基于遥感技术反演洞庭湖区水体富营养状态

梁学玉 曹 进 周 昕

（1.湖南省自然资源事务中心，湖南长沙 410000；2.湖南江汇建设工程有限公司，湖南长沙 410000）

作为我国第二大淡水湖泊，洞庭湖在生态环境保护方面发挥着重大作用，洞庭湖水质状态受到格外关注。洞庭湖受社会经济发展等因素的影响，氮、磷污染突出，富营养化表现显著。总磷、总氮不同程度影响水体中浮游藻类的生长繁殖，研究表明其与具有光学活性的叶绿素a浓度（Chla）有相关性。本文利用环境一号卫星遥感影像数据，对Chla进行遥感反演，通过Chla值分布图反映洞庭湖水质富营养化。

1 信息采集

1.1 地面实测数据

选择2017年10月30日，在洞庭湖水体范围内采集100个水样带回实验室进行Chla浓度检测。将试验得出的值随机分为两组，取70个点用于反演模型建立，取30个点用于验证模型。

1.2 环境一号卫星影像数据

选用2017年10月30日星地同步试验过程中获取的一景环境一号卫星多光谱数据作为建模数据，另取2016年12月6日与2017年3月8日、7月26日环境一号卫星影像数据。对影像数据进行预处理，包括数据读取、辐射定标、几何校正、工作区裁剪、大气校正等。

2 模型建立与验证

2.1 富营养化程度评价

国内外众多学者对湖泊富营养化程度的评价提出了多种形式，选用适合我国内陆湖泊富营养化程度评价的综合营养指数法，将Chla作为参数进行富营养化程度评价。

式中：Chla——叶绿素a含量（mg/m3）；TLIChla——以Chla为参数的富营养化程度指数。

2.2 建立反演模型

对各采样点与影像各波段对应的实测光谱进行单波段、多波段和波段比值等组合算法，对不同波段组合与Chla浓度的关系进行分析。结果表明，b4/b3与试验点Chla浓度值相关性最高。

将波段组合作为自变量与水体Chla浓度值进行回归分析，建立反演水体Chla遥感信息模型：

运用式（1）得到TLIChla，根据富营养化程度评价标准，分为5个等级：0～30为贫营养、30～50为中营养、50～60为轻度富营养、60～70为中度富营养，≥70为重度富营养。

拟合曲线如图1所示。

图1 Chla与x值拟合曲线

2.3 验证模型

用验证点对模型进行验证，将验证点进行反演后，将反演值与实测值进行比较。通过计算，模型估测最大相对误差为27.88%，最小相对误差为0.71%，平均相对误差为9.5%。说明该模型可以应用于洞庭湖Chla浓度估算。

3 结果与分析

在ENVI5.3中分别绘制2016年12月6日和2017年3月8日、7月26日、10月30日的洞庭湖富营养化程度时空分异图，如图2所示。

图2 洞庭湖富营养化程度时空分异图

4 总结

由图2可知，2017年洞庭湖富营养化程度以中营养、轻度富营养为主，但随着季节变化，富营养化程度也相应发生变化。

富营养化程度从高到低依次为夏季（7月26日）、春季（3月8日）、冬季（12月6日）、秋季（10月30日）。小西湖、漉湖、东洞庭湖平均富营养化程度高于南洞庭湖、目平湖。

富营养化程度较高的地方主要位于流动性比较差的肥水区，包括漉湖、小西湖和东洞庭湖西部地区，可能是因为这些地区水循环周期长，TP、TN等营养物质滞留系数大导致营养程度高；水流交换较快的地方，包括东洞庭湖除西部地区、南洞庭湖、目平湖等，外湖属于过水性湖泊，水循环周期短，TP、TN等营养物质滞留系数小，营养物质来不及被藻类充分利用即被水流带走。年径流量大、湖水泥沙含量高、湖水透明度低、高含量的泥沙等，阻碍水体藻类的光合作用，抑制了富营养的发生、发展。

具体富营养化分布面积如表1所示。

表1 洞庭湖富营养化程度分布面积

由表1可知，2016年12月洞庭湖以中营养、轻度富营养为主，占总面积69.22%、29.41%；2017年3月以中营养、轻度富营养为主，占总面积52.29%、45.02%，中度富营养增加，轻度富营养减少；2017年7月以中营养、轻度富营养为主，占总面积48.37%、50.19%，中度富营养继续增加，轻度富营养继续减少；2017年10月以中营养为主，占总面积的87.85%，中营养大幅增加，轻度富营养大幅减少。

说明从2016年12月～2017年7月，水体呈现富营养化逐渐加剧的趋势；2017年7～10月，水体富营养化程度呈现明显好转的趋势。

可能是因为2016年12月～2017年7月随着温度的升高，藻类等浮游植物逐渐生长，叶绿素a含量逐渐增加，水体富营养化程度逐渐增高；7～9月是主汛期，且洞庭湖属于过水性湖泊，汛期湖水流动性较强，水流带走了水体中的部分藻类及营养物质，使得富营养化程度明显下降。

湖南省生态环境厅公布的2016年12月～2017年9月每个月洞庭湖水体营养状态如表2所示。

表2 2016年12月～2017年9月洞庭湖水体营养状态

将遥感反演得到结果与官方数据进行比较分析。对比后可得出，2016年12月～2017年11月，洞庭湖总体营养状态呈中营养-轻度富营养是一致的，南洞庭湖总体呈中营养也一致；2017年3月，总体呈中营养一致。

2016年12月6日遥感反演结果显示中营养，生态环境厅公布信息显示为轻度富营养，结果不一致，遥感反演主要因子是Chla浓度，地面监测主要污染指标为氨氮、化学需氧量、总磷、五日生化需氧量和高锰酸盐指数，说明12月水体中TP、TN等营养盐浓度较高，但是Chla浓度较低，可能是因为Chla浓度受季节影响，冬季温度较低，光照较弱，藻类等浮游植物生长受到限制造成的。

2017年7月26日遥感反演数据显示轻度富营养与生态环境厅公布的中营养不一致，可能是因为夏季是藻类生长繁殖旺盛的季节，水体稳定的情况下藻类大量繁殖，Chla浓度升高，氮、磷等营养盐含量相应也增加。但洞庭湖为过水性洪道型湖泊，暴雨天气水流交换加快，带走了大量藻类和营养物质，氮磷等营养盐含量相应降低。所以主汛期（7～9月）洞庭湖容易出现富营养化程度不稳定的现象，可能暴雨天气或连续几天降雨后，水面上藻类物质与大量营养盐被水流带走，呈现中营养；水体稳定时，浮游植物大量生长繁殖，形成轻度富营养。