（环境科学专业论文）太湖北部湖区水体光学特性及悬浮物浓度遥感反演.pdf

a b s t r a c t o p t i c a lp r o p e r i e si nt h en o r t h e r np a r to fl a k et a i h u r e i n v e 剐【g a t e di nf o u r t y p i c a lm o n t h sb e t w e e l l2 0 0 5a n d2 0 0 6 b a s e d0 1 3f i e l do b s e r v a t i o ns a m p l e so f d i 伍c r e n tr e g i o n si nt h en o r t h e r np a r to fl a k et a i h ua n dl a t e rl a b o r a t o r ya n a l y s i s ，t h i s p a p e rs t u d i e ds p a t i o t e m p o r a l v a r i a t i o no ft h e b i o o p t i c a lp r o p e r t i e s ( c d o m , p a r t i c u l a t en l a t t c r , i r r a d i a n e er a t i o ) ，a n dt h e nd e v e l o p e dt h eq u a n t i t a t i v er e l r i e v a l m o d e l so f t o t a ls m p e a d e dm a t t e rf r s l v oa n di n o r g a n i cs u s p e n d e dm a t t e ro s m ) u s i n g as e m i a n a l y t i cm e t h o d t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h es p a t i a lp a t t e r no fc d o m a b s o r p t i o nw a s ：z h u s h a n b a y m e i l i a n gb a y g o n g h ub a y l a k ec e n t e r f u r t h e r m o r e c d o ma b s o r p t i o n w a sg e n e r a l l yh i g h e rn e a rt h er i v e ri n f l o wt h a nt h eo p e nw a t e ri nm e i l i a n gb a y s e a s o n a l l y ，c d o ma b s o r p t i o ng r a d u a l l yd e c r e a s e df r o mt h ew i n t e rt ot h ef o l l o w i n g a u t u m n t h ev a l u e so ft h ee x p o n e n t i a ls l o p ec o e f f i c i e n tsh a dn os i g n i f i c a n t d i f f e r e n c ei nt i m ea n ds p a c e i nt h es e a s o n sl i k ew i n t e ra n ds p r i n g ，1 3 0c o r r e l a t i o n s w q 。l - ef o u n db c t w e c nc d o m a b s o r p t i o nc o e f f i c i e n ta n de h l o r o p l a y l l1 3 c o n c e n t r a t i o n , h o w e v e r , c d o ma b s o r p t i o nc o e f f i c i e n tc o n s i s t e n t 谢n lt h es p a t i a ld i s t r i b u t i o no f e h l o r o p h y uac o n c e n t r a t i o nd i s t r i b u t i o ns i g n i f i c a n t l ya n dp o s i t i v e l yc o r r e l a t e dw i t h c h l o r o p h y uac o n c e n t r a t i o nd u r i n ga l g a lb l o o mi nt h et w oo t h e rs e a s o n s r e l a t i v e l y c o n s t a n tl i n e a rr e l a t i o n s h i ph a v eb e e ne s t a b l i s h e