基于“空天地一體化”的飲用水水源地污染源溯源體系構建研究

吳名棧，郭麗敏，袁皖華

(1.廣東省防汛保障與農村水利中心，廣州 510635；2.水利部珠江水利委員會水文局，廣州 510610 )

1 概述

近年來，隨著人類活動的增多，我國飲用水源地的水源檢測結果頻繁出現指標間斷性超標現象，已威脅到人民群眾的供水安全。因此，我們要重視飲用水水源地的安全問題，增強飲用水水源地的水質日常監測和應急監測能力。不但要使飲用水水源地在具有源源不斷對外供給能力，還應具有安全的水質和較好的環境承載力，能夠較大程度地滿足人們對飲用水安全的需要[1]。當飲用水水源地發生水污染事件或者間斷性的水質超標時，就急需管理部門快速、高效、準確的識別污染物和查找污染源。目前飲用水水源地監測，主要以取水口人工監測結合水源地自動監測站為主，在專項保護行動中偶爾采用無人機巡航開展水源地污染源監測，監測手段較為單一，未能互相融合[2]。此外，水源保護區內環境條件復雜，人工監測和定點監測在工作效率和準確性方面無法滿足水源地保護工作的要求。

2 “空天地一體化”技術體系構建

本文運用“空天地一體化”的多重監測技術的污染源調查溯源工作方法，選取粵港澳大灣區典型河道型飲用水源地，開展污染源調查溯源和超標原因分析工作。空天地一體化污染溯源技術包括3個步驟：① 采用遙感宏觀監測技術手段全覆蓋監測水源地現狀，初步排查風險源，監測異常水質指標，發現水源地疑似存在的風險源，依據水源地實際情況進一步開展精細化監測[3]；② 衛星遙感影像具有一定的滯后性，通過采用無人機巡航方式，近地面快速精準排查風險源[4-5]；③ 選取采樣斷面，開展人工定點采樣，構建水環境容量模型，對斷面水質進行對比分析，找出水質異常的原因。這種“逐層遞進”式的飲用水水源地污染源調查溯源技術方法(技術體系如圖1所示)，使得水源地污染源排查活動全過程可控，確保溯源監測數據全面、客觀、準確[6]，研究成果可為地方政府保護飲用水水源地、有效提升飲用水水源地供水保障的監督管理能力、解決飲用水水源地存在的安全隱患、持續開發利用水源地，提供一定的參考[7]。

2.1 衛星遙感反演調查

傳統的水質監測一般采取實地取樣分析，消耗大量人力、物力、財力，獲取的數據在時空尺度上不連續，難以達到大范圍、實時性水質監測要求[8]。而利用遙感進行水質監測，具有實時、高效、連續性強、監測范圍廣、相對成本低等優點，衛星遙感技術已較為普遍應用內陸水質監測，衛星遙感數據其光譜譜段豐富，在水質參數定量化研究中潛力較大[9]。由于水源地空間尺度大，監測要素多，使用高空間分辨率的遙感數據進行水源地監測工作就顯得非常重要。遙感數據水質參數，可實現在流動性大、水質狀況分布錯綜復雜的湖庫型、河道型飲用水源地水質參數的反演[10]。

圖1 空天地一體化污染溯源技術體系示意

運用衛星遙感反演調查的技術方法，在空間大尺度上對水源地進行宏觀摸底調查，首先對衛星遙感影像進行衛星數據的輻射定標與輻射糾正、衛星數據的大氣糾正等預處理[11]，開展水體與主要水質參數的精確測量，對主要水質參數的定量提取，獲得研究區水體的遙感反射率，建立水質遙感監測系統進行遙感模型反演，工作流程如圖2所示。

