城市黑臭水体的吸收特性分析

黑臭水体是城市水环境的一个严重问题,对城市黑臭水体光学特性进行分析,是利用遥感技术手段进行黑臭识别的前提与基础.2016~2017年采集了长沙、南京和无锡的城市黑臭水体共计85个样点,非黑臭水体共计80个样点,并对水样的悬浮物等水质参数浓度以及水体组分的吸收系数进行了测量.结果表明:(1)黑臭水体的总颗粒物吸收系数、非色素颗粒物吸收系数总体上高于非黑臭水体.(2)黑臭水体与非黑臭水体的CDOM吸收系数有明显的差异.由此可用CDOM吸收特征波段440 nm和不同波段范围内拟合的吸收系数曲线斜率对黑臭水体进行区分.城市黑臭水体吸收特性的分析,将为黑臭水体的遥感识别和监测提供有效的技术支撑.黑臭水体中的高CDOM浓度,可以作为遥感识别黑臭水的一个重要参考.     

渤海非色素颗粒物和黄色物质的吸收特性研究

非色素颗粒物和黄色物质的吸收是海水总吸收系数中重要的组成部分,也是海洋光学和水色遥感目前主要的研究内容.本文利用2005年测量的渤海黄色物质与非色素颗粒物的吸收系数,回归了两者吸收系数的曲线斜率,平均值分别为0.012和0.014 nm-1,这与国外测量的结果是一致的;分析了吸收系数和曲线斜率的时空分布,发现两者存在比较明显的负相关关系,可能是由于非色素颗粒物与黄色物质的两种来源导致的.     

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.     

珠江口水体组分的吸收特性分析

水体组分吸收特性是水下光场和水面光谱的主要影响因子,对其进行研究有助于提高对水体光学特性的认识和水质参数的遥感反演.基于2013年7月珠江口水体30个样本的实测数据,对珠江口水体总颗粒物、非藻类颗粒物、浮游藻类和CDOM的吸收特征进行了分析,结果表明:1总颗粒物吸收特征为非藻类颗粒物主导类型;2非藻类颗粒物的吸收系数遵循指数衰减规律,主要来源是陆源性输入,指数斜率Sd均值与空间变化幅度高于内陆二类水体;3多项式关系能较好地表达aph(440)与叶绿素a浓度的关系,而aph(675)与叶绿素a浓度存在很好的线性相关,辅助色素对浮游藻类吸收系数的影响主要在短波波段,长波波段叶绿素a的影响占主导地位,比吸收系数随叶绿素a浓度的增加而减小,呈现幂指数衰减规律;4CDOM输入以陆源为主,光谱曲线在紫外波段250~290 nm之间存在一个吸收肩,按光谱特征分段拟合Sg值能够更好地表达CDOM吸收特性,M值与A段(240~260 nm)的斜率Sg值呈现较强的正相关,珠江口水体的M值较小,CDOM中腐殖酸含量较高;5珠江口水体非色素颗粒物吸收在总吸收中占主导地位,浮游藻类吸收对总吸收的贡献远小于非色素颗粒物,CDOM吸收对总吸收的贡献最小,当CDOM中腐殖酸含量较高时,CDOM对水体总吸收的贡献大,腐殖酸含量较低时,CDOM对水体总吸收的贡献小.     

巢湖水体SPM和CDOM吸收特性季节差异研究

水体吸收系数作为重要的光学参量,研究它可进一步发展生物光学模型,为评估湖泊水体富营养化提供重要的理论基础。该文依据2020年8月和2021年10月在巢湖区采集的水样数据,经实验对水体组分光谱吸收和参数浓度的测定,展开对水体各组分吸收特性的研究以及季节差异分析。结果表明：巢湖夏季水体色素浓度高于秋季,而颗粒物则反之,两期水体各组分吸收特性时空差异显著;夏季总悬浮颗粒物在440和675 nm波段处的吸收系数a_p(440)、a_p(675)均值要比秋季大,且两期水体吸收类型大有差别;浮游植物夏季生长旺盛,光合色素增多,秋季因气候使其大量死亡,降解为非藻类颗粒物,导致夏季浮游植物色素颗粒物在440和675 nm波段处的吸收系数a_ph(440)、a_ph(675)、比吸收系数a^*_ph(440)和a^*_ph(675)均值大于秋季,而秋季非藻类颗粒物在440、675 nm波段处的吸收系数a_d(440)、a     

