CN103149336B - 基于水动力约束原理的突发水污染生物预警装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于水动力约束原理的突发水污染生物预警装置，生物行为控制单元包括上下同轴设置的两个相同的环形旋转水箱，待检测源水和清水分别由进水孔进入两个环形旋转水箱；动力设备单元由转杆穿过两个环形旋转水箱的中心带动其匀速转动；信号采集处理单元对比预警生物在上下两个环形旋转水箱里撞击边壁产生的动压力信号，根据是否有异常撞击边壁的压力信号判断待测源水是否发生突发水污染；本发明只需采集压力-时间关系曲线和对比鱼类游动行为图像，即可准确预警突发水污染，可靠性高，适用范围广，维护方便；基于水动力约束原理展开的突发水污染生物预警，可过滤掉生物自身的生理周期变化造成的信号噪声，避免出现误报。

Description

基于水动力约束原理的突发水污染生物预警装置及方法

技术领域

本发明属于对突发性水污染监测领域，具体涉及一种基于水动力约束原理的突发水污染生物预警装置及方法。

背景技术

我国水资源短缺形势严峻，人均水资源量仅是世界人均水平三分之一。因此，在实行最严格水资源管理时，尤其需要重视水环境健康的维护工作，避免出现水质性缺水。但近年来突发性水污染事故频频发生，已成为目前水资源管理中最受关注的议题之一。当大量氰化物、苯酚和重金属等有毒物质突然进入水体形成突发水污染事故时，水体会在短时间内丧失应有的自然功能，不但对区域生态系统的自然演进造成严重威胁，还极易引发供水危机、鱼类死亡和人员中毒等一系列后果。为提高水资源的可利用性，保障人民群众身体健康，促进社会经济的可持续发展，研制出准确、可靠、经济的突发性水污染事故预警系统显然十分重要。

应对突发水污染事件的首要环节是在最短时间内准确识别是否发生水污染。传统水质监测模式主要利用已有的固定监测站点提供基本水文水质现场数据，仅当发生突发水污染时再选取若干断面进行补充监测，但一般从采样到出具结果需约一周时间，很难满足对突发水污染进行应急处置的需求。针对该问题，不同研究人员提出了多种解决思路，如水质自动监测技术和巡航监测等等，但一般都存在着成本高、误差大和操作复杂等不足。

新近出现的突发水污染生物预警技术，通过借助某些生物喜好清洁水质的习性，跟踪观察生物异常行为对突发水污染进行在线监测预警，在预警时效性和敏感性方面具有独特的优势。较有代表性的专利有：专利申请号为200910038318、名称为《水质污染预警方法》的中国发明专利公开了一种监测鱼类在水污染影响下的运动变化规律并将其转化为数字图像加以分析的方法，通过对图像的处理分析并比较运动参数的变化判断水质污染情况；专利申请号为200610144050.2，名称为《基于水生生物回避行为的水质在线安全预警系统和方法》的中国发明专利公开了在测试管中安装电极形成电场，通过记录和分析被监测生物运动所导致的感应电场变化，实现对水体未知污染物进行预警。然而已有技术存在着一些共性不足，表现在：监测生物异常行为时一般需要借助电场、图像识别、数据分析等复杂技术，影响到生物预警信号的准确度与可靠性；只单纯利用生物对水污染的基本敏感习性，并未对生物自身生理活动进行适当约束或限制，不能过滤生物自身的生理周期变化造成的信号噪声。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供了一种基于水动力约束原理的突发水污染生物预警装置及方法，通过对生物游动施加水动力约束，过滤掉生物生理周期变化诱发的信号噪声避免出现误报，仅当发生水污染时，被约束的生物依据自身躲避水污染的生物习性挣脱向心力束缚逃离污染区，通过监测外圈壁被生物撞击的异常压力信号，实现对待测源水突发水污染事故的准确预警。

