基于GF_1衛(wèi)星影像的巢湖藍(lán)藻時(shí)空演變特征分析

周婷， 劉小妮， 戚王月， 夏萍， 曹娜

(1.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利工程系，安徽 合肥 230036； 2.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)業(yè)機(jī)械系，安徽 合肥 230036； 3.生態(tài)環(huán)境部環(huán)境工程評(píng)估中心，北京 100012)

1 研究背景

巢湖位于安徽省合肥市，面積約760 km2，是我國五大淡水湖之一，也是安徽省最大的湖泊。作為長江中下游地區(qū)重要的淡水資源和生態(tài)濕地，巢湖的水質(zhì)條件在區(qū)域社會(huì)生產(chǎn)、生活和生態(tài)格局中起著重要作用[1]。近年來，隨著巢湖流域經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，巢湖水體富營養(yǎng)化加劇，藍(lán)藻水華頻繁發(fā)生，且呈現(xiàn)顯著的季節(jié)性周期規(guī)律[2]。藍(lán)藻異常生長形成水華，極易在河口以及近岸淤積，引起湖泊水質(zhì)惡化，威脅周圍地區(qū)的飲用水安全[3]。全面掌握藍(lán)藻的分布信息，研究各類環(huán)境因子對(duì)藍(lán)藻聚集的綜合影響，對(duì)于控制藍(lán)藻水華、研究藍(lán)藻生長影響因素、建立水質(zhì)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)非常重要。

隨著衛(wèi)星遙感技術(shù)的快速發(fā)展，利用衛(wèi)星影像對(duì)湖泊水庫等水質(zhì)進(jìn)行大范圍監(jiān)測(cè)已成為水質(zhì)分析的有效手段之一。在水華暴發(fā)區(qū)域，水體表面的葉綠素a含量較高，在光譜上具有明顯的植被特征，因此，可以用植被指數(shù)來監(jiān)測(cè)藍(lán)藻的暴發(fā)情況[4-5]。歸一化植被指數(shù)(Normalized Differential Vegetation Index，NDVI)是目前在生態(tài)環(huán)境研究中應(yīng)用最為廣泛的植被指數(shù)，衛(wèi)星影像光譜解析NDVI值的原理是利用綠色植物葉片在紅光和近紅外波段的光譜組合特性。衛(wèi)星影像解析出的NDVI值在一定程度上能代表湖面藍(lán)藻的覆蓋情況[6]。國內(nèi)外針對(duì)水體污染的研究大多選用NDVI值作為水體藍(lán)藻狀況的識(shí)別因子，一般認(rèn)為，NDVI值越高，說明水體藍(lán)藻情況越嚴(yán)重[7-10]。

本文選取環(huán)巢湖14個(gè)具有代表性的河口觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行研究，這些觀測(cè)點(diǎn)的具體位置如圖1所示?？紤]巢湖藍(lán)藻夏秋暴發(fā)、冬春相對(duì)不嚴(yán)重的季節(jié)性特征，選取春季和夏末兩個(gè)時(shí)間段，分別于2018年4月10日及9月4日對(duì)各觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行了水體取樣。結(jié)合GF_1衛(wèi)星同時(shí)期巢湖區(qū)域影像，提取各觀測(cè)點(diǎn)的NDVI值，構(gòu)建耦合衛(wèi)星影像和實(shí)測(cè)水質(zhì)數(shù)據(jù)的水質(zhì)指標(biāo)模型。

圖1 環(huán)巢湖觀測(cè)點(diǎn)位置分布示意圖

2 基于GF_1衛(wèi)星影像的巢湖藍(lán)藻時(shí)空分布分析

2018年4月和9月巢湖區(qū)域GF_1衛(wèi)星影像分別如圖2和圖3所示。圖2和圖3中“▲”標(biāo)注位置為觀測(cè)點(diǎn)位置，旁邊字符為觀測(cè)點(diǎn)編號(hào)。

