隨著(zhù)我國經(jīng)濟的發(fā)展和能源結構的調整，煤炭仍然是我國主要的能源來(lái)源之一。但是，煤炭生產(chǎn)和消費過(guò)程中所產(chǎn)生的污染問(wèn)題也越來(lái)越受到關(guān)注。其中，煤礦污水排放問(wèn)題是其中之一。
煤礦污水中含有大量的有害物質(zhì)，會(huì )對環(huán)境、生態(tài)和人體健康造成嚴重的影響。因此，治理煤礦污水排放問(wèn)題是一個(gè)備受關(guān)注的議題。
今天給大家推薦的文章，是關(guān)于研究人員在礦井水質(zhì)的檢測的中，建立光譜反演模型，以助力高光譜技術(shù)在水污染監測中的應用。該方法的出現對于解決煤礦廢水治理問(wèn)題具有重要的意義。
礦井水中的煤炭污染主要來(lái)自煤矸石的富集和浸出、洗煤廢水、煤礦滲水災害等，主要表現為水中煤濃度過(guò)高，這種礦井水用于農田灌溉時(shí)會(huì )使土壤累積形成“黑土”，從而導致土壤硬化，進(jìn)而導致植被退化、作物枯萎、產(chǎn)量下降等。礦井水滲入地下水或下水道直接進(jìn)入河流，一方面，其導致水資源浪費和河流污染，另一方面，因為礦井水中有很多煤粉，巖粉和細菌，長(cháng)期排放也會(huì )嚴重影響當地居民的飲用水健康。
在土壤中，煤源碳不同于植物源有機碳，其元素組成缺乏植物和土壤微生物所需的氮、磷、鉀等礦質(zhì)營(yíng)養物質(zhì)，它穩定性較強，不僅使生物體的分解和利用變得極其困難，而且還干擾土壤有機碳的識別。并且礦井水中的煤濃度是礦井排水的主要指標，煤濃度的準確測定對礦井水的凈化和二次利用具有重要意義。
然而目前，凝結沉淀+過(guò)濾工藝被廣泛用于去除礦井水中的煤，其在處理過(guò)程中加入大量活性劑、絮凝劑等化學(xué)物質(zhì)，由于對化學(xué)試劑的數量并沒(méi)有嚴格的控因此，如果不能準確測量礦井水中的煤濃度，在處理過(guò)程中仍會(huì )形成二次污染。隨著(zhù)高光譜技術(shù)的快速發(fā)展，其低成本、高效的優(yōu)點(diǎn)使其成為水污染監測的重要手段，對葉綠素、重金屬離子和水中可溶性有機物等光學(xué)活性物質(zhì)濃度的遙感反演研究相對成熟，對這些指標參數建立了許多反演模型，但在礦井水質(zhì)參數的反演過(guò)程中，水中煤濃度的反演模型尚未得到研究。
基于此，在本研究中，為了實(shí)現礦井水中煤濃度的準確測量，來(lái)自河南理工大學(xué)測繪與土地信息工程學(xué)院的一組研究團隊，首先制備了不同煤濃度的樣品（0mg/L-1000mg/L），并利用ASD Fieldspec 3便攜式地物光譜儀測量不同煤濃度礦水的可見(jiàn)-近紅外光譜數據，再使用CARS算法（競爭自適應重加權采樣）提取敏感波段，最后利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )方法（CNN）建立礦水煤濃度光譜反演模型（CKCNN模型），并采用k倍交叉驗證對模型進(jìn)行優(yōu)化，以預測礦井水中的煤濃度，控制化學(xué)試劑的量，減少二次污染的影響，實(shí)現煤濃度的反演。并同時(shí)使用均方根誤差（RMSE）、平均絕對誤差（MAE）和相關(guān)系數（R）等評估指標評價(jià)模型。
樣品煤濃度
【結果】
不同煤濃度水平下的光譜曲線(xiàn)
由CARS選擇的敏感波段
反演模型精度評價(jià)
六種模型的反演結果
【結論】
本研究以焦煤集團中馬煤礦的煤樣為研究對象，利用便攜式地物光譜儀ASD FieldSpec3測量了不同煤濃度的礦井水樣可見(jiàn)-近紅外的光譜數據，研究了礦井水中煤濃度的光譜特性，基于CKCNN煤濃度估算模型（模型反演精度為R2=0.9994，RMSE=6.1401，RPD=41.9692），反演礦井水中煤濃度，得出以下結論：
● 水樣的光譜反射率集中在可見(jiàn)光波段，而在近紅外波段幾乎為0；光譜反射率隨煤濃度的增加而減??；在500~550nm和760nm左右分別形成了一個(gè)反射峰和一個(gè)吸收谷，并隨著(zhù)煤濃度的增加而逐漸減弱。
● 與SPA+BF、CARS+BF、SPA+CNN、All Band +CNN、CARS+CNN五種建模方法相比，CKCNN濃度估計模型的反演效果最好，反演誤差為0.17mg/L，反演結果符合GB11901-1989中實(shí)驗室測量的要求；基于高光譜數據的CKCNN模型可作為預測礦井水中煤濃度的方法。
總之，研究結果表明，在可見(jiàn)光-近紅外波段的高光譜遙感可以快速探測到礦井水中的煤濃度，CKCNN模型為測定礦井水中的煤濃度提供了一種新的方法，在推進(jìn)礦井水中煤濃度對可見(jiàn)-近紅外光譜的影響研究方面具有重要意義。
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