基于后向散射系数的鄱阳湖悬浮物浓度反演与垂直分布特征

刘瑶 ，江辉

1. 南昌大学资源环境与化工学院/鄱阳湖环境与资源利用教育部重点实验室，江西 南昌 330031；2. 南昌工程学院/鄱阳湖流域水工程安全与资源高效利用国家地方联合工程实验室，江西 南昌 330099

悬浮物由各种矿物碎屑颗粒的无机悬浮物和微体浮游生物及生物残骸等有机悬浮物组成（张运林等，2014），它是湖泊水质和水环境评价的重要指标之一，是水体物质传输的重要载体，影响湖体的形态变化和湖泊水生态系统健康发展。近年来，随着先进的光学仪器普及，基于固有光学特性的半分析法反演水质参数得到发展（Lee et al.，2002；Han et al.，2016）。如欧洲SALMAN 计划项目对 Eric、Vattern和Malaren湖的固有光学特性进行测量，建立其水质参数生物光学反演模型（Binding et al.，2008；Belzile et al.，2004）；在俄罗斯 Baikal湖、意大利 Albano湖、Garda湖以及芬兰和爱沙尼亚的一些湖泊进行了光学特性测量，建立了基于固有光学特性的的水质参数生物光学模型算法（Giardino et al.，2007）。中国学者Sun et al.（2010）、陆超平等（2012）、杨曦光等（2015）提出了黄东海、太湖、长江口等浑浊水体区域悬浮颗粒物固有光学量与浓度之间的关系式。学者通过现场观测对太湖、巢湖、近岸水体建立了悬浮颗粒物生物光学模型（黄昌春等，2012；刘忠华等，2012；韩留生等，2014)。陈晓玲等（2007）、江辉等（2010）对鄱阳湖表层水体悬浮物浓度构建了遥感反演模型，Wu et al.（2011）开展了鄱阳湖光学深水区水体生物光学特性的初步研究，通过分析鄱阳湖从湖口到都昌湖区47个站位丰水期观测的各种水体组分的浓度与固有光学参数，发现鄱阳湖是一个悬浮物占主导的多因素交互影响的水体光学特性复杂的湖泊，悬浮颗粒物光学特性的研究是水体生物光学特性研究的核心。目前有关内陆湖泊水体固有光学特性与悬浮物之间关系的研究大多局限于表层水体（张海威等，2017）。

水体后向射散系数是遥感信号接收的基础固有光学特性参数，也是光学模型的重要输入参数，它只依赖于水体组成成分，与外界环境光学变化无关，因此其参数测定不受气候条件、光照条件等影响，外界干扰因素小，获取的后向射散系数信息更贴近实际。湖泊水体的后向散射系数与悬浮物有较强的相关性，乐成峰等（2009）研究表明，550 nm波段后向散射系数与太湖悬浮物组分的线性相关决定系数（r2）为0.9254；孙德勇等（2010）研究表明，后向散射概率与巢湖悬浮物浓度呈线性相关，与总悬浮物的决定系数为 0.782；陆超平等（2012）对太湖颗粒物进行主导因子分类，分析了3种类型的550 nm波段散射系数与悬浮物组分的相关性，发现其与无机悬浮物相关性最大，且呈线性相关；Alcântat et al.（2016）建立了561 nm波段后向散射系数与 itumbiara水库总悬浮物浓度的线性关系，结果表明r2为0.700。

传统对湖泊水体悬浮物浓度的监测通常采用过滤水体称重法获得，然而对大湖水体的监测任务重，定点监测有限，垂直观测不同步，快速监测难度大。特别是针对高动态湖泊的水体悬浮物，连续垂直剖面监测难度更大。目前研究湖泊水体悬浮物的垂直分布通常采用表层、中层和底层或更密集的采样方式直接进行垂向分析（张琍等，2014），存在数据实时性差或片面性分析等问题，不能够完全反映垂直水体悬浮物的连续分布特征。基于后向散射系数开展湖泊垂直水体悬浮物浓度监测的方法研究尚未见报道。本研究采用后向射散系数实测和垂直水样过滤实验相结合的方法，针对鄱阳湖高动态水体，构建并应用基于后向散射系数的悬浮物浓度反演模型，为摸清鄱阳湖水体悬浮物浓度的分布规律提供数据支持，解决鄱阳湖高动态水体悬浮物浓度监测难度大的问题提供新的垂直测量技术和方法，同时可为探索湖泊水体悬浮物浓度空间特性和物质来源等方面提供技术支撑，对今后应用遥感技术高精度监测垂直非均匀水体具有实际意义。

