基于MODIS数据的太湖蓝藻水华时空分布规律研究

黄 君，宋 挺，庄 严，吴 蔚

(无锡市环境监测中心站，江苏无锡 214121)

太湖是我国第3大淡水湖，近年来太湖富营养 化严重，因湖水富营养化引起的蓝藻水华频繁暴发，不仅恶化了水体的感官性状，而且破坏了太湖生态系统的总体平衡，严重降低了太湖的使用功能［1］。自1990年以来，太湖蓝藻水华频频暴发，特别是2007年5月底，太湖梅梁湾部分发生了蓝藻大爆发，导致无锡市自来水臭水事件，太湖蓝藻水华危害再度引起社会各方面的关注［2］。快速掌握蓝藻水华分布及其变化规律对太湖水质监测与水华预测预警具有重要意义。传统的实地采样监测无论其空间频率还是时间频率都不足以反映蓝藻生物量的变化，尤其是在蓝藻密度时空变化很快的水华爆发期［3］，而蓝藻的漂移特性和特有的光谱特征使卫星遥感监测成为可能。卫星遥感作为一种全新的监测手段，具备了高空间覆盖度、高时间分辨率的特点，能够很好地满足湖泊蓝藻水华爆发监测的要求［4］。近年来，在蓝藻卫星遥感监测数据方面，中分辨率成像光谱仪 (MODIS)数据因其光谱分辨率高、观测周期短等特点，受到越来越多的重视。它拥有36个光谱通道，覆盖可见光、近红外和热红外波段，具有波段窄、信噪比高、波谱敏感性好等优点，其中第1、2波段的空间分辨率为250m，能够准确地用于湖泊水体提取［5］，并且每天上、下午在太湖流域上空分别过境一次，其数据时间分辨率高，对于湖体蓝藻水华信息可实现动态监测。太湖分区如图1所示。本文利用MODIS数据进行蓝藻信息提取研究，探究太湖蓝藻水华特征及其时空分布规律，为卫星遥感技术在湖泊蓝藻水华预警、监控中的应用提供可行性支撑，为太湖蓝藻治理工作提供技术支持。

1 资料与方法

1.1 数据来源与提取

结合夏季太湖蓝藻预警监测工作，考虑到太湖蓝藻水华主要从每年4月开始零星爆发，11月基本无大范围蓝藻水华爆发，因此本文选取2010年～2013年4～10月的EOS/MODIS影像数据 (排除了云层、天气质量等对影像质量影像较大的数据)共357景，影像数据来源于江苏省环境监测中心。通过ERDAS软件对MODIS影像进行重投影和几何纠正，利用ENVI软件对太湖水体植被覆盖度NDVI值进行提取，对与水体区分明显的湖面蓝藻水华开展人工目视解译，结合NDVI值和目视解译结果，利用ArcGIS空间分析功能对蓝藻水华分布规律进行分析研究。

1.2 蓝藻水华分级评价方法

刘聚涛等［6］应用层次分析法确定权重，结合隶属度函数，采用模糊综合评价建立太湖蓝藻水华灾度分级评价方法，定量描述蓝藻水华灾害程度，提出太湖蓝藻分级评价标准，如表1［7］。利用MODIS卫星影像数据解译获得太湖蓝藻水华面积，根据分级评价标准将太湖蓝藻水华分为小型、中型、大型、重大、特大等5大类蓝藻水华级别，并对不同级别蓝藻水华发生次数和规模进行统计分析。

表1 太湖蓝藻水华分级标准Tab.1 Standard of classification of blue-green algae blooms in Lake Taihu

1.3 蓝藻水华发生频率分析方法

目前多数观点认同蓝藻水华的形成一般是由蓝藻本身的生理特点以及温度、光照、营养盐、其它生物等诸多环境因素所引发的［8］。太湖不同水域由于地理位置、水质状况的不同，加上水文气象条件的差异必然会造成蓝藻水华发生频率的差异，为了能够全面直观的反映全太湖蓝藻水华发生空间分布的特征和差异，利用ArcGis空间分析功能，引入蓝藻水华发生频率指数F，以研究太湖不同水域蓝藻水华发生频率。