db e t w e e nc d o m a b s o r p t i o na n d f l u o r e s c e n c ei n t e n s i t yi nf o u rs e a s o n s i nn a t u r a ll i g h t , u vr a d i a t i o ne x p o s u r ei n c h i e f , as i g n i f i e a a tp l a o t o c h e m i e a ld e g r a d a t i o no e e t m e d ，a n dt h ed e g r a d a t i o np r o c e s s t ob ec o n s i s t e n tw i t hab a n da t t e n u a t i o nr e a c t i o nk i n e t i c s t h ea b s o r p t i o ns p e c t r ab yt o t a lp a r t i c u l a t ei nt h ef o u rs e a s o n sa r eo b v i o u s l y d i f f e r e n t p h y t o p l a n k t o na b s o r p t i o np r o p e r t i e s h a dam a r k e de f f e c to nt o t a l p a r t i c u l a t ea b s o r p t i o ni ns u m m e ra n da u t u m i - i o w c v c r , i nw i n t e rt o t a lp a r t i c u l a t e a b s o r p t i o nw a ss i m i l a rt o t h a to fd e t r i t u s ，w i t hv a l u e so fa b s o r p t i o nc o e f f i c i e n t d e c r e a s i n gw i t hw a v e l e n g t h d i s t r i b u t i o no fa l ls t a t i o n si sa l s od i f f e r e n t ，b yt h et i m e i sh i g h e s ti ns u m m e r , h i g l a e ri na u t u m n , h i g hi ns p r i n ga n dl o w e s ti nw i n t e r n o s i g n i f i c a n ts p a t i o - t e m p o r a lv a r i a t i o nw a sf o u n df o rt h ev a l u e so ft h ee x p o n e n t i a l s l o p ec o e f f i c i e n t so fd e t r i t u s p h y t o p l a n k t o na b s o r p t i o nc o e f f i c i e n ts i g n i f i c a n t l y c o r r e l a t e dw i t hc h l o r o p h y l lac o n c e n t r a t i o n si nt h es a m ep e r i o d , a n dt h ec o r r e l a t i o n w a sl o w e s ti nw i n t e ra n dn o tv e r yd i f f e r e n tb e 铆e e nt h eo t h e rt h r e es e a s o n s t h e a b s o r p t i o nc o e f f i c i e n to ft o t a lp a r t i c u l a t e ，d e t r i t u sa n dp h ”o p t a n k t o nr e s p e c t i v e l y s i g n i f i c a n t l yc o r r e l a t e dt o t a ls u s p e n d e ds o l i d s ，o r g a n i c ，a n di n o r g a n i cp a r t i c l e s ，a n d t h er a n ko ft h ec o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n ti st s s i s s o s s ，f o rs e a s o nr a n k i n gw i n t e r a n ds p r i n gh i g h e rt h a ns u m l n e ra n da u b t m n p h y t o p l a n k t o na b s o r