巢湖水体组分垂向分布特征及其对水下光场的影响

富营养化湖泊不同组分垂向分布及其对水下光场的影响是湖泊水环境遥感领域亟待开展的内容.利用巢湖野外实测数据,分析水体不同组分垂向分布特征,结合Hydrolight辐射传输模型模拟研究水体不同组分垂向分布对漫衰减系数Kd的影响.结果表明,巢湖水体悬浮物以及有色可溶性有机物CDOM垂向分布较为均一,水面未发生藻华现象时叶绿素a垂向分布符合高斯正态分布,漫衰减系数Kd受叶绿素a以及无机悬浮物的显著影响,其垂向变化复杂多样,以往以水体光学性质均一为前提计算得到的Kd仅仅表示其衰减的平均情况,不能精确反映水下光场的垂向变化,因此研究水体组分垂向分布特征及其对漫衰减系数Kd的影响是开展藻类垂向分布异质性对水下光场影响机制研究的前提和基础.     

三峡水库汛后蓄水期典型支流溶解氧与叶绿素a垂向分布特征

采用2018年9月对三峡水库典型一级支流——香溪河和神农溪回水区水质监测数据,分析和对比了香溪河和神农溪的溶解氧和叶绿素a等指标垂向分布特征,讨论了影响其垂向分布的环境因子.结果表明,香溪河与神农溪的溶解氧含量在表层0～10 m和0～12 m水体分层现象明显,且随水深增加而递减.其表层水体的溶解氧饱和度S_(DO)分别为139.20%和107.78%,已经达到过度饱和状态(S_(DO)100%);中层与底层水体溶解氧浓度较稳定,无分层现象.香溪河和神农溪回水区水体中叶绿素a垂向分布与溶解氧分布的规律一致,表层水体中叶绿素a浓度整体上表现为中度富营养化(5μg·L~(-1)Chl-a20μg·L~(-1)).Pearson相关性分析显示,香溪河与神农溪水体中的溶解氧与水温、浮游植物垂向分布之间存在显著相关性,水温分层以及浮游植物的生命活动是影响溶解氧垂向分布的关键因素.叶绿素a与水温和pH呈现出显著的正相关性,与浊度表现为显著负相关性,表明浮游植物垂向分布主要受光照强度沿水深衰减和水温分层现象的影响.     

风浪扰动对太湖水体中砷在水相-悬浮物相之间分配的影响

在太湖冬季不同风速下(0.8、1.8、2.7、3.2、4.0 m·s-1)采集了不同深度(水深0.1、1.0和1.8 m,分别记为上、中和下层)的水样,测定了水体和悬浮物中的砷含量及水质参数,计算了砷在两相之间的分配系数,以期了解在太湖生物活动最低的阶段,风浪扰动作用对砷在水相和悬浮物相之间分配的影响.结果显示,随着风浪作用的加强,水体总砷含量有所增加,相应的悬浮物总砷含量及砷的分配系数降低,说明风浪作用可以降低悬浮物吸附砷的能力,以至于促进砷从悬浮物中的释放,进而使水体中的溶解态砷增加.相关性分析及变化趋势比较分析发现,砷分配系数的降低与在风浪扰动的影响下悬浮物浓度和溶解氧的增加,以及叶绿素a浓度的下降有关.不同风速下各参数的垂向分布变化显示,风浪扰动对中下层的砷分配系数以及中层的悬浮物砷含量影响较大;风速变大时,中层溶解态砷含量升高,上层与下层溶解态砷含量降低;而风浪扰动作用对水体总砷的分层变化影响不大.悬浮物浓度、砷浓度及分配系数均在3~4 m·s-1风速下发生变化,且呈现与之前不同的分层特征.4 m·s-1可能是一个临界风速,在4 m·s-1以上的风速下风浪占主导作用,而4 m·s-1以下是湖流与风浪共同作用的结果.     

