深圳市水庫CODMn濃度時空分布特征2.0

0國內(nèi)外水質(zhì)遙感研究現(xiàn)狀

國內(nèi)外學(xué)者都對水質(zhì)遙感中的有機污染情況進行研究。國外，有科研人員建立了一套光譜反射率與水質(zhì)參數(shù)的經(jīng)驗關(guān)系，同時反演內(nèi)陸水體的葉綠素、懸浮物、CDOM，并在巴拉頓湖得到應(yīng)用；有的科研人員構(gòu)建水質(zhì)參數(shù)WQI模型追蹤淡水系統(tǒng)中的有機污染；還有科研人員使用高分辨率成像光譜監(jiān)測舊金山灣三角洲河口重要水質(zhì)指標，包括濁度、懸浮顆粒、CDOM、葉綠素等。國內(nèi)，有的科研人員利用野外實測光譜及同步的實測數(shù)據(jù)建立蘇南大運河COD含量的線性回歸模型；結(jié)合TM影像和現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)反演深圳市水庫生物需氧量和化學(xué)耗氧量；有的科研人員利用Landsat5TM數(shù)據(jù)，建立了土耳其的Kucukcekmece湖衛(wèi)星反射率與COD、葉綠素a等水質(zhì)參數(shù)的多元回歸關(guān)系；還有的科研人員使用高分辨率成像光譜監(jiān)測舊金山灣三角洲河口重要水質(zhì)指標，包括濁度、懸浮顆粒、CDOM、葉綠素等。在國內(nèi)，有的科研人員利用野外實測光譜及同步的實測數(shù)據(jù)建立蘇南大運河COD含量的線性回歸模型；有的科研人員結(jié)合TM影像和現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)反演深圳市水庫生物需氧量和化學(xué)耗氧量；有的科研人員用SeaWiFS離水反射率數(shù)據(jù)反演珠江口水體綜合污染指數(shù)，其結(jié)果與WQL圖具有相似分布；有的科研人員基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)利用TM數(shù)據(jù)反演內(nèi)陸水體的多項水質(zhì)因子；有的科研人員通過反演水體CDOM光學(xué)量，基于相關(guān)性分析估算遼東灣水體COD含量；還有的科研人員使用融合高空間分辨率影像和高光譜影像的經(jīng)驗算法來監(jiān)測水體溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)（CODMn）和氨濃度。目前的有機污染遙感研究主要基于經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，依賴覆蓋各種環(huán)境條件的大量實測數(shù)據(jù)，受到時間和地區(qū)的限制；有機污染程度評價主要利用污染指數(shù)、化學(xué)需氧量、CDOM光學(xué)量等水質(zhì)參數(shù)不明確的綜合指標表示

1 CODMn遙感反演原理

1.1水體光譜特征

考慮到3大水庫與廣東省內(nèi)陸水體水質(zhì)因子物質(zhì)來源類似，在廣東省內(nèi)陸水域選擇典型單一類型主導(dǎo)的水體樣品進行測量，可認為其隔離了其他物質(zhì)干擾，典型水體樣品水質(zhì)參數(shù)見表2，其平均離水反射率的曲線見圖2。

表2野外典型水體樣品水質(zhì)參數(shù)

圖2典型水體樣品離水反射率

耗氧性有機物對水體光譜的影響主要表現(xiàn)為吸收性，與葉綠素和懸浮泥沙對水體反射率的增強作用相反。耗氧性有機物的吸收包括溶解性有機物的吸收和有機碎屑顆粒物的吸收，對可見光的吸收作用很強。隨著水體有機污染程度增加，水體可見光范圍內(nèi)的離水反射率變低，水體顏色加深，達到藍黑、甚至黑色?？梢姽夤庾V內(nèi)，對綠光、紅光波段影響最為明顯，降幅最大。在420—520nm波段范圍內(nèi)，CODMn濃度與水體反射率呈負相關(guān)；在550—580nm波段范圍內(nèi)，受到有機污染水體反射率出現(xiàn)峰值，而波峰較正常水體平緩；在700nm的反射率變大，在污染程度較大時，不具備明顯反射峰。耗氧性有機物的存在明顯影響到水體光譜特征。

1.2CODMn指數(shù)

