基于遥感的近海污染物空间分布特征与污染状况评价研究

史奇让

摘要：基于遥感技术研究近海污染物空间分布特征，评价近海区域污染状况。选择东中国近海海域某区域作为研究区域，所使用的研究数据主要包括卫星遥感数据与航测遥感数据两部分，基于遥感反射率搭建近海COD浓度数据的相关水质反演模型。基于遥感反射率搭建近海悬浮颗粒物浓度数据的相关水质反演模型。随着与海岸的距离逐渐增大，COD污染情况逐渐减轻，减轻程度较低，说明研究区域近海COD污染情况整体比较严重，分布较为均匀。比较COD与悬浮颗粒物的污染状况，发现悬浮颗粒物的污染更加严重，容易在近岸区域累积。

关键词：遥感技术；COD；悬浮颗粒物；空间分布特征；污染状况

中图分类号：X83 文献标志码：B

前言

海洋污染一直是全球普遍关心的问题，由于人类工业的发展，海洋中污染物的数量越来越多，对于生态系统与水生动物的健康产生不利影响，对于人类健康也构成威胁。中国的人口多、面积大，海岸线绵长，并且面临着城市化、间业化迅速推进以及人口快速增长所带来的愈发严重的环境问题。近海污染物的富集使污染物通过各种生物富集于食物链中的每一个层级，会严重影响近海海域水生动物们的健康，人类长期食用体内富集污染物的水生动物后，例如各种鱼类和贝类，也会导致严重的健康问题。除此以外，一些工业制品在裂解、风化后，会成为体积微小的、携带各种污染物的复杂载体，使近海海域的海水具有生物毒性。基于该背景对近海污染物空间分布特征实施研究，并进行污染状况评价。对于近海污染物空间分布特征问题的研究，目前主要应用水流流动数学模型等进行研究，整体研究已经取得了丰富而广泛的研究成果，为该问题的研究奠定了根基。中国该方面的研究整体开展较晚，但也在吸收和学习国际先进经验与水平的基础上得到了迅速发展。现对整体研究成果进行整理，在其基础上对基于遥感技术对近海污染物空间分布特征进行研究并实施污染状况评价。

1 研究区域与研究数据

1.1 研究区域概况

于东中国近海海域采集航测遥感数据，受海底地形、人类活动以及河流冲淡水等因素的影响，研究区域悬浮颗粒物、悬浮颗粒物物含量均较高，在不同海域生态环境、海域化学条件以及海域物理环境下趋于复杂多变，均为有着复杂光学性质的二类水体。

1.2 数据测量

所使用的研究数据主要包括卫星遥感数据与航测遥感数据两部分，其中卫星遥感数据主要包括2022年研究区域的MODIS、SeaWiFS卫星遥感数据。

航测遥感数据主要包括现场水体遥感影像、悬浮颗粒物浓度数据、COD浓度数据、遥感反射率数据。

航测遥感数据采集见表1的四个实测调查航次。

其中测量遥感反射率数据使用的仪器为便携公式光谱仪ASD。在稳定且适宜的太阳光照条件下，参照水上测量法，通过白板实施测量现场的光环境定标，并分别对天空、无干扰水面以及参考灰板实施光谱测量，各自采集十条光谱。最后，通过ASD光谱处理软件将测量光谱内的异常值剔除，并求余下光的平均值。

将测量时间定为上午9：00-下午3：00。

依据海洋光学协议，遥感反射率的计算公式具体如式（1）：

式（1）中，KT指的是水体的辐亮度；E（x）是指遥感反射率；δ代表海水-空氣界面对于天空光的反射率；KSKY表示天空的辐亮度；Kp指的是灰板的辐亮度；εp是指灰板的漫反射比。

其中δ的值由风速来决定。

在各站位的悬浮颗粒物测量中，水样的实测SPM浓度计算公式具体如式（2）：

式（2）中，NB指的是灼烧称重后GF/F空白滤膜质量，其中GF/F空白滤膜的直径为47mm；NA代表3次测量后的均值；M是指实际样品体积。

具体测量步骤如下：

（l）在过滤器中倒入水样，并接通开关，启动真空泵抽干。

（2）使用10-20ml蒸馏水对过滤器内壁进行润洗，再倒入水样并抽干。

（3）在烘箱中放入过滤后的滤膜，在90℃的温度下烘干2小时。

（4）放入干燥皿中干燥，称重的时间间隔为24小时，当三次记录误差均低于10%，对三次测量均值进行记录。

在各站位COD的测量中，使用的方法为重铬酸钾指数测定法。

1.3 基于遥感反射率的近海水质反演模型的搭建

首先基于遥感反射率搭建近海COD浓度数据的相关水质反演模型。研究不同遥感反射率多波段组合值或单波段组合值与近海COD浓度数据之间的关系，选择最优波段组合构建该反演模型。

