王旭峰，宋 凱，張 航，王 芳，李 婷

（河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第一地質(zhì)勘查院，河南 鄭州 450001）

我國(guó)是全球礦產(chǎn)資源量富集的國(guó)家，無論是在礦產(chǎn)資源開采技術(shù)層面，或是在資源產(chǎn)出量方面，都對(duì)世界礦產(chǎn)行業(yè)的發(fā)展取到了推進(jìn)作用。在推進(jìn)市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與前進(jìn)的同時(shí)，也對(duì)生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重的污染問題。究其原因發(fā)現(xiàn)，當(dāng)有關(guān)勘察人員在進(jìn)行相關(guān)礦區(qū)開采工作時(shí)，礦山中會(huì)溶解大量的重金屬物質(zhì)，這些物質(zhì)中不僅含有有毒有害成分，同時(shí)也含有大量的酸性礦坑水，這種物質(zhì)流入水中，不僅會(huì)對(duì)水環(huán)境造成污染，同時(shí)也會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展造成影響[1]。在環(huán)境污染中，市場(chǎng)對(duì)于水污染的研究相對(duì)較早，截止至今，由于礦山工程造成的水環(huán)境污染已達(dá)到了十分嚴(yán)重的地位。根據(jù)市場(chǎng)不完全市場(chǎng)調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，目前我國(guó)排入河流與大海的礦山工程廢水可超過500Gt，水中大部分生物因此受到污染而瀕臨滅絕，全球五大淡水湖泊亦受損嚴(yán)重。使用此種水資源進(jìn)行農(nóng)田灌溉，使農(nóng)產(chǎn)業(yè)與畜牧業(yè)的產(chǎn)出量大大降低。為此，如何快速的測(cè)定水體中是否含有污染物質(zhì)，成為了礦區(qū)繼續(xù)研究的問題。本文也將以此為出發(fā)點(diǎn)，開展礦山工程水污染快速檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用的研究，通過快速檢測(cè)水體質(zhì)量，緩解生態(tài)環(huán)境壓力，從而提高市場(chǎng)內(nèi)水資源的保有率。

1 礦山工程水污染檢測(cè)工作實(shí)施現(xiàn)狀

現(xiàn)階段，我國(guó)對(duì)于礦山工程水污染的檢測(cè)行為仍停留于野外采樣階段，大部分檢測(cè)工作的實(shí)施，為檢測(cè)工作人員攜帶采樣設(shè)備，取樣礦區(qū)水資源，并將水資源樣本帶回實(shí)驗(yàn)室。使用復(fù)雜精密的儀器設(shè)備，對(duì)水中所含離子類型進(jìn)行測(cè)定。檢測(cè)中使用的方法通常為分光光度檢測(cè)法、原子吸收法等，盡管這幾種檢測(cè)方法的流程設(shè)計(jì)已相對(duì)完善，且方法的使用已相對(duì)成熟，但由于這幾種方法的前期準(zhǔn)備工作較為繁瑣、造成成本較高、分析的周期相對(duì)較長(zhǎng)，無法滿足對(duì)水污染的快速檢測(cè)需求[2]。當(dāng)面對(duì)突發(fā)性礦山工程污染事故時(shí)，根本無法在第一時(shí)間為檢測(cè)部門提供具有時(shí)效性的水資源信息。此種具有一定延時(shí)性的決策方法不僅不利于礦山工程持續(xù)開展，同時(shí)也極易對(duì)我國(guó)生態(tài)環(huán)境造成惡劣的影響。

此外，由于礦山工程水資源樣本的采集、存儲(chǔ)、運(yùn)輸?shù)拳h(huán)節(jié)均需要嚴(yán)格按照國(guó)家檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施，無論其中任何一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，都會(huì)對(duì)檢測(cè)結(jié)果造成直接影響。嚴(yán)重情況下甚至?xí)?duì)檢測(cè)樣本造成二次污染[3]。并且，在此過程中，有關(guān)人員需要隨身攜帶檢測(cè)或采樣裝置。但目前市場(chǎng)內(nèi)應(yīng)用的大部分?jǐn)y帶式測(cè)量裝置的檢測(cè)范圍有限、設(shè)備整體靈敏度較差，無法準(zhǔn)確的定位水中多項(xiàng)離子與成分。根據(jù)上述相關(guān)分析，發(fā)現(xiàn)我國(guó)目前開展的礦山工程水污染快速檢測(cè)工作尚存在較多的問題，這些問題的產(chǎn)生嚴(yán)重影響了我國(guó)礦產(chǎn)行業(yè)在全球的發(fā)展進(jìn)程。也正因如此，礦山資源的可持續(xù)發(fā)展一直處于滯后狀態(tài)。

