石油污染水体油浓度及后向散射系数垂向变化特性分析

邢旭峰，王忠林，黄妙芬，黄颖恩，庄 炀

石油污染水体油浓度及后向散射系数垂向变化特性分析

邢旭峰，王忠林，黄妙芬，黄颖恩，庄 炀

（广东海洋大学数学与计算机学院，广东 湛江 524088）

【目的】探讨石油污染水体油浓度及后向散射系数垂向分布特性，为研究石油类污染水体水下光场变化奠定基础。【方法】于2018年8月25－27日在大连港采用站点固定、时间随潮汐变化的观测方式，测量不同深度的油物质和悬浮物浓度，以及含油水体的后向散射系数（backscattering coefficient,b）。【结果】油浓度随深度的变化比较复杂，未呈现明显的逐渐下降或者逐渐升高的趋势；不同波段的b随着深度的变化趋势是一致的；在量级上，b值最小对应的波段是700 nm，其次是590 nm波段，最大是510、470、442和420 nm，且这4个波段的b值差别不大；水体后向散射系数b随深度的变化可以分为陡增型、平缓增加型和单峰型等三种类型。【结论】在含油水体中油浓度和后向散射系数的垂向变化受到潮汐的影响，处于不同涨落潮时不同来向的海水其组分含量不同；石油物质通过吸附在悬浮颗粒物表面形成一个双层结构，共同影响着水体的后向散射系数。

石油类物质浓度；悬浮物；后向散射系数；垂向变化；大连港

在水色遥感研究领域，掌握石油污染水体油浓度及后向散射系数（backscattering coefficient,b）垂向分布特性，是进行石油水体辐射传输特性研究的重要前提，同时考虑随波长和深度变化的吸收和散射特性是利用辐射传输方程来研究石油类污染水体光学特性的关键环节[1]。

国内外众多学者已经开展了针对水体不同组分的垂向特性研究。庞重光等[2]以1959至2006年共24个航次近5000组悬浮物浓度数据为基础，对黄、东海海域的悬浮物浓度垂直分布特征进行研究并建立回归模型；何剑波等[3]对千岛湖水体叶绿素a浓度垂向分布特征进行研究，发现在春夏秋季，叶绿素a浓度在垂向上呈现先增加后降低的特征；Xiu等[4]研究了I类水体叶绿素浓度垂向非均匀性对遥感反射比的影响，得出了当表层叶绿素浓度相同时，在叶绿素浓度垂向均匀和非均匀的情况下，水体中的光学特性具有明显差异的结论；Stramska等[5]利用辐射传输数值模式HydroLight研究了与叶绿素浓度垂向分布相关的水柱的固有光学特性；梁其椿等[6]利用HydroLight模拟生成了3200组藻类垂向高斯分布模型的数据，构建了基于BP神经网络（Back-propagation Network）来估算巢湖藻类垂向分布结构的算法；马孟枭等[7]利用Hydrolight辐射传输模式研究了水体不同组分垂向分布对水体漫衰减系数d的影响；徐文龙等[8]利用海洋光学观测的高垂向分辨率剖面数据，分析了叶绿素a浓度垂向剖面的时空分布特征及其与海洋动力环境要素的关系；Yin等[9]研究了城市富营养化水体含氮组分的垂向分布特征；Xing等[10]利用浮标数据对南中国海的颗粒物和溶解性光学性质的垂向变化进行了分析。综上分析，相关研究主要集中在各种水体组分或者光学参数方面，对油类水体的研究还鲜见报道。

国际上对水色三要素（黄色物质、叶绿素、悬浮物）的研究体系已经比较成熟，将“未形成明显油膜的水中油”作为一个新的水色因子引入该体系，针对石油类污染水体的“表观光学量、固有光学量（吸收系数和散射系数）、荧光特性”等方面的研究工作已经展开[11-15]。黄妙芬等[16]以双台子和绕阳河为例进行了石油类污染的水体后向散射系数b特性研究，发现在含有石油类污染的水体中b和悬浮物浓度接近线性关系；宋庆君等[17]进行了石油类浓度对b光谱影响的研究，发现bb随着石油类浓度的增加而减小；黄妙芬等[18]以石英砂作为悬浮物，进行油砂混合配比试验，发现石油类吸附在悬浮物表面，增大了颗粒物粒径，导致后向散射系数增大。目前关于含油水体吸收系数和散射系数的研究仅停留在随波长的变化，未考虑随深度的变化，而应用辐射传输模式Hydrolight来研究石油类污染水体辐射传输特性，作为输入量的吸收系数和散射系数要求是随波长和深度变化的。本研究以石油类污染水体后向散射系数b为研究对象，探讨其油浓度和b的垂向变化特性，以期为进一步进行石油污染水体水下光场研究奠定基础。

