遥感在饮用水水源地环境监测中的应用研究

张熠斌，宋金红

（1．吉林省地质环境监测总站（吉林省地质灾害应急技术指导中心），长春 130021；2．吉林农业大学 资源与环境学院，长春 130118）

遥感在饮用水水源地环境监测中的应用研究

张熠斌1，宋金红2

（1．吉林省地质环境监测总站（吉林省地质灾害应急技术指导中心），长春 130021；2．吉林农业大学 资源与环境学院，长春 130118）

保障饮用水安全，保护水源地健康发展，对于区域水资源可持续利用、推进社会和谐发展意义重大。本文以遥感在饮用水水源地环境监测的应用研究为课题，借助遥感技术，对石头口门水库水土流失与面源污染状况，进行快速、客观的监测，从而全面了解水源地及周边的水生态安全、风险源存在及变化情况，有效的提升水源地环境管理的综合监管水平。结果表明，该区域植被覆盖度高，水土流失环境质量总体较好,面源污染以农业污染引起的水质污染为主。

遥感；饮用水水源地；环境监测

0 前言

遥感是一门空间信息的收集、传递、处理和分析的应用科学。目前遥感技术已经大范围的运用到环境监测工作中，并利用自身技术为环境监测区域提供治理措施（姚延娟等，2013a）。环境监测工作要求及时地、准确地掌握水土流失地区各种自然条件的变化，土地利用现状，以及各种防治措施的效益，从而制定出合理的综合治理方案。

国外在对水土流失机理研究基础上，建立了许多水土流失数学模型，这些模型可分为两大类，一类是经验模型，一类是物理模型。到目前为止，水土流失领域最重要的成果当属1958年提出的通用土壤流失方程式(Universal Soil Loss Equation），该模型的因子参数经过不同国家和地区学者修正之后，能够应用于世界各个地区（杨勤科等，1998）。此后美国及欧洲的学者又相继提出了通用风蚀模型 WEE(Wind Erosion Equation)、RUSLE(Reversed USLE)、水蚀预报项目WEPP( Water Erosion Prediction Project)（姚延娟等，2013b），它突破USLE的基本思想，是以过程和流体力学为基本概念的土壤流失的物理预报模型，可以弥补通用土壤流失方程的不足、欧洲土壤侵蚀模型EUROSEM(European Soil Erosion Model)及基于地理信息系统(GIS)的空间土壤侵蚀预报模型。

从1920年开始，国内逐步出现针对水土流失的定性研究，水土流失评价成果和预测模型的调研不断兴起（姚延娟等，2016）。1980年初期，由北大遥感所资深教授马蔼乃提出了国内黄土高原小范围水土领域的侵蚀统计模型。随后通用土壤流失方程（USLE）被引入国内，推广试用地包括黄土高原、江南丘陵一带，福建，广东还有东北都有涉及（彭坷珊，2001）。如今，水土保持工作过程中采用新技术无人机遥感技术，能够弥补传统水土保持调查监测手段的种种缺陷和不足，对比传统监测技术，无人机遥感技术具备高精度、实时性和全面性等优点。

1 遥感技术在环境监测中的应用

（1）水文建模中的遥感技术

径流和预测降水量的时间和月蒸发量的季节性评价是水文建模中尤为重要的两个因素。因为地表观测的模型无法应用于大流域地形，所以对地表的观测不全面且在大尺度范围内描述水文过程还存在困难（王济龙等，1989）。遥感技术则可以为大流域乃至全球的水文模型提供数据，比如土壤的结构、湿度、地表覆盖率以及地形的信息数据。

（2）水质监测中的遥感技术

对河流、湖泊、水库、河口和海洋的水质进行监测和评价在水资源和环境管理中是非常重要的。虽然传统试验分析的技术测量结果准确，但费时费力（苏庆珣等，2008）。遥感技术则可以提供相对便利、快捷和大范围的测量方式。

（3）土壤侵蚀中的遥感技术

在人类活动的影响下，土壤侵蚀作为由水、风和冰所引起的一种自然现象已经加快了速度。土壤侵蚀会导致土地退化、地基下陷坍塌、生产能力损失，水土流失的土壤颗粒对下游的破坏等问题成为了全世界所关注的焦点（吴险峰等，2002）。由于土壤侵蚀的分布具有时空变异特性，应用传统的土壤侵蚀测量技术耗时耗力，且有很大的困难。所以利用遥感技术进行水土流失的管理和研究就显得至关重要，其中包括水土流失方式和速度的评估。

