厦门湾溶解有机物的三维荧光光谱特征及其来源解析

利用三维荧光光谱-平行因子分析(EEM-PARAFAC)技术,研究了2009年春、秋季厦门湾有色溶解有机物(CDOM)的荧光组分特征,并利用主成分分析方法对影响该海域CDOM分布的主控因素及其相对贡献进行了解析。厦门湾CDOM中含有3个类腐殖质荧光组分(C1,C2和C5)及2个类蛋白质组分(C3和C4)。所有类腐殖质组分之间、以及所有类蛋白质组分之间均有很好的相关性,表明同一类型的荧光组分具有相似的来源属性及地球化学行为。类腐殖质组分的高值区分布在九龙江河口区上游,而类蛋白质组分的高值区则位于厦门西海域北部,低值区都位于东部的厦金海域。排污口附近的局部海域存在污染输入的贡献。对荧光组分进行的主成分分析结果显示,陆源径流输入是厦门湾水体中CDOM荧光组分的主要来源;海区现场生物活动的贡献不大。这表明对PARAFAC识别的荧光组分进行主成分分析,有助于实现对水环境中CDOM的不同来源及其相对贡献率的定量解析。     

艾比湖流域地表水二维荧光峰值与水质指标关系初探

随着技术的进步与发展，国内外学者早已利用不同的技术手段对水质指标的评价与估算开展了大量研究，但是利用二维荧光峰值估算水质指标的方法尚不多见。以艾比湖流域地表水为研究对象，利用多元统计分析和逐步回归分析方法，对二维荧光峰值和水质指标建立估算模型以初步探究二者的相互关系。结果表明：(1)艾比湖流域不同河流的水质状况不同，博尔塔拉河(简称博河)的TN含量最高，水库及水渠的TP含量最高。(2)同一水样点有三个荧光峰(Peak1，Peak2和Peak3)且强度逐渐减弱，不同河流的荧光峰强度不同，其中博河、水库及水渠的荧光峰强度变幅最大。(3)经过荧光峰值与水质指标的相关分析发现Peak1与BOD₅，Peak2与BOD₅，Peak2与COD，Peak2与DO具有较好的相关性，相关系数分别为：0.479，0.371，0.655和0.618。将单荧光峰值和水质指标建立估算模型，经验证四组估算模型的精度较差，单峰值建模无法达到监测要求。因此，在单荧光峰值建模的基础上，将每个水样的三组荧光峰值和水质指标进行综合建模，建立多元回归方程，经模型验证得出三组荧光峰值与DO的综合模型效果最好，R=0.756, RMSE=1.001。因此二维荧光峰值与水质指标DO的综合估算模型是可行的，对干旱区水质指标监测具有一定的参考意义，为艾比湖流域水资源的开发、利用及保护提供科学依据。     

复合垂直流人工湿地净化过程中DOM的三维荧光光谱分析

三维特征荧光参数可以反映污水处理过程中污染物的种类、性质和含量变化等丰富信息。通过对水样进行三维荧光特性分析和常规有机污染物指标COD,TN,TP的对比分析, 确定表征污水中溶解性有机污染物种类、组成和含量的三维特征荧光。对进水、间隙水和出水中DOM的四种不同组分的荧光光谱图、荧光峰值(R.U.)、荧光指数FI、腐殖化指数HIX以及与COD,TN,TP的相关性进行研究可知：污水处理前后特征荧光峰中心位置和强度均发生明显的改变, 表明污水中有机物的相对组成和含量随处理过程而变化;类腐殖质组分的降解情况不显著,而类蛋白组分的降解情况显著,类蛋白组分与COD,TN,TP呈现显著正相关。采用三维荧光光谱法分析了污水处理过程中溶解性有机物的荧光特性变化规律, 探讨三维荧光技术用于描述污水处理过程中溶解性有机污染物降解规律的可行性。     

