CN101424679A - 一种水质突发变化的综合监测系统及其监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水质突发变化的综合监测系统及其监测方法，该监测系统包括水质理化指标分析系统、生物行为指标分析系统以及在上述分析系统上实现的水质状况分析系统，其中，水质理化指标分析系统和生物行为指标分析系统处于平行状态，获得结果都作为水质状况分析系统进行水质综合分析的基础，本发明结合水质理化指标分析技术，通过对生物指标变化的分析，实现水质变化的综合毒性分析，并实现各系统数据之间的交换和整体系统本身的远程控制和数据传输，实现了水体未知污染物预警，对于研究环境污染，尤其是突发性、剧烈的事故性变化具有非常重要的指示作用。

Description

一种水质突发变化的综合监测系统及其监测方法

技术领域

本发明涉及一种水质突发变化的综合监测系统及其监测方法，属于环境监测技术领域。

背景技术

目前，国内外水质突发变化事件频发，包括核污染事故。剧毒农药和有毒化学品泄漏、扩散污染事故等，给水环境造成极大破坏，给人民的生命和国家财产造成重大损失。国内外针对水质变化的监测手段主要分为两种：一种是在线理化监测，一种是在线生物监测。其中在线理化监测根据在线仪表进行pH、温度、溶解氧、浊度、COD、氨氮等水质指标的在线监测；而在线生物监测仅仅依靠生物的某一方面变化对水质作出模拟判断。国内尚缺乏拥有自主知识产权的基于对水质理化在线分析和结合生物对水体反应的综合监测手段，实现对水质变化的在线综合分析。

实现水质突发变化的在线监测，并对水体多种污染物的综合毒性进行分析是目前国内外水质在线监测研究领域亟待解决的问题。目前国内外普遍采用的在线理化分析通过定量或定性的分析方法，可以测定部分水体污染物及其浓度，是水质在线监测的主要方法。然而，这类在线的化学监测仪器可以快速分析出的水质参数十分有限，监测结果并不能够直接反映水体内含有化学物质的毒性大小，尤其是未知化学物质及其毒性。目前国内外已经引入在线生物监测技术进行水质突变的在线监测。该技术运用生物学方法和毒理学方法对环境污染进行分析评估。在线生物监测技术可以分析水质变化，但是水体的理化指标变化在很大程度上会影响生物指标的反应，不能很好地反映水质变化。由此可见，虽然水质理化指标在线监测不能实时分析水体综合毒性的大小，但可以作为在线生物监测技术的必要补充。因此，是水质综合监测技术发展的方向。

发明内容

本发明的目的就是基于上述理论，提供一种水质突发变化的综合监测系统及其监测方法，在水质普通理化指标分析的基础上，结合生物指标的变化，针对水质突发变化，实现对水质的详细分析。

本发明的技术方案是：一种水质突发变化的综合监测系统，特点是，它包括水质理化指标分析系统、生物行为指标分析系统及水质状况分析系统，水质理化指标分析系统和生物行为指标分析系统处于平行状态，都通过数据传输线路与水质状况分析系统连接。

水质理化指标分析系统中包括各种在线理化监测仪表，在线理化监测仪表通过数据传输线路与水质状况分析系统连接。

生物行为指标分析系统中包括生物行为指标信号采集单元及其对应的生物行为指标分析单元，生物行为指标信号采集单元通过传输元件与生物行为指标分析单元连接，生物行为指标分析单元通过数据传输线路与水质状况分析系统连接。

上述监测系统的监测方法步骤为：

a、利用水质理化指标分析系统中的在线理化监测仪表采集各项水质理化指标数据；

b、利用生物行为指标分析系统的生物行为指标信号采集单元采集受试生物的生物行为指标数据，并将数据结果通过传输元件传送至生物行为指标分析单元中分析判断，获取水质生物分析数据；

c、将上述水质理化指标数据及水质生物分析数据通过数据传输线路传送到水质状况分析系统中，结合两组数据进行综合分析，实现水质突发性变化的综合毒性分析。

本发明采用结合水体理化指标分析和生物行为指标分析的手段，实时实现水质突发变化的综合毒性分析，并实现各系统数据之间的交换和整体系统本身的远程控制和数据传输，实现了水体未知污染物预警，对于研究环境污染，尤其是突发性、剧烈的事故性变化具有非常重要的指示作用，与已有技术相比具有十分显著的特点和实质性进步。

下面结合附图和实施例对本发明进行详细地解释说明。

附图说明

图1-本发明综合监测系统的结构示意图；

图2-不同浊度水体对斑马鱼行为变化影响；

图3-不同浓度敌百虫暴露下大型溞行为变化。

附图图面说明：

1 水质状况分析系统，2 水质理化指标分析系统，3 生物行为指标分析系统，4 数据传输线路，5 在线理化监测仪表，6 生物行为指标信号采集单元。

具体实施方式

参考图1所示，本发明水质突发变化的综合监测系统包括水质理化指标分析系统2、生物行为指标分析系统3以及在上述分析系统上实现的水质状况分析系统1。水质理化指标分析系统2和生物行为指标分析系统3分别通过数据传输线路4与水质状况分析系统1连接。

