基于遥感技术的水运环境石油污染范围监测方法研究_姬洪亮.pdf

第 48 卷第 2 期2023 年 2 月环境科学与管理ENVIONMENTAL SCIENCE AND MANAGEMENTVol.48 No.2Feb 2023收稿日期:2023 02 13作者简介:姬洪亮(1985 )，男，工学硕士，工程师，研究方向:环境影响评价。文章编号:1674 6139(2023)02 0129 04基于遥感技术的水运环境石油污染范围监测方法研究姬洪亮1，2，白璐1，2，武可新1，2，贺敬怡1，2，王维琛1，2(1 交通运输部天津水运工程科学研究所，天津 300456;2 水路交通环境保护技术交通行业重点实验室，天津 300456)摘要:为了减少海底资源开采活动对海洋的破坏，针对石油泄漏问题及时采取应对措施，提出基于遥感技术的水运环境石油污染范围监测方法。构建油粒子模型，利用拉格朗日跟踪路线，确定油粒子的质点坐标。预设激光雷达遥感点污染源监测因子，选择污染源后面的信号作为研究点，得到最佳的范围监测结果。通过实验，证明所提方法能够对石油污染范围进行准确的监测。有助于敏锐感知石油污染范围并及时作出应对措施，防止大面积扩散，保护生态环境。关键词:遥感技术;水运环境;石油污染范围;污染监测;溢油污染模型中图分类号:X834文献标志码:BMonitoring Method of Oil Pollution ange of WaterTransportation Environment based on emote Sensing TechnologyJi Hongliang1，2，Bai Lu1，2，Wu Kexin1，2，He Jingyi1，2，Wang Weichen1，2(1 Tianjin esearch Institute for Water Transport Engineering，M O T，Tianjin 300456，China;2 Key Laboratory of Environmental Protection in Water Transport Engineering Ministry，Tianjin 300456，China)Abstract:In order to reduce the damage to the sea caused by the exploitation of seabed resources and take timely measures tosolve the problem of oil leakage，a remote sensing technology based monitoring method for the range of oil pollution in the watertransport environment is proposed The oil particle model is constructed，and the particle coordinates of the oil particle are deter-mined by using the Lagrange tracking route The study presets the laser radar remote sensing point pollution source monitoring fac-tor，selects the signal behind the pollution source as the research point，and gets the best range monitoring results Through experi-ments，it is proved that the proposed method can accurately monitor the range of oil pollution It is helpful to keenly perceive thescope of oil pollution and take timely response measures to prevent large scale diffusion and protect the ecological environmentKey words:remote sensing technique;water transportation environment;scope of oil pollution;pollution monitoring;oil spillpollution model前言海洋石油污染特别是严重的溢油事件，不光导致海洋渔业、海水养殖以及旅游业等临海经济业务受到损伤，还破坏了水体生态环境1 3，因此石油污染逐渐变成了关注的重点事件。水体石油范围大小是污染程度的直接反馈4，是评估石油污染严重程度的主要指标，所以海水石油污染范围是监测的重要目标之一。石油泄漏到海水中后，油膜在海风和海浪的作用下面积不断增加，由于离岸位置越远，石油污染范围不容易直接监测，导致溢油处理措施的效率较慢，921第 48 卷第 2 期2023 年 2 月姬洪亮等基于遥感技术的水运环境石油污染范围监测方法研究Vol.48 No.2Feb 2023所以对泄漏事件的迅速监测是减少污染程度的重要手段。面对海洋天气变化快、海下潮流涌动错综复杂的特性，现阶段常规方式不能及时呈现出污染监测结果。而遥感技术具有大面积观测与多方位观测等优势，能够较快完成监测水面石油污染情况5。因此，文章提出一种基于遥感技术的水运环境石油污染范围监测方法。1水运环境突发溢油污染模型水运突发油泄漏污染模型主要分析油污在海面活动的三个过程，风化、扩散及漂移，结合此过程就能够了解水运中石油污染的状态。溢油模型最新进程为油粒子模型，油粒子模型是把油膜看作是大量的分散油粒子结构，在水流的作用下，油粒子随着海水运动而飘散6。