北疆水库富营养化污染遥感快速监测方法研究

马继福 韩忠玲 程勇翔

摘要    水庫受富营养化污染后，水生植物群落结构变的简单，主要以藻类为主。北疆污染水库冬季冰封加排污，使水体含氧量急剧降低，导致绿色光合植物大量死亡或以孢子形式越冬。春季冰雪融化后水体表现为无明显的绿色植物光合色素吸收峰和反射峰，利用二阶衰减指数函数对污染水库水体光谱曲线进行拟合，其拟合优度（R2）值高。正常水库水生植物群落结构完整，冬季水体含氧量高，植物不会因缺氧死亡，在春季冰雪融化后水体表现为有明显植物光合色素吸收峰和反射峰，利用二阶衰减指数函数对正常水库光谱曲线进行拟合，其R2值低。本文利用冬季到春季不同水库光谱曲线的二阶衰减指数函数R2值斜率的变化，衡量了水库富营养化污染状况，即污染程度重，该段R2的斜率值高，反之该段R2的斜率值低，污染程度轻。研究结果经水质抽样分析验证，监测结果正确。该研究方法为今后北疆水库水质快速监测提供了新的思路。

关键词    富营养化;污染;光谱;遥感;监测;北疆

中图分类号    X87        文献标识码    A

文章编号   1007-5739（2019）20-0162-04                                                                                     开放科学（资源服务）标识码（OSID）

Abstract    After the eutrophication pollution of the reservoir，the structure of aquatic plant community becomes simple，mainly dominated by algae. The reservoirs were frozen and polluted in Northern Xinjiang in winter，it sharply reduced the oxygen content of water and caused many green photosynthetic plants to die or live through the winter in the form of spores. The water showed no obvious absorption and reflection peaks of photosynthetic pigments of green plants after the ice melts in the spring. The research used the second-order attenuation index function to fit the spectral curve of polluted reservoir water，and its goodness of fit（R2）value was high. The aquatic plant community structure of normal reservoir was intact，the water had high oxygen content in winter，and the plants will not die from hypoxia. After the ice melted in the spring，the water had obvious photosynthetic pigment absorption peak and reflection peak. The research used the second-order attenuation index function to fit the spectral curve of normal reservoir，and its R2 value was low. The research used the slope change of R2 value from winter to spring for spectral curves of different reservoirs to measure the eutrophication pollution of reservoirs. The heavier the pollution degree of the reservoir，the higher the slope of R2 in this section，otherwise the lower the slope of R2，the lighter the pollution.The results of the study were verified by sampling analysis of water quality，which showed that the monitoring results were correct. The research method provides a new idea for the rapid monitoring of reservoir water quality in Northern Xinjiang.

Key words    eutrophication;pollution;spectrum;remote sensing;monitoring;Northern Xinjiang

水体富营养化是指在人类活动的影响下，生物所需的N、P等营养物质大量进入缓流水体，引起藻类及其他浮游生物迅速繁殖，水体溶解氧含量下降，水质恶化，水生动植物群落结构由复杂变得简单。水生植物群落结构由正常的“挺水+浮水+沉水+藻类植物”转变为富营养化的“藻型”植物群落结构[1]。目前，水体富营养化遥感监测依据主要有两类，一是水体颜色。清洁水体呈浅蓝-蓝色，污染水体呈深蓝-蓝黑色。水体富营养化有机污染物越重，光谱反射率越低[2]。如王云鹏等[3]对TM数据进行对数变换，HIS变换和KL变换后再进行密度分割及图像分类，发现可以较好地区分和识别水体污染。二是水体植物色素含量。当水华发生时水体中植物色素，如叶绿素（在440 nm、675 nm处有2个光谱吸收峰）、藻蓝素（在348 nm、620 nm处有2个光谱吸收峰）含量急剧上升，在近红外波段出现“陡坡效应”。据此研究可构建比值植被指数、差值植被指数或归一化植被指数[4]用于水体富营养化监测。如佘红英等[5]利用GF-1 b4/b3为自变量反演水体叶绿素含量监测水质。张  娇等[6]利用浮游藻类指数FAI（差值植被指数）提取蓝藻水华信息。朱  利等[7]基于NDVI方法开展了巢湖的水华日常遥感监测。也有学者利用水华NDVI阈值计算太湖SDFI（水华日日数占总监测日数的百分比）空间分布频率。几乎所有的卫星遥感传感器，都可以用于水体富营养化监测，但较常用的是MODIS 250 m NDVI数据、Landsat系列数据、CBERS、HJ-1卫星CCD数据、GF系列数据。目前，对中国太湖、巢湖和洱海的水体富营养化遥感监测研究报道多，对新疆湖库等水体富营养化研究报道少。综上所述，利用水华暴发时近红外波段出现“陡坡效应”构建植被指数，用于水体富营养化遥感监测的研究较为普遍，而利用光谱曲线的整体形状监测水体富营养化的研究尚无报道。本文拟通过探讨二阶衰减指数函数对水体光谱曲线的R2值的年变化规律，实现北疆水库富营养化的快速监测。

