一種水質(zhì)成份吸收系數(shù)和散射系數(shù)的測(cè)量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及水體指標(biāo)測(cè)定領(lǐng)域，更具體地，涉及一種水質(zhì)成分吸收系數(shù)和散射系 數(shù)的測(cè)量方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 水質(zhì)成分的吸收系數(shù)和后向散射系數(shù)是采用光學(xué)方法進(jìn)行水質(zhì)分析的基礎(chǔ)，也是 水質(zhì)定量遙感的關(guān)建基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。對(duì)于水質(zhì)成分吸收系數(shù)的測(cè)量，目前普遍采用的方法是通 過過濾的方法，用濾紙將懸沙、藻類等懸浮質(zhì)從水中濾出，然后烘干，有的還要脫色，然后用 光譜儀測(cè)量其吸收系數(shù)。對(duì)于水中雜質(zhì)成分后向散射系數(shù)的測(cè)量主要有兩類方法，一種是 在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，對(duì)置于一定光照條件下容器內(nèi)的水中雜質(zhì)進(jìn)行散射系數(shù)測(cè)量；第二種方法是 采用數(shù)米見方的大水池，人工配制一定濃度的雜質(zhì)后從水面和水下對(duì)雜質(zhì)的散射系數(shù)進(jìn)行 測(cè)量。
[0003] 對(duì)于水質(zhì)成分吸收系數(shù)的測(cè)量，采用將雜質(zhì)濾出烘干的測(cè)量方法雖然方便對(duì)濾出 的樣品進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，但經(jīng)濾出、烘干后的樣品其顏色已發(fā)生改變，測(cè)得的吸收系數(shù)與自然 狀態(tài)水體中雜質(zhì)相差甚大，用于水質(zhì)遙感或水體成分析將會(huì)產(chǎn)生顯著的誤差；將樣品脫色 后再測(cè)該問題就更嚴(yán)重。此外，這種方法對(duì)粒度極小及分子態(tài)的雜質(zhì)完全無效。
[0004] 對(duì)于后向散射系數(shù)的實(shí)驗(yàn)室測(cè)量，由于對(duì)大多數(shù)水質(zhì)成分，其散射系數(shù)遠(yuǎn)小于吸 收系數(shù)，除懸沙等散射較強(qiáng)的雜質(zhì)外，多數(shù)水質(zhì)成分的后向散射系數(shù)測(cè)量精度不高。而采 用大水池的測(cè)量方法由于人工配制需要濃度的含雜質(zhì)水體在人力、經(jīng)費(fèi)和時(shí)間上均開銷很 大，目前只適用于懸沙和藻類散射系數(shù)的測(cè)量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的，是提供一種水質(zhì)成分吸收系數(shù)和散射系數(shù)的測(cè)量方法，采用該測(cè) 量裝置，可以適應(yīng)對(duì)不同波段光波的測(cè)量，相對(duì)現(xiàn)有技術(shù)擴(kuò)展了可測(cè)量的波段范圍，為了實(shí) 現(xiàn)以上目的，采用如下技術(shù)方案：
[0006] -種水質(zhì)成分吸收系數(shù)和散射系數(shù)的測(cè)量方法，包括以下步驟完成：
[0007] Sl通過光譜儀實(shí)地測(cè)量待測(cè)水體的輻亮度L( Θ )及水平放置的標(biāo)準(zhǔn)板的輻亮度 L。，并計(jì)算待測(cè)水體水面在散射角Θ時(shí)的出水反射率&(0);
[0008]
[0009] 其中：
