雷 霞,郭子祺,田 野,謝 飛,秦靜欣
(中國科學院遙感與數(shù)字地球研究所遙感科學國家重點實驗室,北京100101)
自然水體的光譜吸收特性是水體固有光學特性的一種,它不隨光照條件的變化而變化,只和水體水質(zhì)組分的種類和濃度有關系,是水質(zhì)參數(shù)遙感反演的基礎[1].不同于Ⅰ類大洋水體,在近岸的Ⅱ類水體和內(nèi)陸的湖泊水體中,由于陸源的非色素顆粒物和有色可溶性有機物的大量輸入,導致水體的固有光學特性不再僅由浮游植物色素決定[2].現(xiàn)有研究結(jié)果表明,影響內(nèi)陸水體固有光學特性的物質(zhì)主要有4種:純水、浮游植物色素、非色素顆粒物及有色可溶性有機物(CDOM).在給定波段,內(nèi)陸水體總的吸收系數(shù)等于各組分在該波段的吸收系數(shù)之和[3],即 a=aw+aph+ad+aCDOM,其中 aw、aph、ad和 aCDOM分別為純水、浮游植物色素、非色素顆粒物和有色可溶性有機物的吸收系數(shù).
官廳水庫是新中國成立后建設的第一座大型水庫,曾經(jīng)是北京市的主要供水水源之一.1972年以來,官廳水庫的水質(zhì)開始受到污染,到了1990s污染加重,被迫于1997年退出了北京市飲用水供水.經(jīng)過幾年的治理,水庫整體水質(zhì)好轉(zhuǎn),達到地表水Ⅲ類水質(zhì)標準.但部分區(qū)域污染仍十分嚴重,富營養(yǎng)化程度較高[4-7].所以在北京市飲用水告急,僅靠密云水庫供水已不能滿足用水需要的情況下,加強對官廳水庫的監(jiān)測及修復工作十分必要[7].遙感技術能夠快速、宏觀、動態(tài)地獲得整個水域水質(zhì)的時空變化情況[1],是有效監(jiān)測水質(zhì)的重要技術手段.但目前國內(nèi)對于官廳水庫水體中光學活性物質(zhì)吸收特性的研究甚少,并且相比于國內(nèi)富營養(yǎng)化較為嚴重的內(nèi)陸湖泊水體如太湖、巢湖、滇池等,官廳水庫屬于輕度污染的Ⅱ類水體,其吸收特性是否與Ⅱ類水體相似,能否直接應用現(xiàn)有的生物-光學模型進行水質(zhì)參數(shù)的遙感反演,還是有待解決的問題.
本文利用2012年9月官廳水庫的野外采樣數(shù)據(jù),系統(tǒng)分析了官廳水庫水體中光學活性物質(zhì)的吸收特性與空間分布規(guī)律,建立了反映官廳水庫水體吸收特性的光譜模型,為進一步建立官廳水庫水質(zhì)遙感監(jiān)測提供數(shù)據(jù)基礎.
官廳水庫(40°13'~40°25'N,115°34'~115°50'E)位于河北省張家口市和北京市延慶縣界內(nèi),建于 1951 年10月,1954年5月竣工.入庫河流為河北懷來永定河以及北京市延慶縣媯水河,控制流域面積43402 km2,總庫容41.6×108m3,設計水庫面積238 km2.水庫建于北京市西北約80 km的永定河官廳山峽入口處,四周群山環(huán)抱,山巒起伏,使得水庫呈現(xiàn)中間狹長、兩頭寬闊的形狀.水庫總長28 km,平均寬度3 km,9月份采樣時水面面積約80 km2,平均水深7~8 m,年降水量401.9 mm,年蒸發(fā)量1483.6 mm.水庫水體中優(yōu)勢水生植物包括狐尾藻、菹草、大茨藻等沉水植物,槐葉萍、浮萍等漂浮植物以及蘆葦、香蒲等挺水植物[8];浮游藻類優(yōu)勢藻種主要有藍藻、綠藻和硅藻[4,9-10].造成官廳水庫水質(zhì)惡化的主要原因是上游地區(qū)工業(yè)、城鄉(xiāng)生活污水以及農(nóng)田化肥農(nóng)藥使用過量,使水體被有機污染和富營養(yǎng)化[11].
