“MMA”技術(shù)路線在太湖藍藻水華監(jiān)測中的應(yīng)用

莊 嚴，黃 君，宋 挺，張虎軍，沈建榮

無錫市環(huán)境監(jiān)測中心站，江蘇無錫214121

3S技術(shù)是遙感技術(shù)(RS)、地理信息系統(tǒng)(GIS)和全球定位系統(tǒng)(GPS)的統(tǒng)稱，是空間技術(shù)、傳感器技術(shù)、衛(wèi)星定位與導(dǎo)航技術(shù)以及計算機技術(shù)、通訊技術(shù)相結(jié)合，多學科高度集成的對空間信息進行采集、處理、管理、分析、表達、傳播和應(yīng)用的現(xiàn)代信息技術(shù)［1-2］。現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于交通建設(shè)［3］、資源勘探［4］、地質(zhì)調(diào)查［5-6］、災(zāi)害預(yù)警［7］、評估建模［8-9］等領(lǐng)域。在環(huán)境方面的應(yīng)用(如對湖泊水質(zhì)、營養(yǎng)狀態(tài)、藻類等［10-15］)亦趨于多樣與成熟。

太湖為中國典型的富營養(yǎng)型湖泊，自20世紀80年代隨著周邊城市經(jīng)濟的發(fā)展，太湖水環(huán)境急劇惡化，藻類水華頻發(fā)［16］。太湖水環(huán)境監(jiān)測、預(yù)警、治理過程中，3S技術(shù)的應(yīng)用正逐步開展，并越來越受到關(guān)注。以太湖藍藻水華監(jiān)測為例，在整合3S技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出“MMA”技術(shù)路線，劃分為監(jiān)測、測繪、分析等關(guān)鍵步驟對太湖水華情況進行研究。在水華監(jiān)測中將GPS、GIS和RS技術(shù)相互穿插、綜合應(yīng)用，發(fā)揮各項技術(shù)特長，彌補以往單項技術(shù)研究的局限性，從多方面比對分析太湖藍藻水華情況，為湖泊水華監(jiān)測乃至其他環(huán)境因素監(jiān)測提供參考。

1 實驗部分

1.1 地面監(jiān)測

在太湖布設(shè)20個點位(圖1)，于2011—2012年每月水路監(jiān)測葉綠素 a(Chl-a)、藍藻密度(CBD)等項目。Chl-a監(jiān)測方法參照《水和廢水監(jiān)測分析方法》(第四版)中的測定方法［17］，CBD采用6600型多參數(shù)測定儀(美國)測定。

圖1 太湖采樣點位示意圖

6600型多參數(shù)測定儀適用于淡水、海水或被污染水等工作環(huán)境，其主要參數(shù):工作溫度－5～45℃，監(jiān)測深度為 0～200 m，主機重量為3.18 kg，電腦接口 RS232C、SDI-12，存儲量為384字節(jié)(150 000個單參數(shù)讀數(shù))。測定儀安裝有WT、pH、DO、深度、藻藍蛋白等傳感器，其中，測定藍綠藻密度的為6131型藻藍蛋白傳感器，其工作原理為通過對藍藻體內(nèi)特有的藻藍蛋白發(fā)出的熒光定量來實現(xiàn)對藍藻的定量。該項監(jiān)測技術(shù)為目前太湖藍藻密度自動在線監(jiān)測的重要方法［18］，對今后藍藻在線監(jiān)測研究與推廣具有指導(dǎo)性意義。

1.2 遙感與分析

太湖遙感監(jiān)測通過多種渠道獲取太湖流域衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，主要數(shù)據(jù)來源為Terra和Aqua衛(wèi)星，其搭載了MODIS中分辨率傳感器，分辨率為250 m，波譜范圍為 0.4～14.4 μm，有 36 個離散光譜波段，成像帶寬為2 330 km。

對所收集的遙感影像數(shù)據(jù)進行解譯。在異常天氣條件下(如陰雨多云天氣)，遙感影像圖層中有較厚云層覆蓋時，此遙感影像圖層無法用于遙感解譯;當發(fā)現(xiàn)遙感影像圖層中有較薄或局部云層覆蓋時，通過大氣輻射校正后，此遙感影像圖層仍可用于遙感解譯。遙感解譯方法為目視解譯法與非監(jiān)督性監(jiān)測相結(jié)合，并經(jīng)過環(huán)保、氣象等部門會商、核對，確保遙感監(jiān)測結(jié)果的統(tǒng)一性。

