基于聲發(fā)射信號的水質(zhì)生物安全監(jiān)測

王涵青，葛世軼，趙駿*

（1. 杭州市下城區(qū)大成岳家灣實驗學(xué)校，浙江 杭州 310006；2. 浙江大學(xué)化學(xué)工程與生物工程學(xué)院，浙江 杭州 310027）

基于聲發(fā)射信號的水質(zhì)生物安全監(jiān)測

王涵青1，葛世軼2，趙駿1*

（1. 杭州市下城區(qū)大成岳家灣實驗學(xué)校，浙江 杭州 310006；2. 浙江大學(xué)化學(xué)工程與生物工程學(xué)院，浙江 杭州 310027）

通過采集污染水質(zhì)中泥鰍應(yīng)激行為的聲波信號，結(jié)合視頻分析聲波信號譜圖，獲得了代表泥鰍不同應(yīng)激行為的特征峰。根據(jù)各特征峰的時間，將泥鰍的應(yīng)激行為分為回避、安靜、躁動、跳躍、瀕死五個階段。在此基礎(chǔ)上，考察了在米醋質(zhì)量濃度分別為0.6%、0.9%、1.2%、1.5%、1.8%下泥鰍應(yīng)激行為的聲波信號能量，發(fā)現(xiàn)泥鰍跳躍階段其跳躍產(chǎn)生的聲波信號能量平均值隨水質(zhì)污染程度的加劇呈線性增加，由此得到水質(zhì)污染的聲發(fā)射預(yù)測模型，從而建立了一種綠色環(huán)保、實時在線、簡單可靠的基于聲發(fā)射信號的水質(zhì)生物安全監(jiān)測方法。

水質(zhì)；生物監(jiān)測；聲波；應(yīng)激行為

水是地球上生命賴以存活的重要資源之一，但隨人類物質(zhì)文明的發(fā)展，江、河、湖、海等不斷遭受污染的侵害，水體污染成為迫切需要解決的問題。污染的水體會破壞土壤，影響農(nóng)作物的生長，造成減產(chǎn)，還危及水生生物的生長和繁衍，致使魚蝦大量減產(chǎn)、死亡，甚至種群消亡，給農(nóng)業(yè)、漁業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，尋找一種能夠?qū)崟r在線檢測從而實現(xiàn)提前預(yù)警的水質(zhì)檢測方法，對保護(hù)環(huán)境，減少因水體污染而造成的經(jīng)濟(jì)損失具有重要意義。

目前對水樣進(jìn)行化學(xué)分析可以準(zhǔn)確檢測出目標(biāo)污染物的含量，但由于污染物的種類繁多，這種對水樣進(jìn)行化學(xué)分析的技術(shù)無法迅速確定主要污染物質(zhì)，也難以檢測某些不明污染物。同時，現(xiàn)有的理化監(jiān)測儀器檢測方法具有耗時長、檢測費用高、無法實現(xiàn)實時在線監(jiān)測等缺陷[1]，因此采用生物方法監(jiān)測水質(zhì)狀況日益受到重視[2]。

魚類行為變化檢測是一種有效的水質(zhì)生物監(jiān)測和預(yù)警手段[3]，目前已有研究者在水廠取水口放養(yǎng)青魚，通過微型攝像機(jī)的跟蹤、觀察魚的游動特性監(jiān)控水體污染[4-5]。然而，采用視覺傳感器（即攝像方式）捕獲魚類游泳異常行為的方法，其圖像處理和識別較為復(fù)雜[6]，而且在光線不足時，影響檢測效果，誤判時有發(fā)生。因此，亟待提出能監(jiān)控生物應(yīng)激反應(yīng)的綠色環(huán)保、實時在線、簡單可靠的水質(zhì)生物安全在線監(jiān)測方法。