基于生物光学模型的二类水体光学活性物质估算：以晋江下游河段为例

水体中各组分对光谱的吸收和散射构成了水体的固有光学特性,是生物光学模型的重要参数,是建立水质遥感半分析模型的基础.目前该方法多应用于湖泊水质监测,很少用于河流.因此, 本研究以福建晋江下游河段为例, 探讨水面下反射率R(0^-)与光学活性物质之间的关系,并建立了光学活性物质的估算模型.结果表明,利用R(0^-)₇₅₃与总悬浮物浓度、R(0^-)₇₀₂/R(0^-)₆₈₀与浮游植物色素浓度、R(0^-)₆₇₀/R(0^-)₄₂₃与CDOM吸收系数分别建立的估算模型能取得理想的效果,其决定系数分别是0.953、 0.820 5和0.621 3,对应的相对误差分别是6.1%、 21.87%和22.18%.三者中以悬浮物浓度的反演精度最高,然后依次为浮游植物色素浓度和CDOM.主要原因在于浮游植物色素的浓度相对较低,光谱信号较弱;CDOM的特征光谱波段很窄,而且该波段内的R(0^-)受到其它２种物质存在的影响.     

基于决策树的城市黑臭水体遥感分级

水体黑臭程度遥感监测是了解城市水质现状和综合评价城市水环境治理效果的重要手段.以南京、常州、无锡和扬州为研究区,共采集171个样点,同步测量水质参数和光学参数,分析黑臭水体与一般水体的水色和光学特征,构建决策树模型进行重度黑臭水体、轻度黑臭水体和非黑臭水体（记为一般水体）识别.结果表明：①根据色度可将水体分为1~6类水体,其中,类型1~4为黑臭水体,分别为灰黑色、深灰色、灰色和浅灰色水体,类型5和类型6水体为一般水体,分别为绿色系和黄色系水体;②类型1水体的非色素颗粒物和有色可溶性有机物含量高,但色素颗粒物的吸收并不占主导,类型2和5水体的吸收以色素颗粒物吸收占主导,类型3、4和6水体的吸收以非色素颗粒物吸收占主导;③根据六类水体的反射光谱差异用黑臭水体差值指数（difference of black-odorous water index,DBWI）、三波段面积水体指数（green-red-nir area water index,G-R-NIR AWI）、绿光波段反射率和归一化黑臭水体指数（normalized difference black-odorous water index,NDBWI）构建的水体分类识别决策树,能够有效识别出重、轻度黑臭水体和一般水体;④将决策树模型应用于2019年4月9日扬州的PlanetScope影像上,并利用10个同步过境点进行验证,整体识别精度达到80.00%,K值达到0.67.通过水色分类后的城市水体分级模型方法,可推广应用于类似的水体,为黑臭水体监管提供技术方法.     

富营养化水体中光学活性物质的垂向分布及其对遥感反射光谱的影响

富营养化水体中光学活性物质的垂向分布对水下光场分布具有重要影响,决定了水色参数定量遥感反演的精度.基于2011年8月和11月在太湖进行的垂直分层采样,分析了水体中光学活性物质含量的垂向分布特征,并探讨了其影响因素及其对水体遥感反射光谱的影响.结果表明,风速是影响富营养化水体中光学活性物质垂向分布的重要因子之一.风速较小(小于3.0 m·s~(-1))或无风时,表层叶绿素a浓度急剧增加,易形成水华;而风速大于5.0 m·s~(-1)时,水体发生垂直混合,底层叶绿素a浓度最大;其它风速条件下,叶绿素a浓度在某一水深处出现极大值.在风速小于5.0 m·s~(-1)的情况下,悬浮物浓度和有色溶解有机物(CDOM)的垂向分布相对均一;当风速超过5.0 m·s~(-1)时,底泥再悬浮过程对两者的贡献较大.在未发生藻华情况下,0~0.5 m水深范围内的叶绿素a浓度均值与波段比值的相关系数最大(r=0.86),对水体遥感反射比的影响较大;而表层悬浮物浓度对水体遥感反射比的影响最大,研究结论可为水色参数含量的精确估算提供方法论支持.     

