基于后向散射系數(shù)的鄱陽湖懸浮物濃度反演與垂直分布特征

劉瑤 ，江輝

1. 南昌大學資源環(huán)境與化工學院/鄱陽湖環(huán)境與資源利用教育部重點實驗室，江西 南昌 330031；2. 南昌工程學院/鄱陽湖流域水工程安全與資源高效利用國家地方聯(lián)合工程實驗室，江西 南昌 330099

懸浮物由各種礦物碎屑顆粒的無機懸浮物和微體浮游生物及生物殘骸等有機懸浮物組成（張運林等，2014），它是湖泊水質和水環(huán)境評價的重要指標之一，是水體物質傳輸?shù)闹匾d體，影響湖體的形態(tài)變化和湖泊水生態(tài)系統(tǒng)健康發(fā)展。近年來，隨著先進的光學儀器普及，基于固有光學特性的半分析法反演水質參數(shù)得到發(fā)展（Lee et al.，2002；Han et al.，2016）。如歐洲SALMAN 計劃項目對 Eric、Vattern和Malaren湖的固有光學特性進行測量，建立其水質參數(shù)生物光學反演模型（Binding et al.，2008；Belzile et al.，2004）；在俄羅斯 Baikal湖、意大利 Albano湖、Garda湖以及芬蘭和愛沙尼亞的一些湖泊進行了光學特性測量，建立了基于固有光學特性的的水質參數(shù)生物光學模型算法（Giardino et al.，2007）。中國學者Sun et al.（2010）、陸超平等（2012）、楊曦光等（2015）提出了黃東海、太湖、長江口等渾濁水體區(qū)域懸浮顆粒物固有光學量與濃度之間的關系式。學者通過現(xiàn)場觀測對太湖、巢湖、近岸水體建立了懸浮顆粒物生物光學模型（黃昌春等，2012；劉忠華等，2012；韓留生等，2014)。陳曉玲等（2007）、江輝等（2010）對鄱陽湖表層水體懸浮物濃度構建了遙感反演模型，Wu et al.（2011）開展了鄱陽湖光學深水區(qū)水體生物光學特性的初步研究，通過分析鄱陽湖從湖口到都昌湖區(qū)47個站位豐水期觀測的各種水體組分的濃度與固有光學參數(shù)，發(fā)現(xiàn)鄱陽湖是一個懸浮物占主導的多因素交互影響的水體光學特性復雜的湖泊，懸浮顆粒物光學特性的研究是水體生物光學特性研究的核心。目前有關內陸湖泊水體固有光學特性與懸浮物之間關系的研究大多局限于表層水體（張海威等，2017）。

水體后向射散系數(shù)是遙感信號接收的基礎固有光學特性參數(shù)，也是光學模型的重要輸入?yún)?shù)，它只依賴于水體組成成分，與外界環(huán)境光學變化無關，因此其參數(shù)測定不受氣候條件、光照條件等影響，外界干擾因素小，獲取的后向射散系數(shù)信息更貼近實際。湖泊水體的后向散射系數(shù)與懸浮物有較強的相關性，樂成峰等（2009）研究表明，550 nm波段后向散射系數(shù)與太湖懸浮物組分的線性相關決定系數(shù)（r2）為0.9254；孫德勇等（2010）研究表明，后向散射概率與巢湖懸浮物濃度呈線性相關，與總懸浮物的決定系數(shù)為 0.782；陸超平等（2012）對太湖顆粒物進行主導因子分類，分析了3種類型的550 nm波段散射系數(shù)與懸浮物組分的相關性，發(fā)現(xiàn)其與無機懸浮物相關性最大，且呈線性相關；Alcantat et al.（2016）建立了561 nm波段后向散射系數(shù)與 itumbiara水庫總懸浮物濃度的線性關系，結果表明r2為0.700。