[0010] L( Θ )為光譜儀探頭軸線在與太陽光線夾角為Θ的方向測(cè)量得到的水體輻亮度； [0011] U為標(biāo)準(zhǔn)板輻亮度；
[0012] R。為標(biāo)準(zhǔn)板反射率。
[0013] S2在待測(cè)水體所在地采集水樣，通過水體消光系數(shù)測(cè)量裝置測(cè)量待測(cè)水體消光系 數(shù)k，以及雜質(zhì)消光系數(shù)ks，并分析得到水樣的雜質(zhì)質(zhì)量-體積濃度D ;
[0014] 所述水體消光系數(shù)測(cè)量裝置，包括：
[0015] 玻璃缸，用于盛裝待測(cè)水體，所述玻璃缸包括高透玻璃制成的平面底壁；
[0016] 水深探測(cè)單元，用于監(jiān)測(cè)玻璃缸內(nèi)的待測(cè)水體深度；
[0017] 水深調(diào)節(jié)單元，用于向玻璃缸內(nèi)注入或抽走待測(cè)水體；
[0018] 光源，設(shè)置于玻璃缸上方，用于沿豎直方向向玻璃缸內(nèi)投射平行光；
[0019] 標(biāo)準(zhǔn)板，設(shè)置于玻璃缸下方，用于反射平行光穿透玻璃缸后的透射光；
[0020] 光譜儀，用于檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)板所反射透射光的反輻射亮度，所述光譜儀包括光線探頭， 所述光線探頭的探測(cè)口朝向標(biāo)準(zhǔn)板被透射光照射的區(qū)域；
[0021] 水體消光系數(shù)的測(cè)量包括以下步驟完成：
[0022] S21向玻璃缸內(nèi)加入待測(cè)水體至當(dāng)前批次設(shè)定水深hn;
[0023] S22通過光源向待測(cè)水體投射平行光，所述平行光穿透玻璃缸底壁并投射于標(biāo)準(zhǔn) 板；
[0024] S23標(biāo)準(zhǔn)板反射投射其上的透射光，光譜儀的探頭接收透射光經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)板的反射的 光線，并測(cè)量得到當(dāng)前反輻射亮度L n，反輻射亮度為：
[0025]
[0026] 其中：
[0027] E。為入射光光源的輻照度，
[0028] Tws為水表面透過率，
[0029] Tg為玻璃缸的透過率，
[0030] Rb-標(biāo)準(zhǔn)板的反射率；
[0031] S24通過水深調(diào)節(jié)單元改變玻璃缸內(nèi)的水深至當(dāng)前批次設(shè)定水深I(lǐng)v重復(fù)步驟 S22-S23,得到當(dāng)前反幅射亮度L ni;
[0032] S25將任意兩個(gè)批次測(cè)量的反射幅亮度Ln、Lni相除，得到待測(cè)水體消光系數(shù)為：
[0033]
[0034] S26基于純水消光系數(shù)1^及上一步驟得到的待測(cè)水體消光系數(shù)k求取雜質(zhì)消光系 數(shù)為：
[0035] ks= k_kw ④
[0036] 其中：
[0037] kw為純水消光系數(shù)，
[0038] ks為雜質(zhì)消光系數(shù)；
[0039] S3基于步驟以1及步驟2得到的出水反射率Rw( Θ )、雜質(zhì)質(zhì)量-體積濃度D、及消 光系數(shù)k，通過輻射傳輸方程及雜質(zhì)消光系數(shù)方程計(jì)算水質(zhì)成分吸收系數(shù)a s和散射系數(shù) 0 s：
[0040] 輻射傳輸方程為： CN 105136693 A m ~P 3/7 頁
[0041]
[0042] 消光系數(shù)方程為：
[0043] ks=D(0s+as)⑥
[0044] 進(jìn)而得到散射系數(shù)，及水質(zhì)成分吸收系數(shù)如下：
[0045] 散射系數(shù)為：
[0046]
[0047] 水質(zhì)成分吸收系數(shù)為：
[0048]
[0049] 其中：
