九龍江口1999—2013年懸浮物含量和沖淤環(huán)境變化規(guī)律分析*

類延輝　吳佳怡　王廣濤　顏曉芳

(1.山東科技大學(xué)測繪科學(xué)與工程學(xué)院　青島　266590)(2.泰華智慧產(chǎn)業(yè)集團股份有限公司　濟南　250101)(3.福建省地質(zhì)測繪院　福州　350011)

?

九龍江口1999—2013年懸浮物含量和沖淤環(huán)境變化規(guī)律分析*

類延輝1吳佳怡1王廣濤2顏曉芳3

(1.山東科技大學(xué)測繪科學(xué)與工程學(xué)院青島266590)(2.泰華智慧產(chǎn)業(yè)集團股份有限公司濟南250101)(3.福建省地質(zhì)測繪院福州350011)

摘要近年來九龍江區(qū)域經(jīng)濟迅速發(fā)展,人口迅速增長,流域水質(zhì)變化明顯。利用Landsat衛(wèi)星遙感影像為數(shù)據(jù)源,選用1999年9月,2006年9月及2013年8月的高潮時影像,根據(jù)其波段反射率與懸浮物濃度的相關(guān)性質(zhì),利用(B2+B3)/(B2/B3)提取九龍江口懸浮物濃度分布變化信息。分析結(jié)果表明:1999年至2013年懸浮物濃度總體上升,但2006年至2013年懸浮物中高濃度占比有所下降;在此期間,灘涂面積則處于持續(xù)下降狀態(tài)。

關(guān)鍵詞九龍江口; 懸浮物; 灘涂; 遙感監(jiān)測

Class NumberTP391

1引言

九龍江區(qū)域經(jīng)濟迅速發(fā)展,但同時對水質(zhì)帶來了影響,水質(zhì)狀況直接關(guān)系到人類與社會的生存和發(fā)展。水質(zhì)遙感監(jiān)測技術(shù)則具有快速、廣域、低成本和周期性的特點,可及時提供整個流域的水質(zhì)狀況以及污染物質(zhì)的時空遷移特征,具有不可替代的優(yōu)越性[1]。懸浮物(Suspended Sediment,SS)是最先被遙感估測的水質(zhì)參數(shù),其濃度、顆粒大小和組成是影響光譜反射的主要因素[2]。懸浮物濃度是表征水生態(tài)環(huán)境的一個重要參數(shù),直接影響到水體的光場分布,對于水體表現(xiàn)光譜特性也有較大影響[3]。水中懸浮物質(zhì)也影響水生生態(tài)條件和河口海岸帶沖淤變化過程,對近岸工程、港口航道建設(shè)等都具有重要的意義,是了解和管理海岸信息的重要依據(jù)[4]。

圖1　不同懸浮物濃度水體光譜特征曲線[9]

在水質(zhì)環(huán)境參數(shù)研究和應(yīng)用中比較成熟的是水體中懸浮物質(zhì)和葉綠素的提取[5]。早期的研究已證明了定量遙感反演其含量的可行性[6]。國內(nèi)外學(xué)者對懸浮物的遙感開展了大量的研究工作。在國內(nèi),王學(xué)軍等利用遙感信息和實測水質(zhì)參數(shù)評價了太湖水質(zhì)[7];光潔等利用不同季節(jié)的Landsat TM影像建立了太湖分季節(jié)的懸浮物遙感估算模型[8];梁思等利用水體光譜數(shù)據(jù)和同步觀測的水質(zhì)參數(shù)濃度數(shù)據(jù),研究了東湖葉綠素a和懸浮物定量遙感反演特征波段與波段組合,在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了經(jīng)驗?zāi)Ｐ蚚9]。早在20世紀70年代初,Klemas等就提出了用MSS數(shù)據(jù)估算Delawane Bay海灣懸浮泥沙含量的線性統(tǒng)計模型[10];Nellis等利用1993年4個不同時相的Landsat TM影像數(shù)據(jù)對美國堪薩斯州的Tutte Creek水庫在水災(zāi)前后懸浮物、濁度以及透明度的變化方面作了相關(guān)研究[11];Dekker等提出基于實測的水體內(nèi)在光學(xué)性質(zhì)的物理光學(xué)模型提取懸浮物濃度,該算法經(jīng)過大氣校正及水氣界面校正,分析了新西蘭Frisian湖南部的懸浮物水平,且可用于多時序的TM和SPOT數(shù)據(jù)中[12]。

