（环境科学专业论文）河口海域水体悬浮物浓度遥感反演计算的研究.pdf

英文摘要 s t u d yo nt h er e m o t es e n s i n gi n v e r s i o ns u s p e n d e ds e d i m e n t s c o n c e m r a t i o ni no c e a no u t f a ns e aa r e a a b s t r a c t h l 也i sp a p e r ，t h e a p p l i c a t i o l l ，p r o g r e s s a i l dp m b l e m so ft h et c c l l n o l o g y 黜 p r e s e n t e db a s e do nt h ec u r r e n tc o n d i t i o no f o c e a i lr e m o t es e n s i n gi no l l rc o l l i i t r y t h u s ， m e q u a i l t i t a t i v ec x p e r i m e n t a l c a l i b m t i o nm e t h o di s b r o u g h tf o r w a r d ， i nw l l i c h s u s p e n d e ds u b s t a l l c e s 盯em o n i t o r e dw i t l ls a t e l l i t cr e m o t es e l l s i n gi ns c aa r e a 孤dt 1 1 e s c e n ei n v e s t i g a t i v ce x p e r i m e n t so nt h ew a t e rq l l a l 毋h a v eb e e nc a r r i e db yt 1 1 e a p p l i c a t i o no ft h et e c h n 0 1 0 9 yi nl i a o d o n gb a yo fb o l l a is e a n o wt l l ec l a s s i f i c a t i o no f s i l s p e n d e ds u b s t a n c e sa n dt h ed e t e n i l i n a t i o no fc o m p o n e n t sh a v eb e e nr e a l i z e d n e g o o dr c s u l t sa r ea c h i e v e d i nt h ec o u r o ft h em o i l i t o r i n gs u s p e n d e ds u b s t a l l c e si 1 1t 1 1 ec o 嬲t a lw 撇sb y s a t e l l i t cr e m o t es e i l s i n g ，m a n yp r o b l e m se x i s t w 栅r e s u l t si nl o wr e n e c t i v i t y ，觚d 咖o s p h e r eh 解r i o u si 1 1 n u e n c eo ns c a t t e 血go fb l u e - v i o l e ts h o r t 一、a v es p e c 饥蚰i n m em e a i l t i m e ，s p e c 仃as i g n a l si 1 1 c l l l d i n gr e n e c t i o i l s c a t t e r i n g 觚dn u o r c s c e n c ea r e m i x e d 舶ms o l u b i l 毋s u b s t a l l c e so fs e aw 疵r t h e s ea b o v em n go u td i f f i c u n i e si i l s p e c 舰li m a g i n g m i l s ，“i sm o r ed i m c u l tt ou s es p e c 仰mt e c l l 芏l o l o g yd u r i n g i l l v e s t i g a t i o ni nt h ec o 觞t a lw a t e r i n “sp a p e r m em o n i t o r i n g w e r ea c h i e v e df 如mf o l l rv o y a g e so fl ls t a t i o i l s s u r v e y e dt os o m ho fl i a o h ee s t i l a 巧a l n o n gt h e m ，w a t e rt 眦s p a r e n c yw a sm e a s u r e db y s e c