利用热红外成像技术测量海底地下水排放量

海底地下水排放（SGD）是水循环的重要组成部分，将人为产生的和自然产生的营养物质输送到沿海水域。作为开发预防海岸水质恶化的方法的一部分，北卡罗莱纳州威尔明顿大学进行的研究试图解决与SGD点源位置有关的不确定性。本案例研究概述了如何将尖端的高分辨率无人机系统（UAS）热红外（TIR）成像方法与最新技术相结合，以进行连续和自主的SGD监测。

海底地下水排放是指地下水通过连接的沿海含水层从陆地流向海洋的过程，这是可溶解成分从陆地流到海洋的重要途径。确定SGD的来源很重要，因为SGD通常携带来自人为生产的污染物，例如来自下水道系统或农业活动的营养物质。

然而，精准定位SGD的来源很有挑战性，因为这些来源沿海岸线分布得不均匀，地下水排放量也是如此。所以才有了用来观察SGD混合特性高分辨率的UAS-TIR成像方法。在使用UAS-TIR成像之前，空间和时间的模糊性使得SGD难以评估。

在项目期间，测量人员经历了一次险兆。佛罗伦萨飓风经过威尔明顿一周后，无人机在梅森伯勒岛飞行。这是一次标准飞行，之前已经完成了几次。当然，测量人员已经检查了空域，以确保没有冲突的航班。一切都按计划进行，直到他们注意到地平线上一架大型休闲飞机正以极低的飞行高度迫近。

为了使无人机安全降落并避免坠机，必须立即采取规避措施。由于研究地点位于仅300米宽的障碍岛上，因此情况尤其严峻。着陆有两种选择：要么在当前位置快速螺旋下降，要么返回到起飞位置进行预定着陆，并修改飞行方向。研究人员很快就决定选择第二种方案，因为在如此接近开放水域的地方飞无人机这种昂贵的设备，失误空间有限。幸运的是，无人机刚刚安全降落几分钟后，正在调查飓风“佛罗伦萨”对该岛的影响的飞机直接从头顶飞过。

使用处理软件将从现场收集的所有图像拼接在一起，以创建准确的UAS-TIR数据正射影像，从而确定测量区域内SGD的羽流。专业无人机配备可检测0.1℃的高分辨率传感器，用于图像侦察。收集UAS-TIR成像数据后，水质分析仪和测氡仪记录原位水的导电性、温度和深度以及地下水示踪同位素。测氡仪使海水循环从采样点的进水阀进入到空气-水交换器中，带正电荷的镭同位素释放到封闭的空气环路中，接着进入到测氡仪内部进行检测的电位半导体中。

在多个潮汐周期中，每30分钟进行连续和自动记录测量值。在SGD羽流范围内，记录UAS-TIR图像记录下的海面温度（SST）测量值。在Burnet和Dulaiova（2004）质量平衡模型中将氡-222体积测量值转换为地下水渗流量。除海岸线面积外，还用SGD羽流轮廓面积做了进一步的计算。

图2和图3为2018年12月7日在秃头岛潮沟上进行的UAS-TIR飞行测量的结果，包括固定氡采样点的位置。由于排放位置和河岸之间的水头差较大，为了捕获最大的地下水流量，选在接近低潮的时间段收集图像。由于UAS的飞行时间有限，且测量区域的飞行范围较广，此次任务需要进行多次飞行。

图2 UAS-TIR图像剪切部分最低点视图，聚焦在秃头岛潮沟的地化示踪样品位置。

图3 在3DEP衍生的DEM上叠加的秃头岛潮勾UAS-TIR测量区域的倾角图

秃头岛UAS-TIR测量的结果（如图1所示，覆盖在USGS 3DEP生成的10米数字高程模型上）可以观察到水力梯度与地下水排放之间的直接联系。之所以可以呈现这种结果，是因为北卡罗来纳州海岸线上的地下水排放量很大部分是新排放出来的，比周围的海水温度要低很多，漂浮在海水表层，容易被勘测到。

2018年6月20日，在梅森伯勒岛上空进行UAS-TIR测量，选在退潮时段，以捕获最大的地下水渗漏。测量任务是在清晨进行的。梅森伯勒屏障岛UAS-TIR测量的结果（如图4所示，由UAS RGB图像生成的5厘米像素数字高程模型）可以观察到水力梯度与地下水排放之间的直接联系。

图4：梅森伯勒岛UAS-TIR测量区域的最低视图覆盖在UAS导出的DEM上

观察到在温度明显较低的地下水排放羽流的地方存在冲刷特征。为了进一步研究该区域的冲刷情况，使用垂直夸张的空间插值对水深进行建模（图5），该插值通过使用R8 RTK在水下连续记录控制点创建。得到的结果与UAS-TIR图像叠加，用来解释水文梯度对地下水排放的影响。

图5：梅森伯勒岛UAS-TIR测量区域的倾角视图

为了计算ΔT1轮廓表面积，将羽流周围的氡采样点进行处理，得到的面积（如图6A所示）为2315.739平方米，显示为图6B中深蓝色部分，同时也表示采样点的地下水排放。

图6：梅森伯勒岛显示了氢时间序列采样位置的海温羽流，（A）红色区域表示△T1曲面轮廓面积，（B）氢监测站上显示的梅森伯勒岛SGD羽流和海温

测氡仪连续自主地记录的数据显示，在秃头岛潮沟采样点观测到的潮汐阶段与氡-222（Bq/m3）之间呈反相关关系。这种关系（如图7所示）是典型的，因为在潮汐阶段出现了水位逆转。

图7：自2018年3月5日起的氢-222数据，误差线表示标准误差

通过质量平衡法，可以将氡-222（Bq/m3）转换为体积流量计算。可以将其与标准的以及相邻的采样点的体积通量进行比较。计算体积通量对于在采样点之间进行比较非常重要，因为水文地质情况会随着位置的变化而变化，并且对地球化学示踪物的结果有很大影响。

这项研究的结果证明了UAS-TIR成像在北卡罗莱纳州沿海地区对SGD进行定量建模的实用性。来自两个采样点的水质分析仪的数据表明，SGD有助于盐量和pH值的总体降低。梅森伯勒岛测量点的较大的T1羽流轮廓面积为2315.739平方米，样点的平均排放量为每天0.8962米。相比之下，秃头岛测量中心的T1羽流轮廓面积为1391.31平方米，每天的平均排放量较低，为0.6097米。SGD通量的差异与每个采样点位置所处的UAS-TIR羽流区域等高线相关。

利用测量区域内的UAS-TIR图像隔离样点位置，可以定量评估每天的SGD通量对潮汐反演的贡献，得到最终的结果，秃头岛潮沟采样区面积平均流量贡献为每天0.0281米；梅森伯勒岛采样区平均流量贡献为每天0.0496米。该数据也与用UAS-TIR图像捕获的T1轮廓曲面羽流表面积范围有关。总而言之，这次研究证明了UAS-TIR作为观测SGD排放羽流混合特征的工具的有效利用，可以追踪SGD更精确的位置。

译者：台风，文章选自Hydro INTERNATIONAL

出处：https://www.hydro-international.com