关键词： 供水管网   水质监测系统   污染源定位   优化设计  

摘要： 供水管网是城市重要基础设施之一，承担着向用户输送自来水的功能，具有复杂的结构特征与一定的脆弱性，易受到内部或外部威胁而引发水质问题。随着我国城镇化进程的加快，供水管网规模不断扩大，供水管网的水质安全风险也显著增加，日常生活供水安全已面临严峻的考验。因此，供水管网水质安全保障是我国市政工程领域亟需解决的重要问题。　　水质监测系统是城市供水管网水质安全保障的重要技术手段，其性能直接关系到水质安全的防控效果，故开展水质监测系统的优化设计具有重要现实意义。水质监测系统监测到污染后，需采取快速准确的定位方法消除污染源，其研究同样具有重要价值。鉴于此，本论文以管网水力水质模型为基础，开展了供水管网水质监测系统优化设计与污染源定位研究，主要包含以下三部分的内容。　　首先，提出基于评估指标概率分布的性能评估方法，通过模拟大量污染场景获取指标的概率分布。相较于传统的指标期望值，本文采用的评估指标概率分布方法呈现的信息丰富，既可揭示大部分污染事件下系统的监测性能，也考虑了极端污染事件的影响。通过权衡多个性能目标的全概率分布，能够确定最优的监测点设计方案，从而提高监测系统的水质污染监测性能。　　其次，创新提出考虑水质监测点失效和管网需水量、拓扑结构不确定性的水质监测系统鲁棒性评估技术，以确定鲁棒性最优的监测系统设计方案。提出考虑水质监测点失效等级的多目标监测系统鲁棒性评估数学模型，通过构建污染入侵事件数据库及Borg算法优化高效求解，同时考虑管网需水量和拓扑结构变化对监测系统鲁棒性的影响，并量化了各监测点对监测系统整体效果的重要性。研究结果不仅指导了供水管网水质监测系统的布置，还为监测设备日常维护方案的制定提供了理论依据。　　最后，提出了水质监测系统和人工取样相结合的污染源定位技术。水质监测系统监测到污染入侵后，将报告污染的监测点上游的所有管道视为初始污染区域。为提高定位效率、降低成本，本文提出了动态消火栓水质取样方法，即先在预先指定数量的消火栓处取样检测，下一步根据检测结果动态更新污染候选区域，循环上述过程以不断缩小污染区域，直至锁定污染源的位置。其中，每轮循环时最佳的取样位置通过优化选址模型及蒙特卡洛方法求解获取，旨在使每个子区域内管道长度尽可能相等实现，子区域由取样点位置与管道流向共同确定。　　本文所提出的水质监测系统优化设计与污染源定位方法被应用于两个实际供水管网，模拟效果证明了其有效性。研究成果为供水管网水质安全保障提供了理论依据与技术支持，对建立完善的水质监测系统具有重要意义。

关键词： 农村   饮水安全工程   供水水质检测   监管机制  

摘要： 农村饮水安全关系到人民群众的身体健康状态，这就对农村饮水安全工程有着更高要求，定期进行水质检测以保证饮水质量，是当下维持农村饮水工程安全态势的重要基础。文章简述了当下农村饮水安全工程的发展概况，并就水质检测工作面临的主要问题进行了分析，阐述了供水水质检测的具体内容，提出了建立供水水质检测行业监管机制的建议，希望能够为同行业工作者提供一些帮助。