1 材料与方法

1.1 研究区与采样站位

鄱阳湖位于长江中下游的南岸，地势南高北低，承纳江西境内赣、抚、饶、信、修等五河来水，湖水由北部湖口出口汇入长江，是典型的吞吐型淡水湖泊。鄱阳湖水位变化大，季节性变化明显，枯水期一般出现在春、冬季，丰水期一般出现在夏、秋季节。鄱阳湖水流受长江水位和五河来水的影响，水体流速变化明显，水龄时间短（Qi et al.，2016）。鄱阳湖处平原区，属大风集中区域，特别是鞋山、老爷庙和瓢山风力最为集中（张琍等，2014）。在丰水期，湖面范围大，悬浮物空间变化不仅受河水流速的影响，还受风速的影响（贺志明等，2011；江辉等，2018）。另外，受采砂作业活动等影响，鄱阳湖北部水体呈现高浑浊特征。

图1 鄱阳湖监测站点分布图Fig. 1 Spatial distribution of observation sites in Poyang Lake

根据2017年11月27日和2018年4月26—27日两次鄱阳湖湖区的水体垂直巡航观测数据，观测区域主要在主湖区及松门山以北的主航道（图1a），考虑湖区水流条件变化、河流汇入以及人类活动变化等影响因素，分别设置了1701#~1711#等11个、1801#~1820#等20个站点，其中，星子站日均水位分别为 9.50、11.78 m左右。站点空间分布如图 1所示。

1.2 数据采集

采集站点的光学参数测定和水样采集同步进行，后向散射系数测量主要使用HOBI Labs公司研发的hydroscat-6p后向散射测量仪，该议器有6个波段，分别是420、442、470、510、590、700 nm（顾艳镇等，2008；Doxaran et al.，2016），测定水体从表层垂直到距湖底50 cm范围内不同深度的水体后向散射系数，测定过程中仪器保持匀速下降，每秒钟获取1次数据。由于鄱阳湖水体为高动态水体，水体的后向散射系数受到水流影响而波动较大，为了减少高动态的变化引起的干扰，通过取平均值的方法获得建模数据。

2017年11月水样采集深度为距水面0.5、2.0、3.0 m等3层水体，2018年4月水样采集深度为表层（距水面0.5 m深度处）、中层（水深的50%深度处）、底层（距湖底0.5 cm深度处）等3层水体。同步监测水体流速、浊度等数据。水样当天送回实验室保存，并进行分析测试，测定不同时期的悬浮物浓度、粒径、可溶性黄色物质（CDOM）和叶绿素 a（Chl-a）等指标。悬浮物浓度测定采用常规的 GB11901-89称质量法，水样通过 0.45 μm的GF/F聚酯纤维滤膜过滤，并于105 ℃下烘干致恒重称其重量，计算水体总悬浮物（TSM）浓度，再经550 ℃高温烘干再次称其重量，计算水体无机悬浮物（ISM）浓度和有机悬浮物（OSM）浓度。悬浮物粒径采用Bettersize 2000激光粒度分布仪进行分析。鄱阳湖不同水层悬浮物浓度监测结果统计见表1。

1.3 悬浮物浓度的反演

受水流速度的影响，部分底部后向散射系数数据与采样高度不完全一致，相应数据不参与模型反演构建与验证。除此之外，各站点3层水样的悬浮物浓度与相应的后向散射系数共有 82组样本，其中63组用于建模，19组随机样本用于检验。由于高浓度水体的多次散射对反向散射信息号产生影响，使得后向散射系数增加速率减慢，故后向散射系数与悬浮物浓度呈非线性关系（图2）。经不同波段的后向散射系数与悬浮物浓度的相关性分析可知，各波段的后向散射系数与悬浮物浓度均呈显著的指数函数关系，随着波长的增加，相关性增强，700 nm波段的后向散射系数与总悬浮物浓度和无机总悬浮物浓度指数函数关系最佳，r2分别为0.849、0.811。鄱阳湖水体700 nm波段的后向散射系数（b700）与总悬浮物质量浓度[ρ(TSM)]之间的关系式见式（1），b700与无机悬浮物质量浓度[ρ(ISM)]之间的关系式见式（2）。水体的后向散射系数与有机悬浮物浓度相关性不显著，可见水体的散射特性主要受水体中的无机物控制，与有机物浓度相关性较弱，这与Bowers et al.（1996）和孙德勇等（2010）的结论一致。

