热红外遥感在金属矿山热污染分析中的应用.pdf

第 21卷 第 3期 2007年6月 资源环境与工程 ResourcesEnvironment2中南大学 地学与环境工程学院, 湖南 长沙 410083 摘 要 结合实例介绍利用遥感技术进行金属矿山热污染监测的方法。通过热红外遥感影像对德兴铜矿的地面 热污染状况进行研究, 为金属矿山热污染的治理提供帮助。 关键词 热红外; 金属矿山; 遥感; 热污染; 热岛; 辐射温度 中图分类号TP7225 文献标识码A 文章编号1671- 1211 2007 03- 0276- 04 0 引言 热污染是由于人类的某些活动, 使局部环境或全 球环境发生增温, 并可能形成对人类和生态系统直接 或间接、 即时或潜在的危害。它包括工业热流、 热管道 及建筑物的热泄漏、 污水热异常、 城市热岛效应等。由 于热污染的存在, 矿区盛行上升气流, 周围地区的冷空 气向矿区汇流, 形成矿区的热污染环流, 使得郊区工厂 的烟尘和由矿区扩散到郊区的污染物又聚集到矿区上 空, 加重了矿区污染。因此, 有效地监测热环境对于认 识矿区热环境特征、 减少污染、 改善矿区人居环境具有 重要的意义 [ 1]。 要解决热污染, 首先要了解热污染的情况, 才能 做到有的放矢。相对传统方法, 热红外遥感以其能够 有效、 全面地探测到下垫面的温度特征, 且能周期 性、 动态地监测热环境的变化趋势而得到应用 [ 2]。 它对分析矿山城市的热污染状况、 特征及成因提供很 好的技术支持。对矿区规划、 环保、 大气污染的研究 都具有重要意义。 1 研究区概况 德兴铜矿位于江西省东北部德兴县境内, 是世界 上已探明铜储量在 800万吨以上的特大型斑岩铜矿之 一。矿区属中低山丘陵, 地势东南高, 西北低。矿田主 要由铜厂、 朱砂红和富家坞矿床组成, 为典型的硫化金 属矿。德兴铜矿自 1958年开始筹建, 至 1994年三期 工程 6万吨投产后, 矿山采选规模已达到 9万吨 /年。 截至 1996年, 矿山剥离废石累计已达十几亿吨, 分别 堆置在祝家、 杨桃坞和西源废石场 见图 1。采矿场、 废石堆以及堆浸场的废矿与围岩由黄铁矿、 黄铜矿等矿 石矿物和脉石矿物组成。在南方潮湿富氧的环境中极 易发生氧化反应形成褐铁矿。对于铜品位低于 025 的矿石在废石场利用采矿场含铁的酸性水和人工培植 的细菌进行循环淋洒, 萃取低品位铜, 加速氧化速度。 图 1 德兴铜矿矿区示意图 Fig1 The i mage of the Dexing Copperm ines 2 热污染的研究手段 2. 1 地表辐射温度的反演方法 根据此次研究的目的是反映德兴矿区地面温度的 相对分布情况, 进而对该地区的热污染特征状况进行 描述和分析评价。在不影响地面相对分布状况的情况 下, 对选取无云状态下拍摄的遥感影像 大气影响程度 在空间上可以认为是一致的 不进行大气校正。且由 于比辐射率受到物质的介电常数、 表面的粗糙度、 温 度、波长、观测方向等条件的影响比较复杂, 在本研 收稿日期2006- 12- 27 ; 改回日期2007- 03- 08 作者简介 黄宝华 1977- , 男, 在读硕士研究生, 资源环境遥感专业。E- ma ilhuangbaohua78 126com 究中设比辐射率为 1 , 进行相关计算。最后, 利用与地 面实温具有相关性的地面亮温 浙江省环境保护科学 设计研究院以 8个气象站的资料和亮温进行线性回归 处理, 获得回归方程 T 地温 089 T 亮温 1385 , 该方程的相关系数为 089 , 即亮温与 0 c m 地温 呈线性关系 来反映德兴地面的热分布状况, 从而推断 出地面的热存储状况, 为热污染分析提供依据。 利用 Landsat TM 热红外亮温计算模型, 可得到图 像 DN 值和下垫面像元亮温之间的定量关系。DN值 在 0 255之间, 数值越大, 亮度越大, 表示地表热辐射 强度越大, 温度越高, 反之亦然。由 DN值计算辐射亮 度的计算公式如下 [ 2] L GainQDN Bias 式中 Gain Lmax- Lm in 255 增益值 Bias Lm in 偏置; L 相对亮温; QDN TM 数据的像元灰度值; Lmax、 Lm in TM 遥感器所接受到的最大和 最小辐射强度, 即相应于 QDN 255和 QDN 0时的辐 射强度。 Gain与 Bias都是卫星预设的参数, 在卫星运行周 期中有阶段性的调整。每幅 TM 图像的 Gain 与 B ias 值都可以在图像的头文件中查到。将辐射亮度转换为 像元亮度温度的公式为 T K2 ln K1 L 1 式中 T 像元亮度温度 K; K1、 K2 卫星发射前 预设的常量 见表 1。 