CN105136693B - 一种水质成分吸收系数和散射系数的测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及水质成分吸收系数和散射系数的测量方法，本发明用光谱仪检测不同水深时穿透玻璃缸体的平行光且由标准板反射的透射光的辐照度，得到杂质消光系数，再结合待测水体的出水反射率、杂质质量‑体积浓度等参数通过辐射传输方程及杂质消光系数方程计算出水质成分吸收系数及散射系数。采用本发明得到的测量结果与自然水体中杂质的实际情况重合度相符，用于水质定量遥感及水质光学方法分析时精度较高；同时，本发明的方法适用于对包括极细粒成分和分子态的杂质在内的所有光活性杂质成分的水体，为解决现有技术检测水体范围较窄的问题提供了新的思路。
Description
技术领域
本发明涉及水体指标测定领域，更具体地，涉及一种水质成分吸收系数和散射系数的测量方法。
背景技术
水质成分的吸收系数和后向散射系数是采用光学方法进行水质分析的基础，也是水质定量遥感的关建基础数据。对于水质成分吸收系数的测量，目前普遍采用的方法是通过过滤的方法，用滤纸将悬沙、藻类等悬浮质从水中滤出，然后烘干，有的还要脱色，然后用光谱仪测量其吸收系数。对于水中杂质成分后向散射系数的测量主要有两类方法，一种是在实验室内，对置于一定光照条件下容器内的水中杂质进行散射系数测量；第二种方法是采用数米见方的大水池，人工配制一定浓度的杂质后从水面和水下对杂质的散射系数进行测量。
对于水质成分吸收系数的测量，采用将杂质滤出烘干的测量方法虽然方便对滤出的样品进行准确测量，但经滤出、烘干后的样品其颜色已发生改变，测得的吸收系数与自然状态水体中杂质相差甚大，用于水质遥感或水体成分析将会产生显著的误差；将样品脱色后再测该问题就更严重。此外，这种方法对粒度极小及分子态的杂质完全无效。
对于后向散射系数的实验室测量，由于对大多数水质成分，其散射系数远小于吸收系数，除悬沙等散射较强的杂质外，多数水质成分的后向散射系数测量精度不高。而采用大水池的测量方法由于人工配制需要浓度的含杂质水体在人力、经费和时间上均开销很大，目前只适用于悬沙和藻类散射系数的测量。
发明内容
本发明的目的，是提供一种水质成分吸收系数和散射系数的测量方法，采用该测量装置，可以适应对不同波段光波的测量，相对现有技术扩展了可测量的波段范围，为了实现以上目的，采用如下技术方案：
一种水质成分吸收系数和散射系数的测量方法，包括以下步骤完成：
S1通过光谱仪实地测量待测水体的辐亮度L(θ)及水平放置的标准板的辐亮度L0，并计算待测水体水面在散射角θ时的出水反射率Rw(θ)；
其中：
L(θ)为光谱仪探头轴线在与太阳光线夹角为θ的方向测量得到的水体辐亮度；
L0为标准板辐亮度；
R0为标准板反射率；
S2在待测水体所在地采集水样，通过水体消光系数测量装置测量待测水体消光系数k，以及杂质消光系数ks，并分析得到水样的杂质质量-体积浓度D；
所述水体消光系数测量装置，包括：
玻璃缸，用于盛装待测水体，所述玻璃缸包括高透玻璃制成的平面底壁；
水深探测单元，用于监测玻璃缸内的待测水体深度；
水深调节单元，用于向玻璃缸内注入或抽走待测水体；
光源，设置于玻璃缸上方，用于沿竖直方向向玻璃缸内投射平行光；
标准板，设置于玻璃缸下方，用于反射平行光穿透玻璃缸后的透射光；
所述光谱仪，用于检测标准板所反射透射光的反辐射亮度，所述光谱仪包括光线探头，所述光线探头的探测口朝向标准板被透射光照射的区域；
水体消光系数的测量包括以下步骤完成：
S21向玻璃缸内加入待测水体至当前批次设定水深hn；
S22通过光源向待测水体投射平行光，所述平行光穿透玻璃缸底壁并投射于标准板；
S23标准板反射投射其上的透射光，光谱仪的探头接收透射光经标准板的反射的光线，并测量得到当前反辐射亮度Ln，反辐射亮度为：