1 材料与方法

1.1 研究区域与试验时间

试验区域位于辽东半岛南端的大连港，港区内有较大规模的石油化工基地，生产活动及油轮运输不可避免地给周边海域带来油污染，是含油水体光学特性及油含量变化特征研究的理想试验场[19]。本研究在该区域内选择了三个试验点，分别位于曾经发生过石油管道爆炸事故点（站点A）、航道（站点B）及岛屿东侧水域（站点C），三个站点的深度分别为21.5 m、24.8 m和33.0 m。三种观测点分属不同类型：第一种是周边有石油企业，生产活动会产生水体油污染；第二种是在航道上，过往的轮船以运输原油的货船为主，船舶排污水会导致水体油污染；第三种是选择岛的东边，相对来说随着潮汐变化受油污染的时间会短一些。

试验时间为2018年8月25－27日，每天观测时段为7:00－17:00，逢整点时间进行观测。

1.2 现场数据采集与方法描述

1.2.1 采样方法 水样采集使用的是国家海洋技术中心研发的有机玻璃材质采水器。在采水器的绳子上标有刻度，以便按要求采集不同深度（0、3、5、10、15 m）的水样，所采集的水样用于油浓度、悬浮物浓度、吸收系数的测量。为了保证数据的质量，在8:00、10:00、12:00、14:00和16:00等观测时刻同时采集平行样以进行测量比对。

所采集的用于油浓度测量的水样在船上直接用仪器进行测量；用于悬浮物浓度和吸收系数测量的水样在船上先进行过滤，过滤后的样本分别保存在冰柜和液氮罐中，待试验结束后带到岸上实验室进行测量。流速和流向、后向散射系数的测量采用现场布放仪器直接获取的方式。

1.2.2 油浓度测量 油浓度测量使用美国特纳TD-500D便携式紫外荧光测油仪进行。该仪器测定原理与分子荧光光度法（《SL 366-2006水质石油类的测定分子荧光光度法》）相同。

1.2.3 悬浮物浓度测量 悬浮物浓度测量按照中华人民共和国国家标准《GB 17378.4-2007 海洋监测规范第4部分：海水分析》规范进行。

1.2.4 吸收系数测量 吸收光谱测定采用日本日立UV-3900可见光分光光度计，测定时波长设置为250 ~ 800 nm，在样品的制备、测量和分析过程都遵循《海洋光学调查技术规程》[20]。吸收系数的测量主要是为后向散射系数b进行sigma校正时提供参数。

1.2.5 后向散射系数测量 水体后向散射系数bb采用美国Hobilabs公司生产6通道后向散射仪（HydroScat-6 Sprctral Backscattering Sensor，HS6，140°）进行，6个通道对应的波长分别为420、442、470、510、590、700 nm。后向散射系数的测量方法参照《海洋光学调查技术规程》，采用沿深度布放的方式。

现场测量的后向散射系数需要进行sigma校正[21]，校正公式如下：

式中，b为校正后的后向散射系数（m-1），为校正系数（无单位），bu为未校正的后向散射系数（m-1）。其中，有两种计算方法，公式如下：

式（2）和（3）中的0、1、2和exp是与HS-6有关的定标参数(无量纲)，可从定标文件中得到，而bb为水体中的非水成分所造成的后向散射系数信号衰减，其计算公式如下：

根据HS-6的设计和光学传输几何原理，信号传输过程中衰减量包括100%的吸收（）和40%的散射（）[22]。式（4）中和分别为吸收系数和散射系数，单位为m-1，其中由分光光度计测得，是颗粒物后向散射系数与后向散射概率之比。

1.2.6 流速与流向测量 流速与流向测量所使用的设备是国产的直读式海流计，型号为SLC9-2。按照标准《GB/T 12763.2-2007 海洋调查规范第2部分：海洋水文观测》进行，采用船只锚定测流法。

