一种应用于浅海浮标的水质数据监测系统及方法与流程

本发明涉及海水监测及修复，具体为一种应用于浅海浮标的水质数据监测系统及方法。

背景技术：

1、水质监测，是监视和测定水体中污染物的种类、各类污染物的浓度及变化趋势，评价水质状况的过程。监测范围十分广泛，包括未被污染和已受污染的天然水及各种各样的工业排水等。主要监测项目可分为两大类：一类是反映水质状况的综合指标，如温度、色度、浊度、ph值、电导率、悬浮物、溶解氧、化学需氧量和生化需氧量等。

2、随着人们环保意识的不断提高，人们越来越注重环境，其中比较常见的就是浅海的水质，为了帮助人们更好地了解浅海水质，人们发明了浅海浮标。

3、浅海浮标可以在水中自由浮动，而锚链则可以将浮标固定在特定的位置，浅海浮标上还会安装有各种传感器和数据采集设备，可以实时监测水质、水温、光照等环境因素，以及水生生物的种类、数量、分布等信息，

4、现有申请公布号为cn111579738a，名称为一种浮标式水质监测设备、污染监测及溯源系统、方法的发明专利中记载了包括浮标本体，所述浮标本体顶部设有太阳能板，所述浮标本体下表面中部设有防水盒，所述防水盒内设有中央处理单元、蓄电池、数据采集模块、无线通信模块和gps定位模块，所述浮标本体下表面外侧设有若干个用于监测水质参数的传感器，所述浮标本体外侧设有防撞橡胶圈，所述太阳能板与蓄电池电连接，所述中央处理单元分别与蓄电池、无线通信模块和gps定位模块电连接，所述数据采集模块分别与中央处理单元和传感器电连接。本发明用于对河道、湖泊等地水质信息的在线实时监测，通过采集的水质数据判断当前水质是否污染超标，便于及时采取解决措施。

5、然而，根据上述内容结合现有技术而言，上述专利记载的方案的中心方案为现有的浮标式水质监测设备的结构，以及其最基础的应用，其方案是通过实际水质数据与理论水质数据的比对，通过比对实际水质数据是否位于理论水质数据的范围内判断水质是否受到污染。

6、但是上述方案在实际使用时存在较大的缺陷，水质数据由很多项数据构成，采用上述比对的方式非常耗时间，而且水质数据一直处于波动的状态，在不同的时间理论水质数据不同，因此，使得比对非常的困难，经常造成误警报的情况，不满足人们的使用要求，为此，我们研发了一种应用于浅海浮标的水质数据监测系统及方法。

技术实现思路

1、（一）解决的技术问题

2、针对现有技术的不足，本发明提供了一种应用于浅海浮标的水质数据监测系统及方法，其在使用时对水质检测数据进行分析，将监测水质的多项数据综合分析计算出水评价值，然后利用污染扩散需要一定时间的原理，计算浮标之间水评价值之间的异常值，通过异常值能够清楚直观的了解海水水质的差异，从而能够清楚明确的了解海水是否出现污染，而且该种方式比较简单，判断比较快，使用效果好，具有良好的应用前景。

3、（二）技术方案

4、为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

5、一种应用于浅海浮标的水质数据监测系统，包括数据采集模块、浮标调整模块、海水监测模块、海水分析模块和实时监测模块：

6、数据采集模块：用于定时获取浅海处各个点位浮标传输的水质检测数据，根据水质检测数据计算出水评价值，然后基于水评价值计算各个水质检测数据的异常值，并将异常值与设定的标准区间比对，根据比对结果，判断海水是否受到污染，海水存在污染时发出污染信号警示；

7、浮标调整模块：用于在接收到污染信号后采集海面风力数据，根据海面风力数据计算出锚链当前的最低安全长度，并且根据计算的结果调整锚链长度；

8、海水监测模块：用于在锚链长度调整到位后启动浮标上的水质检测仪器，按照设定的高度差依次采集水质检测数据，并且比对采集到的水质检测数据，寻找海水污染最严重位置；

9、海水分析模块：调整水质检测仪器的高度，使得水质检测仪器全面持续性监测海水污染最严重深度位置的水质检测数据，并基于海水污染源位置以及污染扩散速度预测出未来时间点的海水污染分布图，并根据全面持续性监测海水污染最严重深度位置的水质检测数据和污染范围在数据库中查找对应的微生物生态修复方案；

