基于可見光近紅外反射光譜的灌溉水中含鹽量及純凈度測定研究

李小溪+饒雲輝+徐夢瑩+龔敏

摘要：淡水資源稀缺一直是現代社會的所面臨的嚴重問題之一，如何對淡水資源進行合理的運用，一直受到廣泛關注。農業灌溉用水是當今社會的用水大戶，當今農業灌溉用水大部分利用的是地下水，沒有對地表水進行合理的利用，造成淡水資源的浪費，如何在農業灌溉中利用地表水已經成為了一項重要的議題。尤其在我國的西部內陸及東部沿海地區，由于淡水與鹽水難以分別，淡水資源很難被準確的識別和利用。一旦確定精準快速的識別手段，農業與林業用水將會迎來革新的科研價值與意義。要實現對淡水的可用資源的利用，首先需要識別出不同種類水，而不同種類的水具有各不相同的光譜，本次課題闡述以光譜特征來識別不同種類地表水的方法，進而對于農業灌溉用水的識別與利用提供幫助。

關鍵詞：農業灌溉水；含鹽量；純凈度

引言：

鹽害是因鹽分堆積過多而導致的災害，是農業中較為嚴重的問題之一。隨著當今工業的發展，人們對于水資源的污染日益嚴重，天然水的質量有所下降。所以，在當今的淡水資源稀缺的情況下，合理利用淡水資源迫在眉急。灌溉用水是淡水資源的用水大戶，為灌溉用水找到水源十分必要。

現今水質監測有三種科技方向——化學分析、光譜分析以及生物毒性。這些技術各有各的利弊，化學分析技術雖然已經發展接近完全，但卻有成本高，覆蓋范圍小的問題；生物毒性依靠自然存在于各處的生命體作為“檢測器”，但是數據結果因生物各異而不同，結果的準確度難以判斷，相比之下，光譜分析技術成本低，取樣容易，雖然技術有待完善，但根據現今的科技發展趨向來看，電磁、光學，是人們在不斷探索并不斷發現的領域，前景可觀，而光譜分析技術，因為不破壞樣本，并且測試設備逐漸簡化，相信可以很快的完善。

如何進行對淡水資源的甄別對合理利用水資源有著重大的意義。因此，本文進行基于可見光近紅外反射光譜分析技術對不同種類的水反射率進行分析比較，對鑒別農業灌溉水有著借鑒意義。

實驗流程：

本次實驗采用USB2000光纖光譜儀，光譜量程在390nm到1000nm之間，分辨率在1.5nm。地表水的自然光源主要有太陽光，月光和人造燈光等，本次實驗用鎢燈和LED燈作為光照條件進行測定。

本實驗方案主要基于水受不同光照時的比較得到水的反射率，并與測得的其他種類水的反射率進行對比，從而實現對不同種類水的識別。

本次實驗選擇純水，清澈河水，帶有泥沙的河水，帶有水中植物的河水，污水以及用純水與食鹽配置的5%濃度鹽水，10%濃度鹽水和15%濃度的鹽水。鹽水的配制：用天平分別稱量5g食鹽，用量筒測出95ml水，并將其混合，制備出5%濃度的鹽溶液；用天平分別稱量10g食鹽，用量筒測出90ml水，并將其混合，制備出10%濃度的鹽溶液；用天平分別稱量15g食鹽，用量筒測出85ml水，并將其混合，制備出15%濃度的鹽溶液。

連接電腦與USB2000光纖光譜儀，取出鎢燈并通電，將光源投射到實驗用白板上，用探頭對準白板上一點，打開spectrasuite軟件，將所測得的光源光譜作為參考光譜保存，再將鎢燈關閉，用黑色板子擋住探頭，將所得光譜作為暗光譜進行保存。將待測自來水裝在器皿里放到探頭測量的點，測量并保存純水光譜數據。

實驗室采用不同光源（鎢燈與LED燈），測量純水在不同光照下的反射光譜，計算反射率并比較數據。

在鎢燈光照下，分別對純水、三種不同濃度的水、不同狀態的自然水進行反射光譜的測量，每種分別記錄兩組數據。

將鎢燈燈泡取下，換上LED燈燈泡，在相同條件下分別測量純水、三種不同濃度的水、不同狀態的自然水的反射光譜并保存光譜數據。

自然界中的水因為生物與非生物原因，其中物質差異極大，本次實驗取純水，清澈河水，帶有泥沙的河水，帶有水中植物的河水，污水以及鹽水（取10%濃度鹽水）作為實驗樣本進行對比，計算反射率并比較數據。

