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介紹

經(jīng)濟(jì)、社會需求

.經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求

.社會發(fā)展需求

介紹

"水質(zhì)毒性生物監(jiān)測儀"是一種基于生物傳感技術(shù)的毒性檢測儀器，通過測定魚的行為來判斷水中污染物的毒性大小。該方法具有快速、廉價的優(yōu)點。并且獲得最貼近人類的實驗結(jié)果，幫助我們實現(xiàn)對水質(zhì)的連續(xù)監(jiān)測，對水質(zhì)污染事件的及時預(yù)警。

經(jīng)濟(jì)、社會需求

近年來，我國接連發(fā)生多起重大突發(fā)性水污染事件，不僅造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失，而且造成了社會的不安定和生態(tài)環(huán)境的嚴(yán)重破壞。突發(fā)性水質(zhì)污染事件已經(jīng)成為我國用水安全和水環(huán)境質(zhì)量的一個潛在威脅，因此實時監(jiān)測水質(zhì)狀況是迫切，并且十分必要的。

經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求

在我國，每年發(fā)生的水污染事故次數(shù)過千，造成數(shù)以千萬計的經(jīng)濟(jì)損失。

· 2003.7.9廣西三江縣一油罐車所裝10t氰化jia全部泄漏到路面，沿途池塘和板栗和遭受嚴(yán)重污染，大量魚類死亡;

· 2004.2~3，由于川化集團(tuán)一工廠事故排放，四川沱江遭受嚴(yán)重污染，沿岸80多萬居民、上千家企業(yè)受到影響，內(nèi)江斷水26d，造成2.19億元的經(jīng)濟(jì)損失;

· 2005.11，由于吉林石化雙苯廠爆炸，松花江發(fā)生重大苯類污染事件，導(dǎo)致哈爾濱市市政管網(wǎng)停止供水4天。

· 2005.12，廣東北江發(fā)生一起企業(yè)違法超標(biāo)排放導(dǎo)致污染事故，重金屬鎘嚴(yán)重超標(biāo)。

· 2006.9，湖南新墻河一化工廠污水泄漏導(dǎo)致的致癌物質(zhì)砷化物進(jìn)入河流，污染了當(dāng)?shù)?0萬居民的飲用水。

可以看出，水質(zhì)污染事件不僅造成巨大的直接經(jīng)濟(jì)損失，而且還要花費(fèi)相當(dāng)可觀的投資來整治和恢復(fù)生態(tài)環(huán)境。"水質(zhì)毒性生物監(jiān)測儀"利用斑馬魚對水質(zhì)狀況實時監(jiān)測，及早發(fā)現(xiàn)水質(zhì)污染事件，以多種通訊方式告知相關(guān)部門盡快采取措施，切斷污染源，建立起隔離帶，防止水體被污染，把污染程度和范圍降到zui低點，進(jìn)而減少水質(zhì)污染事件帶來的直接和間接的經(jīng)濟(jì)損失。

社會發(fā)展需求

突發(fā)性水質(zhì)污染事件對社會的影響主要表現(xiàn)在:污染事件發(fā)生后，對污染影響區(qū)的居民造成巨大的心理壓力，影響正常生活和生產(chǎn);造成的經(jīng)濟(jì)損失與人員傷亡，可能引起污染糾紛，造成各種混亂，危害社會治安，并帶來相關(guān)的社會問題;某些水污染會引發(fā)地區(qū)間，甚至國際間的污染糾紛。前文提及的沱江污染事件便是典型案例。

重大的突發(fā)性水質(zhì)污染事件，對生態(tài)環(huán)境的破壞強(qiáng)度很大，往往造成一定區(qū)域的生態(tài)失衡，有的甚至造成長期的危害，致使生態(tài)環(huán)境難以恢復(fù)。一次污染事故可以讓整條河流的魚類絕跡，1987年茂名市接連發(fā)生的兩起氰化wu泄漏事故，使小東江茂名至吳川段近40km江水中所有魚蝦、貝殼動物全部死亡。

水質(zhì)污染事件的重要危害之一是威脅人們的生命和身體健康，特別是有毒物質(zhì)污染事件，如飲用污染水源而受傷害。有毒化學(xué)物質(zhì)水污染事件在環(huán)境中的遷移過程見圖1所示。

