李小溪+饒雲(yún)輝+徐夢瑩+龔敏

摘要：淡水資源稀缺一直是現(xiàn)代社會的所面臨的嚴(yán)重問題之一，如何對淡水資源進(jìn)行合理的運(yùn)用，一直受到廣泛關(guān)注。農(nóng)業(yè)灌溉用水是當(dāng)今社會的用水大戶，當(dāng)今農(nóng)業(yè)灌溉用水大部分利用的是地下水，沒有對地表水進(jìn)行合理的利用，造成淡水資源的浪費(fèi)，如何在農(nóng)業(yè)灌溉中利用地表水已經(jīng)成為了一項(xiàng)重要的議題。尤其在我國的西部內(nèi)陸及東部沿海地區(qū)，由于淡水與鹽水難以分別，淡水資源很難被準(zhǔn)確的識別和利用。一旦確定精準(zhǔn)快速的識別手段，農(nóng)業(yè)與林業(yè)用水將會迎來革新的科研價(jià)值與意義。要實(shí)現(xiàn)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(jìn)而對于農(nóng)業(yè)灌溉用水的識別與利用提供幫助。

關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)灌溉水；含鹽量；純凈度

引言：

鹽害是因鹽分堆積過多而導(dǎo)致的災(zāi)害，是農(nóng)業(yè)中較為嚴(yán)重的問題之一。隨著當(dāng)今工業(yè)的發(fā)展，人們對于水資源的污染日益嚴(yán)重，天然水的質(zhì)量有所下降。所以，在當(dāng)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(xiàn)今水質(zhì)監(jiān)測有三種科技方向——化學(xué)分析、光譜分析以及生物毒性。這些技術(shù)各有各的利弊，化學(xué)分析技術(shù)雖然已經(jīng)發(fā)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(shù)據(jù)結(jié)果因生物各異而不同，結(jié)果的準(zhǔn)確度難以判斷，相比之下，光譜分析技術(shù)成本低，取樣容易，雖然技術(shù)有待完善，但根據(jù)現(xiàn)今的科技發(fā)展趨向來看，電磁、光學(xué)，是人們在不斷探索并不斷發(fā)現(xiàn)的領(lǐng)域，前景可觀，而光譜分析技術(shù)，因?yàn)椴黄茐臉颖?，并且測試設(shè)備逐漸簡化，相信可以很快的完善。

如何進(jìn)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(jìn)行基于可見光近紅外反射光譜分析技術(shù)對不同種類的水反射率進(jìn)行分析比較，對鑒別農(nóng)業(yè)灌溉水有著借鑒意義。

實(shí)驗(yàn)流程：

本次實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)用鎢燈和LED燈作為光照條件進(jìn)行測定。

本實(shí)驗(yàn)方案主要基于水受不同光照時(shí)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(jìn)行對比，從而實(shí)現(xiàn)對不同種類水的識別。

本次實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)用白板上，用探頭對準(zhǔn)白板上一點(diǎn)，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(guān)閉，用黑色板子擋住探頭，將所得光譜作為暗光譜進(jìn)行保存。將待測自來水裝在器皿里放到探頭測量的點(diǎn)，測量并保存純水光譜數(shù)據(jù)。

實(shí)驗(yàn)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(jì)算反射率并比較數(shù)據(jù)。

在鎢燈光照下，分別對純水、三種不同濃度的水、不同狀態(tài)的自然水進(jìn)行反射光譜的測量，每種分別記錄兩組數(shù)據(jù)。

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(tài)的自然水的反射光譜并保存光譜數(shù)據(jù)。

自然界中的水因?yàn)樯锱c非生物原因，其中物質(zhì)差異極大，本次實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)樣本進(jìn)行對比，計(jì)算反射率并比較數(shù)據(jù)。

咸水湖與淡水湖的區(qū)別主要在于鹽濃度差別較大，本次實(shí)驗(yàn)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(jìn)行對比，計(jì)算反射率并比較數(shù)據(jù)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

根據(jù)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(jù)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(jù)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(wěn)。污水在全波段內(nèi)趨勢平穩(wěn)。

根據(jù)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(wěn)。

實(shí)驗(yàn)誤差分析：

試驗(yàn)中使用微型光纖光譜儀在室內(nèi)進(jìn)行測量，可以認(rèn)為排除光強(qiáng)度變化的影響，而且濕度和溫度不會變化。

由于沒有相應(yīng)支架，探測器的角度與高度的變化成為獲取準(zhǔn)確數(shù)據(jù)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(zhǔn)一個點(diǎn)，只移動實(shí)驗(yàn)器皿，可有效減小誤差。同時(shí)由于對設(shè)備工作原理等了解并不全面，可能在實(shí)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(zhì)，而且水面平整，會有較強(qiáng)的鏡面反射，沒有經(jīng)過水的吸收作用的光直接進(jìn)入探測設(shè)備，即使光透過水，也會可能會很嚴(yán)重地被盛水的物品，或背景對光的反射影響，可能會導(dǎo)致結(jié)果的誤差?？梢钥紤]將水置于透明容器中，再對光源透過水的折射率進(jìn)行測量。

實(shí)用方面上來說，試驗(yàn)中由于實(shí)驗(yàn)裝備的限制，只是對鹽水、自然水進(jìn)行了模擬操作，真正的灌溉水源，國家標(biāo)準(zhǔn)中要求含鹽量不應(yīng)該超過千分之二，所以實(shí)際操作上，如此精度的測量可能是對光譜測量儀器的挑戰(zhàn)。

結(jié)論：

實(shí)驗(yàn)得到鹽水中含鹽量增高會導(dǎo)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(shí)驗(yàn)得到水中含有不同物質(zhì)會導(dǎo)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(wěn)。污水在全波段內(nèi)趨勢平穩(wěn)。而跟據(jù)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(wěn)。

綜上得出結(jié)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(zhì)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(jìn)行水中含有物質(zhì)及鹽分比例有幫助。endprint