聲波是聲音的傳播形式，由聲源振動產(chǎn)生，其本質(zhì)是能量的傳遞過程。聲波信號則表示一個或多個聲源振動事件經(jīng)傳感器接收并經(jīng)系統(tǒng)處理后以某種形式出現(xiàn)的電信號。聲發(fā)射（acoustic emission，AE）檢測技術(shù)通過接收和分析過程中發(fā)出的聲波信號，并與過程中的某些重要參數(shù)相關(guān)聯(lián)，從而實現(xiàn)對過程中這些重要參數(shù)的檢測和監(jiān)控[7]。該技術(shù)具有檢測靈敏、環(huán)保安全和實時在線等特點[8]。本文利用聲發(fā)射檢測技術(shù)，實時采集污染水質(zhì)中泥鰍應(yīng)激行為的聲波信號并對其進(jìn)行分析，研究泥鰍應(yīng)激行為與聲波信號的關(guān)系以及信號中的特征變量隨水質(zhì)污染程度的變化規(guī)律，從而找到一種利用聲發(fā)射檢測技術(shù)的水質(zhì)生物安全在線監(jiān)測方法。

1 實驗裝置及方法

1.1 實驗裝置

本文所用實驗裝置如圖1所示，由生態(tài)模擬系統(tǒng)和聲發(fā)射檢測系統(tǒng)組成。生態(tài)模擬系統(tǒng)主要包括水、塑料水桶和污染物質(zhì)。實驗采用米醋作為主要污染物質(zhì)。聲發(fā)射檢測系統(tǒng)由聲發(fā)射檢測探頭（AE144S，F(xiàn)uji Ceramics Corp.）、信號一級放大器、信號二級放大器、數(shù)據(jù)采集卡（USB-6351，NI）和計算機(jī)組成。在實驗過程中，聲波信號的采樣頻率為1000 Hz。

為獲得較大強(qiáng)度的水面波動信號，將聲發(fā)射檢測探頭安裝在外桶壁上，其上部與水面相切。為避免外界震動對實驗過程中聲波信號的采集造成干擾，在水桶下方放置緩沖軟墊。實驗通過向水中加入米醋來模擬水污染過程，為了更清楚地觀察米醋在水中的擴(kuò)散情況，在米醋中加紅墨水以示蹤。

圖1 實驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram ofexperimentalapparatus

1.2 實驗方法

取5條健康、體形體重相近的泥鰍，分別編號1～5。按表1進(jìn)行5組實驗。

表1 米醋加入量Tab.1 Vinegar amount

具體實驗方案如下：

（1）首先用塑料水桶盛5 kg清水，在其中放入一條泥鰍；

（2）等待泥鰍安靜且水面不再波動，然后開始連續(xù)采集聲波信號，同時用攝像設(shè)備對泥鰍的應(yīng)激行為進(jìn)行記錄；

（3）信號采集5 min后，敲擊水桶壁作為加醋信號，同時向水中加入混有2 mL紅墨水作為示蹤劑的米醋，米醋加入量參考表1，米醋加入位置盡量遠(yuǎn)離泥鰍；

（4）錄像和信號采集時間為30 min，其間若泥鰍腹部朝上且100 s內(nèi)都無任何動作，則判斷泥鰍死亡，停止采集信號和錄像；

（5）清洗水桶，改變米醋加入量，重復(fù)上述過程。

2 結(jié)果與討論

2.1 泥鰍應(yīng)激行為與聲波信號的關(guān)系

圖2為3號泥鰍的聲波信號譜圖。圖中t0= 298 s處，手指在桶壁上的敲擊使得聲波信號譜圖上出現(xiàn)了一個向下的峰，以此峰作為標(biāo)記，可吻合聲波信號譜圖與錄像視頻的時間。結(jié)合錄像，分析聲波信號譜圖與泥鰍行為的關(guān)系，得到t1～t5五個特征時刻：

（1）t1=301 s處有特征峰，為向水中加米醋所致，見圖3的t1；

（2）t2=307 s處有特征峰，當(dāng)加入水中的米醋擴(kuò)散至泥鰍附近時，泥鰍受到刺激而逃離導(dǎo)致此峰，見圖3的t2。此峰也指示泥鰍開始接觸米醋；

