石油污染水體油濃度及后向散射系數(shù)垂向變化特性分析

邢旭峰，王忠林，黃妙芬，黃穎恩，莊 煬

石油污染水體油濃度及后向散射系數(shù)垂向變化特性分析

邢旭峰，王忠林，黃妙芬，黃穎恩，莊 煬

（廣東海洋大學(xué)數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)學(xué)院，廣東 湛江 524088）

【目的】探討石油污染水體油濃度及后向散射系數(shù)垂向分布特性，為研究石油類污染水體水下光場(chǎng)變化奠定基礎(chǔ)。【方法】于2018年8月25－27日在大連港采用站點(diǎn)固定、時(shí)間隨潮汐變化的觀測(cè)方式，測(cè)量不同深度的油物質(zhì)和懸浮物濃度，以及含油水體的后向散射系數(shù)（backscattering coefficient,b）?！窘Y(jié)果】油濃度隨深度的變化比較復(fù)雜，未呈現(xiàn)明顯的逐漸下降或者逐漸升高的趨勢(shì)；不同波段的b隨著深度的變化趨勢(shì)是一致的；在量級(jí)上，b值最小對(duì)應(yīng)的波段是700 nm，其次是590 nm波段，最大是510、470、442和420 nm，且這4個(gè)波段的b值差別不大；水體后向散射系數(shù)b隨深度的變化可以分為陡增型、平緩增加型和單峰型等三種類型?！窘Y(jié)論】在含油水體中油濃度和后向散射系數(shù)的垂向變化受到潮汐的影響，處于不同漲落潮時(shí)不同來向的海水其組分含量不同；石油物質(zhì)通過吸附在懸浮顆粒物表面形成一個(gè)雙層結(jié)構(gòu)，共同影響著水體的后向散射系數(shù)。

石油類物質(zhì)濃度；懸浮物；后向散射系數(shù)；垂向變化；大連港

在水色遙感研究領(lǐng)域，掌握石油污染水體油濃度及后向散射系數(shù)（backscattering coefficient,b）垂向分布特性，是進(jìn)行石油水體輻射傳輸特性研究的重要前提，同時(shí)考慮隨波長和深度變化的吸收和散射特性是利用輻射傳輸方程來研究石油類污染水體光學(xué)特性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[1]。

國內(nèi)外眾多學(xué)者已經(jīng)開展了針對(duì)水體不同組分的垂向特性研究。龐重光等[2]以1959至2006年共24個(gè)航次近5000組懸浮物濃度數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對(duì)黃、東海海域的懸浮物濃度垂直分布特征進(jìn)行研究并建立回歸模型；何劍波等[3]對(duì)千島湖水體葉綠素a濃度垂向分布特征進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)在春夏秋季，葉綠素a濃度在垂向上呈現(xiàn)先增加后降低的特征；Xiu等[4]研究了I類水體葉綠素濃度垂向非均勻性對(duì)遙感反射比的影響，得出了當(dāng)表層葉綠素濃度相同時(shí)，在葉綠素濃度垂向均勻和非均勻的情況下，水體中的光學(xué)特性具有明顯差異的結(jié)論；Stramska等[5]利用輻射傳輸數(shù)值模式HydroLight研究了與葉綠素濃度垂向分布相關(guān)的水柱的固有光學(xué)特性；梁其椿等[6]利用HydroLight模擬生成了3200組藻類垂向高斯分布模型的數(shù)據(jù)，構(gòu)建了基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Back-propagation Network）來估算巢湖藻類垂向分布結(jié)構(gòu)的算法；馬孟梟等[7]利用Hydrolight輻射傳輸模式研究了水體不同組分垂向分布對(duì)水體漫衰減系數(shù)d的影響；徐文龍等[8]利用海洋光學(xué)觀測(cè)的高垂向分辨率剖面數(shù)據(jù)，分析了葉綠素a濃度垂向剖面的時(shí)空分布特征及其與海洋動(dòng)力環(huán)境要素的關(guān)系；Yin等[9]研究了城市富營養(yǎng)化水體含氮組分的垂向分布特征；Xing等[10]利用浮標(biāo)數(shù)據(jù)對(duì)南中國海的顆粒物和溶解性光學(xué)性質(zhì)的垂向變化進(jìn)行了分析。綜上分析，相關(guān)研究主要集中在各種水體組分或者光學(xué)參數(shù)方面，對(duì)油類水體的研究還鮮見報(bào)道。