由此可見，突發(fā)性水質(zhì)污染事件造成的后果是災(zāi)難性的，為預(yù)防突發(fā)性水質(zhì)污染事件的發(fā)生和對已發(fā)生的污染事件迅速監(jiān)測，建立起水質(zhì)污染事件預(yù)警系統(tǒng)是相當(dāng)必要的。如何才能有效進(jìn)行預(yù)警和防治呢?首先讓我們了解下水質(zhì)污染事件的特點。

特點

水質(zhì)污染事件的特點表現(xiàn)在水質(zhì)污染事件發(fā)生、發(fā)展、危害的不確定性、流域性、影響的長期性和應(yīng)急主體不明確。

（1）發(fā)生時間和地點的不確定性。引發(fā)突發(fā)性水污染事件的直接原因可能是企業(yè)違規(guī)或事故排污、管道破裂等，這些事件發(fā)生的時間和地點都具有不確定性。（2）水域型態(tài)的不確定性。水域可以分為河流、水庫、湖泊、河口、海洋和地下水等類型，而水域的水流狀態(tài)直接影響污染物的擴(kuò)散方式和擴(kuò)散速度。（3）污染源的不確定性。水質(zhì)污染事件發(fā)生的形式具有不確定性，導(dǎo)致釋放的污染物類型、數(shù)量、危害方式和環(huán)境破壞能力的不確定性。（4）危害的不確定性。同等規(guī)模和程度的水質(zhì)污染事件，造成的污染危害是千差萬別的，如污染事件發(fā)生地點距離城市水源地很近，城市供水就會中斷，其后果將是災(zāi)難性的。（5）流域性。水體被污染后呈條帶狀，線路長，危害容易被放大。一切與該流域水體發(fā)生聯(lián)系的環(huán)境因素都可能受到水體污染的影響，如河流兩側(cè)的植被、飲用河水的動物、從河流引水的工農(nóng)業(yè)水用戶等，流域內(nèi)的地下水由于與地表水產(chǎn)生交換，也可能被污染。（6）影響的長期性和處理的艱巨性。突發(fā)性水質(zhì)污染事件處理涉及因素較多，且事發(fā)突然，危害強(qiáng)度大，必須快速、及時、有效地處理，否則將對當(dāng)?shù)氐淖匀簧鷳B(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重破壞，甚至對人體健康造成長期的影響，需要長期的整治和恢復(fù)。（7）應(yīng)急主體不明確。許多突發(fā)性水污染事件不能被人們直接感知，如看到、聞到，且污染物隨流輸移，造成"事故現(xiàn)場"的不斷變化，在輸移擴(kuò)散的過程還可能因為各種水力因素的作用而產(chǎn)生脫離，出現(xiàn)多個污染區(qū)域。

水質(zhì)監(jiān)測方法

水質(zhì)監(jiān)測方法主要是人工定期取樣及理化儀表的監(jiān)測，前者是通過實驗員針對不同水域定期取樣，在實驗室中進(jìn)行多種成分的理化分析，來判斷某一水域當(dāng)前的水質(zhì)狀況。這種方式檢測所需時間長，檢測費(fèi)用高，此外污染物濃度較低時，化學(xué)分析的準(zhǔn)確性下降，并且較難實現(xiàn)在線連續(xù)監(jiān)測;后者一般是選取監(jiān)測點，在監(jiān)測點安裝PH值、濁度、余氯、耗氧量等常規(guī)監(jiān)測表，將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳送到控制室。但目前的水質(zhì)在線儀表主要為進(jìn)口設(shè)備，同一類型的儀器有許多廠家的產(chǎn)品，除了廠家不同外，儀器的工作原理、響應(yīng)范圍、靈敏度、穩(wěn)定性、適應(yīng)的環(huán)境等各方面都不同，儀器儀表的選擇對于監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)是否能正常運(yùn)行，具有至關(guān)重要的意義。儀表操作較為復(fù)雜，投資費(fèi)用大。因此，理化儀表的監(jiān)測不能很好地反映出水質(zhì)狀況，及時預(yù)警。

