一种水体复合污染生物预警监测装置及试验方法与流程

本发明涉及水体复合污染生物预警监测装置及试验方法，属于环境保护技术领域。

背景技术：

水污染是指各种污染物质进入水体并超越水体自净能力的现象。水污染会导致水体物理、化学、生物等方面特征发生改变，降低水的使用价值，破坏生态环境，危害人民群众身心健康。近些年来，大量未经处理的工业废水、城市污水、农业污染物不断被排入水中，导致水中悬浮物和重金属含量急剧增加。其中，水体中最常见的重金属污染物质为铜、铅、镉、汞等。重金属污染物不同于其他类型污染物，具有富集性，很难通过环境的自净能力降低或解除其有害性。因此急需建立一套完善的水质污染预警系统，在重金属水体污染事故发生的早期及时预警并反馈处理，为水污染应急预案提供信息支撑。

近年来，利用特定敏感性水生物(如鱼类)对突发水污染进行预警的相关技术逐渐得到重视，即生物预警技术。鱼类生物预警主要是利用相关仪器设备对鱼类进行跟踪监测，通过分析其行为以及体色等方面的变化，对潜在水体污染事故进行预警。例如，专利申请号为201310020612.2，名称为《一种廊道式水质污染预警装置及预警方法》的发明专利公开了一种基于鱼类行为的水质监测装置及方法，通过隔水板和阻隔柱对鱼类的活动区域进行约束，利用摄像机观测鱼类活动区域和行为，借助图像数据及数字图像信号记录分析判别水体是否发生突发水污染；专利申请号为201210334069.9，名称为《基于鱼类多样本统计的水质污染预警系统及预警方法》的专利公开了通过采集多组装有待监测源水鱼缸的小鱼的图像列帧，对监测图像序列帧依次进行平滑、阀值分割及去噪处理，由去噪处理后的监测图像序列帧计算出当前周期下监测鱼缸中监测小鱼的运动参数，根据监测小鱼的运动参数与预定运动参数的关系判断监测鱼缸是否处于报警范围，在监测鱼缸处于报警范围且参考鱼缸中的小鱼处于异常状态时确定待监测源水受到污染。

然而，现有的生物预警技术仍存在较为明显的技术缺陷，尤其是对于复合污染情况：(1)重金属污染种类众多，不同类型污染物反馈治理措施不同；传统的预警技术只能判断源水是否发生污染，并不能有效预测出水质污染的种类，缺少为复合水污染应急处理提供量化信息支撑；(2)当前生物预警技术主要利用水生生物的应激反应来监测水环境质状况，并未考虑不同生物对不同污染物的敏感程度，无法实现多层次、多源污染物智能预警监测。

技术实现要素：

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种水体复合污染生物预警监测装置及试验方法，克服现有水质污染预警装置无法定性分析出确切水质污染元素的缺陷，利用不同鱼类对不同金属的敏感度进行源水的预警监测，能在第一时间监测并反映出待测水体是否发生重金属污染，并预测出污染水体的重金属种类。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明的一种水体复合污染生物预警监测装置，包含水箱，所述水箱的两端设有进水管和出水管，进水管和出水管上均安装有水泵，在水箱安装水泵的两端的水箱壁上安装有诱鱼信号灯，在水箱内设有可调节高度的S型的底板，在水箱内安装有若干个隔板，在隔板上交替的设有用以感应鱼类的行为特征的红外感应仪和碰撞感应器，在底板上安装有用于调节监测装置水体温度的温度调节仪，在水箱上方安装有监测水箱内水质的摄像头，摄像头安装在支架上，所述红外感应仪和碰撞感应器通过无线信号传输器将信号传输给水质状况分析系统。

作为优选，所述水质状况分析系统同时与水质状况警示灯和LED数据图像显示仪信号连接，水质状况警示灯根据水质状况分析系统发出的不同指令呈现红、黄、绿、蓝四种不同颜色的警报信号。

作为优选，所述水质状况分析系统与移动智能终端连接。

作为优选，所述底板由多块小浮板组成，每块小浮板底面中心连接一个高度调节仪用以调节底板高度。

作为优选，所述隔板有四个，第四个隔板紧贴水箱壁，四个隔板将水箱分为四个区域，分为Cu²⁺水质监测区、Pb²⁺水质监测区、Cd²⁺水质监测区、Hg²⁺水质监测区四个水质监测区；每个监测区分别放入用于监测源水中上述四种重金属离子是否超标的鱼类，在每个隔板上安装有BOD检测仪。

