矿山工程水污染快速检测系统设计及应用研究

王旭峰，宋 凯，张 航，王 芳，李 婷

（河南省地质矿产勘查开发局第一地质勘查院，河南 郑州 450001）

我国是全球矿产资源量富集的国家，无论是在矿产资源开采技术层面，或是在资源产出量方面，都对世界矿产行业的发展取到了推进作用。在推进市场经济发展与前进的同时，也对生态环境造成了严重的污染问题。究其原因发现，当有关勘察人员在进行相关矿区开采工作时，矿山中会溶解大量的重金属物质，这些物质中不仅含有有毒有害成分，同时也含有大量的酸性矿坑水，这种物质流入水中，不仅会对水环境造成污染，同时也会对生态环境的可持续发展造成影响[1]。在环境污染中，市场对于水污染的研究相对较早，截止至今，由于矿山工程造成的水环境污染已达到了十分严重的地位。根据市场不完全市场调查数据显示，目前我国排入河流与大海的矿山工程废水可超过500Gt，水中大部分生物因此受到污染而濒临灭绝，全球五大淡水湖泊亦受损严重。使用此种水资源进行农田灌溉，使农产业与畜牧业的产出量大大降低。为此，如何快速的测定水体中是否含有污染物质，成为了矿区继续研究的问题。本文也将以此为出发点，开展矿山工程水污染快速检测系统设计及应用的研究，通过快速检测水体质量，缓解生态环境压力，从而提高市场内水资源的保有率。

1 矿山工程水污染检测工作实施现状

现阶段，我国对于矿山工程水污染的检测行为仍停留于野外采样阶段，大部分检测工作的实施，为检测工作人员携带采样设备，取样矿区水资源，并将水资源样本带回实验室。使用复杂精密的仪器设备，对水中所含离子类型进行测定。检测中使用的方法通常为分光光度检测法、原子吸收法等，尽管这几种检测方法的流程设计已相对完善，且方法的使用已相对成熟，但由于这几种方法的前期准备工作较为繁琐、造成成本较高、分析的周期相对较长，无法满足对水污染的快速检测需求[2]。当面对突发性矿山工程污染事故时，根本无法在第一时间为检测部门提供具有时效性的水资源信息。此种具有一定延时性的决策方法不仅不利于矿山工程持续开展，同时也极易对我国生态环境造成恶劣的影响。

此外，由于矿山工程水资源样本的采集、存储、运输等环节均需要严格按照国家检测标准实施，无论其中任何一个环节出现问题，都会对检测结果造成直接影响。严重情况下甚至会对检测样本造成二次污染[3]。并且，在此过程中，有关人员需要随身携带检测或采样装置。但目前市场内应用的大部分携带式测量装置的检测范围有限、设备整体灵敏度较差，无法准确的定位水中多项离子与成分。根据上述相关分析，发现我国目前开展的矿山工程水污染快速检测工作尚存在较多的问题，这些问题的产生严重影响了我国矿产行业在全球的发展进程。也正因如此，矿山资源的可持续发展一直处于滞后状态。

2 矿山工程水污染快速检测系统硬件设计

图1 矿山工程水污染快速检测系统硬件结构

硬件是矿山工程水污染快速检测系统各项功能执行的保障，完备的硬件环境可提高检测结果的可靠性、提高检测过程的效率。在本文设计的系统中，主要硬件包括传感器、数据处理器，这些硬件设备由电路进行连接，传感器负责采集水资源样本数据，数据在系统中的处理装置内进行传输与处理，最终通过显示屏将数据进行展示。综合上述分析，本文系统硬件的整体结构可用如图1 表示。

如上述图1 所示，集中传感器是检测离子故障的接口，由多个裸芯芯片构成，该装置连接控制器，可通过芯片传递的水资源参数进行污染离子的判定。数据采集控制器是检测系统的核心构成部分，其中包含GPS 模块、浊度传感识别模块、PH 传感识别模块、温度识别模块等，每个功能模块中均存储了上万条水污染信息。该装置的结构较为特殊，具有体积小、质量轻等特点，因此在系统布设中具有占地空间小、易于携带等特征。基于这一特点，对该装置的配置进行规划：选择ULV 核心处理器，选择128G 的计算机硬盘，并设定其运行内存为256Kb。同时，使用6.5n 的处理机提高对水污染检测的兼容性与分辨率。

