西藏地区湿地表层沉积物分布特征及其污染风险研究_顿玉多吉.pdf
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1、文章编号:1674 2184(2023)01 0141 05西藏地区湿地表层沉积物分布特征及其污染风险研究顿玉多吉1,益西卓玛1,扎央2,次央1*(1.西藏自治区气候中心,拉萨850000;2.西藏自治区拉萨市第八中学,拉萨850000)摘要:利用遥感技术,在分析西藏地区湿地地表层沉积物分布特征的基础上,评估了西藏高原湿地的污染情况及污染风险。结果表明:污染负荷指数法对西藏湿地表层沉积物分布特征的分类准确率较高。除了锂、铅、砷、镉、汞以外,研究区域沉积物中其余重金属元素平均浓度低于邻近、国内均值含量,说明受区域人类活动影响较小,污染程度低。由于研究区域海拔较高且人类活动行为较少,造成这几类重金
2、属含量较高的主要因素可能是大气循环降水、母岩风化、远距离污染物运输、金属元素富集作用以及土壤自身的发育程度。在西藏高原区域,受到人为干扰因素较少,主要依靠自然运输影响湿地表层沉积物中污染物的分布,同时随污染物分布情况的影响,可能会导致整个区域污染等级升高。关键词:遥感技术;西藏高原;湿地表层;沉积物;分布特征;污染风险中图分类号:P642.13文献标识码:Adoi:10.3969/j.issn.1674-2184.2023.01.018 引言引言作为世界最高海拔、我国面积最大的高原,青藏高原一直被称为“世界屋脊”,正是由于该地区具有高寒区域特点,导致形成独特的气候与地形地貌,仅有极少的人类活动
3、行为1 3。西藏地区作为高原主体,存在较薄地表土,经常出现风蚀或水蚀现象,山地受板块运动影响,导致地形持续上升,加快河流冲刷侵蚀速率,该地区纬度高且降水少,严寒干燥,形成西藏地区脆弱且不可恢复的生态环境,一旦出现污染将造成不可逆的后果4 5。高原地区冰川覆盖面积广,由众多冰川融化形成的水源,为我国几大河流提供水源供给,其中澜沧江、黄河、长江等均发源于西藏高原,该高原中包含各类湖泊共 1500 余个,约占全国总湖泊面积的 50%。正是由于湖泊密布导致西藏地区形成众多湿地,通常情况下,西藏特殊的气候与地形特征造成湿地生态环境极其脆弱,因此,对于西藏地区环境保护的相关研究尤为重要6 7。目前,西藏湿
4、地的相关研究主要侧重于水环境变化,对于地表沉积物和污染风险的研究偏少。不少学者将研究重点放在拉萨河流域生态风险评估上8,侧重分析拉萨河湿地的河流生态中的生物与植被情况,对于湿地中的表面沉积物污染研究较少。还有学者将研究重点放在研究近 30 a 青藏高原湿地变化及其驱动力9上,通过统计资料分析了 30 年历史变迁湿地整体变化情况与影响因素,对于环境的主要影响因素研究较少。近年来,随着计算机技术飞速发展,遥感技术也日益完善。利用这一高新技术能够更加客观、全面地记录地表景观的综合特征,获取地表各类元素的分布特征和景观形态,还能够得到地表物质的结构和成分,以此达到识别出地表沉积物的目的10。自 20
5、世纪末我国第一颗资源卫星升空以来,传感器技术快速发展,结合遥感技术能够更加深层的探查岩石矿产中的信息,植被地区矿化信息提取根据遥感生物地球化学技术提供可行性方法,使用遥感技术采集图像时,矿化指示是有关重金属元素的植被红光“蓝移”内容11。20 世纪 90 年代,地质理论结合遥感技术,开展识别模式研究,实现定量化提取遥感信息,在地理勘察方面形成了成熟技术12。本文借助遥感技术,分析了西藏的湿地地表层沉积物分布特征及其污染风险,旨在为该地区的环境治理提供可靠的分析依据。11数据与方法数据与方法1.1遥感数据采用 Hyperion L1R 高光谱遥感影像作为西藏湿地表层沉积物分类的影像数据,选择 2
6、019 年 4 月 8日 09:57 作为成像日期和成像时间,成像方位角和太阳高度角分别为 121.48和 61.67,采集影像时云量低 收稿日期:2022 08 08资助项目:第二次青藏高原综合科学考察研究项目(2019QZKK0304,2019QZKK0106)作者简介:顿玉多吉,工程师,主要从事生态遥感监测与应用研究。E-mail:通讯作者:次央,工程师,主要从事农业气象研究。E-mail: 第 43 卷 第 1 期高原山地气象研究Vol.43 No.12023 年 3 月Plateau and Mountain Meteorology ResearchMar.2023于 8%,能见度较
7、高。Hyperion L1R 高光谱遥感影像包含短波红外、可见光与近红外等 242 个波段光谱,空间分辨率与光谱分辨率分别为 31 m 和 11 m。为使遥感影像能够真实反映西藏高原湿地表层沉积物几何位置信息和地表反射率,需要对获取的影像实行预处理,处理手段包含几何校正、修复坏线、大气校正、剔除无效波段、去除垂直条纹等13。1.2线性光谱分解方法一般将预处理完后的遥感影像中存在连续关系的地表划分成不存在连续关系的像元。确定各像元表达的地物类型即为遥感解释。由于西藏地区地表复杂多样性与传感器空间分辨率对遥感影像造成影响,单一均匀状态的地表覆盖不能组成遥感影像内的像元,而是由多种端元地物光谱混合反
