遙感數(shù)據(jù)助力水環(huán)境變化監(jiān)測(cè)

持續(xù)發(fā)生暴雨、強(qiáng)降雨。暴雨、強(qiáng)降雨多發(fā)生在持續(xù)高溫突遇氣候急劇轉(zhuǎn)變的天氣里，常伴隨大風(fēng)和雷電，容易產(chǎn)生洪水、垮塌等自然災(zāi)害（圖1）。

圖1 近日我國(guó)大部分地區(qū)出現(xiàn)強(qiáng)降雨并引發(fā)一系列災(zāi)害（圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò)）

在全球氣候變化背景下，強(qiáng)降雨及暴雨等極端降雨事件頻次和強(qiáng)度都將增加，由此導(dǎo)致的徑流增加，攜帶流域及周邊城市大量懸浮物、營(yíng)養(yǎng)鹽、重金屬和有機(jī)污染物等進(jìn)入湖庫(kù)水體，嚴(yán)重影響湖庫(kù)物理化學(xué)過(guò)程及生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能（圖2）。

圖2 強(qiáng)降雨在河流入湖口形成高渾濁區(qū)，導(dǎo)致溶氧和水溫的垂向交換以及水質(zhì)遙感反演概念圖

強(qiáng)降雨攜帶的高濃度營(yíng)養(yǎng)鹽有利于藻類(lèi)的生長(zhǎng)，從而增加了有害藻華的發(fā)生率，而強(qiáng)降雨攜帶的高濃度懸浮物嚴(yán)重影響水下光場(chǎng)分布、水生生物初級(jí)生產(chǎn)力以及浮游植物群落結(jié)構(gòu)，伴隨懸浮物流入湖泊的還有大量重金屬、化肥和農(nóng)藥等，這些物質(zhì)進(jìn)入水體，嚴(yán)重影響水體的生物地球化學(xué)循環(huán)（圖3）。

圖3 水體透明度下降對(duì)湖泊生態(tài)系統(tǒng)影響概念圖。圖a為水下光照條件較好情況下水生生態(tài)系統(tǒng)情況，圖b為水下光場(chǎng)惡化后水生生態(tài)系統(tǒng)變化情況

此外，暴雨發(fā)生期間，一般雨水和上游徑流水溫較湖泊表層水溫低，同時(shí)水體上層溫度高的水體和下層溫度低的水體發(fā)生交換，從而引起湖泊表層水溫的下降和底層水溫的上升（圖2）。由于水體垂向的溫度差和密度差減小，形成表層水體和底層水體的對(duì)流增強(qiáng)，對(duì)流程度隨著降雨程度的增加而變大。

暴雨的危害還體現(xiàn)在對(duì)水生生物的影響上。在暴雨發(fā)生前，悶熱而低氣壓的天氣會(huì)導(dǎo)致湖泊表層溶解氧降低，魚(yú)蝦會(huì)出現(xiàn)缺氧浮頭的現(xiàn)象。暴雨發(fā)生期間水溫的下降以及光照強(qiáng)度的下降，小型生物（例如浮游生物等）對(duì)這種水環(huán)境的快速變化更加難以適應(yīng)，造成其應(yīng)激性反應(yīng)和病害發(fā)生，從而引起生態(tài)結(jié)構(gòu)的急劇變化。然而，降水對(duì)大型水生動(dòng)物（例如魚(yú)類(lèi)）還可能帶來(lái)積極的催長(zhǎng)作用，徑流攜帶大量微生物進(jìn)入水體，從而對(duì)雜食性和濾食性魚(yú)類(lèi)的生長(zhǎng)具有一定的刺激作用。

傳統(tǒng)的關(guān)于暴雨對(duì)湖泊水環(huán)境研究主要集中在某一特定位置、特定時(shí)刻水體的生物、化學(xué)和物理參數(shù)的監(jiān)測(cè)，但由于降雨引起的水環(huán)境變化快、作用范圍廣，這些特定時(shí)刻、特定位置的監(jiān)測(cè)不能反應(yīng)其發(fā)生及發(fā)展過(guò)程。遙感數(shù)據(jù)可以實(shí)現(xiàn)內(nèi)陸湖泊或水庫(kù)高頻、大規(guī)模觀測(cè)，并可用于追蹤水環(huán)境的時(shí)空變化。