2 礦山工程水污染快速檢測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

圖1 礦山工程水污染快速檢測(cè)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

硬件是礦山工程水污染快速檢測(cè)系統(tǒng)各項(xiàng)功能執(zhí)行的保障，完備的硬件環(huán)境可提高檢測(cè)結(jié)果的可靠性、提高檢測(cè)過程的效率。在本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，主要硬件包括傳感器、數(shù)據(jù)處理器，這些硬件設(shè)備由電路進(jìn)行連接，傳感器負(fù)責(zé)采集水資源樣本數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)在系統(tǒng)中的處理裝置內(nèi)進(jìn)行傳輸與處理，最終通過顯示屏將數(shù)據(jù)進(jìn)行展示。綜合上述分析，本文系統(tǒng)硬件的整體結(jié)構(gòu)可用如圖1 表示。

如上述圖1 所示，集中傳感器是檢測(cè)離子故障的接口，由多個(gè)裸芯芯片構(gòu)成，該裝置連接控制器，可通過芯片傳遞的水資源參數(shù)進(jìn)行污染離子的判定。數(shù)據(jù)采集控制器是檢測(cè)系統(tǒng)的核心構(gòu)成部分，其中包含GPS 模塊、濁度傳感識(shí)別模塊、PH 傳感識(shí)別模塊、溫度識(shí)別模塊等，每個(gè)功能模塊中均存儲(chǔ)了上萬條水污染信息。該裝置的結(jié)構(gòu)較為特殊，具有體積小、質(zhì)量輕等特點(diǎn)，因此在系統(tǒng)布設(shè)中具有占地空間小、易于攜帶等特征?；谶@一特點(diǎn)，對(duì)該裝置的配置進(jìn)行規(guī)劃：選擇ULV 核心處理器，選擇128G 的計(jì)算機(jī)硬盤，并設(shè)定其運(yùn)行內(nèi)存為256Kb。同時(shí)，使用6.5n 的處理機(jī)提高對(duì)水污染檢測(cè)的兼容性與分辨率。

3 礦山工程水污染快速檢測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 識(shí)別礦山工程水污染離子

當(dāng)?shù)V山工程出現(xiàn)水污染情況時(shí)，檢測(cè)人員需要根據(jù)水源被污染后的表現(xiàn)形式，進(jìn)行其中異常離子的識(shí)別?？蓪⑦@一識(shí)別過程近似看作一個(gè)對(duì)水質(zhì)信號(hào)的定位過程，綜合數(shù)據(jù)采集控制器在其中的應(yīng)用，對(duì)水源信息中的異常元素進(jìn)行自定義設(shè)置。同時(shí)，通過指令元素自定義功能讓檢測(cè)者可以直接通過特殊的指令符號(hào)進(jìn)行污染離子的識(shí)別。此過程可用如下公式表示。

公式（1）中：γ 表示為識(shí)別的水源異常離子；l 表示為有毒有害離子在水樣中的活躍狀態(tài)；Rz表示為礦區(qū)水源離子在正常狀態(tài)下（/非污染狀態(tài)下）的活躍狀態(tài)；r 表示為以污染源圓心，圈定礦山工程水污染影響范圍的半徑。整合上述計(jì)算公式，利用系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)庫(kù)訪問工具，將其檢測(cè)中的離子數(shù)據(jù)進(jìn)行解壓縮處理，以此在系統(tǒng)內(nèi)形成一個(gè)獨(dú)立的水污染信息文件夾。

在此基礎(chǔ)上，將解壓完成后的文件夾與礦山水資源進(jìn)行對(duì)比，對(duì)檢測(cè)的污染離子進(jìn)行識(shí)別。在此過程中，檢測(cè)者只需要在支持系統(tǒng)運(yùn)行的程序建設(shè)環(huán)境中，進(jìn)行異常范圍的圈定即可。按照礦區(qū)標(biāo)準(zhǔn)比例尺，獲取異常離子數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)礦山工程水污染離子的識(shí)別。

3.2 快速檢測(cè)水污染中離子含量

在完成對(duì)礦山工程水污染離子的識(shí)別后，可采用圈定污染源與污染范圍的方式，快速檢測(cè)水污染中離子含量。按照標(biāo)準(zhǔn)化檢測(cè)的步驟，進(jìn)行水源污染發(fā)生點(diǎn)與預(yù)測(cè)發(fā)生點(diǎn)的距離計(jì)算，以此作為判斷水源中有毒有害離子含量的依據(jù)。根據(jù)上述分析，計(jì)算公式如下。

