西部典型煤礦區(qū)水體污染遙感監(jiān)測(cè)應(yīng)用

王 喆，余江寬，路云閣 （中國(guó)國(guó)土資源航空物探遙感中心，北京 100083）

煤炭是我國(guó)重要的能源來(lái)源，為國(guó)家提供了70%的能源，其年產(chǎn)能中約有75%來(lái)自于西部地區(qū)，但該地區(qū)水資源總量?jī)H占全國(guó)的8.3%，生態(tài)十分脆弱。隨著中西部煤炭產(chǎn)量進(jìn)一步提升，大規(guī)模集中開(kāi)采將會(huì)對(duì)干旱缺水地區(qū)地下水和地表水資源造成嚴(yán)重破壞，如神木北部一帶湖淖數(shù)量已由開(kāi)發(fā)前的869處減少到2008年的79處［1］，同時(shí)地表水污染堪憂［2］。西部煤礦區(qū)地處黃土高原，緊鄰黃河干流，是我國(guó)乃至全世界水土流失最嚴(yán)重的地區(qū)之一［3］。水土流失產(chǎn)生的泥沙（煤塵顆粒）本身就是一種面源污染物，同時(shí)也是各種有毒有害物質(zhì)的主要攜帶者，可在降雨的徑流沖刷作用下進(jìn)入受納水體，進(jìn)而破壞水體環(huán)境［4］。西部煤礦區(qū)水體污染與土地挖損、壓占、塌陷一樣，是礦區(qū)土地退化的重要因素之一［5］。煤礦區(qū)同樣需要“綠水青山”，應(yīng)加強(qiáng)煤礦區(qū)水環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)，探究我國(guó)西部煤礦區(qū)煤塵水體污染的面積、程度、變化和分布分異規(guī)律，為西部煤礦區(qū)土地退化防治與環(huán)境修復(fù)提供技術(shù)支撐，為行業(yè)管理提供決策依據(jù)。

遙感技術(shù)具有監(jiān)測(cè)范圍廣、速度快、成本低和長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)優(yōu)勢(shì)［6］，適用于開(kāi)展區(qū)域調(diào)查工作，可向管理部門提供時(shí)間和空間上的污染變化趨勢(shì)和分布情況。常規(guī)用于水質(zhì)評(píng)價(jià)的參數(shù)主要為葉綠素a（Chl a）、氨氮、硝態(tài)氮、溶解磷、COD和懸浮物濃度6項(xiàng)。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外已有不少學(xué)者針對(duì)以上6項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)開(kāi)展遙感定量研究工作，研究波段范圍主要在350～1 000 nm譜段區(qū)間［7-10］。目前懸浮物濃度類文章主要以總懸浮物濃度（TSM）為研究對(duì)象［11-13］。水體中的懸浮物指懸浮于水中的一切有機(jī)和無(wú)機(jī)顆粒，它沒(méi)有固定組成，不同水體差別很大，不僅包括浮游植物及其殘?bào)w，還包括許多陸源無(wú)機(jī)和有機(jī)物，不同研究區(qū)域的水體懸浮物組成不同［14］?，F(xiàn)階段，由于GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)懸浮物濃度沒(méi)有進(jìn)行量化評(píng)價(jià)，所以懸浮物濃度未和前5項(xiàng)指標(biāo)一樣受到足夠重視。不同于其他地區(qū)，煤礦開(kāi)采區(qū)地表水體污染與煤質(zhì)類固體懸浮物有密切關(guān)系，其濃度增加會(huì)造成礦區(qū)水體污染加重，導(dǎo)致水體顏色發(fā)黑、濁度增加、透光性差，影響水體光學(xué)特性，進(jìn)而影響水生生物生長(zhǎng)和初級(jí)生產(chǎn)力［15］。筆者使用遙感技術(shù)手段，旨在宏觀層面上研究煤礦區(qū)水體污染分布情況和規(guī)律，不細(xì)究懸浮物具體成分，將其造成的水體污染統(tǒng)稱為煤塵水體污染?；谏鲜鏊伎?，以煤塵污染的地表水體為研究對(duì)象，選取神東和準(zhǔn)格爾2個(gè)西部典型煤礦區(qū)為研究區(qū)（分別代表井工開(kāi)采和露天開(kāi)采），對(duì)水體污染信息開(kāi)展提取和統(tǒng)計(jì)分析。

