大慶湖泊群水質參數(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，并對水體中基礎理化指標、有機污染物、重金屬和光學特性參數(shù)等水體指標進行實驗室分析。利用方差分析和T檢驗分析對大慶湖泊群不同湖泊、不同功能區(qū)和不同季節(jié)水體進行差異性分析，得到大慶湖泊群水體多水質參數(shù)的湖泊間，季節(jié)性和功能區(qū)類別間的差異性，并對不同水質參數(shù)差異性的原因進行探討。隨后，對大慶湖泊群水體固有光學參數(shù)

2、總顆粒物吸收、浮游藻類吸收、非色素顆粒物吸收和黃色物質吸收特征進行分析，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總顆粒物吸收的貢獻特征，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源特征。獲取TM影像反射率，并利用實測光譜數(shù)據(jù)對其進行相對校正，進而以相對校正后的波段進行組合運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參數(shù)濃度建立遙感反演模型，實現(xiàn)基于實測水質參數(shù)數(shù)據(jù)與TM影像進行估算模型

3、的構建，以及對湖泊群水體大面積宏觀上的遙感監(jiān)測?；诮⒌倪b感估算模型進一步將大慶湖泊群水體參數(shù)的濃度進行空間化分布分析，找到整個湖泊群水體和每個湖泊內(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)評價和綜合水質評價法對大慶湖泊群水體進行每個水質參數(shù)和整體水質狀況的綜合評價，找到研究區(qū)主要污染因子，掌握湖泊群水體的綜合水質類別，為湖泊群水體污染治理和保護提供科學的理論依據(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

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

5、中污染物含量較少。對于DDH和YLP湖泊分別處在小型煉油廠和居民區(qū)周圍或作為石油開采湖泊，受到未經(jīng)處理達標的工業(yè)廢水和有機污染物的影響，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源主要由工業(yè)污染和廢水所導致。不同季節(jié)性差異分析顯示，除TP、TN和PAHs等有機污染物外大部分水質參數(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，我國北方的湖泊水體表面會呈現(xiàn)出結冰的獨特性季節(jié)特征，從而導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特性分析結果顯示:DDH和XDH兩個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，主要由于這兩個湖泊水深較淺，懸浮物濃度較高的結果，而LMS和YBP等湖泊浮游藻類吸收較明顯，主要由于其藻類含量較多的結果。湖泊群水體中總顆粒物吸收與總懸浮物濃度和無機懸浮物濃度具有很

7、強的相關性，線性擬合R2值較高;浮游藻類吸收系數(shù)與總懸浮物濃度和葉綠素a濃度相關性較強，而非色素顆粒物吸收與懸浮物濃度和無機懸浮物濃度相關性較好。這種擬合關系反映了大慶湖泊群水體中顆粒物主要由大量無機懸浮物和藻類組成。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機懸浮物濃度的影響，藻類吸收主要受葉綠素a濃度的影響，非色素顆粒物吸收主要受到總懸浮物和無機懸浮物濃度的影響。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生長繁盛期，水體中還存有較多，而冬天大量死亡，春天開始萌發(fā)且未大量繁殖的影響結果。湖泊群水體的黃色物質光譜分析表明CDOM主要是陸源輸入攜帶而來，浮游藻類降解作用來源較少。水體組分吸收貢獻率表現(xiàn)出明顯的季節(jié)差異性，秋冬春3季在固有光學吸收中占主導作用的物質分別為浮游藻類吸收、CDOM和非色素顆粒物吸收，差異性非常明顯。
　　(3)利用實測

9、光譜相對校正后的TM波段/波段組合作為估算因子與不同水質參數(shù)之間建立遙感反演模型，并基于這些水質參數(shù)的估算模型進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)部水質參數(shù)的差異性。最終通過與懸浮物濃度之間的相關關系找到水質參數(shù)可反演與不可反演的初步判斷依據(jù)。研究結果表明:TM估算因子與水體光學特性參數(shù)可建立很好的線性擬合關系，其中與懸浮物濃度、濁度、無機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，且通過統(tǒng)計學驗證，模型擬合效果較好。同時，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、;但對于PH、電導率等基礎水質參數(shù)以及TN和PAHs等有機污染物，由于未找到其對應的敏感波段/波段組合而無法通過影像進行反演。反演空間分布圖顯示大慶湖泊群多水質參數(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、水深和周圍相鄰的土地利用類型不同所導致。將水質參數(shù)與懸浮物濃度之間建立回歸分析，結果可見通過兩者相關系數(shù)大小可以實現(xiàn)對水質參數(shù)是否可利用影像進行反演的初步判斷。
　　(4)大慶湖泊群水體中TN、TP濃度除DQSK和HQ

12、SK兩個飲用水水源湖泊符合地表水Ⅱ類標準，其他水體均超出我國地表水Ⅲ～Ⅴ類水體標準，TN、TP超標較重。富營養(yǎng)化評價結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、中富和低于中富營養(yǎng)化水平的較低富營養(yǎng)化類型。重金屬元素超標較重的為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、Ⅱ類和Ⅲ類水體標準?？梢?，大慶

13、湖泊群水體中重金屬元素含量隨著時間的推移表現(xiàn)出逐漸增加的趨勢。湖泊群水體中重金屬對水生生物的風險評估結果顯示Hg和Cu兩種元素對水生生物影響較大，需要采取一定的措施進行治理并降低其含量，否則將會對水生生物造成嚴重的威脅，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八種元素超標較明顯，尤其在YLP和ZJT湖泊，其他湖泊PAHs超標不明顯，符合國際和國內(nèi)多種地表

14、水環(huán)境質量要求。水體PAHs對水生生物生態(tài)風險評估顯示湖泊群水體中PAHs含量并未對水生生物造成明顯的生存威脅，生態(tài)風險表現(xiàn)均不明顯，不存在急性生態(tài)風險。依據(jù)我國地表水環(huán)境質量標準采用單因子和綜合評價指數(shù)法對湖泊群水體綜合評價，結果顯示大慶湖泊群水體屬于Ⅴ類水體，嚴重超過該區(qū)域應屬于的Ⅱ類水體標準。分析其單因子評價結果可見，TP、TN、NH3-N和Hg元素為湖泊群水體的主要污染因子，應得以嚴格的治理和保護，否則將對該區(qū)域的居民和生物帶來