广东省东江流域水质遥感监测
  

广东省东江流域水质遥感监测

中国环境学会  2011年 06月22日

  广东省东江流域水质遥感监测  邓孺孺(中山大学  广州 510275)
   
  摘要:本文通过调查广东省东江流域的水质状况,针对水库水质的变化及监测手段,探讨了采用遥感技术对大范围、大面积、大容量水体进行水质实时监控的技术,通过分析常规水质监测与遥感技术监测的特点,提出了实施水库水质遥感监测技术的方法,得出水库水质的监测结果并进行了讨论。


  引言


  改革开放以来,广东省经济社会发生了翻天覆地的变化,形成了全方位、多层次、宽领域的对外开放新格局,经济和社会快速发展,取得了举世瞩目的成就,自1978年以来,全省的GDP平均增长率达13.4%,2006年达到21000亿元,占全国的八分之一;外贸出口达3570亿美元,占全国的三分之一,成为中国第一经济大省。其中民营企业发展尤为迅猛。全省的民营经营在2004、2005、2006连续三年取得迅猛发展的基础上,今年继续保持快速发展的势头;目前经省各级科技部门认定的民营科技企业拥有的高新技术产品占全省的80%以上;产业集群效应凸现。目前全省产业中民营企业的比例很大,这就容易对环境,尤其是水环境造成了严重冲击。
  目前全省人均水资源拥有量仅为2100立方米,低于全国人均拥有量2200立方米的水平,逼近国际公认的1750立方米的人均水资源的紧张警戒线。其中珠江三角洲地区人均拥有量不足2000立方米。粤西湛江地区仅为1500立方米。但是广东省的耗水量却是一些发达国家的几十倍,水资源面临的形势十分严峻。目前在全省有1600万人属于水质性缺水。 被誉为“空气中也能拧出水”的广东,近年来却面临着缺水的困扰。据估计,到2010年广东省缺水量将达到82.6亿立方米。 


  东江流域水环境现状


  对于广东省东江流域,水库是饮用水和灌溉用水的重要来源,是最重要的水利工程建筑之一,目前已经有三分之一饮用水源来自水库,尤其在每年的枯水季节,水库的作用更是至关重要。
  然而,东江流域的水库多数建于上世纪五、六十年代。由于建成时间长,淤积严重,部分水库含有污染成分的淤积物长期积累,导致水质下降。更为严重的是,伴随着粗放型的经济增长,越来越多的水库受到日益严重的污染。近二十多年来,经济发展迅速,但与此同时,工业废水、城市生活污水大量排放,农田普遍施用化肥、杀虫剂,诸多方面的原因使流域水环境受到越来越严重地破坏。目前流域内河、水库和沿海均遭受不同程度的污染,已对社会与经济发展、生态环境和人民生活质量构成严重的威胁。
  导致水库水质污染虽然有自然因素,但更重要的是人为原因。自然因素主要有以下两方面,一是水库中各种有机物的长期淤积、分解,产生有机污染;二是一些富含重金属的土壤长期淤积,造成污染,这种情况为数极少。人为原因包括农业污染、工业污染和生活污染。农业污染主要来自农药和化肥的大量使用,残余的农药和化肥被径流带入水库中聚集后造成污染。工业污染主要来自集水区内的工厂和矿山。近年来一些工厂迁入山区,以及采矿、采煤等活动均会导致水库水质的污染。生活污染主要源自生活、旅游产生的废水、废弃物,也是水库污染的重要来源之一。水库的自净能力远较河流为低,只要上游有污染源存在,经一定时间的累积,就可能会导致严重的污染。高速的工业化、城市化和整个社会经济的快速增长使全省水库水质污染的情况日益严峻。很多水库均出现氮、磷营养性物质超标。据丰水期和枯水期的水质调查结果,大部分水库受到了一定程度的污染,属于中营养型;东江流域的新丰江水库和白盘珠水库水质优良,为贫营养型;而其它水库均已受到不同程度的污染。
  至今尚无针对水库水环境的有效治理措施,水库水污染的情况依然在加剧,已成为枯水季节水质性缺水的重要因素;对地区经济的发展、人民生活水平构成日益严重的威胁。