2 结果与讨论

2.1 油浓度随深度变化特征分析

对于油浓度采用插值法将其深度分辨率与处理后的后向散射系数统一起来，深度间隔取0.1 m，得到大连港三个观测站点的油浓度随深度的变化情况，如图1所示，图中横坐标P为油浓度（mg/L），纵坐标为深度（m），图例为曲线对应的观测时刻。由图1可见，站点A、B和C油浓度分别在0.7 ~ 4.1 mg/L、1.0 ~ 9.3 mg/L和0.2 ~ 7.8 mg/L之间，B站点全天都处于高值状态；整体上看，三个站点油浓度随深度变化较复杂，无明显增加或者减小趋势。

表1为观测期间海水流向及涨落潮详情表。分析表1可见，7:00－10:00所有站点都是处于涨潮，10:00－16:00时都处于落潮，虽然同样是涨落潮，但流向差别很大，说明海水的来向不同，其组分浓度不同，因而油含量也不同，加上海水的运动增加了油含量随深度变化的复杂性。

对于油浓度随深度的变化，在3 m深度附近大部分情况下有一个升高的现象。石油类物质主要以漂浮油、分解油、分散油和乳化油的形式存在于水体中，漂浮油以油膜形式存在，分解油和分散油主要以黄色物质的形式存在，而乳化油主要以颗粒物的形式附着于水体的悬浮颗粒物上。3 m深度附近处于海水混合层，受到风浪的影响大，涨落潮的影响海水交换也比较频繁，这可能是导致3 m处附近部分情况下油浓度增加的原因之一。

（a）站点A；（b）站点B；（c）站点C

表1 不同站点流向变化详情

注：↗表示涨潮，↘表示落潮

2.2 含油水体后向散射系数bb随深度变化特征分析

通过对所获取的b值进行分析，发现含油水体b随深度的变化大致可以归为三种类型：（1）陡增型，其特点是随着深度增加，b值变化不大，但在11.5 m处附近突然剧增，如图2（a）所示。（2）平缓增加型：其特点是随着深度增加，b值缓慢增加，如图2（b）所示。（3）单峰型：该类型又可分为三种情况，峰值表层型，即峰值出现在深度0.5 ~ 2.5 m之间，如图2（c）所示；峰值中层型，即峰值出现在深度7 ~ 10 m之间，如图2（d）所示；峰值下层型，即峰值出现在深度10 ~ 12.5 m之间，如图2（e）所示。

另外，从图2还可以看到，（1）不同波段所对应的b随着深度的变化趋势是一致的；（2）从量级上看，波长为700 nm所对应的b最小，其次是590 nm，510、470、442和420 nm这4个波段的b值在量级上差别不大。

2.3 油物质和悬浮颗粒物对bb的影响

考虑到油浓度和悬浮物浓度测定时所采样的最大深度为15 m，而HS-6仪器布放的最大深度超过了15 m，为了统一起来，将b数据的最大深度取至15 m。由于b是6波段，为了分析b的影响，拟选择其中一个波段的数据进行讨论。前人的研究建立了b关于波长的参数化模型[23]，模型如下：

式（5）中，λ0为参考波长（nm），λ0取值为555 nm或HS-6的6个波段中与之差值最小的波段；n为散射波长变化指数，取值会因水体组分不同而有所差异。由于其他波段的bb可以通过该参数化模型进行计算，因而用555 nm对应bb进行讨论具有一定的代表性，但由于后向散射测量仪器HS-6没有555 nm波段，故本文选取了与555 nm最接近的590 nm波段进行分析。

2.3.1 时间变化影响特征分析 将各个站点相同时间的所有深度的油浓度p、悬浮物浓度s和b观测值分别求平均，得到每个站点相应参数均值随时间变化的数据，如图3所示。

根据表1可知，三个站点在8:00－10:00点为涨潮，10:00－16:00为落潮。分析图3可以看到，站点A的p在涨潮时降低，落潮时增加，而s和b则是涨潮时增加，落潮时降低。站点B的三个参数变化趋势基本是一致的，都是涨潮时降低，落潮时增加，但14:00之后s和p突然降低，而b保持增加。C站点的p在12:00之后突然降低，s和b是先增加后降低。这是由于涨落潮海水来向不同，其组分不同，加上C站点位于岛的东侧，局部环流使得海水来向变得更加复杂所致。