滇池水体总悬浮物散射系数参数化模型

总悬浮物的散射系数是水体非常重要的固有光学量之一,散射系数的参数化研究,对于水体生物光学模型的构建具有非常重要的意义.2009年9月对滇池水体25个样点进行野外采样,对滇池水体水质参数、悬浮物的吸收、散射特征进行分析,并利用乘幂模型对散射系数进行参数化,分析了模型精度与色素颗粒物吸收之间的关系,进而改进乘幂模型.结果表明,在色素颗粒物吸收较强的波段,普通乘幂模型的平均相对误差为0.08,模型改进后相对误差缩小为0.02;在色素颗粒物吸收较弱的波段,会出现模型的过修正,这主要取决于色素颗粒物的吸收,因此,没有必要对乘幂模型进行修正.     

内陆水体叶绿素反演模型普适性及其影响因素研究

利用具有较大时空差异性的水体组分和光学特性数据集对现有叶绿素半分析(三波段和四波段模型)和生物光学反演模型进行检验,研究叶绿素反演模型的普适性及其影响因素.结果表明,叶绿素生物光学分析反演模型具有较高的普适性,总体反演精度可以接受,但反演精度受叶绿素比吸收系数时空差异影响较大;三波段和四波段叶绿素反演模型反演精度较高,但是由于水体组分组成及其生物光学特性差异使得反演因子最佳波段位置和反演模型参数存在较大的变异性,大大降低了三波段和四波段叶绿素反演模型的普适性,其中后向散射系数光谱曲线形状和叶绿素比吸收系数是三波段和四波段模型普适性的主导影响因素.     

新安江水库夏季CDOM吸收光谱特征及来源分析

为探讨夏季新安江水库有色可溶性有机物(CDOM)吸收光谱特征、空间分布及潜在来源,于2013年7月份在新安江水库采集了53个表层水样,分析了CDOM吸收系数a(350)、比吸收系数a*(350)和光谱斜率S值的空间分布规律及CDOM吸收系数与水质参数的相关关系.结果表明:通过系统聚类分析,夏季新安江水库CDOM吸收系数空间分布可划为3类,吸收系数大小呈现出A类区(西北河流区)>B类区(库心区及东北库区)>C类区(西南库区及东南库区)的规律,空间分布与CDOM比吸收系数相似而与S值相异.CDOM吸收系数a(350)与叶绿素a(Chla)浓度、浮游植物吸收系数及悬浮物浓度存在极显著性正线性相关,表明夏季新安江水库CDOM主要来源于浮游植物新陈代谢及降解产物.     

东平湖CDOM吸收光谱特性及其来源解析

为分析东平湖有色可溶性有机物（CDOM）吸收特性、来源和空间分布的季节变化,分别于2013年8、12月以及2014年3月采集了35个表层水样,分析了各基本水质参数、CDOM吸收系数[a（440）]、比吸收系数[a^*（440）]和相对分子量参数M值的分布规律及CDOM吸收系数与水质参数之间的相关关系.结果表明：东平湖CDOM吸收系数a（440）呈现出枯水期 > 丰水期 > 平水期的规律,空间分布与CDOM比吸收系数[a^*（440）]相似.M值呈现出丰水期 < 平水期 < 枯水期的变化趋势.丰水期CDOM吸收系数与叶绿素a（Chla）具有显著相关关系;丰、平水期两季CDOM吸收系数与DOC存在显著相关关系.丰水期CDOM同时受外源和内源输入的影响,但以内源输入为主,主要来源于浮游植物降解产物;老湖镇湖区外源特征明显.平水期CDOM亦受内源和外源输入的双重影响,但浮游植物的腐烂降解不是CDOM的主要来源;北部湖区以外源输入为主.枯水期CDOM整体表现出较强的自生源特征,但相关分析显示,浮游植物降解并不是CDOM的主要来源,自生源特征可能与挖沙活动导致的悬浮物浓度增高有关;东南湖区因大汶河输入的影响呈现出较强的外源特征.利用东平湖丰、平水期两季CDOM浓度反演DOC浓度具有可行性.     

