近十年洪泽湖富营养化状态变化趋势及原因分析

通过2011～2020年洪泽湖全湖逐月监测数据的分析,厘清了近十年洪泽湖富营养化状态变化趋势、时空变化特征和驱动要素,为洪泽湖富营养化控制提供针对性建议.作为洪泽湖最主要的入湖河流,淮河近十年来高锰酸盐指数显著上升、 TN显著下降.洪泽湖近十年水体总体透明度、 TP浓度和高锰酸盐指数平均值显著上升,TN和Chl-a浓度的平均值显著下降,富营养化状态指数（TLI）有下降趋势.洪泽湖富营养化状态的变化趋势在空间上存在差异：洪泽湖东区是淮河的过水通道,由于较短的水体停留时间,即使在营养盐浓度较高的情况下,藻类生物量仍显著低于其他区域,同时由于淮河水质的改善,TLI显著下降;北区具有较高的水生植被覆盖度,不仅降低了水体营养盐浓度,并为浮游动物和鱼类提供了栖息地,有效地抑制了藻类的生长,富营养状态要明显低于其余湖区,近十年TLI呈现下降趋势;西区富营养化程度最高,由于内源释放的加剧,藻类生物量最高,富营养化程度并没有得到改善.洪泽湖富营养化状态也存在显著的季节差异,夏季富营养化指数最高,藻类生物量因温度升高而相对较高,同时夏季藻类生物量主要受营养盐浓度影响,其中NO^-     

基于Landsat 8影像估算新安江水库总悬浮物浓度

总悬浮物(total suspended matter,TSM)直接决定着水下光场分布,进而影响水体的初级生产力,其浓度也是水质和水环境评价的重要参数之一.本研究构建了基于Landsat 8影像数据的较为清洁的新安江水库TSM的遥感估算模型,并给出了该水体TSM浓度的空间分布特征.结果表明,对该水体TSM浓度较为敏感波段为Landsat 8第二、三和八波段,线性相关的决定系数分别为0.37、0.51和0.42.然而,以上任何一个波段都无法单独用于准确地提取该区TSM浓度,而利用以上3个波段构建的多元回归模型能够给出较为准确的估算结果,模型决定系数为0.92,平均相对误差为11%,均方根误差为0.16mg·L-1.新安江水库TSM浓度整体较低,变化范围为0.04~24.54 mg·L-1,平均浓度为2.19 mg·L-1.高浓度部分位于湖的边缘区以及一些湖湾枝杈,如:枫树岭水域、汾口水域、威坪水域、安阳水域、大墅水域、临岐水域等,主要是受入湖河流以及邻近水域采砂活动的影响.因此研究认为利用Landsat 8数据的3个波段,采用多元回归模型能够较好地估算较清洁水体的TSM浓度.     

一种基于GOCI数据的叶绿素a浓度三波段估算模型

以标准三波段算法为基础,构建了适用于GOCI影像数据的叶绿素a浓度三波段估算模型.并以三峡水库、巢湖、洞庭湖和太湖水体的289组实测叶绿素a浓度以及光谱数据作为基础,模拟了GOCI影像和MERIS影像波段,率定了模型参数,并与MERIS三波段算法和目前常用的GOCI波段比值算法进行了对比分析,最终用GOCI影像数据进行了独立数据验证.结果表明:1对目前的数据集,680 nm处和660 nm处的色素颗粒物吸收系数具有相对固定的比例关系,比值为1.351;2 GOCI三波段模型在模型率定中,得到与MERIS三波段模型近似的效果,线性拟合的决定系数为0.809,略低于MERIS三波段模型的0.820,但明显优于GOCI比值模型(0.450),有效避免了GOCI波段比值模型中在叶绿素a浓度低值区出现的"扩散"现象,体现出较好的普适性;3通过验证数据集中平均相对误差和均方根误差两个误差指标的对比,发现GOCI三波段模型误差表现与建模数据一致,与MERIS数据接近,明显优于GOCI波段比值模型;4通过GOCI影像的同步验证,发现GOCI波段比值算法会对太湖叶绿素a浓度产生明显的低估,且难以体现叶绿素a浓度空间变异.GOCI三波段算法效果相对较好.相比于目前常用的波段比值算法,GOCI三波段算法具有更高的稳定性和精度,有较强的应用潜力.     

