重金屬污染土壤與地下水修復(fù)工程環(huán)境監(jiān)測方法的思考

丁水波，李 琦

（江西省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站，江西 南昌 330000）

工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，雖然提高了人們的經(jīng)濟水平，但是由于排放處理不當，也產(chǎn)生了較多的工業(yè)廢物，對生態(tài)環(huán)境也造成了相應(yīng)的影響。土壤的污染來源包括很多，例如化學肥料、農(nóng)藥、工業(yè)廢水等，在土壤中大面積擴散，造成生態(tài)系統(tǒng)失去平衡?，F(xiàn)階段，環(huán)境監(jiān)測的方法可以分為2種，異位測定與原位測定。2種監(jiān)測方法均以特定的化學特性與化學反應(yīng)為基礎(chǔ)，對獲取到的數(shù)據(jù)進行分析，適用范圍較為廣泛，操作過程較為便捷。然而，對重金屬污染土壤與地下水修復(fù)工程的監(jiān)測結(jié)果存在一定的缺陷，不能實現(xiàn)連續(xù)測定的目標，且容易造成影響修復(fù)工程進度的情況。隨著工業(yè)廢物的不斷排出，垃圾填埋場受到雨水的沖刷，垃圾滲濾液流經(jīng)地表，形成了較為嚴重的地下水污染。地下水中含有大量的化學物質(zhì)，長期積累后進入到土壤中，化學元素減弱了土壤對其他物質(zhì)的吸附能力。對重金屬污染土壤與地下水修復(fù)工程必不可少，然而在修復(fù)工程中還會對環(huán)境產(chǎn)生其他的影響，因此，修復(fù)工程中的環(huán)境監(jiān)測也至關(guān)重要。基于此，提出了重金屬污染土壤與地下水修復(fù)工程環(huán)境監(jiān)測方法[1-3]。

1 重金屬污染土壤與地下水修復(fù)工程環(huán)境監(jiān)測方法設(shè)計

1.1 構(gòu)建環(huán)境監(jiān)測參數(shù)模型

本文構(gòu)建的環(huán)境監(jiān)測參數(shù)模型選取了關(guān)聯(lián)性較強的光譜系數(shù)作為輸入數(shù)據(jù)，依據(jù)輸入樣本數(shù)量選擇多項式核函數(shù)。多項式核函數(shù)局部性特征較明顯，在重金屬污染土壤與地下水修復(fù)工程中應(yīng)用廣泛，能夠適用于不同類型的樣品。將數(shù)據(jù)集分成K份，根據(jù)多項式函數(shù)的特點進行數(shù)據(jù)分類，將所有的數(shù)據(jù)集循環(huán)使用。依據(jù)交叉選取方法選擇數(shù)據(jù)集中的最佳參數(shù)作為本文構(gòu)建模型的參數(shù)。

將輸入數(shù)據(jù)與地下水修復(fù)工程中的水環(huán)境參數(shù)濃度值進行對比，在模型構(gòu)建前將所有數(shù)據(jù)集統(tǒng)一處理，得到相應(yīng)的預(yù)測值。本文構(gòu)建的環(huán)境監(jiān)測參數(shù)模型傳感參數(shù)如表1所示。

表1 環(huán)境監(jiān)測參數(shù)模型傳感參數(shù)

根據(jù)表1可知，本文構(gòu)建的監(jiān)測模型的中心波長與波段寬度存在一定的差異，傳感器的可見光波段相關(guān)性較強，有利于波段之間的關(guān)系校正。將重金屬污染土壤與地下水修復(fù)工程的所有獨立驗證數(shù)據(jù)應(yīng)用到構(gòu)建參數(shù)模型中[4]。

相同參數(shù)的模型較傳統(tǒng)的線性模型的監(jiān)測精度有所提高，對樣本總體的誤差也較低。對于不同渾濁程度的樣本，誤差率也相應(yīng)不同。在地下水環(huán)境修復(fù)工程的遙感監(jiān)測中，可獲取的實際樣本數(shù)量有限，環(huán)境監(jiān)測參數(shù)模型的監(jiān)測精度也受到了一定的限制。將本文構(gòu)建的監(jiān)測模型與Landsat數(shù)據(jù)相結(jié)合，能夠?qū)Φ叵滤h(huán)境監(jiān)測的長時序進行反演，獲取監(jiān)測環(huán)境中的各項數(shù)據(jù)。

1.2 MODIS監(jiān)測數(shù)據(jù)的預(yù)處理

基于上述構(gòu)建的環(huán)境監(jiān)測參數(shù)模型，獲取到重金屬污染土壤與地下水修復(fù)工程環(huán)境監(jiān)測的各項數(shù)據(jù)。通過光譜儀，獲取監(jiān)測環(huán)境的光譜波段，要求覆蓋13.25微米內(nèi)的全光譜范圍。在地下水環(huán)境中波段的信號較飽和，對于識別水體的污染與修復(fù)程度存在一定的困難，MODIS數(shù)據(jù)能夠較好地解決此類問題，在小型水體區(qū)域內(nèi)能夠?qū)啙岫冗M行反演。

