一种异型区域河流水质和生物监测系统及方法
【专利摘要】本发明涉及一种异型区域河流水质和生物监测系统及方法，其包括基站、通讯网络和逻辑分析单元，其中，所述基站设置在河流流域的预设位置，其包括生物监测单元和水质监测单元，分别对该基站所处位置的生物和水质参数信息进行监测，采集相应的指标信息，并对信号进行分类处理后通过通讯网络传输至所述逻辑分析单元中，所述逻辑分析单元通过构建监控模型，对实时的监控数据进行运算处理，并进行指标数据评价，输出监测结果。本发明综合考虑河流的横向和纵向的多重因素，以及地域、地形因素，实时构建参数监控模型，获取质量评价指标，对河流的监控和评价更加准确。
【专利说明】一种异型区域河流水质和生物监测系统及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及生态监控领域，尤其涉及一种异型区域河流水质和生物监测系统及方 法。
【背景技术】
[0002] 河流生态系统的监控技术包括对河流物理、化学和水生生物的多因素进行监控， 以便后期根据该监控结果进行评价。
[0003] 现有技术中，水质指标通常表征了采样时短时期内河流生态系统的状况，而水生 生物已经被广泛证明是可以有效反映长期的干扰状况。因此，水质指数还可以在一定程度 上提升综合评价技术对突发事件的评估能力。其次，河流通常面临着多种人为活动的压力， 而不同水生生物类群对不同类型人为活动压力响应的敏感性具有显著差异。如较低浓度的 氮、磷营养盐增加，将促进藻类的生长，在一定程度上还会提高藻类生物多样性，但对鱼类 和大型底栖动物却几乎没有影响，因此藻类被广泛用于水体富营养化监测，鱼类更广泛的 被应用于水利设施建设的影响，大型底栖动物则更多应用于有机物和重金属污染。
[0004] 同一类型水生生物的评价指标具有差异。以鱼类为例，评价指标有反映生物多样 性、群落结构、优势类群、生活习性和洄游特征等，以底栖动物为例，评价指标的类型除生物 多样性、群落结构、优势类群、生活习性外，还有生态型、耐污类群和敏感类群等。不同的评 价指标通常反映了不同的水生态系统特征，在健康评价中不同指标对不同类型的干扰和 污染物的响应具有差异，多指标评价能够全面的反映水生态系统受到人为活动干扰后的状 况。因此，利用多类型多指标评价存在显著的互补作用，运用能够达到更全面的评价效果。
[0005] 但为满足上述评价指标的监控系统并不能满足相应的要求，在河流生态空间中， 河流的地域差异产生的监控数据的差异并没有消除，在监控差异区域的河流的相关参数 时，采用同一模型，影响最终的监测结果。
[0006] 鉴于上述缺陷，本发明创作者经过长时间的研究和实践终于获得了本创作。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的在于提供一种异型区域河流水质和生物监测系统及方法，用以克服 上述技术缺陷。
[0008] 为实现上述目的，本发明提供一种异型区域河流水质和生物监测系统，其包括基 站、通讯网络和逻辑分析单元，其中，
[0009] 所述基站设置在河流流域的预设位置，其包括生物监测单元和水质监测单元，分 别对该基站所处位置的生物和水质参数信息进行监测，采集相应的指标信息，并对信号进 行分类处理后通过通讯网络传输至所述逻辑分析单元中，所述逻辑分析单元通过构建监控 模型，对实时的监控数据进行运算处理，并进行指标数据评价，输出监测结果；
[0010] 所述生物监测单元对该基站区域内的底栖藻类、大型底栖动物和鱼类指标信息进 行米集； toon] 所述水质监测单元对水中的营养盐指标和基本水质指标信息进行采集。
[0012] 较佳的，所述基站在河流流域中位置的设置由其距离河口的距离标定，采样位置 作为确定基站位置的辅助参量；基站间的距离随河水流速增加以及泥沙含量的增加而减 小，随河流上游至下游依次减小；