表 1Landsat7的亮温反演常数 K1、 K2 Table 1 Reversion constants of high temperatureK1andK2of Landsat 7 K1 66609W /m2 sr m K2 1 282 71 K 根据像元的 DN值, 利用阈值分割法, 将一幅图像 分割成为有互相连通的像元组成的局部区域。每个连 通的区域或分割的图像在输出图像中都被给定一个 DN值。允许临近的 4或 8像元连通性。 经过上述定量计算过程, 将 2000年 5月和 11月 的德兴矿区的热红外影像的灰度值反演为地面亮温。 5月份地面亮温分布范围是 22985 35122 。 11月份的地面亮温分布范围为 12631 24392 见图 2。 图 2 2000年 5月与 11月份德兴矿区地面连续亮温假彩色分布 F ig2 Pseudocolormap of Dex ing mine at continuous high temperature inM ay andN ovember of 2000 2 . 2 地表辐射温度的相对标准 热岛强度是热岛状况的度量指标, 是矿区最高温 度与郊区平均温度之间的差距。本研究通过遥感影像 反演出的地面温度并非地表真实温度, 而是地面亮温, 因此源自地面亮温的热岛强度对矿区热岛状况的描述 缺乏实用性, 所以引入地面亮温相对标准 以研究区域 的空间范围为计算基准, 将热岛强度看作是与区域气 候特征紧密联系的变量, 体现出热岛状态研究的针对 性和时效性 来表示矿区热岛效应的强弱, 对矿区热岛 进行量化描述。 该标准包含两个衡量指标 一是研究区域的平均亮 温; 二是研究区域的相对亮温。相对亮温的表达式为 TR T Ta Ti- Ta Ta 式中 TR 相对亮温; Ti 矿区第 i点亮温; Ta 研究区域的平均亮温。 相对亮温指标以特定的研究区域为计算基准来反 277 第 3期黄宝华等 热红外遥感在金属矿山热污染分析中的应用 映温度差异, 表明该研究区域在矿区热岛强度分布上 的特点。但对不同时间或不同区域间的强度比较都缺 乏效力。因此, 引入平均亮温指标, 对研究区域在时间 和空间上的绝对差异进行衡量。一个地区的相对亮温 值较大, 只能说明该区域内部存在很强的热污染分布, 无法得出热污染的实际影响。同样, 一个地区的平均 亮温值较大, 但是如果相对亮温值很低, 说明该区域基 本不存在热污染, 只是气候比较炎热而已。所以, 综合 平均亮温与相对亮温指标的地面亮温相对标准, 能够 比较全面地反映出研究区域的热污染特征, 适合运用 于遥感研究。通过对两幅图像的比较分析, 划分出德 兴矿区相对亮温分布等级, 见表 2。 表 2 德兴矿区相对亮温等级划分 Table 2 The relative highlighted temperature zones in Dexing m ine 相对亮温热岛等级 04极强热岛 利用上述热岛等级标准, 对 2000年 5月和 11月的 地面亮温进行热岛等级划分, 得到如图 3所示的结果。 图 3 基于相对亮温划分的德兴矿区热岛分布图 F ig3 The hot islands based on the highlighted temperature zones 3 德兴矿区热污染分布与原因分析 从德兴矿区 2000年 5月与 11月的热岛分布图可 以得出, 其特殊的矿区构成、 生产、 生活方式在热图像 上有所反映。 1 不同月份的两期图像都具有明显的热岛现 象。并可以看出季节的影响对热岛强度与范围都有很 大的影响, 冬季由于热场与周围具有更强的反差, 所以 能够更好的反映热污染状况。更适合于 ∀热岛 效应 的研究。 2 热岛强度高, 结构复杂。北面的矿区城市, 南 面的尾矿堆、 采矿场, 西面的尾矿库都呈现不同的热力 景象, 使得矿区的热岛结构复杂。 3 热岛强度与下垫面介质关系。从分布图上可 以看出热岛形状、 走向与矿区基本一致。居民区被热 惯性较大的砖瓦、 水泥等建筑材料所覆盖。南面的采 矿区和尾矿堆积区则是由于地表植被破坏, 开采过程 中抛弃的大量含硫化物废石 主要为黄铁矿 中硫离 子与随降雨过程进入到废石堆中的氧发生反应, 形成 硫酸, 使得矿岩中以化合态存在的各种金属元素溶于 水中。黄铁矿在细菌等微生物 有细菌参与作用时, 废 石中的硫、 金属离子化学溶解速度增加十几倍。废石 堆内部温度在冬季也能够保持在几十度, 这种环境温 度最适合于细菌的繁殖 的作用下形成亚铁, 亚铁进一 步被氧化成三价铁 三价铁是中间产物, 起着氧化硫化 态金属的作用 。