MODIS的波段反射率與地下水環(huán)境中的泥沙濃度存在一定的關(guān)聯(lián)，在地下水修復(fù)工程中變化明顯，整體監(jiān)測數(shù)據(jù)的信噪比較高，對MODIS監(jiān)測數(shù)據(jù)的預(yù)處理是整個環(huán)境監(jiān)測方法的重要組成部分。將重金屬污染土壤與地下水修復(fù)工程中的大氣校正值與幾何校正值進行優(yōu)化，得出優(yōu)化后的數(shù)據(jù)值，此數(shù)據(jù)值不包含空氣中的大氣分子的干擾。

由于土壤與地下水環(huán)境的自然環(huán)境變化較頻繁，本文選用375m的分辨率，波段1與波段2的傳感參數(shù)，確定中心波長的選值范圍在675nm～895nm之間?；诙囗検綌M合控制地面的布設(shè)點與遙感監(jiān)測中的對應(yīng)點變換關(guān)系，對土壤中的監(jiān)測值具有較高的糾正精度。通過MODIS匹配的操作設(shè)備將坐標系導(dǎo)出，基于噪聲與精確度的要求，對獲取到的監(jiān)測數(shù)據(jù)預(yù)處理，最終得到近紅外波閾值的環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，提取出研究區(qū)域所需數(shù)據(jù)值。

1.3 改進遙感監(jiān)測空間插值

通過對MODIS監(jiān)測數(shù)據(jù)的預(yù)處理，得到了近紅外波閾值的環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，完成了環(huán)境監(jiān)測的重要一步。在環(huán)境監(jiān)測中，監(jiān)測空間插值對于監(jiān)測結(jié)果也存在較大的影響。本文利用反演算法對空間插值進行了改進?？臻g插值指的是根據(jù)已知的樣點與數(shù)據(jù)，探索出其存在的規(guī)律，插入到研究區(qū)域的數(shù)據(jù)求算閾值。插值方法在預(yù)測估值前進行假設(shè)，模擬監(jiān)測環(huán)境的變化與采集樣品數(shù)據(jù)點的分布，不同的插值方式對實際效果具有不同的影響。為了使插值結(jié)果較為精確，選用較多的樣本點，使其分布得越均勻越好[5-7]。

設(shè)定每個采樣點都具有一定的局限性，此種局限性會隨著污染程度與修復(fù)程度的增大而減弱，在一定數(shù)量下，局限性特征導(dǎo)致采樣點的權(quán)重較大。在保證擬合表面曲率最小的情況下，通過改變最小曲率與采樣點的數(shù)量，對監(jiān)測空間插值進行優(yōu)化調(diào)整。此種方法適用于表面屬性多變的情況，例如土壤的污染面積與地下水修復(fù)的深度等。

監(jiān)測空間插值在一定程度上反映了地下水修復(fù)在空間變化中的關(guān)系，以及土壤污染程度受重金屬的影響程度。改進遙感監(jiān)測空間插值，使得數(shù)據(jù)擬合的曲面方差減小，將輸入點的實際值與預(yù)測值的誤差率降到最低。

2 對比實驗

為了驗證本文提出的重金屬污染土壤與地下水修復(fù)工程環(huán)境監(jiān)測方法的可行性，進行了以下對比實驗。將本文提出的方法與傳統(tǒng)的影像幾何環(huán)境監(jiān)測方法的植被反演指數(shù)NDVI進行對比。首先，構(gòu)建環(huán)境監(jiān)測參數(shù)模型，獲取到中心波長與波段寬度、空間分辨率等參數(shù)信息；對MODIS監(jiān)測數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，提取到實驗所需的數(shù)據(jù)值；根據(jù)數(shù)據(jù)值對空間插值進行改進。

綠色植物具有一定的特性，不同生長環(huán)境中的植被反演指數(shù)NDVI存在一定的差異。將綠色植物放置于近紅外波段小于1.1nm的環(huán)境中，反射的波段比例控制在45%之內(nèi)，利用光譜儀探測植被的變化。根據(jù)探測到的植被變化獲取到的植被響應(yīng)能力，能夠綜合光譜信號，為重金屬污染土壤與地下水修復(fù)工程提供定量的環(huán)境監(jiān)測信息，通過計算植被反演指數(shù)，進而判斷環(huán)境監(jiān)測方法的有效性，植被反演指數(shù)計算公式如下：

其中，ρair表示大氣中植被的響應(yīng)能力；ρred表示近紅外波中植被的響應(yīng)能力。通過計算得出兩種環(huán)境監(jiān)測方法的植被反演指數(shù)，如表2所示。

表2 兩種環(huán)境監(jiān)測方法的植被反演指數(shù)對比

根據(jù)表2可知，本文提出的重金屬污染土壤與地下水修復(fù)工程環(huán)境監(jiān)測方法的植被反演指數(shù)較傳統(tǒng)的環(huán)境監(jiān)測方法相比，相同的空間分辨率下，本文提出的環(huán)境監(jiān)測方法的植被反演指數(shù)較低，中心波長與波段寬度參數(shù)更加精確。因此，通過實驗證明了本文提出的環(huán)境監(jiān)測方法更加有效。

3 結(jié)語

本文設(shè)計對重金屬污染土壤與地下水修復(fù)工程環(huán)境監(jiān)測方法進行了研究，并通過對比實驗證明了此種方法的可行性。通過與傳統(tǒng)的影像幾何環(huán)境監(jiān)測方法的植被反演指數(shù)進行對比，本文提出的環(huán)境監(jiān)測方法的植被反演指數(shù)較低，中心波長與波段寬度更加精確，更加適用于重金屬污染土壤與地下水修復(fù)工程的環(huán)境監(jiān)測。