风场对太湖梅梁湾水华及营养盐空间分布的影响

为了解风场对湖泊表层蓝藻水华及营养盐空间分布的影响,以太湖梅梁湾为例,在蓝藻水华期间开展表层粒子漂流实验,研究风场对水体表层物质的推移规律,并开展全水域水体表、中、底层密集布点采样,测定水体藻类叶绿素a、氮、磷、高锰酸盐指数、溶解性有机碳、溶解氧等水质指标,探讨风场驱动下大型浅水湖泊蓝藻水华及营养盐时空分布特征.结果表明,在平均风速1. 9 m·s~(-1)和2. 3 m·s~(-1)的情况下,表层粒子的平均漂移速度分别为3. 0 cm·s~(-1)和5. 0 cm·s~(-1);风场对表层水体蓝藻水华的空间分布具有决定性影响,能够引起蓝藻水华在空间上较高的异质性;蓝藻水华物质的空间变化对水体颗粒态氮、磷、有机质和溶解氧等水质指标产生较大影响,表、中、底层颗粒态氮和磷、高锰酸盐指数与叶绿素a浓度的空间分布一致,而溶解态氮、磷浓度及溶解性有机碳的分布与叶绿素a浓度分布不尽相同;蓝藻水华物质在风场作用下的再分配对水体溶解氧产生复杂的影响,底层溶解氧平均值低于表层与中层,可能对沉积物营养盐释放产生影响;依据高密度布点调查估算,仅表层20 cm,梅梁湾水域的蓝藻干物质赋存量约396 t,远大于蓝藻打捞工程的清除量.研究表明,鉴于水华期间风场作用下对蓝藻水华漂移的巨大影响,在湖泊水质调查采样方法及数据分析时应充分考虑蓝藻水华漂移的影响因素;防控湖泛灾害的蓝藻打捞作业对湖体蓝藻水华赋存量的清除能力有限,只能对岸边带湖泛的预防产生影响.     

基于不同光谱主导因子的内陆湖泊水体叶绿素浓度三波段反演模型研究

利用分层聚类法,对实测的遥感反射率进行分类,结合固有光学特征和实测的水色要素,确定每种类别遥感反射率光谱变化的主导影响因子.根据太湖、滇池、三峡库区及巢湖的地面遥感实验,将其遥感反射率分为3类,类型一的光学特性由总悬浮物和浮游藻类共同主导,类型二的光学特性由浮游藻类主导,类型三的光学特性由悬浮物主导.根据每类水体光学特征的差异,分别建立叶绿素浓度的三波段反演模型,反演的平均相对误差为23.8%,均方根误差为8.5 mg/m3,其反演精度要高于未经分类而直接建立的三波段模型.     

辽东湾MODIS生物光学算法研究(Ⅰ)算法适用性评估

辽东湾是典型的复杂二类水体,我们利用2002～2004年在辽东湾现场实测的叶绿素a数据(分光法、荧光法和HPLC法),以及水面之上法现场实测的离水辐射率和遥感反射率数据模拟的MODIS各相应波段值对MODIS海洋水色算法进行了评估.评估的MODIS生物光学算法有四个,即CZCS_pigm、chlor_MODIS、chlor_a_2和chlor_a_3算法.结果表明,两个一类水体生物光学算法(CZCS_pigm和chlor_MODIS)反演值与分光法和荧光法测试分析结果相比,算法均低估了叶绿素a浓度,与HPLC分析结果相比算法高估了叶绿素a浓度;两个二类水体算法(chlor_a_2和chlor_a_3)与所有叶绿素a分析方法相比,均高估了叶绿素a浓度.根据MODIS生物光学算法在辽东湾的具体表现,我们认为HPLC法分析的叶绿素a浓度更适合于作为海洋水色算法评估的现场检验依据.叶绿素a浓度的反演值和实测值之间较低的相关系数则显示MODIS两个一类水体算法所采用的波段比值不适合本海区.     