一种上述的水体复合污染生物预警监测装置的试验方法，包括以下步骤：

(1)调节安装在底板底面的高度调节仪使得其初始状态为：从水箱右端端到左端的高度调节仪的高度为最高向最低依次递减，此时底面模拟坡度为10～12度，右侧为上游的S型河道；打开右侧水泵将源水通过右侧进水管同时流入四个水质监测区，同时打开安装在四个水质监测区右侧的诱鱼信号灯；

(2)将对Cu²⁺、Pb²⁺、Cd²⁺、Hg²⁺四种重金属离子敏感性较高的对应四种鱼类A、B、C、D分别放入Cu²⁺水质监测区、Pb²⁺水质监测区、Cd²⁺水质监测区、Hg²⁺水质监测区的最左侧区域，每一种鱼类数量不少于10条，上述所选鱼类要求生命体征正常，身长尺寸大体一致；

(3)打开摄像头观测四类鱼的活动区域，正常情况下，四类鱼由于洄游及趋光习性，将会逆流而上，向水流上游游去，聚集在右侧上游区域；

(4)此时，为了实现装置的循环利用，利用高度调节仪(9)自动缓慢调节左右高度，反方向变换S型河道上下游的位置，然后将监测区上下游条件逐渐互换；在源水无污染正常情况下，四类鱼将依旧逆流而上，向左侧上游区聚集；

(5)若在监测期内，四个水质监测区中有一个或多个区域的鱼类行为突然转变活跃，且超过70％的鱼类未向上游洄游，聚集在下游区域，则说明水质可能受到污染；

重复步骤(4)3～4次，每次上下游变换一周期持续时间为10-15分钟，若均有超过70％的鱼类往下游区聚集，则确定源水受到了污染，此时水质监测区可能出现的结果情景模式如下：

a.在Cu²⁺水质监测区投放对Cu²⁺敏感性高的鱼类A，若在监测期内鱼行为突变活跃，生命信号增强，且在重复周期变换3～4次的情况下均有超过70％的鱼群拒绝逆流而上，选择向下游区聚集，说明源水水质可能受到污染，且主要污染物质为重金属Cu²⁺；

b.在Pb²⁺水质监测区投放对Pb²⁺敏感性高的鱼类B，若在监测期内鱼行为突变活跃，生命信号增强，且在重复周期变换3～4次的情况下均有超过70％的鱼群拒绝逆流而上，选择向下游区聚集，说明源水水质可能受到污染，且主要污染物质为重金属Pb²⁺；

c.在Cd²⁺水质监测区投放对Cd²⁺敏感性高的鱼类C，若在监测期内鱼行为突变活跃，生命信号增强，且在重复周期变换3～4次的情况下均有超过70％的鱼群拒绝逆流而上，选择向下游区聚集，说明源水水质可能受到污染，且主要污染物质为重金属Cd²⁺；

d.在Hg²⁺水质监测区投放对Hg²⁺敏感性高的鱼类D，若在监测期内鱼行为突变活跃，生命信号增强，且在重复周期变换3～4次的情况下均有超过70％的鱼群拒绝逆流而上，选择向下游区聚集，说明源水水质可能受到污染，且主要污染物质为重金属Hg²⁺；

(6)根据步骤(5)的四个水质监测区结果不同组合情景的不同组合，按照下表1得出水体污染情况：

表1水质监测区结果不同组合情景所对应的水体污染情况

a、b表示a和b两种情况同时发生，a、b、c表示a、b、c三种情况同时发生，以此类推

(7)同时结合分别安装于四个水质监测区的BOD检测仪检测源水中生化需氧量的高低，以此判断源水水质的有机物污染情况。

在本发明中，所监测的源水不断通过进出水管排出，随着时间的推移需定期人工更换水质监测区中的四类鱼，以保证鱼群的生命体能的活跃性；若监测区底部沉积了一定的淤积物及鱼类的排泄物，需及时进行人工清理。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明克服现有水质污染预警装置无法定性分析出确切水质污染元素的缺陷，利用不同鱼类对不同金属的敏感度进行源水的预警监测，能在第一时间监测并反映出待测水体是否发生重金属污染，并预测出污染水体的重金属种类；

2、本次发明相比于现有的生物预警装置，通过合理的设计将鱼类监测区设计成为S型仿河道生态的形式，首次利用鱼类洄游特性对源水进行生物预警；

3、本发明在保证自动实时连续监测和互联网远程传输的前提下，实现了生物预警监测系统的持续、可靠运行，确保了污染物质识别和对策采取的及时性，具有高敏感度、成本低、运行维护简便等优点。