傳統(tǒng)對湖泊水體懸浮物濃度的監(jiān)測通常采用過濾水體稱重法獲得，然而對大湖水體的監(jiān)測任務重，定點監(jiān)測有限，垂直觀測不同步，快速監(jiān)測難度大。特別是針對高動態(tài)湖泊的水體懸浮物，連續(xù)垂直剖面監(jiān)測難度更大。目前研究湖泊水體懸浮物的垂直分布通常采用表層、中層和底層或更密集的采樣方式直接進行垂向分析（張琍等，2014），存在數(shù)據(jù)實時性差或片面性分析等問題，不能夠完全反映垂直水體懸浮物的連續(xù)分布特征?；诤笙蛏⑸湎禂?shù)開展湖泊垂直水體懸浮物濃度監(jiān)測的方法研究尚未見報道。本研究采用后向射散系數(shù)實測和垂直水樣過濾實驗相結合的方法，針對鄱陽湖高動態(tài)水體，構建并應用基于后向散射系數(shù)的懸浮物濃度反演模型，為摸清鄱陽湖水體懸浮物濃度的分布規(guī)律提供數(shù)據(jù)支持，解決鄱陽湖高動態(tài)水體懸浮物濃度監(jiān)測難度大的問題提供新的垂直測量技術和方法，同時可為探索湖泊水體懸浮物濃度空間特性和物質來源等方面提供技術支撐，對今后應用遙感技術高精度監(jiān)測垂直非均勻水體具有實際意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)與采樣站位

鄱陽湖位于長江中下游的南岸，地勢南高北低，承納江西境內贛、撫、饒、信、修等五河來水，湖水由北部湖口出口匯入長江，是典型的吞吐型淡水湖泊。鄱陽湖水位變化大，季節(jié)性變化明顯，枯水期一般出現(xiàn)在春、冬季，豐水期一般出現(xiàn)在夏、秋季節(jié)。鄱陽湖水流受長江水位和五河來水的影響，水體流速變化明顯，水齡時間短（Qi et al.，2016）。鄱陽湖處平原區(qū)，屬大風集中區(qū)域，特別是鞋山、老爺廟和瓢山風力最為集中（張琍等，2014）。在豐水期，湖面范圍大，懸浮物空間變化不僅受河水流速的影響，還受風速的影響（賀志明等，2011；江輝等，2018）。另外，受采砂作業(yè)活動等影響，鄱陽湖北部水體呈現(xiàn)高渾濁特征。

圖1 鄱陽湖監(jiān)測站點分布圖Fig. 1 Spatial distribution of observation sites in Poyang Lake

根據(jù)2017年11月27日和2018年4月26—27日兩次鄱陽湖湖區(qū)的水體垂直巡航觀測數(shù)據(jù)，觀測區(qū)域主要在主湖區(qū)及松門山以北的主航道（圖1a），考慮湖區(qū)水流條件變化、河流匯入以及人類活動變化等影響因素，分別設置了1701#~1711#等11個、1801#~1820#等20個站點，其中，星子站日均水位分別為 9.50、11.78 m左右。站點空間分布如圖 1所示。

1.2 數(shù)據(jù)采集

采集站點的光學參數(shù)測定和水樣采集同步進行，后向散射系數(shù)測量主要使用HOBI Labs公司研發(fā)的hydroscat-6p后向散射測量儀，該議器有6個波段，分別是420、442、470、510、590、700 nm（顧艷鎮(zhèn)等，2008；Doxaran et al.，2016），測定水體從表層垂直到距湖底50 cm范圍內不同深度的水體后向散射系數(shù)，測定過程中儀器保持勻速下降，每秒鐘獲取1次數(shù)據(jù)。由于鄱陽湖水體為高動態(tài)水體，水體的后向散射系數(shù)受到水流影響而波動較大，為了減少高動態(tài)的變化引起的干擾，通過取平均值的方法獲得建模數(shù)據(jù)。

