祁蘭蘭 王金亮 農(nóng)蘭萍 劉錢威

摘要：為探究2014～2019年洱海干季水質(zhì)變化規(guī)律及其驅(qū)動因子，選用2014～2019年1月和11月GF-1號衛(wèi)星遙感影像資料，以葉綠素a濃度、透明度、富營養(yǎng)化指數(shù)這3個指標(biāo)為研究標(biāo)的開展洱海水質(zhì)反演。結(jié)果表明：① 時間上，2014～2019年洱海葉綠素a濃度和富營養(yǎng)化指數(shù)逐年降低，透明度逐漸增加，洱海干季水質(zhì)呈好轉(zhuǎn)趨勢。② 空間上，洱海2014～2019年11月份整體上呈現(xiàn)葉綠素a濃度和富營養(yǎng)化指數(shù)北部低、南部高，透明度北部高、南部低，北部水質(zhì)較好，南部水質(zhì)偏差的趨勢;1月份整體上呈現(xiàn)葉綠素a濃度中部較高，南、北部偏低，北部水質(zhì)較好，透明度由北向南遞減，富營養(yǎng)化指數(shù)由北向南增加的趨勢。③ 洱海葉綠素a濃度和富營養(yǎng)化指數(shù)均與水體總氮、總磷含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系（P<0.05），水體透明度與總氮、總磷含量呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。

關(guān) 鍵 詞：水質(zhì)監(jiān)測;時空變化;葉綠素a濃度;透明度;富營養(yǎng)化指數(shù);GF-1衛(wèi)星影像;洱海

中圖法分類號：X87

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1001-4179（2021）09-0024-08

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.09.005

0 引 言

湖泊是寶貴的自然資源，具有調(diào)節(jié)氣候，維持區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)平衡等功能，此外在漁業(yè)、航運、娛樂等方面具有重要的經(jīng)濟(jì)價值[1-2]。洱海是滇西北最大的湖泊，具有重要的生態(tài)和經(jīng)濟(jì)服務(wù)價值。近年來隨著周邊農(nóng)業(yè)、工業(yè)、商業(yè)活動的加強，洱海水質(zhì)呈惡化趨勢，由中營養(yǎng)狀態(tài)演變?yōu)楦粻I養(yǎng)化水平，尤其是1996，2003，2006，2013年秋季分別暴發(fā)了大規(guī)模大面積的藍(lán)藻水華，這嚴(yán)重影響了洱海的水生態(tài)系統(tǒng)及環(huán)湖居民的安全用水。水質(zhì)監(jiān)測是指應(yīng)用化學(xué)分析、物理探測等方法定量、定性分析河湖的水質(zhì)狀況，是后續(xù)政策的制定、水質(zhì)管理、污染修復(fù)的前提。傳統(tǒng)水質(zhì)監(jiān)測采用取樣分析方法，該方法雖能把握水質(zhì)情況，但監(jiān)測范圍有限。相比傳統(tǒng)水質(zhì)監(jiān)測經(jīng)濟(jì)性差、滯后性、小區(qū)域等問題，遙感技術(shù)以其高頻率、大尺度、多光譜的特點廣泛應(yīng)用于水環(huán)境的監(jiān)測，尤其適合于葉綠素a濃度、透明度等與湖泊富營養(yǎng)化有關(guān)的水質(zhì)指標(biāo)的監(jiān)測[3-4]。

利用高分影像進(jìn)行湖泊水質(zhì)監(jiān)測研究主要集中在以下幾個方面：探究高分影像監(jiān)測湖泊水質(zhì)的適宜性[5-6]，湖泊水體信息的提取方法[7]，結(jié)合高分影像對比不同模型間水質(zhì)反演的可行性[8]，監(jiān)測湖泊面積變化趨勢[9]，以不同水質(zhì)指標(biāo)為依據(jù)分析湖泊水質(zhì)空間特征[10-11]。而利用高分影像進(jìn)行高原湖泊長時間序列水質(zhì)監(jiān)測及探究引起水質(zhì)變化的驅(qū)動因素的相關(guān)研究較少。