技术方案：本发明提供了一种基于水动力约束原理的突发水污染生物预警装置，包括生物行为控制单元、动力设备单元和信号采集处理单元： 

所述生物行为控制单元包括上下同轴设置的两个相同的环形旋转水箱，每个环形旋转水箱的底部设有进水孔、排污管和流态调整底槽，出水管紧贴环形旋转水箱的内圈壁竖直贯穿于两个环形旋转水箱的中心，待检测源水和清水分别由多个进水孔进入两个环形旋转水箱，位于上部的环形旋转水箱用于监测待测源水是否发生突发水污染，位于下部的环形旋转水箱内一直保持清水，用于同步观测预警生物的正常活动，对上下两个环形旋转水箱内的情况进行实时对比；

所述动力设备单元包括固定在机座上的交流电机、控制箱和竖直安装在控制箱上的转杆，所述转杆穿过两个环形旋转水箱的中心并在所述交流电机和控制箱的驱动下带动环形旋转水箱匀速转动，在环形旋转水箱转动的带动下和流态调整底槽的引导下形成平顺的旋转水流，在向心力的作用下约束预警生物的活动范围；

所述信号采集处理单元包括压力信号采集部分和图形信号采集部分，所述压力信号采集部分安装在两个环形旋转水箱的外圈壁上采集并对比预警生物在上下两个环形旋转水箱的待测源水和清水中撞击边壁产生的动压力信号，根据是否有异常撞击边壁的压力信号判断待测源水是否发生突发水污染；所述图形信号采集部分包括固定在机座上的摄像机，用于向上观察采集下部的环形旋转水箱的图像信号，以及架设在可移动支架上的摄像机，可改变高度和方向向下观察采集上部的环形旋转水箱的图像信号。

进一步，所述压力信号采集部分包括压电式压力传感器、电荷放大电路和信号分析仪，所述压电式压力传感器表面通过粘结剂附上一层防水保护膜用以达到防水和避免预警生物直接撞击的目的，紧贴于两个环形旋转水箱的外圈壁内采集预警生物撞击产生的动压力信号，每个压电式压力传感器和每个电荷放大电路为一组进行耦合，电荷放大电路输出电信号给信号分析仪转换成压力-时间变化曲线，根据信号突变情况对突发水污染进行在线预警。

在图像信号采集部分监控预警生物对突发水污染的反应活动时，为了使固定在可移动支架上的摄像机准确地只采集位于上方的环形旋转水箱的图像信号，位于上方的环形旋转水箱的底部由不透明有机玻璃钢制成；为了便于固定在机座上的摄像机从底部采集位于下方的环形旋转水箱中的图像信号，位于下方的所述环形旋转水箱的底部由透明有机玻璃钢制成。

优选地，所述流态调整底槽在其所属的环形旋转水箱底部呈同心圆布置，由热固性塑料片制成，高度为环形旋转水箱外圈净高的1/8~1/6，高度可微调，以帮助环形旋转水箱内部形成稳定匀速的旋转水流。

为了防止预警生物从出水管外外逃，所述出水管的上端出口处设有过滤网。

为了保证对突发水污染预警的准确性，去除预警生物的排泄物对监测的干扰影响，所述排污管上设有阀门，当所述环形旋转水箱排污时所述阀门打开排出杂物，定期将环形旋转水箱底部沉淀的淤积物排出。

一种基于水动力约束原理的突发水污染预警方法，包括如下步骤：

（1）分别通过进水孔向上部环形旋转水箱和下部环形旋转水箱通入等量的待测源水和清水，使两个环形旋转水箱中的水位相等；

（2）将相同数量的预警生物（如斑马鱼）分别放入上下两个环形旋转水箱中，选用的预警生物为深色，体长40~60mm，生命体征正常且非产卵期；

（3）启动交流电机，通过控制箱和转杆带动两个环形旋转水箱同步匀速转动，转速保持在15~20r/min，当上部的环形旋转水箱的待测源水和下部的环形旋转水箱的清水开始绕着中心做圆周运动时，微调流态调整底槽的高度直到形成稳定的旋转水流；