基于定量遥感反演的内陆水体藻类监测

叶绿素作为衡量湖泊富营养化的重要指标,利用遥感技术对其进行实时动态监测具有重要意义。以太湖为例,通过对水体实测光谱和水质采样数据的分析,建立了光谱反射率比值与叶绿素a浓度的回归模型。结果显示,700 nm附近波段与625 nm附近波段所构建的比值模型R2最高,710 nm以后波段与其他可见光波段所构建的比值模型的R2会随可见光波长的增大而逐渐下降。在高光谱遥感估算模型的基础上,应用同步MODIS卫星遥感数据进行了太湖叶绿素a浓度的空间分布反演,并基于MODIS绿度指数建立了太湖藻华水体信息提取模型,从叶绿素a浓度估算和藻华信息提取两个方面实现了太湖藻类空间分布特征的定量反演,为太湖等大型内陆水体藻类的实时定量遥感监测提供了新的研究思路。     

筼筜湖CDOM的三维荧光光谱及其污染示踪研究

测定了2008年4～5月厦门筼筜湖52个CDOM样的三维荧光及吸收光谱,以探讨利用其光谱特征示踪高污染近海浅水湿地生物修复过程中有机污染程度的可行性。利用平行因子分析对三维荧光光谱进行解谱。结果表明,筼筜湖CDOM可识别出3类5个荧光组分,包括类腐殖质荧光组分C1(240,325/422 nm)和C5(260,380/474 nm)、类蛋白质荧光组分C2(225,275/350 nm)和C4(240,300/354 nm)以及有机污染组分C3(225/342 nm),其中C3可作为外来有机污染物输入的指纹特征。松柏湖干渠及污水处理厂排放口C3组分及DOC浓度很高,表明周边污水输入是筼筜湖有机污染的主要来源。类腐殖质荧光组分C1及吸收系数a(280)与COD之间、类蛋白质荧光组分C2与BOD₅之间均具有很好的线性相关关系,表明CDOM的光谱特性可很好地指示有机污染程度,对评价有机污染严重水域生物修复作用机理及效果有重要的参考价值。     

厦门港国际船舶压舱水交换的CDOM示踪研究

通过对2007年10月-2008年4月经停厦门港的不同航线9条国际船舶29个压舱水中有色溶解有机物(CDOM)的三维荧光光谱和吸收光谱分析,探讨了利用CDOM光谱参数检验进出我国港口的国际船舶是否进行了远洋压舱水交换(BWE)国际公约规定的可行性.利用平行因子分析(PARAFAC)对三维荧光光谱进行解潜,共鉴别出压舱水CDOM具有2个类腐殖质及2个类蛋白质荧光组分,其中长波类腐殖质组分C2(250,345/458 nm)可作为判断压舱水是否进行BWE的合适指标.压载舱中各荧光组分垂直分布基本均匀.利用C2组分结合吸收光谱斜率比值SR、盐度等指标.对七述船舶是否进行BWE作出了准确判断.研究结果表明,3类指标的综合应用将能更有效地对国际船舶是否进行BWE进行可靠的检验,对今后在厦门港乃至国内其他港口开展压舱水水源的快速检测提供了技术支撑.     