8、映出西藏高原湿地表层沉积物光谱特征14。为获得混合像元内部每种物质在像元面积中所占据的比例,使用光谱混合分解技术获取精确地分类影像。在混合像元分解法中使用最广泛的是线性光谱混合模型,该模型将投影寻踪法、最小二乘法、ICA法等几何与数学方法作为依据,确定在混合像元中各个地物所占据的比列,其中混合像元的地物类型是最大类型比的一类地物。假设西藏高原湿地表层沉积物遥感影像像元光谱值是一种线性组合15 16,该组合的权重系数是像元面积中构成像元每个端元光谱支占据的比例,使用式(1)表示线性光谱混合模型:|R=nk=1fkCk+nk=1fk=1(1)RnfkkCkkfkfk式中:与分别表示混合像元的 波段
9、反射率与残余误差;与分别表示端元组分数量(该数量需要比波谱波段数小)与像元面积中端元组分 占据的比例;表示混合像元内与 波段对应的端元组分 反射率;对线性方程组求解时使用最小二乘法,以此获得混合像元内每个端元组分占据的比例系数,确保经计算获得的误差项存在最小均方差,则此像元的地物类型就是面积比例系数最大一类端元地物类型。1.3污染风险评价方法由图 1 可见,通过遥感技术获得西藏高原湿地表层沉积物分布特征后,需要采集土壤样本,检验表层沉积物包含的污染物情况。因此,在研究区域布设了 8 个采样点,采样点 A1 和采样点 A8 分别代表研究区域的上游和下游,其余 6 个采样点分别布设在研究区域的多个
10、主要支流点上(图 1)。使用抓斗式采泥器采集沉积物样品,将样品分别装入密封袋中,运至实验室后去除根系杂质,研磨过筛后检测沉积物中污染物含量。A1A8A7A2A3A5A6A4 图 1 土壤采样点布设情况 目前,对于湿地污染风险相关研究较多,包含潜在生态危害指数法、沉积物集系数法以及污染负荷指数法。其中污染负荷指数法能够把污染物在空间、时间上的变化趋势以及各种污染物对于污染的贡献程度直观反映出来,所以本文使用该方法开展研究。污染负荷指数法具有极强的概括性优点,在评价大面积或多区域污染风险时具有绝对优势。通过点污染负荷指数计算获得区域污染负荷指数,根据区域污染负荷指数获得整个研究区域的污染负荷指数1
11、7。iCFi计算某个污染物 最高污染系数()时,依据西藏高原湿地表层某个点实际测量污染物含量,具体公式如下:CFi=CiBi(2)CiBii式中:与分别表示污染物 的实测含量与评价标准,该标准也被称为背景值或者基线值。PLIsite使用式(3)表示西藏高原湿地表层某个点污染负荷指数():PLIsite=nCF1CF2CFn(3)n式中:表示参与评价的污染物个数。PLIzone使用式(4)表示西藏高原湿地表层某个区域污染负荷指数():PLIzone=nPLI1PLI2PLIn,(4)n式中:代表此区域中样本点数量。22结果分析结果分析将西藏玛旁雍错湿地作为研究对象,该地区位于尼泊尔、印度和我国的
12、交界位置,位于西藏阿里地区普兰县境内,以喜马拉雅山为界,南连尼泊尔,西南与印度接壤,该湿地面积约7 万hm2,平均海拔接近4700 m,是世界上已知海拔最高的淡水湖泊湿地,栖息多种珍惜禽鸟及走兽。玛旁雍错湿地是喜马拉雅山与冈底142高原山地气象研究第 43 卷斯山之间形成的一个断陷盆地,作为西藏地区陆地与水源之间相互作用形成的特色生态系统,该湿地在维护区域生态平衡、调节径流、抵御洪水、改善气候等方面发挥着不可替代的作用。湿地水源补给主要来自冈仁波齐山和纳木那尼山,湿地周边山地为始新世砂砾层岩。2.1污染风险评价从湿地表层沉积物分布特征(图 2)可以看出,图中颜色最浅(黄色)区域为玛旁雍错湿地湖
13、泊水体区域,灰色区域由浅至深分别为粉砂质砂、砂质粉砂以及粉砂,颜色最深的区域是具有玛旁雍错湿地特有的始新世砂砾层岩沉积物。水体粉砂质砂粉砂砂砾砂质粉砂 图 2 研究区域表层沉积物分布特征 图 3 给出了污染负荷指数法方法对研究区域表层沉积物分布特征的分类准确率结果。如图所示,水体、粉砂质沙、沙质粉质、粉砂和砂砾分类准确率均达到 90%以上,其中砂砾分类准确率最高,接近 100%。可见,该分析方法对研究区域表层沉积物分布特征的分类准确率较高。2.2污染物风险评价表 1 为污染物风险评价阶段采集样本获得表层沉积物化学元素含量结果,其中各元素的平均值均为几何平均值,统计结果为各元素的平均浓度。从表
14、1中可以看出:在研究区域内沉积物中重金属物元素平均浓度均偏低于邻近、国内均值含量1,3,8,说明受区域人类活动影响较小,污染程度低;其中,污染元素锂、铅、砷、镉、汞含量比国内均值或邻近元素含量偏高。一般情况下,这类重金属呈现较高水平通常是人为因素造成的。但是研究区域海拔较高,人类活动行为较少,重金属超标则更可能是受大气循环降水、母岩风化、远距离污染物运输、金属元素富集作用以及土壤自身的发育程度等因素的影响。从各个采样点沉积物中重金属元素含量统计结果(表 2)可以看出,采样点 A1(上游)到 A8(下游)各重金属含量均呈逐渐增多趋势,说明上游地区各金属元素含量较低,而下游区域金属含量比上游普遍偏
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