國際上對(duì)水色三要素（黃色物質(zhì)、葉綠素、懸浮物）的研究體系已經(jīng)比較成熟，將“未形成明顯油膜的水中油”作為一個(gè)新的水色因子引入該體系，針對(duì)石油類污染水體的“表觀光學(xué)量、固有光學(xué)量（吸收系數(shù)和散射系數(shù)）、熒光特性”等方面的研究工作已經(jīng)展開[11-15]。黃妙芬等[16]以雙臺(tái)子和繞陽河為例進(jìn)行了石油類污染的水體后向散射系數(shù)b特性研究，發(fā)現(xiàn)在含有石油類污染的水體中b和懸浮物濃度接近線性關(guān)系；宋慶君等[17]進(jìn)行了石油類濃度對(duì)b光譜影響的研究，發(fā)現(xiàn)bb隨著石油類濃度的增加而減小；黃妙芬等[18]以石英砂作為懸浮物，進(jìn)行油砂混合配比試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)石油類吸附在懸浮物表面，增大了顆粒物粒徑，導(dǎo)致后向散射系數(shù)增大。目前關(guān)于含油水體吸收系數(shù)和散射系數(shù)的研究僅停留在隨波長的變化，未考慮隨深度的變化，而應(yīng)用輻射傳輸模式Hydrolight來研究石油類污染水體輻射傳輸特性，作為輸入量的吸收系數(shù)和散射系數(shù)要求是隨波長和深度變化的。本研究以石油類污染水體后向散射系數(shù)b為研究對(duì)象，探討其油濃度和b的垂向變化特性，以期為進(jìn)一步進(jìn)行石油污染水體水下光場(chǎng)研究奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域與試驗(yàn)時(shí)間

試驗(yàn)區(qū)域位于遼東半島南端的大連港，港區(qū)內(nèi)有較大規(guī)模的石油化工基地，生產(chǎn)活動(dòng)及油輪運(yùn)輸不可避免地給周邊海域帶來油污染，是含油水體光學(xué)特性及油含量變化特征研究的理想試驗(yàn)場(chǎng)[19]。本研究在該區(qū)域內(nèi)選擇了三個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，分別位于曾經(jīng)發(fā)生過石油管道爆炸事故點(diǎn)（站點(diǎn)A）、航道（站點(diǎn)B）及島嶼東側(cè)水域（站點(diǎn)C），三個(gè)站點(diǎn)的深度分別為21.5 m、24.8 m和33.0 m。三種觀測(cè)點(diǎn)分屬不同類型：第一種是周邊有石油企業(yè)，生產(chǎn)活動(dòng)會(huì)產(chǎn)生水體油污染；第二種是在航道上，過往的輪船以運(yùn)輸原油的貨船為主，船舶排污水會(huì)導(dǎo)致水體油污染；第三種是選擇島的東邊，相對(duì)來說隨著潮汐變化受油污染的時(shí)間會(huì)短一些。

試驗(yàn)時(shí)間為2018年8月25－27日，每天觀測(cè)時(shí)段為7:00－17:00，逢整點(diǎn)時(shí)間進(jìn)行觀測(cè)。

1.2 現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集與方法描述

1.2.1 采樣方法 水樣采集使用的是國家海洋技術(shù)中心研發(fā)的有機(jī)玻璃材質(zhì)采水器。在采水器的繩子上標(biāo)有刻度，以便按要求采集不同深度（0、3、5、10、15 m）的水樣，所采集的水樣用于油濃度、懸浮物濃度、吸收系數(shù)的測(cè)量。為了保證數(shù)據(jù)的質(zhì)量，在8:00、10:00、12:00、14:00和16:00等觀測(cè)時(shí)刻同時(shí)采集平行樣以進(jìn)行測(cè)量比對(duì)。

所采集的用于油濃度測(cè)量的水樣在船上直接用儀器進(jìn)行測(cè)量；用于懸浮物濃度和吸收系數(shù)測(cè)量的水樣在船上先進(jìn)行過濾，過濾后的樣本分別保存在冰柜和液氮罐中，待試驗(yàn)結(jié)束后帶到岸上實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測(cè)量。流速和流向、后向散射系數(shù)的測(cè)量采用現(xiàn)場(chǎng)布放儀器直接獲取的方式。

1.2.2 油濃度測(cè)量 油濃度測(cè)量使用美國特納TD-500D便攜式紫外熒光測(cè)油儀進(jìn)行。該儀器測(cè)定原理與分子熒光光度法（《SL 366-2006水質(zhì)石油類的測(cè)定分子熒光光度法》）相同。