废石中黄铁矿氧化过程可以用下列 反应式表示 [ 3] FeS2 5/2O2 H2O∃ Fe 2 2SO 2- 3 2 H SO 2- 3 1/2O2∃ SO 2- 4 Fe 2 1/4O2 H ∃ Fe 3 1/2H2O FeS2 10Fe 3 6 H2O∃ 11Fe 2 2SO 2- 3 12H 这些氧化反应产生大量热。由于水体的比热在所 有固体和液体中最大, 热容量大。因此, 它与陆地在温 度上有不同的表现形式, 5月春季呈现强 ∀绿岛效应, 而在 11月冬季则呈现弱∀热岛效应。 4 热场强度与绿色植被的关系。NDVI与辐射 278 资源环境与工程 2007年 温度呈负相关, 因此绿色植被在热图像上呈现为冷色 调温度状况 图 4。农田的 NDVI值低于森林, 因此, 其地温要高于森林。大量的绿色植被可以调节微气 候, 缓解热效应。 图 4 2000年 5月德兴铜矿 NDV I植被指数热环境分类图 Fig4 The ther mal evniron mental zones on NDVI values in Dex ing m ine ofM ay of 2000 5 与矿山生产活动有关。由于德兴铜矿是一个 具有几十年历史的老工业城市, 工业以开采、 冶炼、 加 工工业为主, 其生产、 生活中消耗大量的能量, 排放大 量的废热, 导致热污染日趋严重。在图像上可以看出 其城区东部工业区的热污染强度较大。 4 结束语 通过对德兴铜矿热污染的遥感研究, 发现矿区城 市的热污染具有普通城市的一些共性 热岛效应使矿 区平时的相对湿度比郊区小, 而降雨量和暴雨等对流 天气却增多。空气质量下降, 相应加重了城市高温出 现的频率和高温灾害。而矿区生产和尾矿堆的不间断 氧化放热使得热岛效应要强于一般城市。因此加强对 矿区城市热污染监测, 设法缓解城市的热岛现象是一 项十分重要的工作。 针对金属矿山污染的特征, 提出了以下几点来改 善矿区热环境 1 由于热岛形成和能耗、 建筑面积密切相关, 因 此对矿区应合理布局, 高能耗工业区应远离矿区城市, 尽量减少建筑面积, 建高建筑。 2 在影响热场的诸多因素中与矿区绿地、 水体 关系密切, 因而应合理布局绿地面积, 保护水体。 3 矿区中尾矿堆应合理堆放, 实行小区域的管 理, 防止面积过大造成积∀点成∀片 的区域热岛效应。 4 要控制烟尘排放量和矿山开采面积。随着矿 山的不断开采, 矿山的面积不断扩大, 植被覆盖面积不 断减少, 使地表状态发生改变, 地表反射率发生变化, 进而影响地表和大气之间的换热过程 [ 4]。 参考文献 [ 1] 田国良. 热红外遥感 [M ]. 北京 电子工业出版社, 2006 . [ 2] 贾海峰, 刘雪华. 环境遥感原理与应用 [M ]. 北京 清华大学出版 社, 2006 203- 204 . [ 3] 刘超臣, 蒋辉. 环境学基础 [M ]. 北京 化学工业出版社, 2003. [ 4] 陈云浩, 郭志达. 矿区城市热污染的遥感监测研究 [ J]. 煤矿环境 保护, 1999 , 13 3 58- 60. Hot Infrared Re mote Sensing and ItsApplication to Analyze Thermal Pollution inM etalM ines HUANG Bao hua 1, ZHOU Li x ia 2 1 . Colle g eof Ination PhysicalEngineering, CentralSouth University, Changsha,Hunan 410083 ; 2 . College of Earth and EnvironmentalEngineering, CentralSouth University, Changsha,Hunan 410083 Abstract In this paper , the authors introduce thes of remote sensing to monitor thermal pollution inmetalm ines. Through a case study in the Dexing CopperM ine of Jiangx i Province, some useful conclusions have been drawn about metalm ine pollution . Key words hot infrared ; m etalm ines; remote sensing ;ther mal pollution ; ther mal island ;radiation te mperature 279 第 3期黄宝华等 热红外遥感在金属矿山热污染分析中的应用