一种水环境垂向监测系统及一种水环境垂向监测方法

技术领域

本发明涉及水环境监测领域，具体涉及一种水环境垂向监测系统及一种水环境垂向监测方法。

背景技术

近年来，随着人类环保意识的不断提高，以及政府水污染治理工作的力度逐年加强，对水环境监测工作的要求越来越高。同时，由于国内外水体富营养化及污染问题日益严重，对水环境状况也越来越关注。

目前，现有的水环境监测技术有自动和手动两种方式，自动监测主要包括水环境自动监测系统和水环境垂直剖面自动监测系统，手动监测主要是野外实验时使用便携式水环境检测仪进行水环境监测。

水环境自动监测系统是在固定点位固定深度自动采集水样进行水环境监测，主要由水环境自动监测站、水环境分析单元以及水环境在线监测管理软件组成。水环境自动监测系统多是建设在重要河流的干支流、重要支流汇入口及河流入海口、重要湖库湖体及国界河流及出入境河流、重大水利工程项目等断面上，需要专门的职能部门进行监测系统的建设运行管理，使得监测系统的整体投入成本高，部分环节操作程序复杂，如水环境自动检测站需要特殊单元首先进行水环境采样及预处理。

美国YSI公司研发的水环境垂直剖面自动监测系统应用较多，该系统由五大功能模块组成：垂直剖面监测及其控制系统、水环境监测设备、供电系统、安全防护系统以及安装平台。水环境垂直剖面自动监测系统由于其体积大，资金投入大，安装复杂，不具有轻便、快捷的特点，无法简单携带到野外进行水环境监测。

国内外多家公司生产手动监测的便携式水环境检测仪，可以监测某一水深的水环境参数，但对水体垂向上不同深度的水环境参数进行连续监测比较困难。

一方面，水环境信息具有时效性强的特点，尤其是水环境预警预报要求快速、准确、实时地采集和传递监测信息。常规的水环境监测手段不能满足水资源保护的多方位、高水平管理的要求，不能满足快速准确和实时测报水环境信息的需要。因此，水环境监测的自动化发展势在必行。另一方面，水体分层是客观存在的，某一深度的水环境状况并不能代表水环境垂向分布情况，因此实现对水环境垂向分布监测对全面了解水环境信息具有重要的意义。

如上所述，首先，现有的自动化监测系统具有整体投入成本高、部分环节操作程序复杂、体积过大等缺点，并且目前我国的水环境自动监测系统主要仅针对固定点位固定深度的水环境进行自动监测。其次，应用监测仪器(例如便携式水环境检测仪)进行传统的手动垂向监测的方法，是将监测仪器置于水体的不同深度以获取水环境数据，此方法费时费力且数据获取有限，不利于快速、及时、准确地获取水体垂向上的水环境监测数据。

因此，开发一种水环境垂向监测系统和水环境垂向监测方法，对目标水域中不同深度的水环境状况进行自动监测，进而分析水环境的垂向分布特征，对于评估水环境现状及发展趋势具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种水环境垂向监测系统及方法，实现对水体垂向上不同深度的水环境参数自动连续监测。

为了实现上述目的，本发明一方面提供一种水环境垂向监测系统，包括供电装置、时间控制装置、升降装置、水环境监测装置以及停止保护装置；

所述水环境监测装置设置在所述升降装置上，所述水环境监测装置用于采集、收集和存储水环境信息；

所述供电装置与所述时间控制装置电连接，所述时间控制装置与所述升降装置电连接，所述时间控制装置用于根据设定的时间开启升降装置并控制升降装置向下移动或向上移动；

所述停止保护装置用于控制水环境监测装置向上移动时的停止位置，以使所述水环境监测装置向上移动时在初始监测位置停止。

优选地，所述时间控制装置包括控制器和电路，所述升降装置包括电动机和线缆，

所述线缆与水环境监测装置连接，所述电动机牵引所述线缆向上移动或者向下移动；

所述电路用于使得所述控制器和所述电动机电连接；

所述控制器用于设定多个时间节点，根据设定时间，控制电路通电以及电流方向，交替输出正向电流和反向电流，从而改变电动机输出的动力的方向，使得线缆向上移动或者向下移动。

更优选地，所述电路包括二极管，所述二极管在所述电路中的设置方向使得，所述二极管为正向通电状态时，所述水环境监测装置向下移动；所述二极管为反向断电状态时，所述水环境监测装置向上移动。

