基于“空天地一体化”的饮用水水源地污染源溯源体系构建研究

吴名栈，郭丽敏，袁皖华

(1.广东省防汛保障与农村水利中心，广州 510635；2.水利部珠江水利委员会水文局，广州 510610 )

1 概述

近年来，随着人类活动的增多，我国饮用水源地的水源检测结果频繁出现指标间断性超标现象，已威胁到人民群众的供水安全。因此，我们要重视饮用水水源地的安全问题，增强饮用水水源地的水质日常监测和应急监测能力。不但要使饮用水水源地在具有源源不断对外供给能力，还应具有安全的水质和较好的环境承载力，能够较大程度地满足人们对饮用水安全的需要[1]。当饮用水水源地发生水污染事件或者间断性的水质超标时，就急需管理部门快速、高效、准确的识别污染物和查找污染源。目前饮用水水源地监测，主要以取水口人工监测结合水源地自动监测站为主，在专项保护行动中偶尔采用无人机巡航开展水源地污染源监测，监测手段较为单一，未能互相融合[2]。此外，水源保护区内环境条件复杂，人工监测和定点监测在工作效率和准确性方面无法满足水源地保护工作的要求。

2 “空天地一体化”技术体系构建

本文运用“空天地一体化”的多重监测技术的污染源调查溯源工作方法，选取粤港澳大湾区典型河道型饮用水源地，开展污染源调查溯源和超标原因分析工作。空天地一体化污染溯源技术包括3个步骤：① 采用遥感宏观监测技术手段全覆盖监测水源地现状，初步排查风险源，监测异常水质指标，发现水源地疑似存在的风险源，依据水源地实际情况进一步开展精细化监测[3]；② 卫星遥感影像具有一定的滞后性，通过采用无人机巡航方式，近地面快速精准排查风险源[4-5]；③ 选取采样断面，开展人工定点采样，构建水环境容量模型，对断面水质进行对比分析，找出水质异常的原因。这种“逐层递进”式的饮用水水源地污染源调查溯源技术方法(技术体系如图1所示)，使得水源地污染源排查活动全过程可控，确保溯源监测数据全面、客观、准确[6]，研究成果可为地方政府保护饮用水水源地、有效提升饮用水水源地供水保障的监督管理能力、解决饮用水水源地存在的安全隐患、持续开发利用水源地，提供一定的参考[7]。

2.1 卫星遥感反演调查

传统的水质监测一般采取实地取样分析，消耗大量人力、物力、财力，获取的数据在时空尺度上不连续，难以达到大范围、实时性水质监测要求[8]。而利用遥感进行水质监测，具有实时、高效、连续性强、监测范围广、相对成本低等优点，卫星遥感技术已较为普遍应用内陆水质监测，卫星遥感数据其光谱谱段丰富，在水质参数定量化研究中潜力较大[9]。由于水源地空间尺度大，监测要素多，使用高空间分辨率的遥感数据进行水源地监测工作就显得非常重要。遥感数据水质参数，可实现在流动性大、水质状况分布错综复杂的湖库型、河道型饮用水源地水质参数的反演[10]。

图1 空天地一体化污染溯源技术体系示意

运用卫星遥感反演调查的技术方法，在空间大尺度上对水源地进行宏观摸底调查，首先对卫星遥感影像进行卫星数据的辐射定标与辐射纠正、卫星数据的大气纠正等预处理[11]，开展水体与主要水质参数的精确测量，对主要水质参数的定量提取，获得研究区水体的遥感反射率，建立水质遥感监测系统进行遥感模型反演，工作流程如图2所示。

图2 卫星遥感解译水质反演流程示意

2.2 无人机巡航调查

无人机航空巡查是由无人机技术、测量技术、计算机技术等共同发展而融合的新技术。水源地水体环境复杂、水域面积广阔且污染源类型多样，对时效性和精度要求较高，利用无人机技术可从宏观上观测水源地水质状况，航拍实时追踪污染源和监测突发环境污染事件的发展[12]。无人机航空巡查与常规调查优势对比见表1所示。

表1 无人机调查与常规调查的优势对比

在卫星遥感反演调查的基础上运用无人机巡航调查的技术手段开展水源地精细化监测。开展无人机巡航调查工作主要为近地面排查风险源和辅助现场人工调查，无人机巡航调查主要是补充水质卫星遥感调查时效性手段之一，卫星遥感影像具有一定的滞后性[13]，对于具有风险源的重要水源地，通过无人机技术及时高效的监测到水源地的风险源及现场情况。

2.3 人工采样比对分析

根据水源地历史水质资料、卫星遥感图像反演结果、无人机巡航调查的基础上，开展水源地断面水质采样，以现场调查结果和采样数据为依托，建立水系环境容量模型，分析区域水体环境承载能力，验证遥感影像调查和无人机调查溯源工作的准确性[14]。

2.3.1水环境容量概念

水体纳污能力是指水体在设计流量条件下，满足水体水质目标要求和水体自然净化能力，核定的区域水体污染物最大允许负荷量[15]。根据污染物排放总量控制原则，确定水体的纳污能力，并以此作为水源地水体消纳承载污染物的参考依据，为明确水源地污染源来源提供科学有效的指导。

纳污能力的计算可根据不同水平年要求达到的水质目标和不同水平年的设计流量(水量)，应用有关模型计算水体的允许纳污量。

2.3.2环境容量模型选取

根据一维水质模型的计算原理，我们将研究区域内的河涌进行概化，将流域内的河涌多条并行排列，将各河涌上游来水水源视为河涌模型的进水水源。

河流纳污能力由水功能区水质目标、来水条件、河流断面条件、综合衰减系数以及污染物入河方式共同决定[16]，计算公式如下：

(1)

