水環(huán)境保護(hù)事關(guān)人民群眾切身利益。近年來，為防治水污染，三維熒光光譜技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。每個(gè)污染源排放的廢水，都有自身獨(dú)特的三維熒光光譜，可以作為其水質(zhì)“指紋”。三維熒光光譜技術(shù)是一種利用水體中的特征物質(zhì)作為“指紋”，通過數(shù)學(xué)模型和統(tǒng)計(jì)方法確定水體污染源及其貢獻(xiàn)率和負(fù)荷量的技術(shù)。用于檢測(cè)的這些特征物質(zhì)，可以是自然存在或人為添加的，它們能夠反映水體受到的不同污染源的影響。
識(shí)別“嫌疑人”，鎖定污染“元兇” 不同的水樣，污染成因不同，污染物的特征就不一樣。因此，一方面，通過檢測(cè)已知污染源的“指紋”，構(gòu)建起“指紋”數(shù)據(jù)庫；另一方面，識(shí)別擬溯源水體的“指紋”，形成分析目標(biāo)。再將兩者對(duì)比，從相似度上就可以找出污染“嫌疑人”。
與其他常見的水質(zhì)污染溯源方法相比，三維熒光光譜技術(shù)具有高靈敏度、高選擇性、高信息量等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)操作便捷、分析速度快——一次分析時(shí)間大約20分鐘，在降低成本的同時(shí)，大大提高了溯源效率。
首先是定性區(qū)分污染來源。使用三維熒光光譜技術(shù)可以區(qū)分不同水樣中的溶解性有機(jī)物（DOM），體現(xiàn)在水質(zhì)指標(biāo)上就是化學(xué)需氧量（CODCr）或者高錳酸鹽指數(shù)（CODMn）。其次是判斷水體的受污染程度。通過判定溶解性有機(jī)物的組分及含量，可以判斷水體受到污染的影響程度。一般情況下，污染濃度越高，水質(zhì)指紋峰的強(qiáng)度越高。最后，通過計(jì)算定量污染源占比，對(duì)自然水體和污水熒光強(qiáng)度等特征進(jìn)行分析，進(jìn)一步結(jié)合其他數(shù)據(jù)分析方法，分析特定污染物的占比負(fù)荷。
這項(xiàng)被稱為水環(huán)境治理“福爾摩斯”的技術(shù)，能識(shí)別以下“嫌疑人”，從而幫助鎖定污染“元兇”。
一是識(shí)別水中的溶解性有機(jī)污染物，包括腐殖質(zhì)、蛋白質(zhì)、多糖等，便于評(píng)估水體污染程度。
二是識(shí)別藻類及藻毒素。藻類降解后產(chǎn)生的藻類有機(jī)污染物和藻毒素會(huì)對(duì)水環(huán)境生態(tài)安全構(gòu)成威脅，這一技術(shù)可以識(shí)別水體中的藻類及其代謝產(chǎn)物，為富營(yíng)養(yǎng)化成因分析和污染治理提供依據(jù)。
三是識(shí)別工業(yè)和生活污水污染。通過分析工業(yè)和生活污水中有機(jī)污染物的特征熒光指紋圖譜，追溯污染物的來源，為污染源控制提供依據(jù)。
四是識(shí)別重金屬污染。雖然重金屬本身不產(chǎn)生熒光，但它們可以與水體中的有機(jī)物結(jié)合形成絡(luò)合物。這些絡(luò)合物在三維熒光光譜下可能產(chǎn)生特定的熒光信號(hào)，從而間接反映水體中的重金屬污染情況。
五是識(shí)別石油類污染物。石油類污染物在水體中往往以溶解態(tài)和乳化態(tài)存在，通過解析其熒光光譜數(shù)據(jù)，可以實(shí)現(xiàn)共存體系中多組分石油類物質(zhì)的同時(shí)測(cè)定。
六是識(shí)別其他有機(jī)污染物。如農(nóng)藥、抗生素、內(nèi)分泌干擾物等，這些污染物在水體中含量較低，但具有潛在的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)和健康風(fēng)險(xiǎn)。通過高靈敏度的三維熒光光譜技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)這些污染物的有效監(jiān)測(cè)。
以科技“鐵證”支撐地方科學(xué)、精準(zhǔn)治污 2023年2月起，四川省內(nèi)江市大清流河李家碥斷面高錳酸鹽指數(shù)出現(xiàn)波動(dòng)超標(biāo)現(xiàn)象，持續(xù)數(shù)月。雖組織多次排查，但關(guān)于水質(zhì)超標(biāo)主要因素的判斷，仍只能根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，缺乏有力的科學(xué)依據(jù)。我們?cè)谌斯づ挪闀r(shí)，發(fā)現(xiàn)斷面上游分布著大大小小多個(gè)魚塘，很多還屬于具有一定規(guī)模的水產(chǎn)養(yǎng)殖企業(yè)。在采集斷面、各魚塘養(yǎng)殖尾水水樣，對(duì)其三維熒光光譜進(jìn)行匹配后，我們發(fā)現(xiàn)，斷面河水的圖譜指紋與水產(chǎn)養(yǎng)殖尾水的相似度為99%。再結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)研判，最終確定水產(chǎn)養(yǎng)殖尾水直接排放是該斷面高錳酸鹽指數(shù)超標(biāo)主因。