基于实测光谱的杭州湾悬浮物浓度遥感反演模式

悬浮物是我国近海水质遥感监测的主要参数之一.利用ASD地物光谱仪测量杭州湾水体的反射光谱,同步采集表层水样获取悬浮物浓度,模拟水色卫星MODIS和MERIS的波段设置提取遥感反射率,基于人工神经网络分别建立2种悬浮物浓度的遥感反演模式.实测结果表明,杭州湾水体中悬浮物浓度较高,泥沙含量远远大于叶绿素浓度,平均值分别为705 mg/L和1.164 mg/m³;2个监测站位的悬浮物浓度表现出时空上的差异,尤其是随潮汐变化的短周期变异十分显著;实测水体反射率光谱曲线在650～700 nm之间与800 nm附近分别出现峰值,光谱曲线一阶微分结果显示第一反射峰的位置随着悬浮物浓度增大向长波方向移动.基于神经网络建立的模拟算法充分利用了卫星不同通道的光谱信息,可以同时模拟水体中色素与非色素悬浮物的浓度,模型取得了较好的拟合效果,R²均大于0.95,可以应用于实际卫星遥感反演,尤其是MERIS数据,因其具有相对较高的空间分辨率,在近海水环境遥感监测中的应用前景更为广阔.     

环厦门海域水色变化的多光谱多时相遥感分析

采用基于影像光谱信息建立的水质遥感模型对环厦门海域1989～2003年间的水色变化进行了分析.通过对水体及其所含物质的物理光学性质分析,水质遥感模型的建立可以不依赖于和卫星同步的水质采样数据建立水质遥感.这使得遥感对水色分析的应用更容易,而且还可以利用大量卫星存档数据来进行水质的历史变化分析.使用基于可见光和近红外波段反射率创建的模型研究了离水信号和水中物质(悬浮物和浮游植物)的关系.提出了一套可用于Landsat TM/ETM 和SPOT 5影像的水专题处理流程,并用于揭示所研究海域中悬浮物和叶绿素浓度的时空变化规律.研究表明,利用基于影像光谱的水质遥感模型,可以快速有效地揭示长时间范围内水色的时空变化.总的看来,环厦门海域的悬浮物浓度在所研究的时期内,有显著的增加,叶绿素的浓度在局部也有明显的升高.最明显的是,高悬浮物浓度的海域面积所占的比例从1989年的0.2%上升到2003年的10.2%.综合分析表明,九龙江河口所带来的巨量悬浮物是该海域最主要的陆源排海物和污染源,过度的水产养殖是另一个主要的污染因子.     

辽东湾MODIS生物光学算法研究(I) 算法适用性评估

辽东湾是典型的复杂二类水体,我们利用2002~2004年在辽东湾现场实测的叶绿素a数据(分光法、荧光法和HPLC法),以及水面之上法现场实测的离水辐射率和遥感反射率数据模拟的MODIS各相应波段值对MODIS海洋水色算法进行了评估。评估的MODIS生物光学算法有四个,即CZCS_pigm、chlor_MODIS、chlor_a_2和chlor_a_3算法。结果表明,两个一类水体生物光学算法(CZCS_pigm和chlor_MODIS)反演值与分光法和荧光法测试分析结果相比,算法均低估了叶绿素a浓度,与HPLC分析结果相比算法高估了叶绿素a浓度;两个二类水体算法(chlor_a_2和chlor_a_3)与所有叶绿素a分析方法相比,均高估了叶绿素a浓度。根据MODIS生物光学算法在辽东湾的具体表现,我们认为HPLC法分析的叶绿素a浓度更适合于作为海洋水色算法评估的现场检验依据。叶绿素a浓度的反演值和实测值之间较低的相关系数则显示MODIS两个一类水体算法所采用的波段比值不适合本海区。     