公式（2）中：M 表示為預(yù)測(cè)礦山工程水污染范圍，單位為km；δ 表示為識(shí)別的礦山工程水污染離子；s 表示為檢測(cè)誤差。根據(jù)上述計(jì)算公式，對(duì)檢測(cè)的邊緣進(jìn)行連續(xù)的二乘擬合計(jì)算，去除檢測(cè)中污染離子含量的最大值與最小值，獲取中間的優(yōu)化數(shù)據(jù)。

根據(jù)圈定的水源污染范圍，結(jié)合硬件設(shè)備獲取的PH 值與溫度信息，建立對(duì)應(yīng)的檢測(cè)結(jié)果適應(yīng)程度函數(shù)，判別水污染位置的礦區(qū)開采狀態(tài)與非開采狀態(tài)兩者之間的契合程度，處理提取的污染數(shù)據(jù)值，將適應(yīng)值精確到函數(shù)中具體到礦山的某一個(gè)坐標(biāo)上，并對(duì)坐標(biāo)點(diǎn)數(shù)據(jù)提純，獲得污染源離子的集合，認(rèn)為數(shù)據(jù)集合中距離污染源越近的點(diǎn)，其中污染離子的含量越高，反之越小，從而完成礦山工程水污染的快速檢測(cè)。

4 對(duì)比實(shí)驗(yàn)

設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，選擇某處被污染的礦區(qū)作為此次實(shí)驗(yàn)的研究場(chǎng)所，該礦區(qū)為廢舊礦區(qū)，在開采過程中對(duì)于污水處理比較簡(jiǎn)單，導(dǎo)致目前礦區(qū)水污染情況比較嚴(yán)重，在礦山不同區(qū)域抽取水污染檢測(cè)樣本，利用此次設(shè)計(jì)系統(tǒng)與傳統(tǒng)系統(tǒng)對(duì)抽取的水污染樣本進(jìn)行快速檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)環(huán)境設(shè)計(jì)為：兩種系統(tǒng)均使用Windows2008 操作系統(tǒng)，硬盤內(nèi)存為128GB，將采集到的污水樣本數(shù)據(jù)輸入到系統(tǒng)中，污水樣本數(shù)據(jù)量為100GB，分別記錄兩個(gè)系統(tǒng)對(duì)污水樣本數(shù)據(jù)分析、輸出檢測(cè)值時(shí)的時(shí)間，將兩種系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間作為實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)兩種系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下表所示。

表1 兩種系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間對(duì)比（s）

從上表可以看出，此次設(shè)計(jì)的礦山工程水污染快速檢測(cè)系統(tǒng)在響應(yīng)方面優(yōu)于傳統(tǒng)系統(tǒng)，雖然會(huì)隨著數(shù)據(jù)量的增加，響應(yīng)時(shí)間會(huì)有所加長(zhǎng)，但是仍然可以控制在1.5s 以內(nèi)，可以滿足礦山工程水污染快速檢測(cè)需求。

5 結(jié)語

本文從硬件與軟件兩個(gè)方面，開展了礦山工程水污染快速檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用的研究，并設(shè)計(jì)了對(duì)比實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了本文設(shè)計(jì)的快速檢測(cè)系統(tǒng)，在進(jìn)行礦山水資源檢測(cè)過程中，可提高檢測(cè)的時(shí)間，可實(shí)現(xiàn)應(yīng)對(duì)礦山工程中突發(fā)性水污染實(shí)踐。盡管本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)經(jīng)過檢驗(yàn)，已具備顯著的效果，但考慮到礦山開采技術(shù)是不斷更新的，因此在后期的礦山開發(fā)工作中，除了要做到對(duì)礦區(qū)水資源的及時(shí)檢測(cè)，同時(shí)也需要定期進(jìn)行對(duì)檢測(cè)后的資源維護(hù)與管理工作。綜上所述，本文系統(tǒng)的建設(shè)與開發(fā)仍有待持續(xù)完善為此，可在后續(xù)的研究中，將研究重點(diǎn)置于對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)的定期更新與檢測(cè)結(jié)果管理方面，在條件允許的情況下，可美化系統(tǒng)登錄窗口，增設(shè)功能界面，提高使用者操作的便捷性。