k ( s d d ) m e t h o da j l ds l l s p e n d e ds u b s t a i l c e sw e f ed e t 钮n i n e db ym ew e i 咖m e t h o d ， o f 尚c hs 锄p l ew 嬲f i l 伽e dt h r o u 曲g f fb o m s i l i c a t c 酉a s s 肋e rm e m b 砌eo f o 7 肛m a p e r t u r e e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt t l es i g i l i f i c a n tn e g a t i v ec o r r c l a t i o ne x i s t sb e t w e e n t o 诅lc o n c e n t r a t i o no fs u s p e n d c ds u b s 协n c ea 1 1 d 协m s p a r e l l c yi i ll i a o h ea r e a 、v i t ha c o r r e l a t i o nc o e 伍c i e n t0 f 一0 8 5 ，w h i c hi sl 0 9 1 0 s p m i t o t a i c = 1 2 8 6 3 4 一1 9 8 5 0 3xl o g l o s d d ( n = 3 3 ，p o ( 1 2 ) 您 ( 2 ) 变化率d r 儡s 不是常量，而是随s 的增加而减小，即 粤 o ( 1 3 ) 搬2 ( 3 ) s 较大时，r 随s 的增加而迅速趋向小于l 的极值，即 s 土雩。尺( 5 ) 2 尺( o 。) s 。时，积l 钌 搬2 豳，r i s 关 系曲线和r ：- s 关系曲线有一个对应于的转折点 ( 6 ) s s ，时，r 。r 2 ，露l - s 关系曲线和r 2 一s 关系曲线有一个对应于s ，的 交点。 河口海域水体悬浮物浓度遥感反演计算的研究 1 4 3 光谱反射率与含沙量的主要关系式 近年来，国内外学者在进行海面水体悬浮泥沙遥感定量研究中提出了一系列 模式1 2 3 1 。但到目前为止，关于表层悬浮泥沙遥感定量模式，至今还没有统一的看 法，主要可以分成两类：一是经验模式，二是理论模式。 一、经验模式 经验模式是通过遥感数据与地面同步或准同步测量数据建立相关关系式，这 样的关系式是一个粗略的近似。 ( 1 ) 线性关系式 足= 4 + 占s ( 1 5 ) 式中，r 为水面光谱反射率，s 为水体含沙量，a 和b 为与水体光学性质和太 阳与传感器几何关系有关的经验参数。线性关系式应用最早，但与实测结果不符， 仅满足实测关系中的第1 和第4 个特征，属有限的线性区间内近似表达式( 图l r 3 a ) 。 ( 2 ) 对数关系式 r = 4 + b l o g s ( 1 6 ) 式中r 为水面光谱反射率，s 为水体含沙量，a 和b 为与水体光学性质和太 阳与传感器几何关系有关的经验参数。对数关系式仅满足实测关系中的第1 ，2 和 第4 个特征，但反映高含沙量特性的第3 和第5 ，6 个特征差别较大。r 随s 的变 化率积，豳随s 的增加而减小，接近实际情况。当s 较大时，该式的误差较大， 所以仅适合于低含沙水域( 图1 3 b ) 。 (a)(b) 图1 3r - s 的经验关系曲线 ( a ) 线性( b ) 对数 f 培1 3e x p e r i m e n t a lr e i a t i o r i s h i pb e t 、v e e nr 锄ds 第l 章关于水体遥感定量测定的应用 ( 3 ) 多波段关系式 它是考虑s 与多个波段的反射率更，或辐射亮度三，的某种组合之间的关系，不 过，由于各波段在水体中的辐射透视深度不同，所以这样方法的误差较大，这里 不再详述。 二、理论模式 所谓理论模式就是以大气物理和海洋光学的基本特性为依据，从理论上导出 反射率随悬浮泥沙含量变化的基本关系。根据辐射在水中传输的特征，建立发射 率与吸收率、后向散射率等水体固有光学量之问的定量关系：然后确定含沙量与 吸收率、散射率等的关系，根据这两个关系，导出泥沙含量定量遥感模型。 水体是一种吸收、散射介质，可用经典的辐射传输方程描述辐射在水中的传 输： 掣：一( 批( 加，妒) + 瓦( 啪，) ( 1 7 ) d r 式中，右边第一项代表衰减损失，第二项代表散射辐射增量。三( z ，口，庐) 为 水深z 处与辐射方向夹角口方向角矿的方向上的辐射亮度，0 ) 为水深z 处的衰 减比，工。( z ，占，庐) 为路程函数，其积分表达式为： 巧( z ，口，矿) = e ( 口，妒，见，以) 上( z ，见，丸) s i n 眈d 以d 九 ( 1 8 ) 式中罗( 毋，幺，妒，) 为体积散射函数。 解上面两方程组成的方程组，即可建立水体固有光学特性和反射率或向上福 照度之间的定量关系。