p t i o nc o e f f i c i e n t o n l yw e a k l yc o r r e l a t e dw i t ho r g a n i cp a r t i c l e s s i g n i f i c a n ts p a t i o - t e m p o r a lv a r i a t i o nw a sf o u n df o r t h ec o n t r i b u t i o n so fe v e r y c o m p o n e n t i nw a t e rt ot h et o t a la b s o r p t i o nc o e f f i c i e n t t h el a r g e s tc o n t r i b u t i o nm t et o t h et o t a la b s o r p t i o nw a sd e t r i t u s ，f o l l o w e db yc d o m ，p h y t o p l a n k t o nr a n k 3t h i r d , t h e w a t e ra b s o r p d o nc o n t r i b u t i o nt oam i n i m u r i l t h ed e t r i t u sc o n 廿i b u t i o nr a t ew a s h i g h e s ti nw m t e r ，h i g h e ri ns p r i n g ，h i g hi ns u m m e r , a n dl o w e s ti na u t u m n , m e a n w h i l e ， t h e c o n t r i b u t i o n r a t e f o r t h e f o u rs e a s o n so f c d o m w a s h i g h e s t i n w i n t e r , h i g h e r i n s p r i n g h i g hi na u t u n l n , l o w e s ti n 飘h 衄e r t h ec o n t r i b u t i o nr 8 t eo f p h y t o p l a n k t o n w a sh i g h e s ti ns l i m m e r , h i g h e ri na u t u m n , h i g hi ns p r i n g ，a n dl o w e s ti nw i n t e r t h e c o n t r i b u t i o nr a t eo f p u r ew a t e rw a sm o r eo rl e s st h es a n l ei nd i f f e r e n ts e a s o n s r a n g i n gb e t w e e n6 7 i r r a d i a n c er e f l e c t a n c ed i s t r i b u t i o nw a ss i m i l a ri nt h et w o 靶a s o n sl i k ew i n t e ra n d s p r i n g ，v a r y i n gb e t w e e nl a k e sr e g i o n n u m e r i c a lv a l u ei nw i n t e rw a ss i g n i f i c a n t l y l a r g e rt h a ni ns l l e t l m e t , a n dt h ed i f f e r e n c eb e t w e e ns p r i n ga n da u t u m nw a sn o t s i g n i f i c a n t e s t i n m f i o no ft h ec o n c e n t r a t i o n so ft s ma n di s mw a sr e a s o n a b l y a c c u r a t eb a s e d0 1 1i n h e r e n to p t i c a lp r o p e r t i e sm e a s u r e m e n t , a n dt h er m s ea n dt h e a v e r a g er ew e 坞1 1 1 3 m g l ，6 o f o rt s m ，a n d9 9 0m g l ，5 1 f o ri s m ， r e s p e c t i v e l y r e m o t es e n s i n g c u r a c yc o m p a r e dw i t ht h ee x p e c t e de f f e c tw a sq u i t e s a t i s f a c t o r y k e y w o r d s ：a b s o r p t i o nc o e f f i c i e n t , i r r a d i a n e er e f l e c t a n c e ，t o t a ls u s p e n d e dm a t t e r , r e m o t es e n s i n g ，l a k et a i h u 学位论文独创性声明 本人郑重声明： i 、坚持以。