10、实时监测模块：用于在执行生态修复方案后启动海水污染分布图内的浮标，持续监测海水水质和微生物含量，并根据水质检测数据调整海水污染分布图，同时预测出海水污染修复所需时长，并基于水质检测数据查找微生物需求浓度，当检测的微生物浓度低于微生物需求浓度，增加微生物含量，直至根据监测水质检测数据计算的异常值均位于海水标准区间后清理海水中的微生物。

11、进一步的，所述定时获取和设定的高度差获取的水质检测数据通过浮标上可调节高度的水质监测仪器采集，水质监测仪器包括ph传感器监测的ph值、溶解氧传感器监测的溶解氧含量、电导率传感器检测的电导率和氨氮传感器监测的氨氮浓度，全面持续性监测海水污染最严重深度位置的水质检测数据还包括浊度传感器检测的浊度传感器、硝酸根传感器检测的硝酸根传感器、化学需氧量监测仪检测的化学耗氧量。

12、进一步的，所述水评价值的计算公式如下：

13、;

14、式中，为计算出的水评价值，为监测的ph值，为监测点位当前季节海水的平均ph值，为监测的溶解氧含量，为监测点位当前季节海水的平均溶解氧含量，为监测的电导率，为监测点位当前季节海水的平均电导率，为监测的氨氮浓度，为监测点位当前季节海水的平均氨氮浓度，a、b、c和d为ph值变化率、溶解氧变化率、电导率变化率和氨氮浓度变化率的权重系数，a＜c＜b＜d。

15、进一步的，计算各个水质检测数据的异常值的公式如下：

16、;

17、式中，为第i个水质检测数据的异常值，为第i个监测点位的水评价值，为n个监测点位的水评价值的平均值，为浮标的数量；

18、标准区间为（-u，u），2≤u≤5；

19、若，则判定对应浮标位置的海水没有受到污染；

20、若或者，则判定对应浮标位置的周边海水污染，发出污染信号警示。

21、进一步的，采集海面风力数据是通过浮标上安装的风速仪测量风速、通过浮标上安装的风向仪测量风向和浮标固定位置距离海面的高度；

22、当风力从海面吹向海岸情况下，锚链当前的最低安全长度的计算公式如下：

23、;

24、式中，为放浮标时浮标固定位置距离海面的高度，为海平面上升的高度，、f、g均为常数系数，a＞1，f＞1，为风速，为风力从海面吹向海岸情况下的影响系数；

25、当风力从海岸吹向海面情况下，锚链当前的最低安全长度的计算公式如下：

26、;

27、式中，h均为常数系数，h＞1，为风力从海岸吹向海面情况下的影响系数，为风力从海岸吹向浮标固定位置经过的距离。

28、进一步的，按照设定的高度差依次采集水质检测数据的步骤如下；

29、水质数据的初次采集：以浮标所在的海面为起点采集水质检测数据；

30、水质检测仪器沿着锚链下放，每下降p米测量一次水质检测数据，下落j次下降到海底，采集到j+1次数据，计算出j+1组水评价值；

31、水质数据的二次采集：以下落的海底为起点采集水质检测数据；

32、水质检测仪器沿着锚链上升，每上升p米测量一次水质检测数据，上升j次上升到海面，采集到j+1次数据，计算出j+1组水评价值；

33、计算同个浮标相同高度水评价值的平均值，每个浮标得到j+1组水评价值数据。

34、进一步的，比对采集到的水质检测数据，寻找海水污染最严重位置的步骤如下：

35、比较每个浮标采集的j+1组水评价值数据，获取最大水评价值数据对应的深度，共得到j+1组深度数据；

36、比对j+1组深度数据，从中获取深度数据的众数，然后比较众数数据对应的水评价值数据大小，从中提取最大的3组水评价值数据，调取3组水评价值数据对应浮标位置数据和浮标固定位置数据，以其中一个浮标位置坐标为原点，海平面为xy面，构建三维坐标系；

37、根据调整后第i处浮标位置坐标（xi1，yi1，zi1）、浮标固定位置坐标（xi2，yi2，zi2）和深度数据zi3计算对应的采集点位置坐标（xi3，yi3，zi3）；

38、;

39、;

