一種異型區(qū)域河流水質(zhì)和生物監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種異型區(qū)域河流水質(zhì)和生物監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及方法，其包括基站、通訊網(wǎng)絡(luò)和邏輯分析單元，其中，所述基站設(shè)置在河流流域的預(yù)設(shè)位置，其包括生物監(jiān)測(cè)單元和水質(zhì)監(jiān)測(cè)單元，分別對(duì)該基站所處位置的生物和水質(zhì)參數(shù)信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)，采集相應(yīng)的指標(biāo)信息，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行分類處理后通過通訊網(wǎng)絡(luò)傳輸至所述邏輯分析單元中，所述邏輯分析單元通過構(gòu)建監(jiān)控模型，對(duì)實(shí)時(shí)的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算處理，并進(jìn)行指標(biāo)數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)，輸出監(jiān)測(cè)結(jié)果。本發(fā)明綜合考慮河流的橫向和縱向的多重因素，以及地域、地形因素，實(shí)時(shí)構(gòu)建參數(shù)監(jiān)控模型，獲取質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)河流的監(jiān)控和評(píng)價(jià)更加準(zhǔn)確。
【專利說明】一種異型區(qū)域河流水質(zhì)和生物監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及生態(tài)監(jiān)控領(lǐng)域，尤其涉及一種異型區(qū)域河流水質(zhì)和生物監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及方 法。

【背景技術(shù)】
[0002] 河流生態(tài)系統(tǒng)的監(jiān)控技術(shù)包括對(duì)河流物理、化學(xué)和水生生物的多因素進(jìn)行監(jiān)控， 以便后期根據(jù)該監(jiān)控結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)。
[0003] 現(xiàn)有技術(shù)中，水質(zhì)指標(biāo)通常表征了采樣時(shí)短時(shí)期內(nèi)河流生態(tài)系統(tǒng)的狀況，而水生 生物已經(jīng)被廣泛證明是可以有效反映長期的干擾狀況。因此，水質(zhì)指數(shù)還可以在一定程度 上提升綜合評(píng)價(jià)技術(shù)對(duì)突發(fā)事件的評(píng)估能力。其次，河流通常面臨著多種人為活動(dòng)的壓力， 而不同水生生物類群對(duì)不同類型人為活動(dòng)壓力響應(yīng)的敏感性具有顯著差異。如較低濃度的 氮、磷營養(yǎng)鹽增加，將促進(jìn)藻類的生長，在一定程度上還會(huì)提高藻類生物多樣性，但對(duì)魚類 和大型底棲動(dòng)物卻幾乎沒有影響，因此藻類被廣泛用于水體富營養(yǎng)化監(jiān)測(cè)，魚類更廣泛的 被應(yīng)用于水利設(shè)施建設(shè)的影響，大型底棲動(dòng)物則更多應(yīng)用于有機(jī)物和重金屬污染。
[0004] 同一類型水生生物的評(píng)價(jià)指標(biāo)具有差異。以魚類為例，評(píng)價(jià)指標(biāo)有反映生物多樣 性、群落結(jié)構(gòu)、優(yōu)勢(shì)類群、生活習(xí)性和洄游特征等，以底棲動(dòng)物為例，評(píng)價(jià)指標(biāo)的類型除生物 多樣性、群落結(jié)構(gòu)、優(yōu)勢(shì)類群、生活習(xí)性外，還有生態(tài)型、耐污類群和敏感類群等。不同的評(píng) 價(jià)指標(biāo)通常反映了不同的水生態(tài)系統(tǒng)特征，在健康評(píng)價(jià)中不同指標(biāo)對(duì)不同類型的干擾和 污染物的響應(yīng)具有差異，多指標(biāo)評(píng)價(jià)能夠全面的反映水生態(tài)系統(tǒng)受到人為活動(dòng)干擾后的狀 況。因此，利用多類型多指標(biāo)評(píng)價(jià)存在顯著的互補(bǔ)作用，運(yùn)用能夠達(dá)到更全面的評(píng)價(jià)效果。
[0005] 但為滿足上述評(píng)價(jià)指標(biāo)的監(jiān)控系統(tǒng)并不能滿足相應(yīng)的要求，在河流生態(tài)空間中， 河流的地域差異產(chǎn)生的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的差異并沒有消除，在監(jiān)控差異區(qū)域的河流的相關(guān)參數(shù) 時(shí)，采用同一模型，影響最終的監(jiān)測(cè)結(jié)果。