2012年9月5日在官廳水庫共布設18個采樣點,進行水樣和水面同步光譜的采集.官廳水庫分為北部與媯水河相通的媯庫區(qū)、中庫區(qū)以及南部與永定河相通的永庫區(qū).由于水庫蓄水量逐年下降,近兩年來中庫區(qū)與永庫區(qū)連接處幾近斷流,船只無法通過,故采樣點主要分布在媯庫區(qū)和中庫區(qū)(圖1).
使用標準采水器從水面至水下20 cm處采集水樣,在0~4℃下避光保存并在采樣當天送至實驗室進行過濾預處理,然后放入冰箱內(nèi)冷藏保存.水樣各主要組分固有光學特性以及總懸浮顆粒物濃度(Cs)、葉綠素a濃度(CChl.a)在3 d之內(nèi)測定完畢.采樣的同時測定透明度、水溫、水深等參數(shù).
總懸浮顆粒物和非色素顆粒物吸收系數(shù)采用定量濾膜技術(Quantitative Filter Technique,QFT)測定,其中,采用甲醇萃取法從總懸浮顆粒物中分離非色素顆粒物,即將濾膜上的浮游植物色素利用甲醇萃取、過濾之后得到非色素顆粒物.CDOM吸收系數(shù)采用GF/F濾膜過濾的水樣在分光光度計下測定吸光度然后根據(jù)公式計算得到,具體測定方法及計算公式參照文獻[12].
葉綠素a濃度采用熱乙醇萃取的分光光度法測量吸光度,濃度的計算采用文獻[13]中的公式:
式中,Vwater和VEthanol分別為過濾水樣的體積與加入乙醇的體積,單位為ml.計算所得葉綠素a濃度單位為mg/m3.總懸浮顆粒物濃度采用過濾重量法測定.從北部的1#到南部的18#,透明度和水深呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢,葉綠素a濃度和總懸浮物濃度則在逐漸減小(圖2).
圖1 官廳水庫采樣點分布Fig.1 Distribution of sampling sites in Guanting Reservoir
圖2 官廳水庫各采樣點透明度、水深、葉綠素a濃度和總懸浮顆粒物濃度Fig.2 Transparency,depth of water,CChl.aand Csof sampling sites in Guanting Reservoir
各參數(shù)的均值、標準差、方差、相關系數(shù)分析、線性及非線性擬合采用Matlab和SPSS軟件計算.
官廳水庫秋季18個采樣點總懸浮顆粒物吸收系數(shù)(ap)、非色素顆粒物吸收系數(shù)(ad)、浮游植物色素吸收系數(shù)(aph)和CDOM吸收系數(shù)(aCDOM)的光譜曲線見圖3.從ap的形狀來看,18個站點的總顆粒物吸收曲線變化趨勢大致相同,且均與浮游植物色素的吸收曲線相似,沒發(fā)現(xiàn)與非色素顆粒物吸收曲線類似的站點.不同采樣點總顆粒物的光譜吸收系數(shù)差異較大,ap(440)的值在0.70~2.58 m-1之間變化,均值為1.5175±0.5990 m-1,低于國內(nèi)已有固有光學特性測量數(shù)據(jù)的太湖梅梁灣[12](3.58 ~9.86 m-1)和滇池(3.4 ~8.4 m-1)[1],與巢湖(均值 2.2 m-1)[14]和部分云南高原湖泊(均值 1.39 ±1.44 m-1)[15]較為接近,大于三峽庫區(qū)水體(0.22 ~0.43 m-1)[16].曲線在420、628 和676 nm 處出現(xiàn)吸收峰,在 480 nm 處出現(xiàn)肩峰,在 550 和650 nm附近出現(xiàn)吸收系數(shù)極小值,與滇池的總顆粒物吸收曲線[1]相似.
圖3 官廳水庫秋季總顆粒物、非色素顆粒物、浮游植物色素和CDOM的光譜吸收系數(shù)Fig.3 Absorption spectras of total particles,depigment particles,phytoplankton and CDOM in autumn in Guanting Reservoir
通過對各采樣點總顆粒物吸收系數(shù)均值、非色素顆粒物吸收系數(shù)均值、浮游植物色素吸收系數(shù)均值的比較可知,官廳水庫9月份的總顆粒物吸收以浮游植物色素吸收為主,非色素顆粒物吸收作用相對較弱,屬于“總顆粒物吸收光譜與浮游植物色素吸收光譜相似”的吸收模式(圖4).采樣點實測數(shù)據(jù)表明,9月份官廳水庫水體中葉綠素a濃度較高(13.04~50.56 mg/m3),懸浮顆粒物含量較低(2.9~20.2 mg/L),總顆粒物吸收模式與這一現(xiàn)象相符合.