  水质监测的重要性
 

  水库水环境进行有效整治必须清楚、及时地掌握全省水库水环境情况,了解问题水库污染产生的原因。如此才能及时采取合理措施,治理工作才能做到有的放失,取得切实的成效。所以,及时、全面掌握水库水质情况是进行有效整治的前提,也是在当前形势下有效进行水库水环境保护,保证水库可持续发展、利用必须完成的工作。
  然而,我省水库众多,分布范围广;且大多数位于山区,交通不甚方便,用已有的手段难以进行全面的监测。不能及时发现水库污染情况是造成水库水环境污染不能得到及时整治的主要原因之一。水库水环境的全面监测已成为全省水库水环境保护、污染治理的瓶颈,所必须充分利用现代高科技手段,研究更有效的水质监测方法加以解决。


  水质监测手段的特点
 

  传统监测手段的局限性
  目前对江河和水库的水质监测主要采用人工取样分析、仪器自动监测两种方式。人工取样分析是在监测水域按一定的方式人工采集水样,然后在原地或带回实验室通过化学分析、仪器分析或生物技术分析水样中的污染物及其有关的组成成分含量。其中化学分析方法几乎可以测量所有的杂质含量,且精度高,是最为成熟的水质分析方法。但该方法分析花费较高,时间较长。实地取样分析的方法可以测量所有要求的水质指标,且精度高,是目前最为成熟,也是被普遍采用的常规方法。
  然而,由于广东省东江流域大、中型水库数量多、分布广,人工取样分析方法存在着明显的局限性。首先,用人工取样分析的方法进行水质监测周期长,劳动强度大。正常情况下,难以在需要的时间内对所有水库进行全面采样分析,而只能抽样进行,结果难以反映全省水库的真实情况;对于大、中型水库,其水域面积大,可能存在多个污染源,污染情况在空间上可能存在着较大差异,数个采样点很难反映水库的整体水质情况。广东省有关领导和水利、水文部门对水库水环境已非常重视,但由于常规手段和其它各种条件的限制,现在只能对41宗水库进行监测,无法对所有受污染水库的治理提出切实有效的治理措施。
  其次,数据的步性差。由于不可能组织大批的人力对所有监测的水库同时进采样,而只能是能按一定的顺序对各个水库先后采集水样。水样的采集有一定的时间跨度,结果不反映同时的情况,成为水环境状况的分析的一个不利因素。
  仪器自动监测是通过水质污染自动监测系统(WPMS)实现的。水质污染自动监测系统是一套以在线自动分析仪器为核心,运用现代传感器技术、自动测量技术、自动控制技术、计算机应用技术以及相关的专用分析软件和通讯网络所组成的一个综合性的在线自动监测体系。水质自动监测仪具有最佳的实时效果,可以对水质进行自动、连续监测,数据远程自动传输,随时可以查询到所设站点的水质数据。这对于解决现行的水质监测周期长,劳动强度大,数据采集、传输速度慢等问题,具有很好的社会效益和经济效益。其先进性在于在实验室(中央控制室)可以实时显示现场数据,仪器发生故障时,报警功能可提醒用户并告知故障原因。WPMS可尽早发现水质的异常变化,为防止下游水质污染迅速做出预警预报,及时追踪污染源,从而为管理决策服务。
  但大部分自动监测系统是以监测水质污染的综合指标为基础的,包括水温、混浊度、pH值、电导率、溶解氧、化学需氧量、生化需氧量、总需氧量和总有机碳等。单项污染物浓度自动监测系统还处于研究试验阶段。总的来看,在现有水污染连续自动监测系统中,水质污染监测项目尚较为有限,尤其是单项污染物浓度监测项目还是比较少,例如重金属、有毒有机物项目的自动监测仪器较缺乏。现有单项污染物浓度检测仪器在性能方面还存在一些缺陷,在一定程度上限制了它的使用。
  其次水质连续监测仪器长期运行的可靠性尚差,一般同时运行率仅达70%,故障经常出现在传感器沾污及采样器堵塞上。
  此外,水质污染自动监测系统价格昂贵,运行成本极高。目前国内的自动监测仪器研制技术发展较慢,所用的自动监测仪多为国外进口设备,价格昂贵,且运转费用高。
  目前采用的两种监测方法各有优劣,实地采样分析的方法监测的精度高,但水质监测周期长,同步性差,劳动强度大,且数据采集、传输速度慢。仪器自动监测的方法具有很好的实时性和同步性,但可监测的指标有限,精度不高;且自动监测系统价格昂贵,运行成本高。已有的这两种监测方法的共同缺陷是在可行的成本范围内无法对全省大、中型水库进行有效的全面监测,所以难以做到及时、全面地获取全省大、中型水库的水质情况。而及时、全面地了解全省大、中型水库的水质情况是进行水环境保护、水污染整治的关键。所以必须引入现代高科技技术,提高水质监测的能力,从根本上解决水库水环境监测的空间精度和广度问题。卫星遥感正是可以很好解决该方面问题的现代高科技技术。