其中:F—蓝藻水华发生频率;t—某水域累计监测到蓝藻水华的次数;T—获取可靠遥感影像的天数。

蓝藻水华发生频率指数F即为某水域在有效获取遥感影像的天数中监测到蓝藻水华发生的次数，F值越高，表明在该水域监测到的蓝藻水华发生次数越多，水华爆发几率越高，蓝藻水华灾害风险越大。在Arcmap中将不同日期蓝藻水华SHP图层中Field字段进行赋值为1，合并赋值后的各SHP图层生成新图层，给新图层添加次数(Times)字段，利用Calculate Field功能累加不同日期Field字段值，并将生成的不同字段值的SHP图层进行融合，在Arcmap中对不同次数进行分级并用深浅颜色表征蓝藻水华发生频率的高低。实践证明，蓝藻水华发生频率分析方法能够全面直观反映太湖蓝藻水华空间分布特征，弥补了在长时间序列内无法将不同日期蓝藻水华信息叠加表达的缺点。

2 结果与分析

2.1 太湖蓝藻水华发生次数和规模

2010年～2013年4～10月的EOS/MODIS影像监测结果显示，太湖共计监测到蓝藻水华发生现象354次，其中小型蓝藻水华发生次数最多，共计283次，中型蓝藻水华发生56次，大型蓝藻水华发生11次，重大蓝藻水华次数最少，仅4次，2010年～2013年4～10月未发生特大蓝藻水华。2010年～2013年4～10月蓝藻水华聚集总面积为33163.42km2，平均每次发生蓝藻水华面积为93.68km2，约占全太湖水域面积的4.01%。2010年～2013年4～10月不同级别蓝藻水华发生次数和规模见表2。

表2 不同级别蓝藻水华发生次数和规模Tab.2 Occurrence time of different scale of blue-green algae blooms in Lake Taihu

2.2 太湖蓝藻水华时间变化特征

2.2.1 太湖蓝藻水华年际变化特征

根据监测结果统计，2010年～2013年4～10月太湖蓝藻水华发生次数分别为76次、93次、90次、95次，总体上比较平稳。不同级别蓝藻水华发生次数如图2所示，每年小型蓝藻水华发生次数最多，并呈逐年增加趋势，中型蓝藻水华发生次数在20次以内，大型蓝藻水华发生次数在5次以内，2013年未发生大型蓝藻水华。中型、大型蓝藻水华发生次数总体呈逐年下降趋势，重大蓝藻水华仅在2010年发生3次和2012年发生1次。随着蓝藻水华级别的升高，各级蓝藻水华发生次数逐渐减少。总体来说，近年来太湖蓝藻水华发生呈现“小型多发、中大型少发、重大型偶发”趋势。

2010年～2013年4～10月蓝藻水华发生规模如图3所示，蓝藻水华平均面积和总面积都逐年减少，2013年蓝藻水华平均面积较2010年减少61.75%，2013年蓝藻水华总面积较2010年减少52.18%，可见2010年～2013年4～10月蓝藻水华发生规模呈显著下降趋势。

图2 2010年～2013年不同级别蓝藻水华发生次数Fig.2 Occurrence time of different scale of blue-green algae blooms between 2010 and 2013

图3 2010年～2013年蓝藻水华发生规模Fig.3 Scale of blue-green algae blooms between 2010 and 2013

2.2.2 太湖蓝藻水华月际变化特征

2010年～2013年不同级别蓝藻水华发生次数及其规模月度变化趋势如图4所示，4～8月蓝藻水华发生总次数均呈增加趋势，8～9月基本持平，9～10月次数逐渐减少。其中小型蓝藻水华主要发生在7～10月，平均每月发生12～15次，8月达到顶峰，9月水华发生次数开始减少，10月和9月发生次数基本持平。中型蓝藻水华主要发生在8～10月，9月达到顶峰，10月开始有所减缓。大型蓝藻水华总共发生12次，其中8月发生7次，9月次之，发生3次。重大蓝藻水华发生次数最少，总共发生4次，分别为8月1次，9月3次。总体来说，蓝藻水华主要发生在8～10月，8月和9月尤其是太湖蓝藻水华的高发月份。

从蓝藻水华发生规模来看，4～6月蓝藻水华发生规模较小，平均面积在20km2以内，7月开始气温升幅较快，蓝藻水华发生规模逐步扩大，且高温持续时间长，藻类迅速增殖，加上适宜的气象、水文条件，蓝藻水华聚集面积明显增加，到9月水华平均面积达到151.62 km2，占太湖水域总面积的6.48%，10月随着气温逐步下降，蓝藻水华发生规模有所缩小，但水华平均面积仍处于较高水平，达到 106.85 km2，占太湖水域总面积的4.57%。

图4 不同级别蓝藻水华发生次数及其面积逐月对比Fig.4 Occurrence frequency and area of different scale of blue-green algae monthly trend

