遙感在飲用水水源地環境監測中的應用研究

張熠斌，宋金紅

（1．吉林省地質環境監測總站（吉林省地質災害應急技術指導中心），長春 130021；2．吉林農業大學 資源與環境學院，長春 130118）

遙感在飲用水水源地環境監測中的應用研究

張熠斌1，宋金紅2

（1．吉林省地質環境監測總站（吉林省地質災害應急技術指導中心），長春 130021；2．吉林農業大學 資源與環境學院，長春 130118）

保障飲用水安全，保護水源地健康發展，對于區域水資源可持續利用、推進社會和諧發展意義重大。本文以遙感在飲用水水源地環境監測的應用研究為課題，借助遙感技術，對石頭口門水庫水土流失與面源污染狀況，進行快速、客觀的監測，從而全面了解水源地及周邊的水生態安全、風險源存在及變化情況，有效的提升水源地環境管理的綜合監管水平。結果表明，該區域植被覆蓋度高，水土流失環境質量總體較好,面源污染以農業污染引起的水質污染為主。

遙感；飲用水水源地；環境監測

0 前言

遙感是一門空間信息的收集、傳遞、處理和分析的應用科學。目前遙感技術已經大范圍的運用到環境監測工作中，并利用自身技術為環境監測區域提供治理措施（姚延娟等，2013a）。環境監測工作要求及時地、準確地掌握水土流失地區各種自然條件的變化，土地利用現狀，以及各種防治措施的效益，從而制定出合理的綜合治理方案。

國外在對水土流失機理研究基礎上，建立了許多水土流失數學模型，這些模型可分為兩大類，一類是經驗模型，一類是物理模型。到目前為止，水土流失領域最重要的成果當屬1958年提出的通用土壤流失方程式(Universal Soil Loss Equation），該模型的因子參數經過不同國家和地區學者修正之后，能夠應用于世界各個地區（楊勤科等，1998）。此后美國及歐洲的學者又相繼提出了通用風蝕模型 WEE(Wind Erosion Equation)、RUSLE(Reversed USLE)、水蝕預報項目WEPP( Water Erosion Prediction Project)（姚延娟等，2013b），它突破USLE的基本思想，是以過程和流體力學為基本概念的土壤流失的物理預報模型，可以彌補通用土壤流失方程的不足、歐洲土壤侵蝕模型EUROSEM(European Soil Erosion Model)及基于地理信息系統(GIS)的空間土壤侵蝕預報模型。

從1920年開始，國內逐步出現針對水土流失的定性研究，水土流失評價成果和預測模型的調研不斷興起（姚延娟等，2016）。1980年初期，由北大遙感所資深教授馬藹乃提出了國內黃土高原小范圍水土領域的侵蝕統計模型。隨后通用土壤流失方程（USLE）被引入國內，推廣試用地包括黃土高原、江南丘陵一帶，福建，廣東還有東北都有涉及（彭坷珊，2001）。如今，水土保持工作過程中采用新技術無人機遙感技術，能夠彌補傳統水土保持調查監測手段的種種缺陷和不足，對比傳統監測技術，無人機遙感技術具備高精度、實時性和全面性等優點。

1 遙感技術在環境監測中的應用

（1）水文建模中的遙感技術

徑流和預測降水量的時間和月蒸發量的季節性評價是水文建模中尤為重要的兩個因素。因為地表觀測的模型無法應用于大流域地形，所以對地表的觀測不全面且在大尺度范圍內描述水文過程還存在困難（王濟龍等，1989）。遙感技術則可以為大流域乃至全球的水文模型提供數據，比如土壤的結構、濕度、地表覆蓋率以及地形的信息數據。

（2）水質監測中的遙感技術

對河流、湖泊、水庫、河口和海洋的水質進行監測和評價在水資源和環境管理中是非常重要的。雖然傳統試驗分析的技術測量結果準確，但費時費力（蘇慶珣等，2008）。遙感技術則可以提供相對便利、快捷和大范圍的測量方式。

（3）土壤侵蝕中的遙感技術

在人類活動的影響下，土壤侵蝕作為由水、風和冰所引起的一種自然現象已經加快了速度。土壤侵蝕會導致土地退化、地基下陷坍塌、生產能力損失，水土流失的土壤顆粒對下游的破壞等問題成為了全世界所關注的焦點（吳險峰等，2002）。由于土壤侵蝕的分布具有時空變異特性，應用傳統的土壤侵蝕測量技術耗時耗力，且有很大的困難。所以利用遙感技術進行水土流失的管理和研究就顯得至關重要，其中包括水土流失方式和速度的評估。

（4）土地覆蓋的變化和水資源的開發

近50年，土地覆蓋和土地利用方面信息的產生和應用有了巨大的發展，自然活動和人為活動影響了土地覆蓋即地球表面土壤、水、植被、城市等的覆蓋情況（張紅梅等，2005）。其中人類活動對土地覆蓋度的影響是與土地的利用及農業、林業和城市化用地信息息息相關的。一方面，土地利用的改變對土壤濕度和地下水的分配影響巨大（潘世兵等，2002）。另一方面，在干旱或半干旱地區，水資源的不合理開發利用也可能會導致植被覆蓋的變化。

