（北京市第三十五中学）
摘要：水对我们的生命起着重要的作用 ,它是生命的源泉，是人类赖以生存和发展中必不可缺少的重要物质资源之一。水质污染一直是当今社会面临的重要问题之一，如何改善和治理水质污染问题，一致备受国家和人民的重视。想要改善水污染的前提是有便捷、精准的水质监测方法。目前，大多水质监测方法有成本高、分析时间长、操作繁琐以及消耗大量化学试剂造成二次污染等缺点。而光谱技术有着成本低、易操作、分析效率高、方法适用性强等诸多优点[1]，体现了在水质测量中的优势，从而对解决水质污染有着极大的帮助。本次课题将阐述以光谱特性来测量水中叶绿素浓度、悬浮物浓度和总磷含量。
关键词：水污染，近红外光谱技术，水质监测
一、引言
人类在生活和生产活动中都离不开水，水环境的优劣与人类健康密切相关。但自从城镇生活污水处理严重滞后，大量未经任何处理的成活污水直接排入河流、湖库，导致很多河流、湖泊的水质都不达标，这对水环境污染构成了极大的威胁。
水体污染影响工业生产、增大设备腐蚀、影响产品质量，甚至使生产不能进行下去。水的污染，又影响人民生活，破坏生态，直接危害人的健康：食品安全专家表示，污染水体中所含有的有毒有害物质，如重金属、有毒有机物等会累积在鱼体内，即使是水中的活鱼食用后也会存在很大的安全风险。
所以水环境监测成了保障人民健康的基础。但现在水环境监测的方法，如化学法、离子选择电极法、离子色谱法、等离子体发射光谱（ICP—AES）法等中，有的操作步骤复杂、有的检验时间长、有的人力物力耗费巨大……
而现场操作的监测，美国哈希系列产品精确度高、速度快，但受经济等因素的影响其应用受到限制；而国产的便携式分光光度计和试剂盒存在虽有携带方便、价格适中的优点，但大多存在检测结果精度不高的问题[2]。
与以上方法相比，光谱分析技术更具有操作简便、消耗试剂最小、重复性好、测量精度高和检测快速的优点，非常适合对环境水样的快速在线监测[3]。
二、近红外光谱分析技术发展现状
近红外光谱分析技术是利用有机化学物质在近红外光谱区的光学特性快速检测样品中一种或几种化学成分含量的新技术,是20世纪90年代以来发展最快、最引人注目的光谱分析技术,已在农业、食品、医药、石油化工等领域有了广泛的应用[1]。
国外近红外光谱技术在大型流程工业的应用日趋成熟和广泛。在石化行业，据统计全球仅汽油调合装置就有几百套安装在线近红外光谱仪。在农产品的现场收购环节，在线、便携式和台式近红外光谱被广泛应用于按质论价的分析手段。在制药领域，近红外光谱分析技术正在由可选方法向一次方法做跨越式转变。近红外技术的应用为上述行业带来丰厚的经济效益，已成为提高企业科学管理必不可少的一种手段[4]。
三、可见光—近红外光谱技术对水质检测的实验过程
本次实验选择在北京市昌平区的沙河水库进行现场试验，以同一水库中不同流域的水质作为样本，当天室外温度为25℃左右。
1、预实验
a. 实验中需要测量不同区域水质的特征光谱，则需要考虑到在外界环境中测量时太阳光线的变化与水面波纹的反光等部分可变因素对于测量实验中光谱数据的影响，应多次控制并调节这些变量。
b. 光谱仪中光学影像转化为电信号时，CCD（电荷耦合原件）会产生噪声，应尽量提高弱信号测绘的可能、每测量一组数据就使CCD冷却至室温来减小数据制图方面的干扰。
2、相同条件下不同流域的水质反射率比较
a. 连接电脑与USB2000+光纤光谱仪，取太阳光为自然光源。将光源投射于定标白板上，手持光谱仪的探头保持不动，使探头对准定标白板上一点。打开spectrasuite软件，将所测得的光源光谱保存。
b. 在同一条河中以一个位置为起点,手持光谱仪探头使其对准待测水质所在的河流区域，测量并保存水质光谱数据。在间隔十米之后取另一个点再次测量水质的反射光谱，以此类推。