长江口及邻近海域有色溶解有机物(CDOM)的光学特性

CDOM吸收特性是河口海岸水色遥感的重要研究内容.利用2008年8月和2009年5月两航次的测量数据,对长江口及其周边海域CDOM的光学特性和混合行为进行研究.2008年航次中CDOM吸收系数ag(440)范围是:0.20～0.73m-1,2009年其范围是:0.20～0.77m-1.幂函数模型模拟CDOM吸收光谱的精度比指数模型的更高,更适于拟合CDOM吸收光谱.幂函数模型计算结果显示,黄色物质光谱斜率变动范围在2008年航次中介于5.10～7.90之间,在2009年航次介于2.95～6.11之间.2个航次的CDOM吸收系数最大值都出现在最大浑浊带内.CDOM吸收系数和光谱斜率值在河口内外差异明显,最主要的原因是受到最大浑浊带的影响.在河口区域,河口水层垂向混合过程显著时CDOM趋于空间均匀分布,但是在其他时刻基本遵循保守混合过程,受河口区域水体交换频繁的影响,光谱斜率值Sg2与ag(440)之间不存在显著相关关系.在口外海域,CDOM浓度除了受到陆源输入影响以外还受现场生产的影响,Sg2与ag(440)之间存在显著负相关关系.由此可见在长江口复杂物理化学和水文环境影响下,黄色物质的光学特性和混合行为在河口内外有非常巨大的差异.     

夏季太湖CDOM光学特性空间差异及其来源解析

为进一步探究夏季太湖CDOM（有色溶解性有机质）光学特性在空间分布上的差异性与其来源的关系,对其紫外-可见吸收及三维荧光光谱特性进行了分析研究,在此基础上进一步分析了CDOM吸尘系数及其荧光组分（C1、C2、C3、C4）强度和各水质参数间的相关性.结合主成分分析法探讨了CDOM的来源以及与各参数指标[ρ（DOC）除外]之间的来源关系.结果表明:CDOM吸收系数α（355）、S值（光谱斜率）变化范围分别为3.27~8.27 m-1和0.011~0.021 nm-1;太湖西部、北部及南部湖区CDOM丰度较大,S值较低,受陆源输入的影响较为明显.CDOM的三维荧光光谱揭示其中含有两种类蛋白质组分C1和C2以及类腐殖质组分C3和C4,并且以类蛋白质组分为主.此外,大部分采样点的荧光指数（FI）为1.70~2.01,自生源指数（BIX）大于1,腐殖化指数（HIX）小于0.6,r_（T/C）（荧光峰T与荧光峰C荧光强度比值）小于2,表明夏季太湖CDOM内源特性相对强烈.研究显示,除ρ（DOC）外,CDOM与其他水质参数在第一主成分上（贡献率为90.8%）均存在显著相关关系,说明各水质参数的来源存在相似性,并且受生物自生源影响更为显著.      

黄土高原高浑浊水体CDOM光学特性及影响因素

为确定黄土高原地区高浑浊水体有色溶解有机物(CDOM)组成来源及研究环境因素对其的影响,本文基于2018年5月陕蒙黄土高原地区河流与湖泊(咸水湖和淡水湖)的实测数据对CDOM光学吸收特性,各组分对水体吸收的贡献,光谱斜率S_(275～295)及水质参数与CDOM光学特征参数的相关性进行分析.结果表明,陕蒙黄土高原区河湖CDOM吸收光学特性差异显著(P0.01),湖泊CDOM吸收系数a_(CDOM)(440)(8.45 m~(-1))高于河流(2.70 m~(-1)),咸水湖CDOM浓度(13.52 m~(-1))高于淡水湖(3.38 m~(-1)),淡水湖对光的有效利用率高于咸水湖和浑浊河流.河流与湖泊、咸淡水湖之间酸碱度(pH)和溶解有机碳(DOC)差异均呈显著水平(P0.01);河湖水体电导率(EC)、浊度(Tur)和总悬浮物浓度(TSM)差异显著;排除极大值点,咸水湖与淡水湖叶绿素a(Chla)相接近.基于S_(275～295)分析发现,湖泊CDOM分子量小于河流,咸水湖分子量小于淡水湖;由SUVA_(254)得出,河流陆源腐殖质输入比湖泊多,淡水湖陆源腐殖质输入较咸水湖多.通过冗余分析(RDA)发现,河流与湖泊水质参数累积方差解释率分别为35.2%和61.4%,咸淡水湖均达到100%;溶解氧(DO)、水温和EC对河流CDOM光学特性影响较大(P0.01),而DOC、 TSM和Tur对湖泊CDOM光学特性影响较大(P0.01);咸水湖水体中DOC以及淡水湖水体的pH与CDOM吸收系数相关性较强(P0.05).     

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.     