（3）t3=487 s處有特征峰，為泥鰍開始到處游動并用頭部撞擊桶壁所致，見圖3的t3。此峰說明泥鰍開始出現(xiàn)初步的不適感；

（4）t4=1022 s處有特征峰，為泥鰍奮力甩動身體跳出水面后又落回水里所致，見圖3的t4。此峰說明泥鰍開始出現(xiàn)強(qiáng)烈的不適感和恐慌；

（5）t5=1710 s處雖然無峰，但通過錄像發(fā)現(xiàn)此時泥鰍在上一次跳水后其腹部朝上，沉入水底且長時間無任何反應(yīng)，見圖3的t5。

圖2 泥鰍應(yīng)激行為的聲波信號譜圖（米醋質(zhì)量濃度1.2%）Fig.2 The acoustic signalspectrum ofloach’s stress behavior（mass concentration of vinegar 1.2%）

通過這五個特征時刻可以將加醋后泥鰍的行為分為以下幾個階段：

（1）回避階段：t1～t2，即從加醋到泥鰍與米醋接觸并做出回避行為。在污染物米醋脅迫初期，泥鰍的游動強(qiáng)度增大，試圖逃避污染。這種通過行為機(jī)制來適應(yīng)環(huán)境變化的回避反應(yīng)導(dǎo)致泥鰍的行為強(qiáng)度發(fā)生變化，從而可以被聲發(fā)射檢測技術(shù)檢測到。

（2）安靜階段：t2～t3，即泥鰍逃避污染后又安靜下來的時間段?；乇茈A段之后，通過對自身行為和生理機(jī)能的調(diào)節(jié)，泥鰍逐漸適應(yīng)了外界環(huán)境的壓力，其行為強(qiáng)度降低至暴露于污染物前水平。

（3）躁動階段：t3～t4，即泥鰍開始到處游動的時間段。由于在1.2%米醋中暴露了近3 min，污染物在泥鰍體內(nèi)積累，毒性效應(yīng)表現(xiàn)出來，泥鰍產(chǎn)生了初步的不適感，開始到處游動并用頭部撞擊桶壁，試圖鉆洞躲避受污染的環(huán)境，其行為強(qiáng)度再次增大，導(dǎo)致聲波信號幅值增大。

（4）跳躍階段：t4～t5。在此階段，由于長時間暴露于含米醋的水中，毒性效應(yīng)程度加深，泥鰍產(chǎn)生了強(qiáng)烈的不適感，因此采用跳出水面的方法來逃離這個被污染的環(huán)境，此階段其行為強(qiáng)度最大。

（5）瀕死階段：t5之后。由于毒性效應(yīng)完全爆發(fā)，泥鰍在t5時刻腹部朝上，沉入水底，且在之后的1 min內(nèi)無任何動作。但在約100 s后，泥鰍又再度“醒來”，繼續(xù)跳水若干次，而后又腹部朝上，沉入水底。t5在譜圖上難以準(zhǔn)確讀取，需要通過錄像分析得到。

圖3 各階段泥鰍應(yīng)激行為的錄像截圖Fig.3 Video screenshots ofloach’s stress behavior in each stage

2.2 不同水質(zhì)下泥鰍應(yīng)激行為的聲波效應(yīng)

圖4對比了不同米醋濃度下泥鰍應(yīng)激行為的聲波信號譜圖形狀，結(jié)果顯示，當(dāng)米醋濃度為0.6%時，聲波信號譜圖上只能看到t1和t2對應(yīng)的特征峰，即只有回避階段和安靜階段；增大米醋濃度至0.9%及以上時，聲波信號譜圖上可以清楚地分辨出t1、t2、t3和t4對應(yīng)的特征峰。

圖4 不同米醋質(zhì)量濃度下泥鰍應(yīng)激行為的聲波信號譜圖Fig.4 Acoustic signalspectrum of loach’s stress behavior in different mass concentration ofvinegar

當(dāng)在聲波信號譜圖上找到t1、t2、t3和t4對應(yīng)的特征峰后，各特征峰的橫坐標(biāo)即為對應(yīng)的t1、t2、t3和t4的值。針對加醋后泥鰍五個階段的反應(yīng)行為，利用聲發(fā)射檢測技術(shù)，探究這幾個階段的時間長度與米醋濃度的關(guān)系。取各米醋濃度下（t3-t2），（t4-t3），（t4-t2）作對比。這三個時間差的含義分別為：

