一种原位在线监测湿地污染事件的可视化系统
阅读说明：本技术 一种原位在线监测湿地污染事件的可视化系统 (Visualization system for in-situ online monitoring of wetland pollution events ) 是由 邓欢 李晨露 刘圳 李欣宇 钟文辉 于 2021-07-13 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种原位在线监测湿地污染事件的可视化系统,该系统包括第一传感器、第二传感器和可视化监测终端；第一传感器包括主阳极、水面阴极、电阻,所述主阳极埋设在底泥中,水面阴极设置在水面中,主阳极、水面阴极与电阻通过导线连接；第二传感器包括副阳极和空气阴极,所述副阳极埋设在底泥中,空气阴极暴露在空气中,副阳极和空气阴极之间通过导线连接；所述可视化监测终端包括第一数据采集卡、第二数据采集卡和计算机系统。该系统可以原位在线监测污染物类型并对突发性污染事件及时报警,监测结果可视化呈现,监测过程环保无污染,装置轻便、边际成本低,所以适合大规模布点监测。(The invention discloses a visual system for in-situ online monitoring of wetland pollution events, which comprises a first sensor, a second sensor and a visual monitoring terminal, wherein the first sensor is connected with the second sensor; the first sensor comprises a main anode, a water surface cathode and a resistor, wherein the main anode is buried in the bottom mud, the water surface cathode is arranged in the water surface, and the main anode and the water surface cathode are connected with the resistor through leads; the second sensor comprises an auxiliary anode and an air cathode, the auxiliary anode is embedded in the bottom mud, the air cathode is exposed in the air, and the auxiliary anode and the air cathode are connected through a lead; the visual monitoring terminal comprises a first data acquisition card, a second data acquisition card and a computer system. The system can monitor the pollutant types on line in situ and give an alarm in time for sudden pollution events, the monitoring result is visually presented, the monitoring process is environment-friendly and pollution-free, the device is portable, the marginal cost is low, and the system is suitable for large-scale stationing monitoring.)
技术领域
本发明属于生态环保技术领域，具体涉及一种原位在线监测湿地污染事件的可视化系统。
背景技术
河流、湖泊等湿地常常成为受纳工业污水排放的“汇”。矿山、电镀、造纸等生产过程产生大量含重金属的废水，对环境造成了严重的威胁。近年来，生态环境部、水利部以及各级地方政府十分重视突发水污染事件的监测和处置，密集出台了一系列文件，包括《关于建立跨省流域上下游突发水污染事件联防联控机制的指导意见》、《重特大突发水环境事件应急监测工作规程》、《集中式地表水饮用水水源地突发环境事件应急预案编制指南》，等等。目的是为了及时发现和快速处置污染，更好地保护湿地生态和饮用水安全。要实现这一目标，首先需要能够及时发现突发水污染事件的监测技术。
传统的水污染监测多依赖于定期或不定期人工采样，或者群众举报。不仅成本较高，而且对污染事件的发现比较滞后，无法及时预警和处理。而且随着水的流动和污染物在水体中的扩散，等到采样时，污染物往往早已消失。除非发生大规模排污，在周边或者下游水体引发生态灾难，否则传统的监测方法难以察觉到工厂的小规模排污行为。