40、并依据3组采集点位置坐标分析出海水污染最严重位置坐标（xn，yn，zn）：

41、计算出的海水污染最严重位置坐标与3组坐标位置之间的距离满足如下关系；

42、;

43、式中，、和分别为海水污染最严重位置坐标与3组坐标位置之间的距离，、和分别为以海水污染最严重位置为起点，3组坐标位置为终点构成的三个方向与风力方向之间的夹角。

44、进一步的，调整后水质检测仪器的深度为zi3，污染扩散速度的计算公式如下：

45、；

46、式中， 为污染扩散速度， 为污染在无风海面上的扩散速度， 为污染扩散方向与风力方向的夹角，为自然常数，为风力对污染扩散速度造成的影响系数， ；

47、然后基于海洋污染扩散模型计算出海水污染范围，并生成海水污染分布图。

48、进一步的，预测出海水污染修复所需时长  的步骤如下：

49、采集当前污染最严重区域的水评价值  和上个修复周期时该区域的水评价值  ；

50、预测出未来经过β个修复周期时的水评价值，计算公式如下：

51、；

52、式中， 为预测的经过β个修复周期时的水评价值，为常数系数，＞1；

53、将  与设定的当前季节海水标准水评价值  比较，直至 小于，获取此时所需要的修复周期β´；然后计算出海水污染修复所需时长，海水污染修复所需时长=所需要的修复周期β´×修复周期包含的天数。

54、进一步的，一种应用于浅海浮标的水质数据监测方法，包括如下步骤：

55、定时获取浅海处各个点位浮标传输的水质检测数据，根据水质检测数据计算出水评价值，然后基于水评价值计算各个水质检测数据的异常值，并将异常值与设定的标准区间比对，根据比对结果，判断海水是否受到污染，海水存在污染时发出污染信号警示；

56、接收到污染信号后采集海面风力数据，根据海面风力数据计算出锚链当前的最低安全长度，并且根据计算的结果调整锚链长度；

57、锚链长度调整到位后启动浮标上的水质检测仪器，按照设定的高度差依次采集水质检测数据，并且比对采集到的水质检测数据，寻找海水污染最严重位置；

58、调整水质检测仪器的高度，使得水质检测仪器全面持续性监测海水污染最严重深度位置的水质检测数据，并基于海水污染源位置以及污染扩散速度预测出未来时间点的海水污染分布图，并根据全面持续性监测海水污染最严重深度位置的水质检测数据和污染范围在数据库中查找对应的微生物生态修复方案；

59、执行生态修复方案后启动海水污染分布图内的浮标，持续监测海水水质和微生物含量，并根据水质检测数据调整海水污染分布图，同时预测出海水污染修复所需时长，并基于水质检测数据查找微生物需求浓度，当检测的微生物浓度低于微生物需求浓度，增加微生物含量，直至根据监测水质检测数据计算的异常值均位于海水标准区间后清理海水中的微生物。

60、（三）有益效果

61、本发明提供了一种应用于浅海浮标的水质数据监测系统及方法，具备以下有益效果：

62、1、本发明记载了一种应用于浅海浮标的水质数据监测系统，其在使用时对水质检测数据进行分析，将监测水质的多项数据综合分析计算出水评价值，然后利用污染扩散需要一定时间的原理，计算浮标之间水评价值之间的异常值，通过异常值能够清楚直观的了解海水水质的差异，从而能够清楚明确的了解海水是否出现污染，而且该种方式比较简单，判断比较快，使用效果好，具有良好的应用前景。

63、2、本发明记载了一种应用于浅海浮标的水质数据监测系统，其海水污染后对海上环境进一步的分析，调整浮标的位置，从而使得浮标均分在海面上，同时综合海洋的环境，分析出污染源所在的具体位置，该过程尽可能地降低的海上环境的干扰，对于污染源的定位更加的精准，使用效果好，具有良好的应用前景。

64、3、本发明记载了一种应用于浅海浮标的水质数据监测系统，其能够生成海水污染分布图，并且基于海水污染分布图启动浅海浮标进行长时间的监控管理，无需启动所有浅海浮标进行监管，整体比较智能，而且还能够预测出海水污染修复所需时长，方便相关管理人员了解污染进程，从而方便对海水污染修复进行监管，其使得浅海浮标能够应用于前期的污染监测以及后期的污染恢复过程，使得浅海浮标的应用更加广泛，使用效果好，具有良好的应用前景。