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专利名称：藻华预警浮标系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及水环境监测技术领域，具体来说，本实用新型涉及ー种藻华预警浮标系统。
背景技术：
伴随着我国经济快速发展的同吋，生态环境持续恶化。近年来我国水体富营养化日益加剧，藻类过度繁埴产生的有害藻华(Harmful Algal Blooms,HABs)(包括海洋赤潮和淡水水华)持续高频次发生，已严重影响到居民的饮水安全、水产养殖、水体景观价值等方面，造成了巨大的经济损失。在我国海域，从北至南都有大規模赤潮爆发的记录，近几年来东海成为赤潮爆发的重灾区，水产养殖损失严重。在淡水领域，以太湖、巢湖、滇池为代表的大型浅水湖泊成为蓝藻水华的重灾区，在作为饮用水源地的许多大中型水库也频繁发生蓝藻水华。对于有害藻华的监测和预警已经引起了各级政府部门和科研単位的高度重视。目前对于藻华的监测和预警，主要采用如下几种方法I)定期采样法监测人员到现场采样，现场測量或回实验室后进行显微镜细胞计数和叶绿素含量測量。这种方法的缺点在于监测频率低，数据获取相对滞后，不能做到实时监测。2)连续监测法以浮标或监测站房为平台，利用叶绿素荧光计(如Wet-Labs、TriOS, YSI等公司产的叶绿素荧光计)实时测量水体的叶绿素浓度，这种方法在世界范围内得到了广泛的应用。此外，中国发明专利申请201110182842. X提出了ー种利用流式细胞计数法在浮标内长期对水体浮游植物细胞密度进行监测的方法。连续监测法可以高频率的获取浮游植物细胞密度或叶绿素浓度等生物量信息，而生物量反映的是过去一段时间浮游植物细胞生长累积到现在的量，但仅仅靠这些信息难以对浮游植物未来的生长变化情况进行预警。
3)卫星遥感法通过卫星搭载的光谱仪来大面积測量水色光谱，用特定公式估算水体中浮游植物的叶绿素浓度。这种方法测量的还是生物量，非常适合大尺度观测藻华发生的范围和严重程度，但也无法做到在藻华发生前的预警。综上，无论是连续监测还是定期測量，无论是实验室分析还是卫星遥感，目前对浮游植物监测手段主要采用细胞计数和叶绿素浓度測量两种方式，而这两种方式都是反映的浮游植物生物量的历史累积。显然，仅仅靠生物量这种历史数据对浮游植物未来的生长趋势以及是否会发生藻华进行预警是远远不够的。地球上一切生命活动的终极能量来源是太阳，而对太阳能的转化主要靠浮游植物和高等植物的光合作用。浮游植物生长的原初驱动カ是其光合活性的高低，那么浮游植物光合作用活性的高低就可以用来预测未来的生长趋势。測量浮游植物光合作用的技术主要包括I)光合放氧法利用Clark氧电极或黒白瓶測量光合放氧速率，缺点在于测量时间长，灵敏度低，无法在野外进行连续监测。[0011]2) C14同化法通过测量放射性元素C14被藻细胞吸收同化的速率来反映光合活性，缺点也在于测量时间长，无法连续监測。3)调制荧光法通过检测藻细胞在接受瞬间饱和脉冲光照射后调制荧光的变化来反映植物的光合活性，优点在于测量速度快、灵敏度高、数据可靠，缺点在于原理较复杂，因此主要应用于科研领域，监测领域应用很少。利用调制荧光技术测量的Fv/Fm反映了浮游植物转化光能为化学能的效率，简称光合效率。目前尚未见到任何利用浮标系统对藻类光合活性连续监测的报道。如果能够对浮游植物的光合活性进行远程无线监测，就可以根据光合活性的变化预测未来几天的浮游植物细胞密度变化情況，从而做到藻华的提前预警。
