基于物联网技术的智能监测净化生态筏研究——以徒骇河流域山东聊城段为例

任 凤，李文兰，王国鹏，李希峰

（聊城大学建筑工程学院，山东 聊城 252001）

1 概述

随着人类文明的空前发展，各种信息技术，高新技术在人类生活中的应用越来越广泛，中兴化工厂，煤厂等的发展也逐渐扩大，由此产生的环境保护问题也成为人类生存所需考虑的重要问题之一，近年来，我国大力发展绿色产业，提倡环保经济，低碳生活，尤其是水资源的污染，淡水资源的匮乏，警戒着人们必须采取有效措施，进行环境保护工作。

1.1 研究背景

徒骇河发源于河南省濮阳市，干流由西南向东北依次流经聊城，德州，滨州等3个地区，聊城段位于山东省聊城市东昌府区东部，是聊城水系的重要组成部分。随着“两城一河”战略的提出，徒骇河这条位于古城边缘的天然河流，一跃成为城市新的发展轴心。它既是城市主要的开放空间带，重要的滨水生活游憩区，更是城市最重要的生态廊道，挈领城市生态网络，提升城市景观格局。目前，徒骇河流经聊城市区两岸，南起南外环路、北至高速公路北，打造了全长约17公里徒骇河景观工程。徒骇河聊城段为非通航河流，水面宽度常年保持在40 m～80 m，因此水面空间具有较大的景观打造价值。

根据主要断面常规水质监测数据，目前徒骇河聊城段水质总体为V-劣V类水，超标的水质指标包括COD、CODMn、BOD、氨氮、总氮、总磷、氟化物、硒等8项。各监测断面污染物浓度在不同季节存在明显差异，12月至次年2月污染最为严重，各指标超标次数均明显高于其他时段[1]。因此，从徒骇河水体本身出发，与互联网技术、物联网技术相结合，在其水体中建造某种具有净化功能的设施，对改善徒骇河聊城段水质具有极高的环保价值。

1.2 研究内容

智能监测净化生态筏是以物联网技术作为载体，采用环保型材料，利用植物根系微生物净化的方式对水质进行生物性净化。智能监测净化生态筏包括智能检测定位系统、生态筏座床系统、水植净化系统三部分，每部分紧密结合现实环境，针对性的发挥作用，在充分发挥净化水体能力的同时，提升使用流域的观赏价值。

生态筏是基于生态浮岛技术上提出的一种创新型水质净化装置，生态筏通过做成“筏”的形式降低结构自重，筏的材质选用竹结构，利用竹子轻质、可塑性强、易得等特点，代替传统生态浮岛技术中的气囊、塑料等制品，最大程度地将污染降到最低。同时，通过比对不同的水生植物在净化水质方面的优劣，选出几种水生植物作为座床养殖重点植物，其净化原理是利用植物根系的截留、吸收、吸附作用，以及附着于植物根系的微生物的转化、吸收、硝化、反硝化等作用达到净化水质、修复水体并美化环境的效果[2]。

同时，针对不同的流域，将生态筏制作成不同规模、不同层次的筏体，在小型水域，例如荷塘、水库、大坝等地，可将生态筏制作成为规模较小的小型筏床，也可将其制作成多层、多格座床形式，以适应不同环境下对水体净化能力的要求，打造人工生态系统，保护自然生态系统，净化水质。模型如图1、图2所示。

图1 模型1

图2 模型2

2 材料制作与方法应用

2.1 智能监测系统

智能监测系统依靠于全球卫星定位系统，生态筏安置在河流中采用锚固结构进行固定，但是由于河床较为柔软，锚固结构在起到一定的固定作用的同时，也会随着河底流沙的移动发生位移，叠加风向的影响，生态筏的位置呈现出不稳定性，继而影响生态筏的观赏价值。为此，在生态筏侧面安装全球卫星定位系统，通过卫星定位系统与手机软件相连接，在软件上显示出位置数据，实时定位生态筏的地理位置，指示工作人员生态筏是否出现位置偏移，及时、有效地将生态筏归位，保证生态筏呈现出的景观价值。当前我国已经有生态环境监测站深入开发物联网技术，构建基于三层网络传输结构的环境监测体系，基于原有的中程无线传感网络技术和藻类水华预测预警模型实验进一步优化，不仅能有效的保证信息的连续性，同时也能将预测精度提高80%左右[3]。