[0050] Rw( Θ )為水面出水反射率，β w為純水散射系數(shù)，
[0051] Pw( Θ )為水散射相函數(shù)，β 3為雜質(zhì)后向散射系數(shù)，
[0052] Ps( Θ )為雜質(zhì)散射相函數(shù)，
[0053] kw為水消光系數(shù)，k s為雜質(zhì)消光系數(shù)，
[0054] D為雜質(zhì)質(zhì)量-體積濃度，a s為雜質(zhì)吸收系數(shù)。
[0055] 作為一種具體實(shí)施例，所述步驟Sl中，散射角Θ的范圍為0-90度之間。
[0056] 作為一種具體實(shí)施例，所述步驟S2中，光源包括探照燈及非平行光過濾單元，所 述非平行光過濾單元包括兩個(gè)焦平面重疊的透鏡及散光濾波器。
[0057] 作為一種具體實(shí)施例，所述步驟S2中，所述玻璃缸與標(biāo)準(zhǔn)板之間還設(shè)置有散射光 過濾單元，所述散射光過濾單元包括兩個(gè)焦平面重疊的透鏡及散光濾波器。
[0058] 作為一種具體實(shí)施例，所述高透明玻璃為超白玻璃。
[0059] 作為一種具體實(shí)施例，所述步驟S26中，純水消光系數(shù)可以根據(jù)以下方法得到：
[0060] 替換步驟S21中的混濁水為純凈水作為待測(cè)水體，然后執(zhí)行步驟S22-S25,得到純 凈水消光系數(shù)k w。
[0061] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果如下：
[0062] 采用本發(fā)明可同時(shí)獲得待檢測(cè)水體的水質(zhì)成分吸收系數(shù)和散射系數(shù)，其測(cè)量結(jié)果 與自然水體中雜質(zhì)的實(shí)際情況重合度相符，用于水質(zhì)定量遙感及水質(zhì)光學(xué)方法分析時(shí)精度 較高。同時(shí)，本發(fā)明的方法適用于對(duì)包括極細(xì)粒成分和分子態(tài)的雜質(zhì)在內(nèi)的所有光活性雜 質(zhì)成分的水體，為解決現(xiàn)有技術(shù)檢測(cè)水體范圍較窄的問題提供了新的思路，同時(shí)，本方法相 對(duì)簡(jiǎn)單易行，遠(yuǎn)較其它方法節(jié)約時(shí)間及成本。
【附圖說明】
[0063]圖1為水體消光系數(shù)測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)及原理示意圖。
[0064] 圖2為散射角為20度時(shí)，實(shí)施例1的待測(cè)混濁水體在不同波段光照下的出水反射 率示意圖。
[0065] 圖3為實(shí)施例1中混濁水體在不同波段光照下的消光系數(shù)示意圖。
[0066] 圖4為本實(shí)施例1中混濁水中懸浮物在不同波段光照下的懸浮物吸收系數(shù)、散射 系數(shù)和反射率示意圖。
[0067] 圖5為實(shí)施例2中綠藻水體在不同波段光照下的反射率示意圖。
[0068] 圖6為實(shí)施例2中綠藻水體在不同波段光照下的消光系數(shù)示意圖。
[0069]圖7為實(shí)施例2中綠藻水體中綠藻在不同波段光照下的吸收系數(shù)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0070] 下面結(jié)合說明書附圖，對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明：
[0071] 實(shí)施例1
[0072] 本實(shí)施例以對(duì)懸浮泥沙水體的測(cè)量為例，對(duì)本發(fā)明所述水質(zhì)成分吸收系數(shù)和散射 系數(shù)的測(cè)量方法進(jìn)行詳細(xì)說明，本實(shí)施例包括以下步驟：