博斯腾湖夏季水下光场特征分析及影响因素探讨

2011年8月,在新疆博斯腾湖17个站点进行水样采集,同步对11个站点进行水下光场原位测定.结果发现,博斯腾湖夏季总颗粒物吸收系数光谱表现出明显的浮游植物吸收特征,而浮游植物光谱曲线有明显的硅藻吸收光谱特征.在光合有效辐射波段,有色可溶性有机物（CDOM）吸收系数与浮游植物吸收系数对总吸收的贡献相当,而非色素颗粒物对总吸收的贡献最低.水下光谱衰减系数的最小值出现在580nm左右的绿光波段,PAR漫射衰减系数平均值为0.53m-1,平均真光层深度约为9.69m,大于湖水平均深度.在博斯腾湖虽然纯水和CDOM在总吸收中占有很重要的部分,但主导漫射衰减的因子仍为颗粒物.通过本文研究,以期能为干旱地区湖泊环境保护和水质遥感监测提供数据和理论基础.     

二龙湖表层水体有色溶解有机物的光学特性及来源

CDOM（colored dissolved organic material,有色溶解有机物）的光学特性可反映水体中内源物质与外源物质的比例,为了解二龙湖受到上游来水所含污染物的影响,利用荧光区域一体化技术和荧光指数分析水体中CDOM的荧光特性,进而判定水体污染状况,并结合CDOM荧光组分与水质参数之间的关系,探讨了不同季节二龙湖水体中CDOM光学特性在时空分布上的差异性以及CDOM的组成与来源.结果表明:①水相中CDOM表现出明显的季节性差异.其中,光谱斜率S_g（275~295 nm）和E_{250 nm:365 nm}〔a_CDOM（250）/a_CDOM（365）〕均表现为丰水期>平水期>枯水期,SUVA_{254 nm}表现为枯水期>平水期>丰水期.②水体中的荧光组分以外源组分R3（富里酸类物质）和R5（腐殖酸类物质）为主,在枯水期、丰水期和平水期分别占总荧光强度的70.0%、60.4%和51.3%.③在丰水期、枯水期、平水期,FI_{310 nm}平均值均大于0.8,FI_{370 nm}平均值均小于1.4,表明在3个水文期,微生物活动带来的内源CDOM在二龙湖南部较为明显.④ρ（DOC）（dissolved organic carbon,溶解性有机碳）与CDOM的荧光组分R2（色氨酸类组分）、R4（可溶性微生物副产物组分）和R5（腐殖酸类组分）均具有较好的相关性,相关系数（R）分别为0.71、0.80、0.73,表明DOC主要源于微生物代谢的可溶性副产物及浮游植物的降解.研究显示:水体中CDOM主要组成为内源的色氨酸与微生物蛋白质类副产物以及外源的富里酸类与腐殖酸类有机物;同时,由于冰冻、降水、生活污水排放、农业废水和水生植物等因素,导致湖泊中的CDOM的组分与来源十分复杂.      

太湖梅梁湾水体组分吸收特性季节差异分析

利用2006年8月、11月和2007年3月太湖梅梁湾水样实验室测定的水体组分固有光学特性数据和水质分析数据,分析水体中各组分在不同季节的吸收特性,并讨论不同季节光谱吸收的主导因子.结果表明,各组分在不同季节其吸收特性存在一定的差异,总悬浮吸收系数在夏季最大,在440 nm平均吸收系数为(7.49 4±3.0)m-1,春季最小,440 nm平均吸收系数为(2.86±0.73)m-1,且不同季节其吸收类型不同;非藻类颗粒吸收特性的季节性差异相对较小,其吸收系数和S值的差异主要是由于无机悬浮物含量和组成的不同导致的;由于藻类含量的差异导致浮游藻类吸收系数在夏季最大,675 nm平均吸收系数为(5.49±3.5)m-1,秋季次之675 nm平均吸收系数为(2.03±1.14)m-1,春季最小,675 nm平均吸收系数为(0.62±0.25)m-1;而有色可溶件有机物(chromophoric dissolved organic matter,CDOM)吸收系数和S值的季节差异性主要是由于其来源的不同,导致其浓度和成分的不同形成的.春、秋季由于无机悬浮物含量较高,非藻类颗粒物对总吸收的贡献大于其他组分,是水体总吸收的主导因子,而夏季由于浮游藻类含量较高,使其成为水下光谱的主要影响因素.