表1 鄱阳湖水体悬浮物浓度监测结果统计Table 1 Results of field measurements of suspended matter concentration in Poyang Lake

图2 鄱阳湖水体后向散射系数（bb-700）与悬浮物浓度的关系Fig. 2 Relationship between backscattering coefficient from 700 nm and suspended matter concentration in Poyang Lake

经验证（图3），总悬浮物浓度、无机悬浮物浓度的模拟值与实测值相关性均较好，r²均达到0.860以上，模拟总悬浮物浓度的RMSE为8.56，模拟无机悬浮物浓度的RMSE为8.70。因此水体700 nm波段的后向散射系数能够有效地反演总悬浮物浓度和无机悬浮物浓度。通过式（1）~（2）分别可获得各站点水体垂直分布的总悬浮物浓度与无机悬浮物浓度。

1.4 垂直分布类型判别原则

若悬浮物浓度与水深呈线性显著相关（P>0.001），认为水体呈垂直非均匀分布；相反，相关性不显著，认为水体呈垂直均匀分布。进一步将垂直非均匀水体划分为增大型、中层增大或减小型、上部增大下部混合型3种类型。根据水体垂直分布特征将水体主要分为4种类型：A型为混合均匀型，即随着水体深度加深悬浮物浓度上下均匀分布，为垂直均匀水体；B型为增大型，即随着水体深度加深悬浮物浓度逐渐或迅速增大；C型为中层增大或减小型，即随着水体深度加深悬浮物浓度先增大再减小或先减小再增大；D型为上部增大、下部混合型，即随着水体深度加深悬浮物浓度增大至中层，下部混合紊乱。

2 结果与分析

2.1 悬浮物垂直分布类型

从监测站点数据分析，有67.74%的站点为垂直非均匀水体，32.26%的站点为垂直均匀水体。由图1b可知，赣江北支入口以北区域均为B型水体；都昌至赣江北支入口段多水混合，水体流速、流态较为复杂，因此该区域存在A、B、C、D 4种类型的垂直分布特征；都昌至棠荫附近区域和湖区主要为A、B型。

由垂直剖面图（图4）可知，A型（图4a）水体由于高度混浊，水体不稳定，导致均匀混合水体总体振幅较大；C型（图 4c）水体占总站点数的6.45%，1801#站点垂直水体越靠中层悬浮物浓度越小，1804#站点垂直水体越靠中层悬浮物浓度越大；D型（图4d）水体占总站点数的6.45%；B型（图4b）总悬浮物浓度和无机悬浮物浓度与水深均呈正相关，说明悬浮物浓度随着水深呈现增加的趋势，该类型是 4种类型中占比最大的，占总站点数的54.84%，在不同区域均出现该类型，分布较广。B型水体悬浮物浓度与深度的斜率各有不同，斜率越小，表明悬浮物浓度随深度变化越大。经线性拟合计算，总悬浮物浓度随深度变化的斜率在0.007~1.156 mg·L-1范围内，均值为 0.369 mg·L-1，ρ(TSM)<50 mg·L-1的中低浑浊水体总悬浮物浓度随深度变化的斜率一般在0.1738~1.1738 mg·L-1范围内，均值为0.474 mg·L-1；无机悬浮物浓度随深度变化的斜率在 0.007~1.100 mg·L-1范围内，均值为 0.386 mg·L-1，ρ(ISM)<40 mg·L-1的水体无机悬浮物浓度随深度变化的斜率一般在 0.200~1.100 mg·L-1范围内，均值为 0.522 mg·L-1，比总悬浮物浓度的斜率大，即 ρ(ISM)随深度变化更小些。而ρ(TSM)≥50 mg·L-1的高浑浊水体斜率均大于 0.03，甚至达到0.0096，比中低浓度的斜率小得多，说明高浑浊水体随深度变化悬浮物浓度快速增大，主要原因可能是高浑浊水体的粒径较大，沉降速度较快，导致其悬浮物浓度增大，而中低浑浊水体的悬浮物粒径相对较小，沿深度方向的沉降速度较小，故悬浮物浓度随深度的变化较小。

图3 模型验证Fig. 3 Models validation

图4 鄱阳湖典型水体总悬浮物浓度随深度变化Fig. 4 Variation of total suspended matter concentration in typical waters of Poyang Lake with water depth

