博斯腾湖夏季水下光场特征分析及影响因素探讨

2011年8月,在新疆博斯腾湖17个站点进行水样采集,同步对11个站点进行水下光场原位测定.结果发现,博斯腾湖夏季总颗粒物吸收系数光谱表现出明显的浮游植物吸收特征,而浮游植物光谱曲线有明显的硅藻吸收光谱特征.在光合有效辐射波段,有色可溶性有机物（CDOM）吸收系数与浮游植物吸收系数对总吸收的贡献相当,而非色素颗粒物对总吸收的贡献最低.水下光谱衰减系数的最小值出现在580nm左右的绿光波段,PAR漫射衰减系数平均值为0.53m-1,平均真光层深度约为9.69m,大于湖水平均深度.在博斯腾湖虽然纯水和CDOM在总吸收中占有很重要的部分,但主导漫射衰减的因子仍为颗粒物.通过本文研究,以期能为干旱地区湖泊环境保护和水质遥感监测提供数据和理论基础.     

浅水湖泊水动力过程对藻型湖区水体生物光学特性的影响

基于2010年7月底至8月初对太湖藻型湖区梅梁湾沿岸带水域不同风速条件下水下光场的原位连续高频观测,通过对水下辐照度、光束衰减系数、吸收系数、相关理化参数及气象水文参数的测定与分析,揭示了该区域水体的生物光学特性变化及其与水动力过程的关系.结果表明,总颗粒物吸收系数ap(440)、非色素颗粒物吸收系数ad(440)、浮游植物吸收系数aph(440)及有色可溶性有机物吸收系数aCDOM(440)在小风(30 min内平均风速<3 m.s-1)、中风(3 m.s-1<风速<5 m.s-1)和大风(风速>5 m.s-1)作用下分别为3.97、3.97、6.58 m-1;1.69、2.17、4.20 m-1;2.28、1.80、1.33 m-1;1.05、1.04、1.08 m-1,其中变幅最大的为非色素颗粒物,CDOM吸收系数在不同风速条件下差别不大.水体各组分在PAR波段积分值的贡献率的变化规律为:小风速下浮游植物吸收系数的贡献最大(达42.5%),随着风速的增大,CDOM、浮游植物、纯水吸收系数的贡献率均有降低的趋势,而非色素颗粒物的贡献率则显著增大,分别为33.0%、41.7%、52.0%.PAR漫射衰减系数与10min平均风速呈显著线性相关,风速引起的沉积物再悬浮对PAR漫射衰减系数的影响显著,从小风到大风,PAR漫射衰减系数增加了80.0%,对应真光层深度降低了42.2%.PAR漫射衰减系数、750 nm波长处的光束衰减系数、总悬浮物浓度与风速、波高、波切应力均存在显著正相关,其中又以PAR漫射衰减系数的相关性最为显著.高频观测结果揭示了浅水湖泊藻型湖区水动力过程通过引起沉积物再悬浮、浮游植物的混合及迁移显著改变水体生物光学特性短期变化.     

基于水下光场结构的巢湖初级生产力评价

根据2009年6月巢湖32个样点的实测数据以及归一化PAR强度数据,探讨巢湖水体的水下光场结构,并计算该水域的真光层深度,在此基础上结合叶绿素a浓度评价其初级生产力.结果表明,巢湖水体水下光强随着深度的增加呈现出指数衰减趋势,水深1 m处光强只有表层光强的0.07%～15.17%;且不同水深处的光场分布总体呈现出西部湖...     