表1計算了各組分特征波長吸收系數(shù)、葉綠素濃度和總懸浮物濃度之間的相關系數(shù).與其它水體在440 nm處存在吸收峰不同,官廳水庫水體在短波段的吸收峰出現(xiàn)在 420 nm處,因此也對 ap(420)與aph(420)進行了相關分析.結(jié)果表明,ap(420)、ap(440)、ap(675)、aph(420)、aph(440)、aph(675)與CChl.a均存在較高的正相關性(R2>0.79),而與總懸浮物濃度的相關程度則一般(表1).進一步表明顆粒物吸收以浮游植物色素吸收為主,以非色素顆粒物吸收為輔.
圖4 總懸浮物的典型吸收模式Fig.4 A typical absorption spectra pattern for total particulate
與其它Ⅱ類水體的非色素顆粒物吸收特性相類似,官廳水庫采樣點的ad均呈現(xiàn)吸收系數(shù)隨波長增長而減小的趨勢.ad(440)的變化范圍為 0.096~0.797 m-1,均值為 0.37 ±0.19 m-1,遠低于太湖、巢湖、滇池、云南高原湖泊水體,與三峽壩區(qū)、珠江口懸浮水體[17]較接近.許多實測數(shù)據(jù)模擬表明,ad(λ)隨波長的變化分布十分接近指數(shù)衰減規(guī)律,且不同波段的吸收系數(shù)之間存在一定的關系.本文選擇在水色研究中較為重要的440 nm作為建立吸收模型的參考波段,對官廳水庫各采樣點的非色素顆粒物吸收曲線進行指數(shù)擬合:
式中,λ0為440 nm,Sd為斜率.擬合結(jié)果表明,各采樣點非色素顆粒物吸收曲線指數(shù)擬合的指數(shù)斜率Sd值的變化范圍是5.2 ~8.3 μm-1,均值為6.7 ±0.83 μm-1,非線性擬合的決定系數(shù)大于0.97(圖 5).與國內(nèi)其它水體,如太湖11.7 ±0.6 μm-1、滇池12.5 ±0.6 μm-1、巢湖11.9 ±1.0 μm-1、珠江口12.0 ±2.0 μm-1和三峽水庫 11.5 ±1.6 μm-1等相比,官廳水庫水體的 Sd值要低很多.
相關分析結(jié)果表明,ad(440)、ad(675)與懸浮物濃度幾乎不相關,呈現(xiàn)離散狀;但與葉綠素濃度具有較高相關性,并且ad(675)與CChl.a的相關性明顯高于ad(440),說明官廳水庫9月份水體中浮游植物的降解產(chǎn)物對非色素顆粒物的貢獻較大,陸源性的輸入對非色素顆粒物的吸收影響不大.
表1 顆粒物吸收系數(shù)與各組分濃度之間的線性相關系數(shù)Tab.1 Determination coefficients of absorption and components concentration
官廳水庫浮游植物色素的吸收光譜與總顆粒物吸收光譜相似,表現(xiàn)為:在420、628和676 nm處出現(xiàn)吸收峰,在480 nm處出現(xiàn)吸收肩峰,在550 nm和650 nm附近出現(xiàn)吸收谷.aph(420)、aph(675)的變化范圍分別為0.58 ~2.16、0.27 ~1.19 m-1,均值為1.22 ±0.54、0.6 ±0.28 m-1,對應葉綠素 a 濃度變化范圍為13.04 ~50.56 mg/m3,均值為 27.49 ±11.20 mg/m3.
圖5 ad(440)指數(shù)擬合(以9#、14#為例)Fig.5 Simulation of ad(440)
浮游植物色素吸收系數(shù)主要受水體中浮游藻類的濃度及種群組成的影響,隨葉綠素濃度變化而變化[12].官廳水庫浮游藻類種類以藍藻和綠藻為主,650 nm處的吸收谷和628 nm處的吸收峰由藍藻造成;480 nm處的吸收肩峰由綠藻造成.吸收系數(shù)aph(420)、aph(440)、aph(675)與CChl.a均有較好相關性.浮游植物色素比吸收系數(shù)a*ph(420)、a*ph(440)、a*ph(675)與CChl.a則幾乎不相關(圖6).說明官廳水庫秋季浮游植物色素比吸收系數(shù)相對較為恒定,a*ph(420)、a*ph(440)、a*ph(675)的均值分別為 0.0453 ±0.0107、0.0430 ±0.0959和 0.0220 ±0.0054 m2/mg.