1 研究區(qū)概況

神東、準(zhǔn)格爾煤礦區(qū)是我國(guó)乃至亞洲最為重要的煤炭生產(chǎn)基地。神東礦區(qū)位于鄂爾多斯高原的東南部及陜北高原的北緣，區(qū)內(nèi)大部分為典型的風(fēng)成沙丘及沙灘地，地勢(shì)西北高東南低，中部高南北低，海拔800～1 385 m；準(zhǔn)格爾礦區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市準(zhǔn)格爾旗東南部，東鄰黃河，地勢(shì)西北高東南低，中部高南北低，海拔1 200～1 400 m。2個(gè)礦區(qū)共有煤礦380個(gè)，其中神東礦區(qū)314個(gè)，準(zhǔn)格爾礦區(qū)66個(gè)；按礦山規(guī)模分，2個(gè)礦區(qū)所有煤礦中，大型礦山146個(gè)，中型礦山145個(gè)，小型礦山89個(gè)，大中型礦山數(shù)量占比超過(guò)76%。煤炭資源的過(guò)度開(kāi)采使得礦區(qū)植被資源破壞嚴(yán)重，水土大量流失，環(huán)境污染嚴(yán)重，土壤質(zhì)量下降。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

ZY?3（資源三號(hào)）衛(wèi)星搭載有1臺(tái)地面分辨率為2.1 m的高分辨率正視全色相機(jī)和1臺(tái)地面分辨率優(yōu)于6 m的正視多光譜相機(jī)。參照DZ/T 0266—2014《礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》［16］，該數(shù)據(jù)可用于煤礦區(qū)土地挖損、壓占等土地退化因素的遙感解譯和監(jiān)測(cè)調(diào)查工作，符合1∶5萬(wàn)比例尺調(diào)查與監(jiān)測(cè)精度要求。因其僅能提供真彩色影像數(shù)據(jù)，在實(shí)際工作中可用于識(shí)別礦區(qū)內(nèi)典型煤塵污染水體，但對(duì)于輕至中重度煤塵污染水體的解譯效果不理想。同時(shí)，煤礦區(qū)水體分布零散、數(shù)量多，解譯工作難度大，容易造成水體圖斑遺漏。

選擇Sentinel?2A（哨兵2號(hào)）衛(wèi)星數(shù)據(jù)作為補(bǔ)充（表1），其數(shù)據(jù)新、質(zhì)量高，波段設(shè)置可覆蓋可見(jiàn)光（VIS）至短波紅外（SWIR）（433～2 190 nm），空間分辨率為10、20和60 m，L1C級(jí)別數(shù)據(jù)使用Sentinel?2工具箱中Sen2cor大氣校正模塊校正后，仍有10個(gè)波段可用于對(duì)地觀測(cè)分析。已有國(guó)外學(xué)者使用該方法進(jìn)行大氣校正，并開(kāi)展了葉綠素a、有色可溶性有機(jī)物（CDOM）、總懸浮物濃度和可溶性有機(jī)碳（DOC）等多種水體指標(biāo)的反演和研究工作［17-19］。筆者使用經(jīng)過(guò)大氣校正后的Sentinel?2A數(shù)據(jù)開(kāi)展水體污染信息提取和分析工作。

表1 Sentinel-2A波段設(shè)置及空間分辨率Table 1 Sentinel‐2A spectral bands definition and spatial resolution

2.2 研究方法

在保證影像數(shù)據(jù)質(zhì)量情況下，不同類型影像數(shù)據(jù)應(yīng)選擇最接近的獲取時(shí)間，以減少誤差。選取時(shí)相為2017年5月24日的Sentinel?2A數(shù)據(jù)和2017年5月26日的ZY?3數(shù)據(jù)，并將Sentinel?2A數(shù)據(jù)重采樣為10 m空間分辨率，ZY?3數(shù)據(jù)保持原始空間分辨率。以2012年全國(guó)土地衛(wèi)星遙感圖數(shù)字正射影像（DOM）為基礎(chǔ)底圖（分辨率優(yōu)于2.5 m），對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行幾何配準(zhǔn)，確保誤差在2個(gè)像元以內(nèi)。使用歸一化差異水體指數(shù)（NDWI，INDW）提取水體范圍并驗(yàn)證，之后采用SWIR經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ徒Y(jié)合目視解譯的方法對(duì)煤塵水體污染信息開(kāi)展識(shí)別提取。