（4）开启机座上和可移动支架上的摄像机拍摄两个环形旋转水箱内预警生物的活动状态，当预警生物随着旋转水流运动且在向心力的约束下被限制在靠近内圈壁附近时，启动压力信号采集部分采集外圈壁的动压力信号，连续记录压力-时间关系曲线；

（5）根据压力-时间关系曲线和拍摄的预警生物活动状态的图像判断是否发生突发水污染：当预警生物在靠近内圈壁附近运动时，上下两个环形旋转水箱所采集的压力-时间关系曲线形态相似，压力值为0~2Mpa，说明待测源水没有发生突发水污染；若上部的环形旋转水箱的压力-时间关系曲线的波动突然变大超过10Mpa，而下部的环形旋转水箱的压力-时间关系曲线仍然稳定在0~2Mpa，说明待测源水有可能发生突发水污染，此时对比拍摄的预警生物在上下两个环形旋转水箱中的活动图像，若相对于下部的环形旋转水箱中预警生物平稳的活动状态，上部的环形旋转水箱中的预警生物突然运动活跃，活动范围从内圈壁附近转移到外圈壁附近，则说明预警生物为了躲避污水挣脱了水动力约束逃到了相对清洁的外圈壁附近水域，并且撞击外圈壁产生了动压变化，确认待测源水发生了突发水污染，若上部的环形旋转水箱中的预警生物并未出现该情况，则为误报；

（6）待测源水的水位超出出水管上缘高度时顺着出水管流出，每隔1小时打开排污管上的阀门排出两个环形旋转水箱底部的淤积物。

有益效果：1、利用特定生物具有躲避污染的生物习性，在最短时间内对突发性水污染进行预警，避免出现使用传统水化学监测方法造成的滞后，也无需借助电场、图像识别和数据分析等复杂技术，采用了约束、挣脱、测压和监控的一体化突发水污染预警方法，只需采集压力-时间关系曲线和对比鱼类游动行为图像，即可准确预警突发水污染，可靠性高，适用范围广，维护方便；2、基于水动力约束原理展开的突发水污染生物预警，可过滤掉生物自身的生理周期变化造成的信号噪声，避免出现误报。

附图说明

图1为本发明所述基于水动力约束原理的突发水污染生物预警装置的结构示意图；

图2为本发明所述位于上部的环形旋转水箱的俯视图；

图3为本发明所述压电式压力传感器的结构示意图；

图4为本发明所述压力信号采集部分的压力信号处理流程图；

图5为本发明所述的动力设备单元的部件连接关系图；

图6为采用本发明方法对某水源地待测源水实施监测时上部环形旋转水箱采集的压力-时间关系曲线；

图7为采用本发明方法对某水源地待测源水实施监测时下部环形旋转水箱采集的压力-时间关系曲线。

具体实施方式

下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

实施例：本发明一种基于水动力约束原理的突发水污染生物预警装置，如图1、图2所示，包括生物行为控制单元、动力设备单元和信号采集处理单元： 

生物行为控制单元的核心部件为上下同轴设置的两个相同的环形旋转水箱1；2，具体地说，环形旋转水箱1；2外圈的半径为100cm，内圈的半径为10cm，内圈高60cm，外圈壁壁厚为15mm，上下两个环形旋转水箱1；2的高度差为100cm，如图2所示，流态调整底槽5；6在其所属的环形旋转水箱1；2底部凸起，并按一定等分距离绕同心圆一周布置，位于上部的环形旋转水箱1底部的流态调整底槽5高度为50mm，位于下部的环形旋转水箱2底部的流态调整底槽6高度为70mm，用以帮助环形旋转水箱1；2在转动时内部形成稳定匀速的旋转水流，流态调整底槽5；6以内为约束区34，以外为逃离区35；每个环形旋转水箱1；2的底部以流态调整底槽5；6以内的内圈均匀分布一组进水孔7；8用于引入待测源水或清水，连接进水孔7；8的管道的另一端设有变频水泵12；13，功率为1500w，位于上部的环形旋转水箱1注入待测源水监测其是否发生突发水污染，位于下部的环形旋转水箱2内一直保持清水，用于同步观测鱼类的正常活动，对上下两个环形旋转水箱1；2内的情况进行实时对比；每个环形旋转水箱1；2的底部还设有排污管10；11，管径为80mm，定期打开排污管10；11的阀门14；15将沉淀在底部的淤积物排出，排除鱼类自身生理分泌物对突发水污染预警的干扰；一根出水管9竖直贯穿两个环形旋转水箱1；2的中心，管径为100mm，用于调整位于上部的环形旋转水箱1的水位，保持水位恒定，同时出水管9的上端口设有过滤网31以防止在调整水位时，鱼类顺着水流从出水管9外逃。

