基于可見光近紅外反射光譜的灌溉水中含鹽量及純凈度測(cè)定研究

李小溪+饒雲(yún)輝+徐夢(mèng)瑩+龔敏

摘要：淡水資源稀缺一直是現(xiàn)代社會(huì)的所面臨的嚴(yán)重問題之一，如何對(duì)淡水資源進(jìn)行合理的運(yùn)用，一直受到廣泛關(guān)注。農(nóng)業(yè)灌溉用水是當(dāng)今社會(huì)的用水大戶，當(dāng)今農(nóng)業(yè)灌溉用水大部分利用的是地下水，沒有對(duì)地表水進(jìn)行合理的利用，造成淡水資源的浪費(fèi)，如何在農(nóng)業(yè)灌溉中利用地表水已經(jīng)成為了一項(xiàng)重要的議題。尤其在我國(guó)的西部?jī)?nèi)陸及東部沿海地區(qū)，由于淡水與鹽水難以分別，淡水資源很難被準(zhǔn)確的識(shí)別和利用。一旦確定精準(zhǔn)快速的識(shí)別手段，農(nóng)業(yè)與林業(yè)用水將會(huì)迎來革新的科研價(jià)值與意義。要實(shí)現(xiàn)對(duì)淡水的可用資源的利用，首先需要識(shí)別出不同種類水，而不同種類的水具有各不相同的光譜，本次課題闡述以光譜特征來識(shí)別不同種類地表水的方法，進(jìn)而對(duì)于農(nóng)業(yè)灌溉用水的識(shí)別與利用提供幫助。

關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)灌溉水；含鹽量；純凈度

引言：

鹽害是因鹽分堆積過多而導(dǎo)致的災(zāi)害，是農(nóng)業(yè)中較為嚴(yán)重的問題之一。隨著當(dāng)今工業(yè)的發(fā)展，人們對(duì)于水資源的污染日益嚴(yán)重，天然水的質(zhì)量有所下降。所以，在當(dāng)今的淡水資源稀缺的情況下，合理利用淡水資源迫在眉急。灌溉用水是淡水資源的用水大戶，為灌溉用水找到水源十分必要。

現(xiàn)今水質(zhì)監(jiān)測(cè)有三種科技方向——化學(xué)分析、光譜分析以及生物毒性。這些技術(shù)各有各的利弊，化學(xué)分析技術(shù)雖然已經(jīng)發(fā)展接近完全，但卻有成本高，覆蓋范圍小的問題；生物毒性依靠自然存在于各處的生命體作為“檢測(cè)器”，但是數(shù)據(jù)結(jié)果因生物各異而不同，結(jié)果的準(zhǔn)確度難以判斷，相比之下，光譜分析技術(shù)成本低，取樣容易，雖然技術(shù)有待完善，但根據(jù)現(xiàn)今的科技發(fā)展趨向來看，電磁、光學(xué)，是人們?cè)诓粩嗵剿鞑⒉粩喟l(fā)現(xiàn)的領(lǐng)域，前景可觀，而光譜分析技術(shù)，因?yàn)椴黄茐臉颖?，并且測(cè)試設(shè)備逐漸簡(jiǎn)化，相信可以很快的完善。

如何進(jìn)行對(duì)淡水資源的甄別對(duì)合理利用水資源有著重大的意義。因此，本文進(jìn)行基于可見光近紅外反射光譜分析技術(shù)對(duì)不同種類的水反射率進(jìn)行分析比較，對(duì)鑒別農(nóng)業(yè)灌溉水有著借鑒意義。

實(shí)驗(yàn)流程：

本次實(shí)驗(yàn)采用USB2000光纖光譜儀，光譜量程在390nm到1000nm之間，分辨率在1.5nm。地表水的自然光源主要有太陽光，月光和人造燈光等，本次實(shí)驗(yàn)用鎢燈和LED燈作為光照條件進(jìn)行測(cè)定。

