太湖水体散射特性及其与悬浮物浓度关系模型

水体散射特性与水环境参数如悬浮颗粒及其浓度密切相关.利用Wetlabs公司研制的水体固有光学特性测量系统,于2006-10～2006-11对太湖水体的散射系数和后向散射系数进行了测量.在对水体散射特性分析的基础上,建立了太湖水体颗粒物后向散射系数的光谱模型.此外,利用后向散射率计算水体折射系数,根据折射系数的变化范围,将水中颗粒物的主导因子分为3种类型：①浮游植物主导;②无机颗粒物主导;③两者共同主导.在对散射系数与无机悬浮物、有机悬浮物、总悬浮物浓度相关性分析的基础上,针对颗粒物主导因子的不同,分别建立了散射系数与无机悬浮物浓度的乘幂关系模型.     

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.     

基于生物光学模型的巢湖悬浮物浓度反演

根据2009年6月巢湖32个样点实测的遥感反射率、悬浮物浓度、吸收系数及散射系数等数据,分析巢湖水体各组分的吸收、散射等固有光学特性,确定悬浮颗粒物单位散射系数、后向散射概率等固有光学参数,构建基于生物光学模型的悬浮物浓度反演模型,并利用准同步获取的环境1号卫星CCD影像数据反演巢湖悬浮物浓度.结果表明,555 nm处悬浮颗粒物单位散射系数的平均值为0.48 m2/g,以555 nm为参考波长,建立指数衰减模型对悬浮颗粒物单位散射系数进行参数化,模型的决定系数可以达到0.99;此外,在760～900 nm(Band4)范围内,后向散射概率不具有波长依赖,其值稳定在0.051.利用所得到的表观及固有光学量构建巢湖水体遥感反射率模型,反演巢湖悬浮物浓度,得到实测值与反演值之间的相对误差随着浓度的增加而呈现下降的趋势,平均相对误差为17.25%,由此表明该方法适用于反演悬浮物浓度较高的湖泊水体;利用两景环境1号卫星CCD影像数据反演得到的巢湖悬浮物浓度主要在0～100 mg/L之间变化,其中6月13日巢湖悬浮物浓度40 mg/L的水域占到总面积的54.37%,而6月15日巢湖61.62%的水域悬浮物浓度40 mg/L,且这2 d巢湖悬浮物的分布与当时的气候变化一致.     

水体有机和无机颗粒组分变化对散射和后向散射特性影响研究

研究颗粒物的比例构成对散射及后向散射特性的影响,对推动水色遥感的发展具有重要的意义。本文结合2017年6月和9月秦皇岛附近海域的实测数据,获取了各站位有机颗粒（POM）、无机颗粒（PIM）的浓度以及散射、后向散射等光谱参数,并进行了相关性分析。结果表明,受水体颗粒物浓度的影响,各波段比后向散射系数的变化幅度明显增大,变异系数CV最大值出现在550 nm处;通过建立散射、后向散射系数与总悬浮颗粒物浓度（SPM）以及与PIM和POM之间的关系模型发现,水体的后向散射受水体颗粒物构成影响较大,与有机、无机颗粒物浓度之间的模型精度较高,均方根误差（RMSE）的变化范围为0.0094~0.0143,模型精度在700 nm处最好;同时,分析了无机颗粒物的比例构成（PIM/SPM）对散射效率和后向散射效率的影响,得出相对于散射效率Q_be,后向散射效率Q_bbe受无机颗粒物比例构成影响最大,但是Q_bbe与PIM/SPM的相关性并不是很高,决定系数R2为0.4。     

