基于“空天地一體化”的飲用水水源地污染源溯源體系構(gòu)建研究

吳名棧，郭麗敏，袁皖華

(1.廣東省防汛保障與農(nóng)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(jié)果頻繁出現(xiàn)指標間斷性超標現(xiàn)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(zhì)日常監(jiān)測和應(yīng)急監(jiān)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(yīng)具有安全的水質(zhì)和較好的環(huán)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(dāng)飲用水水源地發(fā)生水污染事件或者間斷性的水質(zhì)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(jiān)測，主要以取水口人工監(jiān)測結(jié)合水源地自動監(jiān)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(jiān)測，監(jiān)測手段較為單一，未能互相融合[2]。此外，水源保護區(qū)內(nèi)環(huán)境條件復(fù)雜，人工監(jiān)測和定點監(jiān)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(shù)體系構(gòu)建

本文運用“空天地一體化”的多重監(jiān)測技術(shù)的污染源調(diào)查溯源工作方法，選取粵港澳大灣區(qū)典型河道型飲用水源地，開展污染源調(diào)查溯源和超標原因分析工作?？仗斓匾惑w化污染溯源技術(shù)包括3個步驟：① 采用遙感宏觀監(jiān)測技術(shù)手段全覆蓋監(jiān)測水源地現(xiàn)狀，初步排查風(fēng)險源，監(jiān)測異常水質(zhì)指標，發(fā)現(xiàn)水源地疑似存在的風(fēng)險源，依據(jù)水源地實際情況進一步開展精細化監(jiān)測[3]；② 衛(wèi)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(fēng)險源[4-5]；③ 選取采樣斷面，開展人工定點采樣，構(gòu)建水環(huán)境容量模型，對斷面水質(zhì)進行對比分析，找出水質(zhì)異常的原因。這種“逐層遞進”式的飲用水水源地污染源調(diào)查溯源技術(shù)方法(技術(shù)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(jiān)測數(shù)據(jù)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(jiān)督管理能力、解決飲用水水源地存在的安全隱患、持續(xù)開發(fā)利用水源地，提供一定的參考[7]。

2.1 衛(wèi)星遙感反演調(diào)查

傳統(tǒng)的水質(zhì)監(jiān)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(shù)據(jù)在時空尺度上不連續(xù)，難以達到大范圍、實時性水質(zhì)監(jiān)測要求[8]。而利用遙感進行水質(zhì)監(jiān)測，具有實時、高效、連續(xù)性強、監(jiān)測范圍廣、相對成本低等優(yōu)點，衛(wèi)星遙感技術(shù)已較為普遍應(yīng)用內(nèi)陸水質(zhì)監(jiān)測，衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)其光譜譜段豐富，在水質(zhì)參數(shù)定量化研究中潛力較大[9]。由于水源地空間尺度大，監(jiān)測要素多，使用高空間分辨率的遙感數(shù)據(jù)進行水源地監(jiān)測工作就顯得非常重要。遙感數(shù)據(jù)水質(zhì)參數(shù)，可實現(xiàn)在流動性大、水質(zhì)狀況分布錯綜復(fù)雜的湖庫型、河道型飲用水源地水質(zhì)參數(shù)的反演[10]。

圖1 空天地一體化污染溯源技術(shù)體系示意

運用衛(wèi)星遙感反演調(diào)查的技術(shù)方法，在空間大尺度上對水源地進行宏觀摸底調(diào)查，首先對衛(wèi)星遙感影像進行衛(wèi)星數(shù)據(jù)的輻射定標與輻射糾正、衛(wèi)星數(shù)據(jù)的大氣糾正等預(yù)處理[11]，開展水體與主要水質(zhì)參數(shù)的精確測量，對主要水質(zhì)參數(shù)的定量提取，獲得研究區(qū)水體的遙感反射率，建立水質(zhì)遙感監(jiān)測系統(tǒng)進行遙感模型反演，工作流程如圖2所示。

圖2 衛(wèi)星遙感解譯水質(zhì)反演流程示意

2.2 無人機巡航調(diào)查

無人機航空巡查是由無人機技術(shù)、測量技術(shù)、計算機技術(shù)等共同發(fā)展而融合的新技術(shù)。水源地水體環(huán)境復(fù)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(shù)可從宏觀上觀測水源地水質(zhì)狀況，航拍實時追蹤污染源和監(jiān)測突發(fā)環(huán)境污染事件的發(fā)展[12]。無人機航空巡查與常規(guī)調(diào)查優(yōu)勢對比見表1所示。

表1 無人機調(diào)查與常規(guī)調(diào)查的優(yōu)勢對比

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

2.3 人工采樣比對分析

根據(jù)水源地歷史水質(zhì)資料、衛(wèi)星遙感圖像反演結(jié)果、無人機巡航調(diào)查的基礎(chǔ)上，開展水源地斷面水質(zhì)采樣，以現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果和采樣數(shù)據(jù)為依托，建立水系環(huán)境容量模型，分析區(qū)域水體環(huán)境承載能力，驗證遙感影像調(diào)查和無人機調(diào)查溯源工作的準確性[14]。

2.3.1水環(huán)境容量概念

水體納污能力是指水體在設(shè)計流量條件下，滿足水體水質(zhì)目標要求和水體自然凈化能力，核定的區(qū)域水體污染物最大允許負荷量[15]。根據(jù)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(jù)，為明確水源地污染源來源提供科學(xué)有效的指導(dǎo)。

納污能力的計算可根據(jù)不同水平年要求達到的水質(zhì)目標和不同水平年的設(shè)計流量(水量)，應(yīng)用有關(guān)模型計算水體的允許納污量。

