劉瑤 ，江輝

1. 南昌大學(xué)資源環(huán)境與化工學(xué)院/鄱陽湖環(huán)境與資源利用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330031；2. 南昌工程學(xué)院/鄱陽湖流域水工程安全與資源高效利用國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330099

懸浮物由各種礦物碎屑顆粒的無機(jī)懸浮物和微體浮游生物及生物殘骸等有機(jī)懸浮物組成（張運(yùn)林等，2014），它是湖泊水質(zhì)和水環(huán)境評價(jià)的重要指標(biāo)之一，是水體物質(zhì)傳輸?shù)闹匾d體，影響湖體的形態(tài)變化和湖泊水生態(tài)系統(tǒng)健康發(fā)展。近年來，隨著先進(jìn)的光學(xué)儀器普及，基于固有光學(xué)特性的半分析法反演水質(zhì)參數(shù)得到發(fā)展（Lee et al.，2002；Han et al.，2016）。如歐洲SALMAN 計(jì)劃項(xiàng)目對 Eric、Vattern和Malaren湖的固有光學(xué)特性進(jìn)行測量，建立其水質(zhì)參數(shù)生物光學(xué)反演模型（Binding et al.，2008；Belzile et al.，2004）；在俄羅斯 Baikal湖、意大利 Albano湖、Garda湖以及芬蘭和愛沙尼亞的一些湖泊進(jìn)行了光學(xué)特性測量，建立了基于固有光學(xué)特性的的水質(zhì)參數(shù)生物光學(xué)模型算法（Giardino et al.，2007）。中國學(xué)者Sun et al.（2010）、陸超平等（2012）、楊曦光等（2015）提出了黃東海、太湖、長江口等渾濁水體區(qū)域懸浮顆粒物固有光學(xué)量與濃度之間的關(guān)系式。學(xué)者通過現(xiàn)場觀測對太湖、巢湖、近岸水體建立了懸浮顆粒物生物光學(xué)模型（黃昌春等，2012；劉忠華等，2012；韓留生等，2014)。陳曉玲等（2007）、江輝等（2010）對鄱陽湖表層水體懸浮物濃度構(gòu)建了遙感反演模型，Wu et al.（2011）開展了鄱陽湖光學(xué)深水區(qū)水體生物光學(xué)特性的初步研究，通過分析鄱陽湖從湖口到都昌湖區(qū)47個(gè)站位豐水期觀測的各種水體組分的濃度與固有光學(xué)參數(shù)，發(fā)現(xiàn)鄱陽湖是一個(gè)懸浮物占主導(dǎo)的多因素交互影響的水體光學(xué)特性復(fù)雜的湖泊，懸浮顆粒物光學(xué)特性的研究是水體生物光學(xué)特性研究的核心。目前有關(guān)內(nèi)陸湖泊水體固有光學(xué)特性與懸浮物之間關(guān)系的研究大多局限于表層水體（張海威等，2017）。

水體后向射散系數(shù)是遙感信號接收的基礎(chǔ)固有光學(xué)特性參數(shù)，也是光學(xué)模型的重要輸入?yún)?shù)，它只依賴于水體組成成分，與外界環(huán)境光學(xué)變化無關(guān)，因此其參數(shù)測定不受氣候條件、光照條件等影響，外界干擾因素小，獲取的后向射散系數(shù)信息更貼近實(shí)際。湖泊水體的后向散射系數(shù)與懸浮物有較強(qiáng)的相關(guān)性，樂成峰等（2009）研究表明，550 nm波段后向散射系數(shù)與太湖懸浮物組分的線性相關(guān)決定系數(shù)（r2）為0.9254；孫德勇等（2010）研究表明，后向散射概率與巢湖懸浮物濃度呈線性相關(guān)，與總懸浮物的決定系數(shù)為 0.782；陸超平等（2012）對太湖顆粒物進(jìn)行主導(dǎo)因子分類，分析了3種類型的550 nm波段散射系數(shù)與懸浮物組分的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)其與無機(jī)懸浮物相關(guān)性最大，且呈線性相關(guān)；Alcantat et al.（2016）建立了561 nm波段后向散射系數(shù)與 itumbiara水庫總懸浮物濃度的線性關(guān)系，結(jié)果表明r2為0.700。