對地面監(jiān)測及遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)進行匯總處理。所用分析軟件為ArcGIS軟件，在分析、繪圖中的常用功能包括了 ArcView、ArcMap、ArcEditor、ArcToolbox等，用于監(jiān)測數(shù)據(jù)的可視化、制圖、矢量處理、空間分析等方法步驟。

2 技術(shù)路線

2.1 “MMA”技術(shù)路線概念

在以往應(yīng)用3S技術(shù)研究太湖藍藻水華時，會出現(xiàn)分析結(jié)果差異的情況:①應(yīng)用GPS、GIS技術(shù)監(jiān)測藍藻水華CBD與Chl-a時，根據(jù)湖庫監(jiān)測垂線采樣點的設(shè)置規(guī)范［19］，儀器測定與水樣采集均為水面下0.5m處，故能監(jiān)測到混合于水體中的藍藻情況。②RS監(jiān)測的原理是基于被測水體的光譜特征，水體中藍藻有無及濃度差異，使水體顏色、密度、透明度等產(chǎn)生差異，從而使傳感器上接收到的反射光譜特征存在差異，在遙感圖像上反映為色調(diào)、灰階、形態(tài)、紋理等特征的差別，RS影像數(shù)據(jù)更能反映水面表層或淺水層藍藻水華情況。因此在藍藻總量一定的情況下，當風速較低、水面平靜時，藍藻易浮于水表，而使CBD與Chl-a濃度所測數(shù)據(jù)較低，此時RS圖能較好地反映水華空間分布情況;當風速較大、水體攪動時，藍藻分散于水體中，而使RS影像難以監(jiān)測到水華，此時GIS圖能較好地反映水華空間分布情況。因此，在藍藻監(jiān)測中須綜合應(yīng)用3S技術(shù)，彌補各項技術(shù)存在的不足。

“MMA”技術(shù)路線是將3S技術(shù)綜合應(yīng)用于藍藻監(jiān)測工作的方法，包括了監(jiān)測、測繪、分析等關(guān)鍵研究步驟?？偨Y(jié)以往單項技術(shù)研究中的特長與不足，綜合應(yīng)用GPS、GIS、RS技術(shù)，減少或避免單項技術(shù)研究結(jié)果所造成的局限性、片面性，能更全面、真實地反映藍藻水華情況，為預(yù)警治理、決策施行提供全面綜合的技術(shù)支撐。該技術(shù)路線既適用于水華監(jiān)測，亦可推廣至其他環(huán)境監(jiān)測工作，技術(shù)步驟詳見圖2。

圖2 “MMA”技術(shù)路線示意圖

2.2 “MMA”技術(shù)路線步驟

2.2.1 監(jiān)測

監(jiān)測包括人工監(jiān)測與自動監(jiān)測等途徑。GPS技術(shù)可應(yīng)用于現(xiàn)場監(jiān)測與采樣，包括測點定位、藍藻水華發(fā)生區(qū)的初步定位、水華邊界現(xiàn)場初步定位等。應(yīng)用GPS技術(shù)對太湖藍藻監(jiān)測，能較精確地定位經(jīng)緯度，從而保證采樣與監(jiān)測數(shù)據(jù)的延續(xù)性、可比性。需要指出的是，由于太湖面域廣闊、橫跨江浙，受自動監(jiān)測測定方法、試劑更換、儀器穩(wěn)定性、安全維護等影響，難以全面布設(shè)自動監(jiān)測站點，故目前太湖監(jiān)測仍以人工監(jiān)測為主。自動監(jiān)測是今后水環(huán)境監(jiān)測工作的重要研發(fā)方向，若技術(shù)成熟、成本降低時，自動監(jiān)測將發(fā)揮巨大作用，人工監(jiān)測頻次低、范圍小、受限多等短板將得以彌補。界時，藍藻水華綜合分析結(jié)果將更趨全面、真實。

2.2.2 測繪

測繪是應(yīng)用RS技術(shù)，從宏觀角度監(jiān)測藍藻水華空間分布情況，同時該技術(shù)可應(yīng)用于對遙感影像數(shù)據(jù)解譯后，測繪出藍藻水華發(fā)生區(qū)域、計算水華面積，同時對歷史數(shù)據(jù)進行匯總，結(jié)合GIS技術(shù)，統(tǒng)計水華面積、頻次、多發(fā)區(qū)等信息。

