礦山工程水污染快速檢測系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用研究

王旭峰，宋 凱，張 航，王 芳，李 婷

（河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第一地質(zhì)勘查院，河南 鄭州 450001）

我國是全球礦產(chǎn)資源量富集的國家，無論是在礦產(chǎn)資源開采技術(shù)層面，或是在資源產(chǎn)出量方面，都對世界礦產(chǎn)行業(yè)的發(fā)展取到了推進作用。在推進市場經(jīng)濟發(fā)展與前進的同時，也對生態(tài)環(huán)境造成了嚴重的污染問題。究其原因發(fā)現(xiàn)，當有關(guān)勘察人員在進行相關(guān)礦區(qū)開采工作時，礦山中會溶解大量的重金屬物質(zhì)，這些物質(zhì)中不僅含有有毒有害成分，同時也含有大量的酸性礦坑水，這種物質(zhì)流入水中，不僅會對水環(huán)境造成污染，同時也會對生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展造成影響[1]。在環(huán)境污染中，市場對于水污染的研究相對較早，截止至今，由于礦山工程造成的水環(huán)境污染已達到了十分嚴重的地位。根據(jù)市場不完全市場調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，目前我國排入河流與大海的礦山工程廢水可超過500Gt，水中大部分生物因此受到污染而瀕臨滅絕，全球五大淡水湖泊亦受損嚴重。使用此種水資源進行農(nóng)田灌溉，使農(nóng)產(chǎn)業(yè)與畜牧業(yè)的產(chǎn)出量大大降低。為此，如何快速的測定水體中是否含有污染物質(zhì)，成為了礦區(qū)繼續(xù)研究的問題。本文也將以此為出發(fā)點，開展礦山工程水污染快速檢測系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用的研究，通過快速檢測水體質(zhì)量，緩解生態(tài)環(huán)境壓力，從而提高市場內(nèi)水資源的保有率。

1 礦山工程水污染檢測工作實施現(xiàn)狀

現(xiàn)階段，我國對于礦山工程水污染的檢測行為仍停留于野外采樣階段，大部分檢測工作的實施，為檢測工作人員攜帶采樣設(shè)備，取樣礦區(qū)水資源，并將水資源樣本帶回實驗室。使用復(fù)雜精密的儀器設(shè)備，對水中所含離子類型進行測定。檢測中使用的方法通常為分光光度檢測法、原子吸收法等，盡管這幾種檢測方法的流程設(shè)計已相對完善，且方法的使用已相對成熟，但由于這幾種方法的前期準備工作較為繁瑣、造成成本較高、分析的周期相對較長，無法滿足對水污染的快速檢測需求[2]。當面對突發(fā)性礦山工程污染事故時，根本無法在第一時間為檢測部門提供具有時效性的水資源信息。此種具有一定延時性的決策方法不僅不利于礦山工程持續(xù)開展，同時也極易對我國生態(tài)環(huán)境造成惡劣的影響。

此外，由于礦山工程水資源樣本的采集、存儲、運輸?shù)拳h(huán)節(jié)均需要嚴格按照國家檢測標準實施，無論其中任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，都會對檢測結(jié)果造成直接影響。嚴重情況下甚至?xí)z測樣本造成二次污染[3]。并且，在此過程中，有關(guān)人員需要隨身攜帶檢測或采樣裝置。但目前市場內(nèi)應(yīng)用的大部分攜帶式測量裝置的檢測范圍有限、設(shè)備整體靈敏度較差，無法準確的定位水中多項離子與成分。根據(jù)上述相關(guān)分析，發(fā)現(xiàn)我國目前開展的礦山工程水污染快速檢測工作尚存在較多的問題，這些問題的產(chǎn)生嚴重影響了我國礦產(chǎn)行業(yè)在全球的發(fā)展進程。也正因如此，礦山資源的可持續(xù)發(fā)展一直處于滯后狀態(tài)。

2 礦山工程水污染快速檢測系統(tǒng)硬件設(shè)計

圖1 礦山工程水污染快速檢測系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

硬件是礦山工程水污染快速檢測系統(tǒng)各項功能執(zhí)行的保障，完備的硬件環(huán)境可提高檢測結(jié)果的可靠性、提高檢測過程的效率。在本文設(shè)計的系統(tǒng)中，主要硬件包括傳感器、數(shù)據(jù)處理器，這些硬件設(shè)備由電路進行連接，傳感器負責(zé)采集水資源樣本數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)在系統(tǒng)中的處理裝置內(nèi)進行傳輸與處理，最終通過顯示屏將數(shù)據(jù)進行展示。綜合上述分析，本文系統(tǒng)硬件的整體結(jié)構(gòu)可用如圖1 表示。

如上述圖1 所示，集中傳感器是檢測離子故障的接口，由多個裸芯芯片構(gòu)成，該裝置連接控制器，可通過芯片傳遞的水資源參數(shù)進行污染離子的判定。數(shù)據(jù)采集控制器是檢測系統(tǒng)的核心構(gòu)成部分，其中包含GPS 模塊、濁度傳感識別模塊、PH 傳感識別模塊、溫度識別模塊等，每個功能模塊中均存儲了上萬條水污染信息。該裝置的結(jié)構(gòu)較為特殊，具有體積小、質(zhì)量輕等特點，因此在系統(tǒng)布設(shè)中具有占地空間小、易于攜帶等特征。基于這一特點，對該裝置的配置進行規(guī)劃：選擇ULV 核心處理器，選擇128G 的計算機硬盤，并設(shè)定其運行內(nèi)存為256Kb。同時，使用6.5n 的處理機提高對水污染檢測的兼容性與分辨率。