基于高分影像的城市水体遥感综合分级方法

城市水体是城市生态系统中的重要组成部分,为此,针对城市水体提出了一种基于国产高分影像的水环境遥感综合评价方法.在2017~2019年间的南京、无锡、常州和扬州市等城市多次水体采样工作的基础上,分析了城市水体光谱特征与水质参数的相应关系.基于国际标准的色度转换模型和FUI（forel-ule index）水色指数,构建了基于高分二号（GF-2）影像的适用于城市水体的U-FUI（urban forel-ule index）水色指数,实现了城市水体的遥感分级,独立的验证数据表明分级模型的识别正确率可达72%.结果表明,根据U-FUI水色指数可以将城市水体有效地分为U-FUI Ⅰ~U-FUI Ⅵ共6级水体,依次分别代表水色呈蓝色、浅绿色、深绿色、黄色、黄棕色以及灰黑色的水体.其中,U-FUI的Ⅰ级水体水质较好而在城市水体中少有分布,U-FUI的Ⅱ和Ⅲ级水体具有较高的叶绿素a浓度,U-FUI的Ⅳ和Ⅴ级水体的总悬浮物浓度和无机悬浮物浓度相对较高,U-FUI的Ⅵ级水体水质较差且水质参数与各级水体均有较大差异.同时,将该方法成功地应用于2018年4月9日南京市GF-2影像,结果显示南京市水体以U-FUI Ⅱ~U-FUI Ⅳ级水体为主,U-FUI的Ⅰ级、Ⅴ级和Ⅵ级水体在城市中的分布相对较少,空间分布特征与同期原位采样结果一致.     

辽河流域河流秋季CDOM光学特性及影响因素研究

了解有色溶解有机物(CDOM)的光学特性有助于对水生生态系统中溶解有机物(DOM)循环过程的研究,而环境要素对CDOM光学特性的影响会进一步影响水环境中的碳循环过程.利用2013年9月和10月辽河水体实测数据对水体反射特性、CDOM的吸收特性、荧光特性及各种水质参数对CDOM光学特性的影响进行研究.结果表明,辽河流域河流总氮(均值4.40 mg·L~(-1))、铬浓度(均值0.0065 mg·L~(-1))超过国家地表水V类标准.悬浮泥沙光谱特征较为明显的水样,其CDOM的吸收曲线非常相近,叶绿素a光谱特征较为明显的水样,其CDOM吸收曲线之间的差别较大.辽河流域水体CDOM的吸收斜率S275-295(0.0163~0.0191 nm-1)高于其他大多数河流,而低于湖泊、水库.对比辽河流域河流发现,东辽河与辽河水体CDOM组成物质的分子量相对较小,东辽河CDOM的芳香性最高,而西辽河最低.根据荧光指数、腐殖化指数及生物源指数分析发现,辽河流域水体主要以陆源的、高等植物DOM为主,太子河、大凌河CDOM具有较为明显的自生源特征.通过荧光峰的分布发现,辽河水体CDOM以类腐殖酸荧光峰(A峰、C峰)为主,部分河流(辽河干流)同时表现出较强的类蛋白质荧光峰(B峰、T峰).通过冗余分析(RDA)发现,水体中溶解有机碳(DOC)、总氮(TN)、总磷(TP)、总碱度(TAlk)、砷(As)及汞(Hg)与表征CDOM光学特性的参数之间存在显著的相关性(p0.05),是CDOM光学特征的主要影响因子.     

富营养化水体中黑水团的吸收及反射特性分析

对黑水团水体光学特性进行研究,是利用遥感技术监测和评估黑水团事件的前提.针对2015年7月在太湖发生的黑水团现象,采集了太湖黑水团区(区域一)、蓝藻水华区(区域二)、清水区(区域三)共36个水样,对这3个区域的水体遥感反射率以及吸收特性进行对比分析.结果表明:1区域一水体的总颗粒物、色素颗粒物和非色素颗粒物吸收系数比区域二、区域三高出1~2倍,在400~500 nm之间,区域一CDOM吸收系数相比另外两个区域的水体高出2倍左右.导致黑水团区域水体具有很低的遥感反射率,被人眼感知时呈现为黑色;2黑水团区域水体M值低于滇池、巢湖和太湖的M值变化范围,说明黑水团中CDOM的腐殖酸含量较高.此外,叶绿素a浓度与CDOM在350 nm处吸收系数之间具有很好的相关性,表明蓝藻的降解可能是黑水团中CDOM的一个主要来源;3在380 nm之后,黑水团区域的水体总吸收以色素颗粒物占主导,但在短波350~380 nm处,CDOM对总吸收的贡献率高于色素颗粒物和非色素颗粒物.     