主要有5個步驟:①通過多種渠道獲取太湖流域EOS、MODIS數(shù)據(jù)、環(huán)境一號衛(wèi)星數(shù)據(jù)等衛(wèi)星影像數(shù)據(jù);②將下載的遙感影像圖進行投影轉(zhuǎn)化和幾何糾正，剔除云層覆蓋的遙感圖;③人機交互解譯藍藻信息，利用NDVI指數(shù)表征湖面藍藻聚集情況，設(shè)定藍藻聚集的閾值，并結(jié)合人工目視解譯確定閾值，生成藍藻聚集的SHP文件，目前該步驟工作通過環(huán)保、氣象等部門會商，確保監(jiān)測結(jié)果的統(tǒng)一性;④利用ArcGIS提取SHP文件面積屬性，匯總太湖各水域藍藻聚集情況;⑤數(shù)據(jù)收集入庫，編制報告。

2.2.3 分析

分析是“MMA”技術(shù)路線的關(guān)鍵步驟，是綜合應(yīng)用3S技術(shù)，總結(jié)藍藻水華研究成果的綜合性分析。應(yīng)用GIS技術(shù)將現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)、實驗室檢測數(shù)據(jù)、遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)等進行綜合分析。在藍藻水華監(jiān)測中，一方面可將CBD、Chl-a等指標數(shù)據(jù)通過內(nèi)插值法，繪制濃度分布圖，得到現(xiàn)場及實驗室數(shù)據(jù)分析結(jié)果;一方面可將遙感圖進行處理，繪制藍藻水華頻率圖。

頻率圖制作主要有5個步驟:①對每次遙感解譯獲得的藍藻聚集SHP文件進行“Conversion Tools→to shapefile”轉(zhuǎn)化;②轉(zhuǎn)化后的文件添加一個字段，字段名為L+日期(1號為L01)，賦值字段=1;③將所有SHP圖層進行“Analysis Tools→Union”合并，對新生成的 SHP圖層增加字段Times(頻次)，賦值 Times=L01+L02+ …LN;④根據(jù)Times的值將圖層合并，賦予不同Times值以不同水華頻率的名稱和顏色，其中，水華頻率計算公式為水華發(fā)生頻率=出現(xiàn)水華的天數(shù)/監(jiān)測總天數(shù)(如在4—10月的214 d監(jiān)測總天數(shù)中，出現(xiàn)10次水華，水華頻率即為4.7%)。賦值的顏色越深，代表水華發(fā)生頻率越高;⑤頻次圖修飾(如添加比例尺、經(jīng)緯度等)。

將以上各類數(shù)據(jù)結(jié)果進行核驗比對，形成水華分析報告，全面掌握藍藻水華情況。該方法可拓展至水質(zhì)指標、富營養(yǎng)化指標等分析，為下階段工作、決策提供更趨真實的結(jié)論參考。

3 應(yīng)用案例

3.1 太湖藍藻人工監(jiān)測

2011—2012年對太湖藍藻進行逐月監(jiān)測，結(jié)果見圖3和圖4。

圖3 2011—2012年太湖20個點位Chl-a濃度對比

圖4 2011—2012年太湖20個點位CBD對比

由圖3、圖4可見，2011—2012年太湖 Chl-a年均濃度值均為0.020 mg/L，20個點位的Chl-a年均值濃度范圍為0.009～0.055 mg/L，最小值出現(xiàn)在太湖東部的12#點位，最大值為湖心區(qū)的15#點位;CBD年均值分別為815、855萬個/升，20個點位CBD范圍為313～1 690萬個/升，最小值出現(xiàn)在太湖東北部的5#點位，最大值出現(xiàn)在湖心區(qū)的19#點位。可以看到，EXCEL軟件常規(guī)處理后的監(jiān)測數(shù)據(jù)相對分散，各點位間橫向比較時難以直觀反映太湖藍藻的空間分布情況，故需進一步應(yīng)用GIS技術(shù)對數(shù)據(jù)進行分析。

3.2 太湖藍藻遙感監(jiān)測

2011—2012年的4—10月，每日對太湖遙感影像數(shù)據(jù)進行收集和解譯。根據(jù)“MMA”技術(shù)路線“測繪”中的主要步驟，得每日太湖藍藻水華面積。將解譯圖和數(shù)據(jù)匯總?cè)霂欤锰露群湍甓人A遙感監(jiān)測結(jié)果(圖5)。

圖5 2011—2012年太湖水華面積統(tǒng)計

從圖5可以看到，太湖藍藻水華于5月初前后發(fā)生，但頻次和面積較低，至6月底的平均水華面積僅為12 km2，7月中下旬隨著溫度升高，水華頻次和面積均急劇上升，2011—2012年水華最大面積分別為501、621 km2，水華集中暴發(fā)的8—10月(92 d)間的水華發(fā)生天數(shù)分別為52、43 d?？梢钥吹?，遙感測繪能追蹤水華發(fā)生情況，掌握水華面積的時間變化趨勢，但空間分布僅能反映當日情況，需進一步應(yīng)用GIS軟件對月度、年度情況進行匯總分析。

