长江南京江段水质遥感分析

长江南京江段水质遥感分析 陆 家 驹 (南京水利科学研究院,南京 210029) 摘要 : 采用美国陆地卫星 TM数据分析长江南京江段的水质污染状况,证明了应用卫星遥感技术不但能在大范围 内真实、客观、全面地反映出水质污染的程度、范围和分布,而且具有快速、省力、省钱的巨大优势。这一方法的应 用将对整个长江及类似的大江大河都有进一步推广价值。 关键词: 陆地卫星;遥感技术;水质;污染带;长江 中图分类号: P 208 文献标识码: A 文章编号: 1001- 070X(2002)03- 0033- 04 0 引言 长江是一条黄金水道, 其干流水质具有多种功 能。它既是沿江地区工农业生产和人民生活用水的 水源,又是发展渔业、旅游和航运等事业的一个重要 场所, 同时还可向缺水的北方地区进行调水。一方 面,由于沿岸地区的工农业生产迅猛发展, 人口快速 增长,加上人民生活水平的提高, 用水量日益上升; 另一方面,工农业污水和生活废水大量排放, 又影响 了它的水质。这种需水量的剧增和水污染的日益恶 化, 已经影响和制约了沿岸地区和城镇经济建设和 社会发展。 根据多年常规的长江水质监测结果, 长江水体 水量丰富, 具有较高的吸污、消污能力, 但在城市江 段的近岸水域都有着大小不等的污染存在。这些水 域,正是人类利用率最高的水域。不但城乡供水水 源大都集中于此,同时也是水生生物栖息、觅食和繁 殖的活动区。因此这些水域, 是长江干流水资源保 护的重点之一。 常规的人工方法进行水质调查,工作量大, 调查 范围广,所需费用也高。相反,应用卫星遥感技术不 但能在大范围内真实、客观、全面地反映出水质污染 的程度、范围和分布,而且具有快速、省力、省钱的巨 大优势。采用 1993 年 2 月 25 日美国陆地卫星 TM 图像, 分析长江南京江段的水质污染状况。这一方 法的应用, 将对整个长江以及类似的大江大河都有 着进一步推广价值。 1 水质污染与遥感研究 一条河流的水环境状况, 除受沿程地势、地貌、 气候、土壤、地质等自然因素的制约外, 主要还受两 岸的工业污水、生活废水和农田排水等影响。其中, 以工业污水的污染最为突出和严重。 在工厂的扩大和发展中, 由于我国目前对工业 废、污水的产生及处置还缺乏必要的规范, 加上工厂 资金、设备和技术力量的限制,以及疏于严格的科学 管理, 使得大量含有有毒和有害成分的废、污水不仅 毫无节制地产生出来, 而且随意地排向了江河。除 此之外,在城市近郊地区的部分低工艺、高污染的乡 镇企业也在不断地排放大量的废、污水,这更加加快 了江河水质的恶化。 一般情况下, 影响大水体有机污染的参数有: COD(化学耗氧量)、BOD(生物耗氧量)、DO(溶解氧) 和 pH 值(酸碱度)。国内外学者的研究都证实了在 大江大河中, 这些参数的均值、中值和最大值, 一般 都是近岸高、中泓低。而且城市江段近岸水域的主 要污染物以耗氧有机物为主。如果有高浓度的有机 污水排放, 则还会出现黑色污染带。对于 DO值而 言,其均值和中值在近岸与中泓处无明显差异,但其 最小值的差别却很大,有时近岸可为零值, 而中泓却 可以大于 5. 0 mg/ l。这一现象也可说明近岸水域受 到了污染。 由于人类活动的影响, 近岸水域还会发生水温 收稿日期: 2002- 07- 08; 修订日期: 2002- 07- 24 第 3期, 总第 53期 国 土 资 源 遥 感 No. 3, 2002 2002年 9 月 15日 REMOTE SENSING FOR LAND &RESOURCES Sept. , 2002 污染。如大量接纳电厂的冷却水, 致使水温急剧上 升,有时可高达 40 e 以上。它不但降低了水体复氧 能力, 加速水中溶解氧的消耗, 危及水生生物的生 存, 而且升温过急, 也会引起水中溶解性气体过饱 和,特别是溶解氮的过饱和, 同样会危及水生生物的 生存。 陆地卫星或地球资源卫星, 能为人们不断地提 供包括水体在内的各种地面信息。它具有覆盖面 广、波段多、周期短等诸多优点。由于水质污染往往 会引起水体温度、密度、色度和透明度等一系列物理 性质发生变化, 进而导致其反射波谱特性也发生变 化。如当水体出现富营养化时, 浮游植物中的叶绿 素对近红外波段具有明显的/陡坡效应0, 故而这类 水体兼有水体和植物的光谱特征, 即在可见光波段 反射率低, 在近红外波段反射率却明显升高。水体 这种波谱特性的变化, 被卫星探测器准确无误地记 录下来,然后根据地表代表性水域上所采集的同步 实测资料,建立起各种解译标志, 对卫星遥感资料进 行图像解译、分析和处理,最终获取河道上的水质污 染程度及分布状态。 