基于紫外-可见光反射与吸附光谱联用的污水质量监测数据集：25周实验揭示城市排水系统污染物动态

为解决城市排水系统污染物实时监测难题，瑞士联邦水生科学技术研究所(EAWAG)团队开展了一项长达25周的对比研究，通过新型高光谱成像系统与传统UV-vis传感器的协同监测，采集了5801组高光谱图像、533份抓取样本及86组降雨事件数据，建立了包含NH4-N、TSS、DOC等20种污染物的综合数据库，为开发非接触式污水监测技术提供了重要基准数据集。

　　

城市排水系统的污染物监测一直面临着技术瓶颈。传统接触式UV-vis光谱仪虽然能检测COD、NH₄-N等指标，但存在维护成本高、易受污水腐蚀等问题。更棘手的是，这些传感器仅能通过几平方毫米的测量窗口获取数据，在湍流污水环境中极易产生采样偏差。随着城市化进程加速，开发新型非接触监测技术已成为环境工程领域的迫切需求。

瑞士联邦水生科学技术研究所(Eawag)的Pierre Lechevallier团队在《Scientific Data》发表了一项开创性研究。研究人员设计了一套创新的实验方案：通过长达172天的连续监测，将新型高光谱成像系统MV.X与两种标准UV-vis光谱仪(ISA和Spectrolyser)进行对比。实验采用真实污水流经人工水槽的模拟方式，同步采集了5801组高光谱图像、118,892条UV-vis吸收光谱，以及533份实验室分析样本，构建了目前最全面的污水质量多模态数据库。

研究采用了四项关键技术：1) 搭建10cm宽模拟水槽系统，以1m/s流速重现真实排水管水力条件；2) 使用VNIR(400-1000nm)高光谱相机获取水面反射特征，空间分辨率达0.1mm；3) 结合LC-HRMS/MS技术分析86个降雨样本中的20种有机污染物；4) 应用STL分解算法区分干湿天气流量模式。这些方法为数据质量提供了多维保障。

【数据特征与验证】
实验数据展现出显著的昼夜节律特征：污水流量在07:00和21:00出现双峰，而实验室测量的NH₄-N浓度则呈现典型的"早高峰"模式。通过Pearson相关性验证，Turbimax传感器测量的浊度与实验室TSS结果高度相关(r=0.95)，证实了光学监测的可靠性。但值得注意的是，ISEmax电极的NH₄-N数据因未配备自动气洗功能，与实验室结果仅呈现0.2的相关性。

【光谱特性分析】

两种UV-vis光谱仪的数据揭示了技术差异：Spectrolyser在200-735nm范围内呈现典型污水吸收曲线，而ISA因光纤衰减只能在230-706nm区间有效工作。高光谱反射数据则补充了吸收光谱的不足，在600-700nm波段显示出与污水褐变程度相关的反射特征。

【降雨影响】
研究特别关注了25%的降雨日数据，发现暴雨径流会使污水中有机污染物组成发生显著改变。LC-HRMS/MS分析显示，雨水不仅稀释了常规污染物，还引入了6PPD-醌等典型径流污染物。通过STL分解计算的96分钟集水区响应时间，为理解污染物迁移提供了关键参数。

这项研究创建了目前最全面的污水光学特性数据库，其价值体现在三方面：1) 为开发基于机器学习的非接触监测算法提供训练数据；2) 揭示了反射光谱与吸收光谱的互补关系；3) 建立了降雨事件与污染物变化的关联模型。数据集已通过ERIC开放平台共享，将推动新一代智能排水监测技术的研发。正如作者指出，这项工作的真正意义在于"将实验室控制环境下的光谱研究，转化为真实排水管道的工程实践"。