圖2 衛星遙感解譯水質反演流程示意

2.2 無人機巡航調查

無人機航空巡查是由無人機技術、測量技術、計算機技術等共同發展而融合的新技術。水源地水體環境復雜、水域面積廣闊且污染源類型多樣，對時效性和精度要求較高，利用無人機技術可從宏觀上觀測水源地水質狀況，航拍實時追蹤污染源和監測突發環境污染事件的發展[12]。無人機航空巡查與常規調查優勢對比見表1所示。

表1 無人機調查與常規調查的優勢對比

在衛星遙感反演調查的基礎上運用無人機巡航調查的技術手段開展水源地精細化監測。開展無人機巡航調查工作主要為近地面排查風險源和輔助現場人工調查，無人機巡航調查主要是補充水質衛星遙感調查時效性手段之一，衛星遙感影像具有一定的滯后性[13]，對于具有風險源的重要水源地，通過無人機技術及時高效的監測到水源地的風險源及現場情況。

2.3 人工采樣比對分析

根據水源地歷史水質資料、衛星遙感圖像反演結果、無人機巡航調查的基礎上，開展水源地斷面水質采樣，以現場調查結果和采樣數據為依托，建立水系環境容量模型，分析區域水體環境承載能力，驗證遙感影像調查和無人機調查溯源工作的準確性[14]。

2.3.1水環境容量概念

水體納污能力是指水體在設計流量條件下，滿足水體水質目標要求和水體自然凈化能力，核定的區域水體污染物最大允許負荷量[15]。根據污染物排放總量控制原則，確定水體的納污能力，并以此作為水源地水體消納承載污染物的參考依據，為明確水源地污染源來源提供科學有效的指導。

納污能力的計算可根據不同水平年要求達到的水質目標和不同水平年的設計流量(水量)，應用有關模型計算水體的允許納污量。

2.3.2環境容量模型選取

根據一維水質模型的計算原理，我們將研究區域內的河涌進行概化，將流域內的河涌多條并行排列，將各河涌上游來水水源視為河涌模型的進水水源。

河流納污能力由水功能區水質目標、來水條件、河流斷面條件、綜合衰減系數以及污染物入河方式共同決定[16]，計算公式如下：

(1)

式中：

W——納污能力，mg/s；

C0——上斷面水質目標，mg/L；

Cs——下斷面水質目標，mg/L；

k——為綜合衰減系數，1/s(負一次方秒)；

l——河長，m；

u——流速，m/s；

Q——流量，m3/s。

3 應用示范

運用“空天地一體化”的污染源調查溯源技術體系，選取粵港澳大灣區某河道型水源地作為實例，開展污染源調查溯源工作。

3.1 研究區域概況

本次研究區域位于珠江流域西江河段，屬于河道型水源地，涉及區域包括古鎮鎮，蓬江區、順德區西江兩岸的一些相關支流和河涌，重點區域為西江支流古鎮水道沿線區域(行政區域包括古鎮鎮、荷塘鎮、均安鎮)。根據歷史水質資料可知，該水源地存在總磷間歇性超標的情況，以該水源地為例，開展污染源調查工作。

對取水口監測子站2017年1月1日—2019年11月30日的總磷數據進行統計分析，按月進行平均。2017年總磷月均值為0.043～0.217 mg/L，2月水質較好，總磷月均值占標率為43%(Ⅱ類水質，下同)，單月超標率6.85%；7月水質最差，總磷月均值超標1.17倍(Ⅱ類水質，下同)，單月超標率73.92%；全年只有5個月總磷月均值滿足地表水Ⅱ類水質要求，其余7個月總磷月均值不滿足地表水Ⅱ類水質要求。2018年總磷月均值為0.051～0.119 mg/L，2月水質較好，總磷月均值占標率為51%，單月超標率4.46%，6月水質最差，總磷月均值超標0.19倍，單月超標率51.94%；全年有8個月總磷月均值滿足地表水Ⅱ類水質要求，其余4個月總磷月均值不滿足地表水Ⅱ類水質要求。2019年前11個月總磷月均值為0.038～0.255 mg/L，2月水質較好，總磷月均值占標率為38%，單月超標率2.08%；7月水質最差，總磷月均值超標1.55倍，單月超標率98.33%；只有4個月總磷月均值滿足地表水Ⅱ類水質要求，其余7個月總磷月均值不滿足地表水Ⅱ類水質要求(見圖3)。