2017年11月水樣采集深度為距水面0.5、2.0、3.0 m等3層水體，2018年4月水樣采集深度為表層（距水面0.5 m深度處）、中層（水深的50%深度處）、底層（距湖底0.5 cm深度處）等3層水體。同步監(jiān)測水體流速、濁度等數(shù)據(jù)。水樣當天送回實驗室保存，并進行分析測試，測定不同時期的懸浮物濃度、粒徑、可溶性黃色物質（CDOM）和葉綠素 a（Chl-a）等指標。懸浮物濃度測定采用常規(guī)的 GB11901-89稱質量法，水樣通過 0.45 μm的GF/F聚酯纖維濾膜過濾，并于105 ℃下烘干致恒重稱其重量，計算水體總懸浮物（TSM）濃度，再經(jīng)550 ℃高溫烘干再次稱其重量，計算水體無機懸浮物（ISM）濃度和有機懸浮物（OSM）濃度。懸浮物粒徑采用Bettersize 2000激光粒度分布儀進行分析。鄱陽湖不同水層懸浮物濃度監(jiān)測結果統(tǒng)計見表1。

1.3 懸浮物濃度的反演

受水流速度的影響，部分底部后向散射系數(shù)數(shù)據(jù)與采樣高度不完全一致，相應數(shù)據(jù)不參與模型反演構建與驗證。除此之外，各站點3層水樣的懸浮物濃度與相應的后向散射系數(shù)共有 82組樣本，其中63組用于建模，19組隨機樣本用于檢驗。由于高濃度水體的多次散射對反向散射信息號產生影響，使得后向散射系數(shù)增加速率減慢，故后向散射系數(shù)與懸浮物濃度呈非線性關系（圖2）。經(jīng)不同波段的后向散射系數(shù)與懸浮物濃度的相關性分析可知，各波段的后向散射系數(shù)與懸浮物濃度均呈顯著的指數(shù)函數(shù)關系，隨著波長的增加，相關性增強，700 nm波段的后向散射系數(shù)與總懸浮物濃度和無機總懸浮物濃度指數(shù)函數(shù)關系最佳，r2分別為0.849、0.811。鄱陽湖水體700 nm波段的后向散射系數(shù)（b700）與總懸浮物質量濃度[ρ(TSM)]之間的關系式見式（1），b700與無機懸浮物質量濃度[ρ(ISM)]之間的關系式見式（2）。水體的后向散射系數(shù)與有機懸浮物濃度相關性不顯著，可見水體的散射特性主要受水體中的無機物控制，與有機物濃度相關性較弱，這與Bowers et al.（1996）和孫德勇等（2010）的結論一致。

表1 鄱陽湖水體懸浮物濃度監(jiān)測結果統(tǒng)計Table 1 Results of field measurements of suspended matter concentration in Poyang Lake

圖2 鄱陽湖水體后向散射系數(shù)（bb-700）與懸浮物濃度的關系Fig. 2 Relationship between backscattering coefficient from 700 nm and suspended matter concentration in Poyang Lake

經(jīng)驗證（圖3），總懸浮物濃度、無機懸浮物濃度的模擬值與實測值相關性均較好，r2均達到0.860以上，模擬總懸浮物濃度的RMSE為8.56，模擬無機懸浮物濃度的RMSE為8.70。因此水體700 nm波段的后向散射系數(shù)能夠有效地反演總懸浮物濃度和無機懸浮物濃度。通過式（1）~（2）分別可獲得各站點水體垂直分布的總懸浮物濃度與無機懸浮物濃度。

1.4 垂直分布類型判別原則

若懸浮物濃度與水深呈線性顯著相關（P>0.001），認為水體呈垂直非均勻分布；相反，相關性不顯著，認為水體呈垂直均勻分布。進一步將垂直非均勻水體劃分為增大型、中層增大或減小型、上部增大下部混合型3種類型。根據(jù)水體垂直分布特征將水體主要分為4種類型：A型為混合均勻型，即隨著水體深度加深懸浮物濃度上下均勻分布，為垂直均勻水體；B型為增大型，即隨著水體深度加深懸浮物濃度逐漸或迅速增大；C型為中層增大或減小型，即隨著水體深度加深懸浮物濃度先增大再減小或先減小再增大；D型為上部增大、下部混合型，即隨著水體深度加深懸浮物濃度增大至中層，下部混合紊亂。