动力设备单元包括固定在机座24上的交流电机25、控制箱27和竖直安装在控制箱27上的转杆26，转杆26穿过两个环形旋转水箱1；2的中心，如图5所示，稳压电源20和变压器21给交流电机25和控制箱27供电，交流电机25连接控制箱27，控制箱27内的控制器驱动转杆26带动环形旋转水箱1；2匀速转动，转杆26通过六角螺栓固定在两个环形旋转水箱1；2上，具体地，交流电机25为YVP型号，最大输出频率为600Hz，额定功率为0.55~37kW，在环形旋转水箱1；2转动的带动下和流态调整底槽5；6的引导下形成平顺的旋转水流，在向心力的作用下约束鱼类的活动范围。

信号采集处理单元3包括压力信号采集部分3和图形信号采集部分，压力信号采集部分3用于采集并对比鱼类在上下两个环形旋转水箱1；2的待测源水和清水中撞击边壁产生的动压力信号，根据是否有异常撞击边壁的压力信号判断待测源水是否发生突发水污染；压力信号采集部分3包括压电式压力传感器16、电荷放大电路17和信号分析仪18，每个压电式压力传感器16和每个电荷放大电路17为一组进行耦合，共计12组，如图3所示，压电式压力传感器16为PVDF压电薄膜压力传感器，定制为圆弧状沿着环形旋转水箱1；2的外圈壁安装，压电式压力传感器16表面通过粘结剂23附上一层防水保护膜22紧贴于两个环形旋转水箱1；2的外圈壁内采集鱼类撞击产生的动压力信号，防水保护膜22一方面防止进水一方面避免鱼类直接撞击损坏压电式压力传感器16，影响实验正常进行；如图4所示为压电式压力传感器16对采集到的压力信号的处理流程图，其中信号分析仪18的型号为HP3562，稳压电源20和变压器21给压电式压力传感器16提供电力，压电式压力传感器16围绕在环状旋转水箱1；2的外圈壁一周内，电荷放大电路17将压力信号转化为电信号并将其放大，信号分析仪18接收电信号并转换成压力-时间变化曲线，存储器19记录数据，计算机33根据其记录的信号突变情况对突发水污染进行在线预警；

图形信号采集部分包括固定在机座24上的摄像机28，用于向上观察采集下部的环形旋转水箱2的图像信号，以及架设在可移动支架30上的摄像机29，可移动支架30高3m，固定其上的摄像机29的高度可通过调节栓32调节，且可在水平位置上来回移动，以便向下准确采集上部的环形旋转水箱1的图像信号，摄像机28；29的型号为HDR-XR260E，外接电源保证其24小时持续工作，采集的动态影像为HD模式，1920×1080/50P，摄像机28；29与计算机相连。

一种基于水动力约束原理的突发水污染预警方法，包括如下步骤：

（1）启动变频水泵12，将待测源水以0.5m³/s的流量通过进水孔7持续输入到上部的环形旋转水箱1中，同时启动变频水泵13，将清水通入下部的环形旋转水箱2中，当两个环形旋转水箱1；2中的水位相同时，关闭变频水泵13停止注入清水；

（2）将斑马鱼各20条分别放入上下两个环形旋转水箱1；2中，选用的斑马鱼为深色，体长40~60mm，生命体征正常且非产卵期；

（3）启动交流电机25，通过控制箱27和转杆26带动两个环形旋转水箱1；2匀速转动，转速为20r/min，当上部的环形旋转水箱1的待测源水和下部的环形旋转水箱2的清水开始绕着位于中心的出水管9做圆周运动时，微调流态调整底槽5；6的高度直到形成稳定的旋转水流；