傳統(tǒng)對湖泊水體懸浮物濃度的監(jiān)測通常采用過濾水體稱重法獲得，然而對大湖水體的監(jiān)測任務(wù)重，定點(diǎn)監(jiān)測有限，垂直觀測不同步，快速監(jiān)測難度大。特別是針對高動(dòng)態(tài)湖泊的水體懸浮物，連續(xù)垂直剖面監(jiān)測難度更大。目前研究湖泊水體懸浮物的垂直分布通常采用表層、中層和底層或更密集的采樣方式直接進(jìn)行垂向分析（張琍等，2014），存在數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性差或片面性分析等問題，不能夠完全反映垂直水體懸浮物的連續(xù)分布特征。基于后向散射系數(shù)開展湖泊垂直水體懸浮物濃度監(jiān)測的方法研究尚未見報(bào)道。本研究采用后向射散系數(shù)實(shí)測和垂直水樣過濾實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，針對鄱陽湖高動(dòng)態(tài)水體，構(gòu)建并應(yīng)用基于后向散射系數(shù)的懸浮物濃度反演模型，為摸清鄱陽湖水體懸浮物濃度的分布規(guī)律提供數(shù)據(jù)支持，解決鄱陽湖高動(dòng)態(tài)水體懸浮物濃度監(jiān)測難度大的問題提供新的垂直測量技術(shù)和方法，同時(shí)可為探索湖泊水體懸浮物濃度空間特性和物質(zhì)來源等方面提供技術(shù)支撐，對今后應(yīng)用遙感技術(shù)高精度監(jiān)測垂直非均勻水體具有實(shí)際意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)與采樣站位

鄱陽湖位于長江中下游的南岸，地勢南高北低，承納江西境內(nèi)贛、撫、饒、信、修等五河來水，湖水由北部湖口出口匯入長江，是典型的吞吐型淡水湖泊。鄱陽湖水位變化大，季節(jié)性變化明顯，枯水期一般出現(xiàn)在春、冬季，豐水期一般出現(xiàn)在夏、秋季節(jié)。鄱陽湖水流受長江水位和五河來水的影響，水體流速變化明顯，水齡時(shí)間短（Qi et al.，2016）。鄱陽湖處平原區(qū)，屬大風(fēng)集中區(qū)域，特別是鞋山、老爺廟和瓢山風(fēng)力最為集中（張琍等，2014）。在豐水期，湖面范圍大，懸浮物空間變化不僅受河水流速的影響，還受風(fēng)速的影響（賀志明等，2011；江輝等，2018）。另外，受采砂作業(yè)活動(dòng)等影響，鄱陽湖北部水體呈現(xiàn)高渾濁特征。

圖1 鄱陽湖監(jiān)測站點(diǎn)分布圖Fig. 1 Spatial distribution of observation sites in Poyang Lake

根據(jù)2017年11月27日和2018年4月26—27日兩次鄱陽湖湖區(qū)的水體垂直巡航觀測數(shù)據(jù)，觀測區(qū)域主要在主湖區(qū)及松門山以北的主航道（圖1a），考慮湖區(qū)水流條件變化、河流匯入以及人類活動(dòng)變化等影響因素，分別設(shè)置了1701#~1711#等11個(gè)、1801#~1820#等20個(gè)站點(diǎn)，其中，星子站日均水位分別為 9.50、11.78 m左右。站點(diǎn)空間分布如圖 1所示。

1.2 數(shù)據(jù)采集

采集站點(diǎn)的光學(xué)參數(shù)測定和水樣采集同步進(jìn)行，后向散射系數(shù)測量主要使用HOBI Labs公司研發(fā)的hydroscat-6p后向散射測量儀，該議器有6個(gè)波段，分別是420、442、470、510、590、700 nm（顧艷鎮(zhèn)等，2008；Doxaran et al.，2016），測定水體從表層垂直到距湖底50 cm范圍內(nèi)不同深度的水體后向散射系數(shù)，測定過程中儀器保持勻速下降，每秒鐘獲取1次數(shù)據(jù)。由于鄱陽湖水體為高動(dòng)態(tài)水體，水體的后向散射系數(shù)受到水流影響而波動(dòng)較大，為了減少高動(dòng)態(tài)的變化引起的干擾，通過取平均值的方法獲得建模數(shù)據(jù)。