2 結果與分析

2.1 懸浮物垂直分布類型

從監(jiān)測站點數(shù)據(jù)分析，有67.74%的站點為垂直非均勻水體，32.26%的站點為垂直均勻水體。由圖1b可知，贛江北支入口以北區(qū)域均為B型水體；都昌至贛江北支入口段多水混合，水體流速、流態(tài)較為復雜，因此該區(qū)域存在A、B、C、D 4種類型的垂直分布特征；都昌至棠蔭附近區(qū)域和湖區(qū)主要為A、B型。

由垂直剖面圖（圖4）可知，A型（圖4a）水體由于高度混濁，水體不穩(wěn)定，導致均勻混合水體總體振幅較大；C型（圖 4c）水體占總站點數(shù)的6.45%，1801#站點垂直水體越靠中層懸浮物濃度越小，1804#站點垂直水體越靠中層懸浮物濃度越大；D型（圖4d）水體占總站點數(shù)的6.45%；B型（圖4b）總懸浮物濃度和無機懸浮物濃度與水深均呈正相關，說明懸浮物濃度隨著水深呈現(xiàn)增加的趨勢，該類型是 4種類型中占比最大的，占總站點數(shù)的54.84%，在不同區(qū)域均出現(xiàn)該類型，分布較廣。B型水體懸浮物濃度與深度的斜率各有不同，斜率越小，表明懸浮物濃度隨深度變化越大。經(jīng)線性擬合計算，總懸浮物濃度隨深度變化的斜率在0.007~1.156 mg·L-1范圍內，均值為 0.369 mg·L-1，ρ(TSM)<50 mg·L-1的中低渾濁水體總懸浮物濃度隨深度變化的斜率一般在0.1738~1.1738 mg·L-1范圍內，均值為0.474 mg·L-1；無機懸浮物濃度隨深度變化的斜率在 0.007~1.100 mg·L-1范圍內，均值為 0.386 mg·L-1，ρ(ISM)<40 mg·L-1的水體無機懸浮物濃度隨深度變化的斜率一般在 0.200~1.100 mg·L-1范圍內，均值為 0.522 mg·L-1，比總懸浮物濃度的斜率大，即 ρ(ISM)隨深度變化更小些。而ρ(TSM)≥50 mg·L-1的高渾濁水體斜率均大于 0.03，甚至達到0.0096，比中低濃度的斜率小得多，說明高渾濁水體隨深度變化懸浮物濃度快速增大，主要原因可能是高渾濁水體的粒徑較大，沉降速度較快，導致其懸浮物濃度增大，而中低渾濁水體的懸浮物粒徑相對較小，沿深度方向的沉降速度較小，故懸浮物濃度隨深度的變化較小。

圖3 模型驗證Fig. 3 Models validation

圖4 鄱陽湖典型水體總懸浮物濃度隨深度變化Fig. 4 Variation of total suspended matter concentration in typical waters of Poyang Lake with water depth

2.2 懸浮物垂直剖面特征

懸浮物垂直剖面能夠反映其沿程縱向變化，還可以清晰地表述層化特征。通過兩次巡航監(jiān)測，獲得總懸浮物濃度和無機懸浮物濃度的垂直剖面（圖5）?？傮w來看，沿程縱向變化明顯，存在顯著的層化現(xiàn)象。