本文選取了三個不同年份的九龍江口TM影像,通過同一時期高低潮影像,提取灘涂信息,比較不同年份的九龍江口懸浮物含量及灘涂消長變化,結(jié)合沿岸的建設(shè)發(fā)展情況,探討經(jīng)濟建設(shè)發(fā)展對該區(qū)域懸浮物含量與沖淤環(huán)境變化的影響。

2研究區(qū)域及數(shù)據(jù)預(yù)處理

2.1研究區(qū)域

九龍江位于東經(jīng)116°46′55″～118°02′17″,北緯24°23′53″～25°53′38″,是福建省的第二大河,流域面積1.47×104km2,年平均徑流量達82.2×104m3(浦南斷面)九龍江流域由北溪與西溪兩大支流構(gòu)成,北溪和西溪匯合于漳州,經(jīng)廈門港入海。九龍江口的研究區(qū)域界定如下[13]:水域部分的西界至九龍江北溪的江東橋閘、西溪的西溪橋閘和南溪的南溪橋閘,北界為海滄大橋,東界為廈門島南端的白石炮臺經(jīng)青嶼至龍海市港尾鎮(zhèn)島美村一線,包括河口海域和廈門灣南部海域以及廈門西港海域的南半部分。

圖2　九龍江口示意圖[9]

本文研究內(nèi)容涉及懸浮物含量以及灘涂提取,用到TM/ETM+/OLI影像1～5波段。本文選取了三個不同年份的九龍江口TM影像。所選取的六幅Landsat影像數(shù)據(jù)相關(guān)信息如表1所示。

表1　所用數(shù)據(jù)時間及潮位

首先將九龍江口6個時相l(xiāng)andsat遙感影像進行幾何精校正。配準采用影像到影像的方式,將6幅landsat原始圖像配準到經(jīng)過地理精校正的2001年TM圖像上。然后,采用最暗像元法(Dark Object Subtraction,DOS)對涉及的6幅影像的各個波段進行大氣輻射校正。最后選取的影像如圖3所示。

圖3　2013年研究區(qū)影像

3懸浮物含量及灘涂提取與分析

3.1水體信息提取

水體信息的準確提取對研究至關(guān)重要。以1999年水體提取為例,圖4為1999年研究區(qū)裁剪結(jié)果,圖5為1999年水體提取結(jié)果示意圖。經(jīng)過比對可知,此次水體提取結(jié)果是比較準確的。

圖4　1999年研究區(qū)裁剪結(jié)果

圖5　1999年水體提取結(jié)果

3.2九龍江江口懸浮物變化的分析

由三個不同時像的懸浮物含量濃度分布圖(圖11～13)直觀得看出,歷年懸浮物含量高濃度集中出現(xiàn)在九龍江支流以及河口地區(qū),這與九龍江流域上游的經(jīng)濟開發(fā)活動頻繁有關(guān),加上支流河道狹窄,水體流動緩慢,不利于水體的流動自潔。河流入海口出因此夾雜大量泥沙,在河口處形成淤積。懸浮物含量低濃度主要出現(xiàn)在遠離廈門島及九龍江河口地區(qū),這符合懸浮物遠離近陸及河口地區(qū)濃度較低的一般規(guī)律。除以上區(qū)域,懸浮物濃度含量均以中高濃度及中低濃度為主,各時段分布有所差異。

3.3灘涂提取

習(xí)主席強調(diào)，今后一個時期軍民融合發(fā)展，總的是要加快形成全要素、多領(lǐng)域、高效益的軍民融合深度發(fā)展格局，豐富融合形式，拓展融合范圍，提升融合層次。與單純意義上的“軍轉(zhuǎn)民”或者“民為軍用”所不同，“軍民融合”更強調(diào)科研、技術(shù)與制造的融合、高端產(chǎn)業(yè)的融合和體制、機制、人才的融合?？梢哉f，科學(xué)技術(shù)融合是軍民融合的基礎(chǔ)和重要環(huán)節(jié)。