  遥感监测技术的可行性
 

  卫星遥感技术是以人造卫星为平台,用高精度传感器对地表进行探测的现代高科技技术,其可以在短时间内大范围地获取地面的数据。由于在对地观测方面具有的极高的效能,该项技术近年来得到了快速发展,空间分辨率和光谱分辨率都得到了极大的提高,信息量呈几何级数增长,已广泛地应用于各个地学、社会和军事领域。
  在水质监测方面,由于受污染后,水体对电磁辐射吸收和散射性质发生改变,导致传感器接收到的反射光谱发生变化而在遥感数据中得到反映,只要建立适当的遥感反演模型,就可以根据遥感数据计算出水污染物的浓度。其原理与上述仪器分析中的光谱分析法、色谱分析法相似。环境遥感技术发展极快,在水质遥感方面,目前已可以定量反演主要的水质参数。其精度取决于采用的遥感模型,大气纠正等因素,仍有很大的提高空间。一般情况下,水质遥感结果的绝对精度偏低,但相对精度较高,如采用有限的水面监测数据进行定标,就可以使精度大大提高。
  由于遥感技术可以在极短时间内大范围地获取地面的数据,所以很方便对大范围的所有江河和水库的水质情况同时进行遥感反演,反演结果具有很好的同步性;其可视化的特点还可以很方便地反映大、中型污染源。此外,由于卫星遥感数据周期性地重复覆盖地球表面,采用遥感技术可以方便地对全省范围内所有水库的水质进行定期动态监测。
  从以上分析可知,现有的实地采样分析和自动监测等常规方法与遥感技术各有特长与不足。二者的优势具有很好的互补性。常规监测具有很高的精度,但只能反映采样点处的局部情况;遥感方法可以很好反映水质的空间分布情况。二者相结合将可以大大提高水环境监测的效能。通过常规监测进行定标可以显著提高遥感反演的精度;以遥感反演结果为基础,常规监测数据外推的客观性将得到极大地提高。二者的结合在目前的条件下将是大范围水质监测手段的最佳组合,可以较好地解决流域范围的水环境监测问题。