強(qiáng)降雨攜帶大量泥沙進(jìn)入湖泊并在入湖口堆積形成高渾濁區(qū)，這些高渾濁區(qū)中包含大量沉積物、營(yíng)養(yǎng)物、重金屬、有機(jī)污染物，對(duì)光具有強(qiáng)烈的吸收和散射作用，尤其在紅色波段以及近紅外波段，高渾濁區(qū)遙感反射率顯著高于清潔水體（圖4）。因此，基于高渾濁區(qū)水體與周?chē)w光譜的差異性，我們從衛(wèi)星數(shù)據(jù)中可以提取高渾濁區(qū)水體范圍。

圖4 不同水體遙感反射率，（a）為千島湖清潔水體，（b）為杭州灣極度渾濁水體

以千島湖為例，近半世紀(jì)以來(lái)，千島湖降雨量呈現(xiàn)不斷增加的趨勢(shì)，強(qiáng)降雨以及暴雨發(fā)生的次數(shù)也呈現(xiàn)逐年顯著增加的趨勢(shì)（圖5）。不同程度降雨可形成不同范圍的高渾濁區(qū)（圖6），其中圖6A是一次強(qiáng)降雨（成像前七日累計(jì)降雨量：25.9mm）后于2009年3月10日獲取的假彩色影像，可以看到明顯的高渾濁區(qū)；圖6B是另一次較大的強(qiáng)降雨（成像前七日累計(jì)降雨量：76.2 mm）后于2010年3月18日獲取的假彩色影像，同樣可以看到明顯的高渾濁區(qū)，并且高渾濁區(qū)范圍顯著大于圖6A中的高渾濁區(qū)范圍；圖6C是一次更大程度強(qiáng)降雨（成像前七日累計(jì)降雨量：168.2 mm）后于2010年3月11日獲取的假彩色影像，同樣可以看到明顯的高渾濁區(qū)，并且高渾濁區(qū)范圍顯著大于圖6A，6B中的形成的高渾濁區(qū)范圍。

圖5 千島湖強(qiáng)降雨和暴雨逐年發(fā)生天數(shù)（引自2）

圖6三次不同降雨引起的高渾濁區(qū)范圍假彩色影像（引自3）

通過(guò)定義非渾濁區(qū)、渾濁區(qū)降雨前以及渾濁區(qū)降雨后遙感反射率數(shù)據(jù)集，解析得到高渾濁區(qū)遙感提取指數(shù)的幾何表達(dá)式。根據(jù)不同數(shù)據(jù)集中渾濁區(qū)水體像元光譜分布范圍，構(gòu)建高渾濁區(qū)遙感提取指數(shù)閾值不等式，得到高渾濁區(qū)遙感提取指數(shù)閾值范圍，基于此閾值我們即可快速對(duì)湖庫(kù)高渾濁區(qū)進(jìn)行提?。▓D7）。

圖7 基于遙感估算模型估算得到的降雨前和降雨后新安江總懸浮濃度空間分布以及基于PI指數(shù)和中值濾波后提取的高渾濁區(qū)范圍（引自3）

以上結(jié)果證實(shí)遙感數(shù)據(jù)可以作為監(jiān)測(cè)暴雨過(guò)程中高渾濁區(qū)形成和演變過(guò)程的有效手段。通過(guò)結(jié)合更高時(shí)空分辨率圖像（如無(wú)人機(jī)高光譜數(shù)據(jù)）、原位水參數(shù)和適當(dāng)?shù)姆囱菽Ｐ?，可以有效揭示高渾濁區(qū)水體的光學(xué)特性與相關(guān)物理、化學(xué)、生態(tài)參數(shù)之間的聯(lián)系，對(duì)強(qiáng)降雨引起的水環(huán)境變化監(jiān)測(cè)及水環(huán)境保護(hù)具有重要指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)：

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.

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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：張毅博、劉淼、張運(yùn)林、施坤

單位：中國(guó)科學(xué)院南京地理與湖泊研究所