基于物聯網技術的智能監測凈化生態筏研究
——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展，各種信息技術，高新技術在人類生活中的應用越來越廣泛，中興化工廠，煤廠等的發展也逐漸擴大，由此產生的環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，我國大力發展綠色產業，提倡環保經濟，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，進行環境保護工作。

1.1 研究背景

徒駭河發源于河南省濮陽市，干流由西南向東北依次流經聊城，德州，濱州等3個地區，聊城段位于山東省聊城市東昌府區東部，是聊城水系的重要組成部分。隨著“兩城一河”戰略的提出，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，更是城市最重要的生態廊道，挈領城市生態網絡，提升城市景觀格局。目前，徒駭河流經聊城市區兩岸，南起南外環路、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。

根據主要斷面常規水質監測數據，目前徒駭河聊城段水質總體為V-劣V類水，超標的水質指標包括COD、CODMn、BOD、氨氮、總氮、總磷、氟化物、硒等8項。各監測斷面污染物濃度在不同季節存在明顯差異，12月至次年2月污染最為嚴重，各指標超標次數均明顯高于其他時段[1]。因此，從徒駭河水體本身出發，與互聯網技術、物聯網技術相結合，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具有極高的環保價值。

1.2 研究內容

智能監測凈化生態筏是以物聯網技術作為載體，采用環保型材料，利用植物根系微生物凈化的方式對水質進行生物性凈化。智能監測凈化生態筏包括智能檢測定位系統、生態筏座床系統、水植凈化系統三部分，每部分緊密結合現實環境，針對性的發揮作用，在充分發揮凈化水體能力的同時，提升使用流域的觀賞價值。

生態筏是基于生態浮島技術上提出的一種創新型水質凈化裝置，生態筏通過做成“筏”的形式降低結構自重，筏的材質選用竹結構，利用竹子輕質、可塑性強、易得等特點，代替傳統生態浮島技術中的氣囊、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方面的優劣，選出幾種水生植物作為座床養殖重點植物，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化、吸收、硝化、反硝化等作用達到凈化水質、修復水體并美化環境的效果[2]。

同時，針對不同的流域，將生態筏制作成不同規模、不同層次的筏體，在小型水域，例如荷塘、水庫、大壩等地，可將生態筏制作成為規模較小的小型筏床，也可將其制作成多層、多格座床形式，以適應不同環境下對水體凈化能力的要求，打造人工生態系統，保護自然生態系統，凈化水質。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 智能監測系統

智能監測系統依靠于全球衛星定位系統，生態筏安置在河流中采用錨固結構進行固定，但是由于河床較為柔軟，錨固結構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生位移，疊加風向的影響，生態筏的位置呈現出不穩定性，繼而影響生態筏的觀賞價值。為此，在生態筏側面安裝全球衛星定位系統，通過衛星定位系統與手機軟件相連接，在軟件上顯示出位置數據，實時定位生態筏的地理位置，指示工作人員生態筏是否出現位置偏移，及時、有效地將生態筏歸位，保證生態筏呈現出的景觀價值。當前我國已經有生態環境監測站深入開發物聯網技術，構建基于三層網絡傳輸結構的環境監測體系，基于原有的中程無線傳感網絡技術和藻類水華預測預警模型實驗進一步優化，不僅能有效的保證信息的連續性，同時也能將預測精度提高80%左右[3]。

2.2 生態筏座床系統

生態筏座床系統部件主要包括筏底、座床、水植。竹筏用于結構整體受力，承受上部結構荷載，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凈化。生態筏筏底材料的選擇綜合考量材料的承重能力、懸浮能力、環保效益、經濟效益的材料取得情況等數據，根據各個特點的重要性不同賦予其不同的權重，對比分析如下：

·塑料。塑料制品質輕、易加工，造價較低，但其承重能力較弱，浮力小，且其環保效益低，不易降解，易對生態環境造成破壞。

·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，承載能力強，但其在水中不能很好的懸浮，浮力小，環保效益較低。

·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，比木材環保。同時竹結構重量小，質地堅硬、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

采用竹結構進行受力分析，分析竹材質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，受受力分析如圖3、圖4和圖5所示。

圖3 竹結構受力分析1

圖4 竹結構受力分析2

圖5 竹結構受力分析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，現假設由所產生浮力的25%承擔自身重力及雨雪荷載，其余部分承擔上部結構，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，生態筏不會沉沒。

由表1分析并計算結果得出，應選用竹子作為生態筏筏底的制作材料。

2.3 水質凈化系統

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水質凈化能力的五個因素，最終選擇水生鳶尾作為生態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，根系發達，根長有30厘米左右，對水中的營養物質有較強的吸附作用，高度只有20厘米左右，不易倒伏，穩定性強[4]。且造價低，能夠滿足大量種植的需要。

3 智能監測凈化生態筏不同結構形式的不同應用

本文是以徒駭河山東聊城段為例介紹了智能監測凈化生態筏在大型非通航領域的應用，類似地，其他非通航領域例如城市內的河流，湖泊等，以及小型河域例如池塘，水族館等都可配置此生態筏，凈化河湖水質，提升觀賞價值。除一般情況下的單層結構外，生態筏還可做成多層次結構（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，還可在生態筏基礎上加載聲，光，電等設備，增強觀賞性；“微型”生態筏相對大型生態筏，體積較小，制作簡易，相應的承載的水生植物數量及種類相對較少，因此更多地將“微型”生態筏作為觀賞性模型，將其應用于水族館，居家和辦公場所的水族箱內，豐富水生生態系統，實現局部水域水質的凈化。

4 結語

近幾十年來由于受全球氣候變化的影響，水資源系統在氣候變化，人為活動等作用下，系統結構逐漸發生改變，其數量逐漸減少，質量也在逐漸下降，各國對水資源的保護，尤其是淡水資源的保護非常重視，水質凈化將是水資源保護過程中的重要方式。同時，隨著物聯網技術的發展，物聯網技術在環境監測方面顯現出的巨大作用必然會是未來發展的大趨勢。