2.3 太湖蓝藻水华空间变化特征

2.3.1 首次爆发区域

蓝藻水华首次爆发时间和地点的确定对于早期太湖蓝藻预警监测工作具有十分重要的意义。通过MODIS数据在2010年～2013年第一时间发现太湖蓝藻水华暴发情况。2010年4月太湖西部沿岸首次发现小范围蓝藻水华现象，2011年5月同样在太湖西部沿岸首次发现蓝藻水华现象，2012年4月太湖南部沿岸首次发现蓝藻水华现象，2013年4月太湖西部沿岸首次发现蓝藻水华现象。从2010年～2013年太湖蓝藻水华首次暴发情况来看，太湖西部和南部沿岸是首次爆发蓝藻水华的高发水域，尤其是西部沿岸是太湖蓝藻水华首次暴发的最频繁水域。

2.3.2 蓝藻水华空间分布动态变化

通过对2010年～2013年4～10月太湖蓝藻水华发生水域动态变化来进行蓝藻水华空间变化分析。从近年来的监测结果显示，4～5月太湖蓝藻水华首先出现在太湖西部和南部沿岸水域，6月逐渐向竺山湖、梅梁湖扩散，7～8月除太湖东部沿岸区和东太湖水域外，其余水域均出现不同程度蓝藻水华聚集现象，9月在8月蓝藻水华聚集基础上，蓝藻水华聚集水域进一步延伸，10月在9月基础上，蓝藻水华聚集现象有所缓解，蓝藻水华面积大幅度减少。总体来说，太湖蓝藻水华空间动态迁移趋势为:从太湖西部和南部沿岸水域首发，逐步向北部的竺山湖、梅梁湖，东北部的贡湖，太湖湖心区扩散。太湖蓝藻水华整体迁移方向为:西部和南部→北部→东北部→湖心区。

2.3.3 蓝藻水华空间分布频率研究

考虑到蓝藻水华空间分布的动态变化以及水华发生规模的不确定性，通过蓝藻水华发生频率指数F，揭示不同湖区蓝藻水华发生概率情况，以研究太湖不同水域蓝藻水华发生规律，并为蓝藻水华高发水域的预警监控提供及时有效的技术支持和决策依据。2010年～2013年4～10月太湖蓝藻水华空间分布频率图见图5。从各年情况来看，太湖蓝藻水华发生最频繁的水域在太湖西部沿岸区，梅梁湖、竺山湖水域爆发蓝藻水华仍较为频繁，湖心区和南部沿岸区蓝藻水华发生频率有所下降，贡湖水域蓝藻水华也时有发生，东部沿岸区和东太湖水域基本未发生蓝藻水华。从2010年～2013年综合来看，太湖西部沿岸区尤其宜兴沿岸是太湖各湖区蓝藻水华爆发频率最高的水域。

图5 2010年～2013年太湖蓝藻水华空间分布频率图Fig.5 Space frequency distribution map of cyanobacteria blooms in Lake Taihu between 2010 and 2013

3 讨论

在水华形成机理研究中，研究最多的可能就是有关营养盐与藻类生长之间的关系。由于蓝藻水华通常出现在富营养化的湖泊中，人们通常假设它们的生长可能需要较高的磷、氮浓度支撑。伴随着湖泊的富营养化，尤其是水体中磷、氮浓度的增加，通常会导致水体中浮游植物的种群组成朝着形成水华的蓝藻演替［9］。根据近几年太湖水质监测数据来看，总磷和总氮等营养盐浓度西部沿岸最高、其次依次为竺山湖、梅梁湖、南部沿岸、湖心区、贡湖、东部沿岸和东太湖，而作为蓝藻水华表征因子的叶绿素a浓度具有相同趋势，即营养盐和叶绿素a浓度都呈现“西高东低”的分布规律，因此水环境指标的空间分布差异可能是导致太湖蓝藻水华主要发生在西部沿岸的主要因素。

根据太湖蓝藻水华年际变化特征来看，蓝藻水华发生规模逐年减小，2010年～2013年蓝藻水华发生规模呈显著下降趋势。根据近几年太湖水质监测数据来看，总磷和叶绿素a浓度变化不大，总磷浓度基本稳定在0.06～0.07mg/L范围内，叶绿素a浓度在0.020～0.023 mg/L范围内小幅波动，总氮浓度逐年下降，由2010年2.56mg/L降至2013年2.15mg/L，富营养化湖泊中由于水体中氮含量的增加会导致微囊藻细胞合成较多的伪空胞，从而有利于蓝藻群体的浮力调节，使其具有更强的对表层光和无机碳的竞争力，这可能也是水华蓝藻形成优势的机制之一［10］。2010年～2013年太湖总氮浓度的逐年下降抑制了水华蓝藻的生长、繁殖，这和2010年～2013年4～10月太湖平均蓝藻密度的下降也是相吻合的，在一定程度上减小了太湖蓝藻水华发生的机率和风险。