太湖、巢湖水体总悬浮物浓度半分析反演模型构建及其适用性评价

总悬浮物浓度是水体重要的水质参数.本研究利用太湖春季、秋季和巢湖夏季多期野外实测数据,通过对生物光学模型进行合理的简化构建适用于太湖、巢湖水体总悬浮物浓度反演的半分析模型,并将该模型应用于MERIS和环境一号卫星高光谱卫星影像上以验证该方法的适用性.结果表明:①针对太湖和巢湖水体,总悬浮物浓度最优反演波段范围为730～832nm(氧气吸收带除外);②针对MERIS数据,波段10(中心波长754 nm)和波段12(中心波长779 nm)均适用于太湖总悬浮物浓度反演,而波段11(中心波长761 nm)由于氧气吸收带的影响不适用于总悬浮物浓度反演;③针对太湖MERIS数据,模型反演结果的相对误差基本上呈现出随距离卫星过境时间增大而逐渐增加的趋势,在卫星过境时间正负3 h内测量的样点,模型反演结果的相对误差均在50%以内,而时间差超过3 h,相对误差则逐渐增大到50%以上;④环境一号卫星高光谱数据17个波段(B83～B99)均能够对巢湖总悬浮物浓度进行较好的反演,其反演效果要好于MERIS数据在太湖的反演结果.     

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.     

不同方法估算太湖叶绿素a浓度对比研究

基于2006-01-07～2006-01-09和2006-07-29～2006-08-01太湖地面实测高光谱数据以及同步水质参数数据,对比分析了三波段模型、两波段模型、反射峰位置法、一阶微分法4种方法用于估算太湖叶绿素a浓度的精度,并讨论其应用于遥感影像中估算叶绿素a浓度的可行性. 2次采样3类水色参数总悬浮物、叶绿素a浓度和有色可溶性有机物在440 nm处吸收系数的变化范围分别为12.24～285.20 mg·L^-1、 4.83～155.11 μg·L^-1和0.27～2.36 m^-1.前述4种方法在反演太湖水体的叶绿素a浓度时都取得较高的精度;决定系数分别为：0.813、 0.838、 0.872、 0.819,均方根误差分别为：13.04、 12.12、 13.41、 12.13 μg·L^-1;相对误差分别为：35.5%、 34.9%、 24.6%、 41.8%.反射峰位置法估算精度最高,但应用到叶绿素a浓度遥感影像估算比较困难.三波段模型和两波段模型的反演结果优于传统的一阶微分法,且在卫星遥感反演中具有良好的应用前景.根据模拟MERIS数据,分别得到最优三波段模型［R^-1(665)-R^-1(709)］×R(754)和两波段模型R(709)/R(681),其决定系数、均方根误差、相对误差分别为0.788、 13.87 μg·L^-1、 37.3%和0.815、 12.96 μg·L^-1、 34.8%,反映了MERIS数据能非常好地应用于太湖这类浑浊二类水体叶绿素a浓度的精确估算.     

基于HJ-1卫星的丹江口库区水质遥感监测研究

丹江口水库作为南水北调中线工程的水源地,其水质安全将直接影响到调水工程的成败。利用不同水质具有不同光谱特征的特点,采用遥感技术对水域水质进行大范围、准确、快速监测。根据丹江口库区2011年3月、7月、2013年3月、9月4景HJ1A/B卫星遥感影像,结合同步的地面实测水质数据,采用经验反演模型对丹江口水库叶绿素a浓度、水体悬浮物浓度和水体透明度进行了定量遥感反演研究。结果显示,由于2011年受到长江中下游区域重大旱情影响,汉江入库流量较小,造成丹江口水域面积减少;同年相比,水体叶绿素a浓度枯水期比丰水期高;2013年相比2011年水体叶绿素a浓度略有上升;丹库、汉库入库口的水体悬浮物浓度要高于其他区域,主要由于入库口的水流量较大,水体扰动较强。入库口区域较高的悬浮物浓度造成水体透明度要低于其他区域,丹库水域面积大,有利于悬浮物沉积,因此丹库水体透明度高于汉库。     

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.     