1.2.3 懸浮物濃度測(cè)量 懸浮物濃度測(cè)量按照中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)《GB 17378.4-2007 海洋監(jiān)測(cè)規(guī)范第4部分：海水分析》規(guī)范進(jìn)行。

1.2.4 吸收系數(shù)測(cè)量 吸收光譜測(cè)定采用日本日立UV-3900可見光分光光度計(jì)，測(cè)定時(shí)波長設(shè)置為250 ~ 800 nm，在樣品的制備、測(cè)量和分析過程都遵循《海洋光學(xué)調(diào)查技術(shù)規(guī)程》[20]。吸收系數(shù)的測(cè)量主要是為后向散射系數(shù)b進(jìn)行sigma校正時(shí)提供參數(shù)。

1.2.5 后向散射系數(shù)測(cè)量 水體后向散射系數(shù)bb采用美國Hobilabs公司生產(chǎn)6通道后向散射儀（HydroScat-6 Sprctral Backscattering Sensor，HS6，140°）進(jìn)行，6個(gè)通道對(duì)應(yīng)的波長分別為420、442、470、510、590、700 nm。后向散射系數(shù)的測(cè)量方法參照《海洋光學(xué)調(diào)查技術(shù)規(guī)程》，采用沿深度布放的方式。

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的后向散射系數(shù)需要進(jìn)行sigma校正[21]，校正公式如下：

式中，b為校正后的后向散射系數(shù)（m-1），為校正系數(shù)（無單位），bu為未校正的后向散射系數(shù)（m-1）。其中，有兩種計(jì)算方法，公式如下：

式（2）和（3）中的0、1、2和exp是與HS-6有關(guān)的定標(biāo)參數(shù)(無量綱)，可從定標(biāo)文件中得到，而bb為水體中的非水成分所造成的后向散射系數(shù)信號(hào)衰減，其計(jì)算公式如下：

根據(jù)HS-6的設(shè)計(jì)和光學(xué)傳輸幾何原理，信號(hào)傳輸過程中衰減量包括100%的吸收（）和40%的散射（）[22]。式（4）中和分別為吸收系數(shù)和散射系數(shù)，單位為m-1，其中由分光光度計(jì)測(cè)得，是顆粒物后向散射系數(shù)與后向散射概率之比。

1.2.6 流速與流向測(cè)量 流速與流向測(cè)量所使用的設(shè)備是國產(chǎn)的直讀式海流計(jì)，型號(hào)為SLC9-2。按照標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 12763.2-2007 海洋調(diào)查規(guī)范第2部分：海洋水文觀測(cè)》進(jìn)行，采用船只錨定測(cè)流法。

2 結(jié)果與討論

2.1 油濃度隨深度變化特征分析

對(duì)于油濃度采用插值法將其深度分辨率與處理后的后向散射系數(shù)統(tǒng)一起來，深度間隔取0.1 m，得到大連港三個(gè)觀測(cè)站點(diǎn)的油濃度隨深度的變化情況，如圖1所示，圖中橫坐標(biāo)P為油濃度（mg/L），縱坐標(biāo)為深度（m），圖例為曲線對(duì)應(yīng)的觀測(cè)時(shí)刻。由圖1可見，站點(diǎn)A、B和C油濃度分別在0.7 ~ 4.1 mg/L、1.0 ~ 9.3 mg/L和0.2 ~ 7.8 mg/L之間，B站點(diǎn)全天都處于高值狀態(tài)；整體上看，三個(gè)站點(diǎn)油濃度隨深度變化較復(fù)雜，無明顯增加或者減小趨勢(shì)。

表1為觀測(cè)期間海水流向及漲落潮詳情表。分析表1可見，7:00－10:00所有站點(diǎn)都是處于漲潮，10:00－16:00時(shí)都處于落潮，雖然同樣是漲落潮，但流向差別很大，說明海水的來向不同，其組分濃度不同，因而油含量也不同，加上海水的運(yùn)動(dòng)增加了油含量隨深度變化的復(fù)雜性。

對(duì)于油濃度隨深度的變化，在3 m深度附近大部分情況下有一個(gè)升高的現(xiàn)象。石油類物質(zhì)主要以漂浮油、分解油、分散油和乳化油的形式存在于水體中，漂浮油以油膜形式存在，分解油和分散油主要以黃色物質(zhì)的形式存在，而乳化油主要以顆粒物的形式附著于水體的懸浮顆粒物上。3 m深度附近處于海水混合層，受到風(fēng)浪的影響大，漲落潮的影響海水交換也比較頻繁，這可能是導(dǎo)致3 m處附近部分情況下油濃度增加的原因之一。