2 长江南京江段的水质现状 2. 1 基本环境情况 南京市位于江苏省西南部, 长江下游秦淮河入 江口以东。城市面积 947 km2, 人口约 506 万; 市区 面积 121 km2, 人口约 252万。工农业总产值达 391 亿元,其中工业产值约为 360亿元。 南京江段主要取水口有 35个,其中公用水厂 11 个,自备水厂 24个, 每日总取水量约 762 万 t, 均取 自长江。日取水量大于 50万 t的大取水口有: 南京 热电厂、南化公司第一水厂、扬子石化、仪征化纤、北 河口、梅山冶金公司以及南京肉联厂等 7个。其分 布情况和取水量见插页彩片 4。 2. 2 水质污染现状 南京江段共有 9个水质监测断面(插页彩片 4) , 其中外秦淮河下游、长江大桥下游和八卦洲下游西 坝等 3个断面在枯、丰水期各监测 1次,其余 6 个断 面都是每月监测 1次。 根据多年的常规水质监测, 南京江段的水质情 况总体基本良好, 是沿江两岸工农业和生活用水的 良好水源, 适合于水生生物的生长繁殖。但近几年 的监测结果表明,各监测项目的年均值均已达标,其 中超标项目主要是溶解氧、高锰酸盐、氨氮和挥发酚。 南京江段的水化学特征是: ¹ 化学组成属重碳 酸钙质水; º 矿化度不高,属低矿化度河流; » 总硬 度不高, 属软水; ¼ 溶解氧含量在 4~ 11. 9 mg/ l之 间,年均值为7. 55 mg/ l,总超标率达 10%左右,超标 一般都出现在夏季; ½ pH值在 7. 8左右, 呈微碱性; ¾ 耗氧物质含量不高, COD的年均值在1~ 2 mg/ l之 间,夏高冬低; ¿ 氨氮含量在 0. 01~ 1. 96 mg/ l之间, 年均值 0. 24 mg/ l,总超标率为 8. 9%; À 高锰酸盐含 量在 1. 1~ 6. 4 mg/ l之间, 年均值 1. 86 mg/ l, 总超标 率为 0. 2%。尽管总体情况基本良好,但由于监测布 点的局限, 并不能完整反映近岸水域的水质状况。 事实上,由于工农业的快速发展, 人民生活水平的不 断提高,在南京江段沿岸水域已经出现了大小不等 的污染带。这些污染带的来源主要是沿江两岸工业 污水和生活废水的排放。 南京江段直接入江排污口共有 40 个, 左岸 21 个,右岸 19个, 入江污水总量达 119 905万 t / a。主 要污染物有悬浮物、化学耗氧量、氨氮、挥发酚、氯化 物等。年污水量大于 1 000万 t的排污口有 23个(插 页彩片 4) , 其中年污水量超过 5 000万 t 的排污口 为:南钢一号、南京热电厂一号和二号、南化三号、扬 子石化一号、梅山冶金西排和金川河等7个排污口。 在 40个排污口中, 按性质划分, 属工业排放的 27个,属工业、生活混合排放的 13个。排污口的形 式又多种多样, 有明渠、明沟,也有暗管、暗沟。排污 方式以集合式为主, 不少排污口枯水期出露水面自 流排放;丰水期则没入水下用泵站抽排;还有的伸入 离岸较远的江中水底排放, 这以南京扬子乙烯公司 排污口最为典型。按排污时间长短划分, 又有连续 排污和间断排污区别, 40个排污口中属连续排放的 有 32个, 间隙性排放的有8个。 2. 3 历史上重大污染事故 南京江段的水质污染,除了经常性的废、污水排 放以外,还发生过由于重大事故而引发的江水严重 被污,直接影响了工农业用水和人民生活用水的重 大事故。 1989年 3月, 南京市扬子石化公司抢修生产设 备,由于抢修人员的疏忽,将设备中的剩余物料直接 排入长江支流马汊河,进入长江, 致使大面积水域受 到污染,造成该区段的水厂成品水中卤代桎含量超 标严重,不能饮用。1990年2月,南京扬子石化所属 的贮运公司槽车破裂,苯酚泄漏达 10码 O ,致使马汊 #34# O 1码= 0. 9144 m 国 土 资 源 遥 感 2002 年 河及入江处的水域遭受严重污染,造成该区水厂 4 d 的供水无法饮用。 除去以上这些较大的污染事故外, 还时常发生 一些零星小范围内的污染事故, 所有这些都给当地 人民生活用水带来了很大影响。 3 长江南京江段水质污染遥感分析 我们采用美国陆地卫星 1993年 2月 25 日南京 幅TM图像, 对其江面水质进行了多波段最大似然分 类,最后分别确定出重、中、轻度污染和无污染等 4 类水质的分布范围。本次分析的南京江段长度为 64. 4 km,评价的左、右边江岸各长76. 1 km和 64. 4 km, 总岸边长度达 140. 5 km。 根据卫星图像分析, 本江段各排污口的污、废水 排入长江后,由于河道水文及水动力学的特点, 宽深 比一般大于 50, 中泓水急, 故入江后的污、废水受到 江水挤压,难以象中小河流那样, 在沿水流方向较短 流程内,达到全河道的混合。