2017年11月水樣采集深度為距水面0.5、2.0、3.0 m等3層水體，2018年4月水樣采集深度為表層（距水面0.5 m深度處）、中層（水深的50%深度處）、底層（距湖底0.5 cm深度處）等3層水體。同步監(jiān)測水體流速、濁度等數(shù)據(jù)。水樣當(dāng)天送回實(shí)驗(yàn)室保存，并進(jìn)行分析測試，測定不同時(shí)期的懸浮物濃度、粒徑、可溶性黃色物質(zhì)（CDOM）和葉綠素 a（Chl-a）等指標(biāo)。懸浮物濃度測定采用常規(guī)的 GB11901-89稱質(zhì)量法，水樣通過 0.45 μm的GF/F聚酯纖維濾膜過濾，并于105 ℃下烘干致恒重稱其重量，計(jì)算水體總懸浮物（TSM）濃度，再經(jīng)550 ℃高溫烘干再次稱其重量，計(jì)算水體無機(jī)懸浮物（ISM）濃度和有機(jī)懸浮物（OSM）濃度。懸浮物粒徑采用Bettersize 2000激光粒度分布儀進(jìn)行分析。鄱陽湖不同水層懸浮物濃度監(jiān)測結(jié)果統(tǒng)計(jì)見表1。

1.3 懸浮物濃度的反演

受水流速度的影響，部分底部后向散射系數(shù)數(shù)據(jù)與采樣高度不完全一致，相應(yīng)數(shù)據(jù)不參與模型反演構(gòu)建與驗(yàn)證。除此之外，各站點(diǎn)3層水樣的懸浮物濃度與相應(yīng)的后向散射系數(shù)共有 82組樣本，其中63組用于建模，19組隨機(jī)樣本用于檢驗(yàn)。由于高濃度水體的多次散射對反向散射信息號產(chǎn)生影響，使得后向散射系數(shù)增加速率減慢，故后向散射系數(shù)與懸浮物濃度呈非線性關(guān)系（圖2）。經(jīng)不同波段的后向散射系數(shù)與懸浮物濃度的相關(guān)性分析可知，各波段的后向散射系數(shù)與懸浮物濃度均呈顯著的指數(shù)函數(shù)關(guān)系，隨著波長的增加，相關(guān)性增強(qiáng)，700 nm波段的后向散射系數(shù)與總懸浮物濃度和無機(jī)總懸浮物濃度指數(shù)函數(shù)關(guān)系最佳，r2分別為0.849、0.811。鄱陽湖水體700 nm波段的后向散射系數(shù)（b700）與總懸浮物質(zhì)量濃度[ρ(TSM)]之間的關(guān)系式見式（1），b700與無機(jī)懸浮物質(zhì)量濃度[ρ(ISM)]之間的關(guān)系式見式（2）。水體的后向散射系數(shù)與有機(jī)懸浮物濃度相關(guān)性不顯著，可見水體的散射特性主要受水體中的無機(jī)物控制，與有機(jī)物濃度相關(guān)性較弱，這與Bowers et al.（1996）和孫德勇等（2010）的結(jié)論一致。

表1 鄱陽湖水體懸浮物濃度監(jiān)測結(jié)果統(tǒng)計(jì)Table 1 Results of field measurements of suspended matter concentration in Poyang Lake

圖2 鄱陽湖水體后向散射系數(shù)（bb-700）與懸浮物濃度的關(guān)系Fig. 2 Relationship between backscattering coefficient from 700 nm and suspended matter concentration in Poyang Lake

經(jīng)驗(yàn)證（圖3），總懸浮物濃度、無機(jī)懸浮物濃度的模擬值與實(shí)測值相關(guān)性均較好，r2均達(dá)到0.860以上，模擬總懸浮物濃度的RMSE為8.56，模擬無機(jī)懸浮物濃度的RMSE為8.70。因此水體700 nm波段的后向散射系數(shù)能夠有效地反演總懸浮物濃度和無機(jī)懸浮物濃度。通過式（1）~（2）分別可獲得各站點(diǎn)水體垂直分布的總懸浮物濃度與無機(jī)懸浮物濃度。

1.4 垂直分布類型判別原則

若懸浮物濃度與水深呈線性顯著相關(guān)（P>0.001），認(rèn)為水體呈垂直非均勻分布；相反，相關(guān)性不顯著，認(rèn)為水體呈垂直均勻分布。進(jìn)一步將垂直非均勻水體劃分為增大型、中層增大或減小型、上部增大下部混合型3種類型。根據(jù)水體垂直分布特征將水體主要分為4種類型：A型為混合均勻型，即隨著水體深度加深懸浮物濃度上下均勻分布，為垂直均勻水體；B型為增大型，即隨著水體深度加深懸浮物濃度逐漸或迅速增大；C型為中層增大或減小型，即隨著水體深度加深懸浮物濃度先增大再減小或先減小再增大；D型為上部增大、下部混合型，即隨著水體深度加深懸浮物濃度增大至中層，下部混合紊亂。