目前關(guān)于洱海水質(zhì)的監(jiān)測研究包括：利用采樣分析法研究洱海入湖河流水質(zhì)參數(shù)的空間分布[12]，洱海水生態(tài)系統(tǒng)退化及防治[13]，定量監(jiān)測特定時間點洱海營養(yǎng)物質(zhì)含量變化，檢測指標(biāo)包括氮、磷、化學(xué)需氧量等營養(yǎng)物質(zhì)的含量[14-15]。使用遙感技術(shù)監(jiān)測洱海水質(zhì)情況的研究包括：研究洱海浮游植物及藍(lán)藻水華的空間分布特征[16]，土地利用與湖泊水質(zhì)的關(guān)系[17]，對于洱海水質(zhì)遙感監(jiān)測方法的優(yōu)化，例如利用OLCI數(shù)據(jù)構(gòu)建的三波段模型能很好地估算洱海葉綠素a的濃度分布情況[18]，改進(jìn)基于Landsat寬頻帶的三波段模型，用于預(yù)測早期無監(jiān)測數(shù)據(jù)的水華[19]。目前關(guān)于洱海水質(zhì)的長時間序列變化多以現(xiàn)場采樣監(jiān)測為主，例如李澤坤采用取樣、檢測方法監(jiān)測了2004～2013年洱海由中營養(yǎng)向富營養(yǎng)趨勢轉(zhuǎn)變[20]，但該研究無法整體把握洱海的水質(zhì)狀況。近年以遙感手段監(jiān)測洱海水質(zhì)長時間序列變化的研究較少，關(guān)于洱海水質(zhì)變化的誘因仍需要進(jìn)一步研究和解析。

本次研究利用高分影像進(jìn)行高原湖泊長時間序列水質(zhì)監(jiān)測，獲取多個時間節(jié)點洱海水質(zhì)GF-1號遙感影像，通過GF-1號遙感數(shù)據(jù)分析洱海整個湖區(qū)水質(zhì)時間序列變化，并解釋水質(zhì)產(chǎn)生變化的原因，旨在為洱海的治理提供科學(xué)的指引。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

洱海是云南省第二大淡水湖泊，位于大理州境內(nèi)，介于北緯25°36′～25°58′，東經(jīng)100°06′～100°18′之間。大理州年平均氣溫為15.5℃，且干濕季分明，5～10月為雨季，11月至次年4月為干季，年降雨量為1 000～1 200 mm（95%的水量集中在5～10月份）。洱海湖區(qū)總面積為249.4 km2，總?cè)萘?5.3億m3，屬瀾滄江水系，東岸有鳳尾箐、玉龍河等數(shù)十條大小集水溝渠，北有茈碧湖、東湖、西湖，西臨蒼山十八溪，南有波羅江、金星河（見圖1）。洱海是灰鶴、紅嘴鷗等生物的棲息地，魚類 31種，具有重要的生態(tài)價值。洱海還是周邊生活、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、工業(yè)活動的主要水源地，2019年洱海流域常住人口數(shù)量約102萬，具有很高的經(jīng)濟(jì)服務(wù)價值。

1.2 數(shù)據(jù)來源及預(yù)處理

因缺少濕季不同年份且同月份的遙感影像，無法滿足影像時間的相對一致性，所以只探究洱海干季水質(zhì)變化。研究選用2014～2019年6 a的1月、11月共12景GF-1衛(wèi)星WFV傳感器16 m空間分辨的影像數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)級別均為level1A。該衛(wèi)星軌道參數(shù)：軌道高度645 km（標(biāo)稱值）;傾角98.0506°;降交點地方時為10：30;側(cè)擺能力（滾動）±25°，機(jī)動25°的時間≤200 s，具有應(yīng)急側(cè)擺（滾動）±35°的能力;其他相關(guān)參數(shù)如表1～2所列。該衛(wèi)星高時空分辨率的優(yōu)勢為大區(qū)域的遙感監(jiān)測提供了硬件支撐，在農(nóng)業(yè)與環(huán)境監(jiān)測、國土資源管理、城市精細(xì)化管理中發(fā)揮了重要的作用[21]。本文對圖像的預(yù)處理包括輻射定標(biāo)、大氣校正、正射校正。輻射定標(biāo)采用中國資源衛(wèi)星應(yīng)用中心提供的絕對輻射定標(biāo)系數(shù)將傳感器記錄的數(shù)字量化值轉(zhuǎn)換成輻射率。大氣校正通過ENVI 5.3軟件的FLAASH大氣校正模塊進(jìn)行大氣校正，幾何校正采用研究區(qū)經(jīng)過精校正的參考影像。