（a）站點(diǎn)A；（b）站點(diǎn)B；（c）站點(diǎn)C

表1 不同站點(diǎn)流向變化詳情

注：↗表示漲潮，↘表示落潮

2.2 含油水體后向散射系數(shù)bb隨深度變化特征分析

通過對(duì)所獲取的b值進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)含油水體b隨深度的變化大致可以歸為三種類型：（1）陡增型，其特點(diǎn)是隨著深度增加，b值變化不大，但在11.5 m處附近突然劇增，如圖2（a）所示。（2）平緩增加型：其特點(diǎn)是隨著深度增加，b值緩慢增加，如圖2（b）所示。（3）單峰型：該類型又可分為三種情況，峰值表層型，即峰值出現(xiàn)在深度0.5 ~ 2.5 m之間，如圖2（c）所示；峰值中層型，即峰值出現(xiàn)在深度7 ~ 10 m之間，如圖2（d）所示；峰值下層型，即峰值出現(xiàn)在深度10 ~ 12.5 m之間，如圖2（e）所示。

另外，從圖2還可以看到，（1）不同波段所對(duì)應(yīng)的b隨著深度的變化趨勢(shì)是一致的；（2）從量級(jí)上看，波長為700 nm所對(duì)應(yīng)的b最小，其次是590 nm，510、470、442和420 nm這4個(gè)波段的b值在量級(jí)上差別不大。

2.3 油物質(zhì)和懸浮顆粒物對(duì)bb的影響

考慮到油濃度和懸浮物濃度測(cè)定時(shí)所采樣的最大深度為15 m，而HS-6儀器布放的最大深度超過了15 m，為了統(tǒng)一起來，將b數(shù)據(jù)的最大深度取至15 m。由于b是6波段，為了分析b的影響，擬選擇其中一個(gè)波段的數(shù)據(jù)進(jìn)行討論。前人的研究建立了b關(guān)于波長的參數(shù)化模型[23]，模型如下：

式（5）中，λ0為參考波長（nm），λ0取值為555 nm或HS-6的6個(gè)波段中與之差值最小的波段；n為散射波長變化指數(shù)，取值會(huì)因水體組分不同而有所差異。由于其他波段的bb可以通過該參數(shù)化模型進(jìn)行計(jì)算，因而用555 nm對(duì)應(yīng)bb進(jìn)行討論具有一定的代表性，但由于后向散射測(cè)量儀器HS-6沒有555 nm波段，故本文選取了與555 nm最接近的590 nm波段進(jìn)行分析。

2.3.1 時(shí)間變化影響特征分析 將各個(gè)站點(diǎn)相同時(shí)間的所有深度的油濃度p、懸浮物濃度s和b觀測(cè)值分別求平均，得到每個(gè)站點(diǎn)相應(yīng)參數(shù)均值隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)，如圖3所示。

根據(jù)表1可知，三個(gè)站點(diǎn)在8:00－10:00點(diǎn)為漲潮，10:00－16:00為落潮。分析圖3可以看到，站點(diǎn)A的p在漲潮時(shí)降低，落潮時(shí)增加，而s和b則是漲潮時(shí)增加，落潮時(shí)降低。站點(diǎn)B的三個(gè)參數(shù)變化趨勢(shì)基本是一致的，都是漲潮時(shí)降低，落潮時(shí)增加，但14:00之后s和p突然降低，而b保持增加。C站點(diǎn)的p在12:00之后突然降低，s和b是先增加后降低。這是由于漲落潮海水來向不同，其組分不同，加上C站點(diǎn)位于島的東側(cè)，局部環(huán)流使得海水來向變得更加復(fù)雜所致。

分析圖3還可以看到，s和b的變化趨勢(shì)基本是一致的，但這種一致性的趨勢(shì)會(huì)受到p的影響而產(chǎn)生波動(dòng)。這主要是由于油物質(zhì)對(duì)b的影響是通過懸浮物顆粒進(jìn)行的，兩者的共同作用影響著含油水體的b，而且在含油水體中懸浮物濃度與b呈現(xiàn)出線性關(guān)系所致。