  水质遥感监测技术的分析
 

  遥感监测研究现状
  采用遥感技术进行水污染调查一直是环境遥感研究和应用的重要内容,目前已逐步走向定量化。早期水污染遥感是根据污染水域色调变化的程度来对污染情况进行定性调查[2]。现阶段多数的研究是测量各种水体的光谱特征,并用回归分析等方法建立遥感数据的某个可见光波段或波段的比值与污染浓度之间经验公式,以此来对水污染信息进行定量提取。这种方法简单易行,但对水面实测数据及其与遥感数据的同步性依赖较大。此外,该方法假定水体除反演目标外其它因素基本不变。这种假设在很多情况下无法得到满足,当水体含沙量等因素发生变化时,该方法的精度会受到显著影响。解决此问题的最好方法是建立反射光谱与污染浓度之间的物理模型,并将混浊度等主要影响因子列为变量,如此才能使遥感反演在不同情况下保持较高的精度。这方面国内外已经进行了大量的相关基础研究。Lee , Z.P.等给出了从TM数据计算各波段水吸收率的散射率的公式,M Zhang 等用TM数据计算浅海海底反射率;李炎等提出了遥感水体中悬浮泥砂含量的半经验公式。邓孺孺等在这些研究的基础之上,根据水体反射光谱产生的物理过程,建立了污染浓度与水体反射光谱之间基于一次散射的物理模型,并应用于珠江口水域的水污染信息提取,取得了较好的效果。但该模型出于简单和实用性方面的考虑,只考虑了一次散射,以避免复杂的运算,当混浊度较大、多次散射能量所占比例较高时,其精度受到影响。针对该问题,邓孺孺等进一步根据多次散射的能量组成特点,在一次散射模型的基础之上,增加考虑了二次散射的作用,使模型的精度有所提高。应用该模型可提取的参数取决于所采用遥感数据(在光学波段)的波段数,及各成分散射系数和吸收系数是否已知;而其反演精度则取决于遥感数据的质量、大气纠正精度、出水辐射反射率的计算精度,以及各水质成分散射系数和吸收系数的差异性及其测量精度等因素。
  水体散射光由水分子散射光和杂质散射光组成,并受杂质和水分子吸收作用的影响。杂质的散射和吸收作用取决于杂质的成分、结构和浓度。不同的杂质,由于其成分和结构不同,在水体中其散射和吸收作用不同,这种差异性随波段的变化而变化。故水体出水辐射包含了较丰富的水质信息,为水中杂质种类及其浓度的遥感反演提供了信息基础。
  一般情况下,在光学遥感波段,以悬浮泥沙为主的悬浮物使水体的散射光显著加强;耗氧性有机污染物和重金属使水体吸收率显著增强;叶绿素使水体在可见光波段吸收率增大,而在红外波段则出现反射峰,并存在特殊的莹光峰。这种在不同波段上散射和吸收性质的差异使得根据遥感资料定量反演这几种主要杂质的种类和浓度成为可能。
  根据水体辐射传输过程,可以建立出水辐射反射率与水质成分含量的函数关系。解之可求得每个像点各水质成分的浓度。


  4.2.2.水质遥感可提取的参数及其精度
  水质遥感可提取的参数取决于所采用遥感数据(在光学波段)的波段数,及各成分散射系数和吸收系数是否已知;而其反演精度则取决于遥感数据的质量、大气纠正精度、出水辐射反射率的计算精度,以及各水质成分散射系数和吸收系数的差异性及其测量精度等因素。根据我们目前的研究水平,采用TM或中巴资源卫星等中高分辨率卫星数据,可以定量反演的水质参数为:1)混浊度;2)耗氧性有机物(COD)+重金属(由于一般水库水重金属含量较低,所以一般情况下本项反演结果实际上是COD);3)叶绿素浓度;4)油污含量。
  精度方面,与水面实测数据对比结果显示,混浊度、COD反演结果与实测数据的相关系数均达到0.8以上,如用水面测量数据进行定标,测反演结果的误差接近两次水面测量之间的误差范围。水库水为静态水,其水文、水质情况影响因素较河流简单,故对上述模型进行改进后可望取得更好的结果。
  2007年我国即将发射环境小卫星星座,其上将搭载高光谱成像光谱仪。应用成像光谱仪的高光谱数据,并再进行进一步的光谱测量,将可以反演主要的重金属等更多的水质成分及其含量。


