[发明专利]基于水动力约束原理的突发水污染生物预警装置及方法

说明书

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。