[0006] 鑒于上述缺陷，本發(fā)明創(chuàng)作者經(jīng)過長時(shí)間的研究和實(shí)踐終于獲得了本創(chuàng)作。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的在于提供一種異型區(qū)域河流水質(zhì)和生物監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及方法，用以克服 上述技術(shù)缺陷。
[0008] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種異型區(qū)域河流水質(zhì)和生物監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其包括基 站、通訊網(wǎng)絡(luò)和邏輯分析單元，其中，
[0009] 所述基站設(shè)置在河流流域的預(yù)設(shè)位置，其包括生物監(jiān)測(cè)單元和水質(zhì)監(jiān)測(cè)單元，分 別對(duì)該基站所處位置的生物和水質(zhì)參數(shù)信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)，采集相應(yīng)的指標(biāo)信息，并對(duì)信號(hào)進(jìn) 行分類處理后通過通訊網(wǎng)絡(luò)傳輸至所述邏輯分析單元中，所述邏輯分析單元通過構(gòu)建監(jiān)控 模型，對(duì)實(shí)時(shí)的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算處理，并進(jìn)行指標(biāo)數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)，輸出監(jiān)測(cè)結(jié)果；
[0010] 所述生物監(jiān)測(cè)單元對(duì)該基站區(qū)域內(nèi)的底棲藻類、大型底棲動(dòng)物和魚類指標(biāo)信息進(jìn) 行米集； toon] 所述水質(zhì)監(jiān)測(cè)單元對(duì)水中的營養(yǎng)鹽指標(biāo)和基本水質(zhì)指標(biāo)信息進(jìn)行采集。
[0012] 較佳的，所述基站在河流流域中位置的設(shè)置由其距離河口的距離標(biāo)定，采樣位置 作為確定基站位置的輔助參量；基站間的距離隨河水流速增加以及泥沙含量的增加而減 小，隨河流上游至下游依次減小；
[0013] 根據(jù)下述公式確定：
[0014]

【權(quán)利要求】
1. 一種異型區(qū)域河流水質(zhì)和生物監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，其包括基站、通訊網(wǎng)絡(luò)和邏輯 分析單元，其中， 所述基站設(shè)置在河流流域的預(yù)設(shè)位置，其包括生物監(jiān)測(cè)單元和水質(zhì)監(jiān)測(cè)單元，分別對(duì) 該基站所處位置的生物和水質(zhì)參數(shù)信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)，采集相應(yīng)的指標(biāo)信息，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行分 類處理后通過通訊網(wǎng)絡(luò)傳輸至所述邏輯分析單元中，所述邏輯分析單元通過構(gòu)建監(jiān)控模 型，對(duì)實(shí)時(shí)的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算處理，并進(jìn)行指標(biāo)數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)，輸出監(jiān)測(cè)結(jié)果； 所述生物監(jiān)測(cè)單元對(duì)該基站區(qū)域內(nèi)的底棲藻類、大型底棲動(dòng)物和魚類指標(biāo)信息進(jìn)行采 集； 所述水質(zhì)監(jiān)測(cè)單元對(duì)水中的營養(yǎng)鹽指標(biāo)和基本水質(zhì)指標(biāo)信息進(jìn)行采集。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的異型區(qū)域河流水質(zhì)和生物監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所述基站 在河流流域中位置的設(shè)置由其距離河口的距離標(biāo)定，采樣位置作為確定基站位置的輔助參 量；基站間的距離隨河水流速增加以及泥沙含量的增加而減小，隨河流上游至下游依次減 ?。?根據(jù)下述公式確定：
式中，D(Mj，dp表示基站位置，M。表示基站的經(jīng)驗(yàn)位置，Xi表示基站取樣點(diǎn)距離基站的 橫向坐標(biāo)，yi表示基站取樣點(diǎn)距離基站的縱向坐標(biāo)，η表示基站覆蓋區(qū)域內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)目， Vi表示基站取樣點(diǎn)處的河水流速，r表示基站處土地的利用率，m表示基站處的泥沙量，Μ」 表示不同的基站位置，4表示基站距離河口的距離。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的異型區(qū)域河流水質(zhì)和生物監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所述基站 的采樣位置W(Xi， yi)根據(jù)河水流速和含沙量確定； 根據(jù)下述公式確定：
