水質(zhì)安全的生物聲波監(jiān)測(cè)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及水質(zhì)監(jiān)測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種聲波監(jiān)測(cè)水質(zhì)安全的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 水是地球上生命賴以存活的重要資源之一，但是隨著人類(lèi)物質(zhì)文明的發(fā)展，江、 河、湖、海等不斷遭受污染的侵害，水體污染成為迫切需要解決的問(wèn)題。污染的水體會(huì)破壞 土壤，影響農(nóng)作物的生長(zhǎng)，造成減產(chǎn)，還危及水生生物生長(zhǎng)和繁衍，致使魚(yú)蝦大量減產(chǎn)、死 亡，甚至種群消亡，給農(nóng)業(yè)、漁業(yè)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，尋找一種能夠?qū)崟r(shí)在線監(jiān)測(cè)從 而實(shí)現(xiàn)提前預(yù)警的水質(zhì)監(jiān)測(cè)方法，對(duì)保護(hù)環(huán)境，減少因水體污染而造成的經(jīng)濟(jì)損失具有重 要意義。
[0003] CN204255961U公開(kāi)了一種水質(zhì)監(jiān)測(cè)設(shè)備，水樣流通池內(nèi)設(shè)置有探頭電極、水栗、檢 測(cè)儀和探頭電極分別與控制系統(tǒng)連接，可實(shí)現(xiàn)探頭電極的快速直接檢測(cè)，也可實(shí)現(xiàn)檢測(cè)儀 的具體分析監(jiān)測(cè)。但自動(dòng)化的精密儀器對(duì)水質(zhì)要求嚴(yán)格，在線檢測(cè)設(shè)備的傳感器極易被污 染或產(chǎn)生流路堵塞，使儀器故障頻發(fā)。
[0004] CN203909029U公開(kāi)了一種水質(zhì)安全在線自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的伺服裝置，以在線精密分 析儀表需求為目標(biāo)，排除影響易污染、易堵塞儀表運(yùn)行穩(wěn)定性和測(cè)量準(zhǔn)確性的因素，為在線 精密分析儀及時(shí)提供具有代表性和可靠性的樣品。雖然在一定程度上降低了儀器故障發(fā)生 的概率，但仍不能避免流路堵塞的故障。
[0005] 目前對(duì)水樣進(jìn)行化學(xué)分析可以準(zhǔn)確檢測(cè)出目標(biāo)污染物的含量，但由于污染物的種 類(lèi)繁多，這種對(duì)水樣進(jìn)行化學(xué)分析的技術(shù)無(wú)法迅速確定主要污染物質(zhì)，也難以檢測(cè)某些不 明污染物。另外，現(xiàn)有的物理化學(xué)監(jiān)測(cè)儀器檢測(cè)方法具有耗時(shí)長(zhǎng)、檢測(cè)費(fèi)用高、無(wú)法實(shí)現(xiàn)實(shí) 時(shí)連續(xù)監(jiān)測(cè)等缺陷。因此采用生物方法監(jiān)測(cè)水質(zhì)狀況日益受到重視。
[0006] 魚(yú)類(lèi)行為檢測(cè)是一種有效的水質(zhì)生物監(jiān)測(cè)和預(yù)警手段，目前已有研究者在水廠取 水口放養(yǎng)青鏘魚(yú)，通過(guò)微型攝像機(jī)的跟蹤，觀察魚(yú)的游動(dòng)特性監(jiān)控水體污染。然而，采用視 覺(jué)傳感器（即攝像方式)捕獲魚(yú)類(lèi)游泳異常行為的方法，其圖像處理和識(shí)別較為復(fù)雜，而且 在光線不足時(shí)，影響檢測(cè)效果，誤判時(shí)有發(fā)生。