[0073] Sl通過光譜儀實(shí)地測(cè)量待測(cè)水體的輻亮度L( Θ )及水平放置的標(biāo)準(zhǔn)板的輻亮度 L。，并計(jì)算待測(cè)水體水面在散射角Θ時(shí)出水反射率Rw(0);
[0074]
[0075] 其中：
[0076] L( Θ )為光譜儀探頭軸線在與太陽光線夾角為Θ的方向測(cè)量得到的水體輻亮度；
[0077] L。為標(biāo)準(zhǔn)板輻亮度；
[0078] R。為標(biāo)準(zhǔn)板反射率。
[0079] 本發(fā)明的方法適合于晴朗天氣下選取具有一定深度的單污染水體進(jìn)行測(cè)量，本步 驟中，在水面交替測(cè)量水平放置的標(biāo)準(zhǔn)板的輻亮度L。以及水面在不同散射角方向上的輻亮 度L(0)，然后計(jì)算消除天空光影響后待測(cè)水體水面在散射角Θ的出水反射率R w(0)，所 述散射角Θ的范圍為0-90度之間。
[0080] 圖1為散射角為20度時(shí)，待測(cè)混濁水體在不同波段光線照射下的出水反射率示意 圖。其中橫坐標(biāo)為波長（ nm)，縱坐標(biāo)為出水反射率，洪期主河道水中雜質(zhì)主要為懸沙浮物， 其它成分量小，對(duì)光譜影響可忽略。
[0081] S2在待測(cè)水體所在地采集水樣，通過水體消光系數(shù)測(cè)量裝置測(cè)量水樣的消光系數(shù) k及雜質(zhì)消光系數(shù)k s，并分析水樣的雜質(zhì)質(zhì)量-體積濃度D。
[0082] 參見圖2,本發(fā)明所示的水體消光系數(shù)測(cè)量裝置，包括玻璃缸4、水深探測(cè)單元7、 水深調(diào)節(jié)單元8、光源1、標(biāo)準(zhǔn)板6及光譜儀5,其中：
[0083] 玻璃缸4包括高透玻璃制成的平面底壁，用于盛裝待測(cè)水體3,玻璃缸4底壁水平 放置；水深探測(cè)單元7可以是量尺或者水位傳感器，用于監(jiān)測(cè)玻璃缸4內(nèi)的待測(cè)水體3深度 (也即待測(cè)水體3在豎直方向的厚度h);水深調(diào)節(jié)單元8,用于向玻璃缸4內(nèi)注入或抽走待 測(cè)水體3 ;光源1，設(shè)置于玻璃缸4上方，用于沿豎直方向向玻璃缸4內(nèi)投射平行光2 ;標(biāo)準(zhǔn)板 6,也即標(biāo)準(zhǔn)反射板，設(shè)置于玻璃缸4下方，用于反射平行光2穿透玻璃缸4后的透射光2a， 所述標(biāo)準(zhǔn)板6水平放置；光譜儀5,用于檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)板反射所述透射光2a的反輻射亮度，所述 光譜儀5包括光線探頭51，所述光線探頭51的探測(cè)口朝向標(biāo)準(zhǔn)板6被透射光2a照射的區(qū) 域。
[0084] 在本實(shí)施例中，所述光源1包括探照燈11及非平行光過濾單元，所述非平行光過 濾單元包括兩個(gè)焦平面重疊的透鏡12及散光濾波器13,散光濾波器13位于透鏡12中間； 所述玻璃缸4與標(biāo)準(zhǔn)板6之間還設(shè)置有散射光過濾單元，所述散射光過濾單元包括兩個(gè)焦 平面重疊的透鏡91及散光濾波器92,所述散光濾波器92設(shè)置于透鏡91中間。
[0085] 所述水深調(diào)節(jié)單元8包括注水模塊82、抽水模塊83及水管84,所述注水模塊82 和抽水模塊83通過三通閥84與水管85并聯(lián)連接。
[0086] 為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)水深，所述水深調(diào)節(jié)單元還包括微處理器85和指令輸入模塊 86,其中指令輸入模塊86可以是鍵盤、觸摸屏等可向微處理器85輸入數(shù)據(jù)的終端設(shè)備，水 深探測(cè)單元7優(yōu)選為水位傳感器。所述注水模塊82、抽水模塊83、水深探測(cè)單元7、指令輸 入模塊86均與微處理器85連接，微處理器85根