求实、创新。的科学糖神从事研究工作。 2 、本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究 成果 3 、本论文中除引文外，所有实验、数据和有关材辩均是真实的 4 、本论文中除引文和致谢的内容外，不包含其他人或其它机构 已经发表或撰写过的研究成果 5 、其他同志对本研究所傲的贡献均已在论文中作了声明并表示 瑚氤 名：丛 日 期：亟缒 学位论文使用授权声明 本人完全了解南京信息工程大学有关保留、使用学位论文的规 定，学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论 文的电子版和纸质版；有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制 并允许论文进入学校图书馆被查阅；有权将学位论文的内容编入有 关数据库进行检索；有权将学位论文的标题和摘要汇编出版保密 的学位论文在解密后适用本规定 作者签名； 五鑫 日飙掣 第一章绪言 第一章绪言 1 1 研究意义 湖泊是中国重要的淡水资源之一，它与经济可持续发展以及人民生活休戚相关。随着 国民经济不断增长，工业规模不断扩大，城镇人口不断增加，工业废水、生活污水的排放 量也日益增加，大量营养物不断流入湖泊，湖泊富营养化、水质碱化、淤积和萎缩，生态 破坏以及水质恶化等环境问题不断出现。其中湖泊的富营养化己成为中国最重要的水环境 问题之一q 太湖是我国的第三大淡水湖泊，位于长江三角洲南缘，流域地跨江、浙、皖、沪三省 一市，人口密集，经济发达，是我国经济最发达和最具活力的地区之一，其面积为2 3 3 8k ：m 2 ， 最大水深不足3 m ，平均水深仅1 8 9 m 1 2 】，属典型浅水蝶型湖泊。经济的发展和人们生活水 平的提高，同时也造成了太湖的富营养化和生态的严重破坏。近年来。不合理开发与大量 污染物排放入湖使太湖水质污染严重，尤其是富营养化程度加剧，湿地生态环境恶化，影 响人民日常生活。制约流域经济的可持续发展口“。2 0 世纪7 0 年代以来太湖水质开始逐 步恶化。按照现行的国家地面水环境质量标准( g b 3 8 3 8 8 8 ) 2 0 世纪6 0 年代太湖水体属i 类水体；7 0 年代发展至类：8 0 年代初平均为- i 类；8 0 年代末则全面进入 类，局部类和v 类：9 0 年代中期平均已达类，三分之一湖区为v 类。平均每十年 左右水质下降一个等级。据调查，目前太湖湖水绝大部分属于i v ，v 类水。占8 0 2 9 f l ， 只有部分区域的透明度值可高达1 2 0 c m 以上。在空间分布上，整个太湖的中部、南部和北 部，透明度值较低，基本上都属于、v 类水，部分区域的透明度甚至低于4 0 c m 。表明 太湖大部分水体己达中富养一富营养水平，其湖泊富营养化程度已相当严重，给周边地区 的人民的生产、生活带来巨大的危害，因此必须加强对太湖富营养化发生机制与调控对策 进行研究。 在湖泊生态系统中，光是一个重要的生态因子，水体中光场的分布直接或间接地影响 水中生物的生长，发育和存活。它不仅是水体初级生产力和光化学反应的能量源，决定了 浮游植物和沉水植物的生物量也会影响到它们的种群结构，成为浮游植物叶绿素a 和初级 生产力分布的主要限制因子 在水生态系统中浮游植物和沉水植物不仅彼此间要进行光的竞争，而且要与水体中其 他光吸收和散射物质进行竞争。太阳辐射在水下的传输和分布主要受制于四种物质，即纯 水，有色溶解性有机物、非藻类悬浮颗粒物及浮游植物嘲。在这几种物质中，除了悬浮物 南京信息工程大学硕士论文太湖北部湖区水体光学特性及悬浮物浓度遥感反演 在其自然浓度条件下对光不发生明显吸收外，其余三种物质分别选择吸收一定波长范围的 光，形成各自的特征吸收波谱。同时，这些物质对光的散射使光改变方向，其中后向散射 光与水底的反射光一起返回水面，通过水气界面回到大气中，是可以遥测到的部分。水体 因为各组分及其含量的不同造成水体的吸收和散射的变化，因而可利用这些水体介质的光 学特性谱来监测水体中各种物质的组成和含量【7 l 。通过比较不同时空水体介质光学特性的 分布，可以获取水中浮游植物光合作用的基本状况，了解水生生态系统中浮游植物的发生、 发展、爆发、消亡的规律。近些年，研究水体光与初级生产力之间的关系已成为湖泊光学、 水科学及水生生物研究中的前沿课题，它将有助于了解湖泊水体中的p a r 、初级生产力的 变化、湖泊富营养化的控制和防治 8 1 。另外，随着遥感技术的日新月异，利用遥感手段来 监测湖泊富营养化，蓝藻水华暴发、湖泊初级生产力也是一个比较可行的办法。然后要进 行精确的水色遥感研究也必须要知道各水色因子( 悬浮物、叶绿素口和c d o m 等) 的浓度、 吸收系数等固有光学特性以及水体中主导光衰减因子。国内外也开展了一些内陆水体固有 光学特性的研究p - 1 2 1 。