基于遙感的近海污染物空間分布特征與污染狀況評(píng)價(jià)研究

史奇讓

摘要：基于遙感技術(shù)研究近海污染物空間分布特征，評(píng)價(jià)近海區(qū)域污染狀況。選擇東中國(guó)近海海域某區(qū)域作為研究區(qū)域，所使用的研究數(shù)據(jù)主要包括衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)與航測(cè)遙感數(shù)據(jù)兩部分，基于遙感反射率搭建近海COD濃度數(shù)據(jù)的相關(guān)水質(zhì)反演模型?；谶b感反射率搭建近海懸浮顆粒物濃度數(shù)據(jù)的相關(guān)水質(zhì)反演模型。隨著與海岸的距離逐漸增大，COD污染情況逐漸減輕，減輕程度較低，說(shuō)明研究區(qū)域近海COD污染情況整體比較嚴(yán)重，分布較為均勻。比較COD與懸浮顆粒物的污染狀況，發(fā)現(xiàn)懸浮顆粒物的污染更加嚴(yán)重，容易在近岸區(qū)域累積。

關(guān)鍵詞：遙感技術(shù)；COD；懸浮顆粒物；空間分布特征；污染狀況

中圖分類號(hào)：X83 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

前言

海洋污染一直是全球普遍關(guān)心的問(wèn)題，由于人類工業(yè)的發(fā)展，海洋中污染物的數(shù)量越來(lái)越多，對(duì)于生態(tài)系統(tǒng)與水生動(dòng)物的健康產(chǎn)生不利影響，對(duì)于人類健康也構(gòu)成威脅。中國(guó)的人口多、面積大，海岸線綿長(zhǎng)，并且面臨著城市化、間業(yè)化迅速推進(jìn)以及人口快速增長(zhǎng)所帶來(lái)的愈發(fā)嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題。近海污染物的富集使污染物通過(guò)各種生物富集于食物鏈中的每一個(gè)層級(jí)，會(huì)嚴(yán)重影響近海海域水生動(dòng)物們的健康，人類長(zhǎng)期食用體內(nèi)富集污染物的水生動(dòng)物后，例如各種魚(yú)類和貝類，也會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的健康問(wèn)題。除此以外，一些工業(yè)制品在裂解、風(fēng)化后，會(huì)成為體積微小的、攜帶各種污染物的復(fù)雜載體，使近海海域的海水具有生物毒性?；谠摫尘皩?duì)近海污染物空間分布特征實(shí)施研究，并進(jìn)行污染狀況評(píng)價(jià)。對(duì)于近海污染物空間分布特征問(wèn)題的研究，目前主要應(yīng)用水流流動(dòng)數(shù)學(xué)模型等進(jìn)行研究，整體研究已經(jīng)取得了豐富而廣泛的研究成果，為該問(wèn)題的研究奠定了根基。中國(guó)該方面的研究整體開(kāi)展較晚，但也在吸收和學(xué)習(xí)國(guó)際先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)與水平的基礎(chǔ)上得到了迅速發(fā)展?，F(xiàn)對(duì)整體研究成果進(jìn)行整理，在其基礎(chǔ)上對(duì)基于遙感技術(shù)對(duì)近海污染物空間分布特征進(jìn)行研究并實(shí)施污染狀況評(píng)價(jià)。

1 研究區(qū)域與研究數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)域概況

于東中國(guó)近海海域采集航測(cè)遙感數(shù)據(jù)，受海底地形、人類活動(dòng)以及河流沖淡水等因素的影響，研究區(qū)域懸浮顆粒物、懸浮顆粒物物含量均較高，在不同海域生態(tài)環(huán)境、海域化學(xué)條件以及海域物理環(huán)境下趨于復(fù)雜多變，均為有著復(fù)雜光學(xué)性質(zhì)的二類水體。

1.2 數(shù)據(jù)測(cè)量

所使用的研究數(shù)據(jù)主要包括衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)與航測(cè)遙感數(shù)據(jù)兩部分，其中衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)主要包括2022年研究區(qū)域的MODIS、SeaWiFS衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)。

航測(cè)遙感數(shù)據(jù)主要包括現(xiàn)場(chǎng)水體遙感影像、懸浮顆粒物濃度數(shù)據(jù)、COD濃度數(shù)據(jù)、遙感反射率數(shù)據(jù)。

