水體石油類含量測量方法進展

宋慶君,黃妙芬 ,劉 巖 ,孫繼昌

(1.大連海洋大學，遼寧 大連 116023；2.國家衛星海洋應用中心，北京 100081；3.山東省科學院海洋儀器儀表研究所，山東 青島 266001)

水體石油類含量測量方法進展

宋慶君1，2,黃妙芬1,劉 巖3,孫繼昌3

(1.大連海洋大學，遼寧 大連 116023；2.國家衛星海洋應用中心，北京 100081；3.山東省科學院海洋儀器儀表研究所，山東 青島 266001)

近年來，海上石油污染呈現高頻率，且污染程度和面積迅速擴大的態勢，給海洋生態環境造成災難，對污染的評估和消除迫切需要時間和空間上連續的觀測數據來支撐。目前水體石油類含量測量方法主要包括儀器測量和遙感反演兩種方式。國內外儀器測量主要采用紫外分光光度法、熒光分光光度法、紅外分光光度法和非分散紅外法，從這些方法的基本原理入手，剖析了各自特點和適用范圍；利用2008—2010年在遼東灣獲取的水體石油類污染分析數據，探討了利用水體固有光學特性（吸收系數和散射系數）提取水體石油類含量信息的可行性；根據石油類物質在中紅外波段的吸收特征，提出了利用中紅外遙感判斷水體石油類物質烴類組成成分的依據；最后對儀器測量結果和遙感模型反演結果進行現場驗證的實驗方案進行了合理性設計。

水體石油類；測量儀器；遙感反演；中紅外；驗證方案

石油類物質對水體的污染一直是全球關注的焦點。油田開采、油田事故、油輪泄漏、航道油污水排放等人類活動所造成的水體(河流、湖泊、海洋）油污染以及海上探油是目前水環境監測和海洋資源探測的熱點問題[1]。1989年3月“瓦爾迪茲”號油輪原油泄漏、2007年11月俄羅斯油輪原油泄漏、2010年4月墨西哥灣溢油、2010年7月大連灣石油管線爆炸溢油、2011年6月渤海灣油田溢油、2011年10月新西蘭貨輪漏油等重大污染事件，給近岸水體以及海洋的生態環境造成巨大災難，這些災難的消除需要數十年的時間以及數以億計的經費。由于水體的流動性，石油類物質的擴散及其在水中存在時間的長短，對油污染帶來的災難的評估和消除迫切需要時間和空間上連續的觀測數據來支撐，因而有效而準確地監測水體石油類物質的變化過程、移動路徑、空間分布規律等非常必要。

鑒于目前水體石油類含量測量方法和測量技術的多樣性，本文主要從3個方面展開分析。首先分析各種儀器測量方法的原理、各自存在的優缺點及適用的范圍；其次從固有光學量和紅外波段角度分析目前遙感手段獲取石油類污染的原理；最后，為使地面測量數據與遙感數據有較好的同步性，提高遙感模型的建立精度，對儀器測量結果和遙感模型反演結果進行現場驗證的實驗方案進行了合理性設計。

1 測量方法分析

1.1 儀器測量

石油類物質主要為烴類，包括烷烴、環烷烴和芳香烴，以漂浮油 (顆粒直徑 ＞100 μm)、分散油 (10～100 μm)、乳化油(0.1～10 μm)和溶解油(＜0.1 μm)等形式存在于水體中。現有儀器測量水體石油類物質含量所采用的方法主要有：重量法、紫外分光光度法、紅外分光光度法、非分散紅外法、熒光光度法等[2-3]。各方法的測定原理見表1。

由表1可見：（1）非分散紅外光度法和紅外分光光度法，都是利用了3～4 μm左右的吸收特征。非分散紅外光度法利用石油中烷烴的甲基、亞甲基在近紅外區2 930 cm-1附近的特征吸收，紅外分光光度法利用烷烴中甲基、亞甲基及芳烴分別在 2 960 cm-1、2 930 cm-1、3 030 cm-1處存在的伸縮振動（三波段法），產生吸收，同時在測量時采用了用硅藻土吸附柱除去動植物油的處理。顯然非分散紅外法不考慮芳香烴，因而在含有芳香烴油中，會降低石油污染測定值[3]。（2）熒光法和紫外法主要依據芳香烴及含共軛雙鍵化合物在215～280 nm（紫外波段）的吸收特性進行測量，因而測量的油濃度主要為芳香烴，不包括烷烴和環烷烴；由于水中其它有機物，如動植物油、胺類、有機酸類、醚類、酮類、酯類等在這個波長范圍內有吸收，因而測得的含量是水中能被石油醚萃取，并在215～280 nm有吸收峰的有機物總量，并非水中石油類的真實含量[4-5]。相對而言，紅外分光光度法測量的結果比較真實地反映水體石油類物質含量，但紅外光度法用四氯化碳作為萃取劑，毒性較大；熒光法和紫外法用石油醚作為萃取劑，毒性小。基于這些原因，2005年ISO組織推薦采用色譜分析法，但該法成本高，操作復雜，目前尚未用于常規觀測。