提出了许多理论、半理论半经验、经验的内陆水体水质遥感反演模 型【1 2 - i s 。因而开展湖泊水体光学特性的研究无论是在理论上还是在应用上都具有非常重要 的意义。 1 2 国内外研究进展及发展趋势 _ = 、 弋一夕 - 图1 i 水下光照传输、分布过程 2 第一章绪言 f i 9 1 1t r a n s m i s s i o na n dd i s t r i b u t i o no f u n d e r w a t e ri r r a d i a n c e 透射地球大气的太阳辐射到达气水界面，一部分被反射，而另一部分则折射进入水体 内部，这部分入射光在水面下被多种分子散射和吸收。图1 1 给出了太阳光在水体里传输 分布时发生的吸收和散射过程。太阳光进入水体后要受到纯水、浮游植物，非藻类颗粒物 的吸收和散射，而c d o m 一般被认为只有吸收没有散射1 6 j 。这四种光学介质的光谱吸收属 于水体的固有光学特性，只与水体组分有关而不随外界光照条件变化而变化。其中纯水的 吸收和散射系数一般为常数。关于其值已经进行了较多的测定【o j ，而其他各项可以通过实 验、野外测定或计算的方法得到。 自p r e i s e n d o r f e r s i m t h 于上世纪7 0 年代u ”首次提出生物光学一词以来，水生生态 系统中受生物过程影响的光学过程的研究，以及水体中受光学过程影响的生物过程的研究 受到越来越多的重视7 0 年代开始，美国等一些发达国家就开始应用遥感对入海废水、生 活污染水和区域性海上溢油、赤潮进行监测l “1 s l 。8 0 年代以来在水温、悬浮物、叶绿素等 水质因素调查方面的应用得到越来越广泛和深入研究。我重也于8 0 年代末开始展开水体光 学研究，但主要还是海洋一类水体【”。 关于太湖，为全面研究太湖水体水质变化原因和生态系统结构动态演化，中国科学院 南京地理与湖泊研究所多年来分别从物理、化学、生物、生态等多个方面探索太湖生态环 境的演化机理。太湖水体光学特性的研究也可追溯到2 0 世纪9 0 年代初，蔡启铭等卿i 在 太湖开展水体光学特性的模拟研究，提出了p a r 在水一大气系统内的辐射传输模式和初级 生产力的生物光学模式，但均是理论模型，缺乏实测资料的验证。之后俞宏等田1 粗略地测 定了太湖梅梁湾冬、夏季水体的吸收系数和散射系数，但未能很好区分浮游藻类和非藻类 颗粒物。他们的研究都未涉及到表观光学特性，以及表观光学特性、固有光学特性，水体 光学成份之间的相互关系。1 9 9 3 年荷兰的g o n s 等i l ”在太湖梅粱湾测定p a r 总量的漫射衰 减系数和水面上的反射率，但又缺乏颗粒物吸收系数等固有光学特性的测定，并且没有考 虑波谱成份的差异。杨顶田州、张运林嘲等从九十年代末至今在太湖开展水体光学特性与 藻类相互作用的研究，工作主要偏重于野外测定漫射衰减系数的光谱分布，衰减系数与悬 浮物、叶绿素的经验关系，透明度的变化及原因分析等。尽管在太湖已开展丁大量水体光 学特性的研究，但未建立系统的生物光学遥感反演模型，水体介质的具体特性仍不甚明朗， 对太湖的光学特性仍需进一步的探讨。 1 2 1c d o m 水中的有色可溶解性有机物( c d o m ：c o l o r e dd i s s o l v e do i g a n i cm a t t e r ) 是指由水生生物 3 南京信息工程大学硕士论文太湖北部湖区水体光学特性及悬浮物浓度遥感反演 分泌的、藻类和水生高等植物组织在水中腐烂而形成溶解在水中的以及流域进入水体中的 有机物质。包含腐殖酸、棕黄酸等，是总可溶性有机碳( 1 1 3 h ) c ) 中的主要成分。它能吸 收蓝色的光并且敖射黄色的光，从而使水呈浅黄色，故被人们通俗地称为黄色物质( y e u o w s u b s t a ：n c e 或g e l b s t o f f ) 。其在水体中属于惰性物质，在水环境中具有良好的保守性，有极其 稳定的性质【硐，其浓度和组成能显著改变水下光场。由于其在紫外光波段吸收最强，因而 它限制了生物有害的u v - b 辐射( 2 8 0 - 3 2 0r i m ) 穿透深度，保护了水生生物，对水体生态 系统有明显影响鲫。 最近几年国内关于c d o m 也有不少研究，但早期研究主要集中在海洋里陋母”i ，如吴 永森等( 2 0 0 2 ) 鲫对实验室配制的不同浓度黄色物质水溶液、实验室藻类培养液和胶州湾 水域黄色物质水样的光吸收特性进行了研究，并探讨了指数函数斜率s 值的数值范围；陈楚 群等( 2 0 0 3 ) 3 0 1 在珠江口海域采用正演方法模拟水体光谱并以此反演水体中黄色物质浓度。 但在内陆水体的湖泊，仅杨顶田等、李素菊9 ”、张运林口5 l 对长江中下游湖泊的巢湖、龙 感湖和太湖作了一些测定和分析。 c d o m 的吸收光谱从紫外到可见光随波长的增加大致呈指数下降，c d o m 吸收系数的 测定相对比较简单，方法成熟，测定精度也较高，具体操作是将0 2 2u r nm i l l i p o r e 膜( 或者 其他等孔径的聚碳酸脂滤滤膜) 放到1 0 的盐酸浸泡1 5 分钟，然后用m i l l q 水清洗干净，在 1 2 0 1 4 0m m h g 的负压下过滤水样得到过滤后的清液。