（1）（t3-t2）為從泥鰍與米醋接觸到其開始躁動的時間間隔，即泥鰍出現(xiàn)初步的不適感所需的時間；

（2）（t4-t3）為從泥鰍開始躁動到其開始跳水的時間間隔，即泥鰍從初步的不適感到強(qiáng)烈的不適感所需的時間；

（3）（t4-t2）為從泥鰍與米醋接觸到其開始跳水的時間間隔，即泥鰍出現(xiàn)強(qiáng)烈的不適感所需的時間。

表2 不同米醋濃度下泥鰍各階段應(yīng)激行為的時間長度Tab.2 Time ofeach stage ofloach’s stress behavior in different mass concentration ofvinegar

表2對比了不同米醋濃度下泥鰍各階段的時間長度。結(jié)果顯示，隨著米醋濃度的增大，泥鰍出現(xiàn)初步的不適感所需的時間、從初步的不適感到強(qiáng)烈的不適感所需的時間以及出現(xiàn)強(qiáng)烈的不適感所需的時間均無明顯的規(guī)律。泥鰍的個體差異對此實驗結(jié)果影響較大。有的泥鰍對米醋敏感，其在較低米醋濃度下就感到了強(qiáng)烈的不適，而有的泥鰍對米醋不敏感，其在較高米醋濃度下也能忍受相當(dāng)長的時間。因此，若需要更準(zhǔn)確合理地研究米醋濃度與泥鰍各階段時間長度的關(guān)系，需要進(jìn)行大量的實驗來消除個體差異。

2.3 不同水質(zhì)下泥鰍應(yīng)激行為的聲波能量

泥鰍應(yīng)激行為的聲波信號譜圖中，跳躍階段是信號最強(qiáng)、特征最明顯的階段。取前5 min清水中的聲波信號能量的平均值作為基準(zhǔn)值。為準(zhǔn)確計算泥鰍跳躍的聲波信號能量，排除泥鰍游動、泥鰍跳躍入水后水面持續(xù)波動造成的干擾，需設(shè)定一個閾值，當(dāng)聲波信號能量值與基準(zhǔn)值之差大于閾值時，判定泥鰍跳躍。本文取閾值為0.8 V，計算泥鰍跳躍階段聲波信號譜圖中與基準(zhǔn)值相差超過0.8 V的所有峰的能量平均值。

圖5對比了不同米醋濃度下，跳躍階段前5 min內(nèi)其跳躍的聲波信號能量的平均值。結(jié)果顯示，0.6%質(zhì)量濃度的米醋沒有達(dá)到讓泥鰍跳出水面的臨界值，因此能量平均值為零；米醋濃度0.9%及以上時，泥鰍表現(xiàn)出跳躍行為，且其能量平均值隨著米醋濃度的增大而線性增大。這表明泥鰍對水質(zhì)的污染程度有一個耐受值，低于此值則對泥鰍無影響；高于此值，泥鰍會表現(xiàn)出逃離此污染環(huán)境的行為，且污染程度越高，泥鰍逃離的欲望越強(qiáng)烈。由此建立水質(zhì)污染聲發(fā)射預(yù)測模型如式（1）所示：

其中C為水質(zhì)中米醋的質(zhì)量百分濃度，E0為聲波信號能量基準(zhǔn)值，取清水中前5 min的聲波信號能量的平均值，Ei為聲波信號譜圖中與基準(zhǔn)值相差超過所設(shè)閾值的峰的能量值，n為聲波信號譜圖中與基準(zhǔn)值相差超過所設(shè)閾值的峰的個數(shù)。基于水質(zhì)污染預(yù)測模型，利用聲發(fā)射檢測技術(shù)可實現(xiàn)對水質(zhì)生物安全的在線監(jiān)測。

圖5 不同米醋濃度下泥鰍跳躍的聲波信號能量平均值Fig.5 The average acoustic signalenergy of loach’s jump in different mass concentration of vinegar

3 結(jié)論

（1）基于聲發(fā)射檢測技術(shù)，結(jié)合聲波信號譜圖與視頻分析，得到了污染水質(zhì)中泥鰍的應(yīng)激行為與產(chǎn)生的聲波信號之間的關(guān)系，根據(jù)聲波信號譜圖上的特征峰，將污染水質(zhì)中泥鰍的應(yīng)激行為分成回避、安靜、躁動、跳躍、瀕死五個階段。