CODMn指數(shù)是指在一定條件下，用高錳酸鉀氧化水樣中耗氧性有機物和還原性無機物所消耗的氧量。在水體交換能力強的地表水中，由于表層水與大氣氧直接接觸，致使大多數(shù)還原性無機物難以留存，CODMn指數(shù)常用來反映的是水體被耗氧性有機物污染的程度。

在中國，CODMn、溶解氧、生物需氧量等水質(zhì)參數(shù)被用來反映水體有機污染程度。由于水體中溶解氧易受到溫度的顯著影響，生物需氧量受細菌種類和其他因素的影響，CODMn更能反映水體有機污染程度。對于有機污染物含量較低的水體，適合用高錳酸鹽指數(shù)（CODMn）法進行評價。CODMn作為一個綜合指標，評價內(nèi)容不僅包含可溶性有機物，還包含不溶于水的顆粒有機物和膠狀腐殖質(zhì)。當CODMn值超過4mg/L時，表明水體已經(jīng)受到有機物的污染。

2結(jié)果與分析

上周文章研究對深圳市3大水庫CODMn濃度反演與驗證，本周將對結(jié)果進行分析研究。

在一定區(qū)域內(nèi)物質(zhì)來源穩(wěn)定的情況下，耗氧性有機物的光學(xué)參數(shù)也是穩(wěn)定的，本文基于廣東省內(nèi)陸水域反演結(jié)果來評價CODMn反演模型的精度和可靠度。由于水質(zhì)污染情況穩(wěn)定，日期間隔較短，本次研究驗證數(shù)據(jù)來自廣東省水文局惠州水文分局提供的準同步的監(jiān)測站數(shù)據(jù)和取水樣分析數(shù)據(jù)。對比2018年3月11日、2019年1月25日CODMn濃度模型反演結(jié)果與實測真實值，兩次模型驗證點分別為15個和21個，驗證點分布位置如圖6所示，驗證點實測值與模型反演值見表3。

表3實測值與模型值統(tǒng)計對比

（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

采用統(tǒng)計指標決定系數(shù)R2、相對誤差RE和均方根誤差RMSE作為檢驗?zāi)Ｐ途鹊臉藴省?/p>

實測值與模型反演結(jié)果線性關(guān)系明顯（圖7），決定系數(shù)R2分別為0.832和0.815，RMSE均方根誤差分別為0.464mg/L和2.220mg/L。2019年的驗證中，17號點的誤差最大，遠高于實測值結(jié)果。經(jīng)實地考察，17號點匯入支流較多，且支流水質(zhì)較差，有水質(zhì)不穩(wěn)定的情況，如圖8所示。從模型精度評價來看，模型應(yīng)用在廣東省內(nèi)陸水體的多個時相，CODMn反演結(jié)果的空間規(guī)律與實際規(guī)律一致，且反演精度較優(yōu)，說明基于廣東省內(nèi)陸水體的光學(xué)特征，從輻射傳輸機理出發(fā)建立的CODMn遙感反演模型能很好地應(yīng)用在具有相似物質(zhì)來源的水域中。驗證結(jié)果表明本文建立的遙感反演模型方法可靠，能應(yīng)用在深圳市3大水庫的CODMn濃度反演，結(jié)果有效。

（a）2018年3月11日（b）2019年1月25日

圖7模型反演值與實測值對比

圖817、18號遙感反演結(jié)果與實地考察照片對比

2.1空間分布特征

圖9顯示，深圳3大水庫CODMn整體濃度不高，受到輕度有機污染，僅在庫角處出現(xiàn)濃度高值，高值區(qū)濃度一般為14.1—17.6mg/L，峰值可以達到24.0mg/L。3大水庫整體。石巖水庫的庫東南與石巖河相接靠近居民區(qū)的位置出現(xiàn)大范圍有機污染，由于庫壩隔離，CODMn濃度出現(xiàn)明顯線性隔斷（圖9（a）、（e））。鐵崗水庫多處庫角都顯示CODMn濃度偏高，主要是庫西南角、庫北、庫西北，雖然庫北與石巖水庫相通，但由石巖水庫連接處水質(zhì)推斷，受到有機污染水體來源并非石巖水庫。西麗水庫主要是庫東和庫北處CODMn濃度高，分別位于與東江和白芒河相連接處。深圳3大水庫中，污染面積較大的是石巖水庫，鐵崗水庫和西麗水庫水質(zhì)污染程度情況相對較低。

