基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能監(jiān)測凈化生態(tài)筏研究
——以徒駭河流域山東聊城段為例

任 鳳，李文蘭，王國鵬，李希峰

（聊城大學建筑工程學院，山東 聊城 252001）

1 概述

隨著人類文明的空前發(fā)展，各種信息技術(shù)，高新技術(shù)在人類生活中的應用越來越廣泛，中興化工廠，煤廠等的發(fā)展也逐漸擴大，由此產(chǎn)生的環(huán)境保護問題也成為人類生存所需考慮的重要問題之一，近年來，我國大力發(fā)展綠色產(chǎn)業(yè)，提倡環(huán)保經(jīng)濟，低碳生活，尤其是水資源的污染，淡水資源的匱乏，警戒著人們必須采取有效措施，進行環(huán)境保護工作。

1.1 研究背景

徒駭河發(fā)源于河南省濮陽市，干流由西南向東北依次流經(jīng)聊城，德州，濱州等3個地區(qū)，聊城段位于山東省聊城市東昌府區(qū)東部，是聊城水系的重要組成部分。隨著“兩城一河”戰(zhàn)略的提出，徒駭河這條位于古城邊緣的天然河流，一躍成為城市新的發(fā)展軸心。它既是城市主要的開放空間帶，重要的濱水生活游憩區(qū)，更是城市最重要的生態(tài)廊道，挈領(lǐng)城市生態(tài)網(wǎng)絡，提升城市景觀格局。目前，徒駭河流經(jīng)聊城市區(qū)兩岸，南起南外環(huán)路、北至高速公路北，打造了全長約17公里徒駭河景觀工程。徒駭河聊城段為非通航河流，水面寬度常年保持在40 m～80 m，因此水面空間具有較大的景觀打造價值。

根據(jù)主要斷面常規(guī)水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，目前徒駭河聊城段水質(zhì)總體為V-劣V類水，超標的水質(zhì)指標包括COD、CODMn、BOD、氨氮、總氮、總磷、氟化物、硒等8項。各監(jiān)測斷面污染物濃度在不同季節(jié)存在明顯差異，12月至次年2月污染最為嚴重，各指標超標次數(shù)均明顯高于其他時段[1]。因此，從徒駭河水體本身出發(fā)，與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合，在其水體中建造某種具有凈化功能的設施，對改善徒駭河聊城段水質(zhì)具有極高的環(huán)保價值。

1.2 研究內(nèi)容

智能監(jiān)測凈化生態(tài)筏是以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)作為載體，采用環(huán)保型材料，利用植物根系微生物凈化的方式對水質(zhì)進行生物性凈化。智能監(jiān)測凈化生態(tài)筏包括智能檢測定位系統(tǒng)、生態(tài)筏座床系統(tǒng)、水植凈化系統(tǒng)三部分，每部分緊密結(jié)合現(xiàn)實環(huán)境，針對性的發(fā)揮作用，在充分發(fā)揮凈化水體能力的同時，提升使用流域的觀賞價值。

生態(tài)筏是基于生態(tài)浮島技術(shù)上提出的一種創(chuàng)新型水質(zhì)凈化裝置，生態(tài)筏通過做成“筏”的形式降低結(jié)構(gòu)自重，筏的材質(zhì)選用竹結(jié)構(gòu)，利用竹子輕質(zhì)、可塑性強、易得等特點，代替?zhèn)鹘y(tǒng)生態(tài)浮島技術(shù)中的氣囊、塑料等制品，最大程度地將污染降到最低。同時，通過比對不同的水生植物在凈化水質(zhì)方面的優(yōu)劣，選出幾種水生植物作為座床養(yǎng)殖重點植物，其凈化原理是利用植物根系的截留、吸收、吸附作用，以及附著于植物根系的微生物的轉(zhuǎn)化、吸收、硝化、反硝化等作用達到凈化水質(zhì)、修復水體并美化環(huán)境的效果[2]。

