Monitoring acidic water in a polluted river with hyperspectral remote sensing (HyMap)

Abstract

Sulphide mine waste extensively contaminates the Odiel River (southwest Spain), releasing sulphuric acid into the water body. Acidic water in this river precipitates and dissolves variably hydrated iron sulphate in a complex geological pattern controlled by climate. Local abrupt changes in the water pH in the vicinity of highly contaminated tributaries can be mapped by means of imaging spectroscopy using hyperspectral remote sensing (HyMap) data. Also, increased pH through mixing of acidic river water with marine water can be detected when the river reaches the area influenced by sea tides. Mapping the quality of water with hyperspectral data is confounded by vegetation, either dry or wet, rooted or floating. The spectral features of acidic water measured with a field spectrometer revealed the spectral influence of green vegetation, similar to the influence of the depth and transparency of water. Careful mapping of such parameters with HyMap data must therefore precede any spectral evaluation of water related to acidity in a river course. The spectral features detectable by HyMap data and associated with pH changes caused by contamination in river water by iron sulphide mine waste, and their controls, are described and references established for routine monitoring through hyperspectral image processing.

Résumé

Les déchets miniers sulfurés polluent beaucoup la rivière Odiel (Sud-Ouest de l’Espagne), libérant de l’acide sulfurique dans l’eau courante. L’eau acide de cette rivière précipite et dissout différents hydrates de sulfate de fer dans un environnement géologique complexe contrôlé par le climat. De brusques changements locaux du pH de l’eau au voisinage d’affluents fortement pollués peuvent être visualisés par le biais de l’imagerie spectroscopique utilisant des données de télédétection hyperspectrale (HyMap). De même, l’augmentation du pH du fait du mélange de l’eau acide de la rivière avec l’eau de mer peut être détectée lorsque la rivière atteint la zone influencée par les marées. Il peut cependant y avoir des confusions entre la cartographie de la qualité de l’eau obtenue à partir de données hyperspectrales, et la végétation, sèche ou humide, enracinée ou flottante. Les caractéristiques spectrales de l’eau acide mesurée avec un spectromètre de terrain révèlent l’influence spectrale de la végétation verte, semblable à l’influence de la profondeur et de la transparence de l’eau. Une cartographie précise de ces grandeurs avec des données HyMap hyperspectrales doit précéder toute évaluation spectrale de l’acidité de l’eau dans une rivière. Nous décrivons les caractéristiques spectrales associées aux changements de pH liés à la pollution de la rivière par le sulfure de fer provenant de déchets miniers détectables par les données HyMap, comment elles peuvent être contrôlées, et les modalités de la surveillance de routine par traitement d’images hyperspectrales.

Key words:

• hyperspectral remote sensing
• acid mine drainage
• river pollution
• HyMap

Mots clefs:

• télédétection hyperspectrale
• drainage minier acide
• pollution des rivières
• HyMap

Acknowledgements

J.M. Moreira contributed with information about mine inventories and regional environmental databases. The Andalusian Regional Government, the Junta de Andalucía, permitted entry to the abandoned mine site of Sotiel at the border of the river. Local industries also allowed access to the river through their facilities.

Additional information

Funding

This research was funded by the National Research Plan of Spain (PNI, projects number CGL2005-02462, CGL2006-01544/CLI and CGL2007-60004/CLI) and the Research Staff Training Programme (BES-2008-003648).