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深圳市水库CODMn浓度时空分布特征2.0

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0国内外水质遥感研究现状

内外学者都对水质遥感中的有机污染情况进行研究。国外,有科研人员建立了一套光谱反射率与水质参数的经验关系,同时反演内陆水体的叶绿素、悬浮物、CDOM,并在巴拉顿湖得到应用;有的科研人员构建水质参数WQI模型追踪淡水系统中的有机污染;还有科研人员使用高分辨率成像光谱监测旧金山湾三角洲河口重要水质指标,包括浊度、悬浮颗粒、CDOM、叶绿素等。国内,有的科研人员利用野外实测光谱及同步的实测数据建立苏南大运河COD含量的线性回归模型;结合TM影像和现场测量数据反演深圳市水库生物需氧量和化学耗氧量;有的科研人员利用Landsat 5TM数据,建立了土耳其的Kucukcekmece湖卫星反射率与COD、叶绿素a等水质参数的多元回归关系;还有的科研人员使用高分辨率成像光谱监测旧金山湾三角洲河口重要水质指标,包括浊度、悬浮颗粒、CDOM、叶绿素等。在国内,有的科研人员利用野外实测光谱及同步的实测数据建立苏南大运河COD含量的线性回归模型;有的科研人员结合TM影像和现场测量数据反演深圳市水库生物需氧量和化学耗氧量;有的科研人员用SeaWiFS离水反射率数据反演珠江口水体综合污染指数,其结果与WQL图具有相似分布;有的科研人员基于神经网络技术利用TM数据反演内陆水体的多项水质因子;有的科研人员通过反演水体CDOM光学量,基于相关性分析估算辽东湾水体COD含量;还有的科研人员使用融合高空间分辨率影像和高光谱影像的经验算法来监测水体溶解氧、高锰酸盐指数(CODMn)和氨浓度。目前的有机污染遥感研究主要基于经验模型,依赖覆盖各种环境条件的大量实测数据,受到时间和地区的限制;有机污染程度评价主要利用污染指数、化学需氧量、CDOM光学量等水质参数不明确的综合指标表示

1 CODMn遥感反演原理

1.1 水体光谱特征

考虑到3大水库与广东省内陆水体水质因子物质来源类似,在广东省内陆水域选择典型单一类型主导的水体样品进行测量,可认为其隔离了其他物质干扰,典型水体样品水质参数见表2,其平均离水反射率的曲线见图2

2野外典型水体样品水质参数

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典型水体样品离水反射率

耗氧性有机物对水体光谱的影响主要表现为吸收性,与叶绿素和悬浮泥沙对水体反射率的增强作用相反。耗氧性有机物的吸收包括溶解性有机物的吸收和有机碎屑颗粒物的吸收,对可见光的吸收作用很强。随着水体有机污染程度增加,水体可见光范围内的离水反射率变低,水体颜色加深,达到蓝黑、甚至黑色。可见光光谱内,对绿光、红光波段影响最为明显,降幅最大。在420520nm波段范围内,CODMn浓度与水体反射率呈负相关;在550580nm波段范围内,受到有机污染水体反射率出现峰值,而波峰较正常水体平缓;在700nm的反射率变大,在污染程度较大时,不具备明显反射峰。耗氧性有机物的存在明显影响到水体光谱特征。

1.2 CODMn指数

CODMn指数是指在一定条件下,用高锰酸钾氧化水样中耗氧性有机物和还原性无机物所消耗的氧量。在水体交换能力强的地表水中,由于表层水与大气氧直接接触,致使大多数还原性无机物难以留存,CODMn指数常用来反映的是水体被耗氧性有机物污染的程度。

在中国,CODMn、溶解氧、生物需氧量等水质参数被用来反映水体有机污染程度。由于水体中溶解氧易受到温度的显著影响,生物需氧量受细菌种类和其他因素的影响,CODMn更能反映水体有机污染程度。对于有机污染物含量较低的水体,适合用高锰酸盐指数(CODMn)法进行评价。CODMn作为一个综合指标,评价内容不仅包含可溶性有机物,还包含不溶于水的颗粒有机物和胶状腐殖质。当CODMn值超过4mg/L时,表明水体已经受到有机物的污染。

2结果与分析

上周文章研究对深圳市3大水库CODMn浓度反演与验证,本周将对结果进行分析研究。

在一定区域内物质来源稳定的情况下,耗氧性有机物的光学参数也是稳定的,本文基于广东省内陆水域反演结果来评价CODMn反演模型的精度和可靠度。由于水质污染情况稳定,日期间隔较短,本次研究验证数据来自广东省水文局惠州水文分局提供的准同步的监测站数据和取水样分析数据。对比2018311日、2019125CODMn浓度模型反演结果与实测真实值,两次模型验证点分别为15个和21个,验证点分布位置如图6所示,验证点实测值与模型反演值见表3