由圖 5a可知，枯水期都昌段湖面較窄，流速加快，受該區(qū)域采砂活動的影響，1708#~1711#站點范圍的水體渾濁，總懸浮物濃度超過50 mg·L-1，無機懸浮物濃度超過40 mg·L-1，該區(qū)域懸浮物粒徑呈上小下大，表現(xiàn)為底泥再懸浮的特征。從贛江匯入點開始，即 2704#站點下游，水體總懸浮物濃度和無機懸浮物濃度逐漸減小。由贛江北支入湖口的2705#站點情況可知，贛江北支來水的懸浮物濃度較小，匯入湖區(qū)后降低了湖區(qū)的懸浮物濃度；贛江北支入湖口下游受長江水頂托，水流流速降低，大粒徑懸浮物沉降，使得懸浮物濃度逐漸減小。由圖5b可知，4月份是水位較低的季節(jié)，棠蔭附近至都昌段剖面呈“河型”，河面較小，航道內水體的流速快，同時采砂船只活動南移（Feng et al.，2012），總體上該區(qū)域水體懸浮物濃比同期的主湖區(qū)至星子段剖面的濃度大。由圖5c可知，4月松門山以北下游區(qū)域懸浮物濃度與 11月相比更低，該時期鄱陽湖水位處于上漲過程，為枯水與豐水過渡時期，主湖區(qū)水體水面變化較為復雜，受贛江中支來水和沖刷作用影響，水流流速加快；1803#~1805#站點處于淺水區(qū)域，湖區(qū)底泥再懸浮，水體懸浮物濃度加大，水體分層明顯；1802#區(qū)域的水體受彎道頂沖，局部水體受流速大、流向不穩(wěn)定和湍流等影響而呈現(xiàn)高度混合。

3 結論

本文通過對鄱陽湖水體后向散射系數(shù)和懸浮物濃度的垂直監(jiān)測，構建了后向散射系數(shù)和懸浮物濃度的反演模型，并將其應用于水體懸浮物垂直分布特征分析。得到以下結論：

（1）水體700 nm波段的后向散射系數(shù)與總懸浮物濃度和無機懸浮物濃度具有較好的相關性，所構建的指數(shù)反演模型具有可行性，因此后射散射儀具備實時監(jiān)測懸浮物濃度的功能，能夠作為水體組分垂向結構分析的測量手段。

圖5 鄱陽湖水體懸浮物濃度垂直剖面Fig.5 Vertical profiles of suspended matter concentration in Poyang Lake各圖上方橫軸數(shù)字為站點號，（a）~（b）分別為2017年11月TSM和ISM垂直剖面Ⅰ（圖1中的黃色剖面線）；（c）~（d）分別為2018年4月TSM和ISM垂直剖面Ⅱ（圖1中的藍色剖面線）；（e）~（f）分別為2018年4月TSM和ISM垂直剖面Ⅲ（圖1中的紅色剖面線）The horizontal axis numbers above the figures are the numbers of the sampling sites, (a)~ (b) is respectively vertical profiles I (yellow line in Fig. 1) of TSM and ISM in November 2017; (c)~ (d) is respectively vertical profiles II (blue line in Fig.1) of TSM and ISM in April 2018; (e)~ (f) is respectively vertical profiles III (red line in Fig.1) of TSM and ISM in April 2018.

（2）鄱陽湖水體垂直分布特征分為混合型（A型）、增大型（B型）、中層增大或減小型（C型）、上部增大下部混合型（D型）4種類型，分別占總站點數(shù)的32.26%、54.84%、6.45%和6.45%，該區(qū)域近70%為垂直非均勻水體，可見在水色遙感反演中統(tǒng)一采用表層水樣監(jiān)測數(shù)據(jù)為代表值進行建模，并不完全合理，甚至在某些區(qū)域存在較大誤差。今后還需通過大量觀測數(shù)據(jù)和遙感反演模型進行進一步驗證。

（3）水體總懸浮物濃度垂直剖面變化受水位變化、水體流速和流態(tài)的改變、采砂活動等湖區(qū)自然條件和人類活動影響，也受到五河來水的渾濁程度影響，使得沿程縱向變化明顯，存在顯著的層化現(xiàn)象。高渾濁水體懸浮物濃度隨深度變化的斜率比中低濃度的小，主要原因可能是高渾濁水體的粒徑較大，沉降速度較快，導致其沿深度方向的懸浮物濃度迅速增大。