研究洱海區(qū)域的溫度、降水量數(shù)據(jù)來源于中國國家氣象數(shù)據(jù)中心網(wǎng)（http：∥data.cma.cn/）;洱海月平均水位數(shù)據(jù)來源于大理州年鑒;洱海水體總氮、總磷含量、化學(xué)需氧量的月均值采用大理州環(huán)境監(jiān)測站的洱海常規(guī)監(jiān)測資料，來源于2013～2019年大理州環(huán)境監(jiān)測站年鑒報表[22]。

2 研究方法

2.1 洱海水域提取

由于水體和陸地通過太陽輻射呈現(xiàn)出不同的光譜特征，在遙感影像上水陸界線比較清晰，因此，國內(nèi)外對于水體遙感信息的提取研究比較多。Mcfeeters依據(jù)水體從可見光至紅外波段反射率逐漸降低的原理，提出了改進(jìn)的歸一化差異化水體指數(shù)（NDWI）[23];徐涵秋通過修正波段組合在NDWI的基礎(chǔ)上提出了改進(jìn)的歸一化差異水體指數(shù)（MNDWI）[24];李生生等通過ENVI內(nèi)置的IDL語言運用綠光和近紅外兩個波段提出了新的IDLWI水體指數(shù)，然后利用IDLWI+Canny算子精確地提取出了青海湖湖區(qū)水體的邊界[25]。駱劍承等針對高原湖泊類型多樣，湖區(qū)間鹽分差異等特征，以遙感地學(xué)分析分層分類理論為依據(jù)，通過“全域-局部”分步迭代模型，高精度地提取出了青藏高原湖泊的水體邊界[26]。段秋亞等針對GF-1號影像數(shù)據(jù)，比較分析了NDWI 閾值法、支持向量機(jī)法（SVM）、面向?qū)ο蠓?種方法在提取精度、提取效率方面的差異[27]。研究針對洱海湖區(qū)的特點，采用NDWI進(jìn)行水體邊界提取，經(jīng)過多次嘗試，當(dāng)NDWI=-0.056時，水體提取的邊界效果最好，公式如下：

2.2 水質(zhì)參數(shù)反演算法

隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，對地物光譜特征和水質(zhì)參數(shù)定量反演的研究逐漸引起重視。在水色遙感中，進(jìn)行水質(zhì)參數(shù)反演的方法由最初的物理分析方法演變?yōu)榻?jīng)驗方法再到半經(jīng)驗方法[28]。遙感監(jiān)測的水質(zhì)參數(shù)主要包括葉綠素a 濃度、懸浮物濃度、透明度、濁度、總氮、總磷等。研究選取葉綠素a濃度、透明度、富營養(yǎng)化指數(shù)進(jìn)行洱海的水質(zhì)監(jiān)測。

2.2.1 葉綠素a濃度監(jiān)測算法

在水質(zhì)監(jiān)測中，葉綠素a濃度（chl-a）是反映水體富營養(yǎng)化程度和水環(huán)境質(zhì)量的一個重要指標(biāo)參數(shù)。水體中藻類物質(zhì)和浮游植物會在藍(lán)光波段呈現(xiàn)吸收谷，而近紅外波段和綠光波段出現(xiàn)反射峰，當(dāng)水中葉綠素a濃度增加時，水體的藍(lán)光波段反射率下降，綠光和近紅外波段反射率上升?；谶@一現(xiàn)象，利用葉綠素a濃度和水體反射率之間的差異，進(jìn)行葉綠素a濃度的反演[29]。本次研究采用的葉綠素a濃度反演模型[5]公式如下：

