本发明公开了一种廊道式水质污染预警装置，包括廊道式鱼缸、支架和摄像机，所述支架设置于所述廊道式鱼缸的侧边位置，所述摄像机设置于所述支架上，采集所述廊道式鱼缸内部的图像；所述廊道式鱼缸包括长方形的缸体、进水口、出水口、隔水板和阻隔柱，所述进水口和所述出水口设置于所述缸体的侧壁处，所述隔水板的长度小于所述缸体的宽度，交错垂直设置于所述缸体内部，将所述缸体等距分隔成至少3个连通的廊道；所述阻隔柱设置于所述格栅与所述缸体侧壁之间，两个阻隔柱之间的距离为2~3cm。同时，本发明还提供了一种廊道式水质污染预警方法。本发明结构简单、使用方便、成本低廉、灵敏度高、观察直管，可以及时、准确地监测水质，可用于突发性水污染事件的快速预警和大规模的水质监测。
1.一种廊道式水质污染预警装置，其特征在于，包括廊道式鱼缸（7）、支架（8）和摄像机（9），所述支架（8）设置于所述廊道式鱼缸（7）的侧边位置，所述摄像机（9）设置于所述支架（8）上，实时监测所述廊道式鱼缸（7）内部的鱼类活动范围；所述廊道式鱼缸（7）包括长方形的缸体（1）、进水口（2）、出水口（5）、隔水板（3）和阻隔柱（4），所述进水口（2）和所述出水口（5）设置于所述缸体（1）的侧壁处，所述隔水板（3）的长度小于所述缸体（1）的宽度，交错均匀地垂直设置于所述缸体（1）内部，将所述缸体（1）等距分隔成至少3个连通的廊道；隔水板（3）的一端与缸体（1）的边壁接触，所述阻隔柱（4）设置于所述隔水板（3）端面与所述缸体（1）侧壁之间，两个阻隔柱之间的距离为2~3cm；所述鱼缸（7）的高度与隔水板（3）、阻隔柱（4）的高度相同。
2.根据权利要求1所述的一种廊道式水质污染预警装置，其特征在于，所述廊道式鱼缸（7）还包括排污口（6），所述排污口（6）设置于所述缸体（1）侧壁的底部。
3.根据权利要求1所述的一种廊道式水质污染预警装置，其特征在于，所述廊道式鱼缸（7）还包括过滤网，所述过滤网设置于所述进水口（2）处。
4.根据权利要求1所述的一种廊道式水质污染预警装置，其特征在于，所述阻隔柱（4）的直径为4cm，高度与所述缸体（1）的高度相同。
5.根据权利要求1所述的一种廊道式水质污染预警装置，其特征在于，所述预警装置还包括视频采集器（10）、图像识别系统（11）、数据分析处理器（12）和存储器（13），所述视频采集器（10）接收所述摄像机（9）拍摄的图像信号，并将所述图像信号传送至所述图像识别系统（11）；所述图像识别系统（11）将所述图像信号转化为数字图像信号，并传送至所述数据分析处理器（12）；所述数据分析处理器（12）将所述数字图像信号进行前后对比分析，并将结果信号传送至所述存储器（13）；所述存储器（13）将所述结果进行存储。
6.一种廊道式水质污染预警方法，其特征在于，按如下步骤进行：
①将源水通过进水口持续输入到廊道式鱼缸中，源水在隔水板的约束下沿着鱼缸形成折返式平顺流动，水流经过阻隔柱周围时形成绕圆柱流动；
②将9~12条斑马鱼放入鱼缸含有进水口的第一个廊道内，由于并排安置的阻隔柱物理约束和绕圆柱水流运动的流态干扰，依据自身生物习性，鱼类会被约束在第一廊道内；
③开启摄像机观测鱼类活动区域，通过图像数据以及数字图像信号记录和分析判断是否发生突发水污染，做出判断的依据为：在源水没有污染时，在隔水板、阻隔柱物理约束、绕圆柱流动水流扰动的综合作用下，鱼群只在第一个廊道内游动；若斑马鱼游泳行为忽然转为活跃，超过70%的鱼挤过阻隔柱游到第二个区域，则说明水质受到了污染；随着源水不断流入，若超过70%的鱼继续通过下一个阻隔柱间距游至后续的廊道，则可确认水体发生了突发污染，发出正式警报；如果有若干条斑马鱼发生洄游现象，即从第三或者第二廊道内游回第一廊道，则说明发生误报，取消警报。
7.根据权利要求6所述的一种廊道式水质污染预警方法，其特征在于，步骤①中将源
水通过进水口持续输入到廊道式鱼缸中时，流量不超过0.2m/s。
8.根据权利要求6所述的一种廊道式水质污染预警方法，其特征在于，步骤①中源水通过进水口时，过滤网滤掉源水中的杂物和固体悬浮物。
