CN105718725B - 污染底泥及其污染物的数量化方法 - Google Patents
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Abstract
一种污染底泥及其污染物的数量化方法，其包括以下步骤：a，获得覆盖给定水域高程数据点：地理坐标系统下的X、Y和Z数据；b，利用水下数字高程模型计算给定厚度的污染底泥总体积；c，污染采集底泥柱样；d，分析污染底泥含水率、容重和重金属污染物含量；e，计算水域污染底泥中各种重金属污染物总量，污染底泥中第i种重金属污染物总量为MAi：MAi＝TSV*(1‑MT)*BD*MCi，其中，TSV是污染底泥总体积，MT是污染底泥含水率，BD是污染底泥容重，MCi是污染底泥中第i种金属的含量；f，把上述关于各种重金属总量的分析数据叠加在水下数字高程模型上，以可视化模拟水域污染底泥的污染物分布。本发明可以建立模拟河道底泥及其污染物空间分布模型。
Description
技术领域
本发明涉及环境科学技术领域，特别涉及一种污染底泥及其污染物的数量化方法。
背景技术
与“水下微地形”对应的是地面微地形，在景观设计和园林工程、农田水利、农业土壤等有关领域，其基本特征是空间尺度小、使用摄影测量数据、连续曲面表示局部微小地形变化。
微地形意味着地形精度的提高。从水下地形到水下微地形(即水下数字高程模型)，有以下几方面的进步：数据源方面，水下定位精度、水深测量精度和观测点密度的进步；地形模型方面，更适合水下地形特征；模型表达方面，更好地与计算机图形图像、动画、传输等技术结合。
根据技术类型，水下地形测量分传统方法、声纳技术和遥感技术。传统的水下地形测量的主要任务是断面测量，用地面控制点定位和水准测量，杆法或绳法测水深，制作断面图，一般不生产水下曲面模型。
近几十年来，船载声纳技术观测水下地形发展较快，其与GPS结合，能够提供一系列地形观测点集(x,y,z)，与传统断面测量相比，观测效率高，数据量大。这类设备包括单波速回声测深仪、多波束测深系统侧扫声纳、水下多波束雷达、扫频剖面测深仪等，加拿大BC(British Columbia)省是水下测量技术领先的地区，2009年，其环境部(Ministry ofEnvironment)颁布了湖泊调查水下地形测量标准(Bathymetric Standards For LakeInventories)，明确、具体地规定了船载声纳设备的安装、航线设计、观测记录、数据处理等技术要求。但是所有声纳测深数据格式依然是离散点集，并非连续地形面。
目前，运用遥感技术获取水下地形的图形图像的研究和试验很活跃，特别是机载传感器适用于大面积浅水地形观测，但是对于较深的水体，最好的方法还是利用离散地形数据点集生成连续地形曲面，即以离散点为主要数据源的水下数字地形模型。
运用水下数字地形模型较多的是水文、泥沙、鱼类生境(生境指生物的个体、种群或群落生活地域的环境，包括必需的生存条件和其他对生物起作用的生态因素)模拟，逐渐从一维模拟发展为二维、三维模拟。其中，模拟研究多采用规则网格模型，以便做空间分析。模拟结果直接与水下地形模型的精度有关，对于给定的地形数据点集，数据处理和插值模型决定水下数字地形模型的精度。水下数字地形模型在底泥清淤工程中已经被成功地运用，例如，中国上海苏州河清淤工程利用水下DEM计算清淤量，荷兰制造的SILAS系统用于调查和测量太湖湖底淤泥。面积较大的水体地形模型，往往采用不规则三角网模型，既能减少数据冗余，也能较好表达特征地形。
因此，水下微地形模型技术对环境科学和环境工程领域非常重要，应用潜力很大，尤其在污染底泥的清淤过程中。然而现有技术中却没有对污染底泥及其污染物的数量及其分布的地理信息系统数量化方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种污染底泥及其污染物的数量化方法，以在环境科学领域更好的利用水下数字地形模型技术。