分析图3还可以看到，s和b的变化趋势基本是一致的，但这种一致性的趋势会受到p的影响而产生波动。这主要是由于油物质对b的影响是通过悬浮物颗粒进行的，两者的共同作用影响着含油水体的b，而且在含油水体中悬浮物浓度与b呈现出线性关系所致。

2.3.2 空间变化影响特征分析 图4为三个站点在五个观测时刻悬浮物浓度s随深度的变化曲线，图中s为悬浮物浓度（mg/L），为深度（m）。分析图4可以看到，s在多数情况下随深度有一定的增加趋势，说明悬浮物的沉降速度大于水动力对其向上运输的速度；总体上看，A站点的s高于B站点和C站点，B站点和C站点的s差别不大。

在石油类污染水体中，油和悬浮物混合后，油会附着在颗粒物的表面，形成一个双层结构，从而导致水体后向散射特性的改变，因而利用HS-6测量得到的b是油和悬浮物共同作用的结果。图5为三个站点的b随深度变化曲线，对比分析图4和图5可见，从整体上看，对应站点的s与b随深度的变化趋势基本是一致的，这是由于油物质的附着改变了颗粒物的折射系数和粒径，从而改变后向散射系数所导致，也体现出了在含油水体中，悬浮物浓度与b的呈现出线性关系。

图4 悬浮物浓度随深度变化曲线

图5 三个站点后向散射系数随深度变化曲线

3 结论

本研究发现，在含油水体中油浓度和后向散射系数垂向变化受到潮汐的影响；石油物质通过吸附在悬浮颗粒物表面形成一个双层结构，共同影响着水体的后向散射系数，且悬浮物浓度与后向散射系数呈现出线性变化关系。

本研究所得结论针对大连港海域，今后将拓展到更多的海域展开研究，以提高研究的精度和结论的适用性。

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Vertical Variation Characteristics of Petroleum Concentration and Backscattering Coefficient in Petroleum-polluted Water Body

XING Xu-feng, WANG Zhong-lin, HUANG Miao-fen, HUANG Yin-en, ZHUANG Yang

（,,524088,）

【Objective】The study lays a foundation for the study of underwater light field in petroleum-polluted water by grasping the vertical distribution characteristics of petroleum concentration and backscattering coefficient in petroleum-polluted water. 【Method】August 25th to 27th, 2018, in-situ data including petroleum concentration, suspended matter concentration and backscattering coefficient was adopted. The data were measured by using the mode that the station is fixed and the time changes with tide at Dalian port. 【Result】The regime of vertical variation of petroleum concentration is complicated, and the concentration does not decrease or increase gradually with depth increasing. The minimum and second minimum of backscattering coefficient of each station are at 700nm and 590nm respectively. By the way, magnitude of backscattering coefficient is similar at 420nm, 442nm, 470nm and 510nm, and backscattering coefficients of these stations vary with depth consistently. There are three kinds of vertical variations of total backscattering coefficient in this study area, they are abrupt growth, steady growth and single hump. 【Conclusion】The vertical variation of petroleum concentration and backscattering coefficient is mainly affected by tidal action due to the fact that ebb and flow of different time and stations could influence current in different way.In addition, the two-layer structure formed by the adsorption of petroleum substances on the surface of suspended particles affects the backscattering coefficient of water.

petroleum concentration; suspended particles; backscattering coefficient; vertical variation; Dalian port

P76

A

1673-9159（2020）04-0075-07

10.3969/j.issn.1673-9159.2020.04.011

2020-02-25

国家自然科学基金项目（41771384）；广东海洋大学2017年“创新强校工程”自主创新能力提升项目（GDOU2017052501）；广东海洋大学科研启动经费资助项目（E16187）

邢旭峰(1972－)，男，副教授，硕士，主要研究方向为海洋信息采集技术。E-mail: xingxf@gdou.edu.cn

邢旭峰，王忠林，黄妙芬，等. 石油污染水体油浓度及后向散射系数垂向变化特性分析[J]. 广东海洋大学学报，2020，40（4）：75-81.