式中，r表示基站處土地的利用率，m表示基站處的泥沙量，vx和vy分別表示基站采樣 點(diǎn)位置沿河流方向與垂直河流方向的河水流速，m表示采樣點(diǎn)位置的含沙量。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的異型區(qū)域河流水質(zhì)和生物監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所述生物 數(shù)據(jù)處理單元和水質(zhì)數(shù)據(jù)處理單元均包括PLC控制器和無線發(fā)射端，所述C控制器接收端 分別與底棲藻類分析儀、底棲動(dòng)物采集器、魚類捕捉器，水質(zhì)采樣器、水質(zhì)檢測(cè)儀和原子吸 收分光度計(jì)的輸出端口連接，將各自的采集信息傳輸至所述PLC控制器中； 所述PLC控制器將底棲藻類、大型底棲動(dòng)物和魚類指標(biāo)信息，以及營養(yǎng)鹽指標(biāo)和基本 水質(zhì)指標(biāo)信息，進(jìn)行分類整理，形成數(shù)據(jù)組dI/K,%,勿>,，&.))，其中，表示取樣點(diǎn)位 置，a i表示取樣數(shù)據(jù)指標(biāo)的類別，按照上述底棲藻類、大型底棲動(dòng)物和魚類指標(biāo)信息，以及 營養(yǎng)鹽指標(biāo)和基本水質(zhì)指標(biāo)信息順序編碼，㈧w,)表示取樣點(diǎn)的取樣信息值。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的異型區(qū)域河流水質(zhì)和生物監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所述邏輯 分析單元包括模型構(gòu)建單元和比較單元，所述模型構(gòu)建單元以接收的數(shù)據(jù)作為構(gòu)建的基本 數(shù)據(jù)，運(yùn)算得出河流的水質(zhì)質(zhì)量參數(shù)ε ; 所述模型構(gòu)建單元對(duì)每項(xiàng)取樣指標(biāo)a i的水質(zhì)質(zhì)量參數(shù)進(jìn)行建模運(yùn)算，對(duì)每一采樣點(diǎn) 的采樣值，分別作河流流速與泥沙量的區(qū)間積分函數(shù)，求和；對(duì)所有取樣點(diǎn)的求和值疊加后 取平均值；在對(duì)河流整體指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)控時(shí)，將所有基站點(diǎn)的平均值疊加后，再取平均值，得 到最終的河流的取樣指標(biāo)a i的水質(zhì)質(zhì)量參數(shù)； 所述模型構(gòu)建單元根據(jù)下述公式構(gòu)建水質(zhì)質(zhì)量參數(shù)ε模型：
式中，ε ( a 1)表示河流1的的水質(zhì)質(zhì)量參數(shù)，ε ^表示取樣指標(biāo)a i的經(jīng)驗(yàn)值，ζ表 示河流1的基站數(shù)量，η表示每個(gè)基站中取樣點(diǎn)的總數(shù)目，)表示取樣點(diǎn)的對(duì)應(yīng)取樣 指標(biāo)α i取樣?目息值，Vi表不基站的取樣點(diǎn)的河流流速的最小值，va表不基站的取樣點(diǎn)的河 流流速的最大值，1?表示基站的取樣點(diǎn)的泥沙量的最小值，ma表示基站的取樣點(diǎn)的泥沙量 的最大值。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的異型區(qū)域河流水質(zhì)和生物監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所述模型 構(gòu)建單元對(duì)每項(xiàng)取樣指標(biāo)a i的生物質(zhì)量參數(shù)進(jìn)行建模運(yùn)算，對(duì)每一采樣點(diǎn)的采樣值，分別 作河流流速與泥沙量的區(qū)間積分函數(shù)，求和；對(duì)所有取樣點(diǎn)的求和值疊加后取平均值；在 對(duì)河流整體指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)控時(shí)，將所有基站點(diǎn)的平均值疊加后，再取平均值，得到最終的河流 的取樣指標(biāo) α i的生物質(zhì)量參數(shù)； 所述模型構(gòu)建單元根據(jù)下述公式構(gòu)建水質(zhì)質(zhì)量參數(shù)n模型：