圖6 aph(440)、aph(675)、a*ph(440)、a*ph(675)與 CChl.a的線性關系Fig.6 Linear relationships between aph(440),aph(675),a*ph(440),a*ph(675)and CChl.a
與其它水體研究結(jié)果一致,官廳水庫CDOM的吸收光譜aCDOM(λ)也呈現(xiàn)隨波長增加按指數(shù)規(guī)律遞減的趨勢,在長波700 nm處趨于零,越接近短波差異越明顯.aCDOM(440)的變化范圍為0.4547~1.0279 m-1,均值為 0.7211 ±0.1420 m-1.相關分析結(jié)果顯示,aCDOM(400)與 CChl.a的相關性要高于 aCDOM(440),決定系數(shù)可達0.5238(圖7a),表明浮游藻類降解對CDOM源也有一定貢獻.分別以400、440 nm作為參考波段對aCDOM(λ)做指數(shù)擬合:
結(jié)果表明,參考波段的選擇對形狀因子Sg的影響并不明顯(圖7b).400 nm處Sg的變化范圍為11.1~19.6 μm-1,均值為 15.9 ±2.25 μm-1;440 nm 處變化范圍為 10.5 ~19.6 μm-1,均值為 15.5 ± 2.64 μm-1.440 nm 處 Sg值與太湖(15.5 ±1.2 μm-1)、巢湖(15.4 ±1.3 μm-1)、三峽水庫(15.9 μm-1)持平,比滇池(12.5 ±0.6 μm-1)、淀山湖[18](11.8 μm-1)和昆承湖[19](12.2 μm-1)略大.各采樣點 Sg擬合決定系數(shù) R2均大于0.99,因此在水色參數(shù)反演中可用aCDOM(400)、aCDOM(440)估算400~750 nm可見光范圍內(nèi)的其余波段的 aCDOM(λ).
圖 7 aCDOM(400)與 CChl.a的線性關系(a);aCDOM(400)、aCDOM(440)指數(shù)擬合(以 3#為例)(b)Fig.7 Linear relationship between aCDOM(400)and CChl.a(a);simulation of aCDOM(400),aCDOM(440)(b)
計算不同組分吸收系數(shù)貢獻率能從一定程度上衡量太陽光的有效利用率[19],并定性定量估算造成水下光衰減的主要影響因子,可以為遙感反演中波段選擇提供理論依據(jù).本文中aw采用Pope等的測量結(jié)果[20].2012年9月官廳水庫不同采樣點的吸收系數(shù)主導組分在不同波段各有差異.按照總吸收系數(shù)在不同波段主導因子的不同,可將各采樣點組分貢獻模式大致歸納為4種類型(圖8).
在以 1#、4#、5#、6#為典型代表的(a)和以 2#、3#為典型代表的(b)兩種類型中,在 400 ~700 nm 之間,aph的貢獻率都大于50%,是吸收系數(shù)的主導因子.原因可能是由于1#~6#點位于官廳水庫北部與媯水河相通的媯庫區(qū),媯庫區(qū)上游媯水河段由于鄰近縣城,生活污水和工業(yè)廢水排放較多,水體中亞硝酸鹽含量較高.有文獻報道[4-7],近幾年來媯庫區(qū)富營養(yǎng)程度一直較高,并有逐年加重的趨勢;加之庫區(qū)內(nèi)有水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū),從而導致與媯水河相通的媯庫區(qū)浮游植物含量較高,各采樣點實測CChl.a值的變化趨勢也證明了這一現(xiàn)象.(a)與(b)的主要區(qū)別在于,屬于(b)類型的2#、3#的非色素顆粒物的貢獻率要遠小于屬于(a)類型的1#、4#、5#、6#,尤其是在浮游植物色素吸收較弱的 550 nm 處.這可能是由于 2#、3#的 CChl.a要遠高于周圍的 1#、4#、5#、6#,浮游植物色素貢獻率偏高,相比之下非色素顆粒物貢獻率降低.以7#~12#為代表的(c)和13#~18#為代表的(d)類型中,aph的貢獻不再是總吸收系數(shù)的主導因子.(c)類型表現(xiàn)為,在400~600 nm之間,aph、ad、aCDOM的貢獻率較為均衡,600~700 nm之間aph與aw貢獻率持平,共同占主要地位;(d)類型表現(xiàn)為,在400~600 nm之間,aph與aCDOM貢獻率較為接近,共同成為主導因子,600~700 nm之間aw是主導因子,其次是aph、ad與aCDOM逐漸趨于零,ad在整個可見光波段的貢獻率均比較小.導致(c)和(d)類型出現(xiàn)的原因可能是,7#以后的各采樣點位于官廳水庫的中庫區(qū),兩岸是蘆葦蕩和河灘,生活污水和工業(yè)廢水的排放量小很多,水庫水體中有機物含量逐漸被稀釋,浮游植物色素含量降低,aph對總吸收系數(shù)的貢獻率減小,ad、aCDOM與aw貢獻率相對升高.