9.根据权利要求6所述的一种廊道式水质污染预警方法，其特征在于，步骤②中斑马鱼体型为30mm×10mm，生命体征正常且非产卵期。
10.根据权利要求6所述的一种廊道式水质污染预警方法，其特征在于，所监测的源水不断通过出水口排出，随着时间的推移，鱼缸底部沉淀了淤积物和鱼类排泄物，则人工打开排污口排除淤积物。
一种廊道式水质污染预警装置及预警方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种水质污染预警装置及预警方法，具体涉及一种以鱼类为预警生物的廊道式水质污染预警装置及预警方法。
背景技术
[0002] 着人口膨胀和工业化发展，用水需求增长与水资源短缺的矛盾日益突出，与此同时，紧缺的水资源又受到水污染的严重威胁。常规水质监测的技术手段是水化学分析法，该方法虽然可以较准确地测出多项污染物及其浓度，但有一定的滞后性，水体往往在受到污染后较长一段时间才能被测定。近年来，突发性水污染事件屡屡发生，严重影响到人们的身体健康和经济的可持续发展。突发性水质污染具有瞬时性、影响范围大、破坏力强等特点，常规检测技术对此不能做出及时预警和有效监控，已成为制约水环境有效防治的主要瓶颈。
[0003] 由于某些敏感性水生物对污染物的反应非常灵敏，近年来利用生物预警技术建立水环境安全监测系统逐渐得到重视。相关技术主要通过一些特殊的技术手段记录或者跟踪敏感性水生物的生理反应特征，以此来识别水体是否发生突发污染。例如，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”，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。另有申请号为201110141187.3，名称为“一种鱼类行为的生物水质监测系统及其监测方法”，公开了一种鱼类行为的生物水质监测系统及其监测方法，通过网状挡鱼板将水槽分为流水缓冲区、鱼群观测区和过渡调节区，利用摄像机拍摄鱼群的惊醒行为，经过图像处理与数据分析，将得到的平均游动速度、密集程度等与预先设定的阀值进行比较，判断水质是否被污染。这些生物预警技术往往设备较为复杂，成本较高，尤其是需要复杂的数据处理和分析手段对生物异常行为进行判别，将分析出的若干指标（如平均游动速度、密集程度、电场突变值）与设定的阀值进行比较来判断水质是否被污染。
发明内容
[0004] 发明目的：本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种廊道式水质污染预警装置，通过对鱼类躲避污水的生物行为施加物理约束，直观简易地甄别出鱼群游动区域变化，无需复杂数据分析既可准确判断出水质是否受到污染。
[0005] 同时，本发明还提供了一种廊道式水质污染预警方法。
[0006] 技术方案：本发明所述的一种廊道式水质污染预警装置，包括廊道式鱼缸、支架和摄像机，所述支架设置于所述廊道式鱼缸的侧边位置，所述摄像机设置于所述支架上，实时监测所述廊道式鱼缸内部的鱼类活动范围；
[0007] 所述廊道式鱼缸包括长方形的缸体、进水口、出水口、隔水板和阻隔柱，所述进水口和所述出水口设置于所述缸体的侧壁处，所述隔水板的长度小于所述缸体的宽度，交错设置于所述缸体内部，将所述缸体等距分隔成至少3个连通的廊道；所述阻隔柱设置于所述隔水板端面与所述缸体侧壁之间，两个阻隔柱之间的距离为2~3cm。
[0008] 为了便于鱼缸底部沉淀的淤积物和鱼类排泄物的排出，所述廊道式鱼缸还包括排污口，所述排污口设置于所述缸体侧壁的底部。
[0009] 为了滤掉源水中的杂物和固体悬浮物，所述廊道式鱼缸还包括过滤网，所述过滤网设置于所述进水口处。
[0010] 为了保证水流经过阻隔柱周围时形成绕圆柱流动，所述阻隔柱的直径为4cm，高度与所述缸体的高度相同。
