成 功 地 利 用 NOAA /AVHRR 的
〔 7〕
CH3 通道对水体进行识别 , 并建立了区别城市和水
体的数学模型 ; 杨娜等
根据油膜发射率 ( 0. 972 )
略低于海水 ( 0. 993 ) , 使得有油膜的海面在遥感影 像中出现低温特征 ,应用 AVHRR 的中 、 热红外波段 对海上油污进行了探测 ; Tang 用 EOS /MOD IS 的 中红外和热红外波段建立了提取大气下行辐射的模 型 ; L i 成功地应用 NOAA /AVHRR 的中红外波段 建立提取地表比辐射率的模型 。 利用物质的分子对红外辐射的吸收 , 得到与分 子结构相应的红外光谱图 , 从而来鉴别分子结构的 方法 ,称为红外吸收的光谱法 。产生红外吸收的条 件包括 , ( 1 )分子振动时 , 必须伴随瞬时偶极矩的变 化 , ( 2 )照射分子的红外辐射频率与分子某种振动 频率相同 。分子振动的类型包括伸缩震动和弯曲振 动两种 ,伸缩振动指化学键两端的原子沿键轴方向 作来回周期运动 ,它又可分为对称与非对称伸缩振 动 。弯曲振动指化学键的键角发生周期性变化的振 动 ,它又包括煎式振动 、 平面摇摆 、 非平面摇摆以及 扭曲振动 。 2. 5 ～7. 69 μm 是基团伸缩振动出现的 区域 ,对鉴定基团很有价值
关 键 词: 水体 ; 石油类污染 ; 中红外波段 ; 吸收光谱特征 中图分类号 : TE991. 2 文献标识码 : A 文章编号 : 1000 - 6060 ( 2009 ) 01 - 0139 - 06 ( 139 ～144 )
随着社会经济的发展 , 人们对石油能源的需求 与日俱增 ,由此加大了石油的开采力度 。而石油生 产活动不可避免地给水环境带来污染 , 直接影响着 生活水源 、 海水养殖 、 海洋旅游景观等 。加之在一些 重要航道油轮事故造成的油泄漏 、 船舶废油或含油 污水的违章排放现象时有发生 , 水体石油类污染已 成为国家环保部门 、 石油部门及其它各生产部门共 同关注的焦点 。面对突发性和缓发性的水体石油类 污染事件 ,加大监测力度 ,及时掌握水体石油类污染 的空间分布和时间变化信息势在必行 , 遥感技术可 作为重要的手段之一 。 现行卫星遥感传感器包括了可见光 - 近红外波 段 ( 0. 4 ～1. 3 μm ) 、 短波红外 ( 1. 3 ～3 μm ) 、 中红外 波段 ( 3 ～6 μm ) 、 热红外波段 ( 8 ～ 14 μm ) 和微波
3 辽河油田质量安全环保处 , 盘锦 124010)
1
(1 大连水产学院海洋工程学院 , 山东 大连 116023; 2 首都师范大学资源环境与旅游学院 , 北京 100048;
摘 要 : 2008 年 5 月 21 ～26 日在辽宁省盘锦市辽河油田境内的双台子河和绕阳河 , 沿河流采集
了水体样本 28 个 ,并且利用取自辽河油田的稠油和稀油标样 ,以及污水处理厂自然污水 ,进行水槽 配比试验 ,获取不同油浓度水体样本 9 个 ; 在此基础上 ,利用红外分光光度计测定水样中的石油类 - 1 污染浓度和其在 3. 0 ～4. 1 μm (波数 2 400 ～3 300 cm ) 波长范围内的透过率 ; 采用朗伯 - 比尔 (Lam ber - Beer)定律 ,计算吸光度 , 分析有石油类污染水体在中红外波段 3. 0 ～4. 1 μm (波数为 - 1 2 400 ～3 300 cm )的吸收特征 。研究结果表明 : ( 1 )水体石油类污染在中红外的吸收特征主要体 - 1 - 1 现在 3. 3 ～3. 7 μm ( 2 700 ～3 000 cm )范围内 ,在 3. 0 ～3. 3 μm ( 2 400 ～2 700 cm )和 3. 7 ～4. 1 μm ( 3 000 ～3 300 cm - 1 )表现不明显 ; ( 2 )在 3. 3 ～3. 7 μm ( 2 700 ～3 000 cm - 1 )范围内有两个吸收 - 1 - 1 峰 ,较强的吸收峰约位于 3. 412 μm ( 2 925 cm ) 处 , 次强的吸收峰约位于 3 502 nm ( 2 850 cm ) - 1 处 ; ( 3 )在 3. 3 ～3. 7 μm ( 2 700 ～3 000 cm ) 范围内 , 随着波长变化 , 石油类物质吸收光谱曲线呈 现规则的变化趋势 ,随着浓度的增加 ,吸收峰强度增强 。本研究结果对于拓展中红外波段在探测水 体油膜以及水环境和土壤石油类污染方面的应用可提供一定的参考 。
第 32 卷 第 1期 干旱区地理 Vol . 32 No. 1 2009 年 1 月 AR I D LAND GEOGRAPHY Jan. 2009
水体石油类污染中红外波段吸收特征分析
1 2 3 3 1
①
黄妙芬 , 李晓秀 , 白贞爱 , 秦凤英 , 侯汝彪 , 王 玲
干 旱 区 地 理 32 卷 1 40 供了可行性 。
NOAA /AVHRR 传感器在设计时就是用 3. 55 ～ 3. 93 μm ( CH3 通道 )探测海面温度 ,获取昼夜云图 。