发明内容本实用新型所要解决的技术问题是提供一种藻华预警浮标系统，能够在野外无人值守、长期、连续地对水体中浮游植物的生物量和光合活性进行监測，远程传输数据，并发出藻华预警信号。为解决上述技术问题，本实用新型提供一种藻华预警浮标系统，包括安装在浮标内部的电子舱単元、位于所述浮标上部的太阳能供电系统和竖直悬挂在所述浮标下方的剖面采样单元；其中所述剖面采样单元包括采样管；多个进水三通阀，每隔一段距离安装在所述采样管上，采集并输送不同深度的水样；钢缆，与所述浮标相连接；多个压カ传感器，每隔一段距离安装在所述钢缆上，与各个所述进水三通阀分别对应地安装在同一水平面上，測量各个所述进水三通阀处的水压；多个水温传感器，每隔一段距离安装在所述钢缆上，与各个所述进水三通阀分别对应地安装在同一水平面上，測量各个所述进水三通阀处的水温；以及重锤，与所述钢缆的最下端相连接，使所述钢缆尽量保持竖直；所述电子舱单元包括抽水装置，与所述采样管相连接，抽取水样；流量计，与所述抽水装置相连接，测量抽取的水样流速；样品池，与所述流量计相连接，储存抽取自不同深度的所述水样；调制荧光测量单元，与所述样品池相连接，对所述水样进行光合作用活性和叶绿素浓度的測量分析；排水三通阀，通过排水管与所述样品池相连接，将所述样品池内部储存的水样排出所述浮标；中央控制单元，分别与所述调制荧光测量単元、所述抽水装置、所述流量计、多个所述进水三通阀、多个所述压カ传感器和多个所述水温传感器相连接，控制水样的采集、排放和光合活性的測量、分析，形成监测数据；以及路由器，与所述中央控制单元相连接，通过无线通讯网络将所述监测数据发送到客户端。可选地，所述太阳能供电系统包括太阳能板，采集太阳能并将其转化为电能；蓄电池组，存储所述电能；以及太阳能电池控制器，分别与所述太阳能板、所述蓄电池组和所述中央控制单元相连接，将所述太阳能板转化的电能存储到所述蓄电池组上，并将所述蓄电池组输出的电カ稳压后向所述电子舱单元输送供电。可选地，所述进水三通阀、所述压カ传感器和所述水温传感器的数目均为2 200个。可选地，所述样品池包括样品池腔，竖直安装于所述调制荧光测量单元中，储存待测量的水样；样品池进水管，与所述采样管相连接，接收所述采样管输送来的水样；样品池内套管，一端与所述样品池进水管相连接，另一端伸入所述样品池腔的底部，用以将所述水样竖直向下输送入所述样品池腔中；样品池出水管，分别与所述样品池腔的顶部和所述排水管相连接，将所述样品池腔中的水样排出到所述排水管；法兰，分别位于所述样品池进水管与所述采样管相连接的端部以及所述样品池出水管与所述排水管相连接的端部，确保各管路的密封。可选地，所述样品池腔呈圆柱形。与现有技术相比，本实用新型具有以下优点本实用新型通过监测水体中浮游植物的光合作用活性变化来进行藻华预警，较传统的测量生物量的预警方式可以提前数天进行预警，是真正的藻华预警系统。本实用新型通过剖面采样，能够对ー个水柱中浮游植物的生物量和光合作用活性进行监測，能够科学的反映水柱中浮游植物的生长变化趋势和垂直迁移情況，是研究水体生态系统变化的重要基础数据。本实用新型的剖面采样系统采用钢缆连接重锤，有效地避免了剖面进水管的漂移。即使在水流较大的地方，剖面进水管发生了小幅度漂移，每个进水三通阀附近的压カ传感器也可以对采样深度做校准，并不影响对整个水柱的剖面分析。本实用新型采用太阳能供电系统提供电力，可以真正做到无人值守、长期、连续采样的目的，结合浮标监测装置，可以对水体进行长期监测。

本实用新型的上述的以及其他的特征、性质和优势将通过