因此，亟待提出能監(jiān)控生物應(yīng)激反應(yīng)的綠色 環(huán)保、實(shí)時(shí)在線、簡(jiǎn)單可靠的水質(zhì)安全監(jiān)測(cè)方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的是提供一種水質(zhì)安全的生物聲波監(jiān)測(cè)方法，該方法能夠克服傳統(tǒng)定 點(diǎn)水質(zhì)檢測(cè)無(wú)法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的缺陷，可實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)水質(zhì)。該監(jiān)測(cè)方法包括以下步驟：
[0008] a、采用聲波監(jiān)測(cè)系統(tǒng)接收內(nèi)含生物的待測(cè)水體內(nèi)部、邊界壁面處或水體表面的聲 波信號(hào)；
[0009] b、結(jié)合數(shù)字?jǐn)z像技術(shù)標(biāo)定水樣中受試生物的不同應(yīng)激狀態(tài)在聲波信號(hào)能量圖上 對(duì)應(yīng)的特征峰；
[0010] C、分析接收到的聲波信號(hào)，利用特征峰確定生物不同的應(yīng)激狀態(tài)，對(duì)比不同應(yīng)激 狀態(tài)內(nèi)聲波信號(hào)的能量，選取聲波信號(hào)能量最大的應(yīng)激狀態(tài)，計(jì)算該應(yīng)激狀態(tài)時(shí)間內(nèi)聲波 信號(hào)振幅A、能量E、各頻率段i內(nèi)的能量與總能量之比的能量分率Pi作為聲波信號(hào)特征值； [0011] d、將計(jì)算得到的聲波信號(hào)特征值m與無(wú)污染水質(zhì)下聲波信號(hào)特征值no對(duì)比，定義 為水質(zhì)因子：
[0012] Cd = ni-n〇
[0013] 當(dāng)水質(zhì)因子大于設(shè)定值時(shí)表明水樣受到污染，并且污染程度隨水質(zhì)因子增大而增 大。
[0014] 在接收聲波信號(hào)時(shí)，可采用水聽(tīng)器、導(dǎo)波桿、麥克風(fēng)接收水體壁面處、水體內(nèi)部以 及水體上方的聲波信號(hào)。
[0015] 本發(fā)明采用聲波監(jiān)測(cè)水質(zhì)的原理是基于生物在污染水體中會(huì)產(chǎn)生應(yīng)激反應(yīng)，從而 產(chǎn)生較強(qiáng)的聲波信號(hào)。而隨著污染程度不同和暴露于污染物中的時(shí)間不同，生物會(huì)表現(xiàn)出 不同的應(yīng)激狀態(tài)，不同應(yīng)激狀態(tài)下的聲波信號(hào)也不同。
[0016] 實(shí)施過(guò)程中先結(jié)合數(shù)字?jǐn)z像技術(shù)分析聲波信號(hào)能量確定水樣中生物不同的應(yīng)激 狀態(tài)及其在聲波信號(hào)能量圖上對(duì)應(yīng)的特征峰。后可根據(jù)聲波信號(hào)特征峰，直接確定生物的 應(yīng)激狀態(tài)。
[0017] 本發(fā)明的裝置和技術(shù)與現(xiàn)有的裝置技術(shù)相比有如下一些優(yōu)點(diǎn)：
[0018] (1)聲波監(jiān)測(cè)系統(tǒng)簡(jiǎn)易方便，不會(huì)影響水體內(nèi)受試生物的行為與生存環(huán)境。
[0019] (2)聲波信號(hào)能直接反應(yīng)實(shí)驗(yàn)水體內(nèi)的動(dòng)態(tài)信息，直接接收受試生物與水之間的 相互作用。
[0020] (3)是一種能監(jiān)測(cè)生物應(yīng)激反應(yīng)的綠色環(huán)保、實(shí)時(shí)在線、靈敏可靠的水質(zhì)安全監(jiān)測(cè) 方法。
【附圖說(shuō)明】：
[0021] 圖1為實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)圖；