本實(shí)驗(yàn)方案主要基于水受不同光照時(shí)的比較得到水的反射率，并與測(cè)得的其他種類水的反射率進(jìn)行對(duì)比，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)不同種類水的識(shí)別。

本次實(shí)驗(yàn)選擇純水，清澈河水，帶有泥沙的河水，帶有水中植物的河水，污水以及用純水與食鹽配置的5%濃度鹽水，10%濃度鹽水和15%濃度的鹽水。鹽水的配制：用天平分別稱量5g食鹽，用量筒測(cè)出95ml水，并將其混合，制備出5%濃度的鹽溶液；用天平分別稱量10g食鹽，用量筒測(cè)出90ml水，并將其混合，制備出10%濃度的鹽溶液；用天平分別稱量15g食鹽，用量筒測(cè)出85ml水，并將其混合，制備出15%濃度的鹽溶液。

連接電腦與USB2000光纖光譜儀，取出鎢燈并通電，將光源投射到實(shí)驗(yàn)用白板上，用探頭對(duì)準(zhǔn)白板上一點(diǎn)，打開spectrasuite軟件，將所測(cè)得的光源光譜作為參考光譜保存，再將鎢燈關(guān)閉，用黑色板子擋住探頭，將所得光譜作為暗光譜進(jìn)行保存。將待測(cè)自來水裝在器皿里放到探頭測(cè)量的點(diǎn)，測(cè)量并保存純水光譜數(shù)據(jù)。

實(shí)驗(yàn)室采用不同光源（鎢燈與LED燈），測(cè)量純水在不同光照下的反射光譜，計(jì)算反射率并比較數(shù)據(jù)。

在鎢燈光照下，分別對(duì)純水、三種不同濃度的水、不同狀態(tài)的自然水進(jìn)行反射光譜的測(cè)量，每種分別記錄兩組數(shù)據(jù)。

將鎢燈燈泡取下，換上LED燈燈泡，在相同條件下分別測(cè)量純水、三種不同濃度的水、不同狀態(tài)的自然水的反射光譜并保存光譜數(shù)據(jù)。

自然界中的水因?yàn)樯锱c非生物原因，其中物質(zhì)差異極大，本次實(shí)驗(yàn)取純水，清澈河水，帶有泥沙的河水，帶有水中植物的河水，污水以及鹽水（取10%濃度鹽水）作為實(shí)驗(yàn)樣本進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算反射率并比較數(shù)據(jù)。

咸水湖與淡水湖的區(qū)別主要在于鹽濃度差別較大，本次實(shí)驗(yàn)中選取不同鹽濃度的鹽水（5%濃度的鹽水，10%濃度的鹽水，15%濃度的鹽水）與純水進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算反射率并比較數(shù)據(jù)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

根據(jù)上圖可以得到，用鎢燈作為光源的純水，5%鹽水，10%鹽水和15%鹽水光譜在550nm和620nm附近各有一個(gè)波峰，在大于900nm的譜段有明顯吸收帶，而且三種濃度的鹽水及純水的趨勢(shì)相同。

根據(jù)上圖可以得到，用LED燈作為光源的純水，5%鹽水，10%鹽水和15%鹽水光譜在550nm和620nm附近各有一個(gè)波峰，沒有明顯吸收帶，而且三種濃度的鹽水及純水趨勢(shì)相同。

根據(jù)上圖可以得到，用鎢燈作為光源的純水，清澈河水和10%濃度鹽水光譜在550nm和620nm附近各有一個(gè)波峰，在大于900nm的譜段有明顯吸收帶，而且三種水的光譜趨勢(shì)相同。帶有泥沙的水趨勢(shì)略有不同，不過仍在550nm和620nm附近各有一個(gè)波峰，在680nm處有個(gè)波谷，在大于900nm的譜段有明顯吸收帶。帶有水中植物的水趨勢(shì)也略有不同，在550nm和620nm附近各有一個(gè)小小的波峰，總體趨勢(shì)平穩(wěn)。污水在全波段內(nèi)趨勢(shì)平穩(wěn)。