优选地，所述时间控制装置通过继电器改变电路输出电流方向，使电流在正向和反向之间交替变化。

优选地，所述停止保护装置包括触碰开关，所述触碰开关设置在所述电路中，所述线缆具有与所述触碰开关配合的触碰结构，所述触碰结构与所述触碰开关触碰时，所述触碰开关断电，

所述触碰结构在所述线缆上的设置位置使得，所述水环境监测装置处于初始监测位置时，所述触碰开关与所述线缆上的接触结构触碰，所述触碰开关断电。

优选地，所述升降装置还包括滑轮；所述电动机输出的动力由所述滑轮传递给所述线缆。

优选地，所述供电装置为电池。

优选地，所述水环境监测装置包括水环境采集模块、传感器模块和水环境信息存储模块。

优选地，所述水环境垂向监测系统还包括保护壳体和/或固定装置，所述供电装置、时间控制装置和升降装置设置在保护壳体内，所述固定装置使所述水环境垂向监测系统固定在水面。

本发明另一方面提供一种水环境垂向监测方法，该方法采用本发明所述水环境垂向监测系统对水环境进行垂向监测，包括以下步骤：

S1、通过时间控制装置设定开启时间T₁和中间时间T₂；

S2、时间为T₁时，水环境垂向监测系统的水环境监测装置沿当前水层中的初始监测位置竖直向下运动并持续采集水环境信息；

S3、时间为T₂时，水环境监测装置沿当前水层中的初始监测位置竖直向上运动并持续采集水环境信息；

S4、停止保护装置使得水环境监测装置停止在初始监测位置；

S5、时间到达下一个T₁时，重复S2至S4的步骤。

优选地，所述S1进一步包括以下步骤：

S11、确定预设定的时间T₁、最大下放深度h和水环境监测装置的移动速度y；

S12、根据T₁、h和y的值确定T₂的值，即T₂＝T₁+h/y。

优选地，设置多组T₁和T₂。

优选地，水环境监测开始阶段，所述水环境监测装置位于初始监测位置，控制器使得电路输出电流方向为负向，二极管为反向绝缘不通电；

当到达启动时间T₁时，控制器使得电路输出电流方向转为正向，二极管为正向通电状态，控制器和电动机通过所述二极管电连通，电动机输出的动力方向使得升降装置带动水环境监测装置向下移动，使得所述触碰结构与所述触碰开关分离，所述触碰开关为通电状态；

到达中间时间T₂时，控制器使得电路输出电流方向转为反向，二极管为反向断电状态，控制器和电动机通过所述触碰开关电连通，电动机输出的动力方向使得升降装置带动水环境监测装置向上移动，直至所述线缆上的触碰装置触碰所述触碰开关，使得所述触碰开关断开，所述水环境监测装置停止上升。

本发明的技术方案中，通过时间控制装置可以实现水环境垂向监测系统的自动运行并可控制水环境监测装置根据设定时间自动升降，并且通过设置停止保护装置能使得水环境监测装置稳定地停留在初始监测位置，从而实现水环境垂向监测系统对水环境准确的自动垂向监测。此外，本发明的水环境垂向监测系统体积小、安装简单、操作方便、成本低，适用于野外试验中不同水体的多点采样、定点式垂向数据采集、长期连续水环境监测等。

本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明的水环境垂向监测系统的结构示意图；

图2是本发明的水环境垂向监测系统的具体实施方式中的结构示意图；

图3是本发明的水环境垂向监测方法的流程示意图；

图4是本发明的水环境垂向监测方法中的步骤S1的流程示意图。

附图标记说明

10-供电装置 20-时间控制装置

21-控制器 22-电路

23-二极管 30-升降装置

31-电动机 32-滑轮

33-线缆 34-触碰结构

40-水环境监测装置 50-停止保护装置

51-触碰开关 70-保护壳体

71-保护壳体开口

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

如图1所示，根据本发明具体实施方式所述的一种水环境垂向监测系统，主要包括供电装置10、时间控制装置20、升降装置30、水环境监测装置40以及停止保护装置(图1中未示出停止保护装置)；所述水环境监测装置40设置在所述升降装置30上，所述水环境监测装置40用于采集、收集和存储水环境信息；所述供电装置10与所述时间控制装置20电连接，所述时间控制装置20与所述升降装置30电连接，所述时间控制装置20用于根据设定的时间开启升降装置30并控制升降装置30向下移动或向上移动，所述停止保护装置用于控制水环境监测装置向上移动时的停止位置，以使所述水环境监测装置向上移动时在初始监测位置停止。本发明在供电装置、升降装置和水环境监测装置等设置的基础上，进一步应用时间控制装置通过设定的时间控制水环境垂向监测系统的自动启动和运行，同时设置停止保护装置控制水环境监测装置向上移动时停留在初始监测位置附近，从而实现了对水环境准确的垂向自动监测。与仅通过时间控制装置控制水环境垂向监测系统的启动和运行相比，通过设置停止保护装置，使得水环境监测装置向上移动时，能准确复位，实现对同一深度进行连续监测。

