水库悬浮物遥感模型及其时空动态Markov评价

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准确评估悬浮物浓度的变化及其自然环境与人类经济活动的影响是水环境管理和污染防治的重要内容之一。鹤地水库属于典型的跨省界流域(广东-广西),承载着支撑环北部湾区域经济可持续发展的重要使命,研究该水库的悬浮物浓度对该流域实施生态环境保护和饮用水安全具有重要的科学意义。针对已有悬浮物遥感模型在内陆水域适用性差的问题,本研究利用鹤地水库现场地面实测同步光谱、水质数据(N=49)以及多源卫星遥感数据(Landsat 8OLI和Sentinel-2,共29景)建立了高精度的悬浮物三波段遥感反演模型,并将该模型应用于鹤地水库(广东省的重要饮用水源地)悬浮物动态评估。通过鹤地水库2014年至2018年悬浮物的时空分布制图,探究了其时空分布特征以及季节、年际变化规律,尝试分析了影响悬浮物变化的驱动力因素以及作用机理。另外,结合Markov模型,通过计算悬浮物变化过程中的进步度,对研究区悬浮物浓度的连续动态变化过程进行定量评估,进一步定量了进步度与悬浮物浓度等级关系,直观反映了河长制背景下的水体悬浮物浓度变化规律。本研究的主要内容和成果如下:(1)鹤地水库水体光学特性显著,其水体光谱曲线呈现“四峰”变化特征。经波段敏感性分析可知,557nm、655nm以及697nm所构成的三波段遥感估算模型与悬浮物显著相关(r=0.87)。通过光谱响应和回归分析,构建基于Landsat OLI卫星影像的悬浮物三波段遥感估算模型,该模型能够较好地解释81%的悬浮物浓度变化(R~2=0.81,N=34,P value<0.001),且验证精度较好(RMSE=6.24mg/L,MRE=18.02%,N=15)。(2)基于Landsat OLI卫星影像的悬浮物遥感反演结果表明,2014-2018年鹤地水库上游水域(石角镇水域)是影响水库饮用水安全的悬浮物高风险区,其悬浮物浓度超过40mg/L的水体向南最远影响至2.1km处(距离石角镇政府)。整个库区悬浮物浓度呈现出“上游高下游低”的空间分布特征,其上游石角镇水域悬浮物浓度(平均浓度为31.54mg/L)是下游水域(平均浓度为12.55mg/L)的2.5倍,库区平均悬浮物浓度为16.06mg/L。另外,受库区流域内果园种植的影响,渠首右侧的新安镇水域2017年平均悬浮物浓度为31.84mg/L,存在水质安全风险。(3)降雨量是影响悬浮物浓度短期动态和季节变化的重要驱动因素。2014-2018年,鹤地水库上游石角镇水域水体悬浮物浓度在枯季时受降雨影响比洪季大,枯季悬浮物平均浓度为33.66mg/L,而洪季悬浮物平均浓度为22.45mg/L。其主要原因在于石角镇水域位于上游入库区域,是上游九洲江河道流量和周围地表径流而形成的悬浮物沉积区。枯季时,水位相对较低,降雨除引起地表径流外,还易使水底泥沙再悬浮,最终导致悬浮物浓度升高;而在洪季,水位相对较高,悬浮物受到降雨的扰动作用相对较小,此时悬浮物浓度较低。(4)Markov动态分析表明,自2016年以后,上游石角镇水域水质有所改善且悬浮物浓度有所降低,年平均浓度从2014年的32.66mg/L下降至2018年的13.84mg/L,悬浮物浓度年均减小3.76mg/L。特别是在2018年,上游石角镇悬浮物等级改善了3个等级(从Ⅳ变为Ⅰ,2018年该水域悬浮物平均浓度13.29 mg/L),改善效果突出,进步度最大(达10.232),其次为2014年(2.493)、2017年(2.042)、2016年(0.819)和2015年(0.194)。
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