关键词： 分光光度法   水质检测   STM32F429   人机交互  

摘要： 水质检测分析是通过相关水质仪器测定水体中污染物的种类、各类污染物的浓度以及变化趋势,给出水质状况的评价结果。实现全面、及时、准确的水质检测是指导生产的科学依据,也是精确控制原材料的添加、优化生产工艺的基础,对保障人民饮水安全和企业正常用水需要具有重要的现实意义。本课题在系统分析水质检测技术以及仪器的国内外发展现状的基础上,设计了一种基于分光光度法的水质自动分析系统,对水质自动分析系统的硬件和软件进行设计,主要研究内容如下:(1)本文通过分析各种水质分析方法的优缺点,选择分光光度法作为本次水质自动分析系统的检测方法,基于朗伯比尔定律,研究水质分析仪器的设计原理,根据国家标准《GB/T6913-2018》和《GB/T6913-2018》,对检测物质进行化学前处理以及流程设计。(2)采用模块化的设计理论进行了水质自动分析系统人机交互控制模块、流路模块、样品反应模块、光谱仪模块四部分的设计。根据各模块的组成,确定水质分析系统的硬件电路组成包括:stm32单片机核心板、电源模块、继电器控制模块、蠕动泵控制模块以及通讯模块电路。最后将各模块完整的电路系统,按照PCB板的元器件的布局原则和PCB板的走线原则合理的集成在一块电路板上。(3)对水质自动分析系统软件进行了设计,通过制定相关的上传和下发协议,采用Keil5语言进行编程,完成系统对数据的采集、分析处理等功能;用C语言在Microsoft Visual Studio平台上完成上位机软件的设计,用调试模块完成系统的初步调试,在调试完成后,采用测量模块,实现对标准溶液的标定和曲线计算以及对待测溶液的浓度计算等测量功能。(4)在实验室搭载系统测试样机,进行通信测试模拟实际流程。根据水质检测仪器的关键性指标,利用样机分别对磷酸盐以及二氧化硅检测指标进行测试分别获得磷酸盐的复性指标为0.06%、示值误差为1.83%、零点漂移值为0.3%、检出限为0.76mg/L、测量范围为0.76mg/L-200mg/L;二氧化硅的重复性指标为0.37%、示值误差为1.90%、零点漂移值为0.7%、检出限为0.36mg/L、测量范围为0.36mg/L-100mg/L。水质自动分析系统的各项检测结果,都完全符合设计要求。(5)根据对比分析,本文研究的水质检测仪器和国内同类产品相比,检测周期短,检测精度高,检测范围宽。

关键词： 油田水质监测   配套技术   管理  

摘要： 本文重点对油田水质检测配套技术及管理进行探讨，从水质检测的作用入手，分析了油田水质检测配套技术，最后提出几点提高油田水质检测结果准确性的策略，希望通过本文研究，为相关人员提供参考借鉴，促进油田水质检测工作的良好开展。

关键词： 水污染治理   机器学习   水质检测   传感器   污水评价指标  

摘要： 在农业生产过程中,无论是畜牧业还是种植业都离不开河流、雨水、湖泊以及地下水层提供的淡水资源。随着人类文明的发展,各类生产生活所产生的废弃物质正在污染着地球上的淡水资源,而淡水资源的短缺和污染会直接对农业的产出产生直接的影响,有可能引发大面积的粮食危机,进而对人类的生存发展产生极大的危害和影响。水质监测在水资源可持续利用的发展过程中有重大意义,加强对水质监测的力度,不仅有效地控制了水污染,还能观察水质是如何变化的,分析水质问题并且及时处理,进而缓解工业污染带来的水质恶化,提高水资源的质量,增加国家的经济效益。为保障农业生产秩序,推动提高精准控制河水污水治理水平,本文在研究过程中以构建高效的、精准的入河排污口水质检测系统为主要研究目标,通过实地走访、调查研究、查阅文献等形式对当前国内,特别是江苏省、南京市入河口排污水质量检测和治理的的现实状况进行了解和分析,使用KNN算法、M-SVM算法,结合水质检测工作的历史数据对污水质量检测这一问题进行综合分析和研究,提出可以推广使用的、精度较高的入河口水质检测模型,并运用软件设计理论和主流的开发技术对城市入河口水质自动检测系统进行了分析、设计、实现与测试。完成的主要工作包括:一是完成了入河口水质检测系统需求分析与设计。结合我国入河口水质检测和污染治理的的实际情况,对入河口水质检测的现实需求进行实地的调查了解,提出分析结论,运用软件设计技术对平台的可行性、功能性需求、非功能性需求等进行分析研究,形成系统需求分析结论;并基于需求分结论从总体架构、功能模块、数据库等方面确定系统的总体设计方案。二是基于数据挖掘算法对入河口污水水质检测问题进行研究。结合前文需求分析的结论,特别是针对需求分析中系统的核心功能——污水水质检测问题,对照《中华人民共和国地表水环境质量标准》,将检测过程中的水质按由高到低区分为五级,以南京市入河口污水水质检测为主要研究对象进行研究,综合运用了KNN、M-SVM算法建立水质检测评价模型,并运用实际数据对模型进行验证,最终根据验证结论选择更加快速、精准的M-SVM算法对该核心功能进行实现。三是完成了水质采样检测终端设计。根据系统需求分析,确定水质采样检测终端总体结构,并对水质测量节点的设备,对照功能需求和性能要求进行了硬件选型,对核心微处理器的结构、终端水质数据采样业务流程进行了设计,确保了采样检测终端稳定运行,支撑软件系统功能实现。四是完成了系统的实现与测试。对照系统设计方案,采用Flask Web技术、Bootstrap的前端框架,基于Python语言对系统原型进行了实现,并针对南京市入河口水质数据,对照传统的人工检测结果,对自动化水质检测系统进行测试与验证。通过测试和实验,本文所提出的自动化的水质检测方法具有一定的准确性和可操作性,设计实现的入河口排污水质自动检测系统功能完备,性能稳定,可操作性强。本文的研究对于动态监测河水水质变化,控制提高河水水质具有重要意义,同时也能一定程度上为我国污水检测的自动化提供参考依据。