[0013] 根据下述公式确定：
[0014]
【权利要求】
1. 一种异型区域河流水质和生物监测系统，其特征在于，其包括基站、通讯网络和逻辑 分析单元，其中， 所述基站设置在河流流域的预设位置，其包括生物监测单元和水质监测单元，分别对 该基站所处位置的生物和水质参数信息进行监测，采集相应的指标信息，并对信号进行分 类处理后通过通讯网络传输至所述逻辑分析单元中，所述逻辑分析单元通过构建监控模 型，对实时的监控数据进行运算处理，并进行指标数据评价，输出监测结果； 所述生物监测单元对该基站区域内的底栖藻类、大型底栖动物和鱼类指标信息进行采 集； 所述水质监测单元对水中的营养盐指标和基本水质指标信息进行采集。
2. 根据权利要求1所述的异型区域河流水质和生物监测系统，其特征在于，所述基站 在河流流域中位置的设置由其距离河口的距离标定，采样位置作为确定基站位置的辅助参 量；基站间的距离随河水流速增加以及泥沙含量的增加而减小，随河流上游至下游依次减 小； 根据下述公式确定：
式中，D(Mj，dp表示基站位置，M。表示基站的经验位置，Xi表示基站取样点距离基站的 横向坐标，yi表示基站取样点距离基站的纵向坐标，η表示基站覆盖区域内的采样点数目， Vi表示基站取样点处的河水流速，r表示基站处土地的利用率，m表示基站处的泥沙量，Μ」 表示不同的基站位置，4表示基站距离河口的距离。
3. 根据权利要求2所述的异型区域河流水质和生物监测系统，其特征在于，所述基站 的采样位置W(Xi， yi)根据河水流速和含沙量确定； 根据下述公式确定：
式中，r表示基站处土地的利用率，m表示基站处的泥沙量，vx和vy分别表示基站采样 点位置沿河流方向与垂直河流方向的河水流速，m表示采样点位置的含沙量。
4. 根据权利要求1所述的异型区域河流水质和生物监测系统，其特征在于，所述生物 数据处理单元和水质数据处理单元均包括PLC控制器和无线发射端，所述C控制器接收端 分别与底栖藻类分析仪、底栖动物采集器、鱼类捕捉器，水质采样器、水质检测仪和原子吸 收分光度计的输出端口连接，将各自的采集信息传输至所述PLC控制器中； 所述PLC控制器将底栖藻类、大型底栖动物和鱼类指标信息，以及营养盐指标和基本 水质指标信息，进行分类整理，形成数据组dI/K,%,勿>,，&.))，其中，表示取样点位 置，a i表示取样数据指标的类别，按照上述底栖藻类、大型底栖动物和鱼类指标信息，以及 营养盐指标和基本水质指标信息顺序编码，㈧w,)表示取样点的取样信息值。
5. 根据权利要求4所述的异型区域河流水质和生物监测系统，其特征在于，所述逻辑 分析单元包括模型构建单元和比较单元，所述模型构建单元以接收的数据作为构建的基本 数据，运算得出河流的水质质量参数ε ; 所述模型构建单元对每项取样指标a i的水质质量参数进行建模运算，对每一采样点 的采样值，分别作河流流速与泥沙量的区间积分函数，求和；对所有取样点的求和值叠加后 取平均值；在对河流整体指标进行监控时，将所有基站点的平均值叠加后，再取平均值，得 到最终的河流的取样指标a i的水质质量参数； 所述模型构建单元根据下述公式构建水质质量参数ε模型：
式中，ε ( a 1)表示河流1的的水质质量参数，ε ^表示取样指标a i的经验值，ζ表 示河流1的基站数量，η表示每个基站中取样点的总数目，)表示取样点的对应取样 指标α i取样?目息值，Vi表不基站的取样点的河流流速的最小值，va表不基站的取样点的河 流流速的最大值，1?表示基站的取样点的泥沙量的最小值，ma表示基站的取样点的泥沙量 的最大值。