基于光补偿深度的蠡湖沉水植物恢复区划分

为分析蠡湖沉水植物恢复的光补偿深度和透明度条件,根据2012年4月和2013年4月蠡湖水下PAR(光合有效辐射)强度、ρ(SS)、透明度等监测数据以及沉水植物相关资料,探讨了沉水植物光补偿深度的空间分布特征及其影响因素. 结果表明:水下PAR强度随水深呈指数递减,α(光衰减系数)在0.97~6.04 m-1之间变化;光补偿深度空间分布格局均表现为西蠡湖大于东蠡湖、沿岸大于湖心的趋势,并且与水体透明度呈显著正相关;狐尾藻、金鱼藻、菹草、黑藻、苦草的光补偿深度及水体真光层深度分别是透明度的1.83、1.92、2.05、2.12、2.57和3.04倍. 回归分析表明,光补偿深度主要受ρ(SS)影响,其次为ρ(Chla). 以沉水植物群落光补偿深度(水体真光层深度)与水深的比值作为划分沉水植物群落恢复区域的参考依据,将蠡湖水域初步划分为“适宜区”“过渡区”和“暂不适宜区”,其中“适宜区”占蠡湖水域面积的29%.      

巢湖水体组分垂向分布特征及其对水下光场的影响

富营养化湖泊不同组分垂向分布及其对水下光场的影响是湖泊水环境遥感领域亟待开展的内容.利用巢湖野外实测数据,分析水体不同组分垂向分布特征,结合Hydrolight辐射传输模型模拟研究水体不同组分垂向分布对漫衰减系数Kd的影响.结果表明,巢湖水体悬浮物以及有色可溶性有机物CDOM垂向分布较为均一,水面未发生藻华现象时叶绿素a垂向分布符合高斯正态分布,漫衰减系数Kd受叶绿素a以及无机悬浮物的显著影响,其垂向变化复杂多样,以往以水体光学性质均一为前提计算得到的Kd仅仅表示其衰减的平均情况,不能精确反映水下光场的垂向变化,因此研究水体组分垂向分布特征及其对漫衰减系数Kd的影响是开展藻类垂向分布异质性对水下光场影响机制研究的前提和基础.     

长江中下游浅水湖泊紫外辐射的衰减

基于对长江中下游22个浅水湖泊有色可溶性有机物吸收的测量,运用经验模式估算了紫外辐射(UV-B、UV-A)在长江中下游湖泊的衰减及对应的穿透深度,并利用在武汉东湖实测的紫外辐射衰减进行了检验.结果表明,UV-B波段的320nm和UV-A波段的380nm衰减系数变化范围分别为2.05～21.00m^-1,1.07～12.85m^-1,对应的1%穿透深度分别为0.22～2.25m,0.36～4.29m.估算得到的紫外辐射衰减系数与DOC浓度均存在显著性正相关,但UV-B波段要高于UV-A波段.武汉东湖实测的紫外辐射衰减检验发现,基于CDOM吸收系数估算UV-B辐射衰减较为精确,而由于浮游植物吸收和悬浮物散射等影响对UV-A波段估算精度则明显下降.     

杭州西湖冬、春季水体光学特性比较

于2007年冬、春季对杭州西湖主要湖区的水下光合有效辐射进行了研究,主要从光学角度讨论西湖的水质状况及其影响因素. 选用美国LI-COR公司的水下光量子仪(LI-COR 192SA)分层测定光合有效辐射(PAR),同时测定透明度,叶绿素a,悬浮物(SS),总氮和总磷等理化因子. 通过对不同深度处水下辐照度进行指数回归得到光学衰减系数(K_d). 结果表明,西湖水质和水体光学条件冬季优于春季,ρ(叶绿素a)和ρ(SS)低,透明度和真光层深度高. 水下光合辐射的垂直分布呈指数衰减. 从总体上来看,K_d冬季小于春季,外西湖高于其他湖区,并且由南至北逐渐升高. 冬、春季K_d分别为0.49～2.25和0.59～3.45 m－1. K_d与ρ(叶绿素a)和ρ(SS)呈正相关.浮游植物和悬浮物是影响西湖水下光照的重要因素. 降低浮游植物和悬浮物含量是改善西湖水体光学条件的重要内容.      