不过，上面两式过于复杂，直接求解比较困难，常用的理 论模式有： ( 1 ) g o r d o n 关系式 h r g o r d o n 等人在对描述悬浮泥沙水体光漫反射的理论模型作了一次近似 后，提出了泥沙漫反射辐射三的近似模型为： 州c 考， ( 1 9 ) 式中，口为海水的总吸收系数，6 。为海水的总后散射系数，厂为某种函数关系。 河口海域水体悬浮物浓度遥感反演计算的研究 式： 例如，g o r d o n 用m o n tc 蒯。方法解辐射传输方程，得到类似于幂级数的关系 尺= 驰端，“ 式中，口为海水的总吸收系数，6 。为海水的总后散射系数， j c m l l n d a y 等取上式的第一项反射系数的近似值，即 rm 揣4 ( 1 1 0 ) 爿。为常数。 并假设，吸收系数口和后向散射系数6 均为含沙量s 的线性函数，即 口= q + 6 l s( 1 。1 2 ) 【瓦= 口2 + 6 2 s 代入式1 1 l ，再假设水分子散射很小，可忽略不计，最后得到g o r d o n 公式： r ：c + l( 1 1 3 ) 4 + 口s 式中4 、口、c 为常系数，g o r d o n 关系式满足实测关系中的第1 6 个特征 适用区间包括低含沙量和高含沙量斟羽。 ( 2 ) 负指数关系式【8 1 r = 爿+ b 1 一e x p ( 一d s ) 】 ( 1 1 4 ) 式中r 为水面光谱反射率，彳、反d 均为无量纲的常数，均由与水层内的光 学性质和悬浮颗粒粒径有关的参数构成。负指数关系式满足实测关系中的第1 5 个特征，但第6 个特征差别较大，r 在s 很大时迅速趋向小于l 的极值，与实际情 况符合得较好，但仍难准确表达高含沙量区的高阶变化。 利用遥感手段研究河口海域悬浮物浓度是十分有效的。就悬浮物定量判读而 言，解决遥感模式问题乃是关键所在，即确定遥感数据与悬浮物浓度的数学关系， 或称为悬浮物浓度遥感模式。关于悬浮物浓度遥感定量模式，国内外学者进行了 广泛研究，提出了众多形式的模型，如前面所述。国外学者提出的模型，大多不 适合中国河口海域高泥沙含量的情况，国内学者针对中国河口区具体情况，也提 出了相应的模型，但由于某些原因，至今尚无统一的定量模式或可靠的模型参数， 第1 章关于水体遥感定量测定的应用 即使在同一地区也是如此。主要原因在于： ( 1 ) 缺乏足够、可靠的同步实测定标资料： ( 2 ) 利用一个时相的遥感资料得到的定量模式，由于同步实测定标资料缺乏， 且遥感资料未能做有效的辐射和大气校正处理，模式参数很难具有普遍适用性； ( 3 ) 不同时间获取的遥感资料，由于外界干扰条件不同，遥感数据本身存在的 差异性难以有效消除，故不能简单套用不同条件下得到的有关模式参数。 针对上述情况，本文以渤海北部的辽东湾东侧辽河口南侧海域为示范区，根 据多时相、同步性好的遥感和实测的透明度及悬浮物浓度数据，探讨遥感参数与 实测悬浮物浓度间的相关关系，并建立相应的遥感定量模式，并利用多期不同时 相的遥感和实测资料，对模型的可靠性和适用性进行分析和检验。 河口海域水体悬浮物浓度遥感反演计算的研究 第2 章海水透明度及其测量方法的介绍 太阳辐射是海洋生物赖以生长发育的重要能量基础，海水透明度是影响浮游 生物吸收太阳能的重要因素。在赤潮生消过程中，水体透明度的变化对赤潮藻类 的快速增殖起着重要作用，同时由于浮游生物的大量繁殖，水体透明度也因此受 到影响。 2 1 海水透明度 海水透明度是指白色透明度盘( 塞克盘) 在海水中的最大可见度。透明度观 测只在白天进行。观测地点应选在背太阳光处，观测时必须避免船只排出污水的 影响。 2 2 海水透明度的测量方法 海水透明度的测量方法为海洋规范标准测定方法。所使用的透明度盘是一块 漆成白色的木质或金属圆盘，直径3 0 c m ，盘下拴铅锤( 约5 k g ) ，盘上系有绳索， 绳索上标有以米为单位的长度记号，绳索长度应根据海区透明度的大小而定， 般可取3 0 5 0 米。 观测方法：在主甲板的背光处，将透明度盘放入水中，沉到刚看不见的深度， 然后再慢慢提到隐约可见时，记录水色号。读取绳索在水面的标记数值( 有波浪 时应分别读取绳索在波峰和波谷处的标记数值) ，读到一位小数，反复二到三次， 取其均值，即为观测的透明度值，记入水温观测记录表，若倾角超过1 5 度，则应 进行深度校正，当绳索倾角过大时，盘下的铅锤应适当加重。 2 3 海水透明度的表征 透明度的度量有两种方法：一是利用s e c c h i 盘深度，其表征了光线所能穿透 水体的最大深度，单位为米。二是慢衰减系数( k p a r ) ( p h o t o s y n t h e t i c a i l ya c t i v e r a d i a t i o n 的缩写，利用4 0 0 7 0 0 m 之间的辐射能) ，它是海岸带浮游植物和海草 生长的基础。 第3 章悬浮物概念及测定方法概述 第3 章悬浮物概念及测定方法概述 3 1 悬浮物的定义 海洋科学与工程对悬浮物的定义表达有如下形式：有将总悬浮物分为总可滤 悬浮物和总不可滤悬浮物的；有将总残渣分为挥发性残渣和固体性残渣的；还有 将总悬浮物分为有机悬浮物和无机悬浮物的等等。