大慶湖泊群水質(zhì)參數(shù)遙感研究.pdf

1、本文選取松嫩平原最大的湖泊群體大慶湖泊群為主要研究對(duì)象，于2011年9月、2012年2月和2012年5月秋冬春三季采集湖泊水體樣品，并對(duì)水體中基礎(chǔ)理化指標(biāo)、有機(jī)污染物、重金屬和光學(xué)特性參數(shù)等水體指標(biāo)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室分析。利用方差分析和T檢驗(yàn)分析對(duì)大慶湖泊群不同湖泊、不同功能區(qū)和不同季節(jié)水體進(jìn)行差異性分析，得到大慶湖泊群水體多水質(zhì)參數(shù)的湖泊間，季節(jié)性和功能區(qū)類(lèi)別間的差異性，并對(duì)不同水質(zhì)參數(shù)差異性的原因進(jìn)行探討。隨后，對(duì)大慶湖泊群水體固有光學(xué)參數(shù)

2、總顆粒物吸收、浮游藻類(lèi)吸收、非色素顆粒物吸收和黃色物質(zhì)吸收特征進(jìn)行分析，以掌握大慶湖泊群水體中懸浮顆粒物的吸收特征和不同顆粒物對(duì)總顆粒物吸收的貢獻(xiàn)特征，從而了解湖泊群水體中顆粒物的分布、季節(jié)性變化以及湖泊間的差異性和來(lái)源特征。獲取TM影像反射率，并利用實(shí)測(cè)光譜數(shù)據(jù)對(duì)其進(jìn)行相對(duì)校正，進(jìn)而以相對(duì)校正后的波段進(jìn)行組合運(yùn)算得到模型的估算因子，最終以這些估算因子作為變量與水質(zhì)參數(shù)濃度建立遙感反演模型，實(shí)現(xiàn)基于實(shí)測(cè)水質(zhì)參數(shù)數(shù)據(jù)與TM影像進(jìn)行估算模型

3、的構(gòu)建，以及對(duì)湖泊群水體大面積宏觀上的遙感監(jiān)測(cè)?；诮⒌倪b感估算模型進(jìn)一步將大慶湖泊群水體參數(shù)的濃度進(jìn)行空間化分布分析，找到整個(gè)湖泊群水體和每個(gè)湖泊內(nèi)部的空間分布差異性以及這些差異性所產(chǎn)生的原因。最后，采用單因子指數(shù)評(píng)價(jià)和綜合水質(zhì)評(píng)價(jià)法對(duì)大慶湖泊群水體進(jìn)行每個(gè)水質(zhì)參數(shù)和整體水質(zhì)狀況的綜合評(píng)價(jià)，找到研究區(qū)主要污染因子，掌握湖泊群水體的綜合水質(zhì)類(lèi)別，為湖泊群水體污染治理和保護(hù)提供科學(xué)的理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支持，為大慶湖泊群水體研究提供了大量的準(zhǔn)

4、確數(shù)據(jù)、技術(shù)方法和水質(zhì)整體內(nèi)部變化過(guò)程的綜合資料。取得的主要研究成果如下:
　　(1)分析結(jié)果顯示:工業(yè)區(qū)湖泊DDH和XDH等湖泊受到工業(yè)廢水和沉積物擾動(dòng)的影響，具有高濁度、總懸浮物、無(wú)機(jī)懸浮物、PH和電導(dǎo)率的特點(diǎn);而YBP和LMS等農(nóng)業(yè)湖泊受到藻類(lèi)的影響，具有較高的葉綠素a濃度聚集;混合區(qū)湖泊ZJT，YLP和ZNP受到周?chē)I(yè)和居民區(qū)污水排放的影響，具有相對(duì)較高的有機(jī)污染物特征;而DQSK、HQSK和LHP作為飲用水源湖泊，水體