关键词： 水质检测   多参数   集成系统   实时监测  

摘要： 水是一切生命都赖以生存的最重要自然资源之一。国内的人均淡水资源量只有2300立方米,仅为世界平均水平的1/4,是全球人均水资源最贫乏的国家之一。水资源的污染不仅会威胁到当地河流湖泊的生态环境,严重时更会阻碍社会的健康发展。在常见的水质监测指标中,一般包括浊度值、酸碱度值、总溶解固体值等。目前,物理检测法和化学检测法是水质常规检测中最常用的两种方法,这些方式虽然有可靠的稳定性,但是需要花费大量的人工成本和时间成本,难以实现快速测量。此外,在井下原油高压水开采等石化工业中,实时监测水质参数,尤其是对超低浊度的监测,可以把握生产过程,提升产品的质量,而传统的方法不能即时反应水质的原始状态,难以达到对水质多参数实时测量的要求。本文在单光子探测技术实现对水质低浊度和粒径同时测量的研究成果上,优化选取了浊度的测量区间,结合了当前的传感器技术与嵌入式软件技术,在测量浊度的基础上,提出了一种软硬件一体的水质多参数测量系统。该系统除了可以测量浊度外,还可以同时测量水体的酸碱度值、总溶解固体值、温度值。此测量系统硬件包含STM32主控制器芯片、四种水质参数测量传感器、LED显示屏等,软件中包含数据获取和处理、数据纠错、数据预警等功能。该测量系统可以布置在户外,也可以布置在室内。水质的实时参数、设置的预警阈值等可以通过显示屏显示,用户可以即时获取相应参数的变化,且当参数发生变化时系统会即时的发出预警通知。该系统结合了传统的硬件和现代的集成系统技术,将两者的优点结合,降低了测量的成本,节约了测量的时间,实现了实时测量与预警。最后,对设计开发的水质测量集成系统进行多次测试,对获取的参数信息进行处理分析,相关系数均在0.8以上,此测量系统达到预期效果,可以满足测量的要求。