悬浮物的化学和物理性质，滤 器的孔径大小，滤片面积和厚度以及沉积于其上物质的数量和物理状念是影响不 可滤悬浮物与可滤悬浮物分离的主要因素。 悬浮物定义表达s u s p e n d e ds u b s t a n c e ，亦称悬浮体和悬浮固体物( s u s p e n d e d s o l i d ) ，通常又称悬浮固体物质( s u s p e n d e dm a t e r i a l ) 。有关悬浮物在其它学科 上的专有名词理解使用也有不同别名，化学上称为悬浮液( s u s d e n d e ds o l u t i o n ) ， 或称悬浮质( s u s p e n s i o n ) 、悬浮济( s u s p e n d i n ga g e m ) ；化学海洋学应用时，称 为悬浮颗粒物质( s u s p e n d e dp a n i c u l a t em a n e r ) ，有时又称悬浮颗粒物或悬浮颗粒 子( s u s p e n d e dp 锄i c l e ) ；海洋工程学上的悬移质( s u s p e n d e dl o a d ) ，也指的是 悬浮沉积物质( s u s p e n d e ds e d i m e n t ) ；大气和海水泛指悬浮物，英文表达为 s u s p e n d e dm a t t e r 。 总悬浮物分为总可滤悬浮物和总不可滤悬浮物两大类，早先使用的“悬浮的” 和“溶解的”( 残渣) 一词分别相当于不可滤和可滤残渣，它们准确表征水中溶 解性物质、不溶性物质的含量指标。 3 。2 经典总悬浮物的测定方法 总悬浮物( 或称总残渣或总固体物质) 是指水样经蒸发并在一定温度的烘箱 中烘干后遗留于器皿中的物质。烘干的温度选择1 0 3 1 0 5 ，该项残渣可能保留结 晶水，二氧化碳的损失是碳酸氢盐转化碳酸盐的结果；1 8 0 烘干的残渣将失去所 有机械包裹水，这是重碳酸盐转化成碳酸盐，碳酸盐可能部分分解为氧化物和二 氧化碳的结果。 总残渣的计算公式如下： 总残渣( m 班) 1 0 3 1 0 5 或1 8 删2 生掣等竺 ( 3 1 ) 河口海域水体悬浮物浓度遥感反演计算的研究 爿：水样和蒸发器皿重( g ) b ：蒸发器皿重( g ) n 水样体积( m 1 ) ( 1 ) 总可滤残渣：是将过滤后的水样，放在恒重蒸发皿内蒸干，在恒温时增加 的重量，计算方法见下式： 总可滤残渣( m 叽) 1 0 3 1 0 5 或1 8 0 】= 生坐笋巡 ( 3 2 ) 彳：烘干残渣和蒸发皿重( g ) 曰：蒸发皿重( g ) n 水样体积( m 1 ) ( 2 ) 总不可滤残渣( 悬浮物，s p m ) ：水样过滤后留在过滤膜上的固体物质。 计算方法见下式： 总不可滤残渣( m 班) 1 0 3 1 0 5 或1 8 0 1 ；丝【二鱼坚罢坚坚! 堂 ( 3 3 4 ：滤膜和残渣重( g ) 曰：滤膜重( g ) 职水样体积( i i l l ) ( 3 ) 5 5 0 总挥发性和固体性残渣。这种做法是总残渣中( 总悬浮物) 中的挥发 性残渣和固体性残渣，在5 5 0 5 0 灼烧求得，也就是称为“固体残渣”( 或固 体悬浮物质) 在5 5 0 5 0 灼烧l 小时后的残渣。 注意：因为灼烧损失不只限于有机物，所以不能精确区分有机物和无机物残 渣，它还包括某些矿物盐的分解或挥发的损失，只能用下式计算： a ) 挥发性残渣m 扩篙筹等 ( 3 4 ) b ) 固定性物质m 扩篙筹器 ( 3 5 ) 彳：燃烧前残渣+ 蒸发皿重( m g ) 曰：灼烧后残渣+ 蒸发皿重( m g ) c ：蒸发皿重( m g ) 第3 章悬浮物概念及测定方法概述 3 3 海水悬浮物的组成2 4 】 1 9 3 9 年，k 卡勒首次利用丁铎儿效应直接测量海水中悬浮物的含量，1 9 5 3 年，n g 杰尔夫应用光学方法测定太平洋、大西洋、印度洋、红海和地中海的悬 浮物的时空分布，结果表明：海水中悬浮物的含量随地理位置和季节而有很大变 化。海水中悬浮物的含量见表3 1 。 表3 1 海水中悬浮物含量 t a b 3 ，1s e a w a t e rs u s p e n d e ds e d j m e n tc o n c e n t r a t i o n 悬浮物的含量，决定着海水的水色和透明度，还直接影响着海水的声学性质 和其它光学性质。大洋中悬浮物含量只有几微克升，粒度微小，水色深蓝：近岸 和河口海区的悬浮物含量达到l o o 1 0 0 0 毫克升左右，而且颗粒较粗，水色多呈 浅蓝，绿以至于黄。 海水中的悬浮物，即海水中包括胶粒在内的、分散度不同的各种悬浮物质， 它们的粒径一般在几至几百微米之间。为了研究其化学组成，通常用孔径为0 4 5l 【m 的过滤膜将其从海水中分离出来。悬浮物包含有机组分和无机组分两类：有机 组分：主要是生物残骸、排泄物和分解物，由纤维素、淀粉等碳水化合物、蛋白 质、类指物质和壳质物质等所组成。 