2.2.1 歸一化差異水體指數(shù)（NDWI）

首先明確地表水體的分布范圍，該范圍應(yīng)包含正常水體與污染水體。使用NDWI提取水體范圍［20］，可以抑制與水體無(wú)關(guān)的背景信息，提高水體提取精度，其公式為

式（1）中，Green為綠光波段；NIR為近紅外波段，在sen?tinel?2影像中，分別對(duì)應(yīng) 3和8a波段。但徐涵秋［21］發(fā)現(xiàn)該方法在提取城市范圍內(nèi)的水體方面很不成功。筆者使用ZY?3高分辨率影像數(shù)據(jù)對(duì)水體范圍提取結(jié)果進(jìn)行人工驗(yàn)證，提取結(jié)果雖然能夠準(zhǔn)確包含礦區(qū)內(nèi)所有地表水體，但也包含了一些建筑物等非水體信息。將夾雜在水體提取結(jié)果中的建筑物反射率波譜和水體反射率波譜進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)建筑物在各個(gè)波段的反射率明顯高于水體反射率。因此，僅使用Sentinel?2A短波紅外波段并將反射率的閾值設(shè)置為0.3，即可將建筑物信息從水體結(jié)果中濾除。最后使用ZY?3數(shù)據(jù)對(duì)水體范圍進(jìn)行再次驗(yàn)證，確保水體范圍信息提取準(zhǔn)確。

2.2.2 水體污染信息提取與分類

再例如，有一篇文章，題目為“5 Ways to Just Enjoy retirement”。題目一目了然，看到這樣的題目，聽(tīng)者心里便會(huì)放松許多，減少了許多盲目性。只要注意區(qū)分是哪五種享受退休生活的方式，并記下相關(guān)信息就行了。

在ZY?3高分辨率影像數(shù)據(jù)上，通過(guò)目視解譯分別在2個(gè)礦區(qū)內(nèi)選擇10個(gè)色調(diào)呈深黑色的典型污染水體，并在Sentienl?2A影像上獲取相同點(diǎn)位對(duì)應(yīng)的水體波譜信息。由于大洋潔凈水體在短波紅外波段反射率很低，而該類污染水體在Sentienl?2A影像近紅外至短波紅外波段存在明顯異常，其原因在于水體中煤質(zhì)類固體懸浮物顆粒的后向散射作用使水體在短波紅外波段有較高的反射率。該特征與泥土在水體中的作用有一定相似性［22］，但含泥土的水體和煤塵污染水體反射率波譜特征存在明顯差異（圖1），圖中各類地物反射率波譜曲線均提取自Sentinel?2A影像。

基于上述思考，使用SWIR經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ涂色@取煤塵水體污染指數(shù)（Index），其公式為

式（2）中，SWIR為短波紅外波段反射率；NIR為近紅外波段反射率。

圖1 典型地物反射率光譜曲線Fig.1 Spectral reflectance curves of typical surface objects

作為定性評(píng)價(jià)，將提取結(jié)果分為優(yōu)質(zhì)水體、良好水體、輕度污染水體和重度污染水體共4類，因此需要對(duì)水體污染灰度圖進(jìn)行閾值分割。目前已有多種設(shè)定閾值的方法，對(duì)于不同地區(qū)、不同數(shù)據(jù)類型、不同時(shí)相，閾值的具體取值也會(huì)有所不同［23-24］。筆者選取均值方差法，以影像灰度均值和方差作為半定量指標(biāo)，其在遙感水體污染提取分類方面已取得較好的應(yīng)用效果［25-26］。

2.2.3 水體污染信息結(jié)果驗(yàn)證

使用ZY?3高分辨率數(shù)據(jù)對(duì)水體信息進(jìn)行目視解譯，并與水體污染信息提取分類結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。清澈水體的反射率可以近似表示為藍(lán)光＞綠光＞紅光＞近紅外＞中紅外［21］，亮度較暗的水體水質(zhì)也較差［27］。因此在真彩色圖像上，清澈水體多呈現(xiàn)藍(lán)色至淺綠色色調(diào)，而煤礦區(qū)內(nèi)的典型污染水體多呈深墨綠色至黑色色調(diào)，部分水體色調(diào)與煤堆、煤矸石等深色地物已無(wú)法區(qū)分。在ZY?3影像上人工圈定10個(gè)典型重度污染水體和1個(gè)典型良好-優(yōu)質(zhì)水體。良好-優(yōu)質(zhì)水體選擇在神東礦區(qū)東部9 km處的紅堿淖風(fēng)景區(qū)，湖面面積約41.8 km2，影像呈現(xiàn)藍(lán)色至深綠色色調(diào)。