2.3.2環(huán)境容量模型選取

根據(jù)一維水質(zhì)模型的計算原理，我們將研究區(qū)域內(nèi)的河涌進行概化，將流域內(nèi)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(qū)水質(zhì)目標、來水條件、河流斷面條件、綜合衰減系數(shù)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(zhì)目標，mg/L；

Cs——下斷面水質(zhì)目標，mg/L；

k——為綜合衰減系數(shù)，1/s(負一次方秒)；

l——河長，m；

u——流速，m/s；

Q——流量，m3/s。

3 應(yīng)用示范

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

3.1 研究區(qū)域概況

本次研究區(qū)域位于珠江流域西江河段，屬于河道型水源地，涉及區(qū)域包括古鎮(zhèn)鎮(zhèn)，蓬江區(qū)、順德區(qū)西江兩岸的一些相關(guān)支流和河涌，重點區(qū)域為西江支流古鎮(zhèn)水道沿線區(qū)域(行政區(qū)域包括古鎮(zhèn)鎮(zhèn)、荷塘鎮(zhèn)、均安鎮(zhèn))。根據(jù)歷史水質(zhì)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(diào)查工作。

對取水口監(jiān)測子站2017年1月1日—2019年11月30日的總磷數(shù)據(jù)進行統(tǒng)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(zhì)較好，總磷月均值占標率為43%(Ⅱ類水質(zhì)，下同)，單月超標率6.85%；7月水質(zhì)最差，總磷月均值超標1.17倍(Ⅱ類水質(zhì)，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(zhì)要求，其余7個月總磷月均值不滿足地表水Ⅱ類水質(zhì)要求。2018年總磷月均值為0.051～0.119 mg/L，2月水質(zhì)較好，總磷月均值占標率為51%，單月超標率4.46%，6月水質(zhì)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(zhì)要求，其余4個月總磷月均值不滿足地表水Ⅱ類水質(zhì)要求。2019年前11個月總磷月均值為0.038～0.255 mg/L，2月水質(zhì)較好，總磷月均值占標率為38%，單月超標率2.08%；7月水質(zhì)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(zhì)要求，其余7個月總磷月均值不滿足地表水Ⅱ類水質(zhì)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(jié)果

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

圖4 研究區(qū)域總磷含量衛(wèi)星遙感反演結(jié)果示意

整體上，研究區(qū)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(xiàn)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(qū)域為五類水質(zhì)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(zhì)等級，總磷污染情況嚴重。

3.3 無人機巡查調(diào)查結(jié)果

根據(jù)《飲用水水源保護區(qū)污染防治管理規(guī)定》(1989年發(fā)布，2010年修正)分類要求，無人機巡航排查發(fā)現(xiàn)存在建設(shè)項目93處、水質(zhì)較差入河(庫)支流77處、臨時?？奎c47處、垃圾堆放28 處、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動59處等 5 類疑似風(fēng)險源共計304處風(fēng)險源。從遙感影像上可判別出：疑似建設(shè)項目以碼頭為主，疑似臨時?？奎c以木制臨時漁船?？堪鍨橹鳎伤妻r(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動以保護區(qū)內(nèi)經(jīng)濟作物、魚塘養(yǎng)殖為主(見表2)。

表2 無人機風(fēng)險源排查結(jié)果

3.4 水質(zhì)取樣對比分析結(jié)果

根據(jù)衛(wèi)星遙感反演和無人機調(diào)查結(jié)果，在研究區(qū)總磷含量濃度較高和風(fēng)險源分布的區(qū)域開展水質(zhì)現(xiàn)場采樣，采樣點分布及采樣結(jié)果如圖5所示。

圖5 研究區(qū)域人工采樣污染物濃度空間分布示意

根據(jù)圖5可知，本次采集的樣品中共有32個樣品為劣五類水質(zhì)(占17.78%)，其中，總磷濃度大于1.0 mg/L的樣品共15個，古鎮(zhèn)鎮(zhèn)(2個：古三滘沙河、沙源支涌)、均安鎮(zhèn)(1個，均安天豪服裝洗水廠)、荷塘鎮(zhèn)(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(zhèn)中心河、康溪工業(yè)區(qū)排污口)、潮連街道(1個，文閣涌)和西江右岸區(qū)域(0個)，說明水質(zhì)污染區(qū)域主要集中于荷塘鎮(zhèn)的東南部區(qū)域及古鎮(zhèn)區(qū)域河段，重污染河涌匯入口大部分靠近古鎮(zhèn)取水上游的古鎮(zhèn)水道和西江左岸區(qū)域。結(jié)果與遙感模型和無人機調(diào)查結(jié)果一致。

3.5 環(huán)境容量模型分析結(jié)果

利用水環(huán)境容量模型分區(qū)計算水體環(huán)境容量占比，在環(huán)境容量占比小的區(qū)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(fā)生水體的污染(見表3)。

表3 取水口水質(zhì)污染貢獻

4 結(jié)語

本次水源地污染源調(diào)查研究在傳統(tǒng)定點水質(zhì)監(jiān)測手段的基礎(chǔ)上，創(chuàng)新的加入了構(gòu)建遙感監(jiān)測模型調(diào)查、無人機巡查和水環(huán)境容量模型對比分析的技術(shù)方法，形成了一套完整閉環(huán)的水源地污染源調(diào)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(guī)監(jiān)測方法與技術(shù)存在的局限性，為其他水環(huán)境監(jiān)督和調(diào)查工作積累一定的經(jīng)驗和數(shù)據(jù)，也便于以后類似研究的開展。形成了一套可復(fù)制可推廣的水源地監(jiān)測溯源技術(shù)體系，并且可運用于相關(guān)類似監(jiān)督監(jiān)測工作中，為區(qū)域水環(huán)境監(jiān)管決策和河道綜合治理規(guī)劃提供科學(xué)依據(jù)。