（4）开启机座24上和可移动支架30上的摄像机28；29拍摄两个环形旋转水箱1；2内鱼群的活动状态，当鱼群随着旋转水流运动且在向心力的约束下被限制在靠近内圈壁附近的约束区34时，启动压力信号采集部分3采集外圈壁的动压力信号，连续记录压力-时间关系曲线；

（5）根据压力-时间关系曲线和拍摄的鱼群活动状态的图像判断是否发生突发水污染，判断的依据为：

当鱼群在水动力约束下在近内圈壁的约束区34内随着旋转水流运动时，上下两个环形旋转水箱1；2所采集的压力-时间关系曲线形态相似，压力值为0~2Mpa，说明待测源水没有发生突发水污染；

如图6所示，若上部的环形旋转水箱1的压力-时间关系曲线的波动突然变大超过10Mpa，而下部的环形旋转水箱2的压力-时间关系曲线如图7所示仍然稳定在0~2Mpa，说明待测源水有可能发生突发水污染，此时对比拍摄的鱼群在上下两个环形旋转水箱1；2中的活动图像，若相对于下部的环形旋转水箱2中鱼群平稳的活动状态，上部的环形旋转水箱1中的鱼群突然运动活跃，活动范围从内圈壁附近的约束区34转移到外圈壁附近的逃离区35，则说明鱼类为了躲避污水挣脱了水动力约束逃到了相对清洁的外圈壁附近水域，并且撞击外圈壁产生了动压变化，确认待测源水发生了突发水污染，发出正式报警；若上部的环形旋转水箱1中的鱼群并未出现该情况，则为误报，取消报警；

（6）待测源水的水位超出出水管9上缘高度时顺着出水管9流出，每隔1小时打开排污管10；11上的阀门14；15排出两个环形旋转水箱1；2底部的淤积物。

本实施例中装置及其方法对水箱内的斑马鱼鱼群的活动施加了水动力约束，过滤了鱼类自身生理活动或外界干扰造成的信号噪声，保证鱼类挣脱水动力约束撞击边壁引发的压力变化曲线的可靠性。

如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。

Claims (7)

1.一种基于水动力约束原理的突发水污染生物预警装置，包括生物行为控制单元、动力设备单元和信号采集处理单元， 所述生物行为控制单元包括上下同轴设置的两个相同的环形旋转水箱（1；2），其特征在于：每个环形旋转水箱（1；2）的底部设有进水孔（7；8）、排污管（10；11）和流态调整底槽（5；6），出水管（9）紧贴环形旋转水箱（1；2）的内圈壁竖直贯穿于两个环形旋转水箱（1；2）的中心，待检测源水和清水分别由进水孔（7；8）进入两个环形旋转水箱（1；2）；

所述动力设备单元包括固定在机座（24）上的交流电机（25）、控制箱（27）和竖直安装在控制箱（27）上的转杆（26），所述转杆（26）穿过两个环形旋转水箱（1；2）的中心并在所述交流电机（25）和控制箱（27）的驱动下带动环形旋转水箱（1；2）匀速转动；

所述信号采集处理单元包括压力信号采集部分（3）和图形信号采集部分，所述压力信号采集部分（3）安装在两个环形旋转水箱（1；2）的外圈壁内采集并对比预警生物在上下两个环形旋转水箱（1；2）里的待测源水和清水中撞击边壁产生的动压力信号，根据是否有异常撞击边壁的压力信号判断待测源水是否发生突发水污染；所述图形信号采集部分包括固定在机座（24）上的摄像机（28）向上观察采集下部的环形旋转水箱（2）的图像信号，以及架设在可移动支架（30）上的摄像机（29）向下观察采集上部的环形旋转水箱（1）的图像信号。

