生活飲用水溶解性總固體檢測技術(shù)優(yōu)化與標(biāo)準(zhǔn)化研究

Research on the Optimization and Standardization of Detection Technology for Total Dissolved Solids in Drinking Water

ZOU Linlin1， WANG Lili2 （1.Weihai City Huancui District Disease Prevention and Control Center， Weihai 264200， China; 2.WeihaiweiPeople'sHospital，Weihai264200，China）

Abstract： Inorder to improve theaccuracy，effciencyand standardizationof thedetection of totaldissolved solids （TDS）in drinking water，a fast detection path combining temperature compensation optimization and random forest regression modeling by conductivity method was constructed. The nonlinear temperature compensation model and the random forest regresion algorithm were introduced to solve the problems of large errors and poor adaptability oftraditional detection methods under different water temperaturesand complex water quality conditions， andanintegrated portable detection terminal is designed toachieve rapid application inthe field.On this basis， combined with the domestic and foreign drinking water quality standards，a standardized operation process covering sampling，pretreatment，testing，data procesingand result interpretation wasconstructed.Experimental results show thatthe proposed technical scheme is superior to the traditional method in terms of detectionaccuracy，repeatability anddataconsistency， especially inthe ruralscattered watersource scenario.This studycanprovide afeasible path for the engineering and standardization of TDS detection technology， which has high promotion and application value.

Keywords： drinking water; total dissolved solids; temperature compensation; machine learning; rapid detection

溶解性總固體（TotalDissolvedSolids，TDS）是衡量生活飲用水水質(zhì)的重要理化指標(biāo)，主要包括水中溶解的無機鹽類（如鈣、鎂、鈉、鉀的離子及其相應(yīng)的酸根離子）、有機物（如溶解的碳水化合物、蛋白質(zhì)等）以及其他微粒。當(dāng)TDS濃度超過 1000mgL^-1 時，飲用水的口感會發(fā)生顯著改變，高濃度TDS還會在熱水器、鍋爐和家庭用具表面形成水垢，降低導(dǎo)熱效率，造成能源浪費[1]。目前，常規(guī)TDS檢測方法主要有重量法及電導(dǎo)率換算法，但前者檢測周期長、操作煩瑣，后者則在不同溫度及水質(zhì)條件下易出現(xiàn)誤差，限制了其在快速檢測與現(xiàn)場應(yīng)用中的推廣。隨著水質(zhì)監(jiān)測需求的提升，急需一種兼具準(zhǔn)確性、便捷性與標(biāo)準(zhǔn)化能力的TDS檢測技術(shù)體系[2-3]?；诖?，本文提出融合溫度補償建模與機器學(xué)習(xí)算法的優(yōu)化檢測方法，并結(jié)合便攜式檢測設(shè)備與標(biāo)準(zhǔn)化操作流程，系統(tǒng)提升生活飲用水中TDS檢測的技術(shù)性能與實用性，為保障居民飲水安全提供技術(shù)支撐，

1材料與方法

1.1材料、試劑與儀器

研究用水樣主要采自兩類典型飲用水系統(tǒng)，包括市政集中供水（某城市自來水廠出水）與農(nóng)村分散供水（某縣地下井水）。

實驗所用試劑和標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)均依照《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB5749—2022）要求配制，包括氯化鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液、電導(dǎo)率校準(zhǔn)液、高純?nèi)ルx子水（電導(dǎo)率 lt;0.2μS?cm^-1 ）等。

DDSJ-308F型電導(dǎo)率儀（上海儀電）；DHG-9140A型鼓風(fēng)干燥箱（上海一恒）；ME204E型分析天平（梅特勒－托利多）。

1.2檢測技術(shù)優(yōu)化方法

1.2.1 電導(dǎo)率法的溫度補償算法改進

為提升電導(dǎo)率法在不同水溫條件下的適應(yīng)性，本研究引人非線性溫度補償模型，將實測TDS值統(tǒng)一換算至 25^°C 標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)。補償公式為

式中： TDS₂₅ 為修正值； TDS_t 為實測值； t 為水溫， °C ； a ！ β 為修正系數(shù)。通過多溫區(qū)標(biāo)準(zhǔn)樣本的擬合分析，最終確定 a=0.02 、 β=0.000 8 ，適用于生活飲用水常見溫度范圍內(nèi)的補償修正。

1.2.2 基于機器學(xué)習(xí)的TDS預(yù)測模型構(gòu)建

為提升復(fù)雜水樣的檢測準(zhǔn)確性，構(gòu)建了以電導(dǎo)率、溫度、 pH 值等為輸入變量的隨機森林回歸模型，預(yù)測表達式為

式中：TDS為模型輸出； TDS_i^（tree） 為第 i 棵樹的結(jié)果； n 為總樹數(shù)。模型訓(xùn)練采用多組樣本數(shù)據(jù)，通過調(diào)節(jié)參數(shù)優(yōu)化樹數(shù)與深度，實現(xiàn)對TDS的非線性擬合與預(yù)測，具備一定的泛化能力。