3 矿山工程水污染快速检测系统软件设计

3.1 识别矿山工程水污染离子

当矿山工程出现水污染情况时，检测人员需要根据水源被污染后的表现形式，进行其中异常离子的识别。可将这一识别过程近似看作一个对水质信号的定位过程，综合数据采集控制器在其中的应用，对水源信息中的异常元素进行自定义设置。同时，通过指令元素自定义功能让检测者可以直接通过特殊的指令符号进行污染离子的识别。此过程可用如下公式表示。

公式（1）中：γ 表示为识别的水源异常离子；l 表示为有毒有害离子在水样中的活跃状态；Rz表示为矿区水源离子在正常状态下（/非污染状态下）的活跃状态；r 表示为以污染源圆心，圈定矿山工程水污染影响范围的半径。整合上述计算公式，利用系统中的数据库访问工具，将其检测中的离子数据进行解压缩处理，以此在系统内形成一个独立的水污染信息文件夹。

在此基础上，将解压完成后的文件夹与矿山水资源进行对比，对检测的污染离子进行识别。在此过程中，检测者只需要在支持系统运行的程序建设环境中，进行异常范围的圈定即可。按照矿区标准比例尺，获取异常离子数据，从而实现矿山工程水污染离子的识别。

3.2 快速检测水污染中离子含量

在完成对矿山工程水污染离子的识别后，可采用圈定污染源与污染范围的方式，快速检测水污染中离子含量。按照标准化检测的步骤，进行水源污染发生点与预测发生点的距离计算，以此作为判断水源中有毒有害离子含量的依据。根据上述分析，计算公式如下。

公式（2）中：M 表示为预测矿山工程水污染范围，单位为km；δ 表示为识别的矿山工程水污染离子；s 表示为检测误差。根据上述计算公式，对检测的边缘进行连续的二乘拟合计算，去除检测中污染离子含量的最大值与最小值，获取中间的优化数据。

根据圈定的水源污染范围，结合硬件设备获取的PH 值与温度信息，建立对应的检测结果适应程度函数，判别水污染位置的矿区开采状态与非开采状态两者之间的契合程度，处理提取的污染数据值，将适应值精确到函数中具体到矿山的某一个坐标上，并对坐标点数据提纯，获得污染源离子的集合，认为数据集合中距离污染源越近的点，其中污染离子的含量越高，反之越小，从而完成矿山工程水污染的快速检测。

4 对比实验

设计实验，选择某处被污染的矿区作为此次实验的研究场所，该矿区为废旧矿区，在开采过程中对于污水处理比较简单，导致目前矿区水污染情况比较严重，在矿山不同区域抽取水污染检测样本，利用此次设计系统与传统系统对抽取的水污染样本进行快速检测。实验环境设计为：两种系统均使用Windows2008 操作系统，硬盘内存为128GB，将采集到的污水样本数据输入到系统中，污水样本数据量为100GB，分别记录两个系统对污水样本数据分析、输出检测值时的时间，将两种系统的响应时间作为实验结果，对两种系统进行对比分析，实验结果如下表所示。

表1 两种系统响应时间对比（s）

从上表可以看出，此次设计的矿山工程水污染快速检测系统在响应方面优于传统系统，虽然会随着数据量的增加，响应时间会有所加长，但是仍然可以控制在1.5s 以内，可以满足矿山工程水污染快速检测需求。

5 结语

本文从硬件与软件两个方面，开展了矿山工程水污染快速检测系统设计及应用的研究，并设计了对比实验，验证了本文设计的快速检测系统，在进行矿山水资源检测过程中，可提高检测的时间，可实现应对矿山工程中突发性水污染实践。尽管本文设计的系统经过检验，已具备显著的效果，但考虑到矿山开采技术是不断更新的，因此在后期的矿山开发工作中，除了要做到对矿区水资源的及时检测，同时也需要定期进行对检测后的资源维护与管理工作。综上所述，本文系统的建设与开发仍有待持续完善为此，可在后续的研究中，将研究重点置于对检测系统的定期更新与检测结果管理方面，在条件允许的情况下，可美化系统登录窗口，增设功能界面，提高使用者操作的便捷性。