同時，針對不同的流域，將生態(tài)筏制作成不同規(guī)模、不同層次的筏體，在小型水域，例如荷塘、水庫、大壩等地，可將生態(tài)筏制作成為規(guī)模較小的小型筏床，也可將其制作成多層、多格座床形式，以適應不同環(huán)境下對水體凈化能力的要求，打造人工生態(tài)系統(tǒng)，保護自然生態(tài)系統(tǒng)，凈化水質(zhì)。模型如圖1、圖2所示。

圖1 模型1

圖2 模型2

2 材料制作與方法應用

2.1 智能監(jiān)測系統(tǒng)

智能監(jiān)測系統(tǒng)依靠于全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)，生態(tài)筏安置在河流中采用錨固結(jié)構(gòu)進行固定，但是由于河床較為柔軟，錨固結(jié)構(gòu)在起到一定的固定作用的同時，也會隨著河底流沙的移動發(fā)生位移，疊加風向的影響，生態(tài)筏的位置呈現(xiàn)出不穩(wěn)定性，繼而影響生態(tài)筏的觀賞價值。為此，在生態(tài)筏側(cè)面安裝全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)，通過衛(wèi)星定位系統(tǒng)與手機軟件相連接，在軟件上顯示出位置數(shù)據(jù)，實時定位生態(tài)筏的地理位置，指示工作人員生態(tài)筏是否出現(xiàn)位置偏移，及時、有效地將生態(tài)筏歸位，保證生態(tài)筏呈現(xiàn)出的景觀價值。當前我國已經(jīng)有生態(tài)環(huán)境監(jiān)測站深入開發(fā)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，構(gòu)建基于三層網(wǎng)絡傳輸結(jié)構(gòu)的環(huán)境監(jiān)測體系，基于原有的中程無線傳感網(wǎng)絡技術(shù)和藻類水華預測預警模型實驗進一步優(yōu)化，不僅能有效的保證信息的連續(xù)性，同時也能將預測精度提高80%左右[3]。

2.2 生態(tài)筏座床系統(tǒng)

生態(tài)筏座床系統(tǒng)部件主要包括筏底、座床、水植。竹筏用于結(jié)構(gòu)整體受力，承受上部結(jié)構(gòu)荷載，將其按照計算所得的具體形式進行組合，并由其組合自然產(chǎn)生可放置水植的格子，將水植安放在座床上或輔以花盆安放其中，保證水植良好的生長空間，確保其光合作用的正常進行；水植通過根部的吸附作用進行水質(zhì)凈化。生態(tài)筏筏底材料的選擇綜合考量材料的承重能力、懸浮能力、環(huán)保效益、經(jīng)濟效益的材料取得情況等數(shù)據(jù)，根據(jù)各個特點的重要性不同賦予其不同的權(quán)重，對比分析如下：

·塑料。塑料制品質(zhì)輕、易加工，造價較低，但其承重能力較弱，浮力小，且其環(huán)保效益低，不易降解，易對生態(tài)環(huán)境造成破壞。

·鋁合金。鋁合金制品多用于家具門窗的制作中，其加工簡單，可大批量生產(chǎn)，承載能力強，但其在水中不能很好的懸浮，浮力小，環(huán)保效益較低。

·高分子材料。高分子材料韌性強，耐腐蝕，耐疲勞性好，但粘連時要進行表面處理，有些高分子材料容易吸收紫外線或紅外線及可見光發(fā)生降解。

·竹子。生長周期短，一般為2～3年，作為建材其運輸半徑短，比木材環(huán)保。同時竹結(jié)構(gòu)重量小，質(zhì)地堅硬、收縮量小，彈性韌性高，抗拉能力強，具有較大的浮力，能夠承受較大荷載且具有較高的人文價值。

·木材。生長周期長，運輸半徑大，木材自重較大，承載力較好，長期浸泡水中易腐爛變形，如表1所示。

表1 各種材料特性分析

采用竹結(jié)構(gòu)進行受力分析，分析竹材質(zhì)的筏是否有足夠的承載力承載安置在其上方的水植凈化系統(tǒng)，受受力分析如圖3、圖4和圖5所示。

