遥感数据助力水环境变化监测
2020/8/6 17:00:00 中科院之声

     近日，我国西南地区、江南北部、江汉、江淮等地持续发生暴雨、强降雨。暴雨、强降雨多发生在持续高温突遇气候急剧转变的天气里，常伴随大风和雷电，容易产生洪水、垮塌等自然灾害(图1)。

    

     图1 近日我国大部分地区出现强降雨并引发一系列灾害(图片来自网络)

     在全球气候变化背景下，强降雨及暴雨等极端降雨事件频次和强度都将增加，由此导致的径流增加，携带流域及周边城市大量悬浮物、营养盐、重金属和有机污染物等进入湖库水体，严重影响湖库物理化学过程及生态系统结构和功能(图2)。

    

     图2 强降雨在河流入湖口形成高浑浊区，导致溶氧和水温的垂向交换以及水质遥感反演概念图

     强降雨携带的高浓度营养盐有利于藻类的生长，从而增加了有害藻华的发生率，而强降雨携带的高浓度悬浮物严重影响水下光场分布、水生生物初级生产力以及浮游植物群落结构，伴随悬浮物流入湖泊的还有大量重金属、化肥和农药等，这些物质进入水体，严重影响水体的生物地球化学循环(图3)。

    

     图3 水体透明度下降对湖泊生态系统影响概念图。图a为水下光照条件较好情况下水生生态系统情况，图b为水下光场恶化后水生生态系统变化情况

     此外，暴雨发生期间，一般雨水和上游径流水温较湖泊表层水温低，同时水体上层温度高的水体和下层温度低的水体发生交换，从而引起湖泊表层水温的下降和底层水温的上升(图2)。由于水体垂向的温度差和密度差减小，形成表层水体和底层水体的对流增强，对流程度随着降雨程度的增加而变大。

     暴雨的危害还体现在对水生生物的影响上。在暴雨发生前，闷热而低气压的天气会导致湖泊表层溶解氧降低，鱼虾会出现缺氧浮头的现象。暴雨发生期间水温的下降以及光照强度的下降，小型生物(例如浮游生物等)对这种水环境的快速变化更加难以适应，造成其应激性反应和病害发生，从而引起生态结构的急剧变化。然而，降水对大型水生动物(例如鱼类)还可能带来积极的催长作用，径流携带大量微生物进入水体，从而对杂食性和滤食性鱼类的生长具有一定的刺激作用。

     传统的关于暴雨对湖泊水环境研究主要集中在某一特定位置、特定时刻水体的生物、化学和物理参数的监测，但由于降雨引起的水环境变化快、作用范围广，这些特定时刻、特定位置的监测不能反应其发生及发展过程。遥感数据可以实现内陆湖泊或水库高频、大规模观测，并可用于追踪水环境的时空变化。

     强降雨携带大量泥沙进入湖泊并在入湖口堆积形成高浑浊区，这些高浑浊区中包含大量沉积物、营养物、重金属、有机污染物，对光具有强烈的吸收和散射作用，尤其在红色波段以及近红外波段，高浑浊区遥感反射率显著高于清洁水体(图4)。因此，基于高浑浊区水体与周围水体光谱的差异性，我们从卫星数据中可以提取高浑浊区水体范围。

    

     图4 不同水体遥感反射率，(a)为千岛湖清洁水体，(b)为杭州湾极度浑浊水体

     以千岛湖为例，近半世纪以来，千岛湖降雨量呈现不断增加的趋势，强降雨以及暴雨发生的次数也呈现逐年显著增加的趋势(图5)。不同程度降雨可形成不同范围的高浑浊区(图6)，其中图6A是一次强降雨(成像前七日累计降雨量：25.9mm)后于2009年3月10日获取的假彩色影像，可以看到明显的高浑浊区；图6B是另一次较大的强降雨(成像前七日累计降雨量：76.2 mm)后于2010年3月18日获取的假彩色影像，同样可以看到明显的高浑浊区，并且高浑浊区范围显著大于图6A中的高浑浊区范围；图6C是一次更大程度强降雨(成像前七日累计降雨量：168.2 mm)后于2010年3月11日获取的假彩色影像，同样可以看到明显的高浑浊区，并且高浑浊区范围显著大于图6A，6B中的形成的高浑浊区范围。

    

     图5 千岛湖强降雨和暴雨逐年发生天数(引自2)

    

     图6三次不同降雨引起的高浑浊区范围假彩色影像(引自3)

     通过定义非浑浊区、浑浊区降雨前以及浑浊区降雨后遥感反射率数据集，解析得到高浑浊区遥感提取指数的几何表达式。根据不同数据集中浑浊区水体像元光谱分布范围，构建高浑浊区遥感提取指数阈值不等式，得到高浑浊区遥感提取指数阈值范围，基于此阈值我们即可快速对湖库高浑浊区进行提取(图7)。

    

     图7 基于遥感估算模型估算得到的降雨前和降雨后新安江总悬浮浓度空间分布以及基于PI指数和中值滤波后提取的高浑浊区范围(引自3)

     以上结果证实遥感数据可以作为监测暴雨过程中高浑浊区形成和演变过程的有效手段。通过结合更高时空分辨率图像(如无人机高光谱数据)、原位水参数和适当的反演模型，可以有效揭示高浑浊区水体的光学特性与相关物理、化学、生态参数之间的联系，对强降雨引起的水环境变化监测及水环境保护具有重要指导意义。

     参考文献：

     1. Zhang, Y., Qin, B., Shi, K., Zhang, Y., Deng, J., Wild, M., Li, L., Zhou, Y., Yao, X., Liu, M., Zhu, G., Zhang, L., Gu, B., Brookes, J. D. Radiation dimming and decreasing water clarity fuel underwater darkening in lakes. Science Bulletin, 2020.

     2. Liu, M., Zhang, Y., Shi, K., Zhang, Y., Zhou, Y., Zhu, M., Zhu, G., Wu, Z., Liu, M. Effects of rainfall on thermal stratification and dissolved oxygen in a deep drinking water reservoir. Hydrological Processes, 2020. 34(15): 3387-3399.

     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：张毅博、刘淼、张运林、施坤

     单位：中国科学院南京地理与湖泊研究所

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