小型封闭水体环境因子与叶绿素a的时空分布及相关性研究

以崇明岛前卫村的一个小型封闭富营养化水体为对象,自2007年7月~2011年9月进行了约4 a的野外观测,研究了物化因子、水动力因素和叶绿素a(Chl-a)的时空分布特征及其相关性.结果表明,该水体Chl-a含量具有明显的时空差异性.Chl-a含量与水温、浊度、TN和TP均呈显著正相关关系,水温和营养盐是影响浮游植物季节动态的主要因素,浊度的季节变化是浮游植物生长的结果表征.Chl-a的空间差异性与不同水域水动力条件的差异有关,受风影响显著的水域(北河道)流速多分布在0.08~0.22 m·s-1范围内,Chl-a含量显著较低(平均浓度为53.11μg·L-1).从流速与Chl-a的关系分析来看,流速与Chl-a浓度呈显著负相关关系,流速总体分布在0~0.10 m·s-1的水域Chl-a含量显著偏高(平均浓度为35.30μg·L-1).该结果表明较大强度的水动力条件能够对富营养化封闭水体中浮游植物生长产生显著的抑制作用,可为相关水体的水华防治提供有益借鉴.     

探讨遥感反演模型技术在水质参数监测中的具体应用

叶绿素a(Chl-a)是江河湖泊水体水质状况评价的重要指标之一。本文以妫水河为研究区,利用实Chla浓度数据和同步的环境一号卫星(HJ-1A)多光谱数据对妫水河水体Chl-a浓度的遥感反演模型进行研究,结论对于提高遥感反演的精度,并为妫水河的水质遥感监测提供技术和方法参考。     

洪泽湖沉积物中营养盐和重金属的垂向分布特征研究

为了揭示洪泽湖沉积物中营养盐和重金属的垂向分布特征,2008年6月采集了洪泽湖淮河入湖口附近、湖西和湖心3个柱状沉积物样品.通过测定分析其总氮、总磷、有机质和重金属Cu、Zn、Pb、Cd、Fe、Al、Cr、Hg、Mn、As的垂向分布特征,揭示了营养盐演化规律及重金属污染历史.结果表明,淮河口附近沉积环境受淮河流域影响较大,营养盐中TN、TP、OM的含量分别为390.8～643.7、428.6～538.6、5 194.3～9 164.9 mg.kg-1,Zn、Cd、Al、Fe和Mn受人为影响较小,其余重金属人为影响较大.湖西区沉积环境受淮河及湖西周边城市影响,TN、TP、OM的含量为633.4～2 677.3、480.0～1 115.9、7 140.8～47 849.7 mg.kg-1,TN、OM和重金属污染程度从20世纪70年代末加剧,90年代以来有所改善,As和Cr受流域人类活动影响较大,其余重金属受人为影响较小.湖心来源主要为流域碎屑物质,TN、TP、OM的含量为904.7～1 585.4、526.3～750.1、10 635.6～19 020.6 mg.kg-1,营养盐和重金属相关性显著,垂向分布均相似,含量从底层至表层呈上升趋势.沉积柱中营养盐、重金属元素具有比较一致的污染特征,与洪泽湖流域发展阶段相吻合,洪泽湖沉积环境属于洪水冲刷型堆积模式(Turbidity Flood Model方式).     

淮河下游湖泊表层水和沉积物中PPCPs分布特征及风险评估

为了解淮河下游湖泊(洪泽湖和高邮湖)表层水和沉积物中药品及个人护理品(PPCPs)的赋存特征及生态风险,采集了23个采样点的43个表层水和沉积物样品,检测了样品中的61种PPCPs,分析了洪泽湖和高邮湖PPCPs的浓度水平空间分布,计算了典型PPCPs在研究区水/沉积物系统的分配系数,并利用商值法对目标PPCPs的生态风险进行评价.结果表明,洪泽湖和高邮湖表层水中∑PPCPs浓度分别是1.56～2 534.44 ng·L^-1和3.32～1 027.47 ng·L^-1,沉积物中∑PPCPs含量分别是1.7～926.7 ng·g^-1和1.02～289.37 ng·g^-1,其中表层水中林可霉素(LIN)浓度最高,沉积物中强力霉素(DOX)含量最高,都以抗生素类药物为主要组分;PPCPs空间分布呈现洪泽湖高、高邮湖低的特征;分配特征表明研究区域典型PPCPs更倾向停留在水相,lgK_oc和lgK_d之间具有显著相关性,表明沉积物中总有机碳(TOC)对典型PPCPs在水...     