[0011] 为了对采集的图像数据进行自动处理，所述预警装置还包括视频采集器、图像识别系统、数据分析处理器和存储器，所述视频采集器接收所述摄像机拍摄的图像信号，并将所述图像信号传送至所述图像识别系统；所述图像识别系统将所述图像信号转化为数字图像信号，并传送至所述数据分析处理器；所述数据分析处理器将所述数字图像信号进行前后对比分析，并将结果信号传送至所述存储器；所述存储器将所述结果进行存储。
[0012] 本发明提供的另一技术方案为：一种廊道式水质污染预警方法，按如下步骤进行：
[0013] ①将源水通过进水口持续输入到廊道式鱼缸中，源水在隔水板的约束下沿着鱼缸形成折返式平顺流动，水流经过阻隔柱周围时形成绕圆柱流动，不会影响鱼缸内水流整体平稳程度，但可以对游近的鱼形态造成不利干扰；
[0014] ②将9~12条斑马鱼放入鱼缸含有进水口的第一个廊道内，由于并排安置的阻隔柱物理约束和绕圆柱水流运动的流态干扰，依据自身生物习性，鱼类会被约束在第一廊道内；
[0015] ③十分钟后，开启摄像机观测鱼类活动区域，通过图像数据以及数字图像信号记录和分析判断是否发生突发水污染，做出判断的依据为：
[0016] 在源水没有污染时，在隔水板、阻隔柱物理约束、绕圆柱流动水流扰动的综合作用下，鱼群只在第一个廊道内游动；因此超过70%的斑马鱼鱼群只在第一个廊道内游动，说明水质正常；
[0017] 若斑马鱼游泳行为忽然转为活跃，超过70%的鱼挤过阻隔柱游到第二个区域，则说明水质受到了污染；随着源水不断流入，若超过70%的鱼继续通过下一个阻隔柱间距游至后续的廊道，则可确认水体发生了突发污染，发出正式警报；如果有若干条斑马鱼发生洄游现象，即从第三或者第二廊道内游回第一廊道，则说明发生误报，取消警报。
[0018] 步骤①中将源水通过进水口持续输入到廊道式鱼缸中时，流量不超过0.2m3/s。
[0019] 步骤①中源水通过进水口时，过滤网滤掉源水中的杂物和固体悬浮物。
[0020] 步骤②中斑马鱼体型为30mm×10mm，生命体征正常且非产卵期。
[0021] 所监测的源水不断通过出水口排出，随着时间的推移，鱼缸底部沉淀了淤积物和鱼类排泄物，则人工打开排污口排除淤积物。
[0022] 有益效果：1、本发明廊道式水质污染预警装置，克服了常规水质监测水化学分析法的滞后性，利用敏感性水生生物对未知污染物的躲避生物行为，第一时间内监测到水体突发性水污染事件，发出预警；2、本发明相比于现有生物预警技术，通过合理设计鱼缸内部结构（设置隔水板和阻隔柱，同时施加局部紊流扰动），首次提出了对鱼类喜好活动区施加人工约束这一技术方案，可以放大鱼类躲避污水的生物行为表征；3、本发明通过廊道式水质污染预警方法，仅需要摄像机和少许图像转换步骤，既可以分析出鱼群异常活动区域，避免了采用游动速度、密集程度、电场突变值等复杂计算步骤产生的不确定性，能准确方便地对突发水污染做出预警；4、本发明结构简单、使用方便、成本低廉、灵敏度高、观察直观，实现自动实时连续监测水质，达到及时迅速预警突发水污染的目的，可用于水利工程中突发性水污染事件的快速预警和大规模的水质监测。
附图说明
[0023] 图1为本发明所述的廊道式鱼缸的立体结构图；
[0024] 图2为本发明所述的廊道式水质污染预警装置的信号处理流程图；
[0025] 图3为本发明所述的廊道式水质污染预警装置的工作示意图。
具体实施方式
[0026] 下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。
[0027] 实施例：如图1、2所示，本发明一种廊道式水质污染预警装置，包括廊道式鱼缸7、支架8、摄像机9，视频采集器10、图像识别系统11、数据分析处理器12和存储器13。
[0028] 所述支架8的高为1m，设置于所述廊道式鱼缸7的侧边位置，所述摄像机9型号为HDR-XR260E，用两根螺栓固定在所述支架8上，外接电源以供24小时持续工作，实时监测廊道式鱼缸7内的鱼类活动范围的图像。摄像机9获取的动态影像信号传送至视频采集器10，所述动态影像为HD模式，1920×1080，50p。所述视频采集器10安装 IEEEl394接口卡，用电缆连接摄像机9，接收所述摄像机9拍摄的图像信号，通过USB接口将所述图像信号传送至所述图像识别系统11。所述图像识别系统11将所述图像信号转化为数字图像信号，并传送至所述数据分析处理器12。所述数据分析处理器12将所述数字图像信号进行逐帧前后对比分析，并将结果信号传送至所述存储器13。所述存储器13为一台工作站，将所述结果进行存储和发布。