根據(jù)上圖可以得到，用LED燈作為光源的純水，清澈河水，10%濃度鹽水和帶有泥沙的水光譜在550nm和620nm附近各有一個(gè)波峰，沒有明顯吸收帶，而且四種水的光譜趨勢(shì)相同。帶有水中植物的水和污水趨勢(shì)與上述四種水略有不同，沒有明顯波峰，總體趨勢(shì)平穩(wěn)。

實(shí)驗(yàn)誤差分析：

試驗(yàn)中使用微型光纖光譜儀在室內(nèi)進(jìn)行測(cè)量，可以認(rèn)為排除光強(qiáng)度變化的影響，而且濕度和溫度不會(huì)變化。

由于沒有相應(yīng)支架，探測(cè)器的角度與高度的變化成為獲取準(zhǔn)確數(shù)據(jù)的最大干擾，盡量讓一個(gè)人手握探測(cè)器不變換高度和方向，對(duì)準(zhǔn)一個(gè)點(diǎn)，只移動(dòng)實(shí)驗(yàn)器皿，可有效減小誤差。同時(shí)由于對(duì)設(shè)備工作原理等了解并不全面，可能在實(shí)際操作中增加了沒有意識(shí)到的變量。

由于水是幾近透明的傳播介質(zhì)，而且水面平整，會(huì)有較強(qiáng)的鏡面反射，沒有經(jīng)過水的吸收作用的光直接進(jìn)入探測(cè)設(shè)備，即使光透過水，也會(huì)可能會(huì)很嚴(yán)重地被盛水的物品，或背景對(duì)光的反射影響，可能會(huì)導(dǎo)致結(jié)果的誤差?？梢钥紤]將水置于透明容器中，再對(duì)光源透過水的折射率進(jìn)行測(cè)量。

實(shí)用方面上來說，試驗(yàn)中由于實(shí)驗(yàn)裝備的限制，只是對(duì)鹽水、自然水進(jìn)行了模擬操作，真正的灌溉水源，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中要求含鹽量不應(yīng)該超過千分之二，所以實(shí)際操作上，如此精度的測(cè)量可能是對(duì)光譜測(cè)量?jī)x器的挑戰(zhàn)。

結(jié)論：

實(shí)驗(yàn)得到鹽水中含鹽量增高會(huì)導(dǎo)致鹽水光譜的波峰及平均值降低，而鹽水光譜的整體趨勢(shì)不變。

實(shí)驗(yàn)得到水中含有不同物質(zhì)會(huì)導(dǎo)致水的光譜明顯不同：用鎢燈作為光源的純水，清澈河水和10%濃度鹽水光譜在550nm和620nm附近各有一個(gè)波峰，在大于900nm的譜段有明顯吸收帶，而且三種水的光譜趨勢(shì)相同。帶有泥沙的水趨勢(shì)略有不同，不過仍在550nm和620nm附近各有一個(gè)波峰，在680nm處有個(gè)波谷，在大于900nm的譜段有明顯吸收帶。帶有水中植物的水趨勢(shì)也略有不同，在550nm和620nm附近各有一個(gè)小小的波峰，總體趨勢(shì)平穩(wěn)。污水在全波段內(nèi)趨勢(shì)平穩(wěn)。而跟據(jù)上圖可以得到，用LED燈作為光源的純水，清澈河水，10%濃度鹽水和帶有泥沙的水光譜在550nm和620nm附近各有一個(gè)波峰，沒有明顯吸收帶，而且四種水的光譜趨勢(shì)相同。帶有水中植物的水和污水趨勢(shì)與上述四種水略有不同，沒有明顯波峰，總體趨勢(shì)平穩(wěn)。

綜上得出結(jié)論，可以利用水的光譜的峰值與平均值的大小以及趨勢(shì)判別水中含有物質(zhì)及比例。通過對(duì)近紅外光波段反射光譜的研究，對(duì)于利用光譜特征來進(jìn)行水中含有物質(zhì)及鹽分比例有幫助。endprint