偏振遙感：新方法監(jiān)測石油污染
在石油的開采、煉制、貯運、使用過程中，原油和各種石油制品進入環(huán)境而造成的污染成了一個世界性的問題。因此，建立探測系統(tǒng)，對油田區(qū)進行監(jiān)測和管理，特別是對石油污染所發(fā)生的位置、溢油量和擴散趨勢等的監(jiān)測尤為重要。
在國家自然科學基金、“863”計劃等的資助下，東北師范大學城市與環(huán)境科學學院教授盛連喜帶領(lǐng)的課題組以偏振度作為偏振光遙感的定量指標，在近紅外波段對不同含水量和含油量的土壤進行偏振光譜測量，為今后利用偏振光遙感監(jiān)測土壤石油污染的應(yīng)用打下基礎(chǔ)。這一成果發(fā)表在《科學通報》2008年第23期上。
難以避免的石油土壤污染
石油對土壤的污染主要表現(xiàn)為：破壞土壤的結(jié)構(gòu)和透水性。石油污染物還會與土壤中有效的氮、磷、鉀發(fā)生反應(yīng)，破壞土壤的肥力。盡管采取了一系列措施，但在石油的生產(chǎn)、加工、運輸各個環(huán)節(jié)，都有可能發(fā)生泄漏溢出事故，石油污染物對土壤的污染難以避免。
“石油開采時可能產(chǎn)生的泄漏或溢油現(xiàn)象造成的落地油污染，可使土壤的環(huán)境容量逐年減少；在氣田開發(fā)時，鉆井過程中產(chǎn)生廢棄泥漿，如果沒有泥漿坑，廢棄的鉆井泥漿就會被排放到土壤中，造成污染。”盛連喜說。
盛連喜解釋說，如果在原油開采過程中發(fā)生井噴等事故，可能使大量石油烴類直接進入土壤。另外，石油管線和采油井的井口設(shè)備如果發(fā)生跑冒滴漏，也有一些石油泄漏到地面。石油及其產(chǎn)品在運輸、使用和貯存過程中的滲漏、溢油現(xiàn)象時有發(fā)生，會造成石油烴類直接進入土壤。而石油及其產(chǎn)品在運輸、使用和貯存過程中的滲漏、溢油現(xiàn)象同樣會對土壤造成危害。
“當石油滲透進入土壤后，如果植物吸收了石油，會破壞植物的新陳代謝過程，或阻斷植物需要的水分和養(yǎng)料，從而使植物死亡，植被遭到破壞。而且被石油污染物污染的土壤在幾年甚至幾十年內(nèi)都會喪失農(nóng)耕和畜牧的功能。石油還可能通過進入食物鏈影響人體健康。另外，油氣會從地表揮發(fā)至大氣，表現(xiàn)為油氣揮發(fā)物，被太陽紫外線照射后，可能與其他有害氣體發(fā)生物理化學反應(yīng)，生成光化學煙霧，產(chǎn)生致癌物和溫室效應(yīng)，破壞臭氧層等。”盛連喜說。
既然污染難以杜絕，作為及時了解石油開采所在區(qū)域的環(huán)境質(zhì)量狀況，包括大氣環(huán)境質(zhì)量、水體和土壤環(huán)境質(zhì)量狀況，發(fā)現(xiàn)油氣田生產(chǎn)中環(huán)境問題的有效手段，環(huán)境監(jiān)測就變得至關(guān)重要。
“尤其是對土壤污染的監(jiān)測，關(guān)系到周邊地區(qū)的生態(tài)環(huán)境安全、食品安全問題，不容忽視。”盛連喜說。
大有可為的偏振遙感
目前，在石油開采區(qū)域最常用的環(huán)境監(jiān)測方法是現(xiàn)場采樣實驗室分析監(jiān)測，也有些地方開展了航空和遙感監(jiān)測。
盛連喜指出，常規(guī)的土壤石油污染監(jiān)測方法是從野外取樣帶回實驗室分析，由于事前對污染范圍及污染程度的了解有局限性，監(jiān)測過程不僅費時而且耗費大量人力、物力和財力，結(jié)果卻往往不夠全面準確，只能對采樣點局部進行評價和估量。如何對土壤石油污染范圍及程度進行定量定位的測量，有效節(jié)省工作時間和經(jīng)費，提高環(huán)境污染監(jiān)測的準確性成為一個重要的科學問題。
在苦苦尋找解決辦法的時候，電磁波的一個重要特征——偏振，引起了盛連喜的關(guān)注。
偏振在微波譜段稱為極化。地球表面和大氣中的目標在反射、散射、透射及發(fā)射電磁輻射的過程中，會產(chǎn)生由它們自身性質(zhì)決定的特征偏振，即偏振特性中蘊涵著目標的各種信息。
“偏振遙感正是利用這一特征為遙感目標提供新的、潛在的信息。”盛連喜說，“與其他遙感技術(shù)比較，偏振光的特性使其在遙感中能夠解決許多實際問題。使用偏振信息不僅能夠更準確地定位土壤石油污染的范圍和程度，并可反演相應(yīng)地物目標的結(jié)構(gòu)、化學成分、水分含量等多方面信息，甚至了解造成污染油井的年齡，因此具有非常廣闊的應(yīng)用前景。”
目前，盛連喜課題組對污染土壤偏振光遙感的監(jiān)測主要研究方向是在不同濕度條件下鑒別石油種類，并進一步確定濕度條件影響的曲線臨界值。重點研究土壤中受到石油污染的范圍和程度，為研究土壤的石油環(huán)境容量、控制石油污染提供依據(jù)。
該課題組以吉林省松原油田原油和當?shù)氐湫捅韺油寥罏閷嶒炘，在實驗室?nèi)對4個水平的含油量、3個水平的含水量土壤樣品在近紅外波段進行了多角度探測模擬實驗。又在室外實地測量了各種條件下的石油污染土壤與清潔土壤的偏振度值。他們發(fā)現(xiàn)，當土壤含水量較低時，土壤表面反射光的偏振度會隨土壤中石油含量的增加而增大；當土壤含水量較高時，土壤表面反射光的偏振度會隨土壤中石油含量的增加而降低。
事實上，盛連喜所在的偏振實驗室已經(jīng)通過幾年的工作，對黃土、黑土、紅土等土壤類型的基礎(chǔ)偏振反射特性進行了測量和研究，接下來的工作是通過多因素的模擬正交實驗，為更廣泛地應(yīng)用偏振特性進行石油的土壤污染監(jiān)測提供科學依據(jù)。
盛連喜指出，不同土壤類型的臨界值會因土壤有機質(zhì)含量、機械組成等因素的不同而不同，對偏振光的測量帶來難度。這也是他們今后工作中需要重點研究的問題。
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