基于遙感的近海污染物空間分布特征與污染狀況評價研究

史奇讓

摘要：基于遙感技術研究近海污染物空間分布特征，評價近海區域污染狀況。選擇東中國近海海域某區域作為研究區域，所使用的研究數據主要包括衛星遙感數據與航測遙感數據兩部分，基于遙感反射率搭建近海COD濃度數據的相關水質反演模型。基于遙感反射率搭建近海懸浮顆粒物濃度數據的相關水質反演模型。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，說明研究區域近海COD污染情況整體比較嚴重，分布較為均勻。比較COD與懸浮顆粒物的污染狀況，發現懸浮顆粒物的污染更加嚴重，容易在近岸區域累積。

關鍵詞：遙感技術；COD；懸浮顆粒物；空間分布特征；污染狀況

中圖分類號：X83 文獻標志碼：B

前言

海洋污染一直是全球普遍關心的問題，由于人類工業的發展，海洋中污染物的數量越來越多，對于生態系統與水生動物的健康產生不利影響，對于人類健康也構成威脅。中國的人口多、面積大，海岸線綿長，并且面臨著城市化、間業化迅速推進以及人口快速增長所帶來的愈發嚴重的環境問題。近海污染物的富集使污染物通過各種生物富集于食物鏈中的每一個層級，會嚴重影響近海海域水生動物們的健康，人類長期食用體內富集污染物的水生動物后，例如各種魚類和貝類，也會導致嚴重的健康問題。除此以外，一些工業制品在裂解、風化后，會成為體積微小的、攜帶各種污染物的復雜載體，使近海海域的海水具有生物毒性。基于該背景對近海污染物空間分布特征實施研究，并進行污染狀況評價。對于近海污染物空間分布特征問題的研究，目前主要應用水流流動數學模型等進行研究，整體研究已經取得了豐富而廣泛的研究成果，為該問題的研究奠定了根基。中國該方面的研究整體開展較晚，但也在吸收和學習國際先進經驗與水平的基礎上得到了迅速發展。現對整體研究成果進行整理，在其基礎上對基于遙感技術對近海污染物空間分布特征進行研究并實施污染狀況評價。

1 研究區域與研究數據

1.1 研究區域概況

于東中國近海海域采集航測遙感數據，受海底地形、人類活動以及河流沖淡水等因素的影響，研究區域懸浮顆粒物、懸浮顆粒物物含量均較高，在不同海域生態環境、海域化學條件以及海域物理環境下趨于復雜多變，均為有著復雜光學性質的二類水體。

1.2 數據測量

所使用的研究數據主要包括衛星遙感數據與航測遙感數據兩部分，其中衛星遙感數據主要包括2022年研究區域的MODIS、SeaWiFS衛星遙感數據。

航測遙感數據主要包括現場水體遙感影像、懸浮顆粒物濃度數據、COD濃度數據、遙感反射率數據。

航測遙感數據采集見表1的四個實測調查航次。

其中測量遙感反射率數據使用的儀器為便攜公式光譜儀ASD。在穩定且適宜的太陽光照條件下，參照水上測量法，通過白板實施測量現場的光環境定標，并分別對天空、無干擾水面以及參考灰板實施光譜測量，各自采集十條光譜。最后，通過ASD光譜處理軟件將測量光譜內的異常值剔除，并求余下光的平均值。

將測量時間定為上午9：00-下午3：00。

依據海洋光學協議，遙感反射率的計算公式具體如式（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的值由風速來決定。

在各站位的懸浮顆粒物測量中，水樣的實測SPM濃度計算公式具體如式（2）：

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

具體測量步驟如下：

（l）在過濾器中倒入水樣，并接通開關，啟動真空泵抽干。

（2）使用10-20ml蒸餾水對過濾器內壁進行潤洗，再倒入水樣并抽干。

（3）在烘箱中放入過濾后的濾膜，在90℃的溫度下烘干2小時。

（4）放入干燥皿中干燥，稱重的時間間隔為24小時，當三次記錄誤差均低于10%，對三次測量均值進行記錄。

在各站位COD的測量中，使用的方法為重鉻酸鉀指數測定法。

1.3 基于遙感反射率的近海水質反演模型的搭建

首先基于遙感反射率搭建近海COD濃度數據的相關水質反演模型。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濃度數據之間的關系，選擇最優波段組合構建該反演模型。

其中MODIS、SeaWiFS衛星遙感數據的遙感反射率波段組合形式具體見表2。

在表2中，εi指的是E（x）數據的第i個波段；εj是指（x）數據的第j個波段。

分析各測點COD濃度數據與E（x）波段組合值間的關系，獲取各測點COD濃度數據所對應的反演模型建模參數、最佳E（x）波段及其最佳組合形式，實現近海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據的相關水質反演模型。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據之間的關系，選擇最優波段組合構建該反演模型。

2 近海污染物空間分布特征分析與污染狀況評價

2.1 COD空間分布特征分析與污染狀況評價

根據第一個反演模型獲取春、夏、秋、冬四季COD的近海空間分布特征，并評價四季的COD污染狀況。

COD在春、夏、秋、冬四季的近海空間分布特征見圖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，說明研究區域近海COD污染情況整體比較嚴重，分布較為均勻。在河流人海口處，COD污染情況較輕，如圖右上部分為河流人海口處，觀察可發現，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，COD的污染傳輸方向為向近岸處逐漸傳輸。

比較四個季節的近海COD空間分布特征數據可知，COD污染情況在春季較為嚴重，COD最高值達到50mg/L，冬季次之，COD最高值達到49mg/L，夏秋季節的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價

接著根據第二個反演模型獲取春、夏、秋、冬四季懸浮顆粒物的近海空間分布特征，并評價四季的懸浮顆粒物污染狀況。

懸浮顆粒物在春、夏、秋、冬四季的近海空間分布特征見圖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，這說明研究區域近岸區域懸浮顆粒物污染情況最嚴重，與海岸線距離越遠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。在河流人海口處，懸浮顆粒物污染情況同樣有所減輕，這與季節的徑流量相關，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，懸浮顆粒物的污染傳輸方向為向近岸處逐漸傳輸并且在近岸區域累積。

比較四個季節的近海懸浮顆粒物空間分布特征數據，懸浮顆粒物污染情況在秋冬季比較嚴重，特別是在冬季，懸浮顆粒濃度最高值達到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，發現懸浮顆粒物的污染更加嚴重，同時容易在近岸區域累積，而COD的污染相對較輕，同時其分布更加均勻。

3 結束語

在環境問題日益嚴峻的今天，如何對流域水環境進行污染狀況評價已成為全球性的挑戰。當前，中國近海海域的水環境不斷惡化，這不僅對中國的生態平衡構成嚴重威脅，也成為了影響中國和諧社會建設的關鍵因素。這種狀況對中國的整體國民經濟發展產生了深遠的負面影響，嚴重制約了中國的可持續發展。為了應對這一挑戰，借助遙感技術對近海污染物的空間分布特征進行了深入研究，并實施了相應的污染狀況評價。遙感技術的運用能夠更好地了解近海污染物的分布規律和擴散趨勢，為制定有效的污染控制策略提供了科學依據。通過遙感數據的分析，我們可以確定污染源的位置和排放量，評估污染程度和影響范圍，從而有針對性地采取措施進行治理和防控。