Temporal and spatial changes in nutrients and chlorophyll-a in a shallow lake, Lake Chaohu, China: An 11-year investigation

Temporal and spatial changes of total nitrogen (TN), total phosphorus (TP) and chlorophyll-a (Chl-a) in a shallow lake, Lake Chaohu, China, were investigated using monthly monitoring data from 2001 through 2011. The results showed that the annual mean concentration ranges of TN, TP, and Chl-a were 0.08-14.60 mg/L, 0.02-1.08 mg/L, and 0.10-465.90 μg/L, respectively. Our data showed that Lake Chaohu was highly eutrophic and that water quality showed no substantial improvement during 2001 through 2011. The mean concentrations of TP, TN and Chl-a in the western lake were significantly higher than in the eastern lake, which indicates a spatial distribution of the three water parameters. The annual mean ratio of TN:TP by weight ranged from 10 to 20, indicating that phosphorus was the limiting nutrient in this lake. A similar seasonality variation for TP and Chl-a was observed. Riverine TP and NH₄⁺ loading from eight major tributaries were in the range of 1.56×10⁴-5.47×10⁴ and 0.19×10⁴-0.51×10⁴ tons/yr over 2002-2011, respectively, and exceeded the water environmental capability of the two nutrients in the lake by a factor of 3-6. Thus reduction of nutrient loading in the sub-watershed and tributaries would be essential for the restoration of Lake Chaohu.     

洪泽湖水体全氟化合物的污染特征、来源及健康风险

洪泽湖是南水北调东线工程重要调蓄湖泊,为了解洪泽湖表层水中全氟和多氟烷基化合物(PFASs)的污染状况,通过超高效液相色谱串联四极杆质谱测定了湖区和入湖河流的表层水15种PFASs的含量,分析比较了不同区域水体中PFASs的浓度与组成,运用HCA法解析了不同污染来源,并应用HQ法对不同人群的健康风险进行评价.结果表明：(1)洪泽湖表层水中检出15种PFASs,ΣPFASs浓度为63.4～218.0 ng/L(中位值92.9 ng/L),健康风险较低;(2)PFASs组分以短链为主,主要污染物为PFPeA,占60.8%;(3)PFASs在洪泽湖的空间分布呈现由南向北递减的趋势,洪泽湖湖心及过水通道区的PFASs浓度较高;(4)HCA方法表明,洪泽湖表层水中PFASs主要来自地表径流、橡胶品制造、食品包装和纸类表面处理的工业排放、纺织和金属电镀工业排放和生活污水.研究显示,洪泽湖表层水中广泛存在多种PFASs,以短链为主,健康风险对居民来说可接受.     

洪泽湖浮游动物时空分布特征及其驱动因素

洪泽湖是我国第四大淡水湖,承担着周边的工农业用水以及为人类提供渔业资源等重要功能.研究洪泽湖浮游动物群落结构变化可为洪泽湖生态环境的科学管理提供理论依据.通过2017年3月至2018年2月的逐月调查数据,结合洪泽湖浮游动物的种类组成、密度和生物量的时空变化,以及群落多样性和优势种的季节变化特征,并运用典范对应分析等方法探讨了洪泽湖浮游动物的时空变化与环境因子的相互关系.群落结构分析表明,洪泽湖浮游动物年均密度为383.87 ind·L^-1,年均生物量为1.36 mg·L^-1.洪泽湖浮游动物群落结构时空变化较大,时间上夏季浮游动物群落结构波动较大,秋季浮游动物密度与生物量均达到最大值,冬季浮游动物群落结构最为简单;空间上成子湖和溧河洼浮游动物较为丰富,差异较小,过水区浮游动物较少且变化较大.典范对应分析表明,洪泽湖浮游动物群落结构的时空变化与水位、总磷、水温和总氮等因素显著相关.不同时间浮游动物群落结构变化的主导因素不同,夏季主导因素是水位与水温;秋冬季主导因素是水温、营养盐及叶绿素等.不同湖区点位集中程度不同,过水区分布的更为分散,浮游动物群落结构差异较大,成子湖和溧河洼分布的相对集中,浮游动物群落结构差异较小.水位波动对浮游动物群落结构的变化影响最大,表现在水位波动会直接影响浮游动物群落结构,同时也会通过影响水质而间接影响浮游动物群落结构.     