其中：
E0为入射光光源的辐照度，
Tws为水表面透过率，
Tg为玻璃缸的透过率，
Rb-标准板的反射率；
S24通过水深调节单元改变玻璃缸内的水深至当前批次设定水深hm，重复步骤S22-S23，得到当前反幅射亮度Lm；
S25将任意两个批次测量的反射幅亮度Ln、Lm相除，得到待测水体消光系数为：
S26基于纯水消光系数kw及上一步骤得到的待测水体消光系数k求取杂质消光系数为：
ks＝k-kw ④
其中:
kw为纯水消光系数，
ks为杂质消光系数；
S3基于步骤以1及步骤2得到的出水反射率Rw(θ)、杂质质量-体积浓度D、及消光系数k，通过辐射传输方程及杂质消光系数方程计算水质成分吸收系数αs和水质成分散射系数βs：
辐射传输方程为：
消光系数方程为：
ks＝D(βs+αs) ⑥
进而得到水质成分散射系数，及水质成分吸收系数如下：
水质成分散射系数为：
水质成分吸收系数为：
其中：
Rw(θ)为水面出水反射率，βw为纯水散射系数，
Pw(θ)为水散射相函数，βs为水质成分散射系数，
Ps(θ)为杂质散射相函数，
kw为纯水消光系数，ks为杂质消光系数，
D为杂质质量-体积浓度，αs为水质成分吸收系数。
作为一种具体实施例，所述步骤S1中，散射角θ的范围为0-90度之间。
作为一种具体实施例，所述步骤S2中，光源包括探照灯及非平行光过滤单元，所述非平行光过滤单元包括两个焦平面重叠的透镜及散光滤波器。
作为一种具体实施例，所述步骤S2中，所述玻璃缸与标准板之间还设置有散射光过滤单元，所述散射光过滤单元包括两个焦平面重叠的透镜及散光滤波器。
作为一种具体实施例，所述高透玻璃为超白玻璃。
作为一种具体实施例，所述步骤S26中，纯水消光系数可以根据以下方法得到：替换步骤S21中的混浊水为纯净水作为待测水体，然后执行步骤S22-S25，得到纯水消光系数kw。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
采用本发明可同时获得待检测水体的水质成分吸收系数和散射系数，其测量结果与自然水体中杂质的实际情况重合度相符，用于水质定量遥感及水质光学方法分析时精度较高。同时，本发明的方法适用于对包括极细粒成分和分子态的杂质在内的所有光活性杂质成分的水体，为解决现有技术检测水体范围较窄的问题提供了新的思路，同时，本方法相对简单易行，远较其它方法节约时间及成本。
附图说明
图1为散射角为20度时，实施例1的待测混浊水体在不同波段光照下的出水反射率示意图。
图2为水体消光系数测量装置的结构示意图。
图3为实施例1中混浊水体在不同波段光照下的消光系数示意图。
图4为本实施例1中混浊水中悬浮物在不同波段光照下的悬浮物吸收系数、散射系数和反射率示意图。
图5为实施例2中绿藻水体在不同波段光照下的反射率示意图。
图6为实施例2中绿藻水体在不同波段光照下的消光系数示意图。
图7为实施例2中绿藻水体中绿藻在不同波段光照下的吸收系数示意图。
具体实施方式
下面结合说明书附图，对本发明做进一步说明：
实施例1
本实施例以对悬浮泥沙水体的测量为例，对本发明所述水质成分吸收系数和散射系数的测量方法进行详细说明，本实施例包括以下步骤：
S1通过光谱仪实地测量待测水体的辐亮度L(θ)及水平放置的标准板的辐亮度L0，并计算待测水体水面在散射角θ时出水反射率Rw(θ)；
其中：
L(θ)为光谱仪探头轴线在与太阳光线夹角为θ的方向测量得到的水体辐亮度；
L0为标准板辐亮度；
R0为标准板反射率。
本发明的方法适合于晴朗天气下选取具有一定深度的单污染水体进行测量，本步骤中，在水面交替测量水平放置的标准板的辐亮度L0以及水面在不同散射角方向上的辐亮度L(θ)，然后计算消除天空光影响后待测水体水面在散射角θ的出水反射率Rw(θ)，所述散射角θ的范围为0-90度之间。