专利CN206740690U公开了一种快速响应水体污染的监测系统，通过对水体底泥产生的电压信号进行实时连续监测，从而能在第一时间发现水质污染事件，但是该系统只能实现“快速”响应水体污染，并不能对于污染物的类型给出指示；专利CN212722714U公开了一种湿地环境下原位在线监测和吸附重金属污染的传感器，能够原位在线监测湿地环境下的重金属污染，但是该传感器也是通过检测电压数值实现在线监测，而电压数值难以直观显示电压变化趋势，需要人工查找海量的电压数据并判断是否发生污染，严重影响对污染事件的发现和处理效率。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明的目的是提供一种原位在线监测湿地污染事件的可视化系统。
为了实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：
一种原位在线监测湿地污染事件的可视化系统，包括第一传感器、第二传感器和可视化监测终端；
所述第一传感器包括主阳极、水面阴极、电阻，所述主阳极埋设在底泥中，水面阴极设置在水面中，主阳极、水面阴极与电阻通过导线连接；
所述第二传感器包括副阳极和空气阴极，所述副阳极埋设在底泥中，空气阴极暴露在空气中，副阳极和空气阴极之间通过导线连接；
所述可视化监测终端包括第一数据采集卡、第二数据采集卡和计算机系统，所述第一数据采集卡与第一传感器相连，用于收集电压数据V1并传送至计算机系统，所述第二数据采集卡与第二传感器相连，用于收集电压数据V2并传送至计算机系统。
为了确保水面阴极始终位于水面，本发明采用浮圈和缓冲绳将其固定。具体地，浮圈是一个能浮于水面的轻质材料制成的圆环，水面阴极套设在浮圈底部，缓冲绳将浮圈与主阳极连接，缓冲绳的长度可随水位设定，确保浮圈能随水位浮动。
同样，为了确保空气阴极始终暴露在空气中，本发明采用稳定圈将其固定；同时，在进行监测时，排水口的出水需要依次通过空气阴极和水面阴极，因此稳定圈和浮圈通过固定棒平行固定。
更进一步地，为了防止稳定圈与浮圈组成的结构发生倾覆和水平位移，破坏监测结果的可靠性，本发明还设置了贯穿稳定圈和浮圈的稳定棒。优选地，所述稳定棒可插入底泥中，从而使空气阴极、水面阴极的稳定设置。
优选地，所述主阳极和副阳极的材质为不锈钢管或碳毡；所述水面阴极和空气阴极的材质为石墨、竹炭、不锈钢、铂或钛。
采用上述可视化系统进行原位在线监测湿地污染事件的方法，包括以下步骤：
步骤1，布设第一传感器和第二传感器：将主阳极、副阳极分别埋设在底泥中，水面阴极套设在浮圈底部，浮圈通过缓冲绳与主阳极连接，使得水面阴极始终位于水面的位置，空气阴极套设在稳定圈内，通过固定棒将稳定圈与浮圈平行固定，最后采用稳定棒贯穿稳定圈与浮圈；
步骤2，将主阳极与水面阴极之间用导线连接外阻构成第一传感器，将副阳极与空气阴极之间用导线连接构成第二传感器，然后分别将第一传感器、第一数据采集卡和计算机系统连接、第二传感器、第二数据采集卡和计算机系统连接；
步骤3，控制排水口的出水依次通过空气阴极和水面阴极，然后排放，根据计算机系统显示的第一数据采集卡的电压数据V1和第二数据采集卡的电压数据V2即可判断出水的污染物类型：①V1和V2都出现电压峰，污染物为酸或氧化还原电位＞0的重金属；②V2出现电压峰，V1电压下降，污染物为有机污染；③V2出现电压峰，V1电压未变化，排污口排放物质为水或盐；④V1和V2电压均未变化，则该排污口未排放任何液体。
在发明人之前的研究中，通常是将阳极埋入底泥中，然后在上覆水中设置阴极构成阳极-上覆水阴极传感器，通过外连数据采集卡检测阳极和阴极之间的电压或电流变化，实现对于污染物排放的报警，但是这一方法无法鉴别污染物的种类，也无法监测到非金属污染物的排放。在本发明中，发明人创造性的设计了阳极-空气阴极，而且阳极和空气阴极之间为断路，不连接任何导线和电阻，意外地发现控制蒸馏水、盐溶液、重金属溶液或有机废水依次通过空气阴极和水面阴极时，阳极-空气阴极传感器均会产生一个向上的电压峰并逐渐回落。利用这一发现，发明人将阳极-空气阴极传感器与阳极-上覆水阴极传感器联用，通过判断两个传感器响应的不同情况实现指示污染物的种类。
数据采集卡将实时采集到的电压信号数据写入计算机系统中的目标路径csv文件，Python 对该 csv 文件进行实时读取并可视化至 tkinter 图形界面，每两个电压信号之间的时间间隔与警报由用户运行前自定义，可视化界面按照自定义时间间隔持续刷新。同时规定一个阈值，阈值的规定入口在 tkinter 表单界面，该阈值既可以通过统计及机器学习算法识别不同环境的电信号规律与模式，自行选取稳定值并设置；也可以人工手动设置。当超过该阈值后，程序判断条件将直接触发文件夹路径下的 “alert.mp3” 音乐文件在计算机系统上播放作为报警声，同样，播放时长、音量与循环与否等都可由用户自定义。