圖3 竹結(jié)構(gòu)受力分析1

圖4 竹結(jié)構(gòu)受力分析2

圖5 竹結(jié)構(gòu)受力分析3

假設筏低底部由11根長2米，直徑為12厘米的毛竹組成，上部由3根4厘米長，直徑為12厘米的毛竹組成

因毛竹容重研究較少，現(xiàn)假設由所產(chǎn)生浮力的25%承擔自身重力及雨雪荷載，其余部分承擔上部結(jié)構(gòu)，則最大承重為75%

考慮到最不利情況下，所有竹子全部沉水，得到

故在上部核載384.2千克時，生態(tài)筏不會沉沒。

由表1分析并計算結(jié)果得出，應選用竹子作為生態(tài)筏筏底的制作材料。

2.3 水質(zhì)凈化系統(tǒng)

山東聊城位于中國中東部，屬溫帶大陸性氣候，春季干旱多風，回暖迅速，光照充足，輻射強；夏季濕熱多雨，雨熱同步；秋季天高氣爽，氣溫下降快，輻射減弱；冬季寒冷干燥，雨雪稀少，常有寒流侵襲。通過分析聊城市氣候特點，遴選出四種不同的水生植物，作為進行水質(zhì)凈化的初步選擇，如表2所示。

表2 不同的水生植物的選擇

通過綜合比較分析影響生態(tài)水質(zhì)凈化能力的五個因素，最終選擇水生鳶尾作為生態(tài)筏上栽植的水生植物。水生鳶尾有較強的凈化能力，通過促進物質(zhì)的沉淀和促進微生物的分解效果來凈化水體，有利于有機污染物質(zhì)的降解。水生鳶尾耐寒能力比較強，特別能夠適應冷涼性氣候，在入冬較早的北方也能很好生存，且其長年生長在淺水中，根系發(fā)達，根長有30厘米左右，對水中的營養(yǎng)物質(zhì)有較強的吸附作用，高度只有20厘米左右，不易倒伏，穩(wěn)定性強[4]。且造價低，能夠滿足大量種植的需要。

3 智能監(jiān)測凈化生態(tài)筏不同結(jié)構(gòu)形式的不同應用

本文是以徒駭河山東聊城段為例介紹了智能監(jiān)測凈化生態(tài)筏在大型非通航領(lǐng)域的應用，類似地，其他非通航領(lǐng)域例如城市內(nèi)的河流，湖泊等，以及小型河域例如池塘，水族館等都可配置此生態(tài)筏，凈化河湖水質(zhì)，提升觀賞價值。除一般情況下的單層結(jié)構(gòu)外，生態(tài)筏還可做成多層次結(jié)構(gòu)（少格單層筏，少格雙層筏，多格單層筏，多格雙層筏等），以滿足不同地域水質(zhì)對凈化的不同需求。此外，對于有夜景觀景要求的地點，還可在生態(tài)筏基礎上加載聲，光，電等設備，增強觀賞性；“微型”生態(tài)筏相對大型生態(tài)筏，體積較小，制作簡易，相應的承載的水生植物數(shù)量及種類相對較少，因此更多地將“微型”生態(tài)筏作為觀賞性模型，將其應用于水族館，居家和辦公場所的水族箱內(nèi)，豐富水生生態(tài)系統(tǒng)，實現(xiàn)局部水域水質(zhì)的凈化。

4 結(jié)語

近幾十年來由于受全球氣候變化的影響，水資源系統(tǒng)在氣候變化，人為活動等作用下，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)逐漸發(fā)生改變，其數(shù)量逐漸減少，質(zhì)量也在逐漸下降，各國對水資源的保護，尤其是淡水資源的保護非常重視，水質(zhì)凈化將是水資源保護過程中的重要方式。同時，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測方面顯現(xiàn)出的巨大作用必然會是未來發(fā)展的大趨勢。