[0029] 所述廊道式鱼缸7的立体图如图1所示，包括缸体1、进水口2、出水口5、排污口6、隔水板3和阻隔柱4，所述缸体1为一个75cm×50cm×45cm的标准长方体，是本装置的主体框架。所述隔水板3一共四块，其长度为26cm，宽度为4cm，高为45cm，交错均匀地垂直设置于缸体1边壁内，将长方形缸体等距分割为5个廊道；所述阻隔柱4的直径为4cm，一共12根，每3根为一组均匀设置于所述隔水板3与所述缸体1边壁的空隙之间，每两个阻隔柱之间的距离为3cm。所述的进水口2的直径为3cm，设置于所述缸体1的第一个廊道前壁，所述进水口2处同时需设置一个过滤网，包裹在进水口末端。所述的出水口5的直径为3cm，设置于所述缸体1的最后一个廊道的后壁。所述排污口6的直径为4cm，设置于所述缸体1侧壁的底部。
[0030] 所述进水口2和所述出水口5分别设置于所述缸体1的前壁和后壁处，所述进水口2处设置一个过滤网。所述排污口6设置于所述缸体1侧壁的底部。所述格栅3的长度小于所述缸体1的宽度，交错分布于所述缸体1内部。所述阻隔柱4设置于所述格栅3与所述缸体1侧壁之间，两个阻隔柱之间的距离为4cm。
[0031] 本发明所述的廊道式鱼缸预警方法的工作示意图如图3所示，具体按如下步骤进行：
[0032] ①将需要监测的源水通过进水口2以0.2m3/s的流量引入缸体1内，进水口2处的过滤网滤掉杂物和固体悬浮物；源水在隔水板的约束下沿着鱼缸形成折返式平顺流动，在水流经过阻隔柱周围时形成绕圆柱流动，不会影响鱼缸内水流整体平稳程度，但摄像机可以捕捉到，在绕圆柱流动激发的局部雍水和紊动。
[0033] 观测水流整体平稳程度，一直到源水在隔水板的约束下沿着鱼缸形成折返式平顺流动，在水流经过阻隔柱周围时形成绕圆柱流动，绕圆柱流动周围形成局部雍水并激发紊动。
[0034] ②将10条斑马鱼放入缸体1含有进水口的第一个廊道内。所选用的斑马鱼需体型约为30mm×10mm，颜色较深，生命体征正常，非产卵期。
[0035] 由于并排安置的阻隔柱物理约束和绕圆柱水流运动会对靠近的鱼游泳形态造成不利干扰，阻止鱼群正常进入下一廊道，迫使鱼群在第一廊道内活动。
[0036] ③十分钟后，摄像机9拍摄鱼类的游动状态，由视频采集器10采集鱼类运动图像，图像识别系统11将鱼类运动图像转换为数字图像，通过数据分析处理器12对数字图像进行前后图像的分析，记录和分析缸体1内的鱼类活动区域，并将正常结果信号传送至存储器13，异常结果进行再次分析后进行发布。
[0037] 判断依据为：在源水没有污染时，在隔水板、阻隔柱物理约束、绕圆柱流动水流扰动的综合作用下，鱼群会自动选择不游过阻隔柱间距进入下一廊道，因此若超过70%的斑马鱼鱼群只在第一个廊道内游动，说明水质正常。若斑马鱼游泳行为忽然转为活跃，超过70%的鱼挤过阻隔柱游到第二个区域，则说明水质受到了污染，发出初步警报；随着源水不断流入，若超过70%的鱼继续通过下一个阻隔柱间距游至后续的廊道，则可确认水体发生了突发污染，发出正式警报；若有若干条斑马鱼发生洄游现象，即从第三或者第二廊道内游回第一廊道，则说明发生误报，取消警报。
[0038] ④所监测的源水不断通过出水口排出，若随着时间的推移，鱼缸底部沉淀了一定的淤积物和鱼类排泄物，则人工打开排污口排除淤积物。
[0039] 如上所述可以看出，本装置及其相应的方法对鱼类活动施加了人工约束，所有鱼类躲避污水的非正常行为均可以被摄像机和监测人员很便捷、准确地甄别出来，同时也可以避免现有生物预警技术由于装置本身缺少特殊约束力所造成的误报。
[0040] 如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。
