中，水体密度分布监测模块采用多频测深仪，可对某一监测点定点监测，也可对一片区域循环走航。保持多频测深仪与船体30cm以上的距离有利于减少船体反射造成的干扰，选择水深2m以上的监测点位有利于减少声波多次反射造成的干扰。
35.水体密度分布监测模块用于监测疏浚过程中污染水体在纵向上的密度分布情况，其监测方法为：将多频测深仪放置于走航船上并将走航船固定于监测点，在多频测深仪测得不同污染水体密度的分界面间进行插值，得到监测点上污染水体密度纵向区域的分布图。用于监测的多频测深仪至少应包含以下波段：
①
200khz波段测扰动泥与水的分界面，测试密度为1.06g/m3；
②
150khz波段测一级扰动范围，测试密度为1.06g/m3‑
1.12g/m3；
③
75khz波段测二级扰动范围，测试密度为1.12g/m3‑
1.20g/m3；
④
24khz波段测淤泥层，测试密度为1.20g/m3‑
1.27g/m3。
36.污染物分布信息转换模块用于将污染水体的密度转化为各类污染物的浓度，其信息转化方法为：污染水体纵向密度分布与污染物浓度之间的关系为式中为距水面d处水体中污染物p的浓度，ρ
d
为距水面d处的污染水体密度，α
p
为监测水域中污染水体密度与污染物浓度换算系数，其计算方式为式中和ρ
*
为疏浚点位底泥的污染物浓度和密度。根据疏浚船刀头gps可得疏浚点位位置，调用疏浚点位的污染物浓度和密度信息。污染物可包括总氮、氨氮、总磷、重金属(锌、锰、镍、铅、镉、铬、汞、铜、金、银等)、cod、持久性有机物、石油类污染物等。
37.疏浚点位底泥的污染物浓度和密度信息，利用地理信息系统对疏浚区域的表层底泥勘测点各类污染物平均浓度以及平均密度进行插值计算得到空间分布图。疏浚区域的表层底泥勘测点各类污染物平均浓度以及平均密度可参考历史勘测数据或现场采样分析检测。历史勘测数据或现场采样分析检测数据需满足以下条件：勘测时间不超过1年且水体环境未发生重大变化；勘测点均匀布于疏浚区域内且布点密度不低于1点/2500m2；需采集表层50cm的泥搅拌均匀作为该勘测点的样品进行分析检测，若勘测点底泥深度不足50cm则取整层淤积，检测数据包括密度和所需监测污染物浓度，底泥样品的采集应采用无扰动柱状采样器。
38.污染物分布信息输出模块将监测点位处的水体深度和污染物浓度的关系以表格形式或曲线图方式输出。
39.本发明的检测方法包括以下步骤：
40.(1)在疏浚工程开展前，获取海洋或河流或湖泊或水库疏浚区域的底泥信息，包括表层底泥的各类污染物平均浓度以及底泥平均密度的空间分布图；
41.(2)在疏浚工程开展过程中，将水体密度分布监测模块装载在走航船上，对需要监测可能发生二次污染的水体点位或区域进行循环走航，利用多频声纳频率与介质密度之间的关系，获取监测点位的污染水体密度的纵向分布信息；
42.(3)根据(2)中污染水体密度的纵向分布信息以及(1)中污染水体密度与污染物浓度之间的关系，计算得到监测点位的污染水体污染物浓度纵向分布信息、区域污染分布信息；
43.(4)污染物分布信息输出模块实时传输污染信息，展示污染情况，为业主、施工方、监理方服务。
44.具体为：
45.运行中的系统首先通过走航船上的水体密度分布监测模块测得监测点不同水体密度的分界面，在分界面间进行线性插值，得到监测点位纵向水体密度和深度之间的数量关系ρ
d
＝f1(depth)。
46.其次，调用污染物分布信息转换模块对水体密度和深度之间的数量关系进行处理，得到污染物浓度和深度之间的数量关系：
47.①
由底泥的污染物浓度和密度信息空间分布图建立污染物浓度、密度与位置的关系分别为和ρ
*
＝f3(lo，la)，式中lo和la分别为疏浚绞刀头的经度和纬度，根据绞刀头gps位置确定当前疏浚点位底泥的性质；
48.②
计算因该疏浚点位底泥扩散污染的水体纵向密度分布与污染物浓度之间的关系换算系数α
p
，计算公式为
49.③
计算污染水体纵向密度分布与污染物浓度之间的关系，计算公式为计算污染水体纵向密度分布与污染物浓度之间的关系，计算公式为式中为距水面d处水体中污染物p的浓度，ρ
d
为距水面d处的污染水体密度；
50.④
根据上述计算，得到污染水体纵向污染物浓度和深度之间的关系为根据上述计算，得到污染水体纵向污染物浓度和深度之间的关系为
51.最后，将得到的污染水体纵向污染物浓度和深度之间的关系以图表形式输出并标注水体污染物超标情况，实时反馈给疏浚船作业台，及时调整疏浚工况。
52.某水库(饮用水源地)进行环保疏浚，需要对底泥疏浚过程中饮水口附近某区域q进行水质实时、连续监测，确保疏浚不会对饮水口附近的水质产生影响。因此采用本系统对区域q进行水质污染物监测。首先获取该水库前期底泥调查结果，包括底泥分布、底泥密度分布、底泥各类污染物分布等。利用空间分布图读取并确定目前疏浚点位的底泥性质，其中当前疏浚点位的底泥密度为1.42g/cm3，tn含量为722mg/kg，tp含量为291mg/kg。由疏浚点位底泥密度和污染物数据可计算得出水体纵向密度分布与tn浓度之间的关系换算系数水体纵向密度分布与tp浓度之间的关系换算系数将装载有多频测深仪(24、75、150、200khz)的走航船巡航于区域q采集不同频段对应的水深密度数据，对于区域q的监测点位，当数据稳定后读取得200khz波段反射距离为9.87m，150khz波段反射距离为10.02m，75khz波段反射距离为
10.22m，24khz波段反射距离为10.53m。根据数据绘制了监测点位纵向的密度随深度的分布图，如图1所示。根据公式及可以计算得到监测点位的tn、tp浓度随深度的分布图，如图2和图3所示。
53.该分布图通过无线讯号实时反馈给施工方、监理方及业主方。由于tn、tp的浓度超过了《地表水环境质量标准gb 3838
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2002》中iii类水标准，代表疏浚过程对饮用水的保护造成了不良影响，疏浚作业被责令停止，检查原因并做调整后再进行施工。相较于传统的取样、将样品带回实验室测定水质的方法，该系统通过实时监测、污染信息生成及传输，对施工工况起到了及时修正的作用，从源头避免了环境污染事件的发生。相较于水质分析仪，连续监测区域的纵向多个点位，既降低了监测成本，又使监测数据更具有广泛性和多样性，能更全面地评价疏浚过程的二次污染影响。