基于生态环境保护的沉积物环境污染自动监测系统研究.pdf

第 卷第 期能源与环保 年月 收稿日期：；责任编辑：郭海霞 ：基金项目：上海环境科技科学技术项目（）作者简介：胡艳（），女，江西德兴人，工程师，年毕业于上海大学，现从事环境监测工作。引用格式：胡艳 基于生态环境保护的沉积物环境污染自动监测系统研究 能源与环保，（）：，（）：，基于生态环境保护的沉积物环境污染自动监测系统研究胡艳（东方国际集团 上海环境科技有限公司，上海 ）摘要：以保护水体生态环境为目的，研究生态环境保护的沉积物环境污染自动监测系统。该系统利用感知层内若干个生物传感器采集水体沉积物浓度数据后，将其传输到通信传输层的网关内；该网关连接 总线，采用无线传感通信协议，将浓度数据传输到用户服务器内，服务器将数据传输到业务逻辑层的数据库内；业务逻辑层的沉积物定位模块、沉积物监测模块和数据走势分析等模块，从数据库内调取沉积物浓度数据后，依据该数据计算水体沉积物重金属潜在生态风险指数，对沉积物重金属潜在生态风险区域实施定位，并分析数据走势后，将所有计算、定位与分析结果返回到数据库存储；展示层利用上位机调取数据库内水体沉积物重金属潜在生态风险指数、风险区域定位信息后，将其呈现给用户。实验表明，该系统具备较高的耦合度和较低的空间复杂度，可有效实现沉积物环境污染自动监测与定位，应用效果显著。关键词：生态环境保护；沉积物；环境污染；自动监测系统；生态危害指数；采集程序中图分类号：文献标志码：文章编号：（）（，）：，；，；，；，：；沉积物是江河、湖泊以及海湾等水体底部沉积的泥沙，沉积物是水体生态环境多相态的一部 年第 期能源与环保第 卷分 ，也是生态环境污染的重要因素。城市生活用水和工业用水内含有重金属残留、有机有毒化学品等 ，其通过排放方式进入河流、湖泊内，附着在水体内悬浮物上，形成沉积物。而大气沉降和雨水淋溶也会使地面上的泥沙、空气中的有机排放物进入水体，经过长时间的积累以及各方面的作用，形成水体沉积物 。沉积物的富集使江河、湖泊受到严重的污染，造成水体周边生态平衡破坏。面对现在水体污染与治理现状，常规的沉积物监测手段无法满足水体生态的多方位保护与高水平管理，也无法准确地监测沉积物沉积位置，且水体沉积物随着时间变化也较为迅速 。目前也有很多学者设计沉积物监测系统，如姚跃等 设计的河道水质监测系统，该系统利用北斗卫星定位方式得到当前河道沉积物位置，然后使用浮漂体方式采集河道水质数据，通过数学分析方式分析沉积物沉积区域和厚度，实现河道沉积物监测。但该系统在应用过程中，其浮漂体受河流内暗流以及大风等影响，容易偏离其采集区域，导致其采集的水质样本不够精准，监测河道沉积物也不够准确。张兵等 设计了水环境遥感监测系统，该系统利用遥感设备采集水体图像后，依据水体的长时序水量预估水体内高度浑浊悬浮物浓度和沉积厚度、时间等数据，实现水体沉积物监测。但该系统并未对采集的水体图像进行降噪预处理，导致其采集到的水体图像存在失真情况，监测水体沉积物效果不佳。针对上述情况，以更好地保护生态环境为目的，本文研究了生态环境保护的沉积物环境污染自动监测系统，弥补现有水体沉积物监测系统的局限性。沉积物环境污染自动监测系统 系统总体结构以 架构为基础，设计沉积物环境污染自动监测系统，系统总体结构如图 所示。沉积物环境污染自动监测系统由感知层、通信传输层、业务逻辑层和展示层组成。