[0022] 圖2為泥鰍行為的聲波信號(hào)譜圖（米醋濃度1.2%);
[0023] 圖3為不同米醋濃度下泥鰍行為的聲波信號(hào)能量平均值；
[0024] 圖4為是螃蟹行為的聲波信號(hào)譜圖（米醋濃度1.2%);
[0025] 圖5為不同米醋濃度下螃蟹行為的聲波信號(hào)能量平均值。
【具體實(shí)施方式】
[0026] 本發(fā)明所用實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，由生態(tài)模擬系統(tǒng)和聲波監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成。生態(tài)模擬 系統(tǒng)主要包括水、塑料水桶和污染物質(zhì)。實(shí)驗(yàn)采用米醋作為主要污染物質(zhì)。聲波監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由 聲發(fā)射探頭(AE144S,Fuji Ceramics Corp.)、前置放大器、主放大器、數(shù)據(jù)采集卡(USB-6351，NI)和計(jì)算機(jī)組成。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，聲波信號(hào)的采樣頻率為1000Hz。
[0027] 為獲得較大強(qiáng)度的水面波動(dòng)信號(hào)，將聲發(fā)射探頭安裝在外桶壁上，其上部與水面 相切。為避免外界震動(dòng)對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中聲波信號(hào)的采集造成干擾，在水桶下方放置緩沖軟墊。 實(shí)驗(yàn)通過(guò)向水中加入米醋來(lái)模擬水污染過(guò)程，為了更清楚地觀察米醋在水中的擴(kuò)散情況， 在米醋中加紅墨水以不蹤。
[0028] 實(shí)施例1
[0029] 取5條健康、體形體重相近的泥鰍，分別編號(hào)1~5。按表1進(jìn)行5組實(shí)驗(yàn)。
[0030] 表1各組實(shí)驗(yàn)米醋加入量
[0032]具體的實(shí)驗(yàn)方案如下：
[0033] (1)首先用塑料水桶盛5kg清水，在其中放入一條泥鰍；
[0034] (2)等待泥鰍安靜且水面不再波動(dòng)，然后用水聽(tīng)器開(kāi)始連續(xù)采集聲波信號(hào)，同時(shí)用 攝影設(shè)備對(duì)泥鰍的應(yīng)激行為進(jìn)行錄像；
[0035] (3)信號(hào)采集5min后，敲擊水桶壁作為加醋信號(hào)，同時(shí)向水中加入混有2ml紅墨水 作為示蹤劑的米醋，米醋加入量參考表1，米醋加入位置盡量遠(yuǎn)離泥鰍；
[0036] (4)錄像和信號(hào)采集時(shí)間為30min，其間若泥鰍肚子朝上且100s內(nèi)都無(wú)任何動(dòng)作， 則判斷泥鰍死亡，停止采集信號(hào)和錄像；
[0037] (5)清洗水桶，改變米醋加入量，重復(fù)上述過(guò)程；
[0038]通過(guò)錄像記錄水桶中加入米醋狀態(tài)下生物的應(yīng)激狀態(tài)，并結(jié)合聲波信號(hào)能量(如 圖2所示)確定不同應(yīng)激狀態(tài)及其時(shí)間范圍。分析聲波信號(hào)譜圖與水樣中生物行為的關(guān)系， 得到tl~t5五個(gè)特征時(shí)刻：
[0039] (1) t = 301 s處有特征峰，為向水中加米醋所致；
[0040] (2)t2 = 307s處有特征峰，當(dāng)加入水中的米醋擴(kuò)散至受試生物泥鰍附近時(shí)，泥鰍受 到刺激而逃離導(dǎo)致此峰。此峰也指示泥鰍開(kāi)始接觸米醋；
[0041] (3)t3 = 487s處有特征峰，為泥鰍開(kāi)始到處游動(dòng)并用頭部撞擊桶壁所致。此峰說(shuō)明 泥鰍開(kāi)始出現(xiàn)初步的不適感；
[0042] (4)t4= 1022s處有特征峰，