2.3.2 空間變化影響特征分析 圖4為三個(gè)站點(diǎn)在五個(gè)觀測(cè)時(shí)刻懸浮物濃度s隨深度的變化曲線，圖中s為懸浮物濃度（mg/L），為深度（m）。分析圖4可以看到，s在多數(shù)情況下隨深度有一定的增加趨勢(shì)，說明懸浮物的沉降速度大于水動(dòng)力對(duì)其向上運(yùn)輸?shù)乃俣?；總體上看，A站點(diǎn)的s高于B站點(diǎn)和C站點(diǎn)，B站點(diǎn)和C站點(diǎn)的s差別不大。

在石油類污染水體中，油和懸浮物混合后，油會(huì)附著在顆粒物的表面，形成一個(gè)雙層結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致水體后向散射特性的改變，因而利用HS-6測(cè)量得到的b是油和懸浮物共同作用的結(jié)果。圖5為三個(gè)站點(diǎn)的b隨深度變化曲線，對(duì)比分析圖4和圖5可見，從整體上看，對(duì)應(yīng)站點(diǎn)的s與b隨深度的變化趨勢(shì)基本是一致的，這是由于油物質(zhì)的附著改變了顆粒物的折射系數(shù)和粒徑，從而改變后向散射系數(shù)所導(dǎo)致，也體現(xiàn)出了在含油水體中，懸浮物濃度與b的呈現(xiàn)出線性關(guān)系。

圖4 懸浮物濃度隨深度變化曲線

圖5 三個(gè)站點(diǎn)后向散射系數(shù)隨深度變化曲線

3 結(jié)論

本研究發(fā)現(xiàn)，在含油水體中油濃度和后向散射系數(shù)垂向變化受到潮汐的影響；石油物質(zhì)通過吸附在懸浮顆粒物表面形成一個(gè)雙層結(jié)構(gòu)，共同影響著水體的后向散射系數(shù)，且懸浮物濃度與后向散射系數(shù)呈現(xiàn)出線性變化關(guān)系。

本研究所得結(jié)論針對(duì)大連港海域，今后將拓展到更多的海域展開研究，以提高研究的精度和結(jié)論的適用性。

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Vertical Variation Characteristics of Petroleum Concentration and Backscattering Coefficient in Petroleum-polluted Water Body

XING Xu-feng, WANG Zhong-lin, HUANG Miao-fen, HUANG Yin-en, ZHUANG Yang

（,,524088,）

【Objective】The study lays a foundation for the study of underwater light field in petroleum-polluted water by grasping the vertical distribution characteristics of petroleum concentration and backscattering coefficient in petroleum-polluted water. 【Method】August 25th to 27th, 2018, in-situ data including petroleum concentration, suspended matter concentration and backscattering coefficient was adopted. The data were measured by using the mode that the station is fixed and the time changes with tide at Dalian port. 【Result】The regime of vertical variation of petroleum concentration is complicated, and the concentration does not decrease or increase gradually with depth increasing. The minimum and second minimum of backscattering coefficient of each station are at 700nm and 590nm respectively. By the way, magnitude of backscattering coefficient is similar at 420nm, 442nm, 470nm and 510nm, and backscattering coefficients of these stations vary with depth consistently. There are three kinds of vertical variations of total backscattering coefficient in this study area, they are abrupt growth, steady growth and single hump. 【Conclusion】The vertical variation of petroleum concentration and backscattering coefficient is mainly affected by tidal action due to the fact that ebb and flow of different time and stations could influence current in different way.In addition, the two-layer structure formed by the adsorption of petroleum substances on the surface of suspended particles affects the backscattering coefficient of water.

petroleum concentration; suspended particles; backscattering coefficient; vertical variation; Dalian port

P76

A

1673-9159（2020）04-0075-07

10.3969/j.issn.1673-9159.2020.04.011

2020-02-25

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41771384）；廣東海洋大學(xué)2017年“創(chuàng)新強(qiáng)校工程”自主創(chuàng)新能力提升項(xiàng)目（GDOU2017052501）；廣東海洋大學(xué)科研啟動(dòng)經(jīng)費(fèi)資助項(xiàng)目（E16187）

邢旭峰(1972－)，男，副教授，碩士，主要研究方向?yàn)楹Ｑ笮畔⒉杉夹g(shù)。E-mail: xingxf@gdou.edu.cn

邢旭峰，王忠林，黃妙芬，等. 石油污染水體油濃度及后向散射系數(shù)垂向變化特性分析[J]. 廣東海洋大學(xué)學(xué)報(bào)，2020，40（4）：75-81.