1.2.3 便攜式檢測設(shè)備集成方案設(shè)計

結(jié)合優(yōu)化算法，設(shè)計便攜式TDS檢測終端，集成電導(dǎo)率與溫度傳感器，內(nèi)置數(shù)據(jù)處理單元和無線通信模塊，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、溫度補償與TDS預(yù)測的自動化處理。終端配套移動應(yīng)用，支持結(jié)果顯示與遠程同步，適用于現(xiàn)場檢測和多場景快速部署。

1.3實驗方案與檢測流程

為系統(tǒng)評估優(yōu)化檢測方法的性能，本研究設(shè)計對比實驗，設(shè)置傳統(tǒng)重量法[5]、電導(dǎo)率法與優(yōu)化檢測法（含溫度補償與機器學(xué)習(xí)模型）3組方案。在統(tǒng)一的實驗環(huán)境下［溫度（ 20±1 ） C ，相對濕度55%±5%] ，分別對市政供水與農(nóng)村井水樣品進行檢測，每組實驗重復(fù)5次，以評估方法的準(zhǔn)確性、重復(fù)性與穩(wěn)定性。水樣采集按照《生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)檢驗方法：第2部分水樣的采集與保存》（GB/T5750.2—2023）執(zhí)行，使用清潔聚乙烯瓶現(xiàn)場采集后 4°C 冷藏保存，并在 24h 內(nèi)完成檢測[。樣品檢測前經(jīng)0.45μm 微孔膜過濾去除懸浮雜質(zhì)，靜置至室溫后依次完成電導(dǎo)率測量、溫度記錄、傳統(tǒng)稱重及模型預(yù)測操作，確保各方法在統(tǒng)一條件下開展對比分析。

1.4標(biāo)準(zhǔn)化研究方法

為推動優(yōu)化方法的規(guī)范化應(yīng)用，本研究對我國《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB5749—2022）、世界衛(wèi)生組織制定的《飲用水水質(zhì)準(zhǔn)則》和美國環(huán)保署相關(guān)法規(guī)中TDS檢測要求進行了比對分析，梳理各標(biāo)準(zhǔn)在指標(biāo)限值、檢測流程和誤差容限等方面的差異。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合本研究優(yōu)化技術(shù)特點，構(gòu)建了覆蓋采樣、預(yù)處理、檢測、數(shù)據(jù)處理與結(jié)果判讀的操作流程，明確樣品保存時限、檢測頻次、設(shè)備校準(zhǔn)要求及數(shù)據(jù)記錄規(guī)范，為制定適用于多類型水源的TDS快速檢測標(biāo)準(zhǔn)提供基礎(chǔ)支撐。

標(biāo)準(zhǔn)化流程：采樣環(huán)節(jié)統(tǒng)一使用 500mL 聚乙烯瓶，采前進行3次清洗并現(xiàn)場封裝；預(yù)處理采用0.45μm 微孔膜過濾并靜置至室溫；檢測環(huán)節(jié)以優(yōu)化方法為主，操作流程定時定量；數(shù)據(jù)處理使用統(tǒng)一模板記錄原始數(shù)據(jù)與修正值；結(jié)果判讀統(tǒng)一計算變異系數(shù)，明確誤差范圍與判定標(biāo)準(zhǔn)等，并在整個流程中設(shè)定操作時限與質(zhì)量控制節(jié)點，確保各階段檢測的一致性與規(guī)范性。

2 結(jié)果與分析

2.1 優(yōu)化檢測技術(shù)性能評估

為驗證溫度補償模型在不同溫度條件下的適應(yīng)性與準(zhǔn)確性，本研究選取6組標(biāo)準(zhǔn)水樣，分別在10～35°C 進行TDS檢測，記錄未修正誤差與修正后誤差，并進行對比分析，結(jié)果見圖1。未修正的TDS檢測誤差在低溫與高溫條件下明顯偏高，最高達 4.8% 。引入溫度補償模型后，誤差在各溫區(qū)均明顯降低，波動穩(wěn)定在 1.3% 以內(nèi)，證明了所構(gòu)建修正模型在控制溫度干擾方面的有效性與穩(wěn)定性。尤其在 10% 與 35°C 極端溫度條件下，補償模型表現(xiàn)出良好的適應(yīng)性，使TDS檢測值更加接近理論值，提升了模型在實際應(yīng)用場景中的可靠性與推廣價值，為后續(xù)設(shè)備集成提供了算法基礎(chǔ)。

2.2與傳統(tǒng)檢測方法的對比結(jié)果

為比較優(yōu)化檢測方法與傳統(tǒng)方法在檢測效率與經(jīng)濟性方面的差異，本研究分別對重量法、電導(dǎo)率法與優(yōu)化方法進行平均檢測時間與單次成本評估，結(jié)果如圖2所示。可以看出，傳統(tǒng)重量法檢測時間最長，約為 240min ，且單次成本達15元；電導(dǎo)率法所需時間縮短至 5min ，成本降低為6.5元；優(yōu)化方法則進一步縮短時間至 3min ，單次成本降至4.2元。上述結(jié)果表明，優(yōu)化方法在保證檢測能力的前提下，可明顯提升檢測效率并降低檢測成本，具備更強的現(xiàn)場應(yīng)用潛力。特別是在農(nóng)村或偏遠地區(qū)水質(zhì)監(jiān)測場景中，優(yōu)化方法可有效減少人力物力投入，提升水質(zhì)檢測響應(yīng)速度，滿足多點分布式快速檢測的實際需求，展現(xiàn)出較強的實用性與較高的推廣價值。