无机组分：包括石英、长石、碳酸盐和粘 河口海域水体悬浮物浓度遥感反演计算的研究 土等来自大陆的矿物碎屑，在海水化学过程中所生成的硅酸盐、钙十字石、碳酸 盐和水合氧化物等次生矿物，在生物过程中生成的硅骨架碎屑等生源物质。 海洋水体中的悬浮物，大都要沉降到海底。其沉降速率主要取决于颗粒的大 小和几何形状，例如粒径为2 0 呻1 的球状悬浮物，其沉降速度约为0 1 1 0 米天。 在深度达3 6 5 0 米的海域，从表层沉降到洋底要经过l 1 0 0 年的时间。实际上，在 沉降过程中，它们经历着溶解、沉淀、絮凝、离子交换、吸附和解吸等一系列的 物理变化过程。这些过程对海水微量元素的含量分布起着重要的控制作用。 大洋中的悬浮物，主要包含颗粒有机物、无铝无机物和铝硅酸盐3 类，其组 成随深度而变化：在表层的海水中，大部分悬浮物是有机物；在近底层的海水中， 约一半的悬浮物为无铝无机物。沿岸和河口的悬浮物，组成比较复杂，主要是来 自大陆的有机颗粒和无机颗粒。离岸越远，生物过程和化学过程中形成的成分( 次 生成分) 越多。虽然在沿岸海水中无机组分和有机组分在深浅不同的水层含量变 化幅度比较大，但是平均起来，前者的含量稍多于后者。例如墨西哥湾的悬浮物 中，颗粒有机物的平均含量只占4 0 左右。 海水中悬浮物的表面，能够有选择地吸附有机负离子，因而常带负电。悬浮 颗粒所携带的这些有机物，为细菌和其它微生物的繁殖提供了有利的条件。 第4 章河口与海湾悬浮物的测定方法 第4 章河口与海湾悬浮物的测定方法 4 1 海洋悬浮物监测方法概述 海洋学悬浮物质含量是表征水体质量的重要参数。悬浮颗粒直接参与河口、 海洋的物理过程，作为载体，携带污染物进入海洋。测定悬浮物的浓度，可以了 解海洋环境质量及污染物的迁移规律。 中国海湾中的悬浮物质大部分由河流搬运入海，少部分来自外海浮游生物及 海洋自身的有机物质。悬浮物质由不可滤和可滤两部分组成。不可滤物质包括碎 屑矿物，粘土矿物，大多由河流搬迁入海，其含量由近岸向远海方向递减，由7 5 减至2 5 以下，而可滤组分则由2 5 增至8 0 以上。 测定悬浮物质浓度，最常用的方法有过滤重量法、光学法和遥感技术。过滤 重量法准确度较高，最大相对误差和5 ，此外尚可保存样品，进行粒度、矿物成 分及有机碳等项目的分析。 海洋悬浮物监测的分析技术己成为海洋环境科学研究领域中的热点课题。特 别是西方经济发达国家，采用新技术、新方法研制了可适应海洋倾废和港口疏浚 监视监测的可靠技术装备，逐步取代经典的灵敏度较低的单项测定仪器。 4 2 海洋悬浮物标准物质的选取 海洋悬浮物测定的标准物质，最好选用疏浚海域的沉积悬浮物，也称为成浊 物质。但是海区成浊物受水体赫度变化的影响，特别在河一海交汇区，悬浊物的组 成成分变化较大，它的有机、无机河生物成分的百分比不是固定不变的，很难确 定海洋悬浮物的统一标准。 目前，海水悬浮物间接测定方法中，标准物质是参照海水浑浊度标准物。在 海洋疏浚或倾废活动过程中，水体的悬浮物的多寡，直接影响着海水浊度和透明 度。 海洋悬浮物标准国内外推荐有二氧化硅、高岭土、漂泊土、硫酸钡、乳香和 甲醛联氮等物质，见表4 1 。由于采用的标准物质不同，其颗粒物质的大小、颜色、 比重等直接影响光线散射和吸收作用。目前采用浊度法测定方法来间接测定悬浮 物，应当理解为反映水体光学特性指标，而不完全代表水体悬浮物的实际浓度。 河口海域水体悬浮物浓度遥感反演计算的研究 悬浮物的测量方法很多，大多采用重量法，选用0 4 5 u m 孔径滤膜，截留膜表 面颗粒物称为悬浮物，这种是最常用的方法，最大优点是不用标准物，但操作手 续繁琐。 表4 1 海水悬浊物质组成和标准物质成分统计表 t a b 4 1s e a w a t e rs u s p e n d e ds e d i m e n tc o m p o s j t i o n 卸d s t a i l d a r ds u b s t a l l c ec o m p o s i t i o ns 诅t i s t i c s 第4 章河口与海湾悬浮物的测定方法 4 3 监测技术对比及讨论瞄1 4 3 1 方法一：重量法 ( 1 ) 适用范围和应用领域 本方法适用于河口、港湾和大洋水体中悬浮物的测定。 检出限：2 m g l 测定上限：5 0 0 0 m g l ( 2 ) 方法原理 一定体积的水样通过o 7 l m 的滤膜，称量留在滤膜上的悬浮物质的重量，计 算海水中的悬浮物质浓度。 重量法受过滤膜孔径大小制约，该法最大相对误差4 5 。 ( 3 ) 重量法计算公式： s s = w 一w ：一号? ( w 。一w e ) wl w2 一一7 w 。一w6i ”- f 、 7 ( 4 1 ) y 式中：船悬浮物质浓度( m g - d m 。) w ，一悬浮物中水样滤膜重 i ，广水样滤膜重 p 一水样体积( l 或d m 3 ) w ，一过滤后空白校正膜重量( m g ) w 矿一过滤前空白校正滤膜重量( m g ) ，卜一空白校正膜数。 ( 4 ) 室内工作 1 ) 烘干：将滤膜放入电热恒温干燥箱内( 4 0 5 0 ) 。恒温脱水6 8 小时， 取出放入硅胶干燥器，6 8 小时后再称量。 