基于可见光近红外透射光谱的水质监测研究

摘要：我国日前正处于经济蓬勃向上，发展迅速的时期，不能让环境保护问题成为我们前进的拦路虎。水资源污染问题关系到人们的生产生活和生命健康。所以水资源防治迫在眉睫，要想更好更快的进行水资源污染防治，前提是有便捷、精准的水质监测方法。

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，本研究通过光谱技术，对采集的样本进行检测，数据处理、对比分析等工作，用可见光近红外光谱仪检测水质，用不同水样的光谱曲线的描述各个不同水样的污染状况，成功将光谱仪运用到水资源监测方面。

关键词：水资源污染；水质监测；光谱技术；光谱分析技术

1.研究背景与意义

1.1研究背景

我们常说：水是生命源泉。水资源是人类最重要的自然资源，是人类赖以生存和发展的基本条件，当前我国水资源面临的形势十分严峻，水污染严重、水生态环境恶化等问题日益突出，已成为制约经济社会可持续发展的主要瓶颈。

习近平总书记在十九大报告中提出：青山绿水便是金山银山[1]。水质监测作为水资源控制工作中的基础性工作，其意义和作用也变得更加重要。国家和人民迫切需要及时、准确、全面反映水资源环境质量和污染现状的重要技术手段和科学依据。

1.2研究现状

传统的水质监测采用人工经验操作的方法，存在耗时费力、监测范围小、监测周期长，耗费人力物力较大，且监测不准确，不能实时反映水环境的动态变化等弊端。

1.3本文方法的优势

利用可见光近红外光谱技术分析样品具有方便、快速、高效、准确和成本较低，不破坏样品，不消耗化学试剂，不污染环境等优点。该仪器使用灵活，能对水域实现水质环境参数的实时采集、和水质无接触、能随时反应水质状况、正是在水资源污染状况危机下应运而生的产物。

2.论文的研究内容

能够更好更快的检测处水质状况是我们努力的目标，所以本次课题旨在通过可见光近红外光谱曲线分析水资源污染状况、对水资源污染状况进行监测。若能将光谱仪运用到水资源污染状况检测中，通过比对测出水样的光谱曲线与纯净水光谱曲线之间的偏差程度即可判断出各种水质的污染状况，低成本、无污染、快速便捷监测水质的目标就能基本实现。

3.研究条件

3.1实验光源

若在室内进行试验，钨灯光源的波长范围大概在320nm-2500nm，用钨灯照射检测出的光谱曲线更广、准确度更高，所以更好的选择是用钨灯作为光源。

3.2测量仪器

微型光谱仪采用反射式光谱测量方式其轻巧、便携、测量方便、非接触式测量等优点，尤其适合水环境定点实时监测中。本次实验中采用的为海洋光学公司制造的USB2000+光纤光谱仪，波长量程在200-1100nm，分辨率为1.5nm，适合本次试验。

3.3 检测样本

本次实验共检测五个样本进行比对，几组样品都选择用与矿泉水瓶相同的瓶子取样，且都选择在森林公园内取样，方便控制变量，减小因为容器和污染源头不同而造成的系统误差。

选取样品如下：

1.①号水纯净水选取矿泉水；

2.②号水有芦苇的池塘水；

3.③号水湖水；

4.④号水十分浑浊，并且散发臭气的水；

5.⑤号水选取污水沟里面的水；

4.检测结果与数据分析

4.1各样品的结果

五个样品的光谱曲线对比如下。

图中各颜色光谱曲线与水样的对应关系如下：

“__________”①号纯净水

“__________”②号水

“__________”③号水

“__________”④号水

“__________”⑤号水

4.2 对比分析

1.纯净水和其他不同程度有污染的水，均在波长为600-700nm之间达到折射率高峰。说明该种污染源头的水对600-700nm之間的光折射率最大。

2.④号⑤号水的后半段光谱曲线基本重合。说明④号、五号水对波长700nm以后的光折射率基本相同，说明其中某些物质的含量基本相同。

3.纯净水的折射率明显小于其他不同程度污染的水质，因为纯净水中所含杂质较少，基本属于零污染的水样，所以对光的折射率较小.

4.每条曲线关于纯净水光谱曲线的偏离程度不同，也就是污染程度不同，但因为光谱曲线形状大致相似，所以偏离程度不同说明的是不同污染程度的水所含的元素的量有所差异。

5.根据每条曲线关于纯净水光谱曲线的偏折程度可以判断出这些水样的污染程度为①<②<③<④<⑤。

4.3数据误差分析

1.因为水上下成分有差距，我们所测的位置不一定和其他地方或者原来的水质相同，所测的数据就不能很好地代表原来取水处的水质污染状况。

2.实验时没有严格控制每种水样的温度相同。温度对液体的折射率会有影响[5]，所以得到的水样的折射率会因温度不同而有所差异，没有控制水样唯一的不同是污染程度。

5.研究结论与创新点

综上所述，得出研究结论：不同污染程度的水中含有的污染元素的量不同，对光的折射率就有所不同，反应到光谱曲线中就是不同污染程度不同的水的光谱曲线关于纯净水的光谱曲线的偏离程度不同。我们可以通过不同污染程度的水的光谱曲线与纯净水的光谱曲线的偏离程度来判断水质之间污染程度的大小.

创新点：光谱分析技术作为一种全新的技术，正向多个领域全面发展，本次实验也想探索这种新兴的技术在水资源检测方面的潜力。

6.展望

实验用光学仪器可见光近红外光谱仪进行检测到不同污染程度的水质光谱曲线是不一样的，可见光谱仪在水资源监测方面的发展是很具有潜力的，若在未来光谱技术仪发展的更好，能对水质状况进行定量检测。

参考文献：

[1].中国共产党第十九次全国人民代表大会，习近平总书记报告；

作者简介：我叫徐聃，是一名高三理科班的女生，目前就读于昌吉州第一中学。