太湖悬浮物对水体生态环境的影响及其高光谱反演

利用太湖水质参数数据、水面以下实测光谱数据以及水-气界面辐射传输模型,计算得到了水体漫射衰减系数和水面以上遥感反射比,探讨了悬浮物对水体中营养盐以及水下光照等水体环境因子的影响,在此基础上,利用水面以上遥感反射率建立了悬浮物浓度的定量反演模型.研究结果表明:悬浮物浓度与水体下行漫射衰减系数具有很好的相关性,在可见光波段相关系数达到0.8以上,与真光层深度具有很好的负指数关系;水面以上遥感反射比与悬浮物浓度对数(In(Tss))具有很好的相关性,在500～600nm范围内呈负相关,在620-882nm范围呈正相关,最大负相关出现在522nm附近,最大正相关出现在692nm附近;选用Rra(522nm)、Rra(692nm)以及其比值作为变量建立悬浮物反演模型,得出的单波段线性对数模型能够较好地反演悬浮物浓度.     

基于Landsat8影像估算新安江水库光合有效辐射漫射衰减系数

光合有效辐射(photosynthetically active radiation,PAR)是指可以被植物利用并进行光合作用的那部分太阳辐射,其进入湖水后受光学组分(悬浮颗粒、有色可溶性有机物和浮游植物)的吸收和散射作用发生衰减,对湖泊生物的密度和分布具有重要影响.本研究构建了基于Landsat 8影像数据的较为清洁的新安江水库PAR漫衰减系数的遥感估算模型,进而分析其时空分布特征及主要影响因素.结果表明,利用Landsat 8的第二、三和第八波段构建的多元回归模型能够得到较为准确的估算结果,模型决定系数为0.87.利用独立样本对构建的模型验证,预测值和实测值相对误差绝对值均值为9.16%,均方根误差为0.06 m~(-1),由此可见利用Landsat 8数据的3个波段,采用多元回归模型能够较好地估算较清洁水体的PAR漫射衰减系数.基于14景Landsat 8影像发现,新安江水库PAR漫射衰减系数季节差异性明显,秋季(9~11月)和夏季(6~8月)PAR漫射衰减系数较高,分别为(0.82±0.60)m~(-1)和(0.77±0.41)m~(-1),而冬季(12~次年2月)和春季(3~5月)PAR漫射衰减系数相对较低,分别为(0.56±0.50)m~(-1)和(0.40±0.45)m~(-1).新安江水库PAR漫射衰减系数空间差异性显著,全湖PAR漫射衰减系数变化范围为(0.002~13.86)m~(-1),均值为(0.64±0.49)m~(-1).漫射衰减系数的季节变化主要是由季节性降雨和浮游植物季节性生长引起,空间差异性主要由外源河流输入和部分水域采砂过程导致悬浮物浓度变化引起.     

太湖水体上行漫射衰减系数的变化特征研究

水体上行漫射衰减系数是反映水体中上行光强衰减的重要光学参数,它直接影响着水下光场分布,对水环境生态系统变化具有重要意义.然而,对于太湖水体而言,上行漫射衰减系数的变化特征尚不明确.为此,本课题组于2010年4月29日到5月2日对太湖水体28个采样点进行了野外原位观测,获取了相应的水体光学参数和水质参数数据集.在分析水体上行衰减系数光谱特征和空间分布特征的基础上,对其与太阳高度角、悬浮物浓度和叶绿素浓度之间的关系进行了研究.结果表明,上行漫射衰减系数的光谱特征表现为短波蓝光部分衰减系数较大,长波红光部分衰减系数较小,且衰减系数在575~700 nm之间随着波长的增加变化不明显,在675 nm附近出现相对高值,其与叶绿素a浓度存在显著的相关关系(r=0.574,n=28,p<0.05).下行与上行漫射衰减系数随波长的变化特征大致相似,其差值谱线的变化规律为:小于400 nm的范围内,呈线性减小;在400~800 nm之间除760 nm附近有一峰值外,其余部分基本无明显变化;大于800 nm时,又迅速增加.上行衰减系数在不同湖区的空间分布大致为:开阔水域区>草型湖区>典型藻型湖区>草、藻过渡型湖区,藻型和草、藻过渡湖区在675 nm附近的峰值皆较为明显.上行衰减系数基本上随太阳高度角的增大而减小,上行漫射衰减系数与悬浮物浓度的偏相关性最好(r=0.963,n=28,p<0.05),太阳高度角次之(r=0.474,n=28,p<0.05),叶绿素浓度的最低(r=0.175,n=28,p<0.05).     