航測(cè)遙感數(shù)據(jù)采集見(jiàn)表1的四個(gè)實(shí)測(cè)調(diào)查航次。

其中測(cè)量遙感反射率數(shù)據(jù)使用的儀器為便攜公式光譜儀ASD。在穩(wěn)定且適宜的太陽(yáng)光照條件下，參照水上測(cè)量法，通過(guò)白板實(shí)施測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)的光環(huán)境定標(biāo)，并分別對(duì)天空、無(wú)干擾水面以及參考灰板實(shí)施光譜測(cè)量，各自采集十條光譜。最后，通過(guò)ASD光譜處理軟件將測(cè)量光譜內(nèi)的異常值剔除，并求余下光的平均值。

將測(cè)量時(shí)間定為上午9：00-下午3：00。

依據(jù)海洋光學(xué)協(xié)議，遙感反射率的計(jì)算公式具體如式（1）：

式（1）中，KT指的是水體的輻亮度；E（x）是指遙感反射率；δ代表海水-空氣界面對(duì)于天空光的反射率；KSKY表示天空的輻亮度；Kp指的是灰板的輻亮度；εp是指灰板的漫反射比。

其中δ的值由風(fēng)速來(lái)決定。

在各站位的懸浮顆粒物測(cè)量中，水樣的實(shí)測(cè)SPM濃度計(jì)算公式具體如式（2）：

式（2）中，NB指的是灼燒稱重后GF/F空白濾膜質(zhì)量，其中GF/F空白濾膜的直徑為47mm；NA代表3次測(cè)量后的均值；M是指實(shí)際樣品體積。

具體測(cè)量步驟如下：

（l）在過(guò)濾器中倒入水樣，并接通開(kāi)關(guān)，啟動(dòng)真空泵抽干。

（2）使用10-20ml蒸餾水對(duì)過(guò)濾器內(nèi)壁進(jìn)行潤(rùn)洗，再倒入水樣并抽干。

（3）在烘箱中放入過(guò)濾后的濾膜，在90℃的溫度下烘干2小時(shí)。

（4）放入干燥皿中干燥，稱重的時(shí)間間隔為24小時(shí)，當(dāng)三次記錄誤差均低于10%，對(duì)三次測(cè)量均值進(jìn)行記錄。

在各站位COD的測(cè)量中，使用的方法為重鉻酸鉀指數(shù)測(cè)定法。

1.3 基于遙感反射率的近海水質(zhì)反演模型的搭建

首先基于遙感反射率搭建近海COD濃度數(shù)據(jù)的相關(guān)水質(zhì)反演模型。研究不同遙感反射率多波段組合值或單波段組合值與近海COD濃度數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，選擇最優(yōu)波段組合構(gòu)建該反演模型。

其中MODIS、SeaWiFS衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的遙感反射率波段組合形式具體見(jiàn)表2。

在表2中，εi指的是E（x）數(shù)據(jù)的第i個(gè)波段；εj是指（x）數(shù)據(jù)的第j個(gè)波段。

分析各測(cè)點(diǎn)COD濃度數(shù)據(jù)與E（x）波段組合值間的關(guān)系，獲取各測(cè)點(diǎn)COD濃度數(shù)據(jù)所對(duì)應(yīng)的反演模型建模參數(shù)、最佳E（x）波段及其最佳組合形式，實(shí)現(xiàn)近海COD濃度的遙感反演。

接著基于遙感反射率搭建近海懸浮顆粒物濃度數(shù)據(jù)的相關(guān)水質(zhì)反演模型。研究不同遙感反射率多波段組合值或單波段組合值與近海懸浮顆粒物濃度數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，選擇最優(yōu)波段組合構(gòu)建該反演模型。

2 近海污染物空間分布特征分析與污染狀況評(píng)價(jià)

2.1 COD空間分布特征分析與污染狀況評(píng)價(jià)

根據(jù)第一個(gè)反演模型獲取春、夏、秋、冬四季COD的近?？臻g分布特征，并評(píng)價(jià)四季的COD污染狀況。

COD在春、夏、秋、冬四季的近?？臻g分布特征見(jiàn)圖1。

如圖1所示，隨著與海岸的距離逐漸增大，COD污染情況逐漸減輕，但隨著與海岸的距離逐漸增大，COD污染情況的減輕程度較低，說(shuō)明研究區(qū)域近海COD污染情況整體比較嚴(yán)重，分布較為均勻。在河流人?？谔?，COD污染情況較輕，如圖右上部分為河流人?？谔?，觀察可發(fā)現(xiàn)，在該處，河流的匯入使COD污染情況相比等距離的其他近岸處較輕。也就是說(shuō)，COD的污染傳輸方向?yàn)橄蚪短幹饾u傳輸。