以下结合附图和实施例的描述而变得更加明显，其中图1为本实用新型一个实施例的基于光合活性的藻华预警浮标系统的�？榻峁故疽馔迹煌�2为图1中所示实施例的基于光合活性的藻华预警浮标系统的实体结构示意图；图3为本实用新型一个实施例的基于光合活性的藻华预警浮标系统的样品池的实体结构示意图；图4为本实用新型一个实施例的采用基于光合活性的藻华预警浮标系统进行藻华预警的方法流程图；图5为本实用新型一个实施例的基于光合活性的藻华预警浮标系统对微囊藻的监测结果曲线图。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本实用新型作进ー步说明，在以下的描述中阐述了更多的细节以便于充分理解本实用新型，但是本实用新型显然能够以多种不同于此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本实用新型内涵的情况下根据实际应用情况作类似推广、演绎，因此不应以此具体实施例的内容限制本实用新型的保护范围。图1为本实用新型一个实施例的基于光合活性的藻华预警浮标系统的模块结构示意图；图2为图1中所示实施例的基于光合活性的藻华预警浮标系统的实体结构示意图。需要注意的是，这些以及后续其他的附图均仅作为示例，其并非是按照等比例的条件绘制的，并且不应该以此作为对本实用新型实际要求的保护范围构成限制。请同时结合图1和图2所示，该基于光合活性的藻华预警浮标系统主要包括安装在浮标11内部的电子舱単元100、位于浮标11上部的太阳能供电系统300和竖直悬挂在浮标11下方的剖面采样单元200。其中，剖面采样单元200主要包括采样管12、多个进水三通阀101 Inn、钢缆13、多个压カ传感器201 2nn、多个水温传感器301 3nn和重锤14等。进水三通阀101 Inn的数目可以为2 200个，每隔一段距离安装在采样管12上，用于采集并输送不同深度的水样。钢缆13与浮标11相连接，压カ传感器201 2nn和水温传感器301 3nn的数目均与进水三通阀101 Inn的数目相匹配，也可以为2 200个，每隔一段距离安装在钢缆13上，与各个进水三通阀101 Inn分别对应地安装在同一水平面上，用于分别測量各个进水三通阀101 Inn处的水压和水温。重锤14与钢缆13的最下端相连接，使钢缆13尽量保持竖直。而电子舱单元100主要包括调制荧光测量单元1、样品池2、抽水装置3、流量计4、排水三通阀5、中央控制单元6和路由器7等。抽水装置3与采样管12相连接，用于抽取水样。流量计4与抽水装置3相连接，用于测量抽取的水样流速。样品池2与流量计4相连接，用于储存抽取自不同深度的水样。调制荧光测量单元I与样品池2相连接，用于对水样进行光合作用活性和叶绿素浓度的測量分析。排水三通阀5通过排水管15与样品池2相连接，用于将样品池2内部储存的水样排出浮标11。中央控制单元6分别与调制荧光测量单元1、抽水装置3、流量计4、多个进水三通阀101 Inn、多个压カ传感器201 2nn和多个水温传感器301 3nn相连接并给予其控制，用于控制水样的采集、排放和光合活性的测量、分析，形成监测数据。路由器7与中央控制单元6相连接，用于通过无线通讯网络40将监测数据发送到客户端50。在本实施例中，抽水装置3、流量计4、多个进水三通阀101 Inn、调制荧光测量单元1、排水三通阀5、多个压カ传感器201 2nn、多个水温传感器301 3nn和路由器7的启动均由中央控制单元6控制。在采取水样时，中央控制单元6控制多个进水三通阀101 Inn按顺序依次独立工作，例如当进水三通阀102工作时，其只抽取自身对应深度的水样，其它深度的各进水三通阀都处于关闭状态。而在进行调制荧光測量吋，中央控制单元6又会控制抽水装置3暂停工作，以及控制排水三通阀5暂时止水，以保障样品池2内部的水样处于静止状态，进行准确的光合作用測量工作。对于太阳能供电系统300，其主要包括太阳能电池控制器8、蓄电池组9和太阳能板10等。其中，太阳能板10用于采集太阳能并将其转化为电能，蓄电池组9用于存储电能。