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种污染底泥及其污染物的数量化方法，其包括以下步骤：a，获得覆盖给定水域高程数据点：地理坐标系统下的X、Y和Z数据；b，根据所述覆盖水域高程数据点建立水下数字高程模型，并计算给定污染底泥厚度的污染底泥总体积；c，采集污染底泥柱样；d，分析污染底泥的含水率、容重和重金属污染物含量；e，计算水域污染底泥中各种重金属污染物总量，污染底泥中第i种重金属污染物总量为MAi：MAi＝TSV*(1-MT)*BD*MCi，其中，TSV是污染底泥总体积，MT是污染底泥含水率，BD是污染底泥容重，MCi是污染底泥中第i种重金属污染物含量，i为正整数；f，把上述关于各种重金属总量的分析数据叠加在水下数字高程模型上，以可视化模拟水域污染底泥的污染物分布。
优选地，在步骤a中，将单频声纳测深仪安装在移动载体上，设计航线，以获得覆盖给定水域高程数据点。
优选地，在步骤a中，还包括如下数据处理步骤：在所获得的覆盖给定水域高程数据点的原始数据中，去掉重复点的数据点。
优选地，在步骤a中，还包括如下数据处理步骤：在所获得的覆盖给定水域高程数据点的原始数据中，去掉超过设定偏差的数据点。
优选地，在步骤b中，在地理系统软件平台上，对包括所述覆盖给定水域高程数据点和河岸边界线的矢量数据用异向克里金插值技术或地形转栅格插值技术建立水下数字高程模型，根据所述水下数字高程模型计算所述给定水域的污染底泥曲面面积，并计算给定厚度的污染底泥总体积。
优选地，如下式求给定水域的污染底泥总体积TSV：TSV＝S×H，其中，S表示污染底泥曲面面积，H表示给定的污染底泥厚度。
优选地，通过ArcGIS 3D Analyst工具建立水下数字高程模型。
优选地，在步骤c中，用沉积物采样器采集所述污染底泥柱样，在所述污染底泥的厚度方向上对每个所述污染底泥柱样分层。
优选地，重金属污染物包括As、Cd、Cr、Cu、Ni、Pb和Zn中的一种或多种。
分析可知，本发明具有以下有益的技术效果：
多技术整合，将声纳探测、GIS和底泥样品化学组成分析技术结合，实现基于水下微地形模型(即水下数字高程模型)的污染底泥及其污染物的数量化模拟和计算的技术系统。
应用异向克里金插值(Anisotropic Kriging)技术或地形转栅格插值技术建立水下微地形模型，提高了模拟的准确性。
模拟了河道污染底泥及其污染物的空间分布，使得污染底泥及其污染物的数量和分布形象化，给清淤过程及科学研究提供了便利。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明做进一步详细说明。
为了准确掌握河道等水域污染底泥的重金属含量及分布，基于模拟污染底泥及其污染物空间分布和数量计算技术，本发明提供一种污染底泥及其污染物的数量化方法，污染底泥为给定水域的污染底泥，污染物为污染底泥中污染物，其可以为重金属，此时称为重金属污染物。
在应用本发明时，可以参考按照以下步骤实施：
获得覆盖给定水域高程数据点：地理坐标系统下的X、Y和Z数据，以用于建立水下数字高程模型(即下述的水下微地形模型)。此处的给定水域可以为河道，在此以河道为例，对该步骤进行详细说明。获得覆盖全河段高程数据点方法较多，例如，可以把单频声纳测深仪(如HaiYing SHD-13D)安装在小船上，设计航线，以获得覆盖全河段高程数据点，全河段高程数据点即为全河道高程数据点。优选地，在获得的原始数据中，去掉重复数据点，然后再用于建立水下数字高程模型。为了进一步提高模型建立的准确性，在去掉重复数据点之后，在建立水下数字高程模型之前，还去掉超过设定偏差的数据点。
根据覆盖水域高程数据点建立水下微地形模型，并计算给定厚度的污染底泥总体积。在地理系统软件平台上，对包括覆盖给定水域高程数据点和河岸边界线的矢量数据用异向克里金(Anisotropic Kriging)插值技术或地形转栅格(Topo to Raster)插值技术建立水下数字高程模型，根据水下数字高程模型计算给定水域的污染底泥曲面面积，然后计算给定厚度的污染底泥总体积。河岸边界线矢量数据可以通过实地测量获得，还可以从给定水域的主管部门获得，本实施例不对此进行限定。地理系统软件平台可以为ArcGIS，建立水下数字高程模型时可以通过ArcGIS 3D Analyst工具。求给定水域的污染底泥总体积TSV时，可以参考如下公式：