經(jīng)對(duì)比分析，人工解譯的10個(gè)典型重度污染水體范圍全部為紅色像元，表明水體污染信息提取分類結(jié)果與解譯結(jié)果一致；人工解譯的1個(gè)典型良好-優(yōu)質(zhì)水體中，約有43.02%的面積為優(yōu)質(zhì)水體，24.60%為良好水體，31.99%為輕度污染水體，0.39%為重度污染水體。人工解譯的良好-優(yōu)質(zhì)水體中存在污染水體，其原因?yàn)榧t堿淖距離煤礦區(qū)較近，容易受到煤炭粉塵污染；此外，目視解譯在區(qū)分水體具體污染程度時(shí)存在一定局限性，因此可認(rèn)為水體污染信息提取分類結(jié)果符合實(shí)際情況。綜上可知，用SWIR經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ吞崛∶簤m水體污染信息具有較高可信度，用均值方差法對(duì)水體污染信息進(jìn)行閾值分割效果較好。

3 結(jié)果與分析

3.1 水體污染分布范圍統(tǒng)計(jì)分析

對(duì)神東和準(zhǔn)格爾2個(gè)礦區(qū)地表水資源提取結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果表明神東礦區(qū)地表水體總面積為911.40 hm2，礦區(qū)面積為45萬(wàn) hm2，水體占比為0.203%；準(zhǔn)格爾礦區(qū)地表水體總面積為4 042.83hm2，礦區(qū)面積為35萬(wàn)hm2，水體占比為1.155%。準(zhǔn)格爾礦區(qū)水體范圍比例高于神東礦區(qū)的主要原因在于該研究區(qū)范圍內(nèi)包含部分黃河干流，研究時(shí)段（2017年5月）屬于豐水期；神東礦區(qū)雖然面積較大，但是水體零星分布，烏蘭木倫河水流量較小。

圖2 礦區(qū)4類污染水體分布面積統(tǒng)計(jì)Fig.2 Area statistics of four kinds of polluted water

3.2 水體污染分布特征分析

3.2.1 水體空間分布特征

采用ZY?3數(shù)據(jù)作為影像底圖，疊加Sentienl?2A提取的水體污染結(jié)果，得到典型水體污染特征分布見(jiàn)圖3。礦區(qū)內(nèi)部地表水體由于靠近污染源頭且水體流動(dòng)性差，多數(shù)水體為重度污染，部分水體在ZY?3真彩色影像上呈現(xiàn)深黑色調(diào)。準(zhǔn)格爾礦區(qū)北部準(zhǔn)格爾旗中的河流水體以輕度污染為主，表明煤礦開(kāi)采對(duì)周邊居民地水系有一定影響。準(zhǔn)格爾核心采煤區(qū)西15 km處溝壑間水系主要為重度污染水體，該區(qū)域遠(yuǎn)離煤礦區(qū)且地勢(shì)略高于煤礦開(kāi)采面。

以上結(jié)果表明，煤礦開(kāi)采過(guò)程因其爆破、運(yùn)輸、裝卸等生產(chǎn)工藝而產(chǎn)生大量粉塵，且粉塵在受到各種因素影響后會(huì)產(chǎn)生不同程度的運(yùn)移擴(kuò)散［30］，而后由于雨水的沖刷淋濾作用，煤塵顆粒物匯聚于地表水體中，從而造成水體污染，水體流動(dòng)性差、水循環(huán)慢的地點(diǎn)煤塵水體污染情況更嚴(yán)重。如溝壑水系多為死水，僅靠降水補(bǔ)給，煤塵顆粒會(huì)在此類水體中高度聚集，形成重度污染水體。

結(jié)合3.1節(jié)內(nèi)容可知，無(wú)論井工開(kāi)采還是露天開(kāi)采，均會(huì)造成礦區(qū)周邊地表水體污染。因此2種煤礦開(kāi)采方式都需要重視煤炭粉塵治理，防止粉塵擴(kuò)散造成二次污染。

