遥感在固废污染溯源中的应用研究

周朝阳 胡永森 冯霞 夏建锋

（1.江西省国防科技信息和卫星应用中心，江西南昌 330038；2.中国科学院空天信息创新研究院遥感科学国家重点实验室，北京 100101）

0 引言

近年来部分炼油、化工、采矿等生产企业违法将产生的大量未经处理固体废弃物排放至山沟、河流或挖坑掩埋，对周围土壤和环境造成严重污染［1］。2014 年9 月，媒体曝光内蒙古自治区腾格里沙漠腹地部分地区出现巨型排污坑。2017 年4 月，华北地区出现规模达17 万m2的大深坑。2018 年4 月17日，央视财经《经济半小时》曝光了山西三维集团违规倾倒工业废渣数十万t，对沿途村庄百姓带来巨大危害。在“绿水青山就是金山银山”的生态发展理念指导下，我国各级政府对于固体废弃物污染防治和环境保护工作的重视程度不断提高。固体废弃物倾倒具有随机性和隐蔽性，监管难度较大［2］。目前，对于废弃物的监测方法主要以地面调查与勘测为主，属于点式监测，无法溯源监测［3］。随着遥感技术的发展，影像时间分辨率、空间分辨率不断提高，能够实现周期性、重复性地对同一地区进行对地观测，通过多时相历史影像数据开展溯源监测，让企业乱排现象无处遁形，为环保部门进行监测提供相关的技术支持［4］。

1 研究区域和方法

公开资料显示，三维集团是一家生产聚乙烯醇、粘合剂、苯、焦炭等上百种化工产品的企业，生产过程中不可避免地会产生粉煤灰、电石渣等工业废渣固体废弃物。山西“三维污染”事件曝光后，本文搜集了事发地点（山西省临汾市洪洞县赵城镇）周边近10 年共计11 期的高分辨率卫星遥感影像，时间跨度从2008 年5 月到2018 年4 月。基于影像原始数据进行预处理，制作了排污坑周边区域正射影像。不同固体废弃物在遥感影像上具有一些独特的特征，根据这些特征开展解译分析，通过目视解译获得固体废弃物的排放区域、类别变化，还原整个排污过程始末。

图1 研究技术流程

2 监测过程

2.1 排污事实确定

通过对排污坑周边多期遥感影像的分析，发现整个排污历史由2013 年4 月（图2）之前延续到2018年4 月，时间跨度为5 年，倾倒面面积最大达到3.84万m2。图3 为2016 年3 月13 日高分二号遥感影像拍摄的事发地点情形，通过真彩色合成发现，现场有大量的黑色（粉煤灰、煤泥）以及灰色粗砾状物质倾倒，排放面面积达到了1.64 万平m2。

图2 事发地点2013 年4 月27 日影像（数据源：DigitalGlobel，圈定范围为疑似倾倒区域）

图3 事发地点2016 年3 月13 日影像（数据源：高分二号，圈定范围为疑似倾倒区域）

2.2 排污区变化分析

通过多期的遥感影像对比，2016 年10 月的影像显示约有1.55 万m2的固废堆放区（图4）。2017 年5 月（图5），遥感影像判读监测现场为大区域的裸露土地，2018 年4 月（图6），裸露土地上新增部分水泥路面。通过对2017、2018 年2 期数据的进一步分析，存在2 处异常变化点：一是2017 年大坑面积较2016年外围扩展了近1/4，大量的泥土被挖走；二是在2018 年水泥路的东南部边缘发现了新的白色污染物体。综合判断2017 年的“裸露土地”为开挖周边泥土对粉煤灰等黑色污染物掩埋的产物。现场地质钻探数据显示从下到上土层依次为：原状土—粉煤灰—杂填土—水泥，证明判断准确。

图4 2016 年10 月31 日拍摄的遥感影像（高分二号，圈定范围为疑似倾倒区域）

图5 2017 年05 月06 日拍摄的遥感影像（高分二号）

图6 2018 年04 月01 日拍摄的遥感影像（高分二号，紫色框为水泥路）

2.3 固废类别判断

通过不同时期的遥感影像分析，发现该区域主要污染物有3 种，分别是粉煤灰、煤矸石、电石渣其纹理特征见表1。粉煤灰在遥感图像上表现为灰色或者黑色，纹理细腻，多期数据分析可确定排放时间为2013 年4 月27 日前。煤矸石在真彩色上表现为黑灰色的、较煤堆亮度更高的圆形瓣状图斑，具有砾状纹理，排放时间为2014 年6 月到2016 年3 月13日之间。电石渣在真彩色上表现为白灰色的物体，纹理细腻，排放时间为2017 年5 月到2018 年4 月1日之间。

表1 3 种污染物纹理特征

2.4 排污坑变化监测

多期遥感数据对比监测显示2008 年这个地区为一闲置南高北低的未利用土地，2013 年4 月前被人为挖掘出2 个2 000 余平m2大坑，同时发现有约4 300 余m2的灰色物质倾倒，见图7。2013 年10 月倾倒面面积为8 800 余m2，2014 年4 月5 日倾倒面面积为1.02 万余m2，2016 年3 月倾倒面面积达到了1.64 万m2，倾倒面面积到2018 年4 月达到顶峰，总面积为3.84 万m2，较2013 年面积增加了9 倍。

图7 2013 年4 月（黄框）倾倒面与2018 年4 月（红框）对比

一方面倾倒面面积不断增加，同时排污企业也在不遗余力地“向深部挖掘潜力”。通过对遥感影像的阴影分析，针对大坑边缘阴影提取，计算阴影长度，结合太阳方位角、高度角以及卫星方位角、高度角等数据，计算得出大坑南缘相对于坑底的相对高度，估算得到大坑最深的地方超过70 m。

3 结论

电石渣、粉煤灰等固体污染物是第二次全国污染普查中工业类污染源的重点调查对象，造成污染的这类企业或者组织为了逃避监管，往往采取边排边埋的策略逃避监管，或者将厂房建在人口稀少、隐蔽性强的农村或者城乡结合部，存在监管困难、取证成本高、治理效果难以保证等系列问题［5］，本次的三维集团污染就是一个典型案例。而同时遥感技术以其长序列、高精度、大覆盖的特点，可对污染物排放的历史、位置、种类、面积、体量进行全方位的溯源监测。通过长时间序列监测和多维度空间分析等，为固体废弃物污染排放监测和综合治理等提供科学有效的技术手段，为祖国绿水青山保驾护航。