TSV＝S×H，其中，S表示污染底泥曲面面积，H表示给定的污染底泥厚度。给定的污染底泥厚度由用户根据实际需要设定。
为了提高污染底泥曲面面积计算的准确度，根据给定水域的河道的断面对给定水域的河道类型进行划分。然后根据给定水域的河道类型计算对应的污染底泥曲面面积，以及对应的污染底泥体积，将所有河道类型的污染底泥体积进行求和即得污染底泥总体积。给定水域的河道的断面类型可以通过对给定水域的遥感图像解译和实地调查得知。
应用时，对于河道断面复杂的河道，可把河道分为U、V、U-V型分别计算，U型河道指人工建造的垂直河岸；V型为天然河岸；U-V型是河岸一侧为人工建造，另一侧为天然。
以河道划分为U型河道、V型河道和U-V型河道为例，对求给定水域的污染底泥总体积TSV时，可以参考以下公式：
TSV＝TSVU+TSVV+TSVUV。
即U型河道、V型河道和U-V型河道的污染底泥体积之和，其中，TSVU＝河道2D面积U×底泥厚度U，TSVU表示断面类型为U型河道的污染底泥体积，河道3D面积U表示断面类型为U型河道的污染底泥曲面面积，该底泥厚度U表示断面类型为U型河道的给定的污染底泥厚度；TSVV＝河道3D面积V×底泥厚度V，TSVV表示断面类型为V型河道的污染底泥体积，河道3D面积V表示断面类型为V型河道的污染底泥曲面面积，该底泥厚度V表示断面类型为V型河道的给定的污染底泥厚度；TSVUV＝河道3D面积UV×底泥厚度UV，TSVUV表示断面类型为U-V型河道的污染底泥体积，河道3D面积UV表示断面类型为U-V型河道的污染底泥曲面面积，该底泥厚度UV表示断面类型为U-V型河道的给定的污染底泥厚度。
接着，采集污染底泥柱样。可以用沉积物采样器(如UWITECH采样管60cm长)采集柱样，根据需要对每个柱样分层，即在污染底泥的厚度方向上对每个污染底泥柱进行分层，如0-20cm、20-40cm和40-60cm。采样器一般具备分层功能，分层操作可计算各层污染底泥的重金属污染物含量以及重金属污染物总量。
然后，按照标准，例如中国国家标准《土壤环境质量标准》(GB15618-1995)，对污染底泥柱样进行分析以获得污染底泥含水率、容重和重金属污染物含量，即污染底泥柱样的含水率、容重和重金属污染物含量。计算污染底泥中各种重金属含量时，若污染底泥中第i种重金属污染物总量为MAi，其计算公式可以参考如下：MAi＝TSV*(1-MT)*BD*MCi。
其中，TSV是污染底泥总体积，MT是污染底泥含水率，BD是污染底泥容重，MCi是污染底泥中第i种重金属金属物含量。MT和BD可用100cm3环刀、烘干法测定。重金属污染物含量是浓度，单位是g/kg底泥。重金属污染物总量是给定水域污染底泥中含有的某种重金属的数量，单位可以是kg或吨。
本发明所涉重金属包括但不限于As、Cd、Cr、Cu、Ni、Pb和Zn中的一种或多种，根据需要，也可以采集其他种类金属的数据。按前述重金属的排序及种类，下面以i＝7为例进行说明，MC1是污染底泥中第1种金属(即As)的含量比，MC1是污染底泥中第1种重金属(即As)的含量比，MC2是污染底泥中第2种重金属(即Cd)的含量比，MC3是污染底泥中第3种重金属(即Cr)的含量比，MC4是污染底泥中第4种重金属(即Cu)的含量比，MC5是污染底泥中第5种重金属(即Ni)的含量比，MC6是污染底泥中第6种重金属(即Pb)的含量比，MC7是污染底泥中第7种重金属(即Zn)的含量比。
把上述关于各种重金属污染物总量的分析数据叠加在水下数字高程模型上，以可视化模拟给定水域污染底泥的污染物分布和污染物的数量，即污染物的数量化。
需要说明的是：步骤a、b与步骤c、d、e可以同时进行，也可以先后进行，本实施例不对此进行限定。
为了使本领域技术人员准确理解本发明，下面结合在三垟湿地的具体应用，详细描述本发明如下：
三垟湿地位于中国浙江温州市区和大罗山之间，湿地内河流纵横交织，并与温瑞塘河连接，为永久性河流湿地。该湿地属亚热带海洋性季风气候,年平均温度为17.9℃,雨热同季,7～9月是气温与降水的高峰期,年均降雨量为1800mm。湿地面积约12km2，陆地部分8.5平方公里，由161个岛屿组成，其中居民住宅、企事业单位和交通用地约1.1平方公里，以瓯柑为主的园地和农田6.6平方公里，其他土地0.8平方公里。