用m i l l q 水作参比，将过滤清液在分 光光度计下泓定其吸光度，然后根据( 1 - 1 ) 式进行计算得到各波长的吸收系数【3 2 1 。 a c d o m ( 爿) = 2 3 0 3 d ( 2 ) r ( 1 - 1 ) 式中：啦d 0 矾 为波长五未校正的吸收系数( m 1 ) ，d 为吸光度，为比色皿光程路径( m ) ， 在c i x ) m 浓度较高的内陆水体比色皿宽度在i - 5c n l 均可，对于c d o m 浓度非常低的大洋 和高山深水湖泊水体。为了增加分光光度计检测的信号，降低信噪比，比色皿宽度一般要 1 0c n l 甚至更宽。 尽管c d o m 的样品制备采用孔径仅0 2 2 u m 滤膜过滤，但过滤清液仍有可能残留细小 颗粒会引起散射。为此需作如下散射效应订正明： 酬句= d ) 一q c ( 7 0 0 ) - 2 7 0 0 ( i - 2 ) 式中：岛嘲缈为波长i 的吸收系数0 n 1 ) ；衄仁，为波长a 的未校正吸收系数( m - 1 ) ；a 为 波长( r i m ) 。除了公式( i - 2 ) 中用7 0 0 n t o 处吸收作散射订正外，也有些研究利用6 5 0 - 7 0 0n m 吸收均值、7 0 0 - 8 0 0n m 吸收均值或6 5 0 8 0 0n m 吸收均值等进行散射校正的。 c d o m 的吸收光谱从紫外到可见光随波长的增加大致呈指数下降，式( i 3 ) 可用来描 4 第一章绪言 述c d o m 吸收随波长的变化p ” 。0 ) = g c d o m ) e x p b “一五) j ( 1 3 ) 式中，a c o o u g ) 是c d o m 的吸收系数( m _ 1 ) ，l 是波长( r a n ) ，；t o 是参照波长( 锄) ，一般 取4 4 0n r n 。是是指数函数曲线斜率参数。当无法测定c d o m 光谱吸收系数时。可以测定 特征波段4 4 0 处吸收系数，根据文献中报道的指数函数斜率品值利用( i - 3 ) 式计算得到 备波长的吸收系数。 1 2 2 悬浮颗粒物和浮游植物的吸收 悬浮颗粒物吸收是水体的固有光学特性，海洋里以及国外内陆水体关于悬浮颗粒物的 吸收光谱研究较多f ”m ，但国内内陆水体尤其是湖泊这方面的研究相较欠缺。在水体中悬 浮颗粒物包括浮游植物和非藻类颗粒物。由于非藻类颗粒物主要是由浮游植物分解的残体、 异养的有机物( 细菌，病毒，浮游动物) 、无机颗粒物组成，含有非光合作用色素，因而 准确估算浮游植物的吸收系数谱是研究光与初级生产力关系的关键所在。鉴于该参数的重 要性，国内外也出现了对浮游植物、非藻类颗粒物分离的方法。常用的方法就是下面所述 的定量滤膜技术，用甲酵( 或次氯酸钠) 提取颗粒物中的色素，并通过颗粒物吸收系数在 提取色素前后的不同来确定浮游植物吸收系数。 悬浮颗粒物吸收系数的测定一般采用定量滤膜技术，用滤膜富集水体内颗粒物检测其 吸光度并换算成吸收系数，这种方法称之为定量滤膜技术( q f t ：q u a n t i t a t i v ef i l t e r t e c h n i q u e ) ，q f t 技术中有一重要参数明路程放大因子1 3 ，箕定义为实际光程和几何路程的 比值，随不同仪器和颗粒物组成变化而变化。为了能克服仪器之间的差异，m i t c h e l l 和 c l e v e l a n d & w e i d 姗n 进行了大量的试验，分别提出如下校正式，可以不去进行仪器路程 放大因子b 值的测定。 o d , ；o 3 7 8 0 d s + 0 5 2 3 0 d i 2 ( 1 4 ) o d , = 0 3 9 2 0 d i4 - 0 6 6 5 0 d 1 。 ( 1 5 ) 式中：o d s 为校正后的滤膜上悬浮颗粒物吸光度；o d f 为直接在仪器上测定的滤膜上悬 浮颗粒物吸光度减去7 5 0n i l l 波长处的吸光度。 当前研究悬浮颗粒物和浮游植物吸收系数大多采用m i t c h e l l 或c l e v e l a n d 提出的校正式 p “滤膜上悬浮颗粒物的光谱吸收系数按下式进行计算得到： 胄 口p ( 五) ；2 3 0 3 号1 9 珥( 五) ( 1 - 5 ) 南京信息工程大学硕士论文太湖北部湖区水体光学特性及悬浮物浓度遥感反演 其中v 为过滤水样的体积，s 为沉积在滤膜上的颗粒物的有效面积。 然后用9 5 或1 0 0 的甲醇浸泡滤膜一段时间( 根据滤膜上色素的多少浸泡的时间不一 样) ，把能用甲醇提取的色素萃取掉。滤膜上只剩非藻类颗粒物，再按前述相同的方法测 定其吸光度，得到相应的吸收系数，此时计算得到吸收系数即为非藻类悬浮颗粒物吸收系 数a d 将总悬浮颗粒物吸收系数印q ) 减去非藻类悬浮颗粒物吸收系数即得到浮游藻类吸 收系数a p h 0 ) 。 嘞0 沪哆( 砌 ( 1 - 6 ) 1 2 3 水质遥感模型 在内陆水体中，悬浮物、c d o m 等水体光学介质是影响水质遥感的重要因素，如果能 建立相应的模型，就可以用遥感手段来实现对湖泊，河口进行快速、实时、动态的水质和 富营养化监测。