比較四個(gè)季節(jié)的近海COD空間分布特征數(shù)據(jù)可知，COD污染情況在春季較為嚴(yán)重，COD最高值達(dá)到50mg/L，冬季次之，COD最高值達(dá)到49mg/L，夏秋季節(jié)的COD污染情況相比較輕，尤其是秋季。而夏季由于河流人海量較大，因此右上部分的COD污染情況相比等距離的其他近岸處明顯更輕。

2.2懸浮顆粒物空間分布特征分析與污染狀況評(píng)價(jià)

接著根據(jù)第二個(gè)反演模型獲取春、夏、秋、冬四季懸浮顆粒物的近?？臻g分布特征，并評(píng)價(jià)四季的懸浮顆粒物污染狀況。

懸浮顆粒物在春、夏、秋、冬四季的近?？臻g分布特征見(jiàn)圖2。

如圖2所示，隨著與海岸的距離逐漸增大，懸浮顆粒物污染情況也在逐漸減輕，隨著與海岸的距離逐漸增大，COD污染情況的減輕程度較高，這說(shuō)明研究區(qū)域近岸區(qū)域懸浮顆粒物污染情況最嚴(yán)重，與海岸線距離越遠(yuǎn)的地方懸浮顆粒物污染情況越輕，也就是懸浮顆粒物污染主要集中在近岸處。在河流人?？谔?，懸浮顆粒物污染情況同樣有所減輕，這與季節(jié)的徑流量相關(guān)，徑流量越大，懸浮顆粒物污染情況的減輕程度就越高，反之，徑流量越小懸浮顆粒物污染情況的減輕程度就越低。即夏季由于河流人海徑流量較大，因此右上部分的懸浮顆粒物污染情況相比等距離的其他近岸處明顯更輕。也就是說(shuō)，懸浮顆粒物的污染傳輸方向?yàn)橄蚪短幹饾u傳輸并且在近岸區(qū)域累積。

比較四個(gè)季節(jié)的近海懸浮顆粒物空間分布特征數(shù)據(jù)，懸浮顆粒物污染情況在秋冬季比較嚴(yán)重，特別是在冬季，懸浮顆粒濃度最高值達(dá)到96mg/L，春夏季次之，懸浮顆粒濃度最高值同比較低。

比較COD與懸浮顆粒物的污染狀況，發(fā)現(xiàn)懸浮顆粒物的污染更加嚴(yán)重，同時(shí)容易在近岸區(qū)域累積，而COD的污染相對(duì)較輕，同時(shí)其分布更加均勻。

3 結(jié)束語(yǔ)

在環(huán)境問(wèn)題日益嚴(yán)峻的今天，如何對(duì)流域水環(huán)境進(jìn)行污染狀況評(píng)價(jià)已成為全球性的挑戰(zhàn)。當(dāng)前，中國(guó)近海海域的水環(huán)境不斷惡化，這不僅對(duì)中國(guó)的生態(tài)平衡構(gòu)成嚴(yán)重威脅，也成為了影響中國(guó)和諧社會(huì)建設(shè)的關(guān)鍵因素。這種狀況對(duì)中國(guó)的整體國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的負(fù)面影響，嚴(yán)重制約了中國(guó)的可持續(xù)發(fā)展。為了應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，借助遙感技術(shù)對(duì)近海污染物的空間分布特征進(jìn)行了深入研究，并實(shí)施了相應(yīng)的污染狀況評(píng)價(jià)。遙感技術(shù)的運(yùn)用能夠更好地了解近海污染物的分布規(guī)律和擴(kuò)散趨勢(shì)，為制定有效的污染控制策略提供了科學(xué)依據(jù)。通過(guò)遙感數(shù)據(jù)的分析，我們可以確定污染源的位置和排放量，評(píng)估污染程度和影響范圍，從而有針對(duì)性地采取措施進(jìn)行治理和防控。