2 ) 称量：选用分析天平的感量，应视悬浮物质的多少而定。小于5 0 m g 时， 用十万分之一天平；大于5 0 m g 时，则用万分之一天平。称量要迅速，过滤前、后 两次称量，天平室的温度，湿度要基本一致。 2 0 河口海域水体悬浮物浓度遥感反演计算的研究 ( 5 ) 流程如图4 1 图4 1 重量法操作流程 f i g4 1w e i g l l t i n gm e t l l o do p e m t i o nn o w s h e e t 4 3 2 方法二：仪器法 一g d s 3 型浊度仪法 这是种透射颗粒计数仪，透射水样光束时，可被悬浊颗粒散射和吸收而消 减，光的消减量与浊度成正比关系，符合朗伯比尔定律。通过测定透过水样光量 的消减值与标准系列进行比较而定值。一 1 计算公式： b ，u _ 生墨芏盟 ( 4 2 ) 笙! 童塑旦兰墼墨堡望塑型塞互鎏一一 式中b 1 1 j 为水样浊度值，n t u 或f t u ；a 为无浊沌水体积，m i ；c 为原水样 体积，m l ；，为样品水样浊度值。 用此法测定浊度值( n t u ) 浓度7 0 和5 0 0 ，f o 彻丑z i n e 样品重复性相对标准 偏差在6 5 ，相对误差为5 o 。 2 操作流程如图4 2 现场取样l 叫量取水样体 里 水样放入测定仪 图4 2g d s - 3 型浊度仪法操作流程 f 噜4 2g d s 3n e p h e l o m e t e r yo p e r a t i o nn o w s h e e t 二u 1 0 型水质浊度计法 它是一种多功能水质测定仪，此法测定量程范围为0 8 0 0 n t u ，其分辨率的标 准型为1 0 n t u ，扩大型为l n t u ，重现性有时可达3 。携带方便，颇受海洋工 作者欢迎。 1 计算公式： b t u = 毋， ( 4 3 ) 式中b 1 1 j 为水样浊度值，n t u ；c 为测定水样浊度值，n t u ；f 为水样稀释倍 数。 2 操作流程如图4 3 图4 _ 3u 1 0 型水质浊度计法操作流程 f i g4 3u - l ow a i e rq i i a n t yn c p h e i o m e t e r yo p e 洲o n n o w s h e e t 采用以上两种仪器，经检验，没有显著差别。 - 2 2 河口海域水体悬浮物浓度遥感反演计算的研究 第5 章河口和海湾悬浮物变化特征 5 1 北黄海海湾水体悬浮物的变化特征 北黄海水域宽阔，除鸭绿江河口外，属于山川径流体系，其它地段没有大的 河流入海。杨庆霄、邵秘华等人在研究海洋疏浚及倾倒区环境影响及监测与调控 技术时，对于北黄海大窑湾海水的浊度值、透明度和悬浮体含量的变化，采用稳 健统计学方法，进行海水浊度( t u ) 、透明度( s d d ) 、悬浮体( s p m ) 3 种因 素的多元回归计算，求得悬浮体变化关系方程式为： s p m - 2 3 1 7 9 0 1 0 3 s d d + o 0 3 5 9 t u ，其负相关系数( 产o 9 8 ，删。0 5 ) 见表5 1 。 表5 i 大窑湾海水的浊度值、悬浮体含量、透明度值统计表 t a b5 1d a y b a y a w a t e rt i 】倾d 时，s l l s p e n d e ds e d i m e n tc o n c e 曲嘶o n ，d i a p h a n e h y 姐b s t i c s 上述结果是对o 4 5 u m 孔径的醋酸纤维膜而言，从复相关系数变化来看，该海 域疏浚时，悬浮体的比重比较一致。在特定疏浚海区可以利用上面的经验关系式， 通过测定浊度或透明度就可换算悬浮物的浓度。 第5 章河口平海湾悬浮物变化特征 5 2 长江河海交汇的河口水体悬浮物的变化特征 邵秘华、李炎等人在中法长江海域生物地球化学研究中，在长江口的锚系连 续观测站，从测得的悬浮物数据中发现，悬浮物的组成和含量有明显的潮周期变 化，涨落潮过程中，平潮间含量低，涨潮含量大于落潮含量，浊度变化规律同悬 浮物相吻合，它与悬浮物存在着线性关系，其数学表达式 s p m = 2 5 3 + 6 8 t u ( 相关系数产o 8 8 5 ) 式中：s p m 为悬浮物浓度，m l ；t u 为浊度值，n t u 。从荧光粒度测定仪 显示可见，颗粒粒径0 3 8 衄的悬浮体跟流速对应关系较好，悬浮体的变化滞后于 潮周期流速变化l 小时。 在河口地区盐度、悬浮体与透明度三种要素也存在线性的关系： s p m s a = 0 8 9 6 x t u 0 5 0 9 式中：s p m 为悬浮物浓度，m l ；s a 为盐度，这种变化受控于长江水体悬 浮颗粒粒径和黏土矿物含量，见表5 2 。 