关键词： 激光诱导击穿光谱   水质检测   元素定量分析   光谱去噪  

摘要： 工业化和城市化的进程带来了便利也产生了大量污染,多种生产生活废水的排放导致了水生生态系统的退化,也对人类健康产生潜在危害。因此对水体的保护与监控受到了广泛的重视,对更高效便捷的水中元素检测设备的需求也日益增强。激光诱导击穿光谱（LIBS）技术作为一种元素分析的方法,具有很好的实时性和广泛的适应性,可以同时对多种元素进行检测,在水中元素检测方向具有广泛的应用价值。因此本文开展了基于LIBS技术的水质检测系统设计。本文研究内容如下:首先,从LIBS的原理出发,设计了多脉冲激光诱导击穿光谱检测系统。系统选取被动调Q激光器作为一种便捷廉价的多脉冲LIBS解决方案,但该激光器出光不受严格的时序控制,因此引入了新的问题。为了解决光谱仪对等离子体光谱同步采集的时序控制问题,设计制作了光触发精密延时系统并集成在光谱仪内。延时系统可以对光触发信号脉冲数进行判断和选择,实现对多脉冲烧蚀增强光谱的采集。通过精密调节延时,去除等离子体早期连续辐射,获得了高信噪比的光谱信号。其次,设计了基于Lab VIEW的检测系统上位机,实现对系统的参数设置与数据传输,并对光谱数据进行处理分析。其中针对常用降噪方法会改变谱峰强度和波长的缺点,设计基于小波变换的算法对光谱数据去噪处理,对不同小波函数及阈值处理方式进行研究,最终选用coif5小波函数,可以有效滤除噪声而不影响光谱分辨率。在预处理后通过比较强度值以及二阶导数值确定谱峰波长,并与光谱库数据匹配比较,实现对元素种类的定性分析。通过谱线强度实现对元素浓度的定量计算。最后使用本课题设计的LIBS系统,对不同水样样品进行检测。配置不同浓度的重金属溶液作为标准溶液,使用滤纸吸附和富集溶质元素后对滤纸进行LIBS检测,通过光谱数据建立定标模型。发现选取520.8 nm谱线可以有效检测Cr元素的浓度,对水样进行检测的最小RD%为3.4%,证明了检测系统的有效性。进一步通过设计偏最小二乘回归算法,使用多个特征峰的强度数据进行建模分析,经过交叉验证确定选取3个主成分进行拟合,得到R2=0.99的拟合系数,提高了定标模型精度。实验结果表明,通过本文设计的LIBS系统对水中元素检测是行之有效的,并且成功通过多脉冲应用、触发脉冲和延时的选择提高了光谱强度和检测能力。

关键词： 饮水安全   农村地区   水质监测   检测质量  

摘要： 随着社会发展饮水安全问题始终是人们重点关注的问题，特别在人们日常生活中饮用水属于必不可少的物质无法用其他东西替代，饮用水的具体质量及安全性与人们身心健康存在密切关联。随着各地农村不断快速发展在农村地区饮水安全问题也成了急需解决的问题，特别在建设新农村背景下饮水安全工程的建设不但可对人们正常饮水进行确保而且还关系到农民生活质量的改善。本文主要分析农村地区饮水安全以及水质检测等工作面临的各类问题，明确提高水质检测质量的重要意义并探讨提升农村饮水安全及水质检测质量的相关对策，希望可让农村的饮水安全水平显著提高对当地农村的长久发展进行促进，并为相关从业者提供一定参考。