3.2.2 黃河干流水體污染情況

在準(zhǔn)格爾礦區(qū)內(nèi)，有70～80個(gè)煤礦緊鄰黃河干流分布。從圖4可知，準(zhǔn)格爾礦區(qū)上游的黃河干流水體主要為優(yōu)質(zhì)水體，表明受煤礦開(kāi)采活動(dòng)影響很??；進(jìn)入研究區(qū)后，黃河干流輕度污染和重度污染水體交替出現(xiàn)，且多數(shù)重度污染水體出現(xiàn)的流域河道兩側(cè)附近都存在煤礦開(kāi)采面。礦區(qū)下游的黃河干流以輕度污染為主，這是因?yàn)樯嫌挝廴疚镔|(zhì)隨水流發(fā)生擴(kuò)散運(yùn)移。

黃河干流水流量大、更新快，若是以風(fēng)和雨水搬運(yùn)作用為主的煤塵作為單一污染源，不容易造成水體高度污染。但是我國(guó)目前廣泛采用濕法選煤工藝進(jìn)行選煤處理，其過(guò)程會(huì)產(chǎn)生大量廢水，廢水中含有大量以煤泥顆粒為主的固體懸浮物［31］。因落后的洗煤工藝、技術(shù)和成本控制等問(wèn)題，不排除個(gè)別企業(yè)將未達(dá)標(biāo)廢水外排。

以上結(jié)果表明，黃河干流煤塵污染水體與煤礦開(kāi)采活動(dòng)的空間位置具有高度相關(guān)性，煤礦開(kāi)采活動(dòng)造成了黃河干流水體污染；此外，黃河干流污染水體會(huì)向下游擴(kuò)散，致使污染面積和影響范圍擴(kuò)大，從而造成區(qū)域水資源破壞。

4 結(jié)論

利用時(shí)相為2017年5月24日的Sentinel?2A和2017年5月26日的ZY?3數(shù)據(jù)衛(wèi)星數(shù)據(jù)，對(duì)神東和準(zhǔn)格爾2個(gè)西部典型煤礦區(qū)煤塵水體污染情況進(jìn)行了提取分類和統(tǒng)計(jì)分析，得到以下結(jié)論：

（1）不論是以井工開(kāi)采為代表的神東礦區(qū)還是以露天開(kāi)采為代表的準(zhǔn)格爾礦區(qū)，由煤礦開(kāi)采活動(dòng)造成的地表水污染均十分嚴(yán)重，其中神東礦區(qū)地表水體占礦區(qū)總面積比例為0.203%，其中重度污染水體比例為64.79%，輕度污染水體比例為21.65%，污染水體總比例為86.44%；準(zhǔn)格爾礦區(qū)地表水體占礦區(qū)總面積比例為1.155%，重度污染水體比例為35.28%，輕度污染水體比例為39.54%，污染水體總比例為74.82%。神東礦區(qū)地表水資源少，污染更嚴(yán)重，主要原因?yàn)樵摰貐^(qū)水體流動(dòng)性差。

圖3 典型水體污染情況提取結(jié)果Fig.3 Typical polluted water in coal mining areas

圖4 準(zhǔn)格爾礦區(qū)黃河干流水體污染情況分布圖Fig.4 Distribution of polluted water in the Yellow River nearby Zhungeer coal mining areas

（2）造成水體污染的主要因素在于煤塵顆粒和洗煤廢水。煤炭粉塵易隨風(fēng)擴(kuò)散，后因雨水沖刷淋濾作用匯聚于地表水體，造成水體污染。準(zhǔn)格爾礦區(qū)大量煤礦開(kāi)采活動(dòng)緊鄰黃河干流分布，造成了黃河干流水體污染。西部煤礦區(qū)不僅要重視如洗煤廢水、煤矸石長(zhǎng)期堆積產(chǎn)生的淋溶液和建筑廢水等常規(guī)污染源，也應(yīng)長(zhǎng)期開(kāi)展煤塵綜合防護(hù)治理，重視煤塵導(dǎo)致的地表水體污染。

（3）筆者采用高空間分辨率數(shù)據(jù)目視解譯與SWIR經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ拖嘟Y(jié)合的方法提取煤塵污染水體分布范圍，該方法優(yōu)于傳統(tǒng)目視解譯，其人為干預(yù)少、理論依據(jù)明確、可快速開(kāi)展評(píng)價(jià)、能在宏觀層面為礦區(qū)管理者提供指導(dǎo)依據(jù)，適合在煤礦區(qū)開(kāi)展長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

由于時(shí)間和經(jīng)費(fèi)原因，該研究缺少實(shí)地采樣化驗(yàn)數(shù)據(jù)。在后續(xù)工作中，將增加實(shí)地采樣化驗(yàn)和定量反演工作，對(duì)方法技術(shù)流程進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。