張熠斌，宋金紅

（1．吉林省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站（吉林省地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急技術(shù)指導(dǎo)中心），長(zhǎng)春 130021；2．吉林農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，長(zhǎng)春 130118）

遙感在飲用水水源地環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究

張熠斌1，宋金紅2

（1．吉林省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站（吉林省地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急技術(shù)指導(dǎo)中心），長(zhǎng)春 130021；2．吉林農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，長(zhǎng)春 130118）

保障飲用水安全，保護(hù)水源地健康發(fā)展，對(duì)于區(qū)域水資源可持續(xù)利用、推進(jìn)社會(huì)和諧發(fā)展意義重大。本文以遙感在飲用水水源地環(huán)境監(jiān)測(cè)的應(yīng)用研究為課題，借助遙感技術(shù)，對(duì)石頭口門(mén)水庫(kù)水土流失與面源污染狀況，進(jìn)行快速、客觀(guān)的監(jiān)測(cè)，從而全面了解水源地及周邊的水生態(tài)安全、風(fēng)險(xiǎn)源存在及變化情況，有效的提升水源地環(huán)境管理的綜合監(jiān)管水平。結(jié)果表明，該區(qū)域植被覆蓋度高，水土流失環(huán)境質(zhì)量總體較好,面源污染以農(nóng)業(yè)污染引起的水質(zhì)污染為主。

遙感；飲用水水源地；環(huán)境監(jiān)測(cè)

0 前言

遙感是一門(mén)空間信息的收集、傳遞、處理和分析的應(yīng)用科學(xué)。目前遙感技術(shù)已經(jīng)大范圍的運(yùn)用到環(huán)境監(jiān)測(cè)工作中，并利用自身技術(shù)為環(huán)境監(jiān)測(cè)區(qū)域提供治理措施（姚延娟等，2013a）。環(huán)境監(jiān)測(cè)工作要求及時(shí)地、準(zhǔn)確地掌握水土流失地區(qū)各種自然條件的變化，土地利用現(xiàn)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(guó)外在對(duì)水土流失機(jī)理研究基礎(chǔ)上，建立了許多水土流失數(shù)學(xué)模型，這些模型可分為兩大類(lèi)，一類(lèi)是經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，一?lèi)是物理模型。到目前為止，水土流失領(lǐng)域最重要的成果當(dāng)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(shù)經(jīng)過(guò)不同國(guó)家和地區(qū)學(xué)者修正之后，能夠應(yīng)用于世界各個(gè)地區(qū)（楊勤科等，1998）。此后美國(guó)及歐洲的學(xué)者又相繼提出了通用風(fēng)蝕模型 WEE(Wind Erosion Equation)、RUSLE(Reversed USLE)、水蝕預(yù)報(bào)項(xiàng)目WEPP( Water Erosion Prediction Project)（姚延娟等，2013b），它突破USLE的基本思想，是以過(guò)程和流體力學(xué)為基本概念的土壤流失的物理預(yù)報(bào)模型，可以彌補(bǔ)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(tǒng)(GIS)的空間土壤侵蝕預(yù)報(bào)模型。

從1920年開(kāi)始，國(guó)內(nèi)逐步出現(xiàn)針對(duì)水土流失的定性研究，水土流失評(píng)價(jià)成果和預(yù)測(cè)模型的調(diào)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(guó)內(nèi)黃土高原小范圍水土領(lǐng)域的侵蝕統(tǒng)計(jì)模型。隨后通用土壤流失方程（USLE）被引入國(guó)內(nèi)，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(guò)程中采用新技術(shù)無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)，能夠彌補(bǔ)傳統(tǒng)水土保持調(diào)查監(jiān)測(cè)手段的種種缺陷和不足，對(duì)比傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)技術(shù)，無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)具備高精度、實(shí)時(shí)性和全面性等優(yōu)點(diǎn)。

1 遙感技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

（1）水文建模中的遙感技術(shù)