在该系统的感知层内，利用若干个生物传感器采集水体内沉积物污染浓度数据后，将其传输到通信传输层的网关内，经由该网关连接 总线，利用 总线无线传感通信协议，将水体沉积物污染浓度数据传输到用户服务器。用户服务器将水体沉积物污染浓度数据存储到业务逻辑层的数据库。业务逻辑层的沉积物定位、沉积物监测模块从数据库内提取水体污染浓度数据，并以该数据为基础得到沉积物监测和定位信息后，将其保存到数据库。数据走势分析与数据对比分析模块从数据库提取沉积物监测、定位以及水体沉积物污染浓度数据后，对其进行对比分析，然后将结果返回到数据库存储。展示层通过调取业务逻辑层内沉积物监测、定位以及数据对比分析结果，利用分析服务模块、定位跟踪查询模块以及沉积物环境污染监测模块为用户展示沉积物环境污染自动监测结果。图 沉积物环境污染自动监测系统总体结构 系统硬件设计 系统单片机选取单片机（）是一种集成芯片，其将存储器、中央处理器等芯片集成后，用于控制系统运行。选择 系列单片机作为沉积物环境污染自动监测系统的主控芯片，该系列单片机传播延迟仅 ，且电源电流较小为 ，电源电压在 ，工作频率 ，具备较低的功耗 ，且其运行环境最高温度为 ，受环境影响较小 。系列单片机与沉积物环境污染自动监测系统其他硬件连接结构如图 所示。在 系列单片机内，存在若干个输入模拟量端口、异步收发传输器以及 接口 ，使用生物传感器采集到沉积物污染浓度信号，将其输入到信号调理电路，利用信号调理电路将生物传感器采集的信号转换成数据后，将其输入到 系列单片机的输入模拟量 年第 期胡艳：基于生态环境保护的沉积物环境污染自动监测系统研究第 卷端口内，再经有 接口和异步收发传输器传送到上位机、输入设备以及串口通信设备，实现沉积物环境污染自动监测系统的数据采集、传输等控制。图 系列单片机与系统其他硬件连接示意 感知层硬件设计采集水体沉积物浓度数据时，需设置多个生物传感器 。设计感知层传感器节点硬件结构如图所示。图 感知层传感器节点硬件结构示意 在感知层内，以可编程逻辑控制器作为生物传感器采集控制芯片，利用电源为生物传感器和可编程逻辑控制器提供稳定电压 。为每一个生物传感器配置一个 转换器，利用 转换器将生物传感器采集的沉积物浓度信号转换成二进制数值，然后将该二级制数值传输到可编程逻辑控制器的 存储器内进行存储后，使用 串行通信接口连接 系列单片机，控制传感器采集到的沉积物浓度数据传输到沉积物环境污染自动监测系统的其他模块。转换器分辨率 位，量程 ，转换精度 ，转换时间 ，工作温度 。系统软件设计由于采集水体内沉积物浓度数据时需要若干个传感器，若传感器保持持续采集状态，则会造成较大的能量消耗 ，且采集水体内沉积物浓度数据过于频繁，也会出现数据冗余情况 ，影响沉积物环境污染自动监测效果。设计生物传感器低功耗采集程序如图 所示。图 生物传感器低功耗采集程序 由图 可知，沉积物环境污染自动监测系统的低功耗采集程序运行开始时，先关闭系统看门狗，并对系统时钟进行初始化；然后开启系统的中断程序后，初始化系统的计时器，此时生物传感器进入低功耗模式 。然后判断当前是否有传感器采集按键按下，和判断当前传感器休眠时间阈值是否达到，若有传感器采集按键按下或传感器休眠时间阈值满足，则对 串口进行初始化，然后启动系统驱动程序，利用驱动程序驱动传感器采集沉积物浓度数据并发送 ；再判断该数据是否发送完成，若否则继续发送数据，若是则关闭驱动程序并结束。