城市生活污水处理过程三维荧光光谱在线监测分析方法

采用三维荧光光谱(3D-EEMs)结合主成分分析(PCA)方法,将城市生活污水的三维荧光光谱分为芳香性蛋白类、微生物代谢产物、腐殖酸类和富里酸类物质四个光谱区域,判断各区域的主成分贡献率,求取各区域的第一主成分区域值,建立其与水体化学需氧量(COD)和总氮(TN)关系,研究了城市生活污水处理效果快速分析评价方法。研究结果表明,城市生活污水荧光物质主要由方香性蛋白类物质、微生物代谢产物、腐殖酸类和富里酸类物质构成,各物质的荧光区域分布不同,在污水处理过程中芳香性蛋白类物质和微生物代谢产物区域光谱变化明显,腐殖酸类和富里酸类物质区域光谱变化较小;光谱各区域第一主成分区域值与水体COD及TN之间具有良好相关性,其中芳香性蛋白类物质光谱第一主成分区域值与COD相关系数达到97.63%,芳香性蛋白类物质和微生物代谢产物第一主成分区域值之和与腐殖酸类和富里酸类物质第一主成分区域值之和的比值(Y_p/Y_f)与TN相关系数达到94.02%。通过将水体三维荧光光谱结合主成分分析方法,实现了对污水处理各流程的荧光光谱的信息降维提取,避免了各物质荧光峰的重叠和光谱信息冗余;通过水体中各物质的光谱特性将光谱分割为不同的物质区域,求取各区域内光谱第一主成分区域值,提高了物质识别的准确率,有效地解决了各物质光谱信息识别问题;通过利用芳香性蛋白类物质光谱第一主成分区域值和Y_p/Y_f与常规水质指标COD和TN作相关性分析,为污水处理监测提供了一种实时有效的监测生活污水水质状况方法,解决了污水处理流程难以实时准确监测的问题。因此,利用三维荧光光谱结合主成分分析方法可对城市生活污水处理过程进行快速判别,为污水处理过程中水质监测、工艺优化及处理效果评估提供了一种全新的快速在线监测分析方法。     

石油污染水体荧光图谱特征分析

石油类物质对水体吸收系数的影响主要通过黄色物质(CDOM)体现出来,CDOM和石油类物质皆具有荧光基团,如果两者的荧光图谱各自特征明显的话,那么有望利用荧光技术分离出水中石油物质和CDOM各自对水体总吸收系数的贡献,从而提高水体石油类物质含量的遥感反演精度。以大连周边海水和山区水库水为自然水体本底,分别与取自采油污水厂和炼油污水厂的污水进行混合配比,利用试验数据分析了仅含CDOM、含油与CDOM混合、仅含石油三种水样的荧光图谱特征,旨在为利用荧光技术分离出水中石油物质和CDOM各自对水体总吸收系数的贡献提供依据。分析结果表明：(1)自然水体中,海水的CDOM具有三个典型荧光峰,分别位于Ex:225-230 nm/Em:320～330 nm,Ex:280 nm/Em:340 nm和Ex:225-240 nm/Em:430～470 nm,为海水叶绿素碎屑物所致;淡水具有两典型荧光峰,分别位于：Ex：240～260 nm/Em：420～450 nm和Ex：310～350 nm/Em：420～440 nm,为陆源物质所致;(2)用正己烷萃取后的仅含油水样,具有1～3个荧光峰,分别位于Ex: 220～240 nm/Em：320-340 nm,Ex:270～290 nm/Em：310～340 nm和Ex: 220～235 nm/Em：280～310 nm,为各自烃类成分所致;(3)在自然水体中混入油污水后,含油和CDOM的水样荧光图谱呈现出一个非常强的荧光峰,位于Ex：230～250 nm/Em：320～370 nm,为CDOM和石油类物质荧光成分共同作用所致。     

利用三维荧光光谱和吸收光谱研究雨水中CDOM的光学特性

利用荧光激发-发射矩阵光谱(excitation-emission matrix spectroscopy,EEMs)技术并结合吸收光谱初步研究了2007年厦门梅雨季节期间雨水中有色溶解有机物(CDOM)的光学特性.结果表明,雨水CDOM的吸收光谱随波长旱指数衰减,代表雨水CDOM相对含量的吸收系数α(300)范围在0.27～3.45 m-1,均值为1.08 m-1;且降雨初期CDOM含量高于降雨后期.这表明人类活动和当地的大气污染或空气质基对雨水中CDOM的贡献.雨水CDOM的EEMs光谱揭示出2类4个主要荧光峰(2个类腐殖质荧光A和C与2个类蛋白质荧光B和S)的存在.其中2个类腐殖质荧光A和c之间以及2个类蛋白质荧光B和S之间均存在一定的正相关性,说明其具有相同来源或存在某种内部联系.2个类腐殖质荧光与吸收系数α(300)之间的强正相关性,说明其控制吸收特性的基团可能与控制其荧光特性的基团具有相似性质.结果表明雨水CDOM高吸收和荧光特性在大气化学中的作用不容轻视,在受大气水体影响的太阳辐射的光谱衰减中可能起着潜在的重要作用.     