由于以上兩種方式的局限性，人們嘗試?yán)盟械奈⑸锉O(jiān)測水質(zhì)污染程度。最早出現(xiàn)在20世紀(jì)初，目前歐美國家對生物監(jiān)測的理論研究已經(jīng)相當(dāng)成熟，生物監(jiān)測設(shè)備已商品化，并較好的使用在各種飲用水處理廠、水產(chǎn)養(yǎng)殖場、污水處理廠等取水口和（或）排水口，還用于環(huán)境監(jiān)測。

中國的水質(zhì)監(jiān)測長期以來一直采用人工取樣到實驗室分析的辦法，隨著國家對水質(zhì)污染的日益重視，這幾年自動監(jiān)測儀器和監(jiān)測系統(tǒng)才開始研制和發(fā)展。目前還未有一家單位能推出完整的監(jiān)測系統(tǒng)，只是分別研制某一種監(jiān)測儀器或軟件。但除工業(yè)廢水用的在線COD自動監(jiān)測儀已大量推廣外，其他儀器還處于研制試用階段。

生物監(jiān)測方法

生物監(jiān)測方法靈敏度較高，能在數(shù)分鐘內(nèi)對污染物的存在作出反應(yīng)，并且能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)水質(zhì)污染事件。此外，生物監(jiān)測整合了污染物的時空變化，將污染物與環(huán)境條件的相互作用考慮在內(nèi)，因而綜合反映了污染物對生物和生態(tài)系統(tǒng)的危害。

魚是最早用于生物預(yù)警的。此后水蚤、雙殼類軟體動物、蝦、細(xì)菌等活生物，以及細(xì)胞、酶等也開始應(yīng)用。這些生物對不同污染物的敏感性相差很大，常根據(jù)應(yīng)用環(huán)境選用。水生生物對污染物的反應(yīng)是綜合性的。理論上，各種特征反應(yīng)都可用作檢測變量。然而，為達(dá)到連續(xù)、自動監(jiān)測目的，同時使系統(tǒng)具有良好的應(yīng)時、靈敏性，一般優(yōu)先檢測行為、生理或生化反應(yīng)。

根據(jù)水質(zhì)污染事件的特點，以及生物監(jiān)測技術(shù)的成熟理論，我們研制的"水質(zhì)毒性生物監(jiān)測儀"并較好地應(yīng)用在深圳市的五大水廠的進(jìn)水和出水口。實現(xiàn)了對水質(zhì)污染事件的早期預(yù)警，及時、快速反映水質(zhì)綜合毒性的變化，在與實驗室檢測和理化指標(biāo)在線監(jiān)測結(jié)合下，達(dá)到快速準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)水質(zhì)污染事件的目標(biāo)。

水質(zhì)監(jiān)測儀

技術(shù)特征

敏感性測試，有選擇、有重點地進(jìn)行指示生物對有毒有害污染物的專一性、敏感性監(jiān)測，通過水生生物毒性測試試驗，確定污染物對指示生物的急性毒性級別以及作為水質(zhì)預(yù)警生物的響應(yīng)的污染物類型及響應(yīng)時間。

圖像處理，實現(xiàn)對魚的標(biāo)識，記錄魚在不同時刻的位置坐標(biāo)，并對所有魚或某一條、某幾條魚進(jìn)行跟蹤及目標(biāo)監(jiān)測，對實時采集的圖像采用了多種方法進(jìn)行處理，已達(dá)到理想的處理效果，如平滑、去噪、閾值分割、灰度以及Kalman濾波跟蹤處理。

專家系統(tǒng)，由專家系統(tǒng)進(jìn)行知識的收集與匯總（經(jīng)驗、數(shù)據(jù)、參數(shù)、規(guī)則、條件等），利用專家系統(tǒng)中知識庫、推理機(jī)和數(shù)據(jù)庫對數(shù)據(jù)進(jìn)行決策分析和判斷，得到水質(zhì)的綜合毒性指數(shù)，由此將魚的運(yùn)動行為參數(shù)轉(zhuǎn)換成水質(zhì)毒性指數(shù)，為管理員的判斷提供了可靠的參考依據(jù)。