5、中污染物含量較少。對(duì)于DDH和YLP湖泊分別處在小型煉油廠和居民區(qū)周?chē)蜃鳛槭烷_(kāi)采湖泊，受到未經(jīng)處理達(dá)標(biāo)的工業(yè)廢水和有機(jī)污染物的影響，呈現(xiàn)出了高濃度TP、TN、DOC和NH3-N的水體環(huán)境特征。水體中重金屬元素總體表現(xiàn)為工業(yè)區(qū)湖泊DDH、 XDH和XHH湖泊水體濃度較高，這是由于重金屬的來(lái)源主要由工業(yè)污染和廢水所導(dǎo)致。不同季節(jié)性差異分析顯示，除TP、TN和PAHs等有機(jī)污染物外大部分水質(zhì)參數(shù)均呈現(xiàn)出了顯著的季節(jié)性差異特征，這是由于在冬

6、季，我國(guó)北方的湖泊水體表面會(huì)呈現(xiàn)出結(jié)冰的獨(dú)特性季節(jié)特征，從而導(dǎo)致了大部分的水體環(huán)境參數(shù)均表現(xiàn)出冬季不同于其他季節(jié)的特征。
　　(2)大慶湖泊群水體固有光學(xué)特性分析結(jié)果顯示:DDH和XDH兩個(gè)湖泊的總顆粒物吸收和非色素顆粒物吸收表現(xiàn)出高于其他湖泊的趨勢(shì)，主要由于這兩個(gè)湖泊水深較淺，懸浮物濃度較高的結(jié)果，而LMS和YBP等湖泊浮游藻類(lèi)吸收較明顯，主要由于其藻類(lèi)含量較多的結(jié)果。湖泊群水體中總顆粒物吸收與總懸浮物濃度和無(wú)機(jī)懸浮物濃度具有很

7、強(qiáng)的相關(guān)性，線性擬合R2值較高;浮游藻類(lèi)吸收系數(shù)與總懸浮物濃度和葉綠素a濃度相關(guān)性較強(qiáng)，而非色素顆粒物吸收與懸浮物濃度和無(wú)機(jī)懸浮物濃度相關(guān)性較好。這種擬合關(guān)系反映了大慶湖泊群水體中顆粒物主要由大量無(wú)機(jī)懸浮物和藻類(lèi)組成。其中，總懸浮顆粒物吸收系數(shù)的大小主要受到總懸浮物和無(wú)機(jī)懸浮物濃度的影響，藻類(lèi)吸收主要受葉綠素a濃度的影響，非色素顆粒物吸收主要受到總懸浮物和無(wú)機(jī)懸浮物濃度的影響。季節(jié)差異性特征顯示:總顆粒物吸收和浮游藻類(lèi)吸收呈現(xiàn)出秋季＞春

8、季＞冬季的特征，而非色素顆粒物吸收呈現(xiàn)出春季＞秋季＞冬季的季節(jié)性特征。這是由于秋季浮游植物剛過(guò)生長(zhǎng)繁盛期，水體中還存有較多，而冬天大量死亡，春天開(kāi)始萌發(fā)且未大量繁殖的影響結(jié)果。湖泊群水體的黃色物質(zhì)光譜分析表明CDOM主要是陸源輸入攜帶而來(lái)，浮游藻類(lèi)降解作用來(lái)源較少。水體組分吸收貢獻(xiàn)率表現(xiàn)出明顯的季節(jié)差異性，秋冬春3季在固有光學(xué)吸收中占主導(dǎo)作用的物質(zhì)分別為浮游藻類(lèi)吸收、CDOM和非色素顆粒物吸收，差異性非常明顯。
　　(3)利用實(shí)測(cè)

9、光譜相對(duì)校正后的TM波段/波段組合作為估算因子與不同水質(zhì)參數(shù)之間建立遙感反演模型，并基于這些水質(zhì)參數(shù)的估算模型進(jìn)行大慶湖泊群水體整體空間分布特征的研究，分析其湖泊間和湖泊內(nèi)部水質(zhì)參數(shù)的差異性。最終通過(guò)與懸浮物濃度之間的相關(guān)關(guān)系找到水質(zhì)參數(shù)可反演與不可反演的初步判斷依據(jù)。研究結(jié)果表明:TM估算因子與水體光學(xué)特性參數(shù)可建立很好的線性擬合關(guān)系，其中與懸浮物濃度、濁度、無(wú)機(jī)懸浮物濃度和葉綠素a濃度的估算模型分別為CTSM=3027.8(b2+b