6. 根据权利要求5所述的异型区域河流水质和生物监测系统，其特征在于，所述模型 构建单元对每项取样指标a i的生物质量参数进行建模运算，对每一采样点的采样值，分别 作河流流速与泥沙量的区间积分函数，求和；对所有取样点的求和值叠加后取平均值；在 对河流整体指标进行监控时，将所有基站点的平均值叠加后，再取平均值，得到最终的河流 的取样指标 α i的生物质量参数； 所述模型构建单元根据下述公式构建水质质量参数n模型：
式中，Π ( α i，1)表示河流1的的水质质量参数，rici表示取样指标α i的经验值，z表 示河流1的基站数量，η表示每个基站中取样点的总数目，表示取样点的对应取样 指标α i取样?目息值，Vi表不基站的取样点的河流流速的最小值，va表不基站的取样点的河 流流速的最大值，1?表示基站的取样点的泥沙量的最小值，m a表示基站的取样点的泥沙量 的最大值。
7. 根据权利要求1所述的异型区域河流水质和生物监测系统，其特征在于，所述模型 构建单元将该数据结果传输至所述比较单元中，所述比较单元将其与标准的参数进行比 较，获取比较结果； 所述比较单元采用标准率s的参数对河流整体的水质和生物指标进行评价，标准率s 根据公式进行计算，
式中，ε和η分别表示河流的水质质量参数和生物质量参数，和分别表示河 流的水质质量参数和生物质量参数的参考值，￡1和μ t分别表示河流的水质质量参数和生 物质量参数的临界值。
8. 根据权利要求1-7任一权利要求所述的异型区域河流水质和生物监测系统，其特征 在于，还包括一远端服务器，其与所述逻辑分析单元连接，其能够存储所述逻辑分析单元运 算数据，并且供其调用。
9. 一种异型区域河流水质和生物监测方法，其特征在于，该具体监控过程为： 步骤a，逻辑分析单元中的采样分析单元根据预设算法设定基站位置及各基站的采样 位置； 步骤b，基站中的生物监测单元和水质监测单元分别获取底栖藻类、大型底栖动物和鱼 类指标信息，以及营养盐指标和基本水质指标信息，并进行数据编码和处理，通过通讯网络 传输至所述逻辑分析单元； 步骤c，所述逻辑分析单元中的模型构建单元根据获取的采样信息，构建生物质量参 数η模型和水质质量参数ε模型，并计算出河流的生物质量参数η和水质质量参数ε， 传输至比较单元； 步骤d，所述比较单元根据预设算法对河流整体的水质和生物指标进行评价对河流整 体的水质和生物指标进行评价。
10. 根据权利要求9所述的异型区域河流水质和生物监测方法，其特征在于，所述模型 构建单元根据下述公式构建水质质量参数ε模型：
式中，ε ( a 1)表示河流1的的水质质量参数，ε ^表示取样指标a i的经验值，ζ表 示河流1的基站数量，n表示每个基站中取样点的总数目，表示取样点的对应取样 指标α i取样?目息值，Vi表不基站的取样点的河流流速的最小值，va表不基站的取样点的河 流流速的最大值，1?表示基站的取样点的泥沙量的最小值，ma表示基站的取样点的泥沙量 的最大值； 所述模型构建单元根据下述公式构建水质质量参数η模型：
式中，Π ( α i，1)表示河流1的的水质质量参数，rici表示取样指标α i的经验值，ζ表 示河流1的基站数量，n表示每个基站中取样点的总数目，河七，；7/)表示取样点的对应取样 指标α i取样?目息值，Vi表不基站的取样点的河流流速的最小值，va表不基站的取样点的河 流流速的最大值，1?表示基站的取样点的泥沙量的最小值，ma表示基站的取样点的泥沙量 的最大值。
【文档编号】G01N35/00GK104049066SQ201410293466
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2014年6月26日 优先权日:2014年6月26日
【发明者】张远, 高欣, 丁森, 赵瑞, 刘思思 申请人:中国环境科学研究院