圖3 取水口總磷濃度月均值對比示意

3.2 遙感反演結果

研究對衛星遙感影像進行幾何校正、大氣校正等預處理，獲得研究區水體的遙感反射率，基于總磷遙感模型反演了該區域總磷含量的空間分布(見圖4)。

圖4 研究區域總磷含量衛星遙感反演結果示意

整體上，研究區取水口及上游水域各水道總磷含量較高，平均值達0.45 mg/L，最小值為0.11 mg/L，最大值為1.04 mg/L；空間分布上，除拱北河外，取水口及上游水域總磷含量呈現自西北向東南逐漸增加的趨勢。在主要水道中，拱北河的總磷含量相對最低，整體小于0.20 mg/L，達到三類水體標準；東海水道和馬寧水道總磷含量均值達到0.40 mg/L左右，大部分區域為五類水質等級；其余水道的總磷平均含量大于0.40 mg/L，為劣五類水質等級，總磷污染情況嚴重。

3.3 無人機巡查調查結果

根據《飲用水水源保護區污染防治管理規定》(1989年發布，2010年修正)分類要求，無人機巡航排查發現存在建設項目93處、水質較差入河(庫)支流77處、臨時停靠點47處、垃圾堆放28 處、農業生產活動59處等 5 類疑似風險源共計304處風險源。從遙感影像上可判別出：疑似建設項目以碼頭為主，疑似臨時停靠點以木制臨時漁船停靠板為主，疑似農業生產活動以保護區內經濟作物、魚塘養殖為主(見表2)。

表2 無人機風險源排查結果

3.4 水質取樣對比分析結果

根據衛星遙感反演和無人機調查結果，在研究區總磷含量濃度較高和風險源分布的區域開展水質現場采樣，采樣點分布及采樣結果如圖5所示。

圖5 研究區域人工采樣污染物濃度空間分布示意

根據圖5可知，本次采集的樣品中共有32個樣品為劣五類水質(占17.78%)，其中，總磷濃度大于1.0 mg/L的樣品共15個，古鎮鎮(2個：古三滘沙河、沙源支涌)、均安鎮(1個，均安天豪服裝洗水廠)、荷塘鎮(11個，高康大涌及其支流、霞村河支流、蓮蓬河及其支流、荷塘鎮中心河、康溪工業區排污口)、潮連街道(1個，文閣涌)和西江右岸區域(0個)，說明水質污染區域主要集中于荷塘鎮的東南部區域及古鎮區域河段，重污染河涌匯入口大部分靠近古鎮取水上游的古鎮水道和西江左岸區域。結果與遙感模型和無人機調查結果一致。

3.5 環境容量模型分析結果

利用水環境容量模型分區計算水體環境容量占比，在環境容量占比小的區域，水體所能承載的污染物少，污染物擴散條件差，就越容易發生水體的污染(見表3)。

表3 取水口水質污染貢獻

4 結語

本次水源地污染源調查研究在傳統定點水質監測手段的基礎上，創新的加入了構建遙感監測模型調查、無人機巡查和水環境容量模型對比分析的技術方法，形成了一套完整閉環的水源地污染源調查溯源方法，使得快速精準的定位污染源，取得了良好的效果[17]。彌補了常規監測方法與技術存在的局限性，為其他水環境監督和調查工作積累一定的經驗和數據，也便于以后類似研究的開展。形成了一套可復制可推廣的水源地監測溯源技術體系，并且可運用于相關類似監督監測工作中，為區域水環境監管決策和河道綜合治理規劃提供科學依據。