当前世界各地发展的水色、水质遥感模型概括起来主要有三类：即经验方 法，半分析方法和机理模型方法p 4 l 。经验或统计方法是通过建立遥感数据与地面监测的水 质参数之同的统计关系外推水质参数值，是目前我国水色、水质遥感使用最多的方法口5 - 3 9 1 ， 但由于水质参数与遥感数据之间的事实相关性不能保证，所以该种方法的结果缺乏物理依 据，模式在时间与空问上的通用性和适用性受到很大的限制。半分析方法是将已知的水质 参数光谱特征与统计模型相结合，选择最佳的波段或波段组合作为相关变量估算水质参数 值的方法，这种方法具有一定的物理意义，当前。这种半分析模型在国外许多水色，水质 遥感模型中应用较多吣4 2 】。我国学者2 0 0 3 年春季在黄东海进行的水色联合试验，就是试图 发展适合我国沿岸带水体的半分析模型p ”。机理模型的方法以水体内光学传输的桃理为理 论基础。利用水体光学的基本理论和水体光谱计算模式来建模，以达到建立水中物质浓度 与水体光谱特性之间的定量关系，这种模式可以用于大尺度和长时间的水色和水质监测。 在实际的研究工作中，由于机理模型方法所要求的数据源难以满足，所以事实上，当前水 色、水质遥感发展的主要方向还是经验和理论相结合的半分析方法，其借助于对水体主要 水色要素的固有光学特性的研究，利用半分析模型建立遥感反射率和辐照度的计算模式来 反演水体各水色组份浓度、有害藻华和初级生产力，以解决经验模型在时空尺度上的不足， 从而达到提高遥感精度的目的。 这种方法的最基本理论依据如下。即辐照度比烈0 ) 或遥感反射率忍( 0 ) 可以用后向散射 和吸收系数来表示州 l r ( o ) = 。竺 * ，生0 - 7 ) 6 第一章绪言 吒去喝等 口+ 口 口 式中乩为后向散射系数( n f l ) ，娴另吸收系数( m 1 ) ，f l ，2 为系数， o 0 8 3 来近似代替。 0 - 8 ) 可以用o 3 3 、 1 3 本文的主要工作和论文结构 1 3 1 本文的主要工作 本文以太湖北部湖区为研究对象，于2 0 0 5 2 0 0 6 年在中科院太湖生态系统实验站对太 湖水质进行监测。研究了太湖水体申c d o m 的时空分布和差异，吸收系数与叶绿素浓度、 荧光强度之间的定量关系，以及对c d o m 在自然光下降解的特性作了初步的研究，讨论了 四季总悬浮颗粒物、非藻类颗粒物、浮游植物的光谱吸收系数的变化特征；建立总颗粒物、 非藻类吸收系数与总悬浮物、无机悬浮物浓度，浮游植物吸收系数与叶绿素a 、有机悬浮物 浓度之间的定量关系。通过对太湖北部湖区水体吸收系数、光束衰减系数和散射系数的测 定和计算，分析其时空分布规律，获得不同季节水面下辐照度比，建立其水面下辐照度比 与总悬浮物、有机、无机悬浮物浓度之间的定量遥感模型。为太湖水体生物一光学模型的 建立、卫星遥感永质参数提供宝贵基础数据，具有较强的应用性对于富营养化水体湖泊 生态修复和沉水植物恢复也有很好的指导意义。 1 3 2 论文的写作结构 本文结构大体如下：第一章绪论部分介绍选题的意义以及相关研究国内外的进展；第 二章介绍太湖水体中黄质，有色可溶性有机物的吸收特性，采用了2 0 0 5 年到2 0 0 6 年的野 外监测水质数据进行分析，在这一章中，还对不同季节有色可溶性有机物的荧光特性，以 及光降解现象做了一定的实验研究。第三章分析了太湖北部不同湖区，四季悬浮颗粒物的 吸收光谱的异同，第四章探讨了水体中各组分吸收系数对总吸收系数的贡献份额。第五章 为水面下辐照度比的时空分布及悬浮物遥感反演，根据光束衰减系数、总吸收系数得到散 射系数和后向散射系数，利用光学模型得到各季水面下辐照度比，分析它们的时空变化和 光谱变化，利用用各波段水面下辐照度比与总悬浮物，无机悬浮物、有机悬浮物进行模型 拟合。最后的第六章总结了全文的内容，指出了本研究下一步的研究方向和本文还需完善 之处。 7 第二章c d o m 光学特性时空分布 第二章c d o m 光学特性时空分布 本章以太湖北部为研究区域，对春夏秋冬四季不同湖区1 4 个采样点的c d o m 的吸收 谱进行分析，旨在探究太湖c d o m 吸收特性的时空变化，并初步分析其成因。另针对 c d o m 在紫外波段吸收强的特征进行了c d o m 于自然光下光化学降解的实验。 2 1 材料与方法 2 1 1 试验材料 太湖北部包括梅粱湾、贡湖、竺山湾及大太湖等几个湖区，其中梅粱湾系一较大湖湾， 地处无锡市郊，是太湖污染发展速度最快，污染最重、危害最大的水域之一。该湖区面积 约1 3 2 k m 2 ，平均水深在2 m 左右。且风浪大，缺乏底泥，n ，p 浓度高，除了沿岸带断断续 续分布有一些芦苇丛和湖边少量荇菜丛外，原生的水生植物很少，大郝分水域无大型水生 植物分布，是一个典型的藻型湖区【“j ”。由于受入湖河道及沿岸污染源的影响。水质严重 恶化，蓝藻水华连年发生，持续时间5 1 0 月不断，夏秋季节整个湾内滋生大量蓝藻水华， 有些年份甚至全年均有大量蓝藻漂浮水中。竺山湾是常州与无锡交界处的养殖湖区，水体 污染严重，丽贡湖湾则属太湖的一个草型湖区，水体相对清澈。 