c. 使用MATLAB软件导入数据并计算反射率，并比较不同流域的水质反射率数据的差异。
3、相同条件下不同流域的水质反射率计算
a. 将计算后的反射率数据带入经验公式，即可计算出不同流域的水中的叶绿素浓度、悬浮物浓度和总磷含量。
b. 将这些数据与《地表水环境质量标准》相比对，可以基本判断出水质的质量。
四、实验结果和模型建立
1、相同条件下不同流域的水质样本反射率
2、数据建模
1）叶绿素浓度
通过上述水体典型地物光谱特征分析，表明叶绿素浓度与实测反射光谱曲线665nm、708nm和753nm处的反射率R呈显著相关：
表1为查阅大量文献后得到的几种主要叶绿素a浓度反演模型，通过同步测量的水体参数分析仪并与模型建模值比较，表明模型5三波段二项式模型反演精度较高，因此采用模型5做为叶绿素浓度计算。
表1
2）悬浮物TSS浓度：
根据反射率光谱曲线，在近红外波段700-750nm（NIR_710nm），所测地区水体均有着较强的反射峰，这表明该水体较为浑浊。大量的悬浮物增加了水体的后向散射。统计分析表明，悬浮物TSS的浓度与675nm和710nm处的遥感反射率呈显著关系：
TSS=exp(－1.9889*（ln(R710/R675)）+5.1948)
3）总磷TP含量
统计分析表明，总磷TP的浓度与810nm处的遥感反射率呈显著关系：
TP=2.0876*(R810+0.0031)
五、结论
1）水体反射的光谱，在440nm、625nm、750nm处有一小段吸收峰，在550nm、725nm、820nm处有波峰。不同区域的水体反射率可能会有所差别，但整体趋势是大体一致，并且反射率峰值会在25%以下。
2）实验测得水中叶绿素浓度和总磷含量与光谱反射率的关系为：在近红外光谱段（665nm-760nm），水中叶绿素浓度与光谱反射率成反比；在近红外光谱段（810nm-850nm），水中悬浮物浓度与光谱反射率成正比。
3）实验测得昌平区沙河水库水中叶绿素浓度、悬浮物浓度和总磷含量的平均值分别为273.1448μg/L、63.3331μg/L、0.2458mg/L，根据《地表水环境质量标准》，可初步判断该水库水质至少在V类以下，只适用于农业用水区及一般景观要求水域。且因该水库叶绿素浓度过高，易造成水华现象。
综上得出结论：通过对可见光波段反射光谱的研究，可以根据反射率在665nm-810nm处的大小，计算出水中叶绿素浓度、悬浮物浓度和总磷含量，作为光谱特征监测水质。
参考文献
[1]谢志刚，牟丽艳，廖诗佳.近红外光谱技术在水质监测中的应用.贵州农业科学，2013,41(8):212~215.
[2]于立婷，赵振华，陶海强.几种水质现场快速检测方法的比较与优化.安全与环境工程，2013,5:Vol.20,No.3.
[3]魏康林，温志渝，武新，张中卫，曾甜玲.基于紫外一可见光谱分析的水质监测技术研究进展.光谱学与光谱分析，2011,4:Vol.31, No.4,pp1074-1077.
[4]褚小立，袁洪福.近红外光谱分析技术发展和应用现状.现代仪器，2011,5:17.
[5]Gurlin D., Gitelson, A.A., Moses, WJ., Remote estimation of chl-α concentration in turbid productive waters — return to a simple two-band NIR-res model. Remote Sensing of Environment, 2011, 115(12), 3479-3490.
论文作者:高艺玮
论文发表刊物:《电力设备》2018年第20期
论文发表时间:2018/11/13
标签：光谱论文; 反射率论文; 浓度论文; 水质论文; 叶绿素论文; 悬浮物论文; 光谱分析论文; 《电力设备》2018年第20期论文;