采取相近年份的高低潮水體影像相減的方法進行灘涂提取,提取結(jié)果圖6～8所示。圖6可視為2000年灘涂提取結(jié)果,圖7可視為2005年灘涂提取結(jié)果,圖8可視為2013年灘涂提取結(jié)果。

圖6　2000年灘涂提取結(jié)果

圖7　2005年灘涂提取結(jié)果

圖8　2013年灘涂提取結(jié)果

為了體現(xiàn)灘涂的變化,將鄰近年份的灘涂提取結(jié)果做差值比較,比較結(jié)果如圖9～10所示。

圖9　1999年至2006年灘涂變化結(jié)果示意圖

總體上1999年～2006年灘涂總面積沒有明顯變化,2006年～2013年灘涂面積大量減少,主要變化發(fā)生在九龍江入海口處及大兔嶼及海滄大道之間。

圖10　2006年至2013年灘涂變化結(jié)果示意圖

3.4懸浮物濃度提取

為了全面反映懸浮物光譜特性,選用(B2+B3)/(B2/B3)作為估測懸浮物濃度的變量。其中,B2+B3可有效反映出高、低濃度懸浮物的光譜特征;B2/B3是為了去除葉綠素對低濃度懸浮物遙感信息的干擾。在懸浮物濃度較低、葉綠素濃度較高的情況下,因B2處于葉綠素的反射峰,故B2+B3將增大,又因B3處于葉綠素的吸收峰,故B2/B3也將增大,因此,(B2+B3)/(B2/B3)相應(yīng)減小,從而起到消除葉綠素對懸浮物遙感信息干擾的作用[14],用每一個時相的(B2+B3/(B2/B3)運算后影像的像元灰度值(DN)來直接代替懸浮物的濃度水平。

為了劃分不同懸浮泥沙濃度的水體,采用以下的指標作為標準(M代表平均值,D代表標準方差):SI>M+D,高濃度懸浮泥沙;M

為了揭示懸浮物濃度時空變化,首先,利用偽彩色對影像進行顯示。通過顏色差異直觀反映了不同懸浮物濃度的空間分布。將水中懸浮物濃度按低濃度到高濃度分為四級,以不同灰度顯示(圖11～13)。并對每個濃度級別的面積比率進行了統(tǒng)計(表2、圖14)。

圖11　1999年懸浮物濃度分布圖

圖12　2006年懸浮物濃度分布圖

圖13　2013年懸浮物濃度分布圖

分級1999年2006年2013年面積(km2)比率(%)面積(km2)比率(%)面積(km2)比率(%)低濃度5.982.0530.8110.935.312.09中低濃度186.2063.9915.085.3556.3622.15中高濃度53.4518.37194.0268.82157.8762.05高濃度45.3615.5942.0114.9034.8813.71總計290.99100281.92100254.42100

圖14　不同年份懸浮物濃度占比示意圖

由以上資料可以直觀地看到,近幾十年研究區(qū)的水體面積持續(xù)減少,懸浮物濃度變化最明顯的為濃度由1999年以中低濃度為主轉(zhuǎn)變?yōu)?006年及2013年中高濃度為主。

3.4.11999年～2006年間環(huán)境變化

由表2可以看出,1999年懸浮物含量中低濃度區(qū)域面積為186.20km2,占水體總面積比達到63.99%。2006年懸浮物中低濃度面積占水體面積比僅為15.08%,占比大大下降,反之,中高濃度區(qū)域的面積占比由1999年18.37%上升至68.82%。此間,研究區(qū)域懸浮物含量變化最主要體現(xiàn)在以中低濃度為主轉(zhuǎn)換為以中高濃度為主(圖14)。由圖6～圖8可以看出,2000年及2005年灘涂主要分布在九龍江入?？谔幖昂鎱^(qū)及大兔嶼之間,總體變化上2005年這兩處的灘涂面積均有所下降。