2 應用案例

2.1 案例背景

石頭口門水庫位于飲馬河中游，是一座以防洪除澇為主、結合灌溉、發電、養魚、旅游等綜合利用的大型水庫，承擔長春市供水任務，總集水面積4944km2（圖1）。搜集研究區域土地利用分類資料，其中旱地和林地分別占到39%和32%，整個地區的植被覆蓋率比較高，有利于水資源環境的自我調節（圖2）。

（1）水源地的水土流失遙感監測，對水源地進行水土流失遙感監測，可以計算出整個水源地流域的輕度水土流失面積和微度水土流失面積大約占總流域面積的90%，說明水源地所在流域的水土流失程度較輕，需要繼續保持。

（2）面源污染遙感監測，水源地的面源污染主要是由于農業生產所產生的污染為主，人口眾多、旅游業、養殖業等導致污染總量加劇，主要污染物包括農田化肥、農業畜禽養殖污染、農藥、農村生活污染等，主要成分為氮、磷、COD、氨氮等。

圖1 水源地流域概況Fig 1. Watershed survey of water source area

圖2 水源地風險源監測圖Fig 2 Risk source monitoring diagram of water source area

2.2遙感應用分析

由上面結果可以看出，石頭口門的水質情況良好，水量問題比較嚴重，流域土地利用安全度較高，植被覆蓋度隨月變化明顯，全年高覆蓋度時間較短，水土流失較輕，水土保持方面做得較好。

高分辨率衛星遙感針對監測預警信息飲用水水源保護區提取圖像的使用（寧亞靈，2007），可以及時、準確地發現區域飲用水源的生態環境破壞，以及遙感信息可以轉移到水源地的工作體系，為準確定位網站的目標，指導水源地生態監測。

水源的網站平臺系統充分利用衛星遙感技術、空間定位和數據管理技術，有效解決了水源環境監測內容的難度，解決了監測內容不明確和難以操作的技術難點，有效支持水源區環境保護工作（牟金澤等，1980）。

3 結論

確保飲用水安全的首要任務是飲用水水源地保護。通過我國對地觀測技術的發展和自主衛星數據資源的不斷豐富，衛星遙感將在環境保護與水土保持領域發揮更大作用。飲用水水源地的管理依賴于建立健全的水源地環境質量遙感監測技術體系，建立基于衛星遙感且兼顧水源地水體安全和整個水源地保護區尤其是保護區陸域范圍內，如水土流失遙感監測等的水生態安全的環境質量遙感監測指標體系，可以成為實現我國飲用水水源地環境質量監管提供技術的基礎。利用衛星遙感技術可以對飲用水源地水域、陸域、管理監測等指標全面監測，使我們能制定合理的預防和治理措施，切實保護好水源地。

一方面，遙感技術能提供流域信息特征，比如源于不同光譜帶中的各種衛星可用于為不同尺度的水文研究和水資源管理的流域參數進行評估。另一方面，遙感數據在偏僻或環境惡劣的地區也同樣可以獲取。遙感技術的優點是具備提供空間數據的能力，以及具有提供水文變量方法的潛在能力。在洪水和旱災的監測與評估、灌溉和排水的管理、生態環境的監測、還有對集水區域的水循環研究以及流域和全球的尺度等水文與水資源管理問題上，遙感技術擁有廣闊前景。

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Environmental Monitoring Application of Remote Sensing in the Drinking Water Source

ZHANG Yibin1, SONG Jinhong2
(1. Jilin Institute of Geological Environment Monitoring(Jilin Geological Disaster Emergency Technical Guidance Center),Changchun 130021; 2. Resources and Environment School of Jilin Agricultural University, Changchun 130118)

To ensure the safety of drinking water and to protect the healthy development of water sources, it is of great significance for the sustainable use of regional water resources and the development of social harmony. Based on the environment monitoring application of remote sensing in the drinking water source, with the aid of remote sensing technology, the water loss and soil erosion and non-point source pollution condition at Shitoukoumen reservoir are monitored quickly and objectively to get a comprehensive understanding of water source and the surrounding water ecological safety, the risk source and change situation, effectively promoting the comprehensive regulation of water environment management level. The results show that the vegetation coverage of the area is high, the environmental quality of soil and water loss is better overall, and the pollution of the surface source is mainly caused by water pollution from agricultural pollution.

Weak substratum; Compression modulus ratio; Additional stress coefficient; Expansion angle of subgrade pressure

A

1007-1903（2017）04-0087-04

10.3969/j.issn.1007-1903.2017.04.017

張熠斌（1983- ），男，碩士，工程師，主要從事地理信息系統開發、遙感、機載LiDAR數據處理、地質環境信息化方面的研究。E-mail：914345427@qq.com

宋金紅（1983- ），女，博士，講師，主要從事地理信息系統、土壤遙感方面的技術研究。E-mail：157613090@qq.com