圖2 基于GF_1衛(wèi)星影像的2018年4月巢湖NDVI值分布圖

圖3 基于GF_1衛(wèi)星影像的2018年9月巢湖NDVI值分布圖

為便于對(duì)比，圖2和圖3采用了相同的色塊圖例。由圖2和圖3可見，2018年9月,巢湖藍(lán)藻水華現(xiàn)象嚴(yán)重，而4月份只有巢湖西北河岸出現(xiàn)藍(lán)藻，說明隨著溫度上升，藍(lán)藻覆蓋面積變大。這與藍(lán)藻生長規(guī)律有關(guān)，藍(lán)藻水華形成會(huì)經(jīng)歷休眠、復(fù)蘇、生長和集聚4個(gè)階段：冬季溫度降低，藍(lán)藻下沉到水底，水體表面藍(lán)藻覆蓋降低；春季溫度上升，藍(lán)藻上??；夏、秋季藍(lán)藻生長集聚，形成水華[11]。從9月的巢湖各區(qū)域的水樣來看，巢湖西部藍(lán)藻覆蓋嚴(yán)重，西北岸邊的最嚴(yán)重；東部藍(lán)藻的水華覆蓋度相對(duì)較低。這種空間分布格局自2000年以來就已形成[12-14]，其主要原因是：藍(lán)藻水華的暴發(fā)與巢湖流域內(nèi)碳、氮和磷等營養(yǎng)物質(zhì)排放水平分布密切相關(guān)，西巢湖靠近合肥市，附近的人口、產(chǎn)業(yè)均較密集，大量生活、工業(yè)污水經(jīng)河道流入，利于藻類繁殖生長的各種營養(yǎng)物質(zhì)匯入較多，導(dǎo)致巢湖西北部水質(zhì)影響因子濃度高于東部，這在下文實(shí)測(cè)水質(zhì)指標(biāo)(表1和圖4)分析中也有所體現(xiàn)。

表1 環(huán)巢湖14個(gè)觀測(cè)點(diǎn)水質(zhì)指標(biāo)值

注:表中括號(hào)外數(shù)據(jù)為各觀測(cè)點(diǎn)4月份的指標(biāo)值，括號(hào)內(nèi)數(shù)據(jù)為9月份的指標(biāo)值。

圖2顯示：4月份巢湖全流域的NDVI值均較低，實(shí)際上，4月份巢湖各區(qū)域的NDVI值不均勻。為更加清晰地展現(xiàn)NDVI值的差異度，將4月份衛(wèi)星影像的顏色標(biāo)記尺度細(xì)化，如圖4所示。

圖4 標(biāo)記尺度細(xì)化后的2018年4月巢湖的NDVI值分布圖

由圖4可見，4月份巢湖的NDVI值整體較低，但其在湖體的分布情況與9月份的分布情況(圖3)基本一致，也呈現(xiàn)北部和西北部高、東南部低的格局。但其與9月份的分布存在一些區(qū)別：9月份湖中心的NDVI值較高，在南部環(huán)湖地帶的較低；而4月份在南部環(huán)湖地帶的NDVI值較高，而在湖中心的尤其是在東半湖的較低。這說明藍(lán)藻在暴發(fā)階段，是由環(huán)湖區(qū)域向湖中心發(fā)展的，靠近岸邊湖水面處的藍(lán)藻高于中央湖面的；在消退階段，藍(lán)藻也是先由環(huán)湖區(qū)域逐漸向湖中心消退。

3 耦合衛(wèi)星影像與實(shí)測(cè)指標(biāo)的時(shí)空演變分析

為量化巢湖藍(lán)藻與各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)之間的相關(guān)關(guān)系，本文從4月和9月的巢湖GF_1衛(wèi)星影像圖中提取14個(gè)觀測(cè)點(diǎn)水樣中的NDVI值，將其與同期實(shí)測(cè)水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析。NDVI值的提取方法如式(1)所示：

(1)

式中：Red為衛(wèi)星影像中紅光波段的反射率；NIR為近紅外波段的反射率。NDVI指標(biāo)提取在ArcGIS軟件中實(shí)現(xiàn)。

觀測(cè)點(diǎn)水體取樣時(shí)間為2018年4月10日和9月4日，與GF_1衛(wèi)星影像拍攝時(shí)間基本同步。針對(duì)取樣水體，文中檢測(cè)了水樣中的4項(xiàng)指標(biāo)COD、TP、TN和葉綠素a的含量。將GF_1衛(wèi)星影像提取的NDVI值和實(shí)測(cè)的觀測(cè)點(diǎn)水樣中的4項(xiàng)指標(biāo)值一并整理，結(jié)果見表1和如圖5所示。

圖5 環(huán)巢湖14個(gè)觀測(cè)點(diǎn)水樣中的4項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)變化圖