1999年以前,人類經(jīng)濟活動不活躍,對流域水質(zhì)影響相對較小,九龍江口區(qū)域水體懸浮物濃度以中低濃度為主。21世紀以后,經(jīng)濟建設(shè)大量開展。其中九龍江北溪飲水工程漳州境內(nèi)及廈門段分別于2001年及2002年進行了工程改造,工程進行帶入了大量泥沙進行河段,導(dǎo)致懸浮物濃度上升;截止2006年,九龍江流域共建設(shè)水電工程計1000多座,攔江蓄水發(fā)電,上游河邊最好的田地被淹,下游缺水土地?zé)o法充分利用,被淹沒的森林死掉,水土流失嚴重;九龍江沿岸的養(yǎng)殖業(yè),特別是生豬養(yǎng)殖業(yè)的大規(guī)模擴張,養(yǎng)殖帶來的污染不容小覷;流域上游的林業(yè)資源也遭受破壞,導(dǎo)致流域水土涵養(yǎng)功能下降,大量泥沙流入河中,在河口處形成淤積,進一步導(dǎo)致河口處懸浮物濃度較高。2000年左右九龍江口開墾了部分灘涂進行水產(chǎn)養(yǎng)殖,導(dǎo)致該處灘涂面積減少,并且懸浮物濃度由高濃度下降為中高濃度。這是由于灘涂清淤造成的,但是,同時水產(chǎn)養(yǎng)殖對水體還是有較大影響,所以該區(qū)域水體懸浮物濃度以中高濃度為主。廈門西港區(qū)段,1997年至2001年海滄大橋下面的填海以及海滄大道的修建,使得大兔嶼與海滄大道之間的海域淤泥沉積嚴重。加上受到九龍江泥沙運轉(zhuǎn)影響,廈門西港區(qū)段懸浮物濃度以中高濃度為主。

3.4.22006年～2013年間環(huán)境變化

由表2及圖14可以看出,2006年與2013年相比,雖然二者懸浮物濃度均以中低濃度和中高濃度為主,但相較于2006年,2013年中低濃度占比有所上升,中高濃度占比有所下降,這是由于政府有關(guān)部門逐漸重視生態(tài)環(huán)境以及發(fā)展得可持續(xù)性,出臺了大量有關(guān)環(huán)境保護政策。

九龍江沿岸生豬養(yǎng)殖規(guī)模不斷擴大,很大程度上影響了流域水質(zhì),2007年政府出臺了政策:關(guān)閉九龍江干流沿岸一公里范圍內(nèi)的生豬養(yǎng)殖場,2009年整治完成,九龍江口懸浮物濃度有所下降。2008年漳州政府推廣生態(tài)農(nóng)業(yè)模式,流域主要污染物排放總量得到有效控制。2009年漳州市全力推進九龍江流域城鎮(zhèn)污水處理廠及配套管網(wǎng)建設(shè)。2012年,龍海市強化流域生態(tài)保護與建設(shè)。在政府大力整治九龍江沿岸的環(huán)境亂象后,九龍江口懸浮物濃度變化反應(yīng)良好,開始有由中高濃度轉(zhuǎn)為中低濃度的趨勢。河口淤積也進一步減少。

2003年九龍江口實施灘涂、淺海清淤,增加納潮量,提高水體交換能力,改善海域水質(zhì)和生態(tài)環(huán)境;2007年省環(huán)保局、廈門以及漳州、龍巖等地投入2000多萬元整治九龍江,進行了河段清淤;2009年九龍江口海滄區(qū)進行了疏浚,清理了由于填海造陸流動的淤泥,廈門海滄及大兔嶼之間的灘涂面積大幅降低;結(jié)合懸浮物濃度分布圖(圖14),可以看出,進行了清淤活動的水域懸浮物濃度均有相應(yīng)下降。由此可以得出結(jié)論,人類對環(huán)境的干涉是有效的,能夠積極地保護生態(tài)環(huán)境。

