广州市黑臭水体评价模型构建及污染溯源研究

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城市水体作为城市发展的重要自然资源、经济资源和社会资源,是城市生态系统中不可或缺的组成部分。近年来随着城市化进程的加快,河流污染日益严重,水体黑臭现象频发。目前关于黑臭水体的形成机理、评价方法、生态修复等方面已有较多研究成果,但有关遥感识别监测方面的研究仍然不够成熟。本研究基于2016—2019年广州市重点整治河涌水质监测数据,利用主成分分析法计算水质指标权重,提出一种新的城市黑臭水体评价模型——B-OWQI(Black and Odorous Water Quality Index);利用高分二号(GF-2)卫星影像,对广州市中心城区水体的水质指标浓度进行遥感反演制图;将反演的水质指标应用到B-OWQI模型对黑臭水体识别与分级,并基于地面实测站点数据对识别结果进行精度评价;最后,从工业污染、生活污染、农业污染等因素进行黑臭水体污染溯源分析。论文主要结论如下:(1)对广州市重点整治河涌水质监测数据中的溶解氧(DO)、氨氮(NH3-N)、总磷(TP)、化学需氧量(COD)等指标进行主成分分析,计算水质指标的权重,提出了一种新的城市黑臭水体评价模型B-OWQI。并基于地面站点实测数据对B-OWQI模型评价结果进行精度评价,识别正确率达81.87%。对B-OWQI模型与综合水质标识指数法(Comprehensive Water Quality Identification Index,WQII)、广州市重点整治河涌水质指数(Creek Water Quality Index,CWQI)的评价结果进行相关性分析,发现三种评价模型评价结果具有较好的相关性。与WQII、CWQI相比,新提出的B-OWQI更客观,更适合广州市黑臭水体的评价。(2)基于广州市中心城区GF-2卫星影像对DO、NH3-N、TP、COD等水质指标浓度进行遥感反演,并采用卫星影像准同步的地面站点实测数据对水质指标反演结果进行精度验证;进一步将反演的水质指标的结果应用于B-OWQI模型实现广州市黑臭水体识别与分级制图,利用地面实测站点验证样本采用混淆矩阵方法对黑臭水体遥感识别精度进行验证。研究结果表明:水质指标的反演误差均小于35%,说明遥感反演结果可用于大范围水质的反演及黑臭水体的评价;B-OWQI模型应用于GF-2影像上黑臭水体识别分级精度优于70%,研究成果可为水环境部门提供时空连续的黑臭水体污染现状,为黑臭水体的治理与防治提供有效支撑。(3)利用黑臭水体遥感识别结果对广州市中心城区黑臭水体空间分布进行分析,发现黑臭水体主要分布在黄埔区和白云区,其他区水质相对较好。对黄埔区和白云区的重点黑臭水体进行污染溯源分析,发现黄埔区南部多为城镇用地且河流周边分布着较多的污染企业,水质主要受到工业废水和生活污水的污染;北部河流主要流经耕地且旁边分布着较多的农村居民点,污染来源主要为生活污水和农业污水。白云区流溪河部分河段受到生活污水的污染,水质呈现轻度黑臭;流溪河东部的多条河涌主要流经耕地和城镇用地且附近污染企业较多,河涌受到工业废水、生活污水和农业污水的多重影响,水质呈现黑臭状态。
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