强壮前沟藻生消过程中水体的散射特性

基于2011年7月藻类培养实验期间的实测数据,研究了强壮前沟藻生消过程中水体的散射特性.结果表明,强壮前沟藻本次培养周期共21d,前15 d为生长期,之后进入消亡期;生消过程中水体散射光谱变化明显,叶绿素浓度较低时,散射系数随波长增加近似呈幂函数衰减,而叶绿素浓度较高时,蓝绿光波段散射系数随波长增加呈现近似线性增大趋势,红光波段叶绿素强吸收造成的散射谷更明显;生长期和消亡期时,散射系数与叶绿素浓度幂函数回归的可决系数均随波长增加逐渐增大,750 nm波段达到最大值,R2分别为0.95、0.97;生长期时,蓝光波段散射占总散射量的比例逐渐减小,而红光波段逐渐增大,绿光波段变化较小,但基本呈现增大趋势,水色由蓝绿色逐渐变为红褐色,消亡期时,恰恰相反;生长期和消亡期的绿蓝、红蓝、红绿波段散射比与叶绿素浓度均存在正相关关系,说明随叶绿素浓度增加水色逐渐趋近于长波颜色.     

环太湖不同性质河流水体磷的时空分布特征

为了解不同性质河流对太湖水体富营养化的影响,于2009年2月(枯水期)、2009年5月(平水期)、2009年8月(丰水期)对环太湖三类9条河流中不同形态磷的沿程和时间变化特征进行了研究.结果表明,总磷(TP)、溶解性总磷(DTP)和溶解性反应磷(SRP)质量浓度随枯、平、丰水期而呈降低趋势,可酶解磷(EHP)质量浓度随着枯、平、丰水期藻类生物量的升高而升高.受生活污水影响的河流水体中各形态磷的质量浓度都是最高的,但由于此类河流从上游到下游水体自净能力很好,其对太湖富营养化的影响最小.受工业废水影响河流在与太湖交界处各形态磷的质量浓度最大,对太湖富营养化的影响也最大.入湖河流的EHP质量浓度多数情况下远远高于SRP质量浓度,EHP对太湖蓝藻的暴发起关键性作用.     

内陆水体后向散射系数模拟研究

在利用半分析方法结合光学闭合原理模拟水体后向散射系数的过程中,参考波长的选择对最终结果有较大影响.为了得出最佳参考波长的影响因子,利用太湖、巢湖和滇池的野外实测数据,对后向散射系数进行模拟,进而分析水体的最佳参考波长与其对应的水质参数浓度之间的变化规律.同时,建立了太湖、巢湖和滇池水体的后向散射系数曲线的幂函数光谱模型,获得的光谱指数分别为2.643±0.317、 2.719±0.242、 1.638±0.534.结果表明：①以整个湖泊为研究对象时,最佳参考波长随着湖泊水体中总颗粒物浓度c_SPM、有机颗粒物浓度c_SPOM和叶绿素浓度c_CHL平均值的增大而向长波方向移动,太湖、巢湖和滇池水体的最佳参考波长分别为695、 720和730 nm;②以单个湖泊的各个样点为研究对象时,由于内陆湖泊光学特性的复杂性,最佳参考波长的影响因子存在一定差异,但c_SPM是一个共同的影响因子.此外,过高的c_CHL将削弱水质参数浓度与最佳参考波长间的规律性;③在以无机颗粒物为主的水体中,后向散射系数与总颗粒物浓度之间存在更好的相关性,如在太湖水体中,R²达到0.852.     

长江中下游浅水湖泊水下辐照度漫射衰减特征研究

基于2007年9月底和10月初在湖北武汉东湖、梁子湖、洪湖以及2010年4月在昆山市傀儡湖进行的水下光场测定数据,分析了4个湖泊漫射衰减系数变化特征及其主导因素.在东湖和傀儡湖各站点水体主要光学因子变化不大,梁子湖和洪湖由于具有草型和藻型湖区,所以各因子在不同点位变化较大.通过对透明度和各光衰减因子的回归分析可知,无机颗粒物是影响东湖和傀儡湖透明度的主要因子,而梁子湖和洪湖透明度则受无机和有机颗粒物的共同制约.4个湖泊的光谱漫射衰减系数最低值均出现在580 nm处,在675 nm处各点均具有相应的叶绿素a的特征吸收峰,在叶绿素a浓度较低站点衰减峰相对不明显.东湖平均真光层深度小于湖体平均深度,在目前的光场条件下沉水植物很难生长,而在梁子湖、洪湖和傀儡湖其真光层深度均超过了水深,为沉水植物的生长提供了良好的水下光环境.对PAR衰减与各衰减因子进行回归分析发现,在东湖、傀儡湖主导PAR衰减的是无机颗粒物,梁子湖和洪湖PAR衰减受到无机颗粒物、有机颗粒物和叶绿素a的共同作用.颗粒物特征波长750 nm处的光束衰减系数与PAR漫射衰减系数存在显著正相关,说明颗粒物散射显著贡献水下光辐射漫射衰减.研究结果有助于指导浅水湖泊水下光场条件改善和沉水植物恢复.     