的反射能量 ,也有地物自身发射的辐射能量 ,但两者 大小是不同的 ,地面接受到的太阳光谱辐射通量密 度和大地发射的辐射通亮密度之比约为 10 ︰1,太阳 辐射到地面的能量远远高于地面发射的能量
谱带处的吸光度 A2930、 A2960、 A3030 进行计算 。 动、 植物油的含量为总萃取物与石油类含量之差 。 红外分光法适用于地表水 、 地下水 、 生活污水和工业 废水中石油类和动 、 植物油的测定 。样品体积为
500 m l, 使用光程为 4 cm 的比色皿时 , 方法的检出
- 1 - 1 - 1
式中 ,α为吸收系数 , 为由物质和波长而定的常数 根据朗伯 - 比尔 (Lamber - B eer)定律 ,吸光度 、 透过率和吸收系数的关系式为 :
A = - lgT = abc , 2)( CH2 基团中 C - H 键的伸缩
( CH3 基团中 C - H 键的伸缩振 (芳香环中 C - H 键的伸缩振动 )
〔 10 〕 〔 9〕 〔 8〕
1 实验和计算
1. 1 现场样品采集
包括水槽配比实验和现场采集水样两种方式 , 共获取 37 个样本 。
1. 1. 1 水槽配比实验 水槽配比实验中所使用的
水槽为自制的 u - pvc塑料容器 ,内壁用聚丙稀酸乙 酯涂黑 ,其直径 50 cm ,高度 30 cm。 利用取自辽河油田的稠油和稀油标样 , 以及污 水处理厂兼性池中的自然污水 , 在绕阳河边上现场 取河水 ,进行水槽配比试验 ,获取不同浓度下石油类 污染水体样本 。利用稀油 、 稠油和污水处理厂兼性 池中的自然污水进行的配比实验 , 分别获取的样本 数为 3、 3、4 个 。
1. 1. 2 现场采集水样 沿着辽河油田区域内的绕
。虽然对于烷烃 、 烯
烃、 环烷烃和芳香烃伸缩振动的峰值位置都是比较 明确的 ,但是利用野外现场水体数据进行研究的例 子还为数不多 。 石油类污染物主要是烃类物质 ,包括烷烃 、 环烷 烃和芳香烃 ,烷烃的基团 - CH3, 其对称与不对称的 伸缩振动分别出现在 3. 484 μm (波数 2 870 cm 和 3. 378 μm (波数 2 960 cm 数 2 925 cm
光法 ( GB16488 - 96 ) 。该方法的基本原理是 : 用四 氯化碳萃取水中的油类物质 ,测定总萃取物 ,然后将 萃取液用硅酸镁吸附 , 去除动 、 植物油等极性物质 后 ,测定石油类 。总萃取物和石油类的含量均由波 数分别为 2 930 cm 振动 ) , 2 960 cm 动 )和 3 030 cm
〔 1〕
。
为了拓展遥感技术在石油类污染监测和油气资 源探测中的应用 ,需要对石油类污染在各波段传感 器的探测机理进行研究 。目前油气资源遥感勘探手 段及油膜监测 ,还只是局限在可见光 - 近红外 、 热红 外以及微波波段 , 对于中红外波段 ( 3 ～6 μm ) 还较 少涉及
〔 2 - 4〕
。在中红外波段 , 除了 3. 24 μm 有水汽
260 μm 的吸收特征 ,其测定范围为 0. 5 ～10 mg /L。
) ,环烷烃的 - CH2 - ,
对称与不对称的伸缩振动分别出现在 3. 418 μm (波
)和 3. 508 μm (波数 2 850 cm - 1 ) , 芳
香烃 = C - H 键 伸 缩 振 动 出 现 在 3 100 ～ 3 000 。由此可见从石油类物质自身的特性来看 , 中红外波段更有助于石油类物质的探测 。 从遥感机理来看 , 中红外波段既有对太阳辐射
( 1 mm ～1 m )等 ,各传感器波段设置主要面向土壤 、
①
植被 、 岩石和水体等典型地物 。由于水体石油类污 染日趋严重 ,对其进行定期监测已提到日程上来 ,现 有的海洋和陆地水体的常规观测项目检测中虽然包 括了石油类污染 ,但都属于点观测 ,并且空间观测点 设置少 ,时间上也是一般定期几次观测 ,很难实现空 间和时间变化的连续监测
,这为利用中红外波段探测地表信息提
吸收带 , 4. 3 μm 有 CO2 吸收带外 ,其余波段皆处于 大气窗口
〔 5〕
收稿日期 : 2008 - 05 - 29; 修订日期 : 2008 - 08 - 17 ( 40771196) 基金项目 : 国家自然科学基金项目“ 水环境石油类污染遥感机理和识别模型研究 ” 作者简介 : 黄妙芬 ( 1963 - ) ,女 ,广东汕头人 ,教授 ,博士 ,主要从事定量遥感 、 GIS、 生态和环境研究
式中 , A 为吸光度 (无量纲 ) ; T 为透过率 (无量纲 ) ; α为吸收系数 ,单位 : L / ( g・ cm ) , b 为液层厚度 (通 常为比色皿的厚度 ) ,单位 cm ,在实际测量中 ,对于 石油类物质浓度大的采用 1 cm 的比色皿 ,对于浓度 小的采用 5 cm 的比色皿 , c为溶液浓度 ,单位 g /L 。 利用仪器测定的透过率 , 代入公式 ( 2 ) , 可分别 计算出吸光度和吸收系数 , 本文主要针对吸光度进 行分析 。