油粒子平移流动过程存在拉格朗日性质，应用该方法模拟流动流程;油粒子的湍流分散是一种随机活动，能够运用随机走动模拟。此方法是将湍流看作是随机流场，全部的油粒子在流场内的活动为接近于流体分子的布朗运动，因为所有粒子的随机活动会致使整体粒子组织在海面分散。拉格朗日粒子跟踪路线表达式为公式(1):drdt=V(r，t)+V(v，t)(1)公式中，V(r，t)表示油粒子的移动速度。V(v，t)表示油膜的水平湍流速度。油粒子移动速度表达式为公式(2):V(r，t)=GW+U(2)公式中，W 表示距离海面 20 m 的风速;U表示表面水流速度，表示海面风力因子，通常取值范围在3%至4%，表示水流条件下致使油膜在水面移动的影响因子;G 表示风向偏转角变化矩阵，表达式为(3):G=cossin sin()(3)如果风速不超过25 m/s，那么 =40 8W;如果风速超过 25 m/s，则 =0。针对水平横向紊流速度的计算，必须和海面流场结合来获得，详细的筛选要按照分析范围与选取的流场模型确定。油粒子的质点坐标系表达式为(4)(5):X=X0+(Vx+Vx)t(4)Y=Y0+(Vy+Vy)t(5)公式中，X0和 Y0表示质点的原点坐标，Vx和 Vy表示质点坐标移动速度，Vx和 Vy则为平均速度，t表示时间变量。通过上述计算确定油粒子的坐标位置，为石油泄漏范围监测奠定基础。2激光雷达遥感技术的水运环境石油污染范围监测激光雷达收到信号的完整性会随着距离的远近变化，水运环境下石油泄漏位置激光雷达信号会被污染程度所干扰，海洋的气象条件也会对其产生相应影响。为了能够削弱自然影响，预设激光雷达点污染源监测因子 C，用于描述污染大小。设置距离 r1 位置上的激光雷达信号表达式为(6)(7):S(Z1)=C E (Z1)exp 2Z10(Z)dz(6)T2=exp 2Z0(Z)dz(7)公式中，S(Z)表示修正后的激光信号;T2表示大气双向透射率，表示消光系数，E 表示激光脉冲能量，表示后向散射系数，Z 表示信号与激光雷达之间的距离7。设置距离 r2 位置上的激光雷达信号表达式为(8):S(Z2)=C E (Z2)exp 2Z20(Z)dz(8)把大气划分成两个部分:一种为大气分子描述为 m，另一种为气溶胶描述为 a，则:031第 48 卷第 2 期2023 年 2 月姬洪亮等基于遥感技术的水运环境石油污染范围监测方法研究Vol.48 No.2Feb 2023=m+a(9)=a+m(10)公式中，a、m分别表示气溶胶与大气分子消光系数，a、m分别表示气溶胶与大气分子后向散射系数。定义 Sa表示气溶胶雷达比，是 a与 a的比值;Sm表示大气分子雷达比，是 m与 m的比值，因此，监测因子 C 表达式为(11):C=a(Z1)+m(Z1)a(Z2)+m(Z2)exp 2Z21 2(Sa a+Sm m)dz(11)从公式(11)中可以看出，如果大气环境平稳，那么不会受到石油污染影响范围的 a(Z2)数值比较小，能够被省略。经过分析得知，C 和 a(Z1)呈正比例关系，C 变大，则石油污染范围大。3实验研究为了验证文章方法对水运环境石油污染监测的有效性，展开实验。遥感设备实验参数见表 1。表 1脉冲激光雷达技术实验参数技术指标技术参数激光器功率/mW60 120波长/nm642脉冲重复频率/kHz52望远镜直径/mm200激光器输出能量/J10 22激光器总光束发散度/rad58脉冲宽度/ns20垂直分辨率/m20监测范围/km300望远镜视场接收/rad58油污漂流速度/m/s0.42图 1海面激光雷达遥感装置海面激光雷达遥感装置见图 1。为了对所提出监测方法的性能进行验证，对比分析有石油污染与无石油污染情况下的海面回波谱，如果两类回波谱的差距足够说明，则说明所提出的监测方法能够对石油污染范围进行有效监测。海面回波谱见图 2。图 2海面回波谱131第 48 卷第 2 期2023 年 2 月姬洪亮等基于遥感技术的水运环境石油污染范围监测方法研究Vol.48 No.2Feb 2023从图 2(a)能够看出，在没有污染的情况下，只具有海浪回波，此时就为干净的一阶海杂谱。频率波动有规律，对于远距离大范围而言，雷达发射台的高度能够被省略，雷达就会和海面位置平行一致，发射的电波射到海面，波长为雷达电波一半的海浪，产生的回波能量最大。从图 2(b)能够看出在有污染情况下海面回波谱出现不规则波动，说明石油污染范围大，扩散的较快。因此，说明所提出方法能够对水运环境下的石油污染范围进行精准监测。4结语石油污染是危害性较大、污染时间较长的有机、有毒污染，一旦泄漏到水体中会产生不可逆转的污染，并且由于污染源存在扩散广、排放量大的特点，对水体生态环境具有极大的破坏作用，石油污染还会以各种形式向附近水域渗透，出现更加严重的区域污染。但是由于石油用量较大，一般采用水运的方式进行运输，在石油的运输和使用过程中，一定要保证密封稳固和流程安全。因此文章提出了一种基于遥感技术的水运环境石油污染范围监测方法。通过分析石油泄漏状况，利用激光雷达遥感技术监测污染范围，从而能够及时作出应对措施，防止污染区域的不断增大，避免对水体造成更加严重的破坏。实验结果表明，此次研究的监测方法能够对溢油污染带进行有效地监测，从而提高了海洋环境的安全性。参考文献:1 徐志文，王思远 基于遥感影像的矿区水环境状态识别与检测 以珠江流域部分河段为例 J 矿业安全与环保，2021，48(2):107 111 2 王小昆，王耀，于世勇，等 基于遥感技术的全国营造林监测体系建设构想 J 林业资源管理，2020(5):52 57 3 高健，冯鹏飞，张绘芳，等 基于主被动遥感技术的地表覆被类型变化检测方法 以新疆西天山国家级自然保护区为例 J 西北林学院学报，2020，35(4):140 147 4 陈博明 遥感技术在生态环境监测及执法中的应用进展 J 矿冶工程，2020，40(4):165 168;173 5 廖鸿燕，周小成，黄洪宇 基于无