4結(jié)語

通過分析1999年～2013年之間的遙感監(jiān)測數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)九龍江口懸浮物含量和沖淤環(huán)境變化規(guī)律如下: 1) 1999年九龍江口的懸浮物濃度以中低濃度為主,占全部研究水域的63.90%,2006年及2013年九龍江口的懸浮物濃度均以中高濃度為主,占全部研究水域的百分比分別為68.82%和62.05%。 2) 2006年及2013年的數(shù)據(jù)雖然均顯示以中高濃度為主,但2013年中低濃度占比有所上升,中高濃度占比有所下降,灘涂面積處于持續(xù)下降狀態(tài)。2009年九龍江口海滄區(qū)進行了疏浚,清理了由于填海造陸流動的淤泥,廈門海滄[15]及大兔嶼之間的灘涂面積大幅降低;結(jié)合懸浮物濃度分布圖(圖11～13),可以看出,進行了清淤活動的水域懸浮物濃度均有相應(yīng)下降。這說明政府有關(guān)部門在近幾年來開展的流域可持續(xù)發(fā)展政策和清淤活動已見成效。

通過分析懸浮物含量和沖淤環(huán)境變化與人類活動的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)近十幾年來在九龍江區(qū)域進行的經(jīng)濟開發(fā)活動以及近幾年開展的環(huán)境保護政策對九龍江口的懸浮物含量及沖淤環(huán)境變化影響顯著。因此,進行經(jīng)濟開發(fā)活動時,應(yīng)當(dāng)從社會發(fā)展、環(huán)境變化之間尋找平衡,促進整個流域的可持續(xù)性發(fā)展。

參 考 文 獻

[1] Hellweger F L, Schlosser P, Lall U, et al. Use of satellite imagery for water quality studies in New York Harbor Estuarine[J]. Coastal and Shelf Science,2004,61(3):437-448.

[2] Kritikos H, Yorinks L, Smith H. Suspended solids analysis using ERTS-A data[J]. Remote Sensing of Environment,1974,3(1):69-80.

[3] 宋慶軍,馬榮華,唐軍武,等.秋季太湖懸浮物高光譜估算模型[J].湖泊科學(xué),2008,20(2):196-202.

SONG Qingjun, MA RongHua, TANG Junwu, et al. Models of estimated total suspend matter concentration base on hyer-spectrum in Lake TaiHu, in autumn[J]. Journal of Lake Sciences,2008,20(2):196-202.

[4] 汪小欽,王欽敏,鄔群勇,等.遙感在懸浮物質(zhì)濃度提取中的應(yīng)用—以福建閩江口為例[J].遙感學(xué)報,2003,7(1):54-57.WANG Xiaoqin, WANG Qinmin, WU Qunyong, et al. Estimating Suspended Sediment Concentration in Coastal Waters of Minjiang River Using Remote Sensing Images[J]. Journal of Remote Sensing,2003,7(1):54-57.

[5] 管義國,王心源,吉文帥.巢湖水體懸浮物的遙感分析[J].遙感信息,2007(5):39-43.GUAN Yiguo, WANG Xinyuan, JI Wenshuai. Studies on Suspended Sediments in the Chaohu Lake by Remote Sensing[J]. Remote Sensing Information,2007(5):39-43.

[6] Carpenter D J, Carpenter S M. Modeling inland water quality using LANDSAT data[J]. Remote Sensing of Environment,1983,13(3):345-352.

[7] 王學(xué)軍,馬廷.應(yīng)用遙感技術(shù)監(jiān)測和評價太湖水質(zhì)狀況[J].環(huán)境科學(xué),2000,21(6):65-68.

WANG Xuejun, MA Ting. The Application of Remote Sensing Technology in Monitoring the Water Quality of Taihu Lake[J]. Chinese Journal of Enviromental Science,2000,21(6):65-68.

[8] 光潔,韋玉春,黃家柱,等.分季節(jié)的太湖懸浮物遙感估測模型研究[J].湖泊科學(xué),2007,19(3):241-249.

GUANG Jie, WEI Yuchun, HUANG Jiazhu, et al. Seasonal suspended sediment estimating models in Lake Taihu using remote sensing data[J]. Journal of Lake Sciences,2007,19(3):241-249.