保定府河溶解性有机质三维荧光光谱分析(英文)

利用三维荧光光谱法(3D-EEM)研究了保定府河溶解性有机质(DOM)的荧光特性,根据三维荧光光谱图中荧光峰的位置、数量及强度变化,荧光峰之间的相关性,初步判断荧光物质的类别、分布和来源。府河水体溶解性有机质主要有类蛋白质和类溶解性微生物代谢产物两类,类蛋白荧光峰Ex/Em=225~230/340nm(A);类溶解性微生物代谢产物荧光峰Ex/Em=275/340~350nm(B)。不同采样时间和采样点,府河水体基本上都存在类蛋白荧光峰和类溶解性微生物代谢产物荧光峰。分析各荧光峰强度与水质指标相关性发现,两荧光峰之间呈显著性相关,表明研究区域中类蛋白质和类溶解性微生物代谢产物具有同源性;DOM两类荧光峰与COD,TN,TP,NH3-N呈显著正相关,表明通过两类荧光峰强度可推测府河污染程度,为府河污染防治和沿河流域生态环境治理提供参考。     

厦门湾有色溶解有机物光漂白的三维荧光光谱研究

利用荧光激发-发射矩阵光谱(excitation-emission matrix spectroscopy,EEMs)研究了厦门湾九龙江河口中、低盐度区表层水样中有色溶解有机物在秋季天然太阳辐照下的光化学漂白。结果表明,光漂白未引起水样中类腐殖质(C, A, M)和类蛋白质(T,B)荧光峰位置的移动。5个峰的荧光强度均随辐照时间的增加而减少,其中低盐度水样的降低幅度更大,并以指示陆源河流输入的特征荧光峰C的光漂白程度最大。根据漂白速率可将各荧光团区分出易漂白和难漂白两类组分。光漂白导致T、C峰及A、C峰之间的荧光强度比值增加,说明光漂白可引起海水中溶解有机物性质的明显改变,并且也是近海类蛋白质荧光相对类腐殖质荧光占优势的一个重要控制因素。研究结果对于探究陆源有机物在近海的转化及去除过程以及海洋光学有一定的参考价值。     

富营养化水体环境中COD浓度遥感监测系统设计

对富营养化水体环境中COD浓度进行遥感监测,可以预防富营养化水体环境中COD浓度增加,提高水体水质,增加水循环次数,减少水体中有机物的污染。当前富营养化水体环境中COD浓度遥感监测系统设计方法,以Modis遥感影像数据为原理,依据富营养化水体环境中COD浓度的特征提取结果,对富营养化水体环境中COD浓度进行遥感监测,没有具体对遥感监测系统进行详细地设计,无法获取富营养化水体环境中COD浓度高精度的遥感监测信息,存在遥感监测结果偏差大的问题。提出了一种基于Zigbee的富营养化水体环境中COD浓度遥感监测系统设计方法。该方法先对Zigbee的富营养化水体环境中COD浓度遥感监测系统进行硬件设计,采用IMF对富营养化水体环境中COD浓度进行特征提取,以特征提取结果为基础,依据COD浓度指数时间序列实现富营养化水体环境中COD浓度遥感监测,最后利用Retinex法对COD浓度遥感监测的图像进行处理,完成对富营养化水体环境中COD浓度的遥感监测。仿真实验结果证明,所提系统设计方法可以精确地对富营养化水体环境中COD浓度进行安全快速的遥感监测。     

基于Fenton试剂和微型光谱仪实现水质COD和总磷的在线测定

基于Fenton试剂和微型光谱仪,实现了水质化学需氧量(chemical oxygen demand,COD)和总磷(total phosphorus, TP)的在线测定。该系统结合超声辅助,基于Fenton试剂实现了常温常压下水中有机化合物和有机磷化合物的在线消解。系统基于微型光谱仪实现了可见光光谱探测并采用多波长分光光度法分析光谱数据。结果表明,系统具有测定时间短,低功耗,结构简单和二次污染少的优点。同时,系统测定相对误差小于10%,COD和总磷检测限分别为2和0.008 mg·L-1,灵敏度分别为0.021 3和0.452 6,标准偏差分别为5.6%(15.0 mg·L-1 COD标样)和5.8%(0.010 mg·L-1 总磷标样)。实际水样测定结果与国家标准分析方法比较无显著差异。     