10、4)/(b2/b4)-121.59;C Turb=2174.7(b2+b4)/(b2/b4)-78.486;CISM=2528.7(b2+b4)/(b2/b4)-109.05和CChla=116.65(lnb1/lnb4)-78.774，其決定系數(shù)R2均較高，且通過(guò)統(tǒng)計(jì)學(xué)驗(yàn)證，模型擬合效果較好。同時(shí)，估算因子與TP、DO、DOC以及重金屬Al、Ca、Mn、Fe、Cu、As、Cd和Pb元素濃度可以建立適合其區(qū)域范圍內(nèi)TM影像反演的估算模型

11、;但對(duì)于PH、電導(dǎo)率等基礎(chǔ)水質(zhì)參數(shù)以及TN和PAHs等有機(jī)污染物，由于未找到其對(duì)應(yīng)的敏感波段/波段組合而無(wú)法通過(guò)影像進(jìn)行反演。反演空間分布圖顯示大慶湖泊群多水質(zhì)參數(shù)存在顯著的湖泊間和湖泊內(nèi)部差異性，主要由于湖泊面積、水深和周?chē)噜彽耐恋乩妙?lèi)型不同所導(dǎo)致。將水質(zhì)參數(shù)與懸浮物濃度之間建立回歸分析，結(jié)果可見(jiàn)通過(guò)兩者相關(guān)系數(shù)大小可以實(shí)現(xiàn)對(duì)水質(zhì)參數(shù)是否可利用影像進(jìn)行反演的初步判斷。
　　(4)大慶湖泊群水體中TN、TP濃度除DQSK和HQ

12、SK兩個(gè)飲用水水源湖泊符合地表水Ⅱ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，其他水體均超出我國(guó)地表水Ⅲ～Ⅴ類(lèi)水體標(biāo)準(zhǔn)，TN、TP超標(biāo)較重。富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)結(jié)果顯示湖泊群湖泊水體的TP和TN基本處于極富或重富等較高的富營(yíng)養(yǎng)化水平，而葉綠素a濃度基本處于重富、中富和低于中富營(yíng)養(yǎng)化水平的較低富營(yíng)養(yǎng)化類(lèi)型。重金屬元素超標(biāo)較重的為Hg和As兩種元素，尤其是在DDH、XDH和XHH湖泊水體中，其他湖泊水體中的重金屬元素含量在秋冬春3季基本上分別表現(xiàn)為Ⅰ類(lèi)、Ⅱ類(lèi)和Ⅲ類(lèi)水體標(biāo)準(zhǔn)?？梢?jiàn)，大慶

13、湖泊群水體中重金屬元素含量隨著時(shí)間的推移表現(xiàn)出逐漸增加的趨勢(shì)。湖泊群水體中重金屬對(duì)水生生物的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果顯示Hg和Cu兩種元素對(duì)水生生物影響較大，需要采取一定的措施進(jìn)行治理并降低其含量，否則將會(huì)對(duì)水生生物造成嚴(yán)重的威脅，甚至引起部分物種滅亡。水體中16種PAHs濃度水平表現(xiàn)為BaA，Chr，BbF，BkF，BaP，DahA，InD和BghiP八種元素超標(biāo)較明顯，尤其在YLP和ZJT湖泊，其他湖泊PAHs超標(biāo)不明顯，符合國(guó)際和國(guó)內(nèi)多種地表

14、水環(huán)境質(zhì)量要求。水體PAHs對(duì)水生生物生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估顯示湖泊群水體中PAHs含量并未對(duì)水生生物造成明顯的生存威脅，生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)表現(xiàn)均不明顯，不存在急性生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。依據(jù)我國(guó)地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)采用單因子和綜合評(píng)價(jià)指數(shù)法對(duì)湖泊群水體綜合評(píng)價(jià)，結(jié)果顯示大慶湖泊群水體屬于Ⅴ類(lèi)水體，嚴(yán)重超過(guò)該區(qū)域應(yīng)屬于的Ⅱ類(lèi)水體標(biāo)準(zhǔn)。分析其單因子評(píng)價(jià)結(jié)果可見(jiàn)，TP、TN、NH3-N和Hg元素為湖泊群水體的主要污染因子，應(yīng)得以嚴(yán)格的治理和保護(hù)，否則將對(duì)該區(qū)域的居民和生物帶來(lái)