1    资料与方法

1.1    研究区介绍

选取新疆天山中段北麓平原水库作为研究对象。该区位于东经84.21°～87.15°，北纬43.53°～45.66°之间，属于典型的温带大陆性干旱半干旱气候，冬季严寒有积雪，夏季酷热。北部海拔600 m以下的平原区，年平均气温为6 ℃，冬日最低月平均气温为-19 ℃，夏日最高月平均气温25.9 ℃，年降水量为100～200 mm。主要包括奎屯市、沙湾县、石河子市、玛纳斯县和呼图壁县的19个平原水库（图1），这些水库在冬季会被冰雪覆盖，在夏季调蓄农业灌溉用水，其水源主要来自天山冰川融水，自然降水及城镇生活污水。研究区水库水质目前尚未受到明显工业类有毒污染[8]。

1.2    数据来源

从地理空间数据云（http：//www.gscloud.cn/）下载了landsat8 OLI条带号为144-29的2015年2月14日、4月19日、5月21日、6月6日、7月8日、8月25日、9月10日、10月12日、12月15日，2019年4月14日，条带号为144-26的2013年4月13日、11月23日，2015年1月29日、2月14日、3月2日、5月5日、6月6日、7月8日、9月10日、10月28日、12月15日，2016年8月11日共22幅影像。对获取的所有影像利用ENVI5.1进行辐射定标和大气校正和几何校正，其中大气校正所需海拔高度信息，是通过地理空间数据云下载的海拔高度图，结合各期影像数据范围计算获取。

1.3    研究方法

1.3.1    水库富营养化污染程度光谱监测依据。植物主要光合色素叶绿素在中心波长为0.44 μm（蓝紫光）和0.65 μm（红光）的谱带内有2个吸收峰，在0.54 μm（绿光）附近有1个反射峰[9]。无污染水库在春季冰雪融化后，因水生植物能够正常越冬，其光谱特征随即表现为在蓝光和红光有明显吸收峰，在绿光有反射峰（图2）。利用二阶衰减指数函数（式（1））拟合后，拟合曲线的R2值高。富营养化污染水库在春季冰雪融化后，因冬季微生物呼吸消耗，水体含氧量低，大型水生植物无法正常越冬，其光谱特征随即表现为无明显绿色植物光谱特征（图3）。利用该指数函数拟合后，拟合曲线的R2值低。冬季因研究区水库均被冰雪覆盖，其光谱特征曲线经该指数函数拟合后，拟合曲线的R2值基本相同，取其平均值0.72用于后续水质监测。

正常水库年内水生植物变化规律为随气温升高植物生物量增加，绿度增加。表现为利用该指数函数拟合的曲线R2值变化规律为春季到夏季逐渐减小，夏季到秋季逐渐增加（图4）。污染水库在春季冰雪融化后，因水体中无绿色植物，表现为拟合的曲线R2值先增大，后随着温度增加藻类植物大量生长，R2值逐渐降低。当温度较适合藻类植物生长时（水华暴发）其R2值迅速降低，且全年R2波动幅度大（图5），无法拟合稳定的波动曲线。

可利用不同污染程度水生植物年变化规律（图6），依据冬季到春季前后2个时期光谱曲线拟合R2值的变化斜率来监测水库污染状况。当R2值的变化斜率大时，水污染程度高，反之则污染程度低（图7）。

1.3.2    水库富营养化监测结果验证方法。本文采用综合污染指数法[10]，如式（2）（3）所示，对研究所得水库富营养化污染监测排序结果进行了验证。水样采集时间为2019年5月1日，水质分析采用多参数水质分析仪，分别测定了研究区7號、12号、14号、15号和17号水库的COD、总氮、总磷、氨氮4个水质监测指标。相应类别对照标准参照《地表水环境质量标准》（GB 3838-2002）中的Ⅰ类水质质量标准，其中COD为15 mg/L，总氮为0.2 mg/L，总磷为0.02 mg/L，氨氮为0.15 mg/L。