（4）土地覆盖的变化和水资源的开发

近50年，土地覆盖和土地利用方面信息的产生和应用有了巨大的发展，自然活动和人为活动影响了土地覆盖即地球表面土壤、水、植被、城市等的覆盖情况（张红梅等，2005）。其中人类活动对土地覆盖度的影响是与土地的利用及农业、林业和城市化用地信息息息相关的。一方面，土地利用的改变对土壤湿度和地下水的分配影响巨大（潘世兵等，2002）。另一方面，在干旱或半干旱地区，水资源的不合理开发利用也可能会导致植被覆盖的变化。

2 应用案例

2.1 案例背景

石头口门水库位于饮马河中游，是一座以防洪除涝为主、结合灌溉、发电、养鱼、旅游等综合利用的大型水库，承担长春市供水任务，总集水面积4944km2（图1）。搜集研究区域土地利用分类资料，其中旱地和林地分别占到39%和32%，整个地区的植被覆盖率比较高，有利于水资源环境的自我调节（图2）。

（1）水源地的水土流失遥感监测，对水源地进行水土流失遥感监测，可以计算出整个水源地流域的轻度水土流失面积和微度水土流失面积大约占总流域面积的90%，说明水源地所在流域的水土流失程度较轻，需要继续保持。

（2）面源污染遥感监测，水源地的面源污染主要是由于农业生产所产生的污染为主，人口众多、旅游业、养殖业等导致污染总量加剧，主要污染物包括农田化肥、农业畜禽养殖污染、农药、农村生活污染等，主要成分为氮、磷、COD、氨氮等。

图1 水源地流域概况Fig 1. Watershed survey of water source area

图2 水源地风险源监测图Fig 2 Risk source monitoring diagram of water source area

2.2遥感应用分析

由上面结果可以看出，石头口门的水质情况良好，水量问题比较严重，流域土地利用安全度较高，植被覆盖度随月变化明显，全年高覆盖度时间较短，水土流失较轻，水土保持方面做得较好。

高分辨率卫星遥感针对监测预警信息饮用水水源保护区提取图像的使用（宁亚灵，2007），可以及时、准确地发现区域饮用水源的生态环境破坏，以及遥感信息可以转移到水源地的工作体系，为准确定位网站的目标，指导水源地生态监测。

水源的网站平台系统充分利用卫星遥感技术、空间定位和数据管理技术，有效解决了水源环境监测内容的难度，解决了监测内容不明确和难以操作的技术难点，有效支持水源区环境保护工作（牟金泽等，1980）。

3 结论

确保饮用水安全的首要任务是饮用水水源地保护。通过我国对地观测技术的发展和自主卫星数据资源的不断丰富，卫星遥感将在环境保护与水土保持领域发挥更大作用。饮用水水源地的管理依赖于建立健全的水源地环境质量遥感监测技术体系，建立基于卫星遥感且兼顾水源地水体安全和整个水源地保护区尤其是保护区陆域范围内，如水土流失遥感监测等的水生态安全的环境质量遥感监测指标体系，可以成为实现我国饮用水水源地环境质量监管提供技术的基础。利用卫星遥感技术可以对饮用水源地水域、陆域、管理监测等指标全面监测，使我们能制定合理的预防和治理措施，切实保护好水源地。

一方面，遥感技术能提供流域信息特征，比如源于不同光谱带中的各种卫星可用于为不同尺度的水文研究和水资源管理的流域参数进行评估。另一方面，遥感数据在偏僻或环境恶劣的地区也同样可以获取。遥感技术的优点是具备提供空间数据的能力，以及具有提供水文变量方法的潜在能力。在洪水和旱灾的监测与评估、灌溉和排水的管理、生态环境的监测、还有对集水区域的水循环研究以及流域和全球的尺度等水文与水资源管理问题上，遥感技术拥有广阔前景。

牟金泽，熊贵枢，1980. 陕北小流域产沙量预报及水土保持措施拦沙计算[C]//中国水利学会. 河流泥沙国际学术讨论会论文集（第1卷），北京：光华出版社，73-82.

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苏庆珣，李玉科，潘世兵，2008. 遥感技术在水文学与水资源管理中的应用进展[C]. 全国新型遥感技术应用交流会.

王济龙，张碧岭，陈发扬，1989. 水土保持科学体系学术讨论会纪要明[J]. 水土保持通报，(4): 3-73.

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张红梅，沙晋明，2005. 遥感监测土壤湿度的研究[J]. 中国农业报，21(2)：301-311.

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

张熠斌（1983- ），男，硕士，工程师，主要从事地理信息系统开发、遥感、机载LiDAR数据处理、地质环境信息化方面的研究。E-mail：914345427@qq.com

宋金红（1983- ），女，博士，讲师，主要从事地理信息系统、土壤遥感方面的技术研究。E-mail：157613090@qq.com