基于三維熒光光譜法的水污染檢測方法研究

王彥青

摘? ?要：針對目前我國水污染情況越來越嚴重的現(xiàn)象，為此，提出了基于三維熒光光譜法的水污染檢測方法研究。利用三維熒光光譜法，進行熒光區(qū)域預處理、水樣特征提取，并以交替三線性化分解方法作為理論基礎，完成水樣檢測光譜模型構建，通過上述三個步驟實現(xiàn)污水處理中的水污染檢測。之后通過對比實驗的方法，對比了三維熒光光譜檢測方法與傳統(tǒng)方法針對同一污水檢測結果的正確率，三維熒光光譜檢測方法檢測正確率明顯高于傳統(tǒng)方法，驗證了該方法的有效性。

關鍵詞：三維熒光光譜法? 水污染檢測? 光譜模型? 水樣特征

中圖分類號：TU991.21? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2020）06（b）-0122-02

針對目前水污染治理的研究成果來看，要想治理好已污染的水資源其首要工作就是精確檢測污水中的污染物類型，從而進行針對性的污染處理工作。水污染可根據(jù)污染源不同，分為礦山污染、農(nóng)業(yè)污染、工業(yè)污染、生活污染四類。礦山污染中包含了開礦過程中產(chǎn)生的粉塵。淋濾水等，甚至還有放射性物質(zhì);農(nóng)業(yè)污染中包含了牲畜糞便、農(nóng)藥化肥等物質(zhì)，容易造成水體富營養(yǎng)化;工業(yè)污染中最嚴重的就是工廠排污水，工業(yè)廢水流進河流，危害極大;生活污染包括各種生活污水，廚余垃圾、洗滌污水、糞便等等，生活污水的特點是含氮磷多，易滋生致病細菌。本文引進了新型三維熒光光譜法，來輔助水資源的污染檢測工作。傳統(tǒng)的水資源檢測工作是通過二維熒光光譜分析法來得到的水資源檢測報告[1]。目前我國工業(yè)化水平加劇，大量的工業(yè)廢棄物投放入水中造成了水資源的污染類型也是千變?nèi)f化，所以僅僅依靠的二維光譜檢測結果已經(jīng)不足以完整檢測出水資源的污染物類型[2]?；诖?，本文將三維熒光光譜法引入水污染的檢測工作中，來提高水污染檢測的精確度。

1? 基于三維熒光光譜法的水污染檢測方法

1.1 熒光發(fā)光原理

物質(zhì)分子內(nèi)能級結構運動不斷，當分子處于基態(tài)時，會因吸收到輻射能量而產(chǎn)生能級躍遷，從而由基態(tài)轉(zhuǎn)化為激發(fā)態(tài)，處于激發(fā)態(tài)的電子一般難以保持穩(wěn)定狀態(tài)，會通過輻射躍遷或非輻射躍遷等形式回到基態(tài)中，而輻射方式多是放出熒光或磷光。

1.2 熒光區(qū)域預處理

將三維熒光光譜法應用到檢測污水的檢測工作中，由于三維熒光區(qū)域自身具有容易受到干擾而降低其模型穩(wěn)定性的現(xiàn)象，所以在檢測過程中要進行首要任務為三維熒光區(qū)域的預處理工作，其工作流程為：第一步為在三維熒光區(qū)域內(nèi)選擇適宜的位置作為繪制三維光譜模型的原始位置，以保證其不影響熒光的接受效果。第二步為針對三維熒光光譜進行散射預處理，所謂散射預處理分為瑞利散射預處理和拉曼散射預處理以及帶有丁達爾效應的膠粒散射預處理三個類型;這些散射預處理的波長可以提高三維熒光光譜的檢測靈敏度，并且有利于之后三線性模型的建立，從而提高水資源檢測的工作效率。最后一步為平滑處理三維熒光區(qū)域內(nèi)的噪聲，其主要的平滑方法可分為均值、中值、多項式三種類型。經(jīng)過了平滑處理的三維熒光區(qū)域不僅可以對信噪比的提高有幫助，還能較好的保留信號中原有的有效信息，保證了該區(qū)域內(nèi)所建光譜模型的可靠性。

