水质安全的生物声波监测方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及水质监测技术领域，特别涉及一种声波监测水质安全的方法。
【背景技术】
[0002] 水是地球上生命赖以存活的重要资源之一，但是随着人类物质文明的发展，江、 河、湖、海等不断遭受污染的侵害，水体污染成为迫切需要解决的问题。污染的水体会破坏 土壤，影响农作物的生长，造成减产，还危及水生生物生长和繁衍，致使鱼虾大量减产、死 亡，甚至种群消亡，给农业、渔业带来巨大的经济损失。因此，寻找一种能够实时在线监测从 而实现提前预警的水质监测方法，对保护环境，减少因水体污染而造成的经济损失具有重 要意义。
[0003] CN204255961U公开了一种水质监测设备，水样流通池内设置有探头电极、水栗、检 测仪和探头电极分别与控制系统连接，可实现探头电极的快速直接检测，也可实现检测仪 的具体分析监测。但自动化的精密仪器对水质要求严格，在线检测设备的传感器极易被污 染或产生流路堵塞，使仪器故障频发。
[0004] CN203909029U公开了一种水质安全在线自动监测系统的伺服装置，以在线精密分 析仪表需求为目标，排除影响易污染、易堵塞仪表运行稳定性和测量准确性的因素，为在线 精密分析仪及时提供具有代表性和可靠性的样品。虽然在一定程度上降低了仪器故障发生 的概率，但仍不能避免流路堵塞的故障。
[0005] 目前对水样进行化学分析可以准确检测出目标污染物的含量，但由于污染物的种 类繁多，这种对水样进行化学分析的技术无法迅速确定主要污染物质，也难以检测某些不 明污染物。另外，现有的物理化学监测仪器检测方法具有耗时长、检测费用高、无法实现实 时连续监测等缺陷。因此采用生物方法监测水质状况日益受到重视。
[0006] 鱼类行为检测是一种有效的水质生物监测和预警手段，目前已有研究者在水厂取 水口放养青鏘鱼，通过微型摄像机的跟踪，观察鱼的游动特性监控水体污染。然而，采用视 觉传感器（即摄像方式)捕获鱼类游泳异常行为的方法，其图像处理和识别较为复杂，而且 在光线不足时，影响检测效果，误判时有发生。因此，亟待提出能监控生物应激反应的绿色 环保、实时在线、简单可靠的水质安全监测方法。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的是提供一种水质安全的生物声波监测方法，该方法能够克服传统定 点水质检测无法实时监测的缺陷，可实时在线监测水质。该监测方法包括以下步骤：
[0008] a、采用声波监测系统接收内含生物的待测水体内部、边界壁面处或水体表面的声 波信号；
[0009] b、结合数字摄像技术标定水样中受试生物的不同应激状态在声波信号能量图上 对应的特征峰；
[0010] C、分析接收到的声波信号，利用特征峰确定生物不同的应激状态，对比不同应激 状态内声波信号的能量，选取声波信号能量最大的应激状态，计算该应激状态时间内声波 信号振幅A、能量E、各频率段i内的能量与总能量之比的能量分率Pi作为声波信号特征值； [0011] d、将计算得到的声波信号特征值m与无污染水质下声波信号特征值no对比，定义 为水质因子：
[0012] Cd = ni-n〇
[0013] 当水质因子大于设定值时表明水样受到污染，并且污染程度随水质因子增大而增 大。
[0014] 在接收声波信号时，可采用水听器、导波杆、麦克风接收水体壁面处、水体内部以 及水体上方的声波信号。
[0015] 本发明采用声波监测水质的原理是基于生物在污染水体中会产生应激反应，从而 产生较强的声波信号。而随着污染程度不同和暴露于污染物中的时间不同，生物会表现出 不同的应激状态，不同应激状态下的声波信号也不同。
[0016] 实施过程中先结合数字摄像技术分析声波信号能量确定水样中生物不同的应激 状态及其在声波信号能量图上对应的特征峰。后可根据声波信号特征峰，直接确定生物的 应激状态。
[0017] 本发明的装置和技术与现有的装置技术相比有如下一些优点：
[0018] (1)声波监测系统简易方便，不会影响水体内受试生物的行为与生存环境。
[0019] (2)声波信号能直接反应实验水体内的动态信息，直接接收受试生物与水之间的 相互作用。
[0020] (3)是一种能监测生物应激反应的绿色环保、实时在线、灵敏可靠的水质安全监测 方法。
【附图说明】：
[0021] 图1为实验装置简图；
[0022] 图2为泥鳅行为的声波信号谱图（米醋浓度1.2%);
[0023] 图3为不同米醋浓度下泥鳅行为的声波信号能量平均值；
[0024] 图4为是螃蟹行为的声波信号谱图（米醋浓度1.2%);
[0025] 图5为不同米醋浓度下螃蟹行为的声波信号能量平均值。
【具体实施方式】
[0026] 本发明所用实验装置如图1所示，由生态模拟系统和声波监测系统组成。生态模拟 系统主要包括水、塑料水桶和污染物质。实验采用米醋作为主要污染物质。声波监测系统由 声发射探头(AE144S,Fuji Ceramics Corp.)、前置放大器、主放大器、数据采集卡(USB-6351，NI)和计算机组成。实验过程中，声波信号的采样频率为1000Hz。
[0027] 为获得较大强度的水面波动信号，将声发射探头安装在外桶壁上，其上部与水面 相切。为避免外界震动对实验过程中声波信号的采集造成干扰，在水桶下方放置缓冲软垫。 实验通过向水中加入米醋来模拟水污染过程，为了更清楚地观察米醋在水中的扩散情况， 在米醋中加红墨水以不踪。
[0028] 实施例1
[0029] 取5条健康、体形体重相近的泥鳅，分别编号1~5。按表1进行5组实验。
[0030] 表1各组实验米醋加入量
[0032]具体的实验方案如下：
[0033] (1)首先用塑料水桶盛5kg清水，在其中放入一条泥鳅；
[0034] (2)等待泥鳅安静且水面不再波动，然后用水听器开始连续采集声波信号，同时用 摄影设备对泥鳅的应激行为进行录像；
[0035] (3)信号采集5min后，敲击水桶壁作为加醋信号，同时向水中加入混有2ml红墨水 作为示踪剂的米醋，米醋加入量参考表1，米醋加入位置尽量远离泥鳅；
[0036] (4)录像和信号采集时间为30min，其间若泥鳅肚子朝上且100s内都无任何动作， 则判断泥鳅死亡，停止采集信号和录像；
[0037] (5)清洗水桶，改变米醋加入量，重复上述过程；
[0038]通过录像记录水桶中加入米醋状态下生物的应激状态，并结合声波信号能量(如 图2所示)确定不同应激状态及其时间范围。分析声波信号谱图与水样中生物行为的关系， 得到tl~t5五个特征时刻：
[0039] (1) t = 301 s处有特征峰，为向水中加米醋所致；
[0040] (2)t2 = 307s处有特征峰，当加入水中的米醋扩散至受试生物泥鳅附近时，泥鳅受 到刺激而逃离导致此峰。此峰也指示泥鳅开始接触米醋；
[0041] (3)t3 = 487s处有特征峰，为泥鳅开始到处游动并用头部撞击桶壁所致。此峰说明 泥鳅开始出现初步的不适感；
[0042] (4)t4= 1022s处有特征峰，