丰水期环太湖河流与湖区水质比较研究

鉴于环湖河流水质在汛期对太湖的关键性影响,以藻类对不同形态营养盐的利用程度为标准,2008年丰水期对太湖周边32条主要河流的水质进行了细化研究,旨在为太湖的外源河流综合整治提供依据.结果表明,采样河流中望虞河水体的营养盐和悬浮物（SS）浓度都居于最高,水质为劣Ⅴ类;太湖北部河流水体除了营养盐浓度为劣Ⅴ类外,有机质污染在...     

电化学氧化技术对藻源性湖泛的降解效果

为探索电化学氧化技术降解藻源性湖泛的可行性和实施效果,选取太湖藻华发生水域的浓缩藻类在室内稀释后,于高温黑暗条件下腐烂形成湖泛水样. 用钛基阴阳极板于24 V额定电压、100 W额定功率的变压器下在室内进行降解,并分别设置3个试验组和1个对照组. 结果表明:反应51 h后ρ(Chla)从初始的2 909.87 μg/L降至72.02 μg/L,降解率达97.6%;悬浮物〔OSM(有机悬浮物)、ISM(无机悬浮物)、TSM(总悬浮物)〕、含氮污染物〔TN、TDN(溶解性总氮)〕、COD_Mn、DOC(溶解性有机碳)的降解率分别为40.8~94.7%、37.4~58.9%、78.8%、40.1%;电化学氧化法对水体有机物的降解效果好,而短期内水体藻类污染物的自降解能力较为微弱. 电化学氧化法能有效去除湖泊水体中的藻类污染物,并且极板功率较小、反应时间短.      

多环芳烃在西江高要段水体中的分布与分配

为了解西江流域水体中多环芳烃(PAHs)的深度和季节分布及其在溶解相和颗粒相的分配以及控制因素,分别在洪水期(2003年8月和2004年7月)和枯水期(2003年11月和2004年3月)采集了西江高要段水柱.结果表明,溶解相和颗粒相中PAHs的浓度分别为21.7~138 ng/L和40.9~664.8μg/kg;水体中PAHs的总含量(颗粒相及溶解相),洪水期大于枯水期.在溶解相中,PAHs的浓度随深度无明显规律;而在颗粒物中,PAHs的浓度都表现出相同的变化趋势,即中层水PAHs含量最高,表层水PAHs含量最低.溶解相和颗粒相中PAHs的浓度都随悬浮颗粒物的含量增加而增加.从PAHs组成特点来看,溶解相以3环的PAHs为主,而颗粒相以3~4环的PAHs为主.PAHs在颗粒相及溶解相中的分配系数(KP)不受颗粒有机碳浓度控制(R2为0.000 1~0.2),而受颗粒物浓度、及溶解有机碳浓度的共同影响(R2为0.15~0.36),尤其是溶解态的细小碳黑有机质的影响.西江高要段水体PAHs在不同季节的lgKOC值大部分超过经典平衡分配模型的上限.除了2003年11月(R2为0.000 4~0.12,p0.001)之外,其它3个季节PAHs的lgKOC与lgKOW均有较强的相关性(R2为0.29~0.91,p0.05).洪水期颗粒物的亲脂性强于枯水期.     

