基于可见光近红外反射光谱的灌溉水中含盐量及纯净度测定研究

李小溪+饶雲辉+徐梦莹+龚敏

摘要：淡水资源稀缺一直是现代社会的所面临的严重问题之一，如何对淡水资源进行合理的运用，一直受到广泛关注。农业灌溉用水是当今社会的用水大户，当今农业灌溉用水大部分利用的是地下水，没有对地表水进行合理的利用，造成淡水资源的浪费，如何在农业灌溉中利用地表水已经成为了一项重要的议题。尤其在我国的西部内陆及东部沿海地区，由于淡水与盐水难以分别，淡水资源很难被准确的识别和利用。一旦确定精准快速的识别手段，农业与林业用水将会迎来革新的科研价值与意义。要实现对淡水的可用资源的利用，首先需要识别出不同种类水，而不同种类的水具有各不相同的光谱，本次课题阐述以光谱特征来识别不同种类地表水的方法，进而对于农业灌溉用水的识别与利用提供帮助。

关键词：农业灌溉水；含盐量；纯净度

引言：

盐害是因盐分堆积过多而导致的灾害，是农业中较为严重的问题之一。随着当今工业的发展，人们对于水资源的污染日益严重，天然水的质量有所下降。所以，在当今的淡水资源稀缺的情况下，合理利用淡水资源迫在眉急。灌溉用水是淡水资源的用水大户，为灌溉用水找到水源十分必要。

现今水质监测有三种科技方向——化学分析、光谱分析以及生物毒性。这些技术各有各的利弊，化学分析技术虽然已经发展接近完全，但却有成本高，覆盖范围小的问题；生物毒性依靠自然存在于各处的生命体作为“检测器”，但是数据结果因生物各异而不同，结果的准确度难以判断，相比之下，光谱分析技术成本低，取样容易，虽然技术有待完善，但根据现今的科技发展趋向来看，电磁、光学，是人们在不断探索并不断发现的领域，前景可观，而光谱分析技术，因为不破坏样本，并且测试设备逐渐简化，相信可以很快的完善。

如何进行对淡水资源的甄别对合理利用水资源有着重大的意义。因此，本文进行基于可见光近红外反射光谱分析技术对不同种类的水反射率进行分析比较，对鉴别农业灌溉水有着借鉴意义。

实验流程：

本次实验采用USB2000光纤光谱仪，光谱量程在390nm到1000nm之间，分辨率在1.5nm。地表水的自然光源主要有太阳光，月光和人造灯光等，本次实验用钨灯和LED灯作为光照条件进行测定。

本实验方案主要基于水受不同光照时的比较得到水的反射率，并与测得的其他种类水的反射率进行对比，从而实现对不同种类水的识别。

本次实验选择纯水，清澈河水，带有泥沙的河水，带有水中植物的河水，污水以及用纯水与食盐配置的5%浓度盐水，10%浓度盐水和15%浓度的盐水。盐水的配制：用天平分别称量5g食盐，用量筒测出95ml水，并将其混合，制备出5%浓度的盐溶液；用天平分别稱量10g食盐，用量筒测出90ml水，并将其混合，制备出10%浓度的盐溶液；用天平分别称量15g食盐，用量筒测出85ml水，并将其混合，制备出15%浓度的盐溶液。

连接电脑与USB2000光纤光谱仪，取出钨灯并通电，将光源投射到实验用白板上，用探头对准白板上一点，打开spectrasuite软件，将所测得的光源光谱作为参考光谱保存，再将钨灯关闭，用黑色板子挡住探头，将所得光谱作为暗光谱进行保存。将待测自来水装在器皿里放到探头测量的点，测量并保存纯水光谱数据。

实验室采用不同光源（钨灯与LED灯），测量纯水在不同光照下的反射光谱，计算反射率并比较数据。

在钨灯光照下，分别对纯水、三种不同浓度的水、不同状态的自然水进行反射光谱的测量，每种分别记录两组数据。

将钨灯灯泡取下，换上LED灯灯泡，在相同条件下分别测量纯水、三种不同浓度的水、不同状态的自然水的反射光谱并保存光谱数据。

自然界中的水因为生物与非生物原因，其中物质差异极大，本次实验取纯水，清澈河水，带有泥沙的河水，带有水中植物的河水，污水以及盐水（取10%浓度盐水）作为实验样本进行对比，计算反射率并比较数据。

