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0國內外水質遙感研究現狀
國內外學者都對水質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參數的經驗關系，同時反演內陸水體的葉綠素、懸浮物、CDOM，并在巴拉頓湖得到應用；有的科研人員構建水質參數WQI模型追蹤淡水系統中的有機污染；還有科研人員使用高分辨率成像光譜監測舊金山灣三角洲河口重要水質指標，包括濁度、懸浮顆粒、CDOM、葉綠素等。國內，有的科研人員利用野外實測光譜及同步的實測數據建立蘇南大運河COD含量的線性回歸模型；結合TM影像和現場測量數據反演深圳市水庫生物需氧量和化學耗氧量；有的科研人員利用Landsat 5TM數據，建立了土耳其的Kucukcekmece湖衛星反射率與COD、葉綠素a等水質參數的多元回歸關系；還有的科研人員使用高分辨率成像光譜監測舊金山灣三角洲河口重要水質指標，包括濁度、懸浮顆粒、CDOM、葉綠素等。在國內，有的科研人員利用野外實測光譜及同步的實測數據建立蘇南大運河COD含量的線性回歸模型；有的科研人員結合TM影像和現場測量數據反演深圳市水庫生物需氧量和化學耗氧量；有的科研人員用SeaWiFS離水反射率數據反演珠江口水體綜合污染指數，其結果與WQL圖具有相似分布；有的科研人員基于神經網絡技術利用TM數據反演內陸水體的多項水質因子；有的科研人員通過反演水體CDOM光學量，基于相關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驗算法來監測水體溶解氧、高錳酸鹽指數（CODMn）和氨濃度。目前的有機污染遙感研究主要基于經驗模型，依賴覆蓋各種環境條件的大量實測數據，受到時間和地區的限制；有機污染程度評價主要利用污染指數、化學需氧量、CDOM光學量等水質參數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大水庫與廣東省內陸水體水質因子物質來源類似，在廣東省內陸水域選擇典型單一類型主導的水體樣品進行測量，可認為其隔離了其他物質干擾，典型水體樣品水質參數見表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參數
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，水體可見光范圍內的離水反射率變低，水體顏色加深，達到藍黑、甚至黑色。可見光光譜內，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，CODMn濃度與水體反射率呈負相關；在550—580nm波段范圍內，受到有機污染水體反射率出現峰值，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。
1.2 CODMn指數
CODMn指數是指在一定條件下，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，致使大多數還原性無機物難以留存，CODMn指數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、生物需氧量等水質參數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（CODMn）法進行評價。CODMn作為一個綜合指標，評價內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。當CODMn值超過4mg/L時，表明水體已經受到有機物的污染。
2結果與分析
上周文章研究對深圳市3大水庫CODMn濃度反演與驗證，本周將對結果進行分析研究。
在一定區域內物質來源穩定的情況下，耗氧性有機物的光學參數也是穩定的，本文基于廣東省內陸水域反演結果來評價CODMn反演模型的精度和可靠度。由于水質污染情況穩定，日期間隔較短，本次研究驗證數據來自廣東省水文局惠州水文分局提供的準同步的監測站數據和取水樣分析數據。對比2018年3月11日、2019年1月25日CODMn濃度模型反演結果與實測真實值，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 實測值與模型值統計對比
（a）2018年3月11日CODMn濃度反演結果與驗證點分布
（b）2019年1月25日CODMn濃度反演結果與驗證點分布
圖6 CODMn濃度反演結果與驗證點分布
采用統計指標決定系數R2、相對誤差RE和均方根誤差RMSE作為檢驗模型精度的標準。
實測值與模型反演結果線性關系明顯（圖7），決定系數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，遠高于實測值結果。經實地考察，17號點匯入支流較多，且支流水質較差，有水質不穩定的情況，如圖8所示。從模型精度評價來看，模型應用在廣東省內陸水體的多個時相，CODMn反演結果的空間規律與實際規律一致，且反演精度較優，說明基于廣東省內陸水體的光學特征，從輻射傳輸機理出發建立的CODMn遙感反演模型能很好地應用在具有相似物質來源的水域中。驗證結果表明本文建立的遙感反演模型方法可靠，能應用在深圳市3大水庫的CODMn濃度反演，結果有效。
（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8 17、18號遙感反演結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，僅在庫角處出現濃度高值，高值區濃度一般為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的位置出現大范圍有機污染，由于庫壩隔離，CODMn濃度出現明顯線性隔斷（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9 2018年3月—2019年5月CODMn濃度反演結果
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CODMn濃度高值，主要是分布在與河流連接處。結合水庫周邊土地利用類型，受污染處多接近生活區，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。根據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。結合氣象監測結果，由于前一天的降雨，庫區水域面積增大，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移的趨勢，但庫區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。
表5 深圳市3大水庫CODMn濃度峰值和平均值
2.3 水質保護應對策略分析
石巖、鐵崗、西麗水庫水體均位于飲用水水源保護區內，水質保護效果較好，據2018年度深圳市環境狀況公報，西麗水庫、鐵崗水庫水質達到國家地表水Ⅱ類標準，石巖水庫水質達到國家地表水Ⅲ類標準。但深圳的飲用水水源地仍存在用地規劃靠近水源保護區，水源保護區內留有大量建筑物的現象，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 石巖水庫保護區違建拆除前后對比
2018年，深圳市政府進行年度治水提質大會戰，解決全市集中式飲用水水源地89項問題，拆除水庫保護區違建、關停保護區工業企業、整治面源污染。其中石巖水庫保護區部分違建拆除情況如圖10所示。經過一年的專項整治，2018年3月—2019年5月深圳市3大水庫水質出現好轉，如圖9所示。
3大水庫鄰近陸地土地利用類型多樣，有工業用地、居民用地、農業用地等，受人類活動影響不可避免。同時，蓄積在庫內的內源污染會在無外源污染輸入及上層水質較好的情況下爆發水質污染。水庫底泥中有機質、氮和磷含量較高，可以在短時間內消耗上覆水體的溶解氧，造成水體CODMn濃度急劇變化。針對內源污染狀況，可以采取疏浚底泥、修建人工濕地，加強水庫水體生態環境的自我修復能力。結合遙感影像，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。
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