深圳市水庫CODMn濃度時空分布特征1.0

隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展、城市化進(jìn)程不斷加快和人口數(shù)量的加劇，對水資源的依賴逐漸加重，增加了對地表水的需求和地表水污染的風(fēng)險。城市及其附近的地表水以有機(jī)污染為主，了解地表水的有機(jī)污染狀況和變化趨勢可以有效幫助保護(hù)緊缺的水資源，為水環(huán)境治理提供參考。傳統(tǒng)的點采樣監(jiān)測方式雖然可以給出準(zhǔn)確的測量結(jié)果，但是既耗時又花費(fèi)高，并且無法提供大范圍面狀的水質(zhì)評估和實時的水質(zhì)狀況。遙感技術(shù)憑借探測范圍廣、成本低、周期性重復(fù)覆蓋等優(yōu)勢，在水體有機(jī)污染監(jiān)測中廣泛使用。

基于此，本文以深圳市3大水庫為研究對象，從具有更強(qiáng)穩(wěn)健性和普適性的輻射傳輸模型出發(fā)，根據(jù)光在水體內(nèi)部的輻射傳輸過程，通過測量獲得研究區(qū)水體固有光學(xué)參數(shù)，建立反射率與水質(zhì)參數(shù)CODMn之間的物理模型。選用GF-1WFV數(shù)據(jù)，反演3大水庫的CODMn濃度，分析CODMn濃度時空變化特征，提供水質(zhì)保護(hù)應(yīng)對策略分析，為深圳市飲用水源地水環(huán)境保護(hù)提供參考。

1研究區(qū)與數(shù)據(jù)

1.1研究區(qū)概況

深圳市位于東江流域下游，75%的飲用水源來自東江，主要的調(diào)蓄供水水庫有鐵崗水庫、西麗水庫、石巖水庫等。3大水庫位于東部引水工程末端（圖1（a）），庫容量分別為深圳市第1、第3和第4，水庫蓄水量大，可以很好代表深圳市水庫水質(zhì)狀況。石巖水庫有6條入庫支流，與石巖街道相鄰，南部建有鐵崗水庫—石巖水庫供水渠與鐵崗水庫相連。鐵崗水庫有4條入庫支流，東部有西鐵連通隧道與西麗水庫相連。西麗水庫主要調(diào)蓄深圳東部水源至鐵崗水庫。3大水庫緊靠深圳市建成區(qū)，庫區(qū)周邊分布一些小型加工廠和住宅，周圍用地大多為建筑用地、果園和菜園，外圍用地基本是經(jīng)濟(jì)林、農(nóng)田和水塘。3大水庫存在潛在的污染源威脅庫區(qū)水質(zhì)安全（圖1（b）），水庫基本概況見表1。

（a）深圳市河流、水庫分布（b）深圳市3大水庫位置

圖1深圳市3大水庫位置圖

表1石巖水庫、鐵崗水庫、西麗水庫概況

1.2現(xiàn)場水樣數(shù)據(jù)

CODMn現(xiàn)場樣點是采集表層（0—50cm）水樣，冷藏保存，同時利用GPS記錄每個采樣點坐標(biāo)。在采樣完畢后迅速送往實驗室，采用GB11901-89測定水樣中CODMn濃度。其測定原理為采用硫酸—高錳酸鉀消解體系，水樣經(jīng)沸水浴加熱消解后，加入過量草酸鈉，再用高錳酸鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液回滴，計算出高錳酸鹽指數(shù)。

1.3遙感數(shù)據(jù)

本研究選擇太陽同步回歸軌道的GF-1衛(wèi)星16m空間分辨率的多光譜CCD遙感數(shù)據(jù)。有4個波段，波段設(shè)置分別為藍(lán)光波段（450—520nm）、綠光波段（520—590nm）、紅光波段（630—690nm），近紅外波段（770—890nm），中心波長分別為514nm、546nm、656nm和822nm。

2 深圳水庫CODMn遙感反演

2.1光學(xué)參數(shù)測量

CODMn遙感反演模型的水體固定光學(xué)參數(shù)需要測量4類物質(zhì)的光學(xué)參數(shù)。純水吸收系數(shù)和散射系數(shù)參考方法進(jìn)行實驗。葉綠素、懸浮泥沙、耗氧性有機(jī)物吸收系數(shù)和散射系數(shù)測量參考方法，使用實驗室自主研制的消光系數(shù)測量裝置分別測量表1典型水體樣品的消光系數(shù)，根據(jù)光學(xué)深水中近似認(rèn)為h→∞，計算得到散射系數(shù)和吸收系數(shù)光譜。其中，耗氧性有機(jī)物吸收系數(shù)、散射系數(shù)光譜見圖3。根據(jù)波段設(shè)置，計算得到對應(yīng)波段的吸收和散射系數(shù)。