根据太湖蓝藻水华月际变化特征来看，蓝藻水华发生次数较多的月份主要集中在8～10月，其中8月和9月尤其是太湖蓝藻水华的高发月份。发生规模上，7月开始蓝藻水华发生规模逐步扩大，到9月水华平均面积达到顶峰，10月蓝藻水华发生规模有所缩小。这可能是由于6月太湖流域处于梅雨季节，降雨量较大，使水位比其它月份高，一定程度上减小了蓝藻水华的发生概率，7月开始随着梅雨季节过去，气温快速上升，且7～9月高温天气持续时间长，蓝藻迅速增殖，微囊藻的最佳生长温度又高于其它藻类［11］，同时，夏季光照普遍强于其它季节，因此，9月蓝藻水华聚集规模最大，10月随着气温逐渐下降，蓝藻水华规模也有所缩减。

4 结语

4.1 结论

(1)2010年～2013年，全太湖共发生蓝藻水华354次，其中小型水华发生次数最多，共发生283次，占总发生次数的79.94%，蓝藻水华级别越高，发生次数越少，2010年～2013年未发生特大蓝藻水华。2010年～2013年蓝藻水华平均面积为93.68km2，约占全太湖水域面积的4.01%。

(2)年际变化上，蓝藻水华发生次数总体趋于平稳，小型蓝藻水华发生次数呈增加趋势，随着蓝藻水华级别升高，各级蓝藻水华发生次数逐渐减少。蓝藻水华发生总体呈现“小型多发、中大型少发、重大型偶发”趋势。从发生规模来看，蓝藻水华平均面积和总面积都逐年减少，2010年～2013年蓝藻水华发生规模呈显著下降趋势。

(3)月际变化上，2010年～2013年4～8月蓝藻水华发生总次数呈增加趋势，8～9月基本持平，9～10月次数逐渐减少。总体来说，蓝藻水华主要发生在8～10月，8月和9月尤其是太湖蓝藻水华的高发月份。发生规模上，4～6月蓝藻水华发生规模较小，7月开始蓝藻水华发生规模逐步扩大，到9月水华平均面积达到顶峰，10月蓝藻水华发生规模有所缩小。

(4)空间变化上，太湖西部沿岸仍是太湖蓝藻水华首次爆发的最频繁水域。综合2010年～2013年太湖蓝藻水华空间动态迁移情况，太湖蓝藻水华整体迁移方向为:西部和南部→北部→东北部→湖心区。从空间分布频率来看，太湖蓝藻水华发生最频繁的水域在太湖西部沿岸区，其次依次为梅梁湖和竺山湖水域、南部沿岸区、湖心区、贡湖水域，东部沿岸区和东太湖水域基本未发生蓝藻水华。从2010年～2013年综合来看，太湖西部沿岸区尤其宜兴沿岸是蓝藻水华爆发频率最高的水域。

4.2 建议

为进一步控制太湖蓝藻水华，科学有效治理太湖水污染，笔者认为应从以下几方面加大治太力度:(1)控源截污。减少N、P等外源污染物入湖是治理太湖的最基本和有效的措施，其关键是控制西部及南部区域的污染物及其河道污染入湖。(2)大规模打捞蓝藻。大规模打捞蓝藻直接大量削减蓝藻数量及其所含N、P和有机物，降低富营养化程度，减轻蓝藻爆发程度，减轻蓝藻爆发对水源地和水环境的严重危害。(3)生态调水。生态调水是为改善水环境而实施的调水，通过望虞河“引江济太”工程调进好水入太湖，通过梅梁湖泵站调出太湖差水。实践证明，调水可提高太湖水自净能力，直接或间接增加环境容量。 (4)生态清淤。生态清淤是削减蓝藻种源和局部水域N、P释放的重要措施。2007年～2011年无锡等太湖周边城市共清淤2500多万m3，其中清除受蓝藻爆发等因素严重污染的淤泥1210万m3［12］，清淤重点是自来水取水口水源地、蓝藻大量死亡沉积区，以及河道入湖口。(5)生态修复。水生态修复是湖泊治理蓝藻爆发和富营养化不可缺少的重要措施，可以在蓝藻爆发严重的太湖沿岸水域种植大型水生植物削减蓝藻数量和有效净化水体。目前生态修复应试验示范与扩大规模相结合，生态修复实施后的关键是加强长效管理，实施人工与自然修复相结合，最终达到修复整个太湖水生态系统平衡的目的。

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