數(shù)據(jù)傳輸，為保證圖像數(shù)據(jù)的實時傳輸?shù)缴蠈酉到y(tǒng)及遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)中，采用軟件編程和硬件相結(jié)合的方式，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)男剩沟眠h(yuǎn)程觀測效果如在現(xiàn)場觀測一致，也避免了數(shù)據(jù)的延遲。另外，預(yù)警信號的及時發(fā)布也運(yùn)用了多種數(shù)據(jù)傳輸和通訊形式，保證管理員隨時收到預(yù)警信息。遠(yuǎn)程客戶端的實時顯示界面如下圖所示。

RTB的性能特點

水質(zhì)毒性生物監(jiān)測儀的特點:

· 適用范圍廣，可以監(jiān)測多種水體，如河流、水庫、供水系統(tǒng)、水廠取水口及排水系統(tǒng)等。

· 響應(yīng)靈敏迅速，對有毒有害的農(nóng)藥、重金屬等的響應(yīng)靈敏度低于0.1TU。急性毒性試驗需要48h才能反映出來的毒性，采用水質(zhì)毒性監(jiān)測儀最短在幾分鐘內(nèi)即可發(fā)出報警。以重金屬鎘為例，濃度為0.7mg/l的響應(yīng)時間在5分鐘內(nèi)即可發(fā)出黃色報警信號。

· 抗干擾性強(qiáng)，將觀測裝置與養(yǎng)殖箱分離，排除了外界環(huán)境因素對監(jiān)測信號的影響，也避免了探頭觀測帶來的信號干擾，保證了觀測環(huán)境，增強(qiáng)了結(jié)果的可靠性。

· 性能穩(wěn)定可靠，儀器采用高性能的數(shù)字?jǐn)z像系統(tǒng)，每秒采集的生物圖像高達(dá)25幅，對生物的跟蹤率達(dá)到98%以上;配有預(yù)過濾系統(tǒng)和水溫穩(wěn)定系統(tǒng);對多條魚進(jìn)行同時監(jiān)測，從而實現(xiàn)了穩(wěn)定、可靠獲取生物運(yùn)動參數(shù)的目標(biāo)。

· 連續(xù)實時監(jiān)測，可24小時連續(xù)運(yùn)行，無論什么時間出現(xiàn)水質(zhì)異常狀況，通過多種報警方式管理員都可以發(fā)現(xiàn)水質(zhì)問題，大大提高了水質(zhì)監(jiān)測的效率。降低了水質(zhì)污染事件帶來的損失。

· 完善的統(tǒng)計算法,水質(zhì)毒性生物監(jiān)測儀有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫和專家統(tǒng)計分析系統(tǒng)，通過統(tǒng)計算法能區(qū)分毒性和非毒性給魚的行為帶來的影響，保證了監(jiān)測預(yù)警的準(zhǔn)確性。

· 通訊功能，當(dāng)水質(zhì)出現(xiàn)異常時，監(jiān)測系統(tǒng)會立即通過手機(jī)短信、局域網(wǎng)、遠(yuǎn)程客戶端等多種方式向管理者發(fā)布報警信息，以便對水質(zhì)污染事件作出反應(yīng)。

· 運(yùn)行維護(hù)簡便，采用便宜且容易得到的斑馬魚作為指示生物，只需定期對生物進(jìn)行更換，即可，保障儀器的長期穩(wěn)定運(yùn)行。過濾器及養(yǎng)殖箱的清洗也十分方便，總體運(yùn)行成本低。

· 與理化儀表互補(bǔ)，RTB預(yù)留接入水質(zhì)常規(guī)理化監(jiān)測數(shù)據(jù)接口，對理化數(shù)據(jù)突變可進(jìn)一步分析，一方面實現(xiàn)對生物預(yù)警的補(bǔ)充，另一方面有利于追溯報警原因，降低誤報警的發(fā)生。

· 可配備附屬裝置，增添了砂濾裝置，使其更廣泛的用于工業(yè)廢水等的在線檢測。擴(kuò)大了水質(zhì)毒性生物監(jiān)測儀的使用范圍。