咸水湖与淡水湖的区别主要在于盐浓度差别较大，本次实验中选取不同盐浓度的盐水（5%浓度的盐水，10%浓度的盐水，15%浓度的盐水）与纯水进行对比，计算反射率并比较数据。

实验结果：

根据上图可以得到，用钨灯作为光源的纯水，5%盐水，10%盐水和15%盐水光谱在550nm和620nm附近各有一个波峰，在大于900nm的谱段有明显吸收带，而且三种浓度的盐水及纯水的趋势相同。

根据上图可以得到，用LED灯作为光源的纯水，5%盐水，10%盐水和15%盐水光谱在550nm和620nm附近各有一个波峰，没有明显吸收带，而且三种浓度的盐水及纯水趋势相同。

根据上图可以得到，用钨灯作为光源的纯水，清澈河水和10%浓度盐水光谱在550nm和620nm附近各有一个波峰，在大于900nm的谱段有明显吸收带，而且三种水的光谱趋势相同。带有泥沙的水趋势略有不同，不过仍在550nm和620nm附近各有一个波峰，在680nm处有个波谷，在大于900nm的谱段有明显吸收带。带有水中植物的水趋势也略有不同，在550nm和620nm附近各有一个小小的波峰，总体趋势平稳。污水在全波段内趋势平稳。

根据上图可以得到，用LED灯作为光源的纯水，清澈河水，10%浓度盐水和带有泥沙的水光谱在550nm和620nm附近各有一个波峰，没有明显吸收带，而且四种水的光谱趋势相同。带有水中植物的水和污水趋势与上述四种水略有不同，没有明显波峰，总体趋势平稳。

实验误差分析：

试验中使用微型光纤光谱仪在室内进行测量，可以认为排除光强度变化的影响，而且湿度和温度不会变化。

由于没有相应支架，探测器的角度与高度的变化成为获取准确数据的最大干扰，尽量让一个人手握探测器不变换高度和方向，对准一个点，只移动实验器皿，可有效减小误差。同时由于对设备工作原理等了解并不全面，可能在实际操作中增加了没有意识到的变量。

由于水是几近透明的传播介质，而且水面平整，会有较强的镜面反射，没有经过水的吸收作用的光直接进入探测设备，即使光透过水，也会可能会很严重地被盛水的物品，或背景对光的反射影响，可能会导致结果的误差。可以考虑将水置于透明容器中，再对光源透过水的折射率进行测量。

实用方面上来说，试验中由于实验装备的限制，只是对盐水、自然水进行了模拟操作，真正的灌溉水源，国家标准中要求含盐量不应该超过千分之二，所以实际操作上，如此精度的测量可能是对光谱测量仪器的挑战。

结论：

实验得到盐水中含盐量增高会导致盐水光谱的波峰及平均值降低，而盐水光谱的整体趋势不变。

实验得到水中含有不同物质会导致水的光谱明显不同：用钨灯作为光源的纯水，清澈河水和10%浓度盐水光谱在550nm和620nm附近各有一个波峰，在大于900nm的谱段有明显吸收带，而且三种水的光谱趋势相同。带有泥沙的水趋势略有不同，不过仍在550nm和620nm附近各有一个波峰，在680nm处有个波谷，在大于900nm的谱段有明显吸收带。带有水中植物的水趋势也略有不同，在550nm和620nm附近各有一个小小的波峰，总体趋势平稳。污水在全波段内趋势平稳。而跟据上图可以得到，用LED灯作为光源的纯水，清澈河水，10%浓度盐水和带有泥沙的水光谱在550nm和620nm附近各有一个波峰，没有明显吸收带，而且四种水的光谱趋势相同。带有水中植物的水和污水趋势与上述四种水略有不同，没有明显波峰，总体趋势平稳。

综上得出结论，可以利用水的光谱的峰值与平均值的大小以及趋势判别水中含有物质及比例。通过对近红外光波段反射光谱的研究，对于利用光谱特征来进行水中含有物质及盐分比例有帮助。endprint