2 結(jié)果與分析

2.1 懸浮物垂直分布類型

從監(jiān)測站點(diǎn)數(shù)據(jù)分析，有67.74%的站點(diǎn)為垂直非均勻水體，32.26%的站點(diǎn)為垂直均勻水體。由圖1b可知，贛江北支入口以北區(qū)域均為B型水體；都昌至贛江北支入口段多水混合，水體流速、流態(tài)較為復(fù)雜，因此該區(qū)域存在A、B、C、D 4種類型的垂直分布特征；都昌至棠蔭附近區(qū)域和湖區(qū)主要為A、B型。

由垂直剖面圖（圖4）可知，A型（圖4a）水體由于高度混濁，水體不穩(wěn)定，導(dǎo)致均勻混合水體總體振幅較大；C型（圖 4c）水體占總站點(diǎn)數(shù)的6.45%，1801#站點(diǎn)垂直水體越靠中層懸浮物濃度越小，1804#站點(diǎn)垂直水體越靠中層懸浮物濃度越大；D型（圖4d）水體占總站點(diǎn)數(shù)的6.45%；B型（圖4b）總懸浮物濃度和無機(jī)懸浮物濃度與水深均呈正相關(guān)，說明懸浮物濃度隨著水深呈現(xiàn)增加的趨勢，該類型是 4種類型中占比最大的，占總站點(diǎn)數(shù)的54.84%，在不同區(qū)域均出現(xiàn)該類型，分布較廣。B型水體懸浮物濃度與深度的斜率各有不同，斜率越小，表明懸浮物濃度隨深度變化越大。經(jīng)線性擬合計(jì)算，總懸浮物濃度隨深度變化的斜率在0.007~1.156 mg·L-1范圍內(nèi)，均值為 0.369 mg·L-1，ρ(TSM)<50 mg·L-1的中低渾濁水體總懸浮物濃度隨深度變化的斜率一般在0.1738~1.1738 mg·L-1范圍內(nèi)，均值為0.474 mg·L-1；無機(jī)懸浮物濃度隨深度變化的斜率在 0.007~1.100 mg·L-1范圍內(nèi)，均值為 0.386 mg·L-1，ρ(ISM)<40 mg·L-1的水體無機(jī)懸浮物濃度隨深度變化的斜率一般在 0.200~1.100 mg·L-1范圍內(nèi)，均值為 0.522 mg·L-1，比總懸浮物濃度的斜率大，即 ρ(ISM)隨深度變化更小些。而ρ(TSM)≥50 mg·L-1的高渾濁水體斜率均大于 0.03，甚至達(dá)到0.0096，比中低濃度的斜率小得多，說明高渾濁水體隨深度變化懸浮物濃度快速增大，主要原因可能是高渾濁水體的粒徑較大，沉降速度較快，導(dǎo)致其懸浮物濃度增大，而中低渾濁水體的懸浮物粒徑相對較小，沿深度方向的沉降速度較小，故懸浮物濃度隨深度的變化較小。

圖3 模型驗(yàn)證Fig. 3 Models validation

圖4 鄱陽湖典型水體總懸浮物濃度隨深度變化Fig. 4 Variation of total suspended matter concentration in typical waters of Poyang Lake with water depth

2.2 懸浮物垂直剖面特征

懸浮物垂直剖面能夠反映其沿程縱向變化，還可以清晰地表述層化特征。通過兩次巡航監(jiān)測，獲得總懸浮物濃度和無機(jī)懸浮物濃度的垂直剖面（圖5）?？傮w來看，沿程縱向變化明顯，存在顯著的層化現(xiàn)象。