相反, 这些污、废水排 入长江后, 只能在排污口下游的近岸水域聚积成污 染物浓度较高的条带状污染区。本次卫星图像的分 类结果, 验证了这一观点。因此,污染带的长度应该 成为反映南京江段近岸水域水质状况的一个重要指标。 从卫星图像分类结果(插页彩片4)来看,长江南 京江段的轻度污染带长度已达 97. 2 km; 中度污染 带达 62. 5 km(占污染带总长的 64. 3% ) ; 重度污染 带长度40. 4 km(占污染带总长的 41. 6% )。它们分 别占分析河岸长度的 69. 2%(轻度)、44. 5%(中度)、 28. 8% (重度)。这一结果与 1982年环保部门记载的 污染带长度62. 2 km相比,增长了 56. 3%, 也从一个 侧面反映了改革开放 10多 a来, 南京地区发展迅速, 工农业生产中的污、废水排放量增大,导致干流近岸 段水域污染的长度在逐年加长。 从近岸污染带的宽度来看, 几乎都是随着离岸 距离的增加而水质逐渐好转。由于受到中泓江水水 流的挤压, 这些污染条带总宽度一般不超过 150 m, 最宽的为八卦洲北边的江段, 达到了 200 m,其中重 度污染带的宽度为 50 m左右。值得一提的是, 本次 使用的图像时间为 2月份, 即体现的是南京江段枯 水期的水质分布情况。可以设想,待到丰水期时,随 着来水量的增加,污染带的宽度一定会有所减少。 将两岸对比来看, 南京江段左岸水域的水质劣 于右岸。左右两岸污染带的长度分别为 56. 7 km和 40. 5 km,各占污染带总长度的 58. 3%和 41. 7%。明 显地反映出工业布局在其中所起的作用。因为江段 北岸集中了南京地区的许多大型企业, 充分体现了 水质污染与人类活动的密切相关关系。最典型的 是,八卦洲北边的弯道北岸, 此处排污口相对集中, 加剧了水质污染, 致使该条污染带长达 36. 3 km, 成 为南京江段污染带长度之首。 我们将卫星图像分析结果与排污口的位置叠加 在一起(插页彩片 4) ,可以看出, 遥感图像上呈现出 的污染带与实际的排污口位置都比较吻合,这也说 明遥感技术确实能在水质监测中发挥它的作用。 4 结论 长江南京江段水环境质量的遥感分析结果表 明,长江水量丰富,稀释、净化污染物的能力很强,总 体仍保持着基本良好的状态。近年来南京地区社会 经济及工农业生产迅速发展, 排入长江的污、废水不 断增加,在江段两岸边的水域已经存在着长宽不等 的岸边污染带, 总体达到了 69. 2% , 局部小范围内 已是污染严重。而且这种污染仍在逐年增长, 与 1982年相比,其平均年增长率达到了5. 1%。 本次评价结果与常规监测结果相比可知, 常规 的水质监测方法并未完全反映出与人类活动关系最 为密切的近岸水域的水质状况。因此, 从某种意义 上说,有一点失去了水质监测的监控作用。所以有 必要对其方法与技术规范进行改进和完善。 建议: ¹ 可以适当减少常规水质监测的布设断 面,而增加一些岸边水域的水质监控点位; º 布设 水质监测断面和点位时,应充分考虑排污口的分布 状况; » 水质污染的监测可与遥感技术结合起来, 以点测数据的精度与卫星资料面信息量广的优势为 互补,每年进行枯、丰水期各 1次的综合分析, 以便 获取一个完整的水环境质量分布状况。 另外, 为了充分发挥长江干流的各种功能,满足 各类用户对水质水量的需求, 有必要对其进行规划, 以便有利于整体的综合开发、合理利用和保护管理。 针对目前的水质状况是中泓好、岸边差、局部水域已 达严重污染的实际情况, 可采取控制排污总量,饮水 水源优先保护, 对严重超标排污口实行限期治理或 搬迁等措施,从而达到工农业、生活、渔业、旅游和其 他用水都能合理利用起现有的水环境容量的目的。 参考文献 [ 1] Yotsakura N, Sayre W W. 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REMOTE SENSING ANALYSIS OF WATER QUALITY IN THE NANJING SECTION OF THE YANGTZE RIVER LU Jia- ju ( Nanjing Hydraulic Research Institute, Nanjing 210029, China ) AbstractBThe analysis of the water quality pollution in Nanjing section of the Yangtze River by