徑流和預(yù)測(cè)降水量的時(shí)間和月蒸發(fā)量的季節(jié)性評(píng)價(jià)是水文建模中尤為重要的兩個(gè)因素。因?yàn)榈乇碛^(guān)測(cè)的模型無(wú)法應(yīng)用于大流域地形，所以對(duì)地表的觀(guān)測(cè)不全面且在大尺度范圍內(nèi)描述水文過(guò)程還存在困難（王濟(jì)龍等，1989）。遙感技術(shù)則可以為大流域乃至全球的水文模型提供數(shù)據(jù)，比如土壤的結(jié)構(gòu)、濕度、地表覆蓋率以及地形的信息數(shù)據(jù)。

（2）水質(zhì)監(jiān)測(cè)中的遙感技術(shù)

對(duì)河流、湖泊、水庫(kù)、河口和海洋的水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)在水資源和環(huán)境管理中是非常重要的。雖然傳統(tǒng)試驗(yàn)分析的技術(shù)測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確，但費(fèi)時(shí)費(fèi)力（蘇慶珣等，2008）。遙感技術(shù)則可以提供相對(duì)便利、快捷和大范圍的測(cè)量方式。

（3）土壤侵蝕中的遙感技術(shù)

在人類(lèi)活動(dòng)的影響下，土壤侵蝕作為由水、風(fēng)和冰所引起的一種自然現(xiàn)象已經(jīng)加快了速度。土壤侵蝕會(huì)導(dǎo)致土地退化、地基下陷坍塌、生產(chǎn)能力損失，水土流失的土壤顆粒對(duì)下游的破壞等問(wèn)題成為了全世界所關(guān)注的焦點(diǎn)（吳險(xiǎn)峰等，2002）。由于土壤侵蝕的分布具有時(shí)空變異特性，應(yīng)用傳統(tǒng)的土壤侵蝕測(cè)量技術(shù)耗時(shí)耗力，且有很大的困難。所以利用遙感技術(shù)進(jìn)行水土流失的管理和研究就顯得至關(guān)重要，其中包括水土流失方式和速度的評(píng)估。

（4）土地覆蓋的變化和水資源的開(kāi)發(fā)

近50年，土地覆蓋和土地利用方面信息的產(chǎn)生和應(yīng)用有了巨大的發(fā)展，自然活動(dòng)和人為活動(dòng)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(lèi)活動(dòng)對(duì)土地覆蓋度的影響是與土地的利用及農(nóng)業(yè)、林業(yè)和城市化用地信息息息相關(guān)的。一方面，土地利用的改變對(duì)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(qū)，水資源的不合理開(kāi)發(fā)利用也可能會(huì)導(dǎo)致植被覆蓋的變化。

2 應(yīng)用案例

2.1 案例背景

石頭口門(mén)水庫(kù)位于飲馬河中游，是一座以防洪除澇為主、結(jié)合灌溉、發(fā)電、養(yǎng)魚(yú)、旅游等綜合利用的大型水庫(kù)，承擔(dān)長(zhǎng)春市供水任務(wù)，總集水面積4944km2（圖1）。搜集研究區(qū)域土地利用分類(lèi)資料，其中旱地和林地分別占到39%和32%，整個(gè)地區(qū)的植被覆蓋率比較高，有利于水資源環(huán)境的自我調(diào)節(jié)（圖2）。

（1）水源地的水土流失遙感監(jiān)測(cè)，對(duì)水源地進(jìn)行水土流失遙感監(jiān)測(cè)，可以計(jì)算出整個(gè)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(shuō)明水源地所在流域的水土流失程度較輕，需要繼續(xù)保持。

（2）面源污染遙感監(jiān)測(cè)，水源地的面源污染主要是由于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)所產(chǎn)生的污染為主，人口眾多、旅游業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)等導(dǎo)致污染總量加劇，主要污染物包括農(nóng)田化肥、農(nóng)業(yè)畜禽養(yǎng)殖污染、農(nóng)藥、農(nóng)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(fēng)險(xiǎn)源監(jiān)測(cè)圖Fig 2 Risk source monitoring diagram of water source area