2.2.2 水體透明度算法

水體透明度是描述水體水質(zhì)的一個重要且直接的參數(shù)，能從視覺上反映湖水的渾濁度及清澈程度，同時還能評價湖泊的營養(yǎng)狀態(tài)[30]。水體透明度常通過由其他水質(zhì)參數(shù)濃度建立與透明度之間的關(guān)系進(jìn)行間接反演。本次研究通過懸浮物濃度間接地反演洱海的水體透明度，其懸浮物濃度及透明度反演模型[5]為

2.2.3 綜合富營養(yǎng)化指數(shù)算法

水體營養(yǎng)化指數(shù)屬于間接的水質(zhì)參數(shù)，綜合營養(yǎng)化指數(shù)能夠反映湖泊的營養(yǎng)化程度[31]。湖泊以0～100分進(jìn)行水體的營養(yǎng)程度劃分：<30為貧營養(yǎng);30～50視為中度營養(yǎng)，50～60為輕度富營養(yǎng)，60～70視為中度富營養(yǎng)化，>70為重度富營養(yǎng)化。本次研究采用的富營養(yǎng)化估算模型[5]為

3 結(jié)果與討論

采用前述方法，分別對洱海2014～2019年1月和11月份葉綠素a濃度、水體透明度以及富營養(yǎng)化指數(shù)進(jìn)行估算，得到了洱海葉綠素a濃度、透明度和富營養(yǎng)化指數(shù)反演結(jié)果（見圖2～4）。

3.1 葉綠素a濃度反演結(jié)果

根據(jù)公式（2），利用2014～2019年12景遙感影像，選用各景影像紅光、近紅外波段進(jìn)行反演，得到洱海干季的葉綠素a濃度空間分布圖（見圖2）。

從圖2可知，總體而言2014～2019年1月份洱海葉綠素a含量呈下降趨勢。2014～2015年葉綠素a濃度在南部較高，北部較低，這2 a的葉綠素a濃度最高值分別為256.71，170.02 mg/m3，最低值分別為30.91，30.03 mg/m3;2016～2019年葉綠素a濃度北部高、南部低。2014～2019年11月份洱海葉綠素a濃度總體而言呈下降趨勢，且空間上均呈南部>中部>北部趨勢（見圖2（b））。這說明，隨著近年來的治理，洱海的葉綠素a濃度呈下降趨勢。

3.2 透明度反演結(jié)果

根據(jù)公式（3），利用2014～2019年12景遙感影像，選用各景影像綠光、紅光波段進(jìn)行間接反演，得到洱海干季透明度的空間分布圖（見圖3）。

從圖3可知，近6 a洱海1月和11月份的水體透明度北部區(qū)域最高，中部次之，東南部最低。從時間序列角度上看，1月份的透明度無明顯規(guī)律，2014～2019年呈波動遞增趨勢，2016年和2018年呈下降趨勢，全湖透明度較差。11月份透明度的分布具有一定的規(guī)律性，2014～2019年呈逐年增加趨勢。這說明隨著近年來的治理，洱海干季的透明度逐漸增加。

3.3 富營養(yǎng)化指數(shù)反演結(jié)果

根據(jù)公式（5），利用2014～2019年12景遙感影像，結(jié)合葉綠素a濃度和懸浮物濃度的反演結(jié)果間接得到洱海干季富營養(yǎng)化指數(shù)的空間分布圖（見圖4）。

從圖4可以看出，2014～2019年由北到南洱海富營養(yǎng)化指數(shù)呈逐漸遞增的趨勢。從時間序列來看，2014～2016年中1月份的富營養(yǎng)化指數(shù)較高，其中2016年最為嚴(yán)重，大部分水域面積富營養(yǎng)化指數(shù)在62以上，從水質(zhì)分級來看這3 a洱海處于中度富營養(yǎng)化水平;2017～2019年大致都處于輕度富營養(yǎng)狀態(tài)。近6 a洱海11月份富營養(yǎng)化指數(shù)平均值由2014年的62逐年降低至2019年的55，2019年洱海降為輕度富營養(yǎng)化等級。