在4種類型中,aCDOM的貢獻率均隨波長的增加逐步降低,沒有太明顯的峰谷起伏現(xiàn)象.aph在675 nm處均有明顯的吸收系數(shù)貢獻峰值,可作為CChl.a遙感反演的參考波段.在葉綠素濃度較低的區(qū)域,aCDOM與aph貢獻率較為接近,在遙感反演時可能會互相干擾,需予以注意和區(qū)分.
圖8 四種類型(a、b、c、d)組分 ad(λ)、aph(λ)、aCDOM(λ)和 aw(λ)對總吸收系數(shù)的相對貢獻率Fig.8 Relative contribution of the absorption coefficients of ad(λ),aph(λ),aCDOM(λ)and aw(λ)to the total absorption coefficient a(λ)in different types(a,b,c and d)
1)官廳水庫秋季總顆粒物的吸收光譜與浮游藻類吸收光譜一致,aph大于ad,ap(440)變化范圍為0.70~2.58 m-1.在媯庫區(qū),浮游植物色素是主導光衰減的首要因子,顆粒物吸收對總吸收的貢獻率在60%以上.在中庫區(qū),浮游植物色素、非色素顆粒物、CDOM、純水共同造成光衰減,顆粒物吸收占總吸收的40%以上.
2)非色素顆粒物和CDOM的吸收隨波長增加大致按指數(shù)規(guī)律下降.ad(440)和aCDOM(440)的變化范圍分別為0.096 ~0.797 m-1、0.4547 ~1.0279 m-1.非色素顆粒物在400 ~750 nm 波段的指數(shù)函數(shù)斜率 Sd的平均值為6.7 ±0.83 μm-1,CDOM 在400 ~750 nm 波段的指數(shù)函數(shù)斜率 Sg的平均值為15.5 ±2.64 μm-1.
3)由于藍藻和綠藻的共同吸收,浮游植物色素吸收光譜在420、628和676 nm處出現(xiàn)吸收峰,在480 nm處出現(xiàn)吸收肩峰,在550和650 nm附近出現(xiàn)吸收谷.aph(420)、aph(675)的變化范圍分別為0.58~2.16、0.27 ~1.19 m-1.并且其比吸收系數(shù)較為恒定.
4)ap(440)、ap(675)、aph(440)、aph(675)與 CChl.a均存在顯著相關性(R2為 0.79 以上),表明官廳水庫水體秋季吸收主要以浮游植物色素吸收為主,ad(675)、aCDOM(400)與CChl.a也存在較好相關性(R2=0.6488、0.5238),表明非色素顆粒物與CDOM也主要來源于浮游藻類的降解產(chǎn)物.
5)不同采樣點的不同組分吸收系數(shù)對總吸收系數(shù)的貢獻不同,大致可歸納為4種表現(xiàn)類型.在富營養(yǎng)程度較高的媯庫區(qū),浮游植物色素是水體光譜吸收的主導因子;在富營養(yǎng)程度較低的中庫區(qū),顆粒物與有色可溶性有機物共同主導水體光譜吸收.
由于官廳水庫污染程度較輕,不同季節(jié)的光譜吸收主導因子可能存在顯著變化,是使水體組分濃度遙感反演模型可移植性變差的原因之一.因此下一步需要對官廳水庫水體的懸浮顆粒物和CDOM吸收系數(shù)展開季節(jié)性分析,為不同季節(jié)的水體組分生物光學模型的構建提供數(shù)據(jù)支持.
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