表1 水體石油類物質含量測定原理

表2 水中油實驗室分析儀匯總

表3 水中油便攜式測定儀匯總

表4 水中油在線監測儀匯總

表2～表4為目前國內外依據表1的原理所設計的不同種類的測量儀器，包括實驗室測定儀、便攜式測定儀和在線監測儀。由表2～表4可見：（1）實驗室分析儀器基本上采用紫外、熒光和紅外方法；（2）便攜式測油儀采用的方法比較多樣，有紫外、熒光、光纖等方式；（3）目前在線監測方法基本上是采用熒光法，極少量采用紅外法。

1.2 遙感反演方法

在我國無論是海洋還是陸地水體，常規的水質觀測項目中都包括石油類含量測定，且國家海洋局和環境保護部每年都會發布幾大河流、湖泊和近岸水體的環境公報。但這些舉措存在以下問題：（1）石油類污染濃度測定大多采用野外采樣，然后實驗室分析的方法，野外采樣費時、費力，且樣品分析費用昂貴；（2）野外采樣基本以點方式進行，即使海洋監測站采用拉剖面的方式，其空間設點也偏少，另外時間上一般也是1 a進行幾次定期觀測而已；（3）每年的環境公報給出的狀況一般是通過1 a的幾次在點或線觀測后，將所有數據進行匯總而形成，然后次年第一季度進行信息發布，這種方式具有明顯的滯后效應。這3個問題的存在使得利用傳統的常規方法難以實現對水體有機污染進行空間和時間變化的連續監測，特別是難以實時掌握污染狀況而及時采取相應的處理措施。遙感具有大面積、快速、動態、低成本獲取區域信息的優勢，是解決上述問題的有效手段之一。

國內外利用遙感技術對海面油膜探測的研究取得了長足的進展[4-8]，油膜對水體固有光學特性的影響方面也有相當的研究進展[9-10]。近年來,利用遙感技術對未形成明顯油膜的石油類污染情況進行探測的研究逐漸展開。主要涉及兩個方面：（1）通過表觀光學量（離水輻亮度或遙感反射比）建立經驗模型或生物-光學模型提取水體石油類污染信息[1]；（2）通過固有光學量（吸收系數和散射系數）提取水體石油類信息[11]。現有實驗研究表明：（1）溶解和分散在水中的石油類物質，其吸收系數的測定是和黃色物質混合在一起的，隨著石油類污染濃度的增加，黃色物質吸收系數增大，曲線形狀沒有改變，都是遵循e指數衰減規律(圖1)。因而石油類物質對水體吸收系數的影響主要通過黃色物質體現，其參數化模型可以用指數衰減方程來表示[12]；（2）乳化狀的石油類物質會吸附在懸浮泥沙的表面，影響后向散射系數，即石油類物質對水體散射系數的影響主要通過無機懸浮物來體現，在無石油類污染的水體中，后向散射系數與水體懸浮物濃度表現為線性關系模型(圖2a)，在有石油類污染的水體中則為對數模型(圖2b)[13-14]。這些研究成果為利用建立利用固有光學特性反演水體石油類含量的模型提供了基礎。

圖1 同一水體不同石油類污染濃度黃色物質吸收光譜

圖2 后向散射系數與懸浮物濃度關系模型

圖3 石油類污染水體中紅外波段吸收光譜

圖3為石油類含量水體在中紅外波段3.3～3.7 μm范圍的吸光度圖。從圖中可以看出，在3.3～3.7 μm范圍內有兩個吸收峰，較強的吸收峰約位于 3.412 μm（2 925 cm-1）處，次強的吸收峰的最大值約位于 3.502 μm（2 850 cm-1）處，前者正好對應烷烴不對稱伸縮振動的最強處，后者正好對應環烷烴不對稱伸縮振動的最強處。另外從圖中還可以看出：（1）烷烴的吸收峰強于環烷烴的吸收峰；（2）隨著污染濃度的增加，吸收峰強度增強。這些現象表明：（1）利用中紅外遙感可以檢測石油類污染的濃度；（2）根據水體在中紅外存在的峰值，可以判斷水體的石油類物質的成分類型[15]。

2 野外現場驗證實驗方案

遙感模型反演的結果和儀器測量值，是否能真實反映水體石油類含量，必須經過驗證。遙感方法主要利用石油類物質對表觀光學量和固有光學量（可見光波段，400～700 nm）的影響，而測量儀器中，紅外法用的是3 000～3 400 nm。紫外用的是215～280 nm，熒光法用的是300～340 nm。目前河流一般采用紅外法，海洋一般采用紫外法。另外，對于各種測量方法，由于采用的原理、萃取的方式不同，可能導致測量值的差異。事實上，對于水中油，不管采用哪種測定方法和測定原理，其相對真值只有1個，因而必須以相對真值為參照，對各方法的測量進行分析，確定之間測量結果的差異，分析造成這些差異的原因，進行實驗步驟的優化，找到縮小之間差異的解決辦法。要獲得水體石油類含量的相對真值，使得各種測量方法獲取的數據具有可比性，形成周密、科學和嚴謹的實驗驗證方案是重要的前提。