2.2 生态筏座床系统

生态筏座床系统部件主要包括筏底、座床、水植。竹筏用于结构整体受力，承受上部结构荷载，将其按照计算所得的具体形式进行组合，并由其组合自然产生可放置水植的格子，将水植安放在座床上或辅以花盆安放其中，保证水植良好的生长空间，确保其光合作用的正常进行；水植通过根部的吸附作用进行水质净化。生态筏筏底材料的选择综合考量材料的承重能力、悬浮能力、环保效益、经济效益的材料取得情况等数据，根据各个特点的重要性不同赋予其不同的权重，对比分析如下：

·塑料。塑料制品质轻、易加工，造价较低，但其承重能力较弱，浮力小，且其环保效益低，不易降解，易对生态环境造成破坏。

·铝合金。铝合金制品多用于家具门窗的制作中，其加工简单，可大批量生产，承载能力强，但其在水中不能很好的悬浮，浮力小，环保效益较低。

·高分子材料。高分子材料韧性强，耐腐蚀，耐疲劳性好，但粘连时要进行表面处理，有些高分子材料容易吸收紫外线或红外线及可见光发生降解。

·竹子。生长周期短，一般为2～3年，作为建材其运输半径短，比木材环保。同时竹结构重量小，质地坚硬、收缩量小，弹性韧性高，抗拉能力强，具有较大的浮力，能够承受较大荷载且具有较高的人文价值。

·木材。生长周期长，运输半径大，木材自重较大，承载力较好，长期浸泡水中易腐烂变形，如表1所示。

表1 各种材料特性分析

采用竹结构进行受力分析，分析竹材质的筏是否有足够的承载力承载安置在其上方的水植净化系统，受受力分析如图3、图4和图5所示。

图3 竹结构受力分析1

图4 竹结构受力分析2

图5 竹结构受力分析3

假设筏低底部由11根长2米，直径为12厘米的毛竹组成，上部由3根4厘米长，直径为12厘米的毛竹组成

因毛竹容重研究较少，现假设由所产生浮力的25%承担自身重力及雨雪荷载，其余部分承担上部结构，则最大承重为75%

考虑到最不利情况下，所有竹子全部沉水，得到

故在上部核载384.2千克时，生态筏不会沉没。

由表1分析并计算结果得出，应选用竹子作为生态筏筏底的制作材料。

2.3 水质净化系统

山东聊城位于中国中东部，属温带大陆性气候，春季干旱多风，回暖迅速，光照充足，辐射强；夏季湿热多雨，雨热同步；秋季天高气爽，气温下降快，辐射减弱；冬季寒冷干燥，雨雪稀少，常有寒流侵袭。通过分析聊城市气候特点，遴选出四种不同的水生植物，作为进行水质净化的初步选择，如表2所示。

表2 不同的水生植物的选择

通过综合比较分析影响生态水质净化能力的五个因素，最终选择水生鸢尾作为生态筏上栽植的水生植物。水生鸢尾有较强的净化能力，通过促进物质的沉淀和促进微生物的分解效果来净化水体，有利于有机污染物质的降解。水生鸢尾耐寒能力比较强，特别能够适应冷凉性气候，在入冬较早的北方也能很好生存，且其长年生长在浅水中，根系发达，根长有30厘米左右，对水中的营养物质有较强的吸附作用，高度只有20厘米左右，不易倒伏，稳定性强[4]。且造价低，能够满足大量种植的需要。

3 智能监测净化生态筏不同结构形式的不同应用

本文是以徒骇河山东聊城段为例介绍了智能监测净化生态筏在大型非通航领域的应用，类似地，其他非通航领域例如城市内的河流，湖泊等，以及小型河域例如池塘，水族馆等都可配置此生态筏，净化河湖水质，提升观赏价值。除一般情况下的单层结构外，生态筏还可做成多层次结构（少格单层筏，少格双层筏，多格单层筏，多格双层筏等），以满足不同地域水质对净化的不同需求。此外，对于有夜景观景要求的地点，还可在生态筏基础上加载声，光，电等设备，增强观赏性；“微型”生态筏相对大型生态筏，体积较小，制作简易，相应的承载的水生植物数量及种类相对较少，因此更多地将“微型”生态筏作为观赏性模型，将其应用于水族馆，居家和办公场所的水族箱内，丰富水生生态系统，实现局部水域水质的净化。

4 结语

近几十年来由于受全球气候变化的影响，水资源系统在气候变化，人为活动等作用下，系统结构逐渐发生改变，其数量逐渐减少，质量也在逐渐下降，各国对水资源的保护，尤其是淡水资源的保护非常重视，水质净化将是水资源保护过程中的重要方式。同时，随着物联网技术的发展，物联网技术在环境监测方面显现出的巨大作用必然会是未来发展的大趋势。