实测值与模型值统计对比

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a2018311CODMn浓度反演结果与验证点分布

b2019125CODMn浓度反演结果与验证点分布

6 CODMn浓度反演结果与验证点分布

采用统计指标决定系数R2、相对误差RE和均方根误差RMSE作为检验模型精度的标准。

实测值与模型反演结果线性关系明显(图7),决定系数R2分别为0.8320.815RMSE均方根误差分别为0.464mg/L2.220mg/L2019年的验证中,17号点的误差最大,远高于实测值结果。经实地考察,17号点汇入支流较多,且支流水质较差,有水质不稳定的情况,如图8所示。从模型精度评价来看,模型应用在广东省内陆水体的多个时相,CODMn反演结果的空间规律与实际规律一致,且反演精度较优,说明基于广东省内陆水体的光学特征,从辐射传输机理出发建立的CODMn遥感反演模型能很好地应用在具有相似物质来源的水域中。验证结果表明本文建立的遥感反演模型方法可靠,能应用在深圳市3大水库的CODMn浓度反演,结果有效。

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a2018311         b2019125

7模型反演值与实测值对比

 

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8  1718号遥感反演结果与实地考察照片对比

2.1 空间分布特征

9显示,深圳3大水库CODMn整体浓度不高,受到轻度有机污染,仅在库角处出现浓度高值,高值区浓度一般为14.117.6mg/L,峰值可以达到24.0mg/L3大水库整体。石岩水库的库东南与石岩河相接靠近居民区的位置出现大范围有机污染,由于库坝隔离,CODMn浓度出现明显线性隔断(图9a)、(e))。铁岗水库多处库角都显示CODMn浓度偏高,主要是库西南角、库北、库西北,虽然库北与石岩水库相通,但由石岩水库连接处水质推断,受到有机污染水体来源并非石岩水库。西丽水库主要是库东和库北处CODMn浓度高,分别位于与东江和白芒河相连接处。深圳3大水库中,污染面积较大的是石岩水库,铁岗水库和西丽水库水质污染程度情况相对较低。

模型反演值与实测值的误差

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9  20183月—20195CODMn浓度反演结果

深圳3大水库CODMn浓度空间分布特征是总体有机污染程度较轻,但在局部库角出现CODMn浓度高值,主要是分布在与河流连接处。结合水库周边土地利用类型,受污染处多接近生活区,临近处有建筑物,推测主要受人类活动影响。

2.2 时间分布特征

选择2018311日—2019512日共计6景影像,包括4个季节。根据深圳市气象特征划分,49月为丰水期,1011月为平水期,123月为枯水期。3大水库CODMn浓度峰值和平均值的变化如表5所示,最小的浓度峰值出现在20187月。在丰水期,3大水库CODMn平均浓度和库角CODMn浓度都明显低于枯水期和平水期,且有机污染范围减小。结合气象监测结果,由于前一天的降雨,库区水域面积增大,降雨对污染物的稀释作用明显。四季中,3大水库CODMn浓度平均值在11月最高,在7月和1月最低,秋冬季节CODMn浓度峰值明显高于夏季。20183月至11月,石岩—铁岗水库耗氧性有机物有向南转移的趋势,但库区CODMn浓度平均值呈降低的趋势。从年度变化来看,2018年—20193大水库有机污染总体减弱,水质得到改善,至20195CODMn平均浓度达到2.27mg/L,浓度分布较均匀,无明显浓度差异,库角处几乎无浓度峰值出现。

深圳市3大水库CODMn浓度峰值和平均值

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2.3 水质保护应对策略分析

石岩、铁岗、西丽水库水体均位于饮用水水源保护区内,水质保护效果较好,据2018年度深圳市环境状况公报,西丽水库、铁岗水库水质达到国家地表水Ⅱ类标准,石岩水库水质达到国家地表水Ⅲ类标准。但深圳的饮用水水源地仍存在用地规划靠近水源保护区,水源保护区内留有大量建筑物的现象,如图10a)所示。

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a2018929日石岩水库Google影像(b2019117日违建拆除后影像

10 石岩水库保护区违建拆除前后对比

2018年,深圳市政府进行年度治水提质大会战,解决全市集中式饮用水水源地89项问题,拆除水库保护区违建、关停保护区工业企业、整治面源污染。其中石岩水库保护区部分违建拆除情况如图10所示。经过一年的专项整治,20183月—20195月深圳市3大水库水质出现好转,如图9所示。

3大水库邻近陆地土地利用类型多样,有工业用地、居民用地、农业用地等,受人类活动影响不可避免。同时,蓄积在库内的内源污染会在无外源污染输入及上层水质较好的情况下爆发水质污染。水库底泥中有机质、氮和磷含量较高,可以在短时间内消耗上覆水体的溶解氧,造成水体CODMn浓度急剧变化。针对内源污染状况,可以采取疏浚底泥、修建人工湿地,加强水库水体生态环境的自我修复能力。结合遥感影像,水库周边面源污染源供给和人类活动对深圳市3大水库CODMn有着决定性贡献,3大水库水质保护的核心是控制外源污染体,特别是丰水期,避免污染源的输入。

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