2.2遙感應(yīng)用分析

由上面結(jié)果可以看出，石頭口門(mén)的水質(zhì)情況良好，水量問(wèn)題比較嚴(yán)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(shí)間較短，水土流失較輕，水土保持方面做得較好。

高分辨率衛(wèi)星遙感針對(duì)監(jiān)測(cè)預(yù)警信息飲用水水源保護(hù)區(qū)提取圖像的使用（寧亞靈，2007），可以及時(shí)、準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)區(qū)域飲用水源的生態(tài)環(huán)境破壞，以及遙感信息可以轉(zhuǎn)移到水源地的工作體系，為準(zhǔn)確定位網(wǎng)站的目標(biāo)，指導(dǎo)水源地生態(tài)監(jiān)測(cè)。

水源的網(wǎng)站平臺(tái)系統(tǒng)充分利用衛(wèi)星遙感技術(shù)、空間定位和數(shù)據(jù)管理技術(shù)，有效解決了水源環(huán)境監(jiān)測(cè)內(nèi)容的難度，解決了監(jiān)測(cè)內(nèi)容不明確和難以操作的技術(shù)難點(diǎn)，有效支持水源區(qū)環(huán)境保護(hù)工作（牟金澤等，1980）。

3 結(jié)論

確保飲用水安全的首要任務(wù)是飲用水水源地保護(hù)。通過(guò)我國(guó)對(duì)地觀(guān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展和自主衛(wèi)星數(shù)據(jù)資源的不斷豐富，衛(wèi)星遙感將在環(huán)境保護(hù)與水土保持領(lǐng)域發(fā)揮更大作用。飲用水水源地的管理依賴(lài)于建立健全的水源地環(huán)境質(zhì)量遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)體系，建立基于衛(wèi)星遙感且兼顧水源地水體安全和整個(gè)水源地保護(hù)區(qū)尤其是保護(hù)區(qū)陸域范圍內(nèi)，如水土流失遙感監(jiān)測(cè)等的水生態(tài)安全的環(huán)境質(zhì)量遙感監(jiān)測(cè)指標(biāo)體系，可以成為實(shí)現(xiàn)我國(guó)飲用水水源地環(huán)境質(zhì)量監(jiān)管提供技術(shù)的基礎(chǔ)。利用衛(wèi)星遙感技術(shù)可以對(duì)飲用水源地水域、陸域、管理監(jiān)測(cè)等指標(biāo)全面監(jiān)測(cè)，使我們能制定合理的預(yù)防和治理措施，切實(shí)保護(hù)好水源地。

一方面，遙感技術(shù)能提供流域信息特征，比如源于不同光譜帶中的各種衛(wèi)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(shù)進(jìn)行評(píng)估。另一方面，遙感數(shù)據(jù)在偏僻或環(huán)境惡劣的地區(qū)也同樣可以獲取。遙感技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是具備提供空間數(shù)據(jù)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(zāi)的監(jiān)測(cè)與評(píng)估、灌溉和排水的管理、生態(tài)環(huán)境的監(jiān)測(cè)、還有對(duì)集水區(qū)域的水循環(huán)研究以及流域和全球的尺度等水文與水資源管理問(wèn)題上，遙感技術(shù)擁有廣闊前景。

牟金澤，熊貴樞，1980. 陜北小流域產(chǎn)沙量預(yù)報(bào)及水土保持措施攔沙計(jì)算[C]//中國(guó)水利學(xué)會(huì). 河流泥沙國(guó)際學(xué)術(shù)討論會(huì)論文集（第1卷），北京：光華出版社，73-82.

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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(tǒng)開(kāi)發(fā)、遙感、機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)處理、地質(zhì)環(huán)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(tǒng)、土壤遙感方面的技術(shù)研究。E-mail：157613090@qq.com