长江中下游4个湖泊非色素颗粒物吸收系数光谱模型

利用指数模型和幂函数模型对2007年和2010年长江中下游4个湖泊58个样本 a_d(λ)(非色素颗粒物吸收系数) 光谱进行拟合,以 R2(决定系数)、RE(相对误差)和RMSE(均方根误差)等统计参数判定模型效果. 指数模型和幂函数模型 R2平均值、RE、RMSE分别为0.998、7.01%、0.015 m-1和0.994、15.90%、0.027 m-1. 统计检验显示,指数模型的 R2显著大于幂函数模型(ANOVA,P<0.001),而RE和RMSE则显著小于幂函数模型(ANOVA,P<0.001). 指数模型能更准确地拟合 a_d(λ),得到的 S_d(光谱斜率)平均值为(12.21±1.08)μm-1,400~700 nm波段内变异系数为8.85%,空间上4个湖泊之间变化不是很明显,仅傀儡湖的 S_d略低于其他3个湖泊. a_d(λ)与ρ(ISM)(无机悬浮颗粒物浓度)呈极显著正相关,通过ρ(ISM)可以得到长江中下游典型浅水湖泊 a_d(λ)光谱模型.      

洪湖、梁子湖水体富营养化研究

2015年3月对洪湖、梁子湖进行了水质监测。依据实测数据,结合洪湖湿地自然保护区和梁子湖林业局监测数据和文献数据,采用综合营养状态指数法对洪湖、梁子湖的富营养化状态进行评价;并根据各因子在综合营养状态指数中所占比重和地表水水质标准,对各因子做了比较。结果表明:洪湖、梁子湖综合营养状态指数分别为57.2、42.5。即洪湖为轻度富营养、梁子湖为中营养;各因子对洪湖、梁子湖富营养化的贡献大致相同,即Chla为首,TP、COD_(Mn)和SD次之、TN最后。     

两种生态净化措施对水源水库光学环境的影响

为了评估生态净化措施对水体光学环境的影响,以上海金泽水库为例,在微纳米曝气复氧和水生植物净化两种生态净化措施前后布设采样点进行了光学衰减系数（水体光合辐照度（PAR）衰减系数）、真光层深度和透明度及相关水质指标的监测和分析.结果表明：水生植物净化和曝气复氧净化措施有利于水体光学环境的改善,经微纳米曝气后,水体透明度增大20%~25%,真光层深度增大2.2%~14.8%,光学衰减系数降低0.4%~4.4%;经水生植物净化后,水体透明度增大20%~29.4%,真光层深度增大6%~20%,光学衰减系数降低17.3%~20.5%.逐步回归结果表明不同生态净化措施的光学环境改善机制不同,微纳米曝气主要通过叶绿素、溶解性有机物、温度、溶解氧影响水体光学环境,水生植物净化主要通过浊度影响水体光学环境.冬季,两种生态净化措施对总氮和溶解性有机物均没有改善效果.     

太湖水体漫衰减系数特征及其对水生态环境影响分析

利用2006年10～11月太湖全湖不同区域光学属性的测量数据,就太湖水体漫衰减系数(K_d)特征、各影响因子对K_d的贡献率以及K_d对太湖水生态系统的影响进行分析.结果表明,太湖水体的漫衰减系数K_d以571 nm为分界点,在整个可见光波长范围内(400～700 nm)主要呈现2种变化趋势.第1种,在<571 nm波长范围内,K_d随着波长的增加呈现指数形式衰减,第2种,在>571 nm波长范围内,K_d表现为波动形式;在400～700 nm波长范围内,色素颗粒物的吸收系数是漫衰减系数第一贡献者,非色素颗粒物吸收系数和散射系数处于第二贡献者地位,而黄质吸收系数的贡献率相对最小;太湖水体漫衰减系数决定了太湖水生态系统中的光生态因子,K_d形成的“水体窗口”影响了太湖水域不同类型生态系统的形成,并为太湖“水华”的优势藻类铜绿微囊藻的出现提供了水下光场依据.