面對(duì)科技力量支撐的“鐵證”，當(dāng)?shù)仞B(yǎng)殖戶承認(rèn)了排放的事實(shí)，承諾不再偷排并加強(qiáng)治理。根據(jù)我們的建議，當(dāng)?shù)剜l(xiāng)鎮(zhèn)工作人員制定了各魚塘輪流排水等相關(guān)管控政策，進(jìn)一步強(qiáng)化管理和監(jiān)督。在各方努力下，2023年10月開始，李家碥斷面高錳酸鹽指數(shù)逐漸下降并穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，水質(zhì)還實(shí)現(xiàn)了年均優(yōu)良的好成績(jī)。
四川省自貢市楊柳溪是釜溪河的重要支流，沿河農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)，堰閘眾多。由于水質(zhì)總是波動(dòng)，不能穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，關(guān)于如何治理、從哪里入手，地方找不到依據(jù)和著力點(diǎn)，于是向我們求助。
我們先是按照傳統(tǒng)的排查方式，對(duì)流域沿線做了污染源調(diào)查，通過分析各匯入口節(jié)點(diǎn)的水質(zhì)，確定主要的污染來源位置，再根據(jù)污染匯入河段的污染負(fù)荷情況，判定主要污染成因是農(nóng)業(yè)面源，主要來源于水稻田施肥、魚塘水產(chǎn)養(yǎng)殖和生活污水排放。但這種做法“人為”因素比較重，計(jì)算污染負(fù)荷的各個(gè)系數(shù)憑經(jīng)驗(yàn)獲取，各類污染源占比只能通過估算得出。
為了讓結(jié)果更具說服力，我們使用三維熒光光譜技術(shù)，對(duì)采集的楊柳溪水樣和城鎮(zhèn)生活、水產(chǎn)養(yǎng)殖、農(nóng)業(yè)種植等樣品進(jìn)行分析，對(duì)比汛期前、后的分析數(shù)據(jù)，得出結(jié)論：汛期前水體污染主要是內(nèi)源，汛期后的污染主要來自陸地。光這樣還不足以讓人信服，我們進(jìn)一步引入原來在同位素分析中用到的相關(guān)模型，分析具體的類別占比，最后得出：汛期前水生植物和藻類相對(duì)貢獻(xiàn)度最高，二者占比接近50%，污水處理設(shè)備排水口水樣、魚塘、水稻田等外源共同占比約50%；汛期后魚塘的相對(duì)貢獻(xiàn)升高了7個(gè)百分點(diǎn)，水生植物和藻類貢獻(xiàn)度有所下降，僅占約37%。這樣，我們就對(duì)具體的各類污染占比有了清晰的認(rèn)識(shí)，將分析的結(jié)果用于指導(dǎo)地方科學(xué)施策，幫助地方科學(xué)開展水生態(tài)修復(fù)，使楊柳溪水質(zhì)持續(xù)改善。
為水環(huán)境保護(hù)提供科學(xué)有效支持 未來，三維熒光光譜技術(shù)將在不同場(chǎng)景中得到更為廣泛的應(yīng)用。如在流域/區(qū)域水環(huán)境監(jiān)管方面，替代現(xiàn)階段的單純水質(zhì)數(shù)據(jù)在線監(jiān)測(cè)；在飲用水源地水質(zhì)安全保障方面，進(jìn)一步提高水質(zhì)監(jiān)管保障，縮短預(yù)警時(shí)間，提高預(yù)警精度；在工業(yè)園區(qū)污染源精準(zhǔn)監(jiān)管方面，加強(qiáng)對(duì)企業(yè)違法偷排的震懾力度等。這些都將為生態(tài)環(huán)境工作者提供執(zhí)法的科學(xué)依據(jù)。
隨著科技的進(jìn)步，用于指紋檢測(cè)的熒光光譜儀將朝著多功能化方向發(fā)展，包括同時(shí)檢測(cè)多種元素、進(jìn)行熒光成像和跟蹤等，以滿足對(duì)微量物質(zhì)和痕量元素檢測(cè)的需求。而伴隨人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的引入，熒光光譜儀也將實(shí)現(xiàn)智能化分析，可大大提高分析結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。
考慮到熒光光譜技術(shù)在分析水體中有機(jī)成分時(shí)存在一定局限性，需要結(jié)合其他分析技術(shù)或方法，因此，多種技術(shù)的聯(lián)合使用將成為水體DOM表征與解析的重要發(fā)展趨勢(shì)。這種技術(shù)融合與多元化的策略，有望提供更全面、深入的水體污染評(píng)估，為水環(huán)境保護(hù)和水質(zhì)管理提供更科學(xué)有效的支持。
（作者：陳杰，系四川省生態(tài)環(huán)境科學(xué)研究院環(huán)境規(guī)劃研究所正高級(jí)工程師）
來源：光明日?qǐng)?bào)
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