由圖 5a可知，枯水期都昌段湖面較窄，流速加快，受該區(qū)域采砂活動(dòng)的影響，1708#~1711#站點(diǎn)范圍的水體渾濁，總懸浮物濃度超過50 mg·L-1，無機(jī)懸浮物濃度超過40 mg·L-1，該區(qū)域懸浮物粒徑呈上小下大，表現(xiàn)為底泥再懸浮的特征。從贛江匯入點(diǎn)開始，即 2704#站點(diǎn)下游，水體總懸浮物濃度和無機(jī)懸浮物濃度逐漸減小。由贛江北支入湖口的2705#站點(diǎn)情況可知，贛江北支來水的懸浮物濃度較小，匯入湖區(qū)后降低了湖區(qū)的懸浮物濃度；贛江北支入湖口下游受長江水頂托，水流流速降低，大粒徑懸浮物沉降，使得懸浮物濃度逐漸減小。由圖5b可知，4月份是水位較低的季節(jié)，棠蔭附近至都昌段剖面呈“河型”，河面較小，航道內(nèi)水體的流速快，同時(shí)采砂船只活動(dòng)南移（Feng et al.，2012），總體上該區(qū)域水體懸浮物濃比同期的主湖區(qū)至星子段剖面的濃度大。由圖5c可知，4月松門山以北下游區(qū)域懸浮物濃度與 11月相比更低，該時(shí)期鄱陽湖水位處于上漲過程，為枯水與豐水過渡時(shí)期，主湖區(qū)水體水面變化較為復(fù)雜，受贛江中支來水和沖刷作用影響，水流流速加快；1803#~1805#站點(diǎn)處于淺水區(qū)域，湖區(qū)底泥再懸浮，水體懸浮物濃度加大，水體分層明顯；1802#區(qū)域的水體受彎道頂沖，局部水體受流速大、流向不穩(wěn)定和湍流等影響而呈現(xiàn)高度混合。

3 結(jié)論

本文通過對鄱陽湖水體后向散射系數(shù)和懸浮物濃度的垂直監(jiān)測，構(gòu)建了后向散射系數(shù)和懸浮物濃度的反演模型，并將其應(yīng)用于水體懸浮物垂直分布特征分析。得到以下結(jié)論：

（1）水體700 nm波段的后向散射系數(shù)與總懸浮物濃度和無機(jī)懸浮物濃度具有較好的相關(guān)性，所構(gòu)建的指數(shù)反演模型具有可行性，因此后射散射儀具備實(shí)時(shí)監(jiān)測懸浮物濃度的功能，能夠作為水體組分垂向結(jié)構(gòu)分析的測量手段。

圖5 鄱陽湖水體懸浮物濃度垂直剖面Fig.5 Vertical profiles of suspended matter concentration in Poyang Lake各圖上方橫軸數(shù)字為站點(diǎn)號，（a）~（b）分別為2017年11月TSM和ISM垂直剖面Ⅰ（圖1中的黃色剖面線）；（c）~（d）分別為2018年4月TSM和ISM垂直剖面Ⅱ（圖1中的藍(lán)色剖面線）；（e）~（f）分別為2018年4月TSM和ISM垂直剖面Ⅲ（圖1中的紅色剖面線）The horizontal axis numbers above the figures are the numbers of the sampling sites, (a)~ (b) is respectively vertical profiles I (yellow line in Fig. 1) of TSM and ISM in November 2017; (c)~ (d) is respectively vertical profiles II (blue line in Fig.1) of TSM and ISM in April 2018; (e)~ (f) is respectively vertical profiles III (red line in Fig.1) of TSM and ISM in April 2018.

（2）鄱陽湖水體垂直分布特征分為混合型（A型）、增大型（B型）、中層增大或減小型（C型）、上部增大下部混合型（D型）4種類型，分別占總站點(diǎn)數(shù)的32.26%、54.84%、6.45%和6.45%，該區(qū)域近70%為垂直非均勻水體，可見在水色遙感反演中統(tǒng)一采用表層水樣監(jiān)測數(shù)據(jù)為代表值進(jìn)行建模，并不完全合理，甚至在某些區(qū)域存在較大誤差。今后還需通過大量觀測數(shù)據(jù)和遙感反演模型進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證。

（3）水體總懸浮物濃度垂直剖面變化受水位變化、水體流速和流態(tài)的改變、采砂活動(dòng)等湖區(qū)自然條件和人類活動(dòng)影響，也受到五河來水的渾濁程度影響，使得沿程縱向變化明顯，存在顯著的層化現(xiàn)象。高渾濁水體懸浮物濃度隨深度變化的斜率比中低濃度的小，主要原因可能是高渾濁水體的粒徑較大，沉降速度較快，導(dǎo)致其沿深度方向的懸浮物濃度迅速增大。