式中：

W——纳污能力，mg/s；

C0——上断面水质目标，mg/L；

Cs——下断面水质目标，mg/L；

k——为综合衰减系数，1/s(负一次方秒)；

l——河长，m；

u——流速，m/s；

Q——流量，m3/s。

3 应用示范

运用“空天地一体化”的污染源调查溯源技术体系，选取粤港澳大湾区某河道型水源地作为实例，开展污染源调查溯源工作。

3.1 研究区域概况

本次研究区域位于珠江流域西江河段，属于河道型水源地，涉及区域包括古镇镇，蓬江区、顺德区西江两岸的一些相关支流和河涌，重点区域为西江支流古镇水道沿线区域(行政区域包括古镇镇、荷塘镇、均安镇)。根据历史水质资料可知，该水源地存在总磷间歇性超标的情况，以该水源地为例，开展污染源调查工作。

对取水口监测子站2017年1月1日—2019年11月30日的总磷数据进行统计分析，按月进行平均。2017年总磷月均值为0.043～0.217 mg/L，2月水质较好，总磷月均值占标率为43%(Ⅱ类水质，下同)，单月超标率6.85%；7月水质最差，总磷月均值超标1.17倍(Ⅱ类水质，下同)，单月超标率73.92%；全年只有5个月总磷月均值满足地表水Ⅱ类水质要求，其余7个月总磷月均值不满足地表水Ⅱ类水质要求。2018年总磷月均值为0.051～0.119 mg/L，2月水质较好，总磷月均值占标率为51%，单月超标率4.46%，6月水质最差，总磷月均值超标0.19倍，单月超标率51.94%；全年有8个月总磷月均值满足地表水Ⅱ类水质要求，其余4个月总磷月均值不满足地表水Ⅱ类水质要求。2019年前11个月总磷月均值为0.038～0.255 mg/L，2月水质较好，总磷月均值占标率为38%，单月超标率2.08%；7月水质最差，总磷月均值超标1.55倍，单月超标率98.33%；只有4个月总磷月均值满足地表水Ⅱ类水质要求，其余7个月总磷月均值不满足地表水Ⅱ类水质要求(见图3)。

图3 取水口总磷浓度月均值对比示意

3.2 遥感反演结果

研究对卫星遥感影像进行几何校正、大气校正等预处理，获得研究区水体的遥感反射率，基于总磷遥感模型反演了该区域总磷含量的空间分布(见图4)。

图4 研究区域总磷含量卫星遥感反演结果示意

整体上，研究区取水口及上游水域各水道总磷含量较高，平均值达0.45 mg/L，最小值为0.11 mg/L，最大值为1.04 mg/L；空间分布上，除拱北河外，取水口及上游水域总磷含量呈现自西北向东南逐渐增加的趋势。在主要水道中，拱北河的总磷含量相对最低，整体小于0.20 mg/L，达到三类水体标准；东海水道和马宁水道总磷含量均值达到0.40 mg/L左右，大部分区域为五类水质等级；其余水道的总磷平均含量大于0.40 mg/L，为劣五类水质等级，总磷污染情况严重。

3.3 无人机巡查调查结果

根据《饮用水水源保护区污染防治管理规定》(1989年发布，2010年修正)分类要求，无人机巡航排查发现存在建设项目93处、水质较差入河(库)支流77处、临时停靠点47处、垃圾堆放28 处、农业生产活动59处等 5 类疑似风险源共计304处风险源。从遥感影像上可判别出：疑似建设项目以码头为主，疑似临时停靠点以木制临时渔船停靠板为主，疑似农业生产活动以保护区内经济作物、鱼塘养殖为主(见表2)。

表2 无人机风险源排查结果

3.4 水质取样对比分析结果

根据卫星遥感反演和无人机调查结果，在研究区总磷含量浓度较高和风险源分布的区域开展水质现场采样，采样点分布及采样结果如图5所示。

图5 研究区域人工采样污染物浓度空间分布示意

根据图5可知，本次采集的样品中共有32个样品为劣五类水质(占17.78%)，其中，总磷浓度大于1.0 mg/L的样品共15个，古镇镇(2个：古三滘沙河、沙源支涌)、均安镇(1个，均安天豪服装洗水厂)、荷塘镇(11个，高康大涌及其支流、霞村河支流、莲蓬河及其支流、荷塘镇中心河、康溪工业区排污口)、潮连街道(1个，文阁涌)和西江右岸区域(0个)，说明水质污染区域主要集中于荷塘镇的东南部区域及古镇区域河段，重污染河涌汇入口大部分靠近古镇取水上游的古镇水道和西江左岸区域。结果与遥感模型和无人机调查结果一致。

3.5 环境容量模型分析结果

利用水环境容量模型分区计算水体环境容量占比，在环境容量占比小的区域，水体所能承载的污染物少，污染物扩散条件差，就越容易发生水体的污染(见表3)。

表3 取水口水质污染贡献

4 结语

本次水源地污染源调查研究在传统定点水质监测手段的基础上，创新的加入了构建遥感监测模型调查、无人机巡查和水环境容量模型对比分析的技术方法，形成了一套完整闭环的水源地污染源调查溯源方法，使得快速精准的定位污染源，取得了良好的效果[17]。弥补了常规监测方法与技术存在的局限性，为其他水环境监督和调查工作积累一定的经验和数据，也便于以后类似研究的开展。形成了一套可复制可推广的水源地监测溯源技术体系，并且可运用于相关类似监督监测工作中，为区域水环境监管决策和河道综合治理规划提供科学依据。