1.3 水樣特征提取

在對構建三維光譜的熒光區(qū)域進行了預處理之后，就到了水污染檢測的水樣特征提取工作中，其工作的主要內(nèi)容為：其一，選取每一個三維熒光光譜區(qū)域的合理位置構建向量并拉直為行向量;其二，將每一個行向量中均放置一個待檢測的水樣;其三，進行污水樣的特征提取環(huán)節(jié)，將行向量繪制成一個關于水樣特征的矩陣自邊框;其四，利用繪制出的矩形自邊框進行水樣處理結果的三維化表現(xiàn)形式，作為三維光譜構建的原始數(shù)據(jù)。

1.4 水樣檢測光譜模型

針對水污染檢測的三維熒光光譜模型的繪制是利用交替三線性化分解方法為理論[3]，而得到的光譜模型所需要的基本空間直角坐標系信息，為了提高檢測的效率，使檢測過程更方便，將實用一種基于交替殘差三線性化的三維熒光光譜特征提取方法，可以在不預先設定因子數(shù)的情況下進行光譜矩陣的分解來完成三維熒光光譜的矩陣繪制工作，其應用到的如下所示。

式中：R為三維熒光光譜;n為污水中所含有害物質(zhì)的編號;E為與R對應的殘差矩陣;xn為每種污染物對應三維光譜的橫坐標值;yn為每種污染物對應三維光譜的縱坐標值;zn為每種污染物對應三維光譜的空間坐標值。在運算得到三維熒光光譜矩陣之后，可以將測試樣本投影到訓練樣本的特征熒光峰波段，根據(jù)式得到測試樣本的相對濃度矩陣，作為待測樣本的三維熒光光譜特征。最后判斷待測樣本的三維熒光光譜中是否存在與訓練樣本相同的特征峰，進而得到合理的水樣檢測光譜模型。

2? 對比實驗

2.1 實驗準備

本實驗首先把一定量將苯酚、對苯二酚和間苯二酚三種混合物有害物質(zhì)放入同一容器內(nèi)，再將容器內(nèi)注滿水制成有害污水，作為實驗的原材料;利用新型水污染監(jiān)測方法和傳統(tǒng)方法同時針對污水進行檢測;之后對比兩種方法檢驗結果的正確率，來判定設計方法的有效性。

2.2 結果分析

以下為兩種方法得到的檢測結果對此情況：

根據(jù)表1中信息可知，新型水污染檢測方法針對污水的有害物質(zhì)檢測正確率平均值可達到86.3%，而傳統(tǒng)檢測正確率的平均值為78.0%;因此驗證了新型方法的有效性，應當盡快投入檢測實際工作中。

3? 結語

目前由于我國工業(yè)產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，針對水環(huán)境污染的現(xiàn)象越來越嚴重，如今已經(jīng)干擾到城市居民的日常生活中。當下，我國由于飲用水衛(wèi)生不達標而引起的疾病在所有疾病中占據(jù)了約75%的比例，其中我國的華北地區(qū)，由于其經(jīng)濟發(fā)達且人口密度大，該類疾病所占比例甚至達到了85%以上。水污染同時也是加快水資源枯竭的主要原因之一，因此，針對水污染防治工作迫在眉睫且具有十分重要的現(xiàn)實意義。為了保證城市居民基本生活用水的安全問題，必須加強針對水資源污染的檢測和防御工作。

參考文獻

[1] 趙新峰，張欣蕊. 雄安新區(qū)水污染治理中的政策工具選擇研究——基于白洋淀流域政策文本（1984～2018）[J]. 中共寧波市委黨校學報，2019，41（5）：103-111.

[2] 曾祺雯.應用重組發(fā)光細菌評價水中環(huán)境污染物毒性的研究進展[J].中國資源綜合利用，2019，37（1）：97-101，108.

[3] 蔣兆峰，王先良，張偉，等.長江鎮(zhèn)江段苯酚污染事件殘留物健康風險評估研究[J].環(huán)境衛(wèi)生學雜志，2019，9（3）：227-234，241.