图1为散射角为20度时，待测混浊水体在不同波段光线照射下的出水反射率示意图。其中横坐标为波长(nm)，纵坐标为出水反射率，洪期主河道水中杂质主要为悬沙浮物，其它成分量小，对光谱影响可忽略。
S2在待测水体所在地采集水样，通过水体消光系数测量装置测量水样的消光系数k及杂质消光系数ks，并分析水样的杂质质量-体积浓度D。
参见图2，本发明所示的水体消光系数测量装置，包括玻璃缸4、水深探测单元7、水深调节单元8、光源1、标准板6及光谱仪5，其中：
玻璃缸4包括高透玻璃制成的平面底壁，用于盛装待测水体3，玻璃缸4底壁水平放置；水深探测单元7可以是量尺或者水位传感器，用于监测玻璃缸4内的待测水体3深度(也即待测水体3在竖直方向的厚度h)；水深调节单元8，用于向玻璃缸4内注入或抽走待测水体3；光源1，设置于玻璃缸4上方，用于沿竖直方向向玻璃缸4内投射平行光2；标准板6，也即标准反射板，设置于玻璃缸4下方，用于反射平行光2穿透玻璃缸4后的透射光2a，所述标准板6水平放置；光谱仪5，用于检测标准板反射所述透射光2a的反辐射亮度，所述光谱仪5包括光线探头51，所述光线探头51的探测口朝向标准板6被透射光2a照射的区域。
在本实施例中，所述光源1包括探照灯11及非平行光过滤单元，所述非平行光过滤单元包括两个焦平面重叠的透镜12及散光滤波器13，散光滤波器13位于透镜12中间；所述玻璃缸4与标准板6之间还设置有散射光过滤单元，所述散射光过滤单元包括两个焦平面重叠的透镜91及散光滤波器92，所述散光滤波器92设置于透镜91中间。
所述水深调节单元8包括注水模块82、抽水模块83及水管84，所述注水模块82和抽水模块83通过三通阀84与水管85并联连接。
为了实现自动调节水深，所述水深调节单元还包括微处理器85和指令输入模块86，其中指令输入模块86可以是键盘、触摸屏等可向微处理器85输入数据的终端设备，水深探测单元7优选为水位传感器。所述注水模块82、抽水模块83、水深探测单元7、指令输入模块86均与微处理器85连接，微处理器85根据指令输入模块85输入的目标深度值及水深探测单元7反馈的当前深度值控制注水模块82或/和抽水模块83改变玻璃缸4内的水深。
为了保证玻璃缸4有较高的透光度，玻璃缸4底壁的高透明玻璃优选为超白玻璃(Ultra Clear Glass)。超白玻璃是一种超透明低铁玻璃，也称低铁玻璃、高透明玻璃，透光率可达91.5％以上，同时还具有自爆率低，颜色一致性强的特性。
基于上述水体消光系数测量装置的结构和设置，本发明所述的水体消光系数测量方法，包括以下步骤完成：
S21向玻璃缸4内加入待测水体3至当前批次设定水深hn；
本步骤通过向玻璃缸4中注入待测水体3，目的是使待测水体在3在玻璃缸4内形成一定水深hn，为后续步骤的光照提供介质样本，其中n为自然数，表示当前测量批次的序号。
由于水体厚度可以轻易更改，因此，对于不同波长的光来说，可以调整水体3的深度(竖直方向的厚度)使得标准板6上的反射光强度处于最佳测量的值域，以便于数据采样结果准确，进一步保证检测结果的准确。
S22通过光源1向玻璃缸4内投射平行光2，所述平行光2穿透玻璃缸并投射于标准板6；
本步骤中，来自探照灯11的强光经非平行光过滤单元后，非平行光被滤除，得到平行光束2。平行光束2穿过玻璃缸4时，依此经待测水体3表面发生部分反射、待测水体3水层的吸收和散射，玻璃缸4底壁部分反射后穿过玻璃缸4底壁，再经散射光过滤单元滤掉散射光后到达标准板6。
S23标准板6反射投射其上的透射光2a，光谱仪5的探头接收透射光2a经标准板6反射的光线，并测量得到当前测量批次透射光2a的反辐射亮度Ln；
本步骤中，透射光2a经标准板6漫反射后，其中一部分光线进入光谱仪5的探头51，则光谱仪5可以计算出透射光2a的反辐射亮度，本专利中，反辐射亮度表示为：
