重金屬污染土壤與地下水修復工程環境監測方法的思考

丁水波，李 琦

（江西省地質環境監測總站，江西 南昌 330000）

工業技術的不斷發展，雖然提高了人們的經濟水平，但是由于排放處理不當，也產生了較多的工業廢物，對生態環境也造成了相應的影響。土壤的污染來源包括很多，例如化學肥料、農藥、工業廢水等，在土壤中大面積擴散，造成生態系統失去平衡。現階段，環境監測的方法可以分為2種，異位測定與原位測定。2種監測方法均以特定的化學特性與化學反應為基礎，對獲取到的數據進行分析，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工程的監測結果存在一定的缺陷，不能實現連續測定的目標，且容易造成影響修復工程進度的情況。隨著工業廢物的不斷排出，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，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的吸附能力。對重金屬污染土壤與地下水修復工程必不可少，然而在修復工程中還會對環境產生其他的影響，因此，修復工程中的環境監測也至關重要。基于此，提出了重金屬污染土壤與地下水修復工程環境監測方法[1-3]。

1 重金屬污染土壤與地下水修復工程環境監測方法設計

1.1 構建環境監測參數模型

本文構建的環境監測參數模型選取了關聯性較強的光譜系數作為輸入數據，依據輸入樣本數量選擇多項式核函數。多項式核函數局部性特征較明顯，在重金屬污染土壤與地下水修復工程中應用廣泛，能夠適用于不同類型的樣品。將數據集分成K份，根據多項式函數的特點進行數據分類，將所有的數據集循環使用。依據交叉選取方法選擇數據集中的最佳參數作為本文構建模型的參數。

將輸入數據與地下水修復工程中的水環境參數濃度值進行對比，在模型構建前將所有數據集統一處理，得到相應的預測值。本文構建的環境監測參數模型傳感參數如表1所示。

表1 環境監測參數模型傳感參數

根據表1可知，本文構建的監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性較強，有利于波段之間的關系校正。將重金屬污染土壤與地下水修復工程的所有獨立驗證數據應用到構建參數模型中[4]。

相同參數的模型較傳統的線性模型的監測精度有所提高，對樣本總體的誤差也較低。對于不同渾濁程度的樣本，誤差率也相應不同。在地下水環境修復工程的遙感監測中，可獲取的實際樣本數量有限，環境監測參數模型的監測精度也受到了一定的限制。將本文構建的監測模型與Landsat數據相結合，能夠對地下水環境監測的長時序進行反演，獲取監測環境中的各項數據。

1.2 MODIS監測數據的預處理

基于上述構建的環境監測參數模型，獲取到重金屬污染土壤與地下水修復工程環境監測的各項數據。通過光譜儀，獲取監測環境的光譜波段，要求覆蓋13.25微米內的全光譜范圍。在地下水環境中波段的信號較飽和，對于識別水體的污染與修復程度存在一定的困難，MODIS數據能夠較好地解決此類問題，在小型水體區域內能夠對渾濁度進行反演。

MODIS的波段反射率與地下水環境中的泥沙濃度存在一定的關聯，在地下水修復工程中變化明顯，整體監測數據的信噪比較高，對MODIS監測數據的預處理是整個環境監測方法的重要組成部分。將重金屬污染土壤與地下水修復工程中的大氣校正值與幾何校正值進行優化，得出優化后的數據值，此數據值不包含空氣中的大氣分子的干擾。

由于土壤與地下水環境的自然環境變化較頻繁，本文選用375m的分辨率，波段1與波段2的傳感參數，確定中心波長的選值范圍在675nm～895nm之間。基于多項式擬合控制地面的布設點與遙感監測中的對應點變換關系，對土壤中的監測值具有較高的糾正精度。通過MODIS匹配的操作設備將坐標系導出，基于噪聲與精確度的要求，對獲取到的監測數據預處理，最終得到近紅外波閾值的環境監測數據，提取出研究區域所需數據值。

1.3 改進遙感監測空間插值

通過對MODIS監測數據的預處理，得到了近紅外波閾值的環境監測數據，完成了環境監測的重要一步。在環境監測中，監測空間插值對于監測結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。空間插值指的是根據已知的樣點與數據，探索出其存在的規律，插入到研究區域的數據求算閾值。插值方法在預測估值前進行假設，模擬監測環境的變化與采集樣品數據點的分布，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程度的增大而減弱，在一定數量下，局限性特征導致采樣點的權重較大。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量，對監測空間插值進行優化調整。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的深度等。

監測空間插值在一定程度上反映了地下水修復在空間變化中的關系，以及土壤污染程度受重金屬的影響程度。改進遙感監測空間插值，使得數據擬合的曲面方差減小，將輸入點的實際值與預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工程環境監測方法的可行性，進行了以下對比實驗。將本文提出的方法與傳統的影像幾何環境監測方法的植被反演指數NDVI進行對比。首先，構建環境監測參數模型，獲取到中心波長與波段寬度、空間分辨率等參數信息；對MODIS監測數據進行預處理，提取到實驗所需的數據值；根據數據值對空間插值進行改進。

綠色植物具有一定的特性，不同生長環境中的植被反演指數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的環境中，反射的波段比例控制在45%之內，利用光譜儀探測植被的變化。根據探測到的植被變化獲取到的植被響應能力，能夠綜合光譜信號，為重金屬污染土壤與地下水修復工程提供定量的環境監測信息，通過計算植被反演指數，進而判斷環境監測方法的有效性，植被反演指數計算公式如下：

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

表2 兩種環境監測方法的植被反演指數對比

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

3 結語

本文設計對重金屬污染土壤與地下水修復工程環境監測方法進行了研究，并通過對比實驗證明了此種方法的可行性。通過與傳統的影像幾何環境監測方法的植被反演指數進行對比，本文提出的環境監測方法的植被反演指數較低，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工程的環境監測。