面向地表水环境的分布式紫外—可见光谱水质在线检测监测系统关键技术研究

发布时间：2018-11-02 17:06

【摘要】：随着我国现代化工业、农业的快速发展和人民生活水平的日益提高,由此产生了大量工业废水、化肥农药以及生活污水未经处理等随意排放,致使水环境污染事件频发,严重威胁了我国地表水环境的质量。为此,在我国刚迈入“十三五”建设与发展的关键时期,国家“十三五”环境监测事业发展规划指出:“将完善环境监测网络,本着‘适度超前’的原则,构建先进的环境监测预警体系,切实提高环境监测能力,改变我国环境监测能力落后的状况。”根据我国环境保护部公布的《“十三五”环境监测质量管理工作方案》,到2020年,我国要全面建成环境空气、地表水和土壤等环境监测质量控制体系。其中,针对水污染治理,在标准设置和检测监测上,完善技术体系,健全环境监测规范体系,构建质量控制体系,创新质控技术手段,完善自动监测数据采集和远程质控系统,所有这些,均依赖于全面有效的地表水环境监测网络。诚然,目前我国地表水环境或水体流域监测站布设相对稀疏,存在大量监测盲区。即便在水体流域中建立的监测站,尚仅能代表站点附近区域的水质状况,不仅检测监测速度慢,信息存在一定的滞后,难以全天候、宽流域、实时追踪刻画或反映流域甚或重点地区的水质状态信息,无法对突发的水体流域内水质污染灾害事件做出快速监测预警。因此,通过构建广域覆盖的水质检测监测系统,实时获取水体流域内的水质监(检)测参数,及时或动态通报水环境质量状况,全天候追踪水质是否异常等信息,不仅关系着我国国民健康、生态环境稳定和经济社会可持续发展,而且也是实现地表水环境污染监控的一种有效途径。有鉴于此,本文在四川省科技支撑计划项目“多功能水质实时自动监测技术开发与产品研制”(项目编号:2012SZ0111)、重庆市教委科技创新项目“基于无线传感网络的光谱水质监测系统”(项目编号:CYS14039)以及四川碧朗科技有限公司科研项目“光谱法多参数水质在线自动监测仪研制”(合同编号:1042012920140453)联合资助下,开展了面向地表水环境的基于分布式紫外-可见光谱法水质在线检测监测系统理论分析、技术方法论证和仪器设备开发等研究工作,研究了分布式水环境水质光谱采集、光谱降噪、光谱浊度干扰补偿、光谱压缩、远距离无线传输等若干关键技术问题,初步构建了地表水紫外-可见光谱法水质实时自动检测监测技术的理论、仪器及方法技术。本论文的研究工作内容,主要是:1)深入、系统调研了国内外水质检测监测理论、仪器及方法技术的发展历程;分析了国内外水质监测的主要方法,特别是,明晰了紫外-可见光谱法水质检测监测技术的特点和优势;阐述了我国目前地表水环境状况、面临的挑战以及国家对于水环境管理的防控计(规)划;指出了分布式水质检测监测系统现有的研究现状和存在的问题或不足。在此基础上,确立了水质检测监测系统的研究思路,提出了一种紫外-可见光谱水质检测法融合分布式在线测量技术的分布式水质检测监测系统原理与技术方法。2)研究分析了紫外-可见光谱法分布式水质检测的原理及方法,构建了分布式紫外-可见光谱法水质在线监测的仪器系统和应用软件。基于此,针对分布式紫外-可见光谱法水质检测监测的数据采集实时性、远距离数据传输可靠性、数据管理便捷性与软硬件可扩展性等特点或基本要求,研究与开发了光谱法水质检测监测节点硬件系统、通信协议、数据库、人机界面以及检测节点仪器设备开发和监测系统实验平台,这为后续的水质检测监测系统之应用研究提供了理论及技术方法基础。3)研究了光谱法水质检测监测节点光谱采集和数据传输中可靠性和稳定性的关键技术问题。鉴于水质光谱测量中的光能量损耗,研究与设计了光谱采集的光学系统,优化了光谱探头结构;面对工业级(低成本)光谱仪水质检测监测存在光子效率低、背景噪声强的严峻挑战,研究了一种水质检测双光程光谱融合算法,此可同时采集长、短两种光程光谱,借助于噪声方差估计、双光程增益匹配的技术方法,辅之于按噪声方差分布进行分段加权方式得到水质检测融合光谱,以此提高光谱信/噪比,确保了光谱法水质检测监测节点光谱采集和数据传输中的可靠性和稳定性。4)研究了光谱法水质检测监测时残余的非线性光谱噪声和光谱无线传输过程中数据丢包的关键技术问题。采用等间隔采样,构建了由时间轴和光谱轴组成二维光谱矩阵,借以基于动态窗格和二维小波变换的光谱去噪算法,不仅滤除了残余的非线性光谱噪声,而且还保留了原始光谱细节信息。通过引入基于压缩感知的光谱压缩算法,缩减了光谱数据量,不仅优化了数据丢包条件下的压缩数据重建质量,而且还提高了光谱数据无线传输效率。5)研究了水质解算过程中存在的浊度干扰和水质cod解算时现有模型性能偏弱的关键技术问题。为了确保水质检测监测时水质参数解算质量,特别是水体环境有机物含量的解算精度,研究了一种基于mie散射理论的紫外-可见光谱浊度补偿算法,通过建立悬浮颗粒物粒径分布函数,反演其在有机污染物特征光谱段的消光光谱,最终与原始光谱进行差分,实现了水质检测监测光谱的浊度补偿,解决了光谱法水质检测时易受泥沙等悬浮颗粒物干扰的问题。本论文的上述有关研究成果,不仅在项目研制的仪器样机(已通过了四川省科技厅组织专家的成果鉴定)移交四川碧朗科技有限公司的工程实践中得到了实际应用,而且还将光谱学、光电技术、环境科学、化学计量方法、计算机技术、无线传感网络技术和压缩传感信号分析与处理技术等学科专业知识进行了有机结合,率先在国内研究并构建了面向地表水环境的分布式紫外-可见光谱水质在线检测监测系统关键技术,这对于进一步建立地表水环境广域覆盖、在线、实时分布式紫外-可见光谱法水质检测监测系统,亟待完善我国水环境安全的水质检测监测体系,走上符合可持续发展战略的水污染防治新道路,具有重要的理论和现实意义。
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【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：X84

【参考文献】