关键词： 激光诱导击穿光谱   特征谱线选择   水质检测   梯度提升树  

摘要： 激光诱导击穿光谱技术（Laser-induced breakdown spectroscopy,LIBS）在用于物质检测时,光谱中包含了测量样品中所有可激发元素的多条原子线或离子线,谱线信息较为复杂,容易产生交叉重叠干扰。特别是用于水质检测时,由于受到液体样品溅射与波动的影响,光谱中存在大量冗余特征,这些都会对定量分析的稳定性造成影响。本文以Ca Cl2溶液为实验样品,搭建以液体射流为进样方式的LIBS在线检测平台,研究特征谱线选择对LIBS水质检测稳定性的提高。主要内容包括:（1）LIBS在用于水质检测时,光谱中存在基线较高,噪声复杂、谱线强度量纲不统一等问题。为了减小误差,提高检测稳定性,对原始光谱进行基线校正、噪声消除、数据去量纲化、方差过滤和F检验等预处理。（2）由于水体溅射严重,波动较大,人工选择特征谱线结合单变量模型预测结果不理想。为了提高LIBS水质检测的稳定性,使用CART回归树进行特征谱线选择,通过CART回归树的变量选择,特征变量个数从100缩减到6,变量的压缩率达到了94%,显著降低了无关谱线的干扰。CART回归树模型的R2,RMSEC,RMSEP和ARE分别为0.9975,0.0035wt.%,0.0061 wt.%和2.500%,ARSD减小到3.21%。对比单变量模型和偏最小二乘回归的预测结果,CART回归树模型不仅具有更加优秀的特征解释能力,而且相对标准偏差更低,表明其具有更高的预测稳定性。（3）单一的CART回归树模型稳定性不高,输入特征较多时,容易发生过拟合。为了解决以上问题,并提高LIBS在水质检测的稳定性,本章引入梯度提升树（Gradient-Boost Decision Tree,GBDT）分析混合溶液中Ca含量。对比单一CART回归树、随机森林回归（Random Forest Regressor,RFR）和GBDT的特征谱线选择结果和定量分析稳定性。GBDT的特征缩减率达到了94.8%,而且具有更加优秀的特征区分能力。GBDT模型的拟合系数R2,RMSEC,RMSEP分别为0.999,0.001wt.%,0.003wt.%,ARE达到了2.45%,ARSD降低为3.37%,定量分析结果显著优于CART和RFR。上述结果证明了GBDT模型与LIBS结合并用于水质检测的可行性,基于Boosting思想的GBDT模型不仅可以准确的选择特征谱线,而且可以显著提高水质检测的稳定性。本文针对LIBS在用于水质检测时的不稳定性进行了相关的研究,引入CART回归树和GBDT模型对LIBS特征谱线进行选择。通过对比预测结果,表明CART回归树和GBDT模型可以有效的提高LIBS水质检测稳定性,为LIBS技术在水质检测领域的发展提供了有效的支持。

关键词： 香豆素   荧光探针   H2S   水质检测  

摘要： 硫化氢(H2S)是高硫煤开采及高硫油气田勘探开发等过程中涌出和泄露的一种强腐蚀性高危性气体。无疑,对相关环境中H2S浓度进行准确、快速、便捷的检测对于人员安全及设备保护具有非常重要的意义。低浓度H2S受常规检测信号弱、环境干扰强、检测灵敏度低等影响,难以及时做出准确分析。本文针对低浓度H2S检测中存在的问题,依据荧光分析技术原理设计并合成了 3种适用于低浓度H2S检测的高灵敏度、分析快捷的荧光探针分子,并通过实际水样中痕量H2S的检测进行了可靠性验证。 (1)以4-二乙氨基水杨醛、乙酰乙酸乙酯和对羟基苯甲醛为原料,经两步合成得到香豆素类荧光探针MT1,探针MT1以C=C作为识别单元对H2S进行特异性识别。MT1在乙醇/水(1:9,v/v)混合体系中对H2S具有专一响应、稳定性高、抗干扰能力强、检出限低;检出限为3.6× 10-7 mol,响应时间为60 s;采用密度泛函理论、FTIR、HR-MS对探针MT1与H2S的响应机理进行探究。此外,该探针对护城河水中H2S回收率为96.70～103.96%。 (2)以探针MT1的结构为基础,通过与强吸电子基团(2,4-二硝基氟苯)结合获得了新的香豆素荧光探针MT2,探针MT2以酚醚键作为识别单元对H2S进行特异性识别。探针MT2在四氢呋喃/水(1:9,v/v)混合体系中对H2S表现出较好的选择性和稳定性,相较于MT1,MT2的灵敏度增加,检出限降低至1.36×10-8mol;采用密度泛函理论、FTIR、HR-MS对探针MT2与H2S的响应机理进行探究。此外,该探针对护城河水中H2S回收率为98.38～102.71%,利用探针MT2制备的简易滤纸条成功实现对生活用水中H2S的检测分析。 (3)以对苯二甲醛和丙二腈反应形成新的探针MT3,该探针合成步骤简单、原料价格低廉、可重复性强。探针MT3在二甲基亚砜/水(4:6,v/v)混合体系中对H2S表现出较好的选择性、稳定性和抗干扰能力;MT3对H2S的检出限为2.57× 10-7 mol,响应时间为90 s;采用密度泛函理论、FTIR、HR-MS对探针MT3与H2S的响应机理进行探究。此外,探针在护城河水中回收率为91.52～103.61%。