深圳市水庫CODMn濃度時(shí)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(duì)水質(zhì)遙感中的有機(jī)污染情況進(jìn)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(yàn)關(guān)系，同時(shí)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(jī)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(biāo)，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(shí)測光譜及同步的實(shí)測數(shù)據(jù)建立蘇南大運(yùn)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(biāo)，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(shí)測光譜及同步的實(shí)測數(shù)據(jù)建立蘇南大運(yùn)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(xiàng)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(yàn)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(jī)污染遙感研究主要基于經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停蕾嚫采w各種環(huán)境條件的大量實(shí)測數(shù)據(jù)，受到時(shí)間和地區(qū)的限制；有機(jī)污染程度評(píng)價(jià)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(biāo)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(jìn)行測量，可認(rèn)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(jī)物對(duì)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(duì)水體反射率的增強(qiáng)作用相反。耗氧性有機(jī)物的吸收包括溶解性有機(jī)物的吸收和有機(jī)碎屑顆粒物的吸收，對(duì)可見光的吸收作用很強(qiáng)。隨著水體有機(jī)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(dá)到藍(lán)黑、甚至黑色?？梢姽夤庾V內(nèi)，對(duì)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(fù)相關(guān)；在550—580nm波段范圍內(nèi)，受到有機(jī)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(shí)，不具備明顯反射峰。耗氧性有機(jī)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(jī)物和還原性無機(jī)物所消耗的氧量。在水體交換能力強(qiáng)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(jī)物難以留存，CODMn指數(shù)常用來反映的是水體被耗氧性有機(jī)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(jī)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(xì)菌種類和其他因素的影響，CODMn更能反映水體有機(jī)污染程度。對(duì)于有機(jī)污染物含量較低的水體，適合用高錳酸鹽指數(shù)（CODMn）法進(jìn)行評(píng)價(jià)。CODMn作為一個(gè)綜合指標(biāo)，評(píng)價(jià)內(nèi)容不僅包含可溶性有機(jī)物，還包含不溶于水的顆粒有機(jī)物和膠狀腐殖質(zhì)。當(dāng)CODMn值超過4mg/L時(shí)，表明水體已經(jīng)受到有機(jī)物的污染。

2結(jié)果與分析

上周文章研究對(duì)深圳市3大水庫CODMn濃度反演與驗(yàn)證，本周將對(duì)結(jié)果進(jìn)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(jī)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(píng)價(jià)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(yàn)證數(shù)據(jù)來自廣東省水文局惠州水文分局提供的準(zhǔn)同步的監(jiān)測站數(shù)據(jù)和取水樣分析數(shù)據(jù)。對(duì)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(shí)測真實(shí)值，兩次模型驗(yàn)證點(diǎn)分別為15個(gè)和21個(gè)，驗(yàn)證點(diǎn)分布位置如圖6所示，驗(yàn)證點(diǎn)實(shí)測值與模型反演值見表3。

表3實(shí)測值與模型值統(tǒng)計(jì)對(duì)比

（a）2018年3月11日CODMn濃度反演結(jié)果與驗(yàn)證點(diǎn)分布

（b）2019年1月25日CODMn濃度反演結(jié)果與驗(yàn)證點(diǎn)分布

圖6CODMn濃度反演結(jié)果與驗(yàn)證點(diǎn)分布

采用統(tǒng)計(jì)指標(biāo)決定系數(shù)R2、相對(duì)誤差RE和均方根誤差RMSE作為檢驗(yàn)?zāi)Ｐ途鹊臉?biāo)準(zhǔn)。

實(shí)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(yàn)證中，17號(hào)點(diǎn)的誤差最大，遠(yuǎn)高于實(shí)測值結(jié)果。經(jīng)實(shí)地考察，17號(hào)點(diǎn)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(píng)價(jià)來看，模型應(yīng)用在廣東省內(nèi)陸水體的多個(gè)時(shí)相，CODMn反演結(jié)果的空間規(guī)律與實(shí)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(jī)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(yàn)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(shí)測值對(duì)比

圖817、18號(hào)遙感反演結(jié)果與實(shí)地考察照片對(duì)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(jī)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(dá)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(jī)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(jī)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(duì)較低。

表4模型反演值與實(shí)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(jī)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(dòng)影響。

2.2時(shí)間分布特征

選擇2018年3月11日—2019年5月12日共計(jì)6景影像，包括4個(gè)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(jī)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(duì)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(jī)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(jī)污染總體減弱，水質(zhì)得到改善，至2019年5月CODMn平均濃度達(dá)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(hù)應(yīng)對(duì)策略分析

石巖、鐵崗、西麗水庫水體均位于飲用水水源保護(hù)區(qū)內(nèi)，水質(zhì)保護(hù)效果較好，據(jù)2018年度深圳市環(huán)境狀況公報(bào)，西麗水庫、鐵崗水庫水質(zhì)達(dá)到國家地表水Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)，石巖水庫水質(zhì)達(dá)到國家地表水Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)。但深圳的飲用水水源地仍存在用地規(guī)劃靠近水源保護(hù)區(qū)，水源保護(hù)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(hù)區(qū)違建拆除前后對(duì)比

2018年，深圳市政府進(jìn)行年度治水提質(zhì)大會(huì)戰(zhàn)，解決全市集中式飲用水水源地89項(xiàng)問題，拆除水庫保護(hù)區(qū)違建、關(guān)停保護(hù)區(qū)工業(yè)企業(yè)、整治面源污染。其中石巖水庫保護(hù)區(qū)部分違建拆除情況如圖10所示。經(jīng)過一年的專項(xiàng)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(dòng)影響不可避免。同時(shí)，蓄積在庫內(nèi)的內(nèi)源污染會(huì)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(jī)質(zhì)、氮和磷含量較高，可以在短時(shí)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(duì)內(nèi)源污染狀況，可以采取疏浚底泥、修建人工濕地，加強(qiáng)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(dòng)對(duì)深圳市3大水庫CODMn有著決定性貢獻(xiàn)，3大水庫水質(zhì)保護(hù)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