式中，Π ( α i，1)表示河流1的的水質(zhì)質(zhì)量參數(shù)，rici表示取樣指標(biāo)α i的經(jīng)驗(yàn)值，z表 示河流1的基站數(shù)量，η表示每個(gè)基站中取樣點(diǎn)的總數(shù)目，表示取樣點(diǎn)的對(duì)應(yīng)取樣 指標(biāo)α i取樣?目息值，Vi表不基站的取樣點(diǎn)的河流流速的最小值，va表不基站的取樣點(diǎn)的河 流流速的最大值，1?表示基站的取樣點(diǎn)的泥沙量的最小值，m a表示基站的取樣點(diǎn)的泥沙量 的最大值。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的異型區(qū)域河流水質(zhì)和生物監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所述模型 構(gòu)建單元將該數(shù)據(jù)結(jié)果傳輸至所述比較單元中，所述比較單元將其與標(biāo)準(zhǔn)的參數(shù)進(jìn)行比 較，獲取比較結(jié)果； 所述比較單元采用標(biāo)準(zhǔn)率s的參數(shù)對(duì)河流整體的水質(zhì)和生物指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)，標(biāo)準(zhǔn)率s 根據(jù)公式進(jìn)行計(jì)算，
式中，ε和η分別表示河流的水質(zhì)質(zhì)量參數(shù)和生物質(zhì)量參數(shù)，和分別表示河 流的水質(zhì)質(zhì)量參數(shù)和生物質(zhì)量參數(shù)的參考值，￡1和μ t分別表示河流的水質(zhì)質(zhì)量參數(shù)和生 物質(zhì)量參數(shù)的臨界值。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1-7任一權(quán)利要求所述的異型區(qū)域河流水質(zhì)和生物監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征 在于，還包括一遠(yuǎn)端服務(wù)器，其與所述邏輯分析單元連接，其能夠存儲(chǔ)所述邏輯分析單元運(yùn) 算數(shù)據(jù)，并且供其調(diào)用。
9. 一種異型區(qū)域河流水質(zhì)和生物監(jiān)測(cè)方法，其特征在于，該具體監(jiān)控過程為： 步驟a，邏輯分析單元中的采樣分析單元根據(jù)預(yù)設(shè)算法設(shè)定基站位置及各基站的采樣 位置； 步驟b，基站中的生物監(jiān)測(cè)單元和水質(zhì)監(jiān)測(cè)單元分別獲取底棲藻類、大型底棲動(dòng)物和魚 類指標(biāo)信息，以及營養(yǎng)鹽指標(biāo)和基本水質(zhì)指標(biāo)信息，并進(jìn)行數(shù)據(jù)編碼和處理，通過通訊網(wǎng)絡(luò) 傳輸至所述邏輯分析單元； 步驟c，所述邏輯分析單元中的模型構(gòu)建單元根據(jù)獲取的采樣信息，構(gòu)建生物質(zhì)量參 數(shù)η模型和水質(zhì)質(zhì)量參數(shù)ε模型，并計(jì)算出河流的生物質(zhì)量參數(shù)η和水質(zhì)質(zhì)量參數(shù)ε， 傳輸至比較單元； 步驟d，所述比較單元根據(jù)預(yù)設(shè)算法對(duì)河流整體的水質(zhì)和生物指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)對(duì)河流整 體的水質(zhì)和生物指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的異型區(qū)域河流水質(zhì)和生物監(jiān)測(cè)方法，其特征在于，所述模型 構(gòu)建單元根據(jù)下述公式構(gòu)建水質(zhì)質(zhì)量參數(shù)ε模型：
式中，ε ( a 1)表示河流1的的水質(zhì)質(zhì)量參數(shù)，ε ^表示取樣指標(biāo)a i的經(jīng)驗(yàn)值，ζ表 示河流1的基站數(shù)量，n表示每個(gè)基站中取樣點(diǎn)的總數(shù)目，表示取樣點(diǎn)的對(duì)應(yīng)取樣 指標(biāo)α i取樣?目息值，Vi表不基站的取樣點(diǎn)的河流流速的最小值，va表不基站的取樣點(diǎn)的河 流流速的最大值，1?表示基站的取樣點(diǎn)的泥沙量的最小值，ma表示基站的取樣點(diǎn)的泥沙量 的最大值； 所述模型構(gòu)建單元根據(jù)下述公式構(gòu)建水質(zhì)質(zhì)量參數(shù)η模型：
式中，Π ( α i，1)表示河流1的的水質(zhì)質(zhì)量參數(shù)，rici表示取樣指標(biāo)α i的經(jīng)驗(yàn)值，ζ表 示河流1的基站數(shù)量，n表示每個(gè)基站中取樣點(diǎn)的總數(shù)目，河七，；7/)表示取樣點(diǎn)的對(duì)應(yīng)取樣 指標(biāo)α i取樣?目息值，Vi表不基站的取樣點(diǎn)的河流流速的最小值，va表不基站的取樣點(diǎn)的河 流流速的最大值，1?表示基站的取樣點(diǎn)的泥沙量的最小值，ma表示基站的取樣點(diǎn)的泥沙量 的最大值。
【文檔編號(hào)】G01N35/00GK104049066SQ201410293466
【公開日】2014年9月17日 申請(qǐng)日期:2014年6月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月26日
【發(fā)明者】張遠(yuǎn), 高欣, 丁森, 趙瑞, 劉思思 申請(qǐng)人:中國環(huán)境科學(xué)研究院