根据上述系统，本发明涉及到的分析方法和技术主要分为水体的理化指标分析技术、生物指标分析技术以及水质状况分析技术三部分：

一、理化指标分析技术：

本发明中理化指标分析技术是利用水质理化指标分析系统2中的各种在线理化监测仪表5来监测数据，并基于预选理化指标变化对生物指标的效应，实现对水体理化指标变化导致的生物指标变化进行分析。

本发明中参考的水体理化指标主要为：温度、浊度、溶解氧、pH、氨氮、电导率、总磷、总氮、COD、余氯和叶绿素等。将上述理化指标在线结果实时传送到具有中心处理功能的水质状况分析系统1，以备水体生物监测指标变化参考。

本发明中涉及到的上述理化指标实时数据传输通过数据处理系统预留接口与上述在线监测仪表实现数据传输，数据传输方式包括有线传输、无限网络传输和无线GPRS数据传输等几种方式。

二、生物指标分析技术

本发明中生物指标分析技术是通过生物行为指标分析系统3在线监测受试生物的行为变化指标实现的。

本发明中涉及到的受试水生生物可以根据监测水体不同分为淡水水生生物和海水水生生物，也可以根据生物类别不同分为鱼类、枝角类、底栖动物类等。例如：淡水鱼类、海水鱼类、淡水节肢动物类、海水节肢动物类、淡水底栖动物类、海水底栖动物类等行为表现明显的水生动物。

本发明中生物行为指标分析系统3主要由生物行为指标信号采集单元6及其对应的生物行为指标分析单元组成。

生物行为指标信号采集单元6可以采用多个四极阻抗技术实现的生物行为传感器作为监测通道，该生物行为传感器可以由不同绝缘体材料形成外形，然后在内壁通过电阻体形成不同的信号感受元件，同时结合四极阻抗原理，实现对行为传感器内生物行为指标的采集。采集的行为指标通过传感器外围构建的有线传输元件和无线传输元件，通过有线和无线两种信号传输方式传输到生物行为指标分析单元。生物行为指标分析单元可配有有线信号传输接口和无线信号接受元件，实现生物行为指标的传输。传输到生物行为指标分析单元的生物行为变化与正常环境下生物行为变化进行比较，并结合一定时间段内两种行为变化差异对被监测水体内生物行为进行分析，并作出判断：正常，异常，或极度异常？

水质生物指标判断过程中，在其中某几个通道(生物行为传感器)应该通过一定水体处理手段，尽量除掉可能对生物行为指标产生影响的各种污染物(包括有机污染物和无机污染物)，形成对照通道，并作为水质生物行为指标监测的标准参比。

本发明中生物指标分析技术为了防止水体的冲力导致不同生物行为传感器内水流速度的差异对监测信号的影响，有时还需要对水体流速进行控制，保持不同传感器内水体流速的一致。

三、水质状况分析技术

本发明中水质状况分析技术基于水质状况分析系统1实现。水质状况分析系统1将上述不同方式(包括有线传输、无线网络传输和无线GPRS传输)采集的理化指标分析结果和生物行为指标分析结果进行综合分析，实现水质状况的在线分析。

本发明中水质状况综合分析首先对生物行为指标进行分析。首先，结合对照通道生物行为指标分析，如果生物行为指标正常，水质分析系统会直接给出水质状况：安全。其次，结合对照通道生物行为指标分析，如果生物行为指标异常或极度异常，那么需要结合水质理化指标分析结果对当前水质进行综合分析：第一，如果水质理化指标分析结果中，有一项或多项指标变化超过水体正常理化指标范围，或者多项单一指标虽然没有超过正常范围，但多项指标联合作用下依然会对生物行为指标产生影响，系统会给出水质理化指标某一项或多项或多项联合异常变化提示；第二，如果水质理化指标确定无明显变化，并且通过消除有机物污染的对照通道水质生物行为指标变化正常，而其它通过消除无机污染物的对照通道水质生物行为指标变化异常，水质分析系统会给出水体有机物突发性污染(异常或极度异常)；第三，如果水质理化指标确定无明显变化，并且通过消除无机物污染的对照通道水质生物行为指标变化正常，而其它通过消除有机污染物的对照通道水质生物行为指标变化异常，水质分析系统会给出水体无机物突发性污染(异常或极度异常)；第四，如果水质理化指标确定无明显变化，并且通过消除污染物的对照通道水质生物行为指标变化异常，水质分析系统会给出水体综合污染物突发性污染(异常或极度异常)。

除上述分析系统和技术以外，本发明可以通过有线、无线等多种数据传输方式实现远程传输，借助上述连接方式实现系统的远程控制，并实现上述理化指标和生物行为指标的同时显示，以便水体突发性污染事故爆发后，相关职能部门采取有效措施应对水体突发性污染事故。