using the TM data from the USA Landsat has proved that the application of the satellite remote sensing technique not only reveals the extent, range and distribution of the water pollution object ively and comprehensively but also has the merits of saving t ime, labor and money. The successful ut ilization of this method is of pract ical significance in that it can be extended to the whole Yangtze River and other such great rivers. Key wordsB Landsat; Remote sensing technique; Water quality; The Polluted zones; The Yangtze River 作者简介: 陆家驹( 1951- ) , 男,江苏苏州人。南京水利科学研究院水文水资源研究所水利信息化研究室主任, 高级工程师, 主要从事遥感技术在水文水资源及水利工程中的应用研究。 (责任编辑: 周树英) (上接第 28页) [ 2] 江苏省海岸带和海涂资源综合调查委员会. 江苏省海岸带和海 涂资源综合调查[M] . 北京:海洋出版社, 1986. [ 3] 江苏省滩涂研究所. 江苏滩涂研究[ M] . 北京: 海洋出版社, 1992. [ 4] 江苏省沿海滩涂开发利用管理局, 江苏省统计局. 发展中的江 苏滩涂经济[M] . 北京: 海洋出版社, 1995. THE APPLICATION OF REMOTE SENSING TECHNOLOGY TO THE INVESTIGATION OF BEACH RESOURCES AND THEIR DEVELOPING TREND IN JIANGSU PROVINCE CAI Ze- jian, WU Shu- liang ( Geological Survey of Jiangsu province, Nanjing 210018, China ) AbstractBThe application of remote sensing technology to investigating the abundant and complex beach resources proves to be quite effect ive. Based on satellite remote sensing digital images of three different periods, the authors analyzed characteristics of the beach resources in Jiangsu Province, such as their total quantity, distribution, developing trend and application prospects. The results reveal that the beach resources in Jiangsu Province tend to decrease, which is attribut2 ed to the fact that the utilized beach area is larger than the reproduced beach area. Therefore, better management should be emphasized in the utilization of the beach resources. Key wordsB Jiangsu province; Beach resource; Developing trend; Remote sensing; Applying prospect 第一作者简介:蔡则健( 1949- ) , 男,毕业于北京大学地质地理系, 高级工程师, 长期从事遥感技术应用研究工作,已发表 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 20 余篇。 (责任编辑: 周树英) #36# 国 土 资 源 遥 感 2002 年