咸水湖與淡水湖的區別主要在于鹽濃度差別較大，本次實驗中選取不同鹽濃度的鹽水（5%濃度的鹽水，10%濃度的鹽水，15%濃度的鹽水）與純水進行對比，計算反射率并比較數據。

實驗結果：

根據上圖可以得到，用鎢燈作為光源的純水，5%鹽水，10%鹽水和15%鹽水光譜在550nm和620nm附近各有一個波峰，在大于900nm的譜段有明顯吸收帶，而且三種濃度的鹽水及純水的趨勢相同。

根據上圖可以得到，用LED燈作為光源的純水，5%鹽水，10%鹽水和15%鹽水光譜在550nm和620nm附近各有一個波峰，沒有明顯吸收帶，而且三種濃度的鹽水及純水趨勢相同。

根據上圖可以得到，用鎢燈作為光源的純水，清澈河水和10%濃度鹽水光譜在550nm和620nm附近各有一個波峰，在大于900nm的譜段有明顯吸收帶，而且三種水的光譜趨勢相同。帶有泥沙的水趨勢略有不同，不過仍在550nm和620nm附近各有一個波峰，在680nm處有個波谷，在大于900nm的譜段有明顯吸收帶。帶有水中植物的水趨勢也略有不同，在550nm和620nm附近各有一個小小的波峰，總體趨勢平穩。污水在全波段內趨勢平穩。

根據上圖可以得到，用LED燈作為光源的純水，清澈河水，10%濃度鹽水和帶有泥沙的水光譜在550nm和620nm附近各有一個波峰，沒有明顯吸收帶，而且四種水的光譜趨勢相同。帶有水中植物的水和污水趨勢與上述四種水略有不同，沒有明顯波峰，總體趨勢平穩。

實驗誤差分析：

試驗中使用微型光纖光譜儀在室內進行測量，可以認為排除光強度變化的影響，而且濕度和溫度不會變化。

由于沒有相應支架，探測器的角度與高度的變化成為獲取準確數據的最大干擾，盡量讓一個人手握探測器不變換高度和方向，對準一個點，只移動實驗器皿，可有效減小誤差。同時由于對設備工作原理等了解并不全面，可能在實際操作中增加了沒有意識到的變量。

由于水是幾近透明的傳播介質，而且水面平整，會有較強的鏡面反射，沒有經過水的吸收作用的光直接進入探測設備，即使光透過水，也會可能會很嚴重地被盛水的物品，或背景對光的反射影響，可能會導致結果的誤差。可以考慮將水置于透明容器中，再對光源透過水的折射率進行測量。

實用方面上來說，試驗中由于實驗裝備的限制，只是對鹽水、自然水進行了模擬操作，真正的灌溉水源，國家標準中要求含鹽量不應該超過千分之二，所以實際操作上，如此精度的測量可能是對光譜測量儀器的挑戰。

結論：

實驗得到鹽水中含鹽量增高會導致鹽水光譜的波峰及平均值降低，而鹽水光譜的整體趨勢不變。

實驗得到水中含有不同物質會導致水的光譜明顯不同：用鎢燈作為光源的純水，清澈河水和10%濃度鹽水光譜在550nm和620nm附近各有一個波峰，在大于900nm的譜段有明顯吸收帶，而且三種水的光譜趨勢相同。帶有泥沙的水趨勢略有不同，不過仍在550nm和620nm附近各有一個波峰，在680nm處有個波谷，在大于900nm的譜段有明顯吸收帶。帶有水中植物的水趨勢也略有不同，在550nm和620nm附近各有一個小小的波峰，總體趨勢平穩。污水在全波段內趨勢平穩。而跟據上圖可以得到，用LED燈作為光源的純水，清澈河水，10%濃度鹽水和帶有泥沙的水光譜在550nm和620nm附近各有一個波峰，沒有明顯吸收帶，而且四種水的光譜趨勢相同。帶有水中植物的水和污水趨勢與上述四種水略有不同，沒有明顯波峰，總體趨勢平穩。

綜上得出結論，可以利用水的光譜的峰值與平均值的大小以及趨勢判別水中含有物質及比例。通過對近紅外光波段反射光譜的研究，對于利用光譜特征來進行水中含有物質及鹽分比例有幫助。endprint