基于三维荧光光谱法的水污染检测方法研究

王彦青

摘   要：针对目前我国水污染情况越来越严重的现象，为此，提出了基于三维荧光光谱法的水污染检测方法研究。利用三维荧光光谱法，进行荧光区域预处理、水样特征提取，并以交替三线性化分解方法作为理论基础，完成水样检测光谱模型构建，通过上述三个步骤实现污水处理中的水污染检测。之后通过对比实验的方法，对比了三维荧光光谱检测方法与传统方法针对同一污水检测结果的正确率，三维荧光光谱检测方法检测正确率明显高于传统方法，验证了该方法的有效性。

关键词：三维荧光光谱法  水污染检测  光谱模型  水样特征

中图分类号：TU991.21                            文献标识码：A                       文章编号：1674-098X（2020）06（b）-0122-02

针对目前水污染治理的研究成果来看，要想治理好已污染的水资源其首要工作就是精确检测污水中的污染物类型，从而进行针对性的污染处理工作。水污染可根据污染源不同，分为矿山污染、农业污染、工业污染、生活污染四类。矿山污染中包含了开矿过程中产生的粉尘。淋滤水等，甚至还有放射性物质;农业污染中包含了牲畜粪便、农药化肥等物质，容易造成水体富营养化;工业污染中最严重的就是工厂排污水，工业废水流进河流，危害极大;生活污染包括各种生活污水，厨余垃圾、洗涤污水、粪便等等，生活污水的特点是含氮磷多，易滋生致病细菌。本文引进了新型三维荧光光谱法，来辅助水资源的污染检测工作。传统的水资源检测工作是通过二维荧光光谱分析法来得到的水资源检测报告[1]。目前我国工业化水平加劇，大量的工业废弃物投放入水中造成了水资源的污染类型也是千变万化，所以仅仅依靠的二维光谱检测结果已经不足以完整检测出水资源的污染物类型[2]。基于此，本文将三维荧光光谱法引入水污染的检测工作中，来提高水污染检测的精确度。

1  基于三维荧光光谱法的水污染检测方法

1.1 荧光发光原理

物质分子内能级结构运动不断，当分子处于基态时，会因吸收到辐射能量而产生能级跃迁，从而由基态转化为激发态，处于激发态的电子一般难以保持稳定状态，会通过辐射跃迁或非辐射跃迁等形式回到基态中，而辐射方式多是放出荧光或磷光。

1.2 荧光区域预处理

将三维荧光光谱法应用到检测污水的检测工作中，由于三维荧光区域自身具有容易受到干扰而降低其模型稳定性的现象，所以在检测过程中要进行首要任务为三维荧光区域的预处理工作，其工作流程为：第一步为在三维荧光区域内选择适宜的位置作为绘制三维光谱模型的原始位置，以保证其不影响荧光的接受效果。第二步为针对三维荧光光谱进行散射预处理，所谓散射预处理分为瑞利散射预处理和拉曼散射预处理以及带有丁达尔效应的胶粒散射预处理三个类型;这些散射预处理的波长可以提高三维荧光光谱的检测灵敏度，并且有利于之后三线性模型的建立，从而提高水资源检测的工作效率。最后一步为平滑处理三维荧光区域内的噪声，其主要的平滑方法可分为均值、中值、多项式三种类型。经过了平滑处理的三维荧光区域不仅可以对信噪比的提高有帮助，还能较好的保留信号中原有的有效信息，保证了该区域内所建光谱模型的可靠性。

1.3 水样特征提取

在对构建三维光谱的荧光区域进行了预处理之后，就到了水污染检测的水样特征提取工作中，其工作的主要内容为：其一，选取每一个三维荧光光谱区域的合理位置构建向量并拉直为行向量;其二，将每一个行向量中均放置一个待检测的水样;其三，进行污水样的特征提取环节，将行向量绘制成一个关于水样特征的矩阵自边框;其四，利用绘制出的矩形自边框进行水样处理结果的三维化表现形式，作为三维光谱构建的原始数据。

1.4 水样检测光谱模型

针对水污染检测的三维荧光光谱模型的绘制是利用交替三线性化分解方法为理论[3]，而得到的光谱模型所需要的基本空间直角坐标系信息，为了提高检测的效率，使检测过程更方便，将实用一种基于交替残差三线性化的三维荧光光谱特征提取方法，可以在不预先设定因子数的情况下进行光谱矩阵的分解来完成三维荧光光谱的矩阵绘制工作，其应用到的如下所示。

式中：R为三维荧光光谱;n为污水中所含有害物质的编号;E为与R对应的残差矩阵;xn为每种污染物对应三维光谱的横坐标值;yn为每种污染物对应三维光谱的纵坐标值;zn为每种污染物对应三维光谱的空间坐标值。在运算得到三维荧光光谱矩阵之后，可以将测试样本投影到训练样本的特征荧光峰波段，根据式得到测试样本的相对浓度矩阵，作为待测样本的三维荧光光谱特征。最后判断待测样本的三维荧光光谱中是否存在与训练样本相同的特征峰，进而得到合理的水样检测光谱模型。

2  对比实验

2.1 实验准备

本实验首先把一定量将苯酚、对苯二酚和间苯二酚三种混合物有害物质放入同一容器内，再将容器内注满水制成有害污水，作为实验的原材料;利用新型水污染监测方法和传统方法同时针对污水进行检测;之后对比两种方法检验结果的正确率，来判定设计方法的有效性。

2.2 结果分析

以下为两种方法得到的检测结果对此情况：

根据表1中信息可知，新型水污染检测方法针对污水的有害物质检测正确率平均值可达到86.3%，而传统检测正确率的平均值为78.0%;因此验证了新型方法的有效性，应当尽快投入检测实际工作中。

3  结语

目前由于我国工业产业的迅猛发展，针对水环境污染的现象越来越严重，如今已经干扰到城市居民的日常生活中。当下，我国由于饮用水卫生不达标而引起的疾病在所有疾病中占据了约75%的比例，其中我国的华北地区，由于其经济发达且人口密度大，该类疾病所占比例甚至达到了85%以上。水污染同时也是加快水资源枯竭的主要原因之一，因此，针对水污染防治工作迫在眉睫且具有十分重要的现实意义。为了保证城市居民基本生活用水的安全问题，必须加强针对水资源污染的检测和防御工作。

参考文献

[1] 赵新峰，张欣蕊. 雄安新区水污染治理中的政策工具选择研究——基于白洋淀流域政策文本（1984～2018）[J]. 中共宁波市委党校学报，2019，41（5）：103-111.

[2] 曾祺雯.应用重组发光细菌评价水中环境污染物毒性的研究进展[J].中国资源综合利用，2019，37（1）：97-101，108.

[3] 蒋兆峰，王先良，张伟，等.长江镇江段苯酚污染事件残留物健康风险评估研究[J].环境卫生学杂志，2019，9（3）：227-234，241.