基于生态危害指数法的沉积物环境污染监测以采集到的水体沉积物浓度数据为基础，业务 年第 期能源与环保第 卷逻辑层内沉积物监测模块使用生态危害指数方法评价当前水体沉积物环境污染程度，其详细过程如下。使用 表示单一重金属污染指数，描述水体沉积物存在单一重金属时的环境污染状态。当水体沉积物内含有多种重金属时，则使用多种重金属综合污染指数 描述沉积物环境污染状态。为水体沉积物重金属潜在生态风险指数，以单一重金属污染指数和多种重金属综合污染指数为基础，计算水体沉积物重金属潜在生态风险指数。风险指数 。其中，表示水体沉积物重金属毒性响应系数 ，其可描述水体沉积物内重金属毒性水平。常见水体沉积物重金属毒性响应系数标准见表。依据表 内的重金属毒性响应系数，得到水体沉积物重金属潜在生态风险指数和单一重金属时水体沉积物重金属污染指数后，依据沉积物环境污染评价标准（表 ），得到当前水体沉积物环境污染评价等级。该沉积物环境污染评价等级即为水体沉积物环境污染监测结果，将该结果输入到系统的展示层内，呈现给用户。表 常见水体沉积物重金属毒性响应系数标准 重金属类型水体沉积物重金属毒性响应系数铅铬锌铜重金属类型水体沉积物重金属毒性响应系数砷 汞 镉 镍表 沉积物环境污染评价标准 评价指数类型指数污染程度单一重金属污染指数 轻污染 中污染 较高污染 重度污染沉积物重金属潜在生态风险指数 轻风险 中风险 高风险 极高风险 实例分析以某河流为实验对象，该河流全长 ，流域降水丰富，降水集中在夏秋两季，且年降水量超过 ，丰富的降水量使河流流速较快，尤其是在汛期时，河流冲击河堤带走河堤上的泥沙，使河流水体浑浊。而该河流经过若干个工业区，工业区废水均排入该河流，导致河流下游沉积物较厚，且沉积物覆盖范围较广。使用本文系统对该河流某河段进行沉积物环境污染自动监测，同时分析本文系统应用效果。系统耦合度测试系统耦合度是指系统不同运行环境下的稳定性，当一个系统在多种运行环境下均可较好地运行，说明该系统耦合度较高。将本文系统安装在 、和 环境下，测试本文系统在不同并发用户情况下其运行时的耦合度，结果如图所示。分析图 可知，本文系统在 、和 运行环境下，其耦合度数值均随着并发用户数量的增加而降低。其中，本文系统在 运行环境下的耦合度数值最高，其次是 和 。但本文系统在 种运行环境下的耦合度数值下降幅度较为缓慢，在并发用户数为 个时，本文系统在 种运行环境下的耦合度值均高于 。上述结果表明，本文系统在不同运行环境下的耦合度均较高，说明其运行较为稳定，受运行环境影响极小。图 系统耦合度测试结果 低功耗采集程序运行测试空间复杂度是衡量一个程序运行时所占用的指令空间、数据空间和环境栈空间的综合指标。以空间复杂度作为衡量本文系统低功耗采集程序运行指标，测试本文系统在启动低功耗采集程序时其空间复杂度变化情况，测试结果如图 所示。分析图 可知，本文系统低功耗采集程序运行时，其空间复杂度随着并发用户数量的增加而增加，但增加幅度较为缓慢。在并发用户为 个时，本文系统低功耗采集程序运行时的空间复杂度仅为 左右。年第 期胡艳：基于生态环境保护的沉积物环境污染自动监测系统研究第 卷该结果说明：本文系统低功耗采集程序运行时，其所占用的指令空间、数据空间和环境栈空间均较小，受并发用户影响较小。图 低功耗采集程序运行测试结果 沉积物污染浓度数据采集测试在该河流流域内选取 个采集点，以沉积物重金属锌作为实验对象，使用本文方法采集该河流某一区域的沉积物浓度，分析本文系统采集沉积物污染浓度中的锌数值，并与实际数值进行对比，分析本文系统采集沉积物污染浓度性能。