利用Hyperion高光谱数据的三波段法反演太湖叶绿素a浓度

以2004-08-19太湖野外试验所获取的水质数据(叶绿素a浓度7.8~154.3μg.L-1,总悬浮物浓度65.0~190.2 mg.L-1,N=38)和同步的Hyperion星载高光谱数据为研究对象,利用三波段算法反演太湖水体的叶绿素a浓度.通过分析太湖固有光学量的特点,提出适用于太湖的3个特征波段的选择依据,并对波段进行优化计算,在此基础上建立了三波段统计模型,最后对模型的反演精度进行分析与评价.结果表明,Hyperion的B34(691.37 nm)、B37(721.90 nm)和B50(854.18 nm)组成三波段模型变量与叶绿素a浓度具有最高的相关系数(r=0.934),模型的决定系数(R2)和均方根误差(RMSE)分别为0.872和13.93μg.L-1,其反演精度优于传统经验统计模型,如比值模型(R2=0.844,RMSE=15.41μg.L-1)和一阶微分模型(R2=0.831,RMSE=16.00μg.L-1).研究结果证实了三波段法适用于内陆富营养化浑浊水体和Hyperion高光谱数据,为今后更精确地反演内陆水体的叶绿素a浓度提供了参考依据.     

洪泽湖有毒和无毒微囊藻丰度及其与环境因子之间的相关分析

为了解洪泽湖有毒和无毒微囊藻丰度及其空间分布,于2014年8月对洪泽湖30个采样点水体的营养盐浓度和Calson富营养化指数(trophic state index,TSI)进行研究,同时采用实时荧光定量PCR技术测定了有毒和无毒微囊藻丰度.结果表明,洪泽湖水体的总氮和总磷浓度平均值分别为1.63 mg·L-1和0.11 mg·L-1,富营养化指数在58.1~73.6之间,洪泽湖水质呈富营养化状态;有毒微囊藻在洪泽湖广泛分布,其丰度在1.13×104~3.51×106copies·m L-1之间,总微囊藻丰度在1.06×105~1.10×107copies·m L-1之间,有毒微囊藻占总微囊藻的比例在8.5%~38.5%之间,平均值为23.6%,有毒微囊藻丰度及其比例均呈现出明显的空间差异性;相关分析结果显示,总微囊藻、有毒微囊藻和有毒微囊藻所占比例三者之间呈极显著正相关性(P0.01),总微囊藻和有毒微囊藻丰度与叶绿素a浓度和TSI有极显著正相关性(P0.01),与透明度有极显著负相关性(P0.01),有毒微囊藻所占比例与叶绿素a、总氮、总磷和TSI有极显著正相关性(P0.01),与TN/TP和透明度有极显著负相关(P0.01).因此,削减洪泽湖总氮、总磷浓度一方面可以降低水体富营养化水平,另一方面有利于抑制有毒微囊藻对无毒微囊藻的竞争优势.     

景观类型与景观格局演变对洪泽湖水质的影响

基于Landsat序列遥感影像数据解译进行了景观类型分类,分析了2008—2018年洪泽湖16个监测点位水质数据变化特征,从流域尺度研究了景观类型和景观格局演变对湖区水质的影响机制.研究结果表明,洪泽湖区主要水质风险指标为总氮（TN）和总磷（TP）,淮安南区域TN和TP浓度较高.2000年之前洪泽湖流域内景观类型主要为旱地（43.3%）,2000年后主要景观类型逐渐转变为水田（37.7%）和建设用地（23.6%）.建设用地、水田、入湖河流、围圩和围网养殖面积与湖区TN和TP浓度呈显著正相关,林地和草地面积与TN和TP浓度呈显著负相关.围圩养殖面积对TN浓度变异解释度最高,建设用地面积对TP浓度变异解释度最高,分别为47.6%和43.2%.近20年洪泽湖流域景观破碎度增大,斑块密度指数（PD）和蔓延度指数（CONTAG）与湖区TN、TP浓度呈显著正相关.建设用地、围网和围圩养殖面积增加以及景观破碎化增强与湖区TN和TP浓度上升密切相关.减少围圩和围网养殖的面积比例,控制建设用地和水田规模,降低生态空间景观破碎度,是维护和修复洪泽湖水质安全和水生态健康的重要抓手.     

近年来淮河干流区水质变化及原因分析

频繁的水旱灾害和严重的水污染是治理淮河的两大难题,入洪泽湖口以上的淮河干流区尤其突出。本文主要分析了近年来淮河干流区的水质情况。首先简要介绍了淮河流域的自然和水环境背景,然后分析了干流区水质的时空变化趋势及其原因。最后对淮河治理存在的问题进行了总结。从总体上看,淮河流域的水污染仍十分严重,防污治污工作任重而道远。