附图说明

图1是本发明所述S型污染物监测装置示意图。

图2是本发明所述S型污染物监测装置俯视图。

图3是本发明所述水体复合污染生物预警监测装置工作原理示意图。

图4是本发明所述BOD检测仪结构示意图。

图5是本发明所述移动智能终端工作示意图。

图6是本发明所述S型污染物监测装置在有无水污染情况下不同水质监测区鱼类生命信号强度变化对比图；其中，a是Cu²⁺有无水污染情况下不同水质监测区鱼类生命信号强度变化对比图；b是Pb²⁺有无水污染情况下不同水质监测区鱼类生命信号强度变化对比图；c是Cd²⁺有无水污染情况下不同水质监测区鱼类生命信号强度变化对比图；d是Hg²⁺有无水污染情况下不同水质监测区鱼类生命信号强度变化对比图。

具体实施方式

如图1至3所示，本发明提供了一种水体复合污染生物预警监测装置，包括S型污染物监测装置1、水质状况响应装置15。所述S型污染物监测装置1为200cm*120cm*80cm的水箱；如图1所示，所述水箱沿水流方向被纵向S型隔板4分隔成四组并行的水质监测区域，在每个隔板上安装有BOD检测仪5，四组监测区域两端分别安有直径为8cm的进水管2和出水管，进水管2和出水管分别与水泵14连通，分别输入清洁源水和待测源水，每个水质监测区域的实际尺寸为200cm*30cm*80cm，分别为Cu²⁺水质监测区3-1、Pb²⁺水质监测区3-2、Cd²⁺水质监测区3-3、Hg²⁺水质监测区3-4，和水泵14进出水口域设有滤网，防止鱼类逃离，进水管2、出水管分别位于各区域中心轴位置；四类水质监测区3的S型底板10均由48块小浮板组成，每块小浮板底面中心连接一个高度调节仪9，用以灵活调节底板高度，结合水泵14自由改变不同水质监测区3的水流方向与坡度高程，保证鱼类可以逆流而上。

在本发明中，Cu²⁺水质监测区3-1、Pb²⁺水质监测区3-2、Cd²⁺水质监测区3-3、Hg²⁺水质监测区3-4四个监测区域分别放入8～12条对这四类重金属敏感性不同的白鲢、鲤鱼、尼罗罗非鱼、草鱼在坡底区域，四类水质监测区的S型隔板4相间安装有红外感应仪6、碰撞感应器7用以感应鱼类的行为特征，红外感应仪6用以感应鱼群在源水水体中的水深分布情况是否有异于在清水中的水深分布，碰撞感应器7用以监测鱼群在待测水源中是否有异于清水养殖时的撞击边壁的异常信号，根据两者反馈的鱼群水深分布和边壁撞击信息同时结合摄像头12收集的信息来判断待测源水是否发生突发性水体重金属污染，S型底板10相间安装有温度调节仪8，用以调节监测装置水体温度，使得装置水体温度最大程度上适合鱼类生存，有利于鱼群生命特征的更好反映。

所述支架13的高为120cm，所述摄像头12型号为HDR-XR260E，固定在支架13上面，支架13上共装有12个摄像头，每类水质监测区在上、中、下游位置分别安装1个，摄像头12通过无线信号传输器16与水质分析系统18连接，传送图像信号。

所述的S型污染物监测装置1外围和隔板均采用透明的有机玻璃材质，整体形状设计成S型的仿生态河道形状，利用水泵14与高度调节仪9结合模拟生态河道的坡度及水流速度，为鱼类创造仿生态的洄流环境。在隔板上安装的BOD检测仪用于实现对源水中有机物污染的实时监测，具体结构如图4所示，包含数据传输线51、测定仪52、Clark溶解氧化极53、电解质、阳极55、阴极56、固定化微生物57和有机物入口58。

所述水质状况响应装置15，包括无线信号传输器16、水质状况警示灯17、水质状况分析系统18、LED数据图像显示仪20和移动智能终端19。所述无线信号传输器16型号为LCN6388A 388A HdbitT，接收碰撞感应器7、红外感应仪6和摄像头12发出的信号，将信号传送到水质分析系统18；所述水质状况分析系统18能将无线信号传输器16传送过来的数字信号转换为图像信号，并向水质状况警示灯17发出指令；所述水质状况警示灯17，根据水质状况分析系统18发出的不同指令发出红、黄、蓝、绿四种不同颜色的警报信号；所述LED数据图像显示仪20能直接显示经水质状况分析系统18转换出的图像信号；所述移动智能终端19能通过GSM的方式接收水质监测分析结果，方便远程操控，原理如图5所示。