其中：
E0-入射光光源的辐照度；
Tws-水表面透过率；
Tg-玻璃缸的透过率；
Rb-标准板的反射率。
S24通过加水单元或抽水改变玻璃缸内的水深至hm，重复步骤S22-S23，得到当前测量批次幅亮度Lm；
本步骤中通过调整玻璃缸4的待测水体3的深度，可测得标准板6上穿过不同厚度水层的透射光反射辐亮度Lm，其中m为自然数，表示当前测量批次的序号。
S25将任意两个批次测量的反射幅亮度Lm、Ln相除，得到待测水体的消光系数；
此前S21-S24步骤已经获得待测水体3的至少两个不同厚度的反射幅亮度，则可以将任意两次测量得到的反射幅亮度相除，经整理得到待测水体3的消光系数：
图3展示了本实施例中的混浊水样在不同波段光波照下的水体消光系数。
S26基于纯水消光系数kw及上一步骤得到的待测水体消光系数k求取杂质消光系数为：
ks＝k-kw ④
其中:
kw为纯水消光系数，
ks为杂质消光系数。
以上过程中，由于纯水消光系数kw为已知常用常数，可以通过查询工具书的方式得到，也可以通过替换步骤S21中的混浊水为纯净水作为待测水体，然后执行步骤S22-S25，得到纯水消光系数kw。
同时，本步骤中还对水样进行杂质浓度分析，进而得到水样的杂质质量-体积浓度D，也即单位体积水体的杂质质量，其中，杂质质量-体积浓度D可采用将杂质杂质滤出烘干的方法测量，也可以采用直接蒸发水样后获得杂质重量的方法获取。
S3基于步骤以1及步骤2得到的出水反射率Rw(θ)、杂质质量-体积浓度D、及消光系数kw、ks，通过辐射传输方程及杂质消光系数方程计算水质成分吸收系数αs和水质成分散射系数βs：
辐射传输方程为：
消光系数方程为：
ks＝D(βs+αs) ⑥
进而得到水质成分散射系数，及水质成分吸收系数如下：
水质成分散射系数为：
水质成分吸收系数为：
其中：
Rw(θ)为水面出水反射率，由步骤S1计算得到，
βw为纯水散射系数，
Pw(θ)为水散射相函数，
βs为水质成分散射系数，
Ps(θ)为杂质散射相函数，
根据步骤S1确定的散射角度得到
kw为纯水消光系数，由步骤S2实验得到，或查询工具书得到。
ks为杂质消光系数，
D为杂质质量-体积浓度，由步骤2得到。
αs为水质成分吸收系数；
图4为本实施例中待检测水体在不同波段光波照射下的吸收系数，后向散射系数及出水反射率示意图。
实施例2
本实施例与实施例1的不同仅在于：本实施例中，待检测水体为富营养化水体。
参照实施例1的步骤，本实施例中，先取绿藻暴发的池塘，测量水面出水反射率Rw(θ)，同时采集待测水样消光系数k和杂质质量-体积浓度D，本例中水体为绿藻暴发时水体，水中杂质主要为绿藻(蓝藻)，其它成分量小对光谱的影响可忽略，并将测得到出水反射率Rw(θ)，消光系数带入辐射传输方程④及消光系数方程⑤中，算出水中杂质-绿藻的αs和散射系数βs。
图5为本实施例中绿藻水体在不同波段光照下的水体出水反射率示意图。
图6为本实施例中绿藻水体在不同波段光照下的水体消光系数。
图7为本实施例中绿藻水体在不同波段光照下的吸收系数示意图，可以看出，曲线明显具有叶绿素的吸收特征。
应该理解，以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，故凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化与修饰,均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (6)
1.一种水质成分吸收系数和散射系数的测量方法，其特征在于，包括以下步骤完成：
S1通过光谱仪实地测量待测水体的辐亮度L(θ)及水平放置的标准板的辐亮度L0，并计算待测水体水面在散射角θ时的出水反射率Rw(θ)；