分别于2 0 0 5 年7 月1 5 日、2 0 0 5 年1 0 月1 3 日、2 0 0 6 年1 月1 3 日和2 0 0 6 年4 月1 5 日在梅粱湾，大太湖、竺山湖、贡湖湾的0 8 # ( 无2 撑点) ，1 0 # 、1 3 # 、1 4 # 、1 6 - 1 8 # 采集水 样1 4 个( 样点分布见图2 1 ) ，用以代表夏、秋、冬、春四季，七月的采样在风平浪静和小 风浪条件下进行，代表夏季浮游植物大量生长的季节，而冬季，浮游植物大多处于休眠期。 8 南京信息工程大学硕士论文 太湖北部湖区水体光学特性及悬浮物浓度遥感反演 f i g 2 1l o c a t i o no f g a m p l i n gs t a t i o n si nn o r t h e r nt a i h u l a k e 2 1 2 检测和计算方法 2 1 2 1c d o m 吸收和浓度测定 c d o m 的光谱吸收系数测定采用通过w h 哑弛g f f 样在u v 2 4 0 1 分光光度计 下测定其吸光度，然后根据( 2 1 ) 式进行计算得到各波长的吸收系数明。 4 c d o m ( 彳) = 2 3 0 3 d ( a ) r ( 2 - 1 ) 9 第二章c d o m 光学特性时空分布 式中，幻蒯 为波长2 未校正的吸收系数( m 1 ) ，d ( a ) 为吸光度，为光程路径( m ) 。 由于过滤清液还有可能残留细小颗粒，会引起散射，为此作如下散射效应订正口7 1 ： a c z o u ( , 0 = a c d o u ( x ) - a t z 0 0 7 0 0 ) 2 1 7 0 0 ( 2 - 2 ) 式中，a c d o 撒) 为波长l 的吸收系数( m 1 ) ；a c o o m ( 1 为波长五的未校正吸收系数( m - 1 ) ；i 波长( r i m ) 。由于c d o m 的浓度无法测定，最常用方法是用3 5 5 n m 、3 7 5 n m 和4 4 0 h m 等波 长处的吸收系数来表示c d o m 浓度口1 ，本研究以3 5 5 n m 的吸收系数来表示c d o m 浓度。 2 1 2 2 指数函数斜率s 值的计算 c d o m 对5 0 0 r i m 以下光谱吸收基本上呈现指数衰减的规律。b r i c a u d 等l ”1 提出如下的 公式： 以) = 4 c 一) e x p 陋仇一五) 】 ( 2 3 ) 式中，? d d ) 是c d o m 的吸收系数( m 1 ) ，2 是波长( r i m ) ，勺是参照波长( r i m ) ， 一般取4 4 0 r i m ，s 是指数函数曲线斜率参数。 2 1 2 3 叶绿素a 的测定 采用分光光度法，样品过滤到3 f c 滤膜上，放入冰箱内冷冻4 8 h 后，用9 0 0 , 的热酒 精萃取完毕后，过滤或静0 得到清液后在l r v 2 4 0 1 分光光度计上测量吸光度并计算得到叶 绿素a 浓度。 2 1 2 4 荧光的测定 选取国际上通用的3 5 5l i r a 作为激发波长，2 8 0 - 6 0 0l i r a 作为发射光谱范围，用m i l l q 水做参比样，使用r f 5 3 0 1 荧光光度计测定荧光强度，其中仪器夹缝宽度为5n m ，以1 脚 间隔得到荧光光谱。 f n ( 2 ) = ( 【07 鬈】7 【f g s r q s 】) 。1 0 2 4 采用h o g c 等( 1 9 9 3 ) 提出对荧光强度进行定标处理的方法，即0 0 1 m g l 硫酸奎宁 的稀硫酸溶液定义为1 0 个归一化荧光单位甜f l u ) 。可以用2 4 式表示。 2 t 2 。5 数据分析与处理 运用s p s s l1 0 进行数据统计分析，包括计算平均值，标准差、方差分析、线性及非线 性拟合等。 2 2 结果与讨论 2 2 1c d o m 的光谱吸收和时空分布 l o 童塞笪墨三墨奎兰翌主丝茎 奎塑垄垫塑垦查竺丝兰茎丝墨墨墨塑鎏壅墨些星塑 2 5 2 0 15 10 w a v e l e n g t h ( n m ) 8 03 5 0 4 2 04 9 05 6 06 3 0 7 0 0 w a v e l e n g t h ( n m1 一，暑一舔峨娶登 一m一纂篁娶瞽 ，0 0 2 第二章c i x ) m 光学特性时空分布 w s v e i e n g t h ( n m ) w a v e l e n g t h ( n m ) 图2 2 四个月北太湖所有站点c d o m 吸收曲线 f i g 2 2c d o ma b s o r p t i o nc o e f 五c i e n t so f a l ls t a t i o n si nn o r t hl a k et a i h u i nf o u rm o n t h s 1 2 一e一巅帐擎昏 一，e一赣!呈娶督 南京信息工程大学硕士论文 太湖北部湖区水体光学特性及悬浮物浓度遥感反演 表2 i 北太湖各站点四个月2 8 0 3 6 0a ms 值 肼 l # 3 # 删5 #6 #7 #8 # 1 d # 1 3 # 1 4 # 1 6 # 1 7 # 1 8 # 均 值 比较水体中各介质吸收光谱的差异主要看两个变化，一为振幅的高低，引起振幅变化 的源，也就是造成光谱平均吸收系数变