20世纪80年代以前，三垟湿地的主要作物是水稻，当地各村均挖河道底泥作为肥料，加上水生动植物消耗，河底基本没有污泥积累，水质较好。中国改革开放以后，强调经济效益，工业逐渐占据主导。三垟湿地的水稻也逐渐为瓯柑取代，化肥使用越来越多，人们不再挖捞底泥作为肥料。同时，工厂、养殖场、居民住房越来越多。湿地的水环境质量严重受损，整体水质属于劣Ⅴ类，氮、磷、重金属等指标严重超标。应用本发明的研究区域是温州生态园一期工程范围，陆地和水域总面积3.2km2，河道面积1.07km2。
获得全水域数据点、建立模型之后，计算三垟湿地研究区污染底泥总体积，三垟湿地研究区1.07平方公里的水体面积，积累的污染底泥数量在127—161万立方米之间，单位水体面积的平均底泥体积为1.312m3/m2。具体数据如下表：
表1三垟湿地底泥体积计算
利用本发明的上述方法计算三垟湿地底泥中的几种重金属数量，示意性列举结果如下表：
表2三垟湿地下层底泥几种金属总量(kg)
最后把底泥样品分析数据叠加在水下数字高程模型上，即可能够可视化模拟河道底泥污染物分布和河道底泥污染物数量。
分析可知，本发明通过整合水下数字微地形模型等多项技术，可以实现基于微地形模型的污染底泥及其污染物数量化模拟和计算的技术系统，建立模拟河道底泥及其污染物空间分布模型。
由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。
Claims (8)
1.一种污染底泥及其污染物的数量化方法，其特征在于，包括以下步骤：
a，获得覆盖给定水域高程数据点：地理坐标系统下的X、Y和Z数据；
b，根据所述覆盖给定水域高程数据点建立水下数字高程模型，并计算给定污染底泥厚度的污染底泥总体积；
c，采集污染底泥柱样；
d，分析污染底泥的含水率、容重和重金属污染物含量；
e，计算水域污染底泥中各种重金属污染物总量，污染底泥中第i种重金属污染物总量为MAi：
MAi＝TSV*(1-MT)*BD*MCi，
其中，TSV是污染底泥总体积，MT是污染底泥含水率，BD是污染底泥容重，MCi是污染底泥中第i种重金属污染物含量，i为正整数；
f，把上述关于各种重金属总量的分析数据叠加在水下数字高程模型上，以可视化模拟水域污染底泥的污染物分布；
在步骤b中，在地理系统软件平台上，对包括所述覆盖给定水域高程数据点和河岸边界线的矢量数据，用异向克里金插值技术或地形转栅格插值技术建立水下数字高程模型，根据所述水下数字高程模型计算所述给定水域的污染底泥曲面面积，并计算给定厚度的污染底泥总体积。
2.根据权利要求1所述的污染底泥及其污染物的数量化方法，其特征在于，在步骤a中，将单频声纳测深仪安装在移动载体上，设计航线，以获得覆盖给定水域高程数据点。
3.根据权利要求1所述的污染底泥及其污染物的数量化方法，其特征在于，在步骤a中，还包括如下数据处理步骤：
在所获得的覆盖给定水域高程数据点的原始数据中，去掉重复点的数据点。
4.根据权利要求1所述的污染底泥及其污染物的数量化方法，其特征在于，在步骤a中，还包括如下数据处理步骤：在所获得的覆盖给定水域高程数据点的原始数据中，去掉超过设定偏差的数据点。
5.根据权利要求1所述的污染底泥及其污染物的数量化方法，其特征在于，如下式求给定水域的污染底泥总体积TSV：
TSV＝S×H，其中，S表示污染底泥曲面面积，H表示给定的污染底泥厚度。
6.根据权利要求1所述的污染底泥及其污染物的数量化方法，其特征在于，通过ArcGIS3D Analyst工具建立水下数字高程模型。
7.根据权利要求1所述的污染底泥及其污染物的数量化方法，其特征在于，在步骤c中，用沉积物采样器采集所述污染底泥柱样，在所述污染底泥的厚度方向上对每个所述污染底泥柱样分层。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的污染底泥及其污染物的数量化方法，其特征在于，重金属污染物包括As、Cd、Cr、Cu、Ni、Pb和Zn中的一种或多种。
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