太阳能电池控制器8分别与太阳能板10、蓄电池组9和中央控制单元6相连接，用于将太阳能板10转化的电能存储到蓄电池组9上，并将蓄电池组9输出的电カ稳压后向电子舱单元100输送供电。图3为本实用新型一个实施例的基于光合活性的藻华预警浮标系统的样品池的实体结构示意图。如图3所示，该样品池2可以包括样品池腔17、样品池进水管18、样品池内套管16、样品池出水管19和法兰20等。其中，样品池腔17可呈圆柱形，竖直安装于调制荧光测量単元I中，用于储存待测量的水样。样品池进水管18与采样管12相连接，用于接收采样管12输送来的水样。样品池内套管16—端与样品池进水管18相连接，另一端伸入样品池腔17的底部，用于将水样竖直向下输送入样品池腔17中。样品池出水管19分别与样品池腔17的顶部和排水管15相连接，用于将样品池腔17中的水样排出到排水管15。法兰20分别位于样品池进水管18与采样管12相连接的端部以及样品池出水管19与排水管15相连接的端部，确保各管路的密封。如此，样品池2内部水样的流向可以为样品池进水管18 —样品池内套管16 —样品池腔17 —样品池出水管19。图4为本实用新型一个实施例的采用前述基于光合活性的藻华预警浮标系统进行藻华预警的方法流程图。本实施例沿用前述实施例的元件标号与部分内容，其中采用相同的标号来表示相同或近似的元件，并且选择性地省略了相同技术内容的说明。关于省略部分的说明可參照前述实施例，本实施例不再重复赘述。如图4所示，并适当參考图1 图3，该采用基于光合活性的藻华预警浮标系统进行藻华预警的方法流程主要包括如下步骤执行步骤S401，中央控制单元6控制某一深度的进水三通阀和排水三通阀5打开。执行步骤S402，抽水装置3启动，按设定的抽取时间抽取水样，流量计4同步测量抽取的水样流速。其中，抽取时间=水样由当前深度到流量计4的时间+水样由流量计4至样品池2的时间+測量时间+延长时间。式中延长时间是指系统为了确保抽取的水样是特定深度处的水，排除干扰所需要的保险时间。执行步骤S403，达到抽取时间后，中央控制单元6控制进水三通阀关闭、抽水装置3停止工作、排水三通阀5处于止水状态，使样品池2内的水样处于静止状态。执行步骤S404，中央控制单元6控制调制荧光测量単元I测量样品池2内的水样的光合作用活性和叶绿素浓度并形成监测数据，监测数据通过路由器7经由无线通讯网络40实时传输到客户端50。执行步骤S405，在上述步骤S404的測量步骤执行结束后，中央控制单元6控制另一深度的进水三通阀和排水三通阀5打开，并重复执行上述步骤S402 S404。执行步骤S406，重复执行上述步骤S405，直到所有深度的进水三通阀101 Inn全部采样结束，关闭进水三通阀101 Inn、排水三通阀5以及抽水装置3。[0070]执行步骤S408，根据客户端50显示的监测数据，一旦光合作用活性连续多天稳步上升且上升幅度超过一定比例吋，实时发出藻华预警信号。在本实施例中，例如触发藻华预警信号的光合作用活性的连续稳步上升的天数为2 5天；上升幅度的比例为20 80%。在本实施例中，在执行完上述步骤S406之后，没有发现需要跟进处理的其他信息时，可以对上述水体剖面采样、測量分析、传输数据的步骤进行不断地循环重复。即在采集完一遍水体剖面数据后，还可以包括步骤；执行步骤S407，中央控制单元6控制藻华预警浮标系统按照设定的时间间隔重复执行上述步骤S401 S406，进行循环监测。另外，在本实施例中，中央控制单元6在步骤S401中控制某一深度的进水三通阀打开进水吋，还可以同步获取当前深度处的压力传感器測量到的水压数据和/或水温传感器測量到的水温数据，用以更准确地测量当前进水三通阀处的水深深度，避免由于水流过大引起钢缆13漂移造成的深度误差。图5为本实用新型一个实施例的基于光合活性的藻华预警浮标系统对微囊藻的监测结果曲线图。