遙感數據助力水環境變化監測

2020-12-07 騰訊網

近日，我國西南地區、江南北部、江漢、江淮等地持續發生暴雨、強降雨。暴雨、強降雨多發生在持續高溫突遇氣候急劇轉變的天氣裡，常伴隨大風和雷電，容易產生洪水、垮塌等自然災害（圖1）。

圖1 近日我國大部分地區出現強降雨並引發一系列災害（圖片來自網絡）

在全球氣候變化背景下，強降雨及暴雨等極端降雨事件頻次和強度都將增加，由此導致的徑流增加，攜帶流域及周邊城市大量懸浮物、營養鹽、重金屬和有機汙染物等進入湖庫水體，嚴重影響湖庫物理化學過程及生態系統結構和功能（圖2）。

圖2 強降雨在河流入湖口形成高渾濁區，導致溶氧和水溫的垂向交換以及水質遙感反演概念圖

強降雨攜帶的高濃度營養鹽有利於藻類的生長，從而增加了有害藻華的發生率，而強降雨攜帶的高濃度懸浮物嚴重影響水下光場分布、水生生物初級生產力以及浮遊植物群落結構，伴隨懸浮物流入湖泊的還有大量重金屬、化肥和農藥等，這些物質進入水體，嚴重影響水體的生物地球化學循環（圖3）。

圖3 水體透明度下降對湖泊生態系統影響概念圖。圖a為水下光照條件較好情況下水生生態系統情況，圖b為水下光場惡化後水生生態系統變化情況

此外，暴雨發生期間，一般雨水和上遊徑流水溫較湖泊表層水溫低，同時水體上層溫度高的水體和下層溫度低的水體發生交換，從而引起湖泊表層水溫的下降和底層水溫的上升（圖2）。由於水體垂向的溫度差和密度差減小，形成表層水體和底層水體的對流增強，對流程度隨著降雨程度的增加而變大。

暴雨的危害還體現在對水生生物的影響上。在暴雨發生前，悶熱而低氣壓的天氣會導致湖泊表層溶解氧降低，魚蝦會出現缺氧浮頭的現象。暴雨發生期間水溫的下降以及光照強度的下降，小型生物（例如浮遊生物等）對這種水環境的快速變化更加難以適應，造成其應激性反應和病害發生，從而引起生態結構的急劇變化。然而，降水對大型水生動物（例如魚類）還可能帶來積極的催長作用，徑流攜帶大量微生物進入水體，從而對雜食性和濾食性魚類的生長具有一定的刺激作用。

傳統的關於暴雨對湖泊水環境研究主要集中在某一特定位置、特定時刻水體的生物、化學和物理參數的監測，但由於降雨引起的水環境變化快、作用範圍廣，這些特定時刻、特定位置的監測不能反應其發生及發展過程。遙感數據可以實現內陸湖泊或水庫高頻、大規模觀測，並可用於追蹤水環境的時空變化。

強降雨攜帶大量泥沙進入湖泊並在入湖口堆積形成高渾濁區，這些高渾濁區中包含大量沉積物、營養物、重金屬、有機汙染物，對光具有強烈的吸收和散射作用，尤其在紅色波段以及近紅外波段，高渾濁區遙感反射率顯著高於清潔水體（圖4）。因此，基於高渾濁區水體與周圍水體光譜的差異性，我們從衛星數據中可以提取高渾濁區水體範圍。

圖4 不同水體遙感反射率，（a）為千島湖清潔水體，（b）為杭州灣極度渾濁水體

以千島湖為例，近半世紀以來，千島湖降雨量呈現不斷增加的趨勢，強降雨以及暴雨發生的次數也呈現逐年顯著增加的趨勢（圖5）。不同程度降雨可形成不同範圍的高渾濁區（圖6），其中圖6A是一次強降雨（成像前七日累計降雨量：25.9mm）後於2009年3月10日獲取的假彩色影像，可以看到明顯的高渾濁區；圖6B是另一次較大的強降雨（成像前七日累計降雨量：76.2 mm）後於2010年3月18日獲取的假彩色影像，同樣可以看到明顯的高渾濁區，並且高渾濁區範圍顯著大於圖6A中的高渾濁區範圍；圖6C是一次更大程度強降雨（成像前七日累計降雨量：168.2 mm）後於2010年3月11日獲取的假彩色影像，同樣可以看到明顯的高渾濁區，並且高渾濁區範圍顯著大於圖6A，6B中的形成的高渾濁區範圍。

圖5 千島湖強降雨和暴雨逐年發生天數（引自2）

圖6三次不同降雨引起的高渾濁區範圍假彩色影像（引自3）

通過定義非渾濁區、渾濁區降雨前以及渾濁區降雨後遙感反射率數據集，解析得到高渾濁區遙感提取指數的幾何表達式。根據不同數據集中渾濁區水體像元光譜分布範圍，構建高渾濁區遙感提取指數閾值不等式，得到高渾濁區遙感提取指數閾值範圍，基於此閾值我們即可快速對湖庫高渾濁區進行提取（圖7）。

圖7 基於遙感估算模型估算得到的降雨前和降雨後新安江總懸浮濃度空間分布以及基於PI指數和中值濾波後提取的高渾濁區範圍（引自3）

以上結果證實遙感數據可以作為監測暴雨過程中高渾濁區形成和演變過程的有效手段。通過結合更高時空解析度圖像（如無人機高光譜數據）、原位水參數和適當的反演模型，可以有效揭示高渾濁區水體的光學特性與相關物理、化學、生態參數之間的聯繫，對強降雨引起的水環境變化監測及水環境保護具有重要指導意義。

參考文獻：

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3. Zhang, Y., Shi, K., Zhang, Y., Moreno-Madri án, M. J., Zhu, G., Zhou, Y., Li, Y. River plume monitoring in a deep valley reservoir using HJ-1 A/B images. Journal of Hydrology, 2020. 587: 125031.

作者：張毅博、劉淼、張運林、施坤

單位：中國科學院南京地理與湖泊研究所

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