同时，设置采集沉积物污染浓度偏差不得超过阈值 ，测试结果见表 。表 沉积物污染浓度数据采集测试结果分析 采集点编码采集数值实际数值 由表 可知，使用本文系统采集沉积物内重金属锌的浓度与实际数值最大偏差出现在第 个采集点，其偏差数值为 ，最小偏差出现在第 个采集点，偏差数值仅为 。上述偏差数值均为超过所设的偏差阈值，说明本文系统采集沉积物重金属浓度较为准确，也从侧面说明本文系统具备较强的沉积物环境污染监测能力。以该河流下游某河段作为实验对象，使用本文方法监测其沉积物环境污染情况，监测结果如图 所示。分析图 可知，使用本文方法监测该河流下游某河段的沉积物环境污染情况时，本文系统不仅可呈现当前不同监测点的沉积物重金属潜在生态风险指数，还可为用户呈现当前监测点位置，且从该位置图像上也可清楚看到河流水域分布情况以及沉积物分布情况。图 沉积物环境污染监测结果 综上所述，本文系统可较好地监测沉积物环境污染，且可以图像、图表形式呈现监测结果，具备较好的应用性。结论本文设计基于生态环境保护的沉积物环境污染自动监测系统，该系统应用生态危害指数算法，通过计算沉积物内重金属生态风险指数，用其描述当前沉积物对环境污染的影响程度。经过实验验证，本文系统具备较佳的应用效果，可行性极强。但本文系统也存在一些缺陷，如本文系统应用的是服务器自带数据库，并未专门设计数据库，因此在调用数据库内数据时，需遍历数据库后方可得到所需数据。未来需在该方向进行进一步补充，使沉积物环境污染自动监测系统更加完善，为生态环境保护作出更大的贡献。参考文献（）：李晗，王建龙，许怀奥，等 城市道路低影响开发雨水系统监测与评估 环境工程，（）：，（）：李欢欢，张雪琦，张永霖，等 城市生态环境损害鉴定评估监测体系研究 生态学报，（）：，年第 期能源与环保第 卷 ，（）：朱冰清，姜晟，蔡琨，等 生物监测技术在工业废水监测领域的应用研究 中国环境监测，（）：，（）：王嘉瑜，蒲生彦，胡玥，等 地下水污染风险预警等级及阈值确定方法研究综述 水文地质工程地质，（）：，（）：魏楠，王夏晖，张春鹏 环境 在监测表层沉积物中的运用及其与环境变量的关系 环境工程学报，（）：，（）：姚跃，虞丽娟，曹守启，等 基于北斗通信的河道水质监测系统设计 计量学报，（）：，（）：张兵，李俊生，申茜，等 地表水环境遥感监测关键技术与系统 中国环境监测，（）：，（）：王元，刘桂建，刘荣琼 巢湖湖区及入湖河流表层水体、沉积物中有机氯农药分布及风险评价 环境化学，（）：，（）：张皓清，贾永刚，王凯歌，等 水体沉积物中内源污染物释放研究进展 应用化工，（）：，（）：高煜，王国兰，金梓函，等 千河下游水体沉积物重金属空间分布、风险及影响因素 环境科学，（）：，（）：佘伟铎，石运刚，李洁，等 长江流域重庆段水体和沉积物中农药分布特征及风险评价 生态毒理学报，（）：，（）：霍庆霖，肖慧，王俊杰，等 成都市部分区域淡水混养池塘水体与沉积物中重金属风险评价及分配特征 生态与农村环境学报，（）：，（）：姜涛，张生，赵胜男，等 乌梁素海盐分在冰水沉积物间的分布及迁移特征 湖泊科学，（）：，（）：黄蓉，杨文斌，程俊杰，等 菹草和伊乐藻对水 沉积物界面磷迁移转化的影响 环境科学研究，（）：，（）：刘林，姚仰平，张旭辉，等 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