2.2 悬浮物垂直剖面特征

悬浮物垂直剖面能够反映其沿程纵向变化，还可以清晰地表述层化特征。通过两次巡航监测，获得总悬浮物浓度和无机悬浮物浓度的垂直剖面（图5）。总体来看，沿程纵向变化明显，存在显著的层化现象。

由图 5a可知，枯水期都昌段湖面较窄，流速加快，受该区域采砂活动的影响，1708#~1711#站点范围的水体浑浊，总悬浮物浓度超过50 mg·L-1，无机悬浮物浓度超过40 mg·L-1，该区域悬浮物粒径呈上小下大，表现为底泥再悬浮的特征。从赣江汇入点开始，即 2704#站点下游，水体总悬浮物浓度和无机悬浮物浓度逐渐减小。由赣江北支入湖口的2705#站点情况可知，赣江北支来水的悬浮物浓度较小，汇入湖区后降低了湖区的悬浮物浓度；赣江北支入湖口下游受长江水顶托，水流流速降低，大粒径悬浮物沉降，使得悬浮物浓度逐渐减小。由图5b可知，4月份是水位较低的季节，棠荫附近至都昌段剖面呈“河型”，河面较小，航道内水体的流速快，同时采砂船只活动南移（Feng et al.，2012），总体上该区域水体悬浮物浓比同期的主湖区至星子段剖面的浓度大。由图5c可知，4月松门山以北下游区域悬浮物浓度与 11月相比更低，该时期鄱阳湖水位处于上涨过程，为枯水与丰水过渡时期，主湖区水体水面变化较为复杂，受赣江中支来水和冲刷作用影响，水流流速加快；1803#~1805#站点处于浅水区域，湖区底泥再悬浮，水体悬浮物浓度加大，水体分层明显；1802#区域的水体受弯道顶冲，局部水体受流速大、流向不稳定和湍流等影响而呈现高度混合。

3 结论

本文通过对鄱阳湖水体后向散射系数和悬浮物浓度的垂直监测，构建了后向散射系数和悬浮物浓度的反演模型，并将其应用于水体悬浮物垂直分布特征分析。得到以下结论：

（1）水体700 nm波段的后向散射系数与总悬浮物浓度和无机悬浮物浓度具有较好的相关性，所构建的指数反演模型具有可行性，因此后射散射仪具备实时监测悬浮物浓度的功能，能够作为水体组分垂向结构分析的测量手段。

图5 鄱阳湖水体悬浮物浓度垂直剖面Fig.5 Vertical profiles of suspended matter concentration in Poyang Lake各图上方横轴数字为站点号，（a）~（b）分别为2017年11月TSM和ISM垂直剖面Ⅰ（图1中的黄色剖面线）；（c）~（d）分别为2018年4月TSM和ISM垂直剖面Ⅱ（图1中的蓝色剖面线）；（e）~（f）分别为2018年4月TSM和ISM垂直剖面Ⅲ（图1中的红色剖面线）The horizontal axis numbers above the figures are the numbers of the sampling sites, (a)~ (b) is respectively vertical profiles I (yellow line in Fig. 1) of TSM and ISM in November 2017; (c)~ (d) is respectively vertical profiles II (blue line in Fig.1) of TSM and ISM in April 2018; (e)~ (f) is respectively vertical profiles III (red line in Fig.1) of TSM and ISM in April 2018.

（2）鄱阳湖水体垂直分布特征分为混合型（A型）、增大型（B型）、中层增大或减小型（C型）、上部增大下部混合型（D型）4种类型，分别占总站点数的32.26%、54.84%、6.45%和6.45%，该区域近70%为垂直非均匀水体，可见在水色遥感反演中统一采用表层水样监测数据为代表值进行建模，并不完全合理，甚至在某些区域存在较大误差。今后还需通过大量观测数据和遥感反演模型进行进一步验证。

（3）水体总悬浮物浓度垂直剖面变化受水位变化、水体流速和流态的改变、采砂活动等湖区自然条件和人类活动影响，也受到五河来水的浑浊程度影响，使得沿程纵向变化明显，存在显著的层化现象。高浑浊水体悬浮物浓度随深度变化的斜率比中低浓度的小，主要原因可能是高浑浊水体的粒径较大，沉降速度较快，导致其沿深度方向的悬浮物浓度迅速增大。