  水质遥感模型
 

  水域光谱组成及数据预处理
  水域之上卫星传感器接收到的行星反射率为:其中: —水体出水反射率, ­­—水面镜面反射比, —大气透过率, —整层大气散射的综合散射率。 和 取决于大气和大气中的气溶胶的性质及浓度。大气分子浓度和性质恒定且已知,气溶胶的性质则变化较大。但其类型与所在地区的类型和季节密切相关。目前国际上已将全球气溶胶按地域分成海洋型、大陆型、城市型、郊区型等十多种类型,对每种气溶胶的性质均作了测定,并有相应的程序进行计算(如MORTRAN大气模型)。将特征地物(如清洁水体)的象元值输入即可算出成象时的能见度,进而根据气溶胶类型和能见度计算出大气透过率  和散射率 ,由此可以进行大气纠正。进行大气纠正后象元值为。
  水面镜面反射比与波长无关。对红外波段的TM5和TM7,水为强吸收,因此每个波段减去TM5可消除 。去水面镜面反射光后象元值为出水光谱的反射率:污染水体的遥感信息模型水的反射光谱来自水分子和水中悬浮颗粒物的散射光 和水底反射光 。                     
  二者传播到水面过程中受的水吸收而削减。纯水的反射率和吸收率是恒定的。受污染或含其杂质后水体的散射和吸收性质发生变化,且不同的波段变化是不一样的。本地区对水反射率产生重要影响的主要是水中悬浮泥沙和污染物。污染物主要来自工业污染和生活污水,污染源众多,并经充分混合,导致光谱特征较为均一。如只考虑污染物和悬浮泥沙的影响,水深为h处的薄层水的散射对水面出射光的贡献为:
  其中: —入射光强; —水深 ; 为水体散射系数,是水分子散射、悬浮泥沙散射和污染物散射率之和。 分别为水分子、水中以泥沙为主的悬浮颗粒和水中污染物的散射系数, 和 分别为污染综合浓度和泥沙浑浊度。 为水体吸收系数。 分别为水、水中泥沙和污染物质的吸收系数。 为光入射角, 为散射相函数。整层水体反射率 为: 为经过大气纠正和去镜面反射光并转化为反射率的遥感数据象元值。天顶角 已知,所有的吸收率和散射率均可通过测试获得,未知数只有污染浓度和泥沙浑浊度Du和Ds,将两个波段的遥感数据代入,即可得到一个二元一次方程组,解之可求污染物综合浓度Du。
   
  大中型水库水质遥感分类与动态监测


  根据目前撑握的情况,广东省导致水库水污染的原因主要为:
  1.有机成分、重金属长期淤积造成的面源污染;
  2.农业生产中残余农药和化肥被径流带入水库中聚集后造成的面源污染。
  3.生活、旅游废水、废物的聚集也是水库污染的来源之一,为点源污染。
  4.集水区内的工厂产生的工业废水,为点源污染。
  根据已掌握的资料,水库的主要污染类型为耗氧性有机物超标和富营养化。耗氧性有机物使水体吸收率显著增加,而在遥感数据中有明显反应;富营养化的原因是营养性有机物浓度过高造成,直接参数是总磷、总氮超标,富营养化的结果是藻类大量生长,使水体叶绿素增加,而叶绿素具有独特的光谱特征,易于提取,故主要水质参数的遥感反演具有信息基础。
  从污染物类型看,水库的污染类型以有机污染为主,COD(BOD)和营养性有机物是判别水污染的最主要的参数。在实际的水质类型划分中,这两个参数所起的作用最大,其它的指标多与这两个参数成线性关系。
  有机污染中,耗氧性有机物(COD)可以直接遥感反演;氮、磷营养性物质的增加会导致叶绿素的大量增加,故水体营养性有机物含量与叶绿素含量密切相关,可以从叶绿素含量得到间接反映。
  所以虽然目前遥感技术直接反演的项目尚不能完全满足常规水质监测的要求,但可以从主要方面反演水库的水污染情况,基本可以满足对水库进行水质类别划分的需要。
  遥感技术的优势力是具有宏观性,可以快速获得全省水库的水污染情况,了解水库污染的类型、污染的级别;可为地面监测选取典型水库和部位进行有针对性的重点调查;
  遥感技术具有可视化的特点,在识别大中型污染源的空间位置与类型等方面也具独到的优势,与水面实地取样分析相结合可以取得很好的结果。此外,卫星周期性重复覆盖地表,可对全省水库的水质情况进行动态监测。其历史数据可以很好反映水库水污染的演变历史和今后变化趋势。