表4模型反演值與實測值的誤差

圖92018年3月—2019年5月CODMn濃度反演結(jié)果

深圳3大水庫CODMn濃度空間分布特征是總體有機污染程度較輕，但在局部庫角出現(xiàn)CODMn濃度高值，主要是分布在與河流連接處。結(jié)合水庫周邊土地利用類型，受污染處多接近生活區(qū)，臨近處有建筑物，推測主要受人類活動影響。

2.2時間分布特征

選擇2018年3月11日—2019年5月12日共計6景影像，包括4個季節(jié)。根據(jù)深圳市氣象特征劃分，4—9月為豐水期，10—11月為平水期，12—3月為枯水期。3大水庫CODMn濃度峰值和平均值的變化如表5所示，最小的濃度峰值出現(xiàn)在2018年7月。在豐水期，3大水庫CODMn平均濃度和庫角CODMn濃度都明顯低于枯水期和平水期，且有機污染范圍減小。結(jié)合氣象監(jiān)測結(jié)果，由于前一天的降雨，庫區(qū)水域面積增大，降雨對污染物的稀釋作用明顯。四季中，3大水庫CODMn濃度平均值在11月最高，在7月和1月最低，秋冬季節(jié)CODMn濃度峰值明顯高于夏季。2018年3月至11月，石巖—鐵崗水庫耗氧性有機物有向南轉(zhuǎn)移的趨勢，但庫區(qū)CODMn濃度平均值呈降低的趨勢。從年度變化來看，2018年—2019年3大水庫有機污染總體減弱，水質(zhì)得到改善，至2019年5月CODMn平均濃度達到2.27mg/L，濃度分布較均勻，無明顯濃度差異，庫角處幾乎無濃度峰值出現(xiàn)。

表5深圳市3大水庫CODMn濃度峰值和平均值

2.3水質(zhì)保護應(yīng)對策略分析

石巖、鐵崗、西麗水庫水體均位于飲用水水源保護區(qū)內(nèi)，水質(zhì)保護效果較好，據(jù)2018年度深圳市環(huán)境狀況公報，西麗水庫、鐵崗水庫水質(zhì)達到國家地表水Ⅱ類標準，石巖水庫水質(zhì)達到國家地表水Ⅲ類標準。但深圳的飲用水水源地仍存在用地規(guī)劃靠近水源保護區(qū)，水源保護區(qū)內(nèi)留有大量建筑物的現(xiàn)象，如圖10（a）所示。

（a）2018年9月29日石巖水庫Google影像（b）2019年1月17日違建拆除后影像

圖10石巖水庫保護區(qū)違建拆除前后對比

2018年，深圳市政府進行年度治水提質(zhì)大會戰(zhàn)，解決全市集中式飲用水水源地89項問題，拆除水庫保護區(qū)違建、關(guān)停保護區(qū)工業(yè)企業(yè)、整治面源污染。其中石巖水庫保護區(qū)部分違建拆除情況如圖10所示。經(jīng)過一年的專項整治，2018年3月—2019年5月深圳市3大水庫水質(zhì)出現(xiàn)好轉(zhuǎn)，如圖9所示。

3大水庫鄰近陸地土地利用類型多樣，有工業(yè)用地、居民用地、農(nóng)業(yè)用地等，受人類活動影響不可避免。同時，蓄積在庫內(nèi)的內(nèi)源污染會在無外源污染輸入及上層水質(zhì)較好的情況下爆發(fā)水質(zhì)污染。水庫底泥中有機質(zhì)、氮和磷含量較高，可以在短時間內(nèi)消耗上覆水體的溶解氧，造成水體CODMn濃度急劇變化。針對內(nèi)源污染狀況，可以采取疏浚底泥、修建人工濕地，加強水庫水體生態(tài)環(huán)境的自我修復(fù)能力。結(jié)合遙感影像，水庫周邊面源污染源供給和人類活動對深圳市3大水庫CODMn有著決定性貢獻，3大水庫水質(zhì)保護的核心是控制外源污染體，特別是豐水期，避免污染源的輸入。

審核編輯 黃昊宇