2.3標(biāo)準(zhǔn)化流程應(yīng)用效果驗證

為驗證優(yōu)化技術(shù)結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)化流程在實際供水系統(tǒng)中的應(yīng)用效果，選取某城市集中供水與某農(nóng)村地區(qū)分散供水兩類典型水樣作為測試對象，分別在標(biāo)準(zhǔn)化流程應(yīng)用前后進行TDS多次檢測，獲取代表性數(shù)據(jù)。標(biāo)準(zhǔn)化流程涵蓋統(tǒng)一的采樣器具、過濾預(yù)處理方式及檢測操作步驟，所有樣品均在相同實驗環(huán)境下完成，并由同一組技術(shù)人員操作，以減少外界干擾因素。采用變異系數(shù)（CoefficientofVariation，CV）指標(biāo)衡量數(shù)據(jù)一致性，結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，標(biāo)準(zhǔn)化流程實施后，市政供水樣本變異系數(shù)由 5.7% 降至 2.8% ，農(nóng)村水樣由 8.5% 降至 3.1% ，檢測數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和一致性均明顯提升，表明所提出的標(biāo)準(zhǔn)化操作流程有助于提高檢測質(zhì)量，特別是在農(nóng)村復(fù)雜水質(zhì)條件下表現(xiàn)出良好的適應(yīng)性與控制能力。標(biāo)準(zhǔn)化流程通過對采樣、預(yù)處理、檢測順序及操作細節(jié)的統(tǒng)一規(guī)范，減少了人為操作差異和外部環(huán)境干擾，提高了檢測過程的可控性和數(shù)據(jù)的可比性，可為后續(xù)技術(shù)推廣和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)制定奠定基礎(chǔ)。

3結(jié)論與討論

本研究圍繞生活飲用水中溶解性總固體的快速、準(zhǔn)確檢測問題，針對傳統(tǒng)重量法存在檢測周期長、操作煩瑣及誤差不穩(wěn)定等局限，提出并構(gòu)建了一套集非線性溫度補償、電導(dǎo)率預(yù)測建模與便攜設(shè)備集成于一體的檢測優(yōu)化技術(shù)體系。通過構(gòu)建指數(shù)型溫度修正模型，明確修正系數(shù)參數(shù)，并結(jié)合電導(dǎo)率、溫度、pH值等特征變量引入隨機森林回歸模型，實現(xiàn)了TDS的快速推算與誤差控制。實驗結(jié)果表明，該優(yōu)化方案在保障檢測穩(wěn)定性的同時，有效提升了現(xiàn)場應(yīng)用的操作效率與數(shù)據(jù)一致性。

在檢測方法優(yōu)化的基礎(chǔ)上，本研究結(jié)合國內(nèi)外飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)體系，進一步建立了覆蓋采樣、預(yù)處理、檢測、數(shù)據(jù)處理及結(jié)果判讀的標(biāo)準(zhǔn)化操作流程。在市政集中供水與農(nóng)村分散水源場景中進行實測對比，驗證了該流程對檢測重復(fù)性與數(shù)據(jù)可靠性的提升效果，尤其在水質(zhì)條件波動較大的農(nóng)村水源中，其數(shù)據(jù)變異系數(shù)明顯降低，體現(xiàn)出較高的實際應(yīng)用價值與極大的推廣潛力。該流程不僅規(guī)范了操作程序，還明確了設(shè)備校準(zhǔn)周期、樣本保存時限及數(shù)據(jù)處理格式，有助于提升檢測工作的系統(tǒng)性與數(shù)據(jù)的可追溯性，滿足多類型供水系統(tǒng)對快速、批量水質(zhì)監(jiān)測的現(xiàn)實需求。

需要指出的是，在部分高濁度或含復(fù)雜有機物背景的樣本中，傳感器測量結(jié)果仍存在一定干擾風(fēng)險，表明當(dāng)前優(yōu)化體系在應(yīng)對特殊水質(zhì)環(huán)境方面仍有改進空間。建議未來研究可進一步引入多參數(shù)復(fù)合感知機制，結(jié)合深度學(xué)習(xí)算法提升模型的抗干擾能力與泛化水平。同時，建議在行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)制定中同步完善便攜式檢測設(shè)備的技術(shù)規(guī)范與數(shù)據(jù)管理要求，加快TDS快速檢測方法在飲用水安全監(jiān)測中的標(biāo)準(zhǔn)化與實用化進程。后續(xù)還可探索與物聯(lián)網(wǎng)平臺聯(lián)動，實現(xiàn)檢測結(jié)果的自動上傳、預(yù)警聯(lián)動及監(jiān)管可視化，進一步提升水質(zhì)安全監(jiān)測的智能化水平與管理效率。

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