不同水文情形下巢湖有色可溶性有机物来源及分布特征

于2018年1月(枯水)、4月(平水)、7月(丰水)对巢湖开展野外观测,探讨不同水文条件下有色可溶性有机物(CDOM)的光谱组成结构及分布特征。结果表明丰水期巢湖溶解性有机碳(DOC)均值(3.90±0.40) mg·L-1与枯水期均值(3.89±0.19) mg·L-1无显著差异(t-test, p>0.05),丰水期S_275～295均值(21.48±1.56) μm-1显著大于枯水期均值(19.24±0.98) μm-1(t-test, p<0.001)。平行因子分析得到了4个荧光组分,分别为短波类腐殖质组分C1、类色氨酸组分C2、类酪氨酸组分C3和长波类腐殖质组分C4。TP,TN,Chl-a和DOC浓度与短波类腐殖质组分C1、长波类腐殖质组分C4都呈显著正相关(p<0.01);DOC与类色氨酸组分C2也存在一定正相关(p<0.05)。此外巢湖CDOM的组成与来源有明显的季节差异性,丰水期陆源类腐殖酸输入是巢湖西部湖区CDOM库主要贡献源;平水期湖泊藻类生物降解为重要贡献源。为有效保护巢湖水质,应对十五里河及南淝河流域实施一定的管控措施。     

水体红波段反射光谱对叶绿素浓度变化的响应

在不考虑叶绿素荧光效应的前提下,基于水体光学活性因子藻类叶绿素、有色可溶性有机物及非藻类颗粒物的吸收和后向散射系数,根据前向辐射传输模型模拟水面以上遥感反射率,分析了藻类叶绿素红光峰强度和波长位置随浓度的变化规律。结果发现：叶绿素浓度为1～50 μg·L-1时,红光峰强度和叶绿素浓度呈较好的线性关系,随叶绿素浓度的增加,线性关系越来越不明显。当叶绿素浓度为1～1 000 μg·L-1时,则呈现较好的对数关系;随叶绿素浓度的增加,红波段反射峰波长位置按对数规律逐渐向长波方向移动,不同水色组分的水体,其叶绿素在红波段的光谱反射特性随浓度的变化规律是一致的;此外,对比研究显示红波段反射峰特征不同于荧光光谱。     

东平湖CDOM的光谱吸收特征及环境指示意义

随着南水北调东线工程的开通,东平湖作为山东段的两大调蓄湖泊之一,其水质的有效监测和污染预警显得尤为重要。根据东平湖夏季有色可溶性有机物(CDOM)吸收系数的空间分布特征和CDOM光学参数,探讨了CDOM吸收系数与溶解性有机碳(DOC)、叶绿素(Chla)等水质指标之间的关系,以期为今后建立水源水质突变的实时监控和污染事件预警系统提供依据。结果表明, 东平湖属于中-富营养型湖泊, CDOM吸收系数(a(280),a(350),a(440))均值分别为(12.90±1.17),(3.11±0.40)和(0.65±0.09) m-1, 在一定程度上反映了湖泊的营养状况。东平湖内CDOM浓度整体呈现出从东岸河口区向湖心区、西南岸递减的趋势, 体现了河流陆源输入对东平湖CDOM的重要贡献。东平湖水体的CDOM浓度(如a(440))可以用来估算反演常规水质参数, 但仍需要进一步对不同季节不同水域CDOM的物质构成进行深入分析和研究。由吸收特征值S值、E₃/E₄、M值得出, 东平湖河口区输入的陆源CDOM进入湖泊后, 随着陆源输入的比例下降CDOM腐殖化程度降低, 富里酸的相对含量升高, 且相对分子质量也逐渐减小。