表5 2 粘土矿物含量及粒级对比 t a b5 2c l a ym i n e r a is u b s t a l l c ec o n t c n ta n dg r a n u l 鲥t yl e v e lc o n l r 船t 河口海域水体悬浮物浓度遥感反演计算的研究 第6 章海水现场采样分析及建模研究 6 1 论文研究内容 卫星遥感在研究海湾图像识别中，采用o 6 i l m 处吸收系数图在海湾内可溶性 物质和微粒含量分布变化曲线，通过测定辽河海域水体透明度及悬浮物浓度数据， 建立两者数学要素的关系表达式，探讨遥感参数与实测悬浮物浓度闻的相关关系， 并建立悬浮物浓度遥感定量反演模式，利用多期不同时相的遥感和实测资料，对 模式的可靠性和适用性进行分析和检验。 6 2 实验监测方法 悬浮物的测定一滤膜过滤和灼烧重量法。 透明度的测定一海洋规范塞克圆盘目视测定法 6 3 实验设备与材料 1 孔径0 7 i i mg f ，f 玻璃纤维滤膜 g f f 玻璃纤维滤膜，是硼硅玻璃纤维膜，做元素汞分析较为适宜，其次用于 悬浮物过滤。其制造指标：孔径为o 7 p m ( 或o 3 p m ) ，电子显微镜测得值为1 p m ， 厚度为8 0 0 m ，它的过滤速度( 小于4 “m 粘土) 每分钟5 0 m l ，6 0 下重量变化 的平均值为o 1 l 。 2 实验仪器 图6 1 超净实验室 f i g6 1s 印日c i 咖1l 址1 0 r 砷o r y 图6 2 透射光电浊度计 f i g6 2t r 撇s m i s s l o 重lp h o t o e l 枷cn e p h e l 锄咖 第6 章海水现场采样分析及建模研究 图63m l l l l o 纯水净化器 图6 4 石英业沸燕馏器 f i g63m l l l l qp u r e w 甜p u n 母e q p m e l l tf i g64 ( h 埘t zs u b b o na i e r n b i c 图6 5 水质p h 计 f l g6 5w 8 女盯q u a l 崎p hm e t 盯 图6 6 卡盖式采水器 f i 9 6 6 l i d d c dg m e p i c k w a t e re q l l i p m e n t 图6 7 悬浮物过滤装置 2 6 河口海域水体悬浮物浓度遥感反演计算的研究 6 4 现场实验步骤 本实验将采样后的滤膜进行以下处理、分析和计算。 ( 1 ) 1 0 5 烘干过夜，光电天平称重； ( 2 ) 5 5 0 灼烧( 至少2 小时) 。如果温度超过5 5 0 ，膜会融化变得很脆， 如果过盐水要冲洗膜两次，使用前用m i l l i q 水冲去膜表面的玻璃纤维，样品过滤 前加3 0 0 n l lm i l l i q 水于样品中，这是减少膜中盐度。使用0 7 p p m 的盐水在水中试 过，结果很好。然后继续烘干，灼烧，光电天平称重，如果仅用于淡水过滤不必 进行第二次冲洗。 w ( 固定性残渣) = w ( 1 0 5 ) 一w ( 5 5 0 ) 扣除空白膜的重量。 经过试验，膜在4 6 0 以上就会融化。所以，实际操作： 1 0 5 烘干过夜，4 6 0 灼烧( 2 3 小时) ，用m i l l i o 水洗去盐分，其它同上。 6 5 现场海域站位布设 研究区位于渤海北部的辽东湾东侧辽河口南侧海域，站位布设如图6 8 。 图6 8 海域调查站位布设图 f i 9 6 8s 髓揪r v e y 蛐砌 第6 章海水现场采样分析及建模研究 6 6 现场数据的采集 在预知卫星通过辽东湾试验海区的时间、轨道高度后，在晴空无云、，低海况 情况下进行现场数据同步采集工作，卫星通过辽东湾试验海区得到卫星图片，如 图6 9 所示。在2 0 0 2 年的每9 月进行了4 次同步试验工作。现场数据采集在上午8 点至下午1 4 点间进行，以利用卫星过境时的高太阳高度角。在有效时间内共采集 了u 个站位的数据，见表6 1 至表6 ，4 。 透明度的测量采用s e c c i i i 盘按照海洋调查规范进行。 每个站位采集了表层水样，分析挥发性悬浮物、固定性悬浮物、叶绿素a 和 浮游植物。悬浮物浓度的测量是在现场将水样过滤到预先准备好的w i l a n i l 孤g f f 滤膜上，放入液氮容器保存后，室内烘干称重得到总悬浮物浓度，高温灼烧后称 重得到无机悬浮物浓度，有机悬浮物浓度由二者之差得到。浮游植物样品经现场 固定后在室内显微镜下鉴定种属和计数。 图6 9 卫星图片 f i g6 9s 加d a i yp l a n e tp h m o - 2 l 河口海域水体悬浮物浓度遥感反演计算的研究 表6 1第l 航次透明度及总悬浮物测量结果 t a b6 1t h e 矗r s ts e q u e n c eo f v o y a g e sd i 印h a n e 时a 1 1 ds u s p e n d e ds e d i m e n ts u r v c yr c s u l t 表6 2 第2 航次透明度及总悬浮物测量结果 t a b6 2s e c o n d l y q u e n c eo f v o y a g e sd i a p h a n c 姆锄ds l l s p e n d e ds e d i m e ms u r v e yr e s u n 2 9 第6 章海水现场采样分析及建模研究 表6 