[9] 梁思,安巧絨,王佳.武漢東湖葉綠素a和懸浮物濃度的高光譜遙感反演模型研究[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報,2012,(28):29-30.

LIANG Si, AN Qiaorong, WANG Jia. Chlorophyll a and suspended solids concentration of hyperspectral remote sensing inversion in Lake Donghu[J]. Science and Technology Innovation Herald,2012,(28):29-30.

[10] Klemas V, Bartlett D, Philpot W, et al. Costal and estuarine studies with ERTS-1 and Skylab[J]. Remote Sensing of Environment,1974,3(3):153-174.

[11] Nellis M D, John A, Harrington Jr, et al. Remote sensing of temporal and spatial variations in pool size, suspended sediment, turbidity, and Secchi depth inTuttle Creek Reservoir, Kansas: 1993[J]. Geomorphology,1998,21(3):281-293.

[12] Dekker A G, Vos R J, Peters S W M. Comparison of remote sensing data, model results and in situ data for total suspended matter(TSM) in the southernFrisian lakes[J]. The Science of the Total Environment,2001,268(1):197-214.

[13] 邊梅,鄭森林,劉文華,等.應(yīng)用實時熒光定量PCR技術(shù)研究九龍江口水域米氏凱倫藻的分布[J].臺灣海峽,2012,31(1):65-71.

BIAN Mei, ZHENG Senlin, LIU Wenhua, et al. Application of real-time PCR for detection of Karenia mikimotoi in Jiulongjiang Estuary waters[J]. Journal of Oceanography in Taiwan Strait,2012,31(1):65-71.

[14] 李四海,唐軍武,惲才興.河口懸浮泥沙濃度SeaWiFS遙感定量模式研究[J].海洋學(xué)報,2002,24(2):51-58.

LI Sihai, TANG Junwu, YUN Caixing. A study on the quantitative remote sensing model for the sediment concentration in estuary[J]. Acta Oceanologica Sinica,2002,24(2):51-58.

[15] 吳佳怡,韓李濤,趙軍.廈門市海域環(huán)境指標變化與動因分析研究[J].資源開發(fā)與市場,2015,31(4):434-437.

WU Jiayi, HAN Litao, ZHAO Jun. Sea Area Changes in Multi Environment Factors and Its Driving Forces Analysis in Xiamen[J]. Resource Development and Market,2015,31(4):434-437.

收稿日期:2016年1月7日,修回日期:2016年2月14日

基金項目:國家自然科學(xué)基金項目(編號:41201381);山東省“泰山學(xué)者”建設(shè)工程專項經(jīng)費資助。

作者簡介:類延輝,女,碩士研究生,研究方向:地理信息系統(tǒng)應(yīng)用與研發(fā)。吳佳怡,女,碩士研究生,研究方向:地理信息系統(tǒng)。

中圖分類號TP391

DOI:10.3969/j.issn.1672-9722.2016.07.002

Analysis of Suspended Sedment and Silting of Tidal-flat Change in Jiulong River Estuary From Year 1999 to 2013

LEI Yanhui1WU Jiayi1WANG Guangtao2YAN Xiaofang3

(1. Geomatics College, Shandong University of Science and Technology, Qingdao266590)(2. Telchina Group Go., Ltd, Jinan250101)(3. Fujian Geologic Surveying and Mapping Institute, Fuzhou350011)

AbstractWith the rapid development of economics and growing population, river water quality has changed significantly over the years in Jiulong River Estuary. In this paper, Landsat satellite remote sensing image is used as the data source, in which image when the climax September 1999, in September 2006 and August 2013 image when the climax are selected. According to the nature of the spectral reflectance associated with the concentration of suspended sediment, (B2+B3)/(B2/B3) is used to extract Jiulong River Estuary suspended sediment concentration distribution change information. The results showed that from 1999 to 2013 the overall increases in the concentration of suspended solids, but upper and middle concentrations of accounting from 2006 to 2013 declined suspended matter. The beach area is in constant decline.

Key WordsJiulong river estuary, suspended sediment, tidal-flat, remote sensing monitoring