发明人及其团队经过长期的研究发现，江河湖海底泥中普遍含有产电细菌。这些细菌能够将分解有机质产生的化学能以电信号的形式输出。原位在线监测湿地污染事件的可视化系统原理是：所有水溶液均能促进空气阴极的电化学反应，引起电势上升。而只有H+和氧化还原电位＞0的重金属能引起水面阴极电势升高，原因在于H+能促进阴极表面H++e-+O2→H2O的反应，而氧化还原电位＞0的重金属能在阴极表面得电子还原，从而也促进阴极反应引起V1升高，出现电压峰。而有机废水溶液氧含量较低，阻碍水面阴极的电化学反应，导致V1降低。本发明利用Python动态读取分析电压数据并传入 QT 界面进行可视呈现，系统中的数据窗口将实时更新折线图形与数据，超过阈值即触发报警铃声，特别适合应用于工厂的排污口等。可以依据以下特征判断污染物种类：①V2出现电压峰，V1出现电压峰，污染物为酸或氧化还原电位＞0的重金属；②V2出现电压峰，V1电压下降，污染物为有机污染；③V2出现电压峰，V1出现电压未变化，排污口排放物质为水或盐；④V2、V1电压均未变化，则该排污口未排放任何液体。
本发明的优势在于该系统可以原位在线监测污染物类型并对突发性污染事件及时报警，监测结果可视化呈现，监测过程环保无污染，装置轻便、边际成本低，所以适合大规模布点监测。
附图说明
图1为本发明原位在线监测湿地污染事件的可视化系统，其中：1为主阳极、2为副阳极、3为水面阴极、4为空气阴极、5为浮圈、6为稳定圈、7为固定棒、8为稳定棒。
图2为实施例1中的原位在线监测湿地污染事件的可视化系统，其中：1为主阳极、2为副阳极、3为尼龙绳、4为浮圈、5为水面阴极、6为木棒、7为稳定圈、8为空气阴极、9为木棒、10为电阻、11为导线。
图3和图4为实施1中的电压曲线。
图5为实施例2中的电压曲线。
图6为实施例3中的电压曲线。
具体实施方式
以下实施例进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制。在不背离本发明精神和实质的情况下，对本发明方法、步骤或条件所作的修改和替换，均属于本发明的范围。若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。
实施例1
如图2所示，本发明提供了一种原位在线监测湿地污染事件的可视化系统和方法。
在实验室中将主阳极1不锈钢管（φ5 cm×10 cm）、副阳极2不锈钢管（φ5 cm×10cm）完全插入到底泥中，并引出钛丝导线。水面阴极5选用孔径为0.5 mm的不锈钢网并固定在泡沫浮圈4上，空气阴极8选用孔径为2 mm的不锈钢网并固定在泡沫稳定圈7上，泡沫浮圈4和泡沫稳定圈7之间用三根5 cm长的木棒6平行固定住。随后用三根长为10 cm的尼龙绳3将浮圈4与主阳极1连接。搭建完成之后用一根长30 cm的木棒9作为稳定棒插入底泥中固定。从水面阴极5和空气阴极8各引出一根钛丝导线，水面阴极5用导线接20 KΩ电阻10与主阳极1串联，空气阴极8的导线直接与副阳极2相连，分别用数据采集卡收集电压数据并传送至计算机系统，设定触发报警的电压阈值为：5秒钟之内V1或V2电压增加或降低超过20mV。
向排污口中倒入30 mL浓度为4 ppm、8 ppm、16 ppm、32 ppm的重铬酸钾溶液时，V2、V1的图像均出现电压峰（图3），并发出报警声；随后又向空气阴极上方滴加10 mL浓度为0.0001 M、0.001 M、0.01 M的HCl溶液时，V2、V1的图像均出现电压峰，并同时发出警报声（图4）。
实施例2
参照实施例1搭建监测系统。具体地：在实验室中将主阳极、副阴极不锈钢管（φ5cm×10 cm）完全插入到底泥中，并引出钛丝导线。将主阳极、副阴极不锈钢管（φ5 cm×10cm）完全插入到底泥中，并引出钛丝导线。水面阴极选用孔径为0.5 mm的不锈钢网并固定在泡沫浮圈上，空气阴极选用孔径为2 mm的不锈钢网并固定在泡沫稳定环上，浮圈和稳定环之间用三根5 cm长的木棒平行固定住。随后用三根长为10 cm的尼龙绳将浮圈与主阳极连接。搭建完成之后用一根长30 cm的木棒作为稳定棒插入底泥中固定。从水面阴极和空气阴极各引出一根钛丝导线，水面阴极用导线接20 KΩ电阻与主阳极串联，空气阴极导线直接与副阳极相连，分别用数据采集卡记录电压数据并传送至计算机系统，设定触发报警的电压阈值为：5秒钟之内V1或V2电压增加或降低超过20mV。向空气阴极上方滴加10 mL DO=2.9mg/L的有机废水，V2的图像出现电压峰并发出报警声，V1电压快速下降超过20mV时也发出报警声（图5）。
实施例3
本试验地点选取某河流排污口，参照实施例1搭建监测系统。具体地：将主阳极、副阴极不锈钢管（φ5 cm×10 cm）完全插入到底泥中，并引出钛丝导线。水面阴极选用孔径为0.5 mm的不锈钢网并固定在泡沫浮圈上，空气阴极选用孔径为2 mm的不锈钢网并固定在泡沫稳定环上，浮圈和稳定环之间用三根10 cm长的木棒平行固定住。随后用三根长为2 m的尼龙绳将浮圈与主阳极连接。搭建完成之后用一根长3 m的木棒作为稳定棒插入底泥中固定。从水面阴极和空气阴极各引出一根钛丝导线，水面阴极用导线接20 KΩ电阻与主阳极串联，空气阴极导线直接与副阳极相连，分别用数据采集卡记录电压数据并传送至计算机系统，设定触发报警的电压阈值为：5秒钟之内V1或V2电压增加或降低超过20mV。向排污口中倒入10 mL 10 ppm的氯化钠溶液时，计算机系统的数据窗口中V2的图像出现一个电压峰并发出报警声，V1的图像无电压峰（图6）。
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