利用高光谱反演模型评估太湖水体叶绿素a浓度分布

叶绿素a浓度是评价水体富营养化和初级生产力的一个重要参数,高光谱遥感是获取叶绿素a浓度的有效手段.为建立太湖水域叶绿素a的最佳高光谱估算模型,选取2015年5—7月共计60组同步实测高光谱数据和叶绿素a浓度数据,在地面光谱反射率和叶绿素a浓度相关性分析的基础上,使用2∶1的数据样本进行太湖水域叶绿素a的最佳高光谱估算模型的建立和验证,筛选模型分别为波段比值、三波段、荧光峰位置、峰谷距离、一阶微分、NDCI(Normalized Difference Chlorophyll Index)、峰面积、荧光峰高度、WCI(Water Chlorophyll-a Index)和四波段模型.结果表明,建模得到的四波段模型决定系数最高,峰面积模型的决定系数相对最低;四波段模型的反演精度最高,均方根误差(RMSE)为0.00376 mg·L~(-1),平均绝对误差(MAPE)为27.86%,而WCI模型的反演精度相对最低,RMSE为0.01231 mg·L~(-1),MAPE为45.11%.将反演精度最高的四波段模型应用于2015年8月3日的两景HSI(Hyperspectral Imaging Radiometer)高光谱影像数据,也得到较高精度,利用同步实测叶绿素a浓度验证的决定系数为0.7643,RMSE为0.00433 mg·L~(-1),MAPE为45.62%.在春、夏季叶绿素对水体光学特性占主导作用且叶绿素分布均匀的情景下,本研究可为太湖水域叶绿素a的高光谱反演和水环境监测提供有价值的参考,其它季节水体光谱特点的研究尚待进一步开展.     

铀尾矿库尾矿砂大气污染的控制研究

铀尾矿库运行期间,裸露的尾矿以扬尘形式对周边地区造成环境污染和辐射危害.因此,本文以平地型铀尾矿库为对象,应用CFD技术,探讨滩面形状(弧形、棱形和锥形)对减轻或控制运行期间尾矿库滩面颗粒物的大气迁移和环境污染的作用.结果表明,常年主导风速V=1.0m·s-1条件下,以1 mg·m-3的浓度为抑尘标准时弧形滩面抑尘效果最为明显,棱形滩面和锥形滩面抑尘效果较差.通过对不同风速下几种滩面形状防护效果的分析对比发现,小风速(V=0.5 m·s-1)下3种滩面形式辐射防护均效果良好,但随风速的增大效果逐渐减弱;弧形滩面条件下综合防护效果最佳.     