具體實驗方案為：（1）分別選擇不同油污染區域作為實驗區；（2）利用與實驗區“油品”相接近的標準油，分別用紫外法、紅外法、熒光法等實驗室分析方法，以及各種儀器進行測定，分析幾種實驗室方法測量值差異的原因；（3）取自然河水和自然海水，分別與實驗區的油污染水進行配比，重復第（2）步；（4）進行星地同步實驗，在相應衛星過境時，現場儀器同步進行測量，并采集水樣，進行實驗室分析，對各種方法測量值進行分析；（5）分析實驗區的油品是否還有其他類型的油類（動植物油等）；是否含有芳香烴；是否含有飽和烴；根據組分，確定在該區域采用哪種測量方法最靠近真值，確定真值；（6）以真值為參照，確定儀器測量和遙感模型的精度。

3 結束語

（1）對于含有芳香烴的油類，可采用紅外光度法、紫外光度法和熒光光度法進行測量，對于僅含有烷烴和環烷烴的油類，可采用紅外光度法和非分散紅外法。但如果所測量水體中包含動植物油和胺類、有機酸類、醚類、酮類、酯類等有機物，在方法的選擇上要針對具體情況。對于遠離近岸的海水，一般情況下，不含動植物油和對所測波段有影響的有機物，如果油類僅含芳香烴成分，可用熒光法，但在實驗室測量中熒光法所使用的試劑需進行脫芳烴處理，要求比較嚴格。

（2）由于石油類物質對后向散射系數的影響是附著在無機顆粒物上，要將其對水體后向散射系數的影響單獨區分開來還需要更深入的研究，以及獲取更多的實驗樣本。另外由于中紅外波段遙感中，石油類物質的吸收特征能與紅外法測量儀器對應起來，因而可能成為今后的一個發展方向。

（3）如果利用中外波段遙感監測水體石油類污染，存在的主要問題是同時存在太陽輻射和地物輻射，其遙感機理完全不同，增加了信息處理的難度。但水體對太陽輻射的吸收特性，決定了在中紅外波段的太陽輻射基本被水體吸收了，因而在中紅外波段，探測到的物理量可以認為基本是水體自身的發射輻射。利用傅立葉紅外光譜儀，測量石油類物質在這個波段的發射光譜特征，有助于利用中紅外波段建立石油類污染水體遙感反演模型，并將模型的機理與紅外法測量儀器對應起來，這也是今后一個研究方向。

（4）不同的水中油測量方法，基本原理不盡相同，測量的結果會導致差異，而無論什么方法測定，樣本石油類含量的真值只有一個，因而需要設計良好的實驗方案，確保儀器的測量值、遙感模型的反演值，常規的各種方法的測定值，對于同一樣本之間差異能達到最小。

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Advance in Measuring Method of Water Oil Content

SONG Qing-jun1,2,HUANG Miao-fen1,LIU Yan3,SUN Ji-chang3
(1.Dalian Ocean University,Dalian Liaoning 116023,China;2.National Satellite Ocean Application Service,SOA,Beijing 100081,China;3.Marine Instrument Research Institute,Shandong Academy of Sciences,Qingdao Shandong 266001,China.)

In recent years,offshore petroleum pollution presents high frequency,and pollution levels and area of the rapid expansion of situation could cause disaster of the marine environment.Disaster assessment and eliminate urgently need the continuous observation data in time and space.At present the measuring method of water petroleum content mainly includes instrument measurements and remote sensing inversion.The methods used in domestic and international instruments mainly include ultraviolet spectrophotometry,fluorescence spectrophotometry,infrared spectrophotometry and non-dispersive infrared method.By analyzing the basic principles of these methods,their characteristics and scope of application were anatomized.The measured data for water petroleum pollution obtained during 2008 to 2010 year was used to explore the feasibility of the use of water inherent optical properties(absorption coefficient and scattering coefficient)to extract the water petroleum content.According to petroleum substances in the infrared absorption characteristics,the use of mid-infrared remote sensing to determine the water-oil hydrocarbon composition of the material basis was proposed.Finally a reasonable design of instrument and remote sensing model inversion result of on-site validation experiment scheme was given.

water petroleum;measuring instrument;remote sensing inversion;middle infrared;verification program

TP722，TE991.5

A

1003-2029（2012）02-0081-05

2011-12-24

國家海洋公益性行業科研專項項目“海洋生態環境監測儀器（COD、BOD、TOC、重金屬、有機污染物和懸浮顆粒物）產業化及示范應用研究”（201005025-04）；遼寧省高等學校優秀人才支持計劃資助項目“水體有機污染遙感反演模式研究”(LR2011019)；國家自然科學基金資助項目“水體石油類污染遙感探測機理和識別模型研究”(40771196)；國家高技術研究發展計劃（863）資助項目（2008AA09A403）

宋慶君（1975-），男，在讀碩士，副研究員。 Email：kingdream@mail.nsoas.gov.cn

黃妙芬（1963-），女，博士，教授。 Email：hmf808@163.com