3 礦山工程水污染快速檢測系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 識別礦山工程水污染離子

當?shù)V山工程出現(xiàn)水污染情況時，檢測人員需要根據(jù)水源被污染后的表現(xiàn)形式，進行其中異常離子的識別。可將這一識別過程近似看作一個對水質(zhì)信號的定位過程，綜合數(shù)據(jù)采集控制器在其中的應(yīng)用，對水源信息中的異常元素進行自定義設(shè)置。同時，通過指令元素自定義功能讓檢測者可以直接通過特殊的指令符號進行污染離子的識別。此過程可用如下公式表示。

公式（1）中：γ 表示為識別的水源異常離子；l 表示為有毒有害離子在水樣中的活躍狀態(tài)；Rz表示為礦區(qū)水源離子在正常狀態(tài)下（/非污染狀態(tài)下）的活躍狀態(tài)；r 表示為以污染源圓心，圈定礦山工程水污染影響范圍的半徑。整合上述計算公式，利用系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)庫訪問工具，將其檢測中的離子數(shù)據(jù)進行解壓縮處理，以此在系統(tǒng)內(nèi)形成一個獨立的水污染信息文件夾。

在此基礎(chǔ)上，將解壓完成后的文件夾與礦山水資源進行對比，對檢測的污染離子進行識別。在此過程中，檢測者只需要在支持系統(tǒng)運行的程序建設(shè)環(huán)境中，進行異常范圍的圈定即可。按照礦區(qū)標準比例尺，獲取異常離子數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)礦山工程水污染離子的識別。

3.2 快速檢測水污染中離子含量

在完成對礦山工程水污染離子的識別后，可采用圈定污染源與污染范圍的方式，快速檢測水污染中離子含量。按照標準化檢測的步驟，進行水源污染發(fā)生點與預(yù)測發(fā)生點的距離計算，以此作為判斷水源中有毒有害離子含量的依據(jù)。根據(jù)上述分析，計算公式如下。

公式（2）中：M 表示為預(yù)測礦山工程水污染范圍，單位為km；δ 表示為識別的礦山工程水污染離子；s 表示為檢測誤差。根據(jù)上述計算公式，對檢測的邊緣進行連續(xù)的二乘擬合計算，去除檢測中污染離子含量的最大值與最小值，獲取中間的優(yōu)化數(shù)據(jù)。

根據(jù)圈定的水源污染范圍，結(jié)合硬件設(shè)備獲取的PH 值與溫度信息，建立對應(yīng)的檢測結(jié)果適應(yīng)程度函數(shù)，判別水污染位置的礦區(qū)開采狀態(tài)與非開采狀態(tài)兩者之間的契合程度，處理提取的污染數(shù)據(jù)值，將適應(yīng)值精確到函數(shù)中具體到礦山的某一個坐標上，并對坐標點數(shù)據(jù)提純，獲得污染源離子的集合，認為數(shù)據(jù)集合中距離污染源越近的點，其中污染離子的含量越高，反之越小，從而完成礦山工程水污染的快速檢測。

4 對比實驗

設(shè)計實驗，選擇某處被污染的礦區(qū)作為此次實驗的研究場所，該礦區(qū)為廢舊礦區(qū)，在開采過程中對于污水處理比較簡單，導(dǎo)致目前礦區(qū)水污染情況比較嚴重，在礦山不同區(qū)域抽取水污染檢測樣本，利用此次設(shè)計系統(tǒng)與傳統(tǒng)系統(tǒng)對抽取的水污染樣本進行快速檢測。實驗環(huán)境設(shè)計為：兩種系統(tǒng)均使用Windows2008 操作系統(tǒng)，硬盤內(nèi)存為128GB，將采集到的污水樣本數(shù)據(jù)輸入到系統(tǒng)中，污水樣本數(shù)據(jù)量為100GB，分別記錄兩個系統(tǒng)對污水樣本數(shù)據(jù)分析、輸出檢測值時的時間，將兩種系統(tǒng)的響應(yīng)時間作為實驗結(jié)果，對兩種系統(tǒng)進行對比分析，實驗結(jié)果如下表所示。

表1 兩種系統(tǒng)響應(yīng)時間對比（s）

從上表可以看出，此次設(shè)計的礦山工程水污染快速檢測系統(tǒng)在響應(yīng)方面優(yōu)于傳統(tǒng)系統(tǒng)，雖然會隨著數(shù)據(jù)量的增加，響應(yīng)時間會有所加長，但是仍然可以控制在1.5s 以內(nèi)，可以滿足礦山工程水污染快速檢測需求。

5 結(jié)語

本文從硬件與軟件兩個方面，開展了礦山工程水污染快速檢測系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用的研究，并設(shè)計了對比實驗，驗證了本文設(shè)計的快速檢測系統(tǒng)，在進行礦山水資源檢測過程中，可提高檢測的時間，可實現(xiàn)應(yīng)對礦山工程中突發(fā)性水污染實踐。盡管本文設(shè)計的系統(tǒng)經(jīng)過檢驗，已具備顯著的效果，但考慮到礦山開采技術(shù)是不斷更新的，因此在后期的礦山開發(fā)工作中，除了要做到對礦區(qū)水資源的及時檢測，同時也需要定期進行對檢測后的資源維護與管理工作。綜上所述，本文系統(tǒng)的建設(shè)與開發(fā)仍有待持續(xù)完善為此，可在后續(xù)的研究中，將研究重點置于對檢測系統(tǒng)的定期更新與檢測結(jié)果管理方面，在條件允許的情況下，可美化系統(tǒng)登錄窗口，增設(shè)功能界面，提高使用者操作的便捷性。