【摘要】：本論文以國家科技支撐項目“典型南方城市生物質(zhì)廢物處置與燃?xì)饣眉夹g(shù)集成與示范”課題為依托,著眼于衛(wèi)生垃圾填埋場環(huán)境和安全等問題進(jìn)行了信息化管控系統(tǒng)的建設(shè),是一項運(yùn)用現(xiàn)代信息學(xué)科技術(shù)解決傳統(tǒng)填埋場環(huán)境和安全管控問題的跨學(xué)科研究。保護(hù)環(huán)境已成為全人類的重大課題,目前城市垃圾填埋場在實際運(yùn)營中,發(fā)生過因填埋氣泄漏引發(fā)填埋場自燃,以及填埋場塌方等一系列事故,造成了人員傷亡以及財產(chǎn)的重大損失,所以填埋場亟待進(jìn)一步完善的動態(tài)監(jiān)測與風(fēng)險管控體系。對涉及填埋場重大安全隱患的填埋氣、堆體位移進(jìn)行實時動態(tài)監(jiān)測,確保填埋場的安全運(yùn)營。在這方面成系統(tǒng)地研究鮮有發(fā)現(xiàn),因此開展填埋場動態(tài)監(jiān)測及智能控制關(guān)鍵技術(shù)和應(yīng)用研究,對城市大型衛(wèi)生垃圾填埋場安全風(fēng)險防范具有十分重要的現(xiàn)實意義。本文在分析研究填埋場填埋氣和自然沉降不穩(wěn)定造成安全隱患的內(nèi)在原理基礎(chǔ)上,討論并明確填埋場風(fēng)險管控的主要要素是填埋氣和堆體位移。進(jìn)行監(jiān)測時存在的技術(shù)難點為填埋氣的監(jiān)測數(shù)據(jù)量大以及堆體位移的監(jiān)測預(yù)警不準(zhǔn)確。故建立填埋場動態(tài)監(jiān)測及智能控制系統(tǒng),對信息的實時采集、數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)以及位移預(yù)警模型等關(guān)鍵核心科學(xué)問題進(jìn)行深入研究,為填埋場風(fēng)險管控系統(tǒng)的建設(shè)提供技術(shù)支撐。通過對重慶地區(qū)生活垃圾進(jìn)行采樣分析,對市內(nèi)大型填埋場進(jìn)行實際調(diào)查和現(xiàn)場數(shù)據(jù)測試分析研究,構(gòu)建了填埋場風(fēng)險監(jiān)管指標(biāo)體系并提出監(jiān)管指標(biāo)閾值。研究填埋場監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的采集與傳輸關(guān)鍵技術(shù),將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用至填埋場的動態(tài)監(jiān)測,替代了原有的繁瑣且具有安全隱患的人工檢測與數(shù)據(jù)收集,對填埋氣、堆體位移等數(shù)據(jù)進(jìn)行自動的精確的實時監(jiān)測,其技術(shù)重點在于如何降低采樣數(shù)據(jù)量來滿足傳輸帶寬的限制,以達(dá)到實時傳輸?shù)哪康�。將壓縮感知理論應(yīng)用到該網(wǎng)絡(luò),可以有效解決大量數(shù)據(jù)獲取與傳輸瓶頸問題。根據(jù)鄰近傳感器節(jié)點的信息相關(guān)性,提出基于壓縮感知理論改進(jìn)的聯(lián)合稀疏算法無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸模型,該模型在傳感器端只需要一個隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器,解決了傳感器節(jié)點內(nèi)存較小的問題。改進(jìn)的測量矩陣非常稀疏,大幅度地減少計算復(fù)雜度,節(jié)省了電量。然后選擇出簇頭節(jié)點對相鄰幾個監(jiān)測節(jié)點數(shù)據(jù)先進(jìn)行相關(guān)性分析計算,相鄰節(jié)點只需要與簇頭節(jié)點數(shù)據(jù)交換,降低了節(jié)點發(fā)射功率,傳輸數(shù)據(jù)減少,提高了監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院蛿?shù)據(jù)處理能力。再提出了改進(jìn)的基于小波樹模型化的自適應(yīng)硬閾迭代算法作為后端的還原算法,減少計算量加快重構(gòu)算法速度的同時,也能夠提高還原精度。并且使用Matlab進(jìn)行相應(yīng)的仿真,對比研究結(jié)果,證明了提出的基于壓縮感知理論改進(jìn)的聯(lián)合稀疏算法無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸模型是實用可行的,為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在填埋場預(yù)警系統(tǒng)中的應(yīng)用提供了可靠的解決方案。在填埋堆體位移安全預(yù)警方面,現(xiàn)有的人工巡查方式效率低、判斷不準(zhǔn)確,而傳統(tǒng)的山體滑坡、尾礦庫變形等自然災(zāi)害位移監(jiān)測中使用了“點”或“線”的監(jiān)測方法,如果直接引用到填埋場堆體位移監(jiān)測預(yù)警中,無法克服因垃圾自然降解產(chǎn)生的堆體沉降而形成位移和變形,產(chǎn)生虛假報警信號。運(yùn)用基于馬爾科夫鏈基本理論和加權(quán)馬爾科夫鏈理論的預(yù)警模型,對填埋堆體的降解情況進(jìn)行預(yù)測。創(chuàng)新性地提出了填埋場填埋堆體3D位移協(xié)同監(jiān)測預(yù)警算法,將位移預(yù)測從點擴(kuò)大到面(二維)再到體(三維),避免了現(xiàn)有模型只能預(yù)測單點位移狀態(tài)規(guī)律而造成虛警概率高的問題,提高了位移預(yù)警的實用性,為填埋場堆體位移預(yù)警提供了科學(xué)算法。探討了3D位移協(xié)同預(yù)警的等級和位移協(xié)同檢測判定策略,將報警等級細(xì)分為千立方級、萬立方級、十萬立方,采用預(yù)警密集度閾值作為指標(biāo),驗證了其可行性。并研究了以北斗地基增強(qiáng)網(wǎng)為基礎(chǔ)的填埋場堆體3D位移協(xié)同監(jiān)測系統(tǒng)。在以上模型算法研究的基礎(chǔ)上,結(jié)合重慶山地填埋場的特征,首次提出了一套完整的填埋場動態(tài)監(jiān)測及智能管理系統(tǒng)。在硬件設(shè)計方面,針對填埋氣的監(jiān)測方案提出了填埋氣的監(jiān)測方法,歸納為“點”、“線”、“面”三種方法,解決了填埋場監(jiān)測的全覆蓋問題。針對填埋場填埋堆體位移監(jiān)測方案,結(jié)合WSN算法及3D位移協(xié)同預(yù)警算法,運(yùn)用北斗地網(wǎng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),設(shè)計了填埋場位移預(yù)警監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。在軟件設(shè)計方面,根據(jù)長生橋填埋場的實際地形狀態(tài),設(shè)計了一套實用的填埋場智能控制系統(tǒng),搭建了驗證環(huán)境,對填埋場動態(tài)數(shù)據(jù)感知、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理、智能安全管控軟件功能等主要環(huán)節(jié)進(jìn)行了聯(lián)調(diào)聯(lián)試,驗證了數(shù)據(jù)運(yùn)行流程。并結(jié)合前文的模型運(yùn)算生成報警日志表、填埋氣氣量趨勢圖以及堆體位移趨勢圖等。該智能化平臺軟件運(yùn)行后能夠?qū)⒈O(jiān)測的動態(tài)數(shù)據(jù)保存在數(shù)據(jù)存儲器中,方便以后的數(shù)據(jù)統(tǒng)計和管理。
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但是設(shè)計再精良的填埋場也會由于填埋氣的泄漏或者填埋場堆體塌陷而產(chǎn)生了許多污染和事故。根據(jù)國內(nèi)外有關(guān)新聞顯示，2017年2月7日，汕頭市區(qū)雷打石垃圾填埋場發(fā)生了自燃，圖1.1為填埋場發(fā)生自燃后處理現(xiàn)場；2017年9月1日，印度新德里的一處垃圾填埋場發(fā)生塌方事故，造成2人死傷，圖1.2為填埋場塌方應(yīng)急處理現(xiàn)場。所以填埋場的填埋氣如果沒得到有效收集和處理，，一旦泄漏不但影響周圍空氣環(huán)境，嚴(yán)重時可能發(fā)生自燃甚至引發(fā)爆炸，將危及周邊交通運(yùn)輸、植被和人身財產(chǎn)安全。另外，填埋場的穩(wěn)固性也是需要重點關(guān)注的，如果填埋場發(fā)生大面積塌方，可能引發(fā)更嚴(yán)重的二次災(zāi)害。所以，大型填埋場的長期穩(wěn)定期內(nèi)進(jìn)行有效的安全監(jiān)管是非常重要的。我國城市大型衛(wèi)生填埋場信息管理水平還不高