苏州市气溶胶消光特性及其对灰霾特征的影响

为研究气溶胶消光特性对城市灰霾特征及形成的影响机制,采用2010年1月─2013年12月4 a的苏州市逐时散射系数、能见度、颗粒物质量浓度以及风速、风向、气温、气压、相对湿度等数据,对该市气溶胶散射系数、消光特性及影响因子进行了研究. 结果表明:苏州市气溶胶散射系数为(301.1±251.3)Mm-1,日变化呈双峰型,早高峰出现在07:00─08:00,晚高峰出现在20:00─21:00;其年内变化呈夏季低、冬季高. 气溶胶散射系数与ρ(PM_2.5)的相关系数为0.77,高于与ρ(PM₁)和ρ(PM₁₀)的相关性,PM_2.5散射效率为6.08 m2/g. 气溶胶散射系数受风速、风向等气象要素的影响:风速<4 m/s时,气溶胶散射系数下降迅速;风速在4～6 m/s时,气溶胶散射系数随风速下降缓慢. 苏州市气溶胶单次散射反照率平均值为0.84,散射消光比平均值为0.79,说明该地区气溶胶消光以散射性气溶胶为主. 气溶胶散射消光、气溶胶吸收消光、空气分子散射消光、NO₂吸收消光分别占大气消光的82.33%、13.63%、2.72%和1.32%. 研究表明,对气溶胶散射消光贡献最大的非吸收性PM_2.5是苏州市能见度下降、灰霾增加的最重要原因.      

杭州西湖冬、春季水体光学特性比较

于2007年冬、春季对杭州西湖主要湖区的水下光合有效辐射进行了研究,主要从光学角度讨论西湖的水质状况及其影响因素. 选用美国LI-COR公司的水下光量子仪(LI-COR 192SA)分层测定光合有效辐射(PAR),同时测定透明度,叶绿素a,悬浮物(SS),总氮和总磷等理化因子. 通过对不同深度处水下辐照度进行指数回归得到光学衰减系数(K_d). 结果表明,西湖水质和水体光学条件冬季优于春季,ρ(叶绿素a)和ρ(SS)低,透明度和真光层深度高. 水下光合辐射的垂直分布呈指数衰减. 从总体上来看,K_d冬季小于春季,外西湖高于其他湖区,并且由南至北逐渐升高. 冬、春季K_d分别为0.49～2.25和0.59～3.45 m－1. K_d与ρ(叶绿素a)和ρ(SS)呈正相关.浮游植物和悬浮物是影响西湖水下光照的重要因素. 降低浮游植物和悬浮物含量是改善西湖水体光学条件的重要内容.      

颗粒物分界层Mie散射激光雷达识别的sigmoid算法

基于成都市2013年6月~2015年5月期间由Mie散射激光雷达探测的大气消光系数廓线资料,发现混合层以上在颗粒物消光和分子消光之间一致存在一个S型的过渡区,利用sigmoid函数对此分布形态进行模拟,通过计算该函数上下曲率最大点所在的高度,据此提出了颗粒物分界层Mie散射激光雷达识别的sigmoid算法.针对该算法模拟效果的分析表明,颗粒物分界层过渡区附近大气消光系数理论廓线和实测廓线保持了高度的相关性,二者在春夏秋冬四季的相关系数（R）分别为0.9971±0.0052、0.9935±0.0167、0.9979±0.0038和0.9990±0.0021（均通过α=0.05的显著性检验）.基于sigmoid算法计算的颗粒物分界层过渡区与成都市温江站探空资料得到的逆温层之间存在很好的对应关系.     

太湖悬浮物分布的现场监测研究

于2005年8月25日至8月28日对太湖进行现场监测,得到了太湖梅梁湾到大太湖的悬浮物、浊度数据,分析得出:(1)光照强度较高时,对应于微囊藻峰值的出现,浊度在水深0.5m处出现最高值,光照强度较弱时,浊度的分布在垂直方向上趋于均匀;(2)悬浮物浓度与浊度具有较高的相关性,悬浮物浓度值可以用浊度的测定值换算得到;(3)河流流入、风浪条件和湖内藻类繁殖等影响着太湖悬浮物的垂直和纵向空间分布,出现梅梁湾到大太湖不同的悬浮物垂直和纵向分布。