圖3耗氧性有機(jī)物吸收、散射系數(shù)

2.2數(shù)據(jù)預(yù)處理

數(shù)據(jù)預(yù)處理主要包括幾何糾正、輻射定標(biāo)、大氣糾正、水陸分離。

（1）幾何糾正以高空間分辨率的GoogleEarth影像為基準(zhǔn)，選擇的GCP點均勻分布在影像內(nèi)部。通過控制點的選擇，確保校正誤差小于0.5個像元。

（2）高分一號輻射定標(biāo)根據(jù)中國資源衛(wèi)星中心官網(wǎng)（http://www.cresda.cn）提供的2018年國產(chǎn)陸地觀測衛(wèi)星絕對輻射定標(biāo)系數(shù)，結(jié)合頭文件提供的衛(wèi)星圖像捕獲參數(shù)，將DN值轉(zhuǎn)換為行星反射率

式中，ρTOA是行星反射率，d是衛(wèi)星過境時的日地距離和平均日地距離的比值，F(xiàn)0是大氣層外太陽輻照度。

（3）大氣校正是準(zhǔn)確獲取水色參數(shù)的前提條件，本文針對高分一號波段設(shè)置，充分考慮天空光的下行散射影響。采用暗像元法，選擇圖幅內(nèi)水質(zhì)級別長期為Ⅰ級的開闊的清、深水體作為暗像元進(jìn)行大氣校正。

假設(shè)天空輻照度各向同性，地表是朗伯面反射，忽略大氣分子和氣溶膠的相互作用，天空光部分僅考慮瑞利散射作用。建立行星反射率與真實地物反射率（ρs）與的函數(shù)關(guān)系，形式如下

式中，大氣總散射系數(shù)ω由暗像元算出，忽略大氣的吸收作用，觀測方向的大氣透過率tu=1-ω，根據(jù)大氣光學(xué)厚度定義求出入射方向的大氣透過率td。為提高大氣校正精度，考慮大氣的非均質(zhì)性，選擇多個清、深水體像元，根據(jù)圖幅像元到各暗像元距離的權(quán)重，計算出各像元對應(yīng)的大氣校正參數(shù)，根據(jù)式子將行星反射率轉(zhuǎn)換為地物反射率。在大氣校正的同時，參考鄧孺孺等方法去除水面鏡面反射的信息。從影像上分別選擇水體和植被兩種典型地物樣本，對比大氣校正前后純像元反射率和實測地物反射率，對比結(jié)果如圖4所示。由圖4可以看出，大氣校正消除大氣散射光對藍(lán)、綠、紅波段反射率的增強(qiáng)，減弱大氣散射光對近紅外波段反射率的衰減。經(jīng)過大氣校正后，兩種典型地物的反射率與實測地物反射率很接近。

（a）大氣校正前后水體反射率同實測反射率對比

（b）大氣校正前后植被反射率同實測反射率對比

圖4大氣校正前后水體、植被反射率同實測值的比較

（4）水陸分離，提取水體部分，能夠突出水體部分的信息，有效提高運(yùn)算速度?；诠庾V特征的水體提取中，單波段或多波段閾值法簡單易用，由于GF-1衛(wèi)星WFV數(shù)據(jù)只有4個波段，綜合考慮，決定選用水體指數(shù)（NDWI）方法提取水體。NDWI方法是目前廣泛應(yīng)用的一種水體監(jiān)測方法，利用水體在綠光波段的高反射率和近紅外波段的低反射率特征，增強(qiáng)水體信息；利用植被、土壤在近紅外波段的高反射率特征，抑制植被、土壤信息。NDWI同時還可以提供水體濁度信息，在二類水體遙感監(jiān)測中，能有效增加水體提取精度。本文利用近紅外波段和綠波段中像元亮度值進(jìn)行計算，其定義：

NDWI=（Green-NIR）/（Green+NIR）

結(jié)合實際中存在渾濁度較高的水體，依據(jù)水體近紅外波段反射率大于綠光波段的特征，加入NIR設(shè)置水陸分割閾值。圖5顯示，深圳市3大水庫細(xì)節(jié)部分能成功提取，保證了水陸分離精度。

2.3特征波段選擇

從水體弱信息中提取CODMn的關(guān)鍵是利用敏感波段區(qū)分耗氧性有機(jī)物與水體其他組分。針對GF1WFV的波段設(shè)置，近紅外波段對應(yīng)耗氧性有機(jī)物散射太弱，水體光譜主要受到懸浮泥沙、水體自身吸收等的影響，難以提取CODMn微弱的信息，故排除。綠光波段對應(yīng)耗氧性有機(jī)物有反射峰值，對應(yīng)葉綠素和懸浮泥沙均表現(xiàn)為弱吸收、弱散射，將其列入特征波段；藍(lán)光和紅光波段可以提供足夠信息提取水體有機(jī)物含量，故將藍(lán)光和紅光波段加入特征波段。綜上，最終確定CODMn特征波段是藍(lán)、綠、紅3個波段。