实验例1

参见图2所示，水体理化指标变化对受试生物行为变化的影响：

为了验证水体不同理化指标对水生生物的行为指标影响，利用浊度为3NTU，10NTU，20NTU，50NTU，100NTU的水体用作被监测水体，采用斑马鱼为受试生物。生物传感器采用圆柱形黑色PVC塑料通过内壁缠绕铜线圈实现，直径为50mm，长度为50mm。采用12个平行传感器，其中2个为离子交换树脂过滤，2个为活性碳过滤，其余8个为监测体直接通过。水质变化综合监测采用24小时监测周期。单生物传感器内水体流速为25mL/min。上述浊度水体获得方式为将曝气24小时自来水保持温度20±2℃条件下，通过添加天然硅土获得。

实验开始前，首先对无受试生物的生物传感器信号归零，然后开始轮流通过不同浊度水体，结果如图2所示，图中横坐标表示时间，纵坐标表示行为强度。

结果表明在监测周期内，不同频率的行为反应具有明显规律性，并呈现变化的一致性。浊度处于3～20NTU之间的水体对斑马鱼的行为变化基本上不产生影响，但是，当浊度达到50NTU以后，生物行为明显受到影响，尤其是到100NTU以后，行为变化更强烈。因此，在水质变化的综合监测过程中，注意包括浊度在内的理化指标的变化。报警结果显示水体理化指标(浊度)超出正常范围，而未出现水体突发污染报警。

实验例2

参见图3所示，水体敌敌畏污染后对生物行为变化的影响：

案例中采用不同浓度敌百虫进行水体暴露，通过小流量水体流速自动控制系统控制通过每个生物传感器的水体流速为25mL/min。共采用6组传感器进行生物行为指标变化实验，其中2组对照水体通过活性炭过滤获得，另外4组直接流入被监测水体。暴露过程中，保持水体理化指标符合大型溞的正常生存条件：温度20±2℃，浊度2NTU，光照3000Lx，pH7.5等。

受试生物：大型溞，成体，每个传感器内5只。

生物传感器：采用圆柱形透明有机玻璃作主体，长度20mm，直径15mm，内壁通过缠绕铜丝构成。形成的生物传感器通过四极阻抗原理采集大型溞的行为变化。

监测结果如图3所示，图中横坐标表示时间，纵坐标表示行为强度。

结果表明，随着敌百虫浓度升高，不同频率的大型溞行为变化程度更明显，从0.01ppm的暴露到1ppm的暴露，生物行为发生明显变化的时间越来越短，而产生的行为变化程度越来越明显。在暴露的同一时间，随着暴露污染物浓度的升高，大型溞不同频率行为强度越来越低。这说明大型溞行为强度变化与暴露污染物和暴露时间具有明显相关性。在此暴露过程中，对照组内大型溞行为强度基本保持规律性的变化，而没有明显的行为强度降低或升高的表现。系统报警水体污染。

Claims (8)

1、一种水质突发变化的综合监测系统，其特征是，包括水质理化指标分析系统(2)、生物行为指标分析系统(3)和水质状况分析系统(1)，水质理化指标分析系统(2)和生物行为指标分析系统(3)分别通过数据传输线路(4)与水质状况分析系统(1)连接。

2、根据权利要求1所述的一种水质突发变化的综合监测系统，其特征是，所述水质理化指标分析系统(2)中包括在线理化监测仪表(5)，在线理化监测仪表(5)通过数据传输线路(4)与水质状况分析系统(1)连接。

3、根据权利要求1所述的一种水质突发变化的综合监测系统，其特征是，所述生物行为指标分析系统(3)中包括生物行为指标信号采集单元(6)及其对应的生物行为指标分析单元，生物行为指标信号采集单元(6)通过传输元件与生物行为指标分析单元连接，生物行为指标分析单元通过数据传输线路(4)与水质状况分析系统(1)连接。

4、根据权利要求3所述的一种水质突发变化的综合监测系统，其特征是，所述生物行为指标信号采集单元(6)为生物行为传感器。

5、一种水质突发变化的综合监测系统的监测方法，其步骤为：

a、使用水质理化指标分析系统中的在线理化监测仪表采集各项水质理化指标数据；

b、使用生物行为指标分析系统的生物行为指标信号采集单元采集受试生物的生物行为指标数据，并将数据结果通过传输元件传送至生物行为指标分析单元中分析判断，获取水质生物分析数据；

c、将上述水质理化指标数据及水质生物分析数据通过数据传输线路传送到水质状况分析系统中，结合两组数据进行综合分析，实现水质突发性变化的综合毒性分析。

6、根据权利要求5所述的监测方法，其特征是，所述b步骤中的受试生物根据监测水体不同分为淡水水生生物和海水水生生物。

7、根据权利要求5所述的监测方法，其特征是，在b步骤的判断过程中，通过一定水体处理手段，除掉可能对生物行为指标产生影响的各种污染物，形成对照通道，作为水质生物行为指标监测的标准参比。

8、根据权利要求7所述的监测方法，其特征是，所述各种污染物包括有机污染物和无机污染物。

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