2    结果与分析

依据所构建的北疆水库富营养化污染遥感监测方法，分别计算了2015年和2019年研究区各水库春季冰雪融化后水体光谱曲线的拟合R2值和冬季至春季时段水体光谱曲线的拟合R2变化斜率，结果如表1所示。2个监测年份水库污染状况排序情况基本一致，大部分水库污染排序序号相差在2～3之间，说明监测结果具有一定的稳定性。监测结果中R2斜率差值为正的水库在监测时段表现为污染加重，反之，表现为污染减轻。大部分水库在监测时段水质有所改善，个别水库水质略有恶化。应着重分析的是R2斜率差值的绝对值较大的水库，如13号和16号水库，从图8中可以看出16号白土坑水库2019年春季水域面积明显小于2015年春季，色彩上2019年为“深蓝”明显浅于2015年“墨蓝”，表明水质有所改善，富营养化降低。同样13号千泉湖水库2019年春季水域面积也明显小于2015年春季，色彩上2019年也明显浅于2015年，表明水质得到改善。将2015年污染监测排名靠前的水库对照其冬季冰雪覆盖时的遥感影像，从图9中可以看到这些水库有明显的排污口，从而证明研究结果具有一定的准确性。

为验证所得结果的准确性，将2019年5月1日5个采样水库水质分析后的综合指数与2019年4月14号遥感影像水质分析结果进行了对照，发现这5个水库的水质综合排序和监测排序结果一致，证明研究方法的准确性（表2）。

3    结论与讨论

3.1    讨论

北疆富营养化水库在冬季水面冰封，且持续有污水排入的情况下，水中氧气含量急剧降低。持续的污染，导致水生植物群落结构简单，无大型沉水和浮水植物，藻类成为水生植物群落主要建群种。当春季冰雪融化，水库“冰盖”被揭去后，此时水温较低，藻类无法大量生长，光谱表现为无明显植物特征吸收峰，利用二阶衰减指数函数拟合，其拟合曲线R2值高。当水温适合藻类生长时，常有“水华”暴发，光谱曲线表现为有明显绿色植物吸收和反射峰，利用二阶衰减指数函数拟合，其拟合曲线R2值低（图10），且一年中水体光谱拟合曲线R2值波动较大。而正常水库，水生植物群落结构完整，植物可以正常越冬，在春季冰雪融化后，即表现出明显植物特征吸收峰，二阶衰减指数函数拟合水体光谱曲线所得R2值就明显小于污染水库。因植物群落结构完整，藻类生长被其他水生植物，特别是沉水植物明显抑制，无法大量生长，造成年内水体叶绿素含量呈规律性变化，不会出现大起大落。R2值表现为规律波动。可以据此预测水体富营养化程度越轻时，水体光谱曲线拟合所得R2值年内波动越小，反之就越不规律，波动剧烈。为进一步验证该监测依据的可靠性，分析了无污染的贫养型高山湖泊喀纳斯湖水体光谱曲线拟合R2值年变化规律，结果发现和预测规律一致。喀纳斯湖因水温低，营养缺乏，水生植物群落结构简单，类似于污染水库。春季的水体光谱曲线拟合R2值和污染水库水体R2值变化规律一致，都是水体中无明显植物光谱吸收峰，表现为R2值先增大，只是拟合R2最大值出现的时间比平原污染水库晚1个月左右，且R2值年变化规律稳定，其最小值出现在全年最热的7月，此时水体叶绿素含量达到一年的峰值。R2值年波动幅度在所有比较水体中最小（图11）。

研究发现，蘑菇湖水库污染最严重，该结果与赵显波[11]、李新贤[12]等对蘑菇湖水质分类为Ⅴ类富营养化结果一致。研究所得2015年春季蘑菇湖水库、跃进水库和夹河子水库污染排名顺序与张晶的排名顺序相同。污染分级结果均为蘑菇湖水库劣Ⅴ类、跃进水库Ⅴ类和夹河子水库Ⅲ类污染，表明研究结果具有一定的可靠性。

但本文提出的水质监测方法也存在一定的局限性，结果会受到多种因素的影响。如对图像选择时间要求较严格，需要确保在春季融雪后，水库水温较低时获取质量较高的遥感影像。本研究属于水质富营养化定性研究，缺少对冬季无冰雪覆盖区域水体光谱拟合R2值年变化规律的研究，所得方法仅适用于冬季有冰雪覆盖的水体污染监测。

3.2    结论

正常水库水体光谱曲线二阶衰减指数函数拟合R2值存在稳定的年变化规律，表现为春季到夏季拟合R2值逐渐降低，夏季到秋季拟合R2值逐渐升高，且波动幅度小;富营养化水库水体光谱曲线二阶衰减指数函数拟合R2值无稳定的年变化规律，且波动幅度大，但在春季到夏季规律较明显，表现为拟合R2值先增高，后迅速降低。冰盖和富营养化污染是春季冰雪融化后污染水库水体光谱曲线二阶衰减指数函数拟合R2值增加的原因。当温度适合时，污染水体常有水华暴发，此时函数拟合R2值最低。冬季和春季水库光谱曲线二阶衰减指数函数拟合R2值的斜率可成为北疆水库富营养化污染遥感快速监测的依据。

4    参考文献

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