  水质遥感存在的问题


  目前水质遥感尚存在的问题主要有以下方面:
  1)出水辐射率的计算精度需进一步提高。出水辐射率的精确计算是定量反演水质参数的前提。需消除遥感传感器引起的误差、大气的影响和水面镜面反射的影响。三方面的误差分别通过辐射纠正、大气纠正和水面镜面反射的消除三项处理来完成。其中辐射纠正已有较成熟的方法,大气纠正和水面镜面反射的消除是精确计算出水反射率关键,目前尚未有成熟的方法,仍有较大的提高空间。本研究组已在该方面进行了大量的研究。
  2)杂质光学参数的测量精度需进一步提高。各种水质成分的散射系数、吸收系数和散射相函数的精确测量是水质参数定量遥感反演的又一项前提,目前已有的测量结果尚不能满足遥感反演的需要。本项目组已对悬浮物、COD和叶绿素进行过较系统的测量,但测量的成分和精度仍需根据水库水污染的类型进行更进一步的增加和提高。完成这项工作,高质量的测量仪器、典型的测量目标和严格、细致的测量与计算是必须具备的条件。


  水质遥感的技术关键
 

  悬浮物、耗氧性有机物、营养性有机物、重金属和叶绿素的吸收系数和散射系数、散射相函数测量。吸收系数和散射系数、散射相函数的精度测量是这几种杂质含量遥感反演的前提。一般的污染水体,常常是两种或多种污染物相互混杂,故其光学参数的测量及其计算有相当的难度,为本项目的关键性问题之一。
  水质遥感模型的改进与适合广东省河、库水质遥感模型的建立。水质成分的遥感反演是通过水质遥感模型来实现的,遥感反演的精度最终是由水质遥感模型决定。目前已有的水质遥感模型尚不能完全满足本项目的需要,故水质遥感模型的改进,建立适合广东省河、库具体情况的水质遥感模型对本项目至关重要。
  河、库主要水质参数遥感定量提取。遥感反演涉及到数据量庞大的遥感模型计算,需要有稳定、优化的算法和合适的处理程序,难度较大,也是决定项目是否能按要求完成的重要因素。
 

  遥感结果与常规监测资料的融合与综合分析


  结论与讨论
  通过对适合于水库的水质监测技术进行系统研究,根据我省水库的情况,在已有模型的基础上,研究出一套具有较高精度的水库水质定量遥感模型和应用方法;然后对东江流域水库的水质进行全面遥感反演,获取全省水库水污染总体分布情况,以及大中型污染源的具体位置;研究用地面常规监测结果进行定标的方法,提高遥感反演的精度;研究遥感反演结果与常规监测结果的融合与应用,根据遥感结果对全省大、中型水库的水质进行分类;根据污染分布特征分析污染原因和可能存在的大中型污染源。
  研究结果除给出东江流域河流及水库现状的遥感监测结果外,将建立一套卫星遥感与常规测量相结果的流域水质监测方法与程序,在日常常规监测的基础上,只需花有限的经费即可对全流域河流和水库的水环境进行定期遥感监测。
  遥感技术与常规水质测量相结合的监测方法,可对流域范围的大中型河、库水质进行快速、全面监测,及时、全面获取河、库的水质情况;对制定有效的水环境保护和污染治理规划与措施是十分必要的,能有效地解决全流域的水环境监测问题,为保护水库水环境,保持水资源的可持续利用,提供科学的信息支持。
 

  参考文献
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