以下结合附图2对本发明所述的一种水环境垂向监测系统进行详细说明。

如图2所示，时间控制装置包括控制器21和电路22，升降装置包括电动机31和线缆33，线缆33与水环境监测装置40连接，电动机31牵引线缆33向上移动或向下移动，电路22用于使得控制器21和电动机31电连接。

所述控制器21用以设定多个时间节点，根据设定时间，控制电路22通电以及电流方向，交替输出正向电流和反向电流。

优选地，电路22还包括二极管23，二极管23在电路22中的设置方向使得，二极管23为正向通电状态时，水环境监测装置40向下移动；二极管23为反向断电状态时，水环境监测装置40向上移动。具体地，水环境监测开始阶段，所述水环境监测装置40位于初始监测位置，控制器21输出电流方向为负向，二极管23为反向绝缘不通电；当到达启动时间T₁时，控制器输出电流方向转为正向，二极管23为正向通电状态，升降装置向下移动，水环境监测装置40向下移动；到达中间时间T₂时，水环境监测装置40到达终止监测位置，控制器21输出电流方向转为反向，二极管23为反向断电状态，升降装置向上移动。更优选地，所述时间控制装置20通过继电器改变控制器21输出电流方向，使电流在正向和反向之间交替变化。

所述控制器可以为对开关的状态可进行智能控制的控制器，例如可编程逻辑控制器PLC等。

如图2所示，停止保护装置50包括触碰开关51，触碰开关51设置在电路22中，线缆33具有与触碰开关51配合的触碰结构34，触碰结构34与触碰开关51触碰时，触碰开关51断电。触碰结构34在线缆33上的设置位置使得，水环境监测装置40处于初始监测位置时，触碰开关51与线缆33上的触碰结构34触碰，触碰开关51断电。所述触碰结构可以为各种能通过触碰使得触碰开关断开的结构。在一种优选的实施方式中，在线缆33的相应位置设置绳结，作为触碰结构34。

如图2所示，所述升降装置优选包括滑轮32，电动机31输出的动力由滑轮32传递给线缆33。通过设置滑轮，能使得线缆的运行更为平滑，使得水环境监测装置的移动更为平稳。

所述供电装置10可以为电池。

所述水环境监测装置40包括水环境采集模块、传感器模块和水环境信息存储模块，具有水环境采集、水环境监测和水环境信息存储等功能。其中，所监测的水环境信息包括但不限于水位信息、水流速、水体温度、溶解氧浓度、pH值、电导率、浑浊度、氨氮含量、总磷含量等信息；根据所监测的水环境信息，所述水环境监测模块可以包括：水位传感器、流速检测仪、温度传感器、溶解氧检测传感器、水环境参数检测仪等。

如图2所示，所述水环境垂向监测系统还包括保护壳体70，所述供电装置、时间控制装置和升降装置设置在保护壳体70内。所述保护壳体70下方具有开口71，升降装置通过所述开口71与水环境监测装置40连接。具体地，线缆33穿过开口71与水环境监测装置40连接。本申请对所述保护壳体的具体材质并不做限定，可以为常规选择。

所述水环境垂向监测系统还包括固定结构，所述固定结构使所述水环境垂向监测系统固定在水面。

本发明的一种水环境垂向监测系统运行方式可以如下。

当时间为T₁时，水环境监测装置40处于初始监测位置，线缆33上的触碰结构34与触碰开关51触碰，触碰开关51处于断开状态，控制器21输出“开启”信号，电流方向为正向，二极管23为通电状态，电动机31和控制器21通过二极管23电连通，使得电动机31正向转动，带动线缆33和水环境监测装置40向下移动。线缆33上的触碰结构34与触碰开关51分开，触碰开关也为通电状态，线缆33和水环境监测装置40持续向下移动，水环境监测装置40在移动过程中沿垂向对水环境信息进行持续监测。