在本 实施例中，采用的是淡水典型水华蓝藻铜绿微囊藻(MiCTocysisaeruginosa)为材料进行试验。取适量处于对数生长期的微囊藻藻液接入BGll培养基中按常规方法培养，光-暗周期12h: 12h，培养温度25°C，光照强度100 u mo I n^s—1。程序设定每隔12h抽取藻液进入样品池測量光合活性和叶绿素浓度。在接种后，藻类生物量(本实施例中为叶绿素浓度)的变化一般由延迟期、对数期、稳定期和衰亡期四个阶段组成。既然光合活性是藻细胞生长的原初驱动力，那么光合活性的变化在理论上就应该比生物量的变化要早，也就是说，是先有光合活性的变化，再有生物量的变化。本实施例的监测结果如图5所示，接种后0-4天，光合活性和叶绿素浓度都处于延迟期，无明显变化；从第4天开始，光合活性即进入对数生长期，而叶绿素浓度在第4-6天只有轻微升高；直到第6天开始，叶绿素浓度才进入对数生长期。由此可以看出，在进入对数期生长阶段的转折点上，本实施例中光合活性的转折点比叶绿素浓度的转折点提前了2天。从第9天开始光合活性即进入稳定期，而叶绿素浓度要到第12天才进入稳定期，在进入稳定期的转折点上光合活性比叶绿素浓度提前了 3天。从第13天开始，光合活性即进入衰亡期，而叶绿素浓度要到第17天才进入衰亡期，在进入衰亡期的转折点上，光合活性比叶绿素浓度提前了 4天。从本实施例可以看出，无论是延迟期-対数期、对数期-稳定期还是稳定期-衰亡期的转折点上，光合活性都比叶绿素浓度提前数天，起到了很好的预测预警的作用，说明本系统不仅可以用于藻华发生的提前预警，也可以用于藻华整个生消过程的提前预测。本实用新型通过监测水体中浮游植物的光合作用活性变化来进行藻华预警，较传统的测量生物量的预警方式可以提前数天进行预警，是真正的藻华预警系统。本实用新型通过剖面采样，能够对ー个水柱中浮游植物的生物量和光合作用活性进行监測，能够科学的反映水柱中浮游植物的生长变化趋势和垂直迁移情況，是研究水体生态系统变化的重要基础数据。本实用新型的剖面采样系统采用钢缆连接重锤，有效地避免了剖面进水管的漂移。即使在水流较大的地方，剖面进水管发生了小幅度漂移，每个进水三通阀附近的压カ传感器也可以对采样深度做校准，并不影响对整个水柱的剖面分析。本实用新型采用太阳能供电系统提供电力，可以真正做到无人值守、长期、连续采样的目的，结合浮标监测装置，可以对水体进行长期监测。本实用新型虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本实用新型，任何本领域技术人员在不脱离本实用新型的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改。因此，凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化及修饰，均落入本实用新型权利要求所界定的保护范围之内。
权利要求1.一种藻华预警浮标系统，其特征在于，包括安装在浮标(11)内部的电子舱单元 (100)、位于所述浮标(11)上部的太阳能供电系统(300)和竖直悬挂在所述浮标(11)下方的剖面采样单元(200);其中所述剖面采样单元(200)包括米样管(12)；多个进水三通阀(101 Inn)，每隔一段距离安装在所述采样管(12)上，采集并输送不同深度的水样；钢缆(13)，与所述浮标(11)相连接；多个压力传感器(201 2nn)，每隔一段距离安装在所述钢缆(13)上，与各个所述进水三通阀(101 Inn)分别对应地安装在同一水平面上，测量各个所述进水三通阀(101 Inn)处的水压；多个水温传感器(301 3nn)，每隔一段距离安装在所述钢缆(13)上，与各个所述进水三通阀(101 