3.4 洱海水質(zhì)主要指標(biāo)均值的變化趨勢

根據(jù)反演結(jié)果得到1月和11月份葉綠素a濃度、透明度、富營養(yǎng)化指數(shù)均值的變化趨勢（見圖5）。

由圖5可知：近6 a洱海1月份葉綠素a濃度均值最高值為2014年的39.25，最低為2018年的31.34;11月份洱海葉綠素a濃度均值最高為2014年的42.86，最低為2019年的32.25。洱海1月份水體透明度均值的最高值為2019年的512.9，最低為2016年的40.9，透明度上升了92%;11月份透明度均值呈逐漸增加趨勢，由2014年的107.09上升為2019年的302.11，增加了65%。洱海1月份富營養(yǎng)化指數(shù)呈下降趨勢，均值最高值為2016年的64.16，最低為2019年的55.94;11月份富營養(yǎng)化指數(shù)均值最高值為2014年的62.65，最低為2019年的57.28?？傮w而言，近6 a洱海1月份和11月份葉綠素a濃度均值、富營養(yǎng)化指數(shù)均值均呈下降趨勢，水體透明度均值呈增加趨勢，洱海干季水質(zhì)向好轉(zhuǎn)變。

3.5 氮、磷與各指標(biāo)關(guān)系

利用上述數(shù)據(jù)，將2014～2019年的1月、11月的葉綠素a濃度、透明度、富營養(yǎng)化指數(shù)的月均值，與每年對應(yīng)月份總氮、總磷含量進(jìn)行回歸分析，得到3個水質(zhì)指標(biāo)與總氮、總磷之間的相關(guān)關(guān)系（見圖6）。

由圖6可知，洱海水體1月、11月份葉綠素a濃度均值、水體富營養(yǎng)化指數(shù)均值這2個水質(zhì)指標(biāo)與水體總氮、總磷含量之間呈顯著的正相關(guān)關(guān)系（P<0.05），水體透明度指數(shù)均值與總氮、總磷含量呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（P<0.05）。根據(jù)前期研究，上述3個水質(zhì)指標(biāo)與當(dāng)月降水量、當(dāng)月均溫、洱海水位情況均無顯著的相關(guān)關(guān)系。這說明洱海水質(zhì)的這3個主要指標(biāo)受水體總氮、總磷含量影響較大，而與自然環(huán)境因素相關(guān)性不大。

3.6 討 論

研究結(jié)果顯示2014～2019年洱海干季水質(zhì)總體呈好轉(zhuǎn)趨勢，1，11月葉綠素a濃度總體下降（見圖2）、透明度增加（見圖3）、富營養(yǎng)化指數(shù)下降（見圖4）。大量研究表明葉綠素a濃度和水體透明度呈負(fù)相關(guān)，例如：關(guān)于洱海、洞庭湖水質(zhì)遙感監(jiān)測的研究顯示水體透明度增加時，葉綠素a濃度下降[11，32];浮游植物生物量及有機(jī)質(zhì)含量的增加是洱海透明度下降的重要驅(qū)動因素[33]。水體富營養(yǎng)化指數(shù)與葉綠素a濃度呈正相關(guān)，與水體透明度呈負(fù)相關(guān)。對洪澤湖[34]的研究表明，水體富營養(yǎng)化指數(shù)增加時，葉綠素a濃度增加，同時透明度下降。這些研究結(jié)果與本研究結(jié)果類似。