圖52019年1月25日影像水陸分離結(jié)果圖

2.4CODMn反演

數(shù)據(jù)預(yù)處理后，得到遙感反射率影像。通過下式轉(zhuǎn)換為水面以下的反射率?？紤]深圳地區(qū)水庫水深較大，可以認(rèn)定為光學(xué)深水，近似認(rèn)為h→∞，忽略底質(zhì)影響。根據(jù)研究區(qū)光學(xué)深水的特性，簡化CODMn遙感反演模型得到：

考慮深圳地區(qū)水庫水深較大，可以認(rèn)定為光學(xué)深水，近似認(rèn)為h→∞，忽略底質(zhì)影響。根據(jù)研究區(qū)光學(xué)深水的特性，簡化CODMn遙感反演模型得到：

水體散射相函數(shù)按照瑞利散射的散射相函數(shù)進(jìn)行計算。將實驗測量的純水、耗氧性有機(jī)物、葉綠素、懸浮泥沙光學(xué)參數(shù)數(shù)值參考式，結(jié)合藍(lán)、綠、紅共3個波段建立3個方程組，聯(lián)立求解水體綜合光學(xué)參數(shù)，來得到整幅影像的CODMn濃度Dp。影像CODMn濃度提取圖進(jìn)行密度分割將濃度分級，得到圖6。

（a）2018年3月11日CODMn濃度反演結(jié)果與驗證點分布

（b）2019年1月25日CODMn濃度反演結(jié)果與驗證點分布

圖6CODMn濃度反演結(jié)果與驗證點分布

3結(jié) 論

CODMn作為《國家地表水監(jiān)測及評價方案》中9大基本監(jiān)測指標(biāo)之一，直接參與水質(zhì)評價。CODMn濃度的準(zhǔn)確和長期監(jiān)測對水環(huán)境保護(hù)和治理具有重要意義。針對目前CODMn反演局限在依賴大量實測數(shù)據(jù)的經(jīng)驗?zāi)Ｐ停疚幕谳椛鋫鬏斣?，考慮廣東省內(nèi)陸水體特征，將影響研究區(qū)水色反演的主要水質(zhì)組分：懸浮泥沙、葉綠素、耗氧性有機(jī)物考慮到模型中，測量耗氧性有機(jī)物光學(xué)參數(shù)，建立地物反射率與CODMn濃度之間模型。通過對深圳市3大水庫CODMn濃度進(jìn)行定量反演，經(jīng)過地面測量數(shù)據(jù)驗證，決定系數(shù)R2達(dá)到0.832，均方根誤差較低，模型方法可靠。本文模型方法與線性回歸法、波段比值法等經(jīng)驗?zāi)Ｐ拖啾?，?yōu)點在于模型中參數(shù)意義明確，反演機(jī)理清晰，計算相對簡單，可以通過改變不同地區(qū)水體光學(xué)固有參數(shù)來適應(yīng)不同的地區(qū)的水體CODMn濃度反演。

對深圳3大水庫CODMn濃度時空分布進(jìn)行研究，主要得出以下結(jié)論：深圳3大水庫的水質(zhì)整體受到輕度有機(jī)污染，CODMn高值區(qū)多位于庫角處。水庫間連接處未出現(xiàn)污染轉(zhuǎn)移擴(kuò)散情況。隨著時間推進(jìn)，3大水庫水質(zhì)情況得到改善。結(jié)合2019年5月份水質(zhì)結(jié)果，驗證深圳市政府2018年度水質(zhì)整治專項措施有效性。經(jīng)清理水庫周邊違建、轉(zhuǎn)移居民等切斷潛在外源污染體后，3大水庫水質(zhì)得到改善。水庫水質(zhì)保護(hù)的核心是控制外源污染，避免豐水期污染源的輸入。

本文在進(jìn)行CODMn濃度反演時，僅依賴一組水體固有光學(xué)參數(shù)，而水體固有光學(xué)特性存在著季節(jié)差異，可能會產(chǎn)生一定的誤差，后續(xù)將充分研究水體固有光學(xué)參數(shù)的變化模式，以提高模型的穩(wěn)健性。另外，本文模型應(yīng)用在內(nèi)陸淺水時，引入水底反射的影響，造成模型未知變量過多，需要更多波段的遙感數(shù)據(jù)，有待開展更多譜段的衛(wèi)星數(shù)據(jù)如高分六號在淺水CODMn反演方面的研究。

審核編輯 黃昊宇