当时间为T₂时，水环境监测装置40到达设定的终止监测位置，控制器21输出“电流反向”的信号，电流方向变为反向，二极管23为断开状态，电动机31和控制器21通过触碰开关51电连通，电动机31反向转动，带动线缆33和水环境监测装置40向上移动，水环境监测装置40在移动过程中沿垂向对水环境信息进行持续监测。直至线缆33上的触碰结构34与触碰开关51触碰，触碰开关51转入断电状态，使得整个水环境垂向监测系统断电，水环境监测装置40停留在初始监测位置附近。

根据本发明的装置，采用触碰开关和二极管，以机械和电子两种方式共同对水环境监测装置的下潜和上升进行控制，即便仅采用一个供电装置和一个继电器，就能实现对水环境监测装置下潜和上升的准确控制，使得水环境监测装置能准确回归原位，实现对水环境的连续准确监测，特别适于小型化连续式监测。

以下结合附图3对本发明所述采用本发明的水环境垂向监测系统实现的水环境垂向监测方法进行详细说明。

所述水环境垂向监测方法包括以下步骤：

S1、通过时间控制装置设定开启时间为T₁，中间时间为T₂；

T₁为水环境垂向监测系统启动的时间，从T₁开始，水环境监测装置向下移动，T₂为根据预定监测水环境的最大下放深度所设定的中间时间，从T₂开始，水环境监测装置向上移动。在本发明的一个实施例中，如图4所示，所述S1进一步包括以下步骤：

S11、确定预设定的时间T₁、最大下放深度h和水环境监测装置的移动速度y；

S12、根据T₁、h和y的值确定T₂的值，其中T₂＝T₁+h/y。

优选地，设置多组T₁和T₂时间。

本发明对所述最大下放深度h并不做限定，具体根据实际监测需要而确定，例如可以为监测点的最底部，也可以为监测点水体任何水深。

本发明中所述水环境监测装置的移动速度y由电动机的转动速度所决定，通过调节电动机的转动速度可以相应地调节水环境监测装置的水环境监测装置的移动速度。本发明对所述水环境监测装置的水环境监测装置的移动速度并不做限定，具体根据实际监测需要而确定。

S2、时间为T₁时，水环境垂向监测系统的水环境监测装置沿当前水层中初始监测位置竖直向下运动并持续采集水环境信息；

在步骤S2中，当时间为T₁时，时间控制装置控制水环境垂向监测系统通电，水环境监测装置采集当前水层中初始监测点的水环境信息，电动机带动滑轮正向转动，水环境监测装置沿当前水层中的所述初始监测点竖直向下运动并持续采集水环境信息。

S3、时间为T₂时，水环境监测装置沿当前水层中的终止监测位置竖直向上运动并持续采集水环境信息；

在步骤S3中，当时间为T₂时，时间控制装置控制电动机带动滑轮反向转动，水环境监测装置沿当前水层中的终止监测位置又转为竖直向上运动，并持续采集水环境信息。

本发明对所述水环境监测装置的升降速度并不做限定，具体根据实际监测需要而确定。在本发明的一个优选的实施例中，电动机低速转动以实现水环境监测装置的升降速度为0.1-1m/min，优选为0.2-0.8m/min，更优选为0.3-0.6m/min。

S4、停止保护装置使得水环境监测装置停止在初始监测位置，并持续采集水面附近水环境数据。

S5、时间到达下一个T₁时，重复S2至S4。

本发明对所述水环境垂向监测系统的监测时间并不做限定，具体根据实际监测需要而确定。在本发明的一个实施例中，可设置多组T₁和T₂时间。

根据本发明的水环境垂向监测方法，水环境监测开始阶段，所述水环境监测装置位于初始监测位置，控制器使得电路输出电流方向为负向，二极管为反向绝缘不通电；

当到达启动时间T₁时，控制器使得电路输出电流方向转为正向，二极管为正向通电状态，控制器和电动机通过所述二极管电连通，电动机输出的动力方向使得升降装置带动水环境监测装置向下移动，使得所述触碰结构与所述触碰开关分离，所述触碰开关为通电状态；

到达中间时间T₂时，控制器使得电路输出电流方向转为反向，二极管为反向断电状态，控制器和电动机通过所述触碰开关电连通，电动机输出的动力方向使得升降装置带动水环境监测装置向上移动，直至所述线缆上的触碰装置触碰所述触碰开关，使得所述触碰开关断开，所述水环境监测装置停止上升。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个技术特征以任何其它的合适方式进行组合，这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。