Inn)分别对应地安装在同一水平面上，测量各个所述进水三通阀(101 Inn)处的水温；以及重锤(14)，与所述钢缆(13)的最下端相连接，使所述钢缆(13)尽量保持竖直；所述电子舱单元(100)包括抽水装置(3)，与所述采样管(12)相连接，抽取水样；流量计(4)，与所述抽水装置(3)相连接，测量抽取的水样流速；样品池(2)，与所述流量计(4)相连接，储存抽取自不同深度的所述水样；调制荧光测量单元(I)，与所述样品池(2)相连接，对所述水样进行光合作用活性和叶绿素浓度的测量分析；排水三通阀(5)，通过排水管(15)与所述样品池(2)相连接，将所述样品池(2)内部储存的水样排出所述浮标(11);中央控制单元￠)，分别与所述调制荧光测量单元(I)、所述抽水装置(3)、所述流量计 (4)、多个所述进水三通阀(101 Inn)、多个所述压力传感器(201 2nn)和多个所述水温传感器(301 3nn)相连接，控制水样的采集、排放和光合活性的测量、分析，形成监测数据；以及路由器(7)，与所述中央控制单元(6)相连接，通过无线通讯网络(40)将所述监测数据发送到客户端(50)。
2.根据权利要求1所述的藻华预警浮标系统，其特征在于，所述太阳能供电系统(300) 包括太阳能板(10)，采集太阳能并将其转化为电能；蓄电池组(9)，存储所述电能；以及太阳能电池控制器(8)，分别与所述太阳能板(10)、所述蓄电池组(9)和所述中央控制单元(6)相连接，将所述太阳能板(10)转化的电能存储到所述蓄电池组(9)上，并将所述蓄电池组(9)输出的电力稳压后向所述电子舱单兀(100)输送供电。
3.根据权利要求1所述的藻华预警浮标系统，其特征在于，所述进水三通阀(101 Inn)、所述压力传感器(201 2nn)和所述水温传感器(301 3nn)的数目均为2 200 个。
4.根据权利要求2所述的藻华预警浮标系统，其特征在于，所述样品池(2)包括样品池腔(17)，竖直安装于所述调制荧光测量单元(I)中，储存待测量的水样；样品池进水管(18)，与所述采样管(12)相连接，接收所述采样管(12)输送来的水样； 样品池内套管(16)，一端与所述样品池进水管(18)相连接，另一端伸入所述样品池腔(17)的底部，用以将所述水样竖直向下输送入所述样品池腔(17)中；样品池出水管(19)，分别与所述样品池腔(17)的顶部和所述排水管(15)相连接，将所述样品池腔(17)中的水样排出到所述排水管(15)；法兰(20)，分别位于所述样品池进水管(18)与所述采样管(12)相连接的端部以及所述样品池出水管(19)与所述排水管(15)相连接的端部，确保各管路的密封。
5.根据权利要求4所述的藻华预警浮标系统，其特征在于，所述样品池腔(17)呈圆柱
专利摘要本实用新型提供一种藻华预警浮标系统，包括浮标内部的电子舱单元、太阳能供电系统和悬挂在浮标下方的剖面采样单元；剖面采样单元包括采样管和间隔安装其上的进水三通阀；钢缆和安装其上的压力传感器、水温传感器，与各进水三通阀对应安装在同一平面；重锤，与钢缆末端连接；电子舱单元包括抽水装置；流量计；样品池；调制荧光测量单元，对水样作测量分析；排水三通阀，将样品池内的水样排出；中央控制单元，控制水样的采集排放和光合活性的测量分析，形成监测数据；路由器，将监测数据发送到客户端。本实用新型能够在野外无人值守、长期、连续地对水体中浮游植物的生物量和光合活性进行监测，远程传输数据，实时发出藻华预警信号。
文档编号G01N33/18GK202870073SQ20122045325
公开日2013年4月10日 申请日期2012年9月6日 优先权日2012年9月6日
发明者韩志国, 毕昆, 姜星, 钱程, 吕中贤, 王阳阳, 顾群 申请人:上海泽泉科技有限公司