卫星遥感揭示浑浊海岸带污水处理厂排放引发水体颜色异常的光学机制

针对浑浊海岸带污水处理厂(WWTP)排放引发的卫星遥感水体颜色异常现象，中国科学院团队通过辐射传输(RT)模拟、CIE色彩建模与多源卫星数据分析，揭示了高溶解有机物(CDOM)与低悬浮颗粒物(TSM)废水在潮汐作用下的光学转化机制，为基于光学机理的排污遥感监测提供了理论支撑。

　　

在全球化海洋污染加剧的背景下，陆地源污染物通过河流和污水排放口持续威胁近海生态系统。其中，污水处理厂(WWTP)排放口虽符合排放标准，却因富含溶解有机质(CDOM)和微量污染物引发潜在生态风险。传统监测手段难以应对我国数万个沿海排放口的监管需求，而卫星遥感虽能捕捉水体颜色异常，但在光学复杂的浑浊海域，颜色变化与污染程度的关联机制尚不明确。

针对这一科学难题，中国科学院团队以杭州湾(HZB)上虞污水处理厂(SY-WWTP)为研究对象，通过无人机(UAV)搭载高光谱传感器、辐射传输(RT)模拟和CIE国际色彩空间建模等创新方法，首次揭示了"淡黄色达标废水→红褐色异常水体"的光学转化链条。研究发现，当富含CDOM(吸收蓝光)且低TSM的废水在低潮、弱流条件下与浑浊环境水体轻微混合时，会形成独特的"强蓝光吸收+红光散射增强"光学特征，导致遥感反射率R_rs红移和红褐色视觉现象。这一机制在钱江(QJ)、杭嘉湖(HJB)等4个WWTP排放口的1665景Sentinel-2影像中得到验证，证实了光学规律的普适性。

关键技术包括：(1)无人机(UAV)同步采集排放口-混合区-环境水体的CDOM吸收光谱和TSM数据；(2)基于Hydrolight的辐射传输模拟量化不同混合比例下的R_rs光谱变化；(3)CIE LAB色彩模型解析颜色异常阈值；(4)结合TPXO潮汐模型和ERA5风场数据的环境因子相关性分析。

【Study sites】
上虞WWTP位于杭州湾南岸钱塘江口，通过210米海底管道排放。研究选取该点及钱江(QJ)、杭嘉湖(HJB)、嘉兴(JX)等对比站点，覆盖不同水文条件的浑浊水域。

【Field observations】
无人机采样显示：预处理废水呈淡黄色(a*=-4.3)，CDOM吸收系数a₄₄₀达3.1 m^-1；混合区水体红褐色异常显著(a*=+12.7)，TSM下降40%而CDOM保持高值。

【Applications to other WWTP outfalls】
QJ站点因工业废水含金属沉淀物呈现黑褐色(a*=-8.2)，验证了不同污染物组分的光学指纹差异。

【Conclusions】
研究建立了WWTP排放光学特征数据库，提出"低潮期+弱混合+低环境浊度"是卫星监测的最佳窗口期，为发展机理驱动的排污遥感算法奠定基础。

【Environmental implication】
该成果突破传统以浓度为核心的监测范式，开创了基于光学机理的排污风险早期预警体系，对全球6万多个沿海WWTP的监管具有普适价值。论文发表于《Journal of Hazardous Materials》，通讯作者为Xianqiang He和Yan Bai团队。