2.根据权利要求1所述的基于水动力约束原理的突发水污染生物预警装置，其特征在于：所述压力信号采集部分（3）包括压电式压力传感器（16）、电荷放大电路（17）和信号分析仪（18），所述压电式压力传感器（16）表面通过粘结剂（22）附上一层防水保护膜（23）紧贴于两个环形旋转水箱（1；2）的外圈壁内采集动压力信号，每个压电式压力传感器（16）和每个电荷放大电路（17）为一组进行耦合，电荷放大电路（17）输出电信号给信号分析仪（18）转换成压力-时间变化曲线，根据信号突变情况对突发水污染进行在线预警。

3.根据权利要求1或2所述的基于水动力约束原理的突发水污染生物预警装置，其特征在于：位于上方的所述环形旋转水箱（1）的底部由不透明有机玻璃钢制成，位于下方的所述环形旋转水箱（2）的底部由透明有机玻璃钢制成。

4.根据权利要求1所述的基于水动力约束原理的突发水污染生物预警装置，其特征在于：所述流态调整底槽（5；6）在其所属的环形旋转水箱（1；2）底部呈同心圆布置，由热固性塑料片制成，高度为环形旋转水箱（1；2）外圈净高的1/8~1/6。

5.根据权利要求1所述的基于水动力约束原理的突发水污染生物预警装置，其特征在于：所述出水管（9）的上端出口处设有过滤网（31）以防止预警生物的外逃。

6.根据权利要求1所述的基于水动力约束原理的突发水污染生物预警装置，其特征在于：所述排污管（10；11）上设有阀门（14；15），当所述环形旋转水箱（1；2）排污时所述阀门（14；15）打开。

7.一种基于水动力约束原理的突发水污染预警方法，其特征在于：包括如下步骤：

（1）分别通过进水孔（7；8）向上部环形旋转水箱（1）和下部环形旋转水箱（2）通入等量的待测源水和清水；

（2）将相同数量的预警生物分别放入上下两个环形旋转水箱（1；2）中，选用的预警生物为深色，体长40~60mm，生命体征正常且非产卵期；

（3）启动交流电机（25），通过控制箱（27）和转杆（26）带动两个环形旋转水箱（1；2）匀速转动，转速保持在15~20r/min，当上部的环形旋转水箱（1）的待测源水和下部的环形旋转水箱（2）的清水开始绕着中心做圆周运动时，调整流态调整底槽（5；6）的高度直到形成稳定的旋转水流；

（4）开启机座（24）上和可移动支架（30）上的摄像机（28；29）拍摄两个环形旋转水箱（1；2）内预警生物的活动状态，当预警生物随着旋转水流运动且在向心力的约束下被限制在靠近内圈壁附近时，启动压力信号采集部分（3）采集外圈壁的动压力信号，连续记录压力-时间关系曲线；

（5）根据压力-时间关系曲线和拍摄的预警生物活动状态的图像判断是否发生突发水污染：当预警生物在靠近内圈壁附近运动时，上下两个环形旋转水箱（1；2）所采集的压力-时间关系曲线形态相似，压力值为0~2Mpa，说明待测源水没有发生突发水污染；若上部的环形旋转水箱（1）的压力-时间关系曲线的波动突然变大超过10Mpa，而下部的环形旋转水箱（2）的压力-时间关系曲线仍然稳定在0~2Mpa，说明待测源水有可能发生突发水污染，此时对比拍摄的预警生物在上下两个环形旋转水箱（1；2）中的活动图像，若相对于下部的环形旋转水箱（2）中预警生物平稳的活动状态，上部的环形旋转水箱（1）中的预警生物突然运动活跃，活动范围从内圈壁附近转移到外圈壁附近，则说明预警生物为了躲避污水挣脱了水动力约束逃到了相对清洁的外圈壁附近水域，并且撞击外圈壁产生了动压变化，确认待测源水发生了突发水污染；若上部的环形旋转水箱（1）中的预警生物并未出现该情况，则为误报；

（6）待测源水的水位超出出水管（9）上缘高度时顺着出水管（9）流出，每隔1小时打开排污管（10；11）上的阀门（14；15）排出两个环形旋转水箱（1；2）底部的淤积物。

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