3 第3 航次透明度及总悬浮物测量结果 t a b6 31 1 1 i r ds e q u c l l c eo f v o y a g e sd i a p h a n e 耐a n ds u s p e n d e ds e d i l i l e n ts u r v e yr e s u n 表6 4 第4 航次透明度及总悬浮物测量结果 t a b6 4f o u rs e q u e n c eo f v o y a g e sd i a p h a n e 时a l l ds u s p e n d e ds e d i m e n ts u 九，e yr e s u l t 序号 站位透明度( m ) 总悬浮物( g l ) l 2 3 1 2 3 o 7 0 1 0 0 1 1 0 6 7 遥感定量原理 o 0 5 2 9 o 0 2 0 3 0 0 1 6 8 6 7 1 光的漫衰减 光随深度呈指数衰减，遵从b e e r s 定律，表达式，； k 剐r = 一l n ( 易，b ) z ( 6 1 ) 其中，j 白凇为单位为m 1 的漫衰减系数，历为在深度z 的辐照度，b 为恰低 于水表面的辐照度( j e r l o v ，1 9 7 6 ) 。 6 7 2 卫星遥感反射率 本文使用的反射率是由下式确定的： 撇，2 南高糍 z ， 、。 岛( 彳) ( 1 ，2 ) ( 兄) 正( 五) c o s 岛 。“ - 3 0 - 河口海域水体悬浮物浓度遥感反演计算的研究 其中：。为卫星接收到的辐射率：d 为地球外太阳辐射率；疡为地球外太阳 辐照度；，为归一化的地球一太阳距离；为太阳高度角。 6 7 3 反演定量原理 s t 咖p f & p e 衄o c k ( 1 9 8 9 ) 等针对二类水体的特点，修改了g o r d o n 等( 1 9 7 5 ) 辐射传输模型，估算了中等混浊河口的d e la _ w a r c 湾的悬浮沙浓度【1 8 】。由于光的漫 衰减( k p a r ) 和这个海湾中的悬浮泥沙浓度关系非常密切( p e 咖c k ，1 9 8 5 ；s t 啪p f a i l dp e 皿o c k ，1 9 9 1 ) ，s t 岫p f 柚dp e 肌o c k ( 1 9 9 li 改进了这个方程，开发了指数 形式的k p a r 预测模型： r ( a ) ：丁尝粤萧 ( 6 3 ) 、 ( 1 + g ( a ) ) k 剐r ( 五) 。 其中：r 为遥感反射率( 水上) ；】，7 = 0 1 7 8 ，由表层折射及反射效应而来；f 表示散射项悬浮物、透明度，g 为吸收项，两者均可通过回归分析得到。这介关 系式的前提假设了衰减与悬浮泥沙产生的后向散射关系密切。a v l r r 波段1 位于 主要色素吸收峰的区域之外。因此，在二类水体中，由于增加了后向散射，反射 率通常随k p a r 的增加而增加( 假设一个固定的吸收值) 。 6 8 卫星数据的处理 同步实验得到的4 条轨道的n o a a 1 6 数据，过顶时间为中午1 2 1 3 时，经辐 射校正和几何校正后得到了可见光和近红外波段的反射率，经3 3 像元重采样后， 按照现场站位点的经纬度提取对应现场站位的反射率值。 依据g o r d o n ( 1 9 8 3 ) 的理论和s t u m p f ( 1 9 9 2 ) 和s t u m p f 觚dp e n n o c k ( 1 9 8 9 ) 的方法建立现场实测透明度和r d 的回归关系，r d 由下式得到： r d = r ( 1 ) 一只( 2 ) ( 6 4 ) 其中：r d 为反射率差；r w ( c b 锄n e ll ，6 3 0 ) ，取1 ) 和r ( 2 ) 是波段1 和2 。 6 9 结果与讨论 6 9 1 水体中相关参数的空间分布 在本研究区内共有三条大的河流入海，即辽河、双台子河和大凌河，其中又 以辽河和双台子河的径流量为大。本研究的站位布设以辽河口入海口处为起点， 第6 章海水现场采样分析及建模研究 向辽东湾中部海域延伸，水深最小为4 米，最大为1 6 2 米，纵贯河口的羽流扩散 区。主要水质参数见表6 5 。 表6 5 现场实测水质参数 t a b6 。5f h es c e n er o a d t e s tw a t e rq u a l 姆辨f a m e t e r 在研究区内，水体的盐度由河口向海湾中部有明显的增加。辽河入海口处的 盐度为3 0 ，辽东湾中部的盐度为3 3 4 o ，不同航次的盐度有一定的差异，其中 6 月1 日的盐度平均值为3 2 ，高于7 月和9 月的3 1 3 1 4 。 透明度的变化显示了从河口向海湾中部方向由低至高的变化趋势，河口附近 的透明度为o 8 米左右，在羽流扩散区的边缘附近为1 2 米，到了最大混浊带的外 侧，透明度则提高到2 5 米。水色的变化呈现相反的趋势，在河口区，水色为1 8 2 2 之间，其水深为4 6 米左右。羽流扩散区的中部为1 0 1 5 ，靠近清水区则为6 8 之 间。 研究区内悬浮物浓度的变化呈现