本发明所述水体复合污染生物预警监测装置工作原理示意图如图3所示，具体包括以下步骤：

①将各设备接通电源；

②打开右侧水泵14-1将清澈水源通过右侧进水管2、出水管同时流入四类水质监测区，同时打开安装在四类水质监测区右侧的诱鱼信号灯11；调节安装在S型底板10底面的高度调节仪9使得其初始状态为：从水质监测区3如图所示最右侧到最左侧高度调节仪9的高度为最高向最低依次递减，此时水质监测区3模拟坡度为10度左右，右侧为上游的S型河道；

③取8～12条白鲢、鲤鱼、尼罗罗非鱼、草鱼，分别放入Cu²⁺水质监测区3-1、Pb²⁺水质监测区3-2、Cd²⁺水质监测区3-3、Hg²⁺水质监测区3-4的最左侧区域即仿生态河流下游区域，所选鱼类要求生命体征正常，身长尺寸大体一致；

④十分钟后，打开摄像头12观测四类鱼的活动区域，通过无线信号传输器16接收碰撞感应器7、红外感应仪6和摄像头12发出的信号，将信号传送到水质分析系统18，水质分析系统18将数字信号转换为图像信号并直观的显示在LED数据图像显示仪20上；

⑤为了实现装置的循环利用，通过观测鱼的聚集位置，利用高度调节仪9自动缓慢调节左右高度，若大部分鱼类聚集在右侧区域，则左侧水泵14-2自动开启，右侧水泵14-1自动关闭，左侧诱鱼信号灯11自动开启，右侧诱鱼信号灯11自动关闭，此时水质监测区3模拟坡度保持10度左右，但左侧为S型河道的上游，如此循环往复始终保证观测鱼类处在模拟河流的下游位置。若在源水无污染情况下，鱼类均将沿袭此习性向上游洄游；

⑥若在四个水质监测区有一个或多个区域鱼类行为突然转变活跃，且超过70％的鱼类未向上游洄游，聚集在下游区域，则说明水质可能受到污染；重复步骤(4)3～4次，每次周期持续时间约为10分钟，若均有超过70％的鱼类往下游区聚集，则可确定源水受到了污染，如图6所示，此时水质监测区可能出现情景模式如下：

a.在Cu²⁺水质监测区3-1投放白鲢，若在监测期内鱼行为突变活跃，生命信号增强，且在重复周期变换3～4次的情况下均有超过70％的鱼群拒绝逆流而上，选择向下游区聚集，说明源水水质可能受到污染，且主要污染物质为重金属Cu²⁺；

b.在Pb²⁺水质监测区3-2投放鲤鱼，若在监测期内鱼行为突变活跃，生命信号增强，且在重复周期变换3～4次的情况下均有超过70％的鱼群拒绝逆流而上，选择向下游区聚集，说明源水水质可能受到污染，且主要污染物质为重金属Pb²⁺；

c.在Cd²⁺水质监测区3-3投放尼罗罗非鱼，若在监测期内鱼行为突变活跃，生命信号增强，且在重复周期变换3～4次的情况下均有超过70％的鱼群拒绝逆流而上，选择向下游区聚集，说明源水水质可能受到污染，且主要污染物质为重金属Cd²⁺；

d.在Hg²⁺水质监测区3-4投放草鱼，若在监测期内鱼行为突变活跃，生命信号增强，且在重复周期变换3～4次的情况下均有超过70％的鱼群拒绝逆流而上，选择向下游区聚集，说明源水水质可能受到污染，且主要污染物质为重金属Hg²⁺。

根据四类鱼对不同重金属的敏感性差异，结合水质监测区出现的情景模式，可预测出综合情景模式下对应的水质监测区的水质污染情况(如表1)；同时结合分别安装于四类水质监测区的BOD检测仪5检测源水中生化需氧量的高低，以此判断源水水质的有机物污染情况。

表1不同水质监测区的综合情景模式对应的水体污染情况

a、b表示a和b两种情况同时发生，a、b、c表示a、b、c三种情况同时发生，以此类推；

⑦所监测的源水不断通过进水管2、出水管排出，随着时间的推移需定期人工更换水质监测区3中的四类鱼，以保证鱼群的生命体能的活跃性；若监测区底部沉积了一定的淤积物及鱼类的排泄物，需及时的进行人工清理。

如上述可以看出，本装置及相应的方法是基于四种不同鱼类对Cu²⁺、Pb²⁺、Cd²⁺和Hg²⁺元素的敏感性不同，根据它们的生物行为和存活率的变化来预测突发性水污染，不需要复杂的监测指标就可以初步判定水质污染的重金属种类，使得预警监测能够更加准确。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。