江西省冬季大气典型污染过程的气象成因研究

选取2019年1月江西省两次大气污染过程为研究对象,利用常规气象观测资料、美国国家环境预报中心（NCEP）再分析资料、全球资料同化系统（GDAS）气象数据和空气质量数据,分别从局地气象要素变化、地面天气形势、大气动力和热力条件及污染潜在源区等进行分析,对比两次污染过程形成机制.两次污染过程地面天气形势分别为冷锋前部型和低压倒槽型.冷锋前部型污染形成主要原因为冷空气南下在江西省减弱辐合导致上游细颗粒物输送并堆积,西北风增大细颗粒物浓度降低.低压倒槽型污染形成原因为较长时间处于高湿、小风或静风、逆温下的污染累积.对两次过程中污染较为严重的九江市进行分析,冷锋前部型九江市近地面主要受西风影响,低压倒槽型主要受东北风影响,低压倒槽型九江市风速多在2 m·s^-1以下.两次污染期间大于3 m·s^-1的风速有利于污染物清除.长时间高湿、小风（< 2 m·s^-1）及风场辐合,是低压倒槽型九江市重污染维持较长时间的重要原因.低压倒槽型大气垂直结构较冷锋前部型稳定.低压倒槽型垂直湍流弱、低层风速小于2 m·s^-1,且存在多层逆温和深厚的湿区,冷锋前部型存在明显下沉运动,逆温强度明显弱于低压倒槽.九江市PM_2.5污染潜在贡献源主要来自河南东部、山东西部和安徽西北部;低压倒槽型九江市潜在源区主要位于江西省内及与江西省接壤的湖北东南部、安徽西南部.     

基于EFDC模型的水乡城镇水网水动力优化调控研究

河流的水动力状态与整体水环境状况息息相关.本研究以同里古镇区水系为例,在数据稀缺,尤其是缺乏水质数据的基础上,通过研究区域实地考察、现场监测、文献调研等方式,确定了研究区域合理的生态流速范围.同时,建立了同里古镇区水系的EFDC水动力模型,并采用情景分析法,对古镇区水系8种不同的调水优化情景进行分析评价.结果表明,当进水泵站以0.42 m3·s~(-1),饮马桥同时以0.5 m3·s~(-1)的流量进水,大东溪桥和会川桥出流口各出流10%,外河闸口出流口出流80%,其余出流口不出流的情况下,同里古镇区水系整体水动力改善条件较好,且大部分河段流速维持在0.05~0.10 m·s~(-1)之间,在同里古镇水系合理的生态流速范围内.这一方案不仅能有效改善同里古镇水系整体水动力状态,且对水质状况的改善,对整体水环境的提升具有良好的促进作用.     

浅水湖泊水动力过程对藻型湖区水体生物光学特性的影响

基于2010年7月底至8月初对太湖藻型湖区梅梁湾沿岸带水域不同风速条件下水下光场的原位连续高频观测,通过对水下辐照度、光束衰减系数、吸收系数、相关理化参数及气象水文参数的测定与分析,揭示了该区域水体的生物光学特性变化及其与水动力过程的关系.结果表明,总颗粒物吸收系数ap(440)、非色素颗粒物吸收系数ad(440)、浮游植物吸收系数aph(440)及有色可溶性有机物吸收系数aCDOM(440)在小风(30 min内平均风速<3 m.s-1)、中风(3 m.s-1<风速<5 m.s-1)和大风(风速>5 m.s-1)作用下分别为3.97、3.97、6.58 m-1;1.69、2.17、4.20 m-1;2.28、1.80、1.33 m-1;1.05、1.04、1.08 m-1,其中变幅最大的为非色素颗粒物,CDOM吸收系数在不同风速条件下差别不大.水体各组分在PAR波段积分值的贡献率的变化规律为:小风速下浮游植物吸收系数的贡献最大(达42.5%),随着风速的增大,CDOM、浮游植物、纯水吸收系数的贡献率均有降低的趋势,而非色素颗粒物的贡献率则显著增大,分别为33.0%、41.7%、52.0%.PAR漫射衰减系数与10min平均风速呈显著线性相关,风速引起的沉积物再悬浮对PAR漫射衰减系数的影响显著,从小风到大风,PAR漫射衰减系数增加了80.0%,对应真光层深度降低了42.2%.PAR漫射衰减系数、750 nm波长处的光束衰减系数、总悬浮物浓度与风速、波高、波切应力均存在显著正相关,其中又以PAR漫射衰减系数的相关性最为显著.高频观测结果揭示了浅水湖泊藻型湖区水动力过程通过引起沉积物再悬浮、浮游植物的混合及迁移显著改变水体生物光学特性短期变化.