基于显微拉曼成像光谱的三峡水库支流回水区营养盐快速检测与评价方法研究

The backwater areas eutrophication trend has intensified since the operation of the three gorges reservoir. The nutrients content is an important parameter of eutrophication, timely detection of it is essential to assess and effectively prevent water pollution. Currently, traditional laboratory detection methods are time-consuming and pollution environment. Therefore, it is necessary to explore a rapid, convenient and environmental friendly detection method. This proposal is firstly use SPSS software to study the correlation factors of nutrient load, and explore the limiting factor of eutrophication. Then, adopt micro-Raman spectroscopy and imaging spectroscopy to build up a experimental device for nutrient detection; Also, study the characteristics and methods of the device in rapid detection and analysis processing such as without sample pretreatment, real-time detection, image-spectral combined, visualization and high precision. Meanwhile, combine with chemometrics analysis methods and image processing tools to build an intelligent spectrum analysis system to detect the composition and structure of nutrients, also explore the temporal and spatial distribution characteristics of nutrients in the backwater zones. Finally, discuss the relationship of eutrophication and nutrients and the eutrophication risk assessment. The results of this proposal could be able to provide a novel method to judge the trend of the reservoir water ecological security and to promote its applications in the detection of various trace amount of water pollutants.

三峡蓄水运行以来水库支流回水区水体富营养化趋势加剧。营养盐含量是富营养化的重要参数，及时检测营养盐含量对评估和有效防范水环境污染至关重要,而传统实验室检测方法繁琐耗时，污染环境。因此，亟需探索一种现场、快速、简便、环保的检测技术及方法。本项目首先采用SPSS软件对营养盐负荷有关影响因子进行相关性研究，探索富营养化的限制因子；然后采用显微拉曼光谱技术融合成像光谱技术，构建营养盐快速检测实验装置，并研究该装置在检测分析过程中无需样品预处理、实时检测、图谱合一、可视化与高精度等特性与方法；再结合化学计量学的分析方法及图像处理手段构建智能化的拉曼谱图分析系统，进行营养盐组成和结构的快速测试及分析回水区营养盐的时空分布特征。探讨富营养化与营养盐的制约关系及其风险评估。本项目研究可为判断库区水生态安全发展趋势提供新的技术途径和方法，推动该技术在各种痕量水体污染物分析检测中的应用。

三峡水库实施175m蓄水以来库区支流富营养化现象日趋严重，营养盐含量是富营养化的重要参数。理论分析自2010年175m蓄水以来库区支流富营养化状况的相关资料，对库区主要支流库湾回水区的水体富营养化现状进行研究，探讨了库区支流富营养化程度的发展趋势，为选择代表性的支流水体作为研究对象提供基础，同时采用显微拉曼光谱技术融合成像光谱技术搭建营养盐快速检测实验装置，探索检测分析过程中可视化与高精度等特性与方法；提出采用基于深度卷积特征在线检测-跟踪的目标跟踪框架，并引入难负挖掘技术以提高跟踪模型的判别能力，利用包围盒回归方法细化跟踪结果，提高目标检测的速度和跟踪性能；针对水质评价时因子众多且各因子间相互影响，采用改进主成分分析融合多元回归分析建立水质评估预测模型，并对近年来库区支流的水质情况进行测评；针对库区水体富营养化形成机理复杂，且水质体系的多层次性、模糊性和复杂性，提出采用改进模糊运算方式及综合评判方法结合层次熵权分析构建新型的富营养化评价模型，并应用于库区支流库湾水体的评价分析；提出一种库区水体富营养化风险评估预警系统及其分析方法，及时高效的实现库区水体富营养化趋势分析和风险预警处置，可提高库区水环境监管效率，也可应用于其他类似河湖水库的富营养化风险研究。项目执行期间，在国内外期刊和国际会议上共发表论文7篇，已申请发明专利3项，已授权发明专利多项。