（2）以聲波信號譜圖上各特征峰間的時間間隔為特征參數(shù)，考察泥鰍應(yīng)激行為各階段的時間長度隨水質(zhì)污染程度的變化規(guī)律。結(jié)果表明，在不同水質(zhì)污染程度的實驗中，泥鰍各階段應(yīng)激行為的時間長度與水質(zhì)污染程度無明顯規(guī)律。

（3）考察了泥鰍跳躍階段時其跳躍產(chǎn)生的聲波信號能量平均值隨水質(zhì)污染程度的變化規(guī)律。結(jié)果表明，泥鰍對水質(zhì)的污染程度有一個耐受值，高于此值，泥鰍表現(xiàn)出跳躍行為，其跳躍的聲波信號能量平均值隨水質(zhì)污染程度的增加而線性增大，基于此得到了水質(zhì)污染的聲發(fā)射預(yù)測模型，從而建立了一種根據(jù)聲波信號來檢測水質(zhì)污染程度并提前預(yù)警的水質(zhì)生物安全在線監(jiān)測方法。

[1]羅岳平，李寧，湯光明.生物早期警報系統(tǒng)在水和廢水水質(zhì)評價中的應(yīng)用[J].重慶環(huán)境科學(xué)，2002，24（1）:49-54.

[2]程英，裴宗平，鄧霞，等.生物監(jiān)測在水環(huán)境中的應(yīng)用及存在問題探討[J].環(huán)境科學(xué)與管理，2008，33（2）:111-114.

[3]張金松，黃毅，韓小波，等.魚的行為變化在水質(zhì)監(jiān)測中的應(yīng)用[J].給水排水，2013，39（7）:166-170.

[4]任宗明，饒凱鋒，王子健.水質(zhì)安全在線生物預(yù)警技術(shù)及研究進(jìn)展[J].供水技術(shù)，2008，（1）：5-7.

[5]劉勇，付榮恕，任宗明.2種有機(jī)磷農(nóng)藥聯(lián)合脅迫下日本青的逐級行為響應(yīng)[J].環(huán)境科學(xué)，2010，31（5）：1328-1332.

[6]王麗娜.基于動態(tài)圖像理解的水質(zhì)生物監(jiān)測系統(tǒng)研究與應(yīng)用[D].杭州：杭州電子科技大學(xué)，2011.

[7]曹翌佳，王靖岱，陽永榮.聲波信號多尺度分解與固體顆粒質(zhì)量流率的測定[J].化工學(xué)報，2007，58（6）:1404-1410.

[8]侯琳熙，王靖岱，陽永榮，等.氣固流化床中聲發(fā)生機(jī)理及在工業(yè)裝置中的應(yīng)用[J].化工學(xué)報，2006，56（8）: 1474-1478.

Water Quality Bio-monitoring Based on Acoustic Signal Detection

WANG Han-qing1, GE Shi-yi2, ZHAO Jun1*
（1. Dachengyuejiawan Middle School, Hangzhou, Zhejiang 310006, China;2. Department of Chemical and Biochemical Engineering, Zhejiang University,Hangzhou, Zhejiang 310027, China）

Signals emitted from loach in polluted water were collected and the characteristic peaks onthe acoustic signal spectrum representing different stress behavior of loach were obtained by video analysis. Loach’s stress behavior can be divided into five stages:avoiding，silence，dysphoria，jumping and dying. The acoustic signal energy of stress behavior in each stage was investigated in the vinegar-polluted water with mass concentration of vinegar range from 0.6%to 1.8%.Results showed that the average acoustic signal energy of loach’s jump in its jumping stage varied linearly with the vinegar concentration of polluted water. Then a forecasting model of water pollution degree was proposed and a method for on-line monitoring of water quality and biological safety was established.

water quality；bio-monitoring；acoustic wave；stress behavior

1006-4184（2017）4-0039-06

2016-08-25

王涵青（2002-），女，杭州人。

*通訊作者：趙駿（1978-），男，中學(xué)一級教師，曾獲得杭州市優(yōu)秀教師、下城區(qū)“十佳輕負(fù)高質(zhì)”教師、區(qū)教壇新秀等榮譽(yù)稱號，從事科學(xué)教學(xué)與競賽指導(dǎo)工作。E-mail:zhaojdc0608@163.com。