基于紫外-可見光譜法的河流水環(huán)境污染實時監(jiān)測研究

關鍵詞：紫外-可見光譜法；水環(huán)境污染；偏最小二乘法；水質監(jiān)測；雙光程光譜融合

中圖分類號：X830.2 文獻標志碼：B

前言

人們對水資源的開發(fā)力度不斷加大，使得水污染事件頻繁出現(xiàn)，極大影響河流生態(tài)環(huán)境。隨著人們環(huán)保意識的提升，河流環(huán)境的保護與修復越發(fā)受到關注，而水污染監(jiān)測是提出合理河流生態(tài)修復方案不可缺少的環(huán)節(jié)之一。隨著水質監(jiān)測問題越來越受到關注，研究人員提出各種各樣的水環(huán)境污染監(jiān)測方法。

文獻[3]采用多通道光譜技術，獲取水環(huán)境的光譜影像，通過計算不同通道的光譜反射率，從中選取最佳通道進行反演分析，得到多個水質參數(shù)測算結果，完成水環(huán)境實時監(jiān)測。實驗結果表明，該方法監(jiān)測結果誤差較大。文獻[4]依托于環(huán)境衛(wèi)星采集高光譜遙感數(shù)據(jù)，經(jīng)過輻射定標和配準處理對初始采集數(shù)據(jù)進行校正，再以水體光譜特征為標志物，在波段運算和灰度法的共同作用下，得出水環(huán)境污染監(jiān)測結果。但是，該監(jiān)測方法應用廣度較低。文獻[5]以極性有機化合物為核心，設計被動采樣技術，通過被動采樣技術計算不同時刻測量物質的加權平均濃度，得到水環(huán)境污染監(jiān)測結果。但是，該監(jiān)測方法的實時性較差。

為避免水環(huán)境污染監(jiān)測過程中出現(xiàn)上述方法的不足之處，提出運用紫外-可見光譜法進行水環(huán)境污染監(jiān)測，在光學技術的支持下，保證河流水環(huán)境污染監(jiān)測結果的實時性和精準性。

1應用紫外-可見光譜法設計河流水環(huán)境污染實時監(jiān)測方法

2實驗測試與結果

文章中提出的水污染監(jiān)測方法，應用紫外一可見光譜技術，可以真實地展現(xiàn)河流水污染實時變化情況。為了驗證該方法在實際應用過程中，可以滿足預期設計要求，進行實驗分析。

2.1數(shù)據(jù)來源

實驗以江蘇省西北部某河流為研究對象，該河流臨近多個礦區(qū)，屬于主要的采煤塌陷區(qū)。結合工業(yè)和生活污水的排放，有必要對河流的水污染進行研究，實現(xiàn)河流治理和生態(tài)重建，為此，需要對河流水環(huán)境污染進行實時監(jiān)測。

考慮到所提方法的實現(xiàn)，需要以紫外一可見光譜信息為基礎，為得到實驗所需數(shù)據(jù)，在目標河流中隨機布置采樣點，采集河流水樣，通過德國公司生產(chǎn)的多合一污水水質在線監(jiān)測儀，得到水樣本對應的連續(xù)紫外可見光譜，將其作為水環(huán)境污染監(jiān)測的基礎。設置實驗數(shù)據(jù)采集時間區(qū)間為8：00到17：00，在不同時刻分別獲取紫外一可見光譜數(shù)據(jù)，進行水環(huán)境污染實時監(jiān)測。對初步采集數(shù)據(jù)進行分析，見圖2的吸收光譜圖。

根據(jù)圖2可知，不同時刻河流水資源樣本的吸光度有所差異，這表明河流水污染情況是時刻發(fā)生變化的，以此為基礎進行水環(huán)境污染實時監(jiān)測分析。

2.2水環(huán)境污染實時監(jiān)測結果

本次水環(huán)境污染實時監(jiān)測實驗，主要針對有機污染物（TOC）、總磷（TP）和總懸浮物（TSM）三項河流水污染指標參數(shù)。以上述采集的紫外一可見光譜數(shù)據(jù)為例，按照文中提出的基于紫外一可見光譜法的水質監(jiān)測模型，對當天不同時刻的河流水環(huán)境污染進行實時監(jiān)測，得到不同整點時刻水質參數(shù)變化情況，見圖3的水污染監(jiān)測結果。

根據(jù)圖3可知，在目標時間范圍內(nèi)，河流水體的TOC濃度最低值為8.72mg/L，最高值為18.12 mg/L，TP濃度和TSM濃度的變化范圍分別為0.04～0.07mg/L、20.03 mg/L～49.06mg/L。通過上述研究可知，所提水污染監(jiān)測方法的應用，可以獲取目標河流內(nèi)水污染指標參數(shù)的實時變化情況，體現(xiàn)以紫外一可見光譜法為核心的水環(huán)境污染實時監(jiān)測方法具有有效性。

2.3均方根誤差對比

在所提實驗環(huán)境下，再應用文獻[3]、文獻[4]提出的方法進行河流水污染監(jiān)測，如圖4所示的監(jiān)測結果。與文中所提方法進行對比，更加直觀地展現(xiàn)基于紫外一可見光譜法的監(jiān)測方法的優(yōu)越性。

根據(jù)上述監(jiān)測結果，分別與實際TOC、TP、TSM濃度變化情況進行對比，計算不同方法監(jiān)測結果的均方根誤差。

根據(jù)表1可知，基于紫外-可見光譜法的方法得出的TOC濃度、TP濃度、TSM濃度監(jiān)測結果，與真實值相比均方根誤差分別為0.04、0.07、0.12，與其他兩種文獻提出的實時監(jiān)測方法相比，均方根誤差得到大幅度降低。

3結語

為了得到符合要求的水環(huán)境監(jiān)測結果，以紫外一可見光譜法為核心，提出一種新的河流水環(huán)境污染實時監(jiān)測方法。計算短光程增益匹配系數(shù)，確定融合光譜；采用非負矩陣分解算法進行獨立反演處理，校正光譜信號濁度；運用朗伯-比爾吸收定律原理，建立吸收光譜；運用光學技術和多元分析法，推算水樣本中不同水污染參數(shù)，建立水質監(jiān)測模型，應用區(qū)間偏最小二乘法和遺傳算法，推算河流水環(huán)境污染實時監(jiān)測結果，在此基礎上，使用遺傳算法對選中的譜區(qū)進行二次篩選，可以在復雜的水環(huán)境下，完成水污染情況的精準、實時監(jiān)測。經(jīng)實驗驗證，基于紫外一可見光譜法的方法得出的TOC濃度、TP濃度、TSM濃度監(jiān)測結果，與真實值相比均方根誤差分別為0.04、0.07、0.12。