了許多污染和事故。根據(jù)國內(nèi)外有關(guān)新聞顯示，2017年2月7日，汕頭市區(qū)雷打石垃圾填埋場發(fā)生了自燃，圖1.1為填埋場發(fā)生自燃后處理現(xiàn)場；2017年9月1日，印度新德里的一處垃圾填埋場發(fā)生塌方事故，造成2人死傷，圖1.2為填埋場塌方應(yīng)急處理現(xiàn)場。所以填埋場的填埋氣如果沒得到有效收集和處理，一旦泄漏不但影響周圍空氣環(huán)境，嚴(yán)重時可能發(fā)生自燃甚至引發(fā)爆炸，將危及周邊交通運(yùn)輸、植被和人身財產(chǎn)安全。另外，填埋場的穩(wěn)固性也是需要重點關(guān)注的，如果填埋場發(fā)生大面積塌方，可能引發(fā)更嚴(yán)重的二次災(zāi)害。所以，大型填埋場的長期穩(wěn)定期內(nèi)進(jìn)行有效的安全監(jiān)管是非常重要的。我國城市大型衛(wèi)生填埋場信息管理水平還不高，對于填埋氣的抽氣管理是非常粗放的，只是定期檢測垂直氣井的氣體壓力等少量的參數(shù)，沒有達(dá)到精確科學(xué)的管理和控制[8]。有些填埋場安裝了視頻監(jiān)控攝像頭對填埋場進(jìn)行監(jiān)控，對填埋堆體的變化情況僅僅依靠人為觀察。填埋場安全預(yù)警沒有形成從填埋氣泄漏、填埋場堆體位移監(jiān)測、地下水的檢測到填埋場高清現(xiàn)場視頻監(jiān)控等的一個整體[9]
【學(xué)位授予單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：X799.3;X84

【參考文獻(xiàn)】

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