研究發(fā)現(xiàn)洱海水體葉綠素a濃度與水體總氮、總磷含量呈正相關(guān)關(guān)系（見圖6（a）和（b））。根據(jù)文獻(xiàn)，高濃度的總氮、總磷加速了洱海水污染的范圍，導(dǎo)致洱海水生態(tài)系統(tǒng)惡化[13]。有研究表明：水體總磷、總氮共同引發(fā)白洋淀水體富營養(yǎng)化[35];對于淀山湖[36]、升鐘湖[37]的研究也發(fā)現(xiàn)水體葉綠素a濃度與水體總氮、總磷呈正相關(guān)關(guān)系。這些研究結(jié)果與本文的研究結(jié)果類似。水體氮、磷含量在很大程度上影響水體浮游植物的種類、數(shù)量，并且顯著地刺激浮游植物的生長[38]。根據(jù)文獻(xiàn)，洱海綠藻與總氮之間成正相關(guān)關(guān)系，總氮濃度升高可能會導(dǎo)致水華[39]。有研究顯示淀山湖水體冠盤藻、綠藻的含量隨著水體總氮、總磷含量增加呈快速增加趨勢，從而引發(fā)了水體的水華現(xiàn)象[36]。本次研究中洱海干季水體葉綠素a濃度降低，這或許由于近年來洱海治理后水體氮磷含量降低使浮游植物含量下降導(dǎo)致。研究顯示洱海干季水體透明度與總氮、總磷呈顯著負(fù)相關(guān)（見圖6（c）和（d））。而有研究發(fā)現(xiàn)撫仙湖水體透明度與總氮含量呈顯著負(fù)相關(guān)[40]，內(nèi)江的透明度與總磷含量呈正相關(guān)[41]，這與本文的研究結(jié)果類似，這或許是由于氮磷含量下降導(dǎo)致水體浮游植物數(shù)量下降所致[42]。水體富營養(yǎng)受水體氮磷含量、水溫等多種因素影響[43]，研究顯示洱海水體富營養(yǎng)化指數(shù)與水體總氮、總磷含量呈顯著正相關(guān)（見圖6（e）和（f）），這與上述研究結(jié)果類似。

水體水質(zhì)變化監(jiān)測是水環(huán)境保護(hù)、水體生態(tài)系統(tǒng)健康評價、水災(zāi)工農(nóng)業(yè)應(yīng)用方面評價的前提。本研究通過GF-1號遙感數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)洱海干季水質(zhì)呈好轉(zhuǎn)趨勢，這說明近年來洱海水體保護(hù)措施有效。水體氮、磷含量與周邊人類活動密切相關(guān)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、工業(yè)及生活污水等均導(dǎo)致水體氮、磷輸入量增加[44]。相關(guān)研究也發(fā)現(xiàn)洱海富營養(yǎng)化程度主要受磷負(fù)荷的影響較大，尤其是洱海北三江流域和西部壩區(qū)，農(nóng)業(yè)面源污染導(dǎo)致湖區(qū)氮、磷含量的增加[45]，洱海湖區(qū)總氮、總磷的入湖量主要來源于種植業(yè)和禽畜養(yǎng)殖業(yè)[46]。有研究顯示總磷、總氮和有機(jī)質(zhì)含量是引起洱海富營養(yǎng)化的重要因子[14，45]。本文的研究顯示洱海干季水質(zhì)向好，且與水體氮磷含量顯著相關(guān)，這說明通過整治洱海環(huán)湖工商業(yè)活動、農(nóng)業(yè)種植和污水處理事項能降低洱海氮磷含量，洱海的保護(hù)行動切實有效。本研究的結(jié)果可為洱海的保護(hù)，今后保護(hù)對策的制定提供參考。

4 結(jié) 論

本文選取典型高原湖泊洱海為研究區(qū)，采用GF-1號多光譜影像，利用水質(zhì)參數(shù)反演模型對洱海干季水質(zhì)時空變化進(jìn)行遙感監(jiān)測。研究發(fā)現(xiàn)：2014～2019年1月、11月份洱海葉綠素a濃度、水體富營養(yǎng)化指數(shù)總體呈下降趨勢，水體透明度呈上升趨勢，洱海干季水質(zhì)整體向好。洱海水體葉綠素a濃度，富營養(yǎng)化指數(shù)、透明度和氣溫、降水量、水位無顯著關(guān)系，這3者主要受水體總氮、總磷影響。這或許是由于近6 a對洱海的治理使水體的總氮、總磷下降，水體浮游植物水平下降、入湖懸浮物量降低所致。本研究可為高原湖泊水環(huán)境長時間序列的遙感水質(zhì)監(jiān)測及洱海的后續(xù)治理提供參考，后期可采用更多的遙感數(shù)據(jù)及實測的水質(zhì)數(shù)據(jù)開展結(jié)果的驗證分析，對洱海水質(zhì)變化的具體機(jī)制進(jìn)行進(jìn)一步研究。

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（編輯：謝玲嫻）