由表1和圖5可以看出：巢湖中的COD、TP、TN、葉綠素a含量點(diǎn)位時(shí)空變化特征明顯；整體來看，西半湖(觀測(cè)點(diǎn)序號(hào)11—14)的這4個(gè)指標(biāo)濃度值高于東半湖(觀測(cè)點(diǎn)序號(hào)1—10)的，其中淝河、柘皋河、夏路里等觀測(cè)點(diǎn)的入湖區(qū)支流污染較為嚴(yán)重，這與衛(wèi)星影像中NDVI值分布的直觀判斷結(jié)果是一致的；從COD含量來看，4月份除白石天河外，其余各觀測(cè)點(diǎn)的COD濃度值均高于9月份的；從TP含量來看，4月份各觀測(cè)點(diǎn)的TP濃度值均低于9月份的；從TN含量來看，除了烔煬河、裕溪河、白石天河、派河觀測(cè)點(diǎn)外，其余觀測(cè)點(diǎn)4月份水樣中的TN含量都低于9月份的；葉綠素a的濃度在4月份和9月份的區(qū)分度不顯著，這是由于取樣點(diǎn)均在巢湖岸邊，而9月份雖然湖體藍(lán)藻比較嚴(yán)重，但由圖3可以看出，環(huán)湖岸邊藍(lán)藻已趨于消退。因此，9月份觀測(cè)點(diǎn)水體中葉綠素a的檢測(cè)結(jié)果并未顯著高于4月份的。綜上，4月和9月的巢湖水質(zhì)指標(biāo)值差異最大的是TP，說明TP是造成巢湖藍(lán)藻在時(shí)間維度上差異大的主要原因。

分別計(jì)算4月份和9月份各觀測(cè)點(diǎn)的NDVI值與各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)，結(jié)果見表2。

表2 實(shí)測(cè)水質(zhì)指標(biāo)值與NDVI值的相關(guān)系數(shù)

許多研究表明，藻類在氮、磷處于富營養(yǎng)的狀態(tài)下大量繁殖，在一定范圍內(nèi)水中藻類生長速率與氮和磷含量的相關(guān)度較高[15-16]。由表2可以看出：在4月份和9月份，巢湖中COD、TP、TN、葉綠素a的濃度值均與NDVI值呈正相關(guān)關(guān)系，其中，TN濃度值與NDVI值的相關(guān)系數(shù)最高，可見在同一時(shí)段內(nèi)，巢湖各區(qū)域藍(lán)藻生長情況與TN濃度的關(guān)系最為密切；在4月份，COD濃度值與NDVI值的相關(guān)度較低，而在9月份的相關(guān)度較高；在4月份，TP濃度、葉綠素a濃度與NDVI值的相關(guān)度較高，而在9月份的相關(guān)度不高，其原因在于，9月份湖中部分區(qū)域的挺水植物或沉水植物生長旺盛，在光譜上反映出了較高的NDVI值，干擾了藍(lán)藻含量的識(shí)別，進(jìn)而降低了NDVI值與水體中葉綠素a和TP濃度的相關(guān)性。

4 結(jié)語

針對(duì)巢湖水體中藍(lán)藻的時(shí)空分布不均、季節(jié)性反復(fù)等特點(diǎn)，以環(huán)巢湖14個(gè)代表性觀測(cè)點(diǎn)的水樣為研究對(duì)象，采取基于GF_1衛(wèi)星影像圖和實(shí)地取樣水質(zhì)指標(biāo)分析結(jié)果，用多源數(shù)據(jù)對(duì)巢湖水體中的藍(lán)藻的時(shí)空分布及其影響因素進(jìn)行了分析。研究表明：巢湖藍(lán)藻在整體上呈現(xiàn)顯著的季節(jié)性變化，4月的藍(lán)藻覆蓋程度顯著低于9月的，但無論在4月還是在9月，巢湖西北湖區(qū)均為藍(lán)藻最嚴(yán)重的區(qū)域；在時(shí)間尺度上，巢湖水體中COD、TP、TN、葉綠素a含量的點(diǎn)位時(shí)空變化特征明顯，其中，TP是巢湖水體在時(shí)間尺度上變化最大的指標(biāo)；而在同一時(shí)間內(nèi)，TN指標(biāo)的濃度值與NDVI值的相關(guān)性最強(qiáng)，說明巢湖藍(lán)藻暴發(fā)與TN濃度的關(guān)系最密切；在次影響因素中，4月的次影響因素為TP濃度，9月的次影響因素為COD。該研究結(jié)果為巢湖水質(zhì)監(jiān)測(cè)及藍(lán)藻水華治理提供了參考。