其中：
L(θ)为光谱仪探头轴线在与太阳光线夹角为θ的方向测量得到的水体辐亮度；
L0为标准板辐亮度；
R0为标准板反射率；
S2在待测水体所在地采集水样，通过水体消光系数测量装置测量待测水体消光系数k，以及杂质消光系数ks，并分析得到水样的杂质质量-体积浓度D；
所述水体消光系数测量装置，包括：
玻璃缸，用于盛装待测水体，所述玻璃缸包括高透玻璃制成的平面底壁；
水深探测单元，用于监测玻璃缸内的待测水体深度；
水深调节单元，用于向玻璃缸内注入或抽走待测水体；其中，水深调节单元包括注水模块、抽水模块、微处理器和指令输入模块，所述注水模块、抽水模块、水深探测单元、指令输入模块均与微处理器连接，微处理器根据指令输入模块输入的目标深度值及水深探测单元反馈的当前深度值控制注水模块或/和抽水模块改变玻璃缸内的水深；
光源，设置于玻璃缸上方，用于沿竖直方向向玻璃缸内投射平行光；
标准板，设置于玻璃缸下方，用于反射平行光穿透玻璃缸后的透射光；
所述光谱仪，用于检测标准板所反射透射光的反辐射亮度，所述光谱仪包括光线探头，所述光线探头的探测口朝向标准板被透射光照射的区域；
水体消光系数的测量包括以下步骤完成：
S21向玻璃缸内加入待测水体至当前批次设定水深hn；
S22通过光源向待测水体投射平行光，所述平行光穿透玻璃缸底壁并投射于标准板；
S23标准板反射投射其上的透射光，光谱仪的探头接收透射光经标准板的反射的光线，并测量得到当前反辐射亮度Ln，反辐射亮度为：
其中：
E0为入射光光源的辐照度，
Tws为水表面透过率，
Tg为玻璃缸的透过率，
Rb-标准板的反射率；
S24通过水深调节单元改变玻璃缸内的水深至当前批次设定水深hm，重复步骤S22-S23，得到当前反幅射亮度Lm；
S25将任意两个批次测量的反射幅亮度Ln、Lm相除，得到待测水体消光系数为：
S26基于纯水消光系数kw及上一步骤得到的待测水体消光系数k求取杂质消光系数为：
ks＝k-kw ④
其中:
kw为纯水消光系数，
ks为杂质消光系数；
S3基于步骤以1及步骤2得到的出水反射率Rw(θ)、杂质质量-体积浓度D、及消光系数k，通过辐射传输方程及杂质消光系数方程计算水质成分吸收系数αs和水质成分散射系数βs：
辐射传输方程为：
消光系数方程为：
ks＝D(βs+αs) ⑥
进而得到水质成分散射系数，及水质成分吸收系数如下：
水质成分散射系数为：
水质成分吸收系数为：
其中：
Rw(θ)为水面出水反射率，βw为纯水散射系数，
Pw(θ)为水散射相函数，βs为水质成分散射系数，
Ps(θ)为杂质散射相函数，
kw为纯水消光系数，ks为杂质消光系数，
D为杂质质量-体积浓度，αs为水质成分吸收系数。
2.如权利要求1所述的水质成分吸收系数和散射系数的测量方法，其特征在于，所述步骤S1中，散射角θ的范围为0-90度之间。
3.如权利要求1所述的水质成分吸收系数和散射系数的测量方法，其特征在于，所述步骤S2中，光源包括探照灯及非平行光过滤单元，所述非平行光过滤单元包括两个焦平面重叠的透镜及散光滤波器。
4.如权利要求1所述水质成分吸收系数和散射系数的测量方法，其特征在于，所述步骤S2中，所述玻璃缸与标准板之间还设置有散射光过滤单元，所述散射光过滤单元包括两个焦平面重叠的透镜及散光滤波器。
5.如权利要求1所述的水质成分吸收系数和散射系数的测量方法，其特征在于，所述高透玻璃为超白玻璃。
6.如权利要求1所述的水质成分吸收系数和散射系数的测量方法，其特征在于，所述步骤S26中，纯水消光系数可以根据以下方法得到：
替换步骤S21中的混浊水为纯净水作为待测水体，然后执行步骤S22-S25，得到纯水消光系数kw。
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