其中MODIS、SeaWiFS卫星遥感数据的遥感反射率波段组合形式具体见表2。

在表2中，εi指的是E（x）数据的第i个波段；εj是指（x）数据的第j个波段。

分析各测点COD浓度数据与E（x）波段组合值间的关系，获取各测点COD浓度数据所对应的反演模型建模参数、最佳E（x）波段及其最佳组合形式，实现近海COD浓度的遥感反演。

接着基于遥感反射率搭建近海悬浮颗粒物浓度数据的相关水质反演模型。研究不同遥感反射率多波段组合值或单波段组合值与近海悬浮颗粒物浓度数据之间的关系，选择最优波段组合构建该反演模型。

2 近海污染物空间分布特征分析与污染状况评价

2.1 COD空间分布特征分析与污染状况评价

根据第一个反演模型获取春、夏、秋、冬四季COD的近海空间分布特征，并评价四季的COD污染状况。

COD在春、夏、秋、冬四季的近海空间分布特征见图1。

如图1所示，随着与海岸的距离逐渐增大，COD污染情况逐渐减轻，但随着与海岸的距离逐渐增大，COD污染情况的减轻程度较低，说明研究区域近海COD污染情况整体比较严重，分布较为均匀。在河流人海口处，COD污染情况较轻，如图右上部分为河流人海口处，观察可发现，在该处，河流的汇入使COD污染情况相比等距离的其他近岸处较轻。也就是说，COD的污染传输方向为向近岸处逐渐传输。

比较四个季节的近海COD空间分布特征数据可知，COD污染情况在春季较为严重，COD最高值达到50mg/L，冬季次之，COD最高值达到49mg/L，夏秋季节的COD污染情况相比较轻，尤其是秋季。而夏季由于河流人海量较大，因此右上部分的COD污染情况相比等距离的其他近岸处明显更轻。

2.2悬浮颗粒物空间分布特征分析与污染状况评价

接着根据第二个反演模型获取春、夏、秋、冬四季懸浮颗粒物的近海空间分布特征，并评价四季的悬浮颗粒物污染状况。

悬浮颗粒物在春、夏、秋、冬四季的近海空间分布特征见图2。

如图2所示，随着与海岸的距离逐渐增大，悬浮颗粒物污染情况也在逐渐减轻，随着与海岸的距离逐渐增大，COD污染情况的减轻程度较高，这说明研究区域近岸区域悬浮颗粒物污染情况最严重，与海岸线距离越远的地方悬浮颗粒物污染情况越轻，也就是悬浮颗粒物污染主要集中在近岸处。在河流人海口处，悬浮颗粒物污染情况同样有所减轻，这与季节的径流量相关，径流量越大，悬浮颗粒物污染情况的减轻程度就越高，反之，径流量越小悬浮颗粒物污染情况的减轻程度就越低。即夏季由于河流人海径流量较大，因此右上部分的悬浮颗粒物污染情况相比等距离的其他近岸处明显更轻。也就是说，悬浮颗粒物的污染传输方向为向近岸处逐渐传输并且在近岸区域累积。

比较四个季节的近海悬浮颗粒物空间分布特征数据，悬浮颗粒物污染情况在秋冬季比较严重，特别是在冬季，悬浮颗粒浓度最高值达到96mg/L，春夏季次之，悬浮颗粒浓度最高值同比较低。

比较COD与悬浮颗粒物的污染状况，发现悬浮颗粒物的污染更加严重，同时容易在近岸区域累积，而COD的污染相对较轻，同时其分布更加均匀。

3 结束语

在环境问题日益严峻的今天，如何对流域水环境进行污染状况评价已成为全球性的挑战。当前，中国近海海域的水环境不断恶化，这不仅对中国的生态平衡构成严重威胁，也成为了影响中国和谐社会建设的关键因素。这种状况对中国的整体国民经济发展产生了深远的负面影响，严重制约了中国的可持续发展。为了应对这一挑战，借助遥感技术对近海污染物的空间分布特征进行了深入研究，并实施了相应的污染状况评价。遥感技术的运用能够更好地了解近海污染物的分布规律和扩散趋势，为制定有效的污染控制策略提供了科学依据。通过遥感数据的分析，我们可以确定污染源的位置和排放量，评估污染程度和影响范围，从而有针对性地采取措施进行治理和防控。