3.3 太湖藍藻監(jiān)測結(jié)果綜合分析

匯總處理前期數(shù)據(jù)，并參照“MMA”技術(shù)路線“分析”中的主要步驟，將監(jiān)測數(shù)據(jù)和遙感數(shù)據(jù)進行處理繪圖得2011—2012年太湖CBD、Chl-a濃度、水華頻率分布情況(圖6～圖11、表1)。

圖6 2011年太湖Chl-a分布圖

圖7 2012年太湖Chl-a分布圖

圖8 2011年太湖CBD分布圖

圖9 2012年太湖CBD分布圖

圖10 2011年太湖藍藻水華頻率分布圖

圖11 2012年太湖藍藻水華頻率分布圖

從圖6、圖7可見，太湖Chl-a濃度總體呈現(xiàn)“西高東低”的分布規(guī)律，2012年最為明顯，峰值為靠近西部的15#點位，谷值為東部的12#點位。Chl-a濃度大于 0.02 mg/L 的點位有 1#、2#、3#、6#、7#、9#、10#、15#、19#，分布于梅梁湖至湖州的太湖西部沿岸和湖心區(qū)。

圖8、圖9顯示，CBD分布特點與Chl-a相似，但又有所區(qū)別。太湖CBD在西部、南部和湖心區(qū)較高，東部較低。南部 9#、10#、11#點位，湖心區(qū)17#、18#、19#、20#點位和西部 7#點位的 CBD 年均值大于1 000萬個/升，峰值為湖心區(qū)的19#點位，谷值為東北部的5#點位。

圖10、圖11顯示，藍藻水華頻率亦呈“西高東低”的分布規(guī)律，沿岸帶水華頻率高于湖心區(qū)。

表1 2011—2012年太湖藍藻暴發(fā)頻率及面積統(tǒng)計

由表1可見，太湖出現(xiàn)藍藻水華區(qū)域的頻率多小于10%(即214個總監(jiān)測日中，水華頻次小于20 d)，水華頻率小于10%的面積為1 304.75、1 312.36 km2，分別占全太湖總面積(2 338 km2)的55.81%和56.13%;無水華的面積為1 033.30、1 025.56 km2，分別占全太湖總面積的44.19%和43.86%;水華頻率大于等于10%的面積僅為2012年的0.14 km2，占全太湖總面積的0.006%，該區(qū)域位于太湖西部沿岸。

綜上，總體規(guī)律一致，但又有所差異:①CBD、Chl-a及頻率分布圖結(jié)果均表明太湖藍藻水華呈現(xiàn)“西高東低”的分布規(guī)律。夏季藍藻多浮于水面或積聚于淺水層，受東南季風影響向西北部堆集，故西部發(fā)生水華的濃度和頻率較高。該規(guī)律說明湖西區(qū)為太湖污染及藍藻水華較嚴重區(qū)域，是預(yù)警與整治工作重點對象，其水環(huán)境改善將對太湖總體改善起重要作用。②湖心區(qū)19#點位CBD值全湖最高，Chl-a濃度大于0.02 mg/L;而遙感監(jiān)測的頻率圖顯示該點位附近區(qū)域為無水華或頻率小于1%。湖心區(qū)藍藻水華CBD和Chl-a較高的現(xiàn)象亦須引起重視，此結(jié)果差異可能是由于監(jiān)測方法不同所造成。CBD與Chl-a均為監(jiān)測水下0.5 m，而遙感監(jiān)測是反映水面或淺表層的水華情況。故在應(yīng)用3S技術(shù)監(jiān)測藍藻水華時，應(yīng)參照“MMA”技術(shù)路線，綜合分析各項結(jié)果，彌補單項技術(shù)存在的不足，并進行核驗比對，使結(jié)論和建議更趨科學合理。

4 結(jié)論

“MMA”是應(yīng)用3S技術(shù)進行藍藻水華監(jiān)測的一條有效技術(shù)路線，包括監(jiān)測、測繪、分析等關(guān)鍵步驟。該路線能減少或避免單項研究結(jié)果的局限性、片面性，充分發(fā)揮3S技術(shù)各自特長，更全面、真實反映藍藻水華情況，為預(yù)警治理、決策施行提供全面綜合的技術(shù)支撐。該技術(shù)路線既適用于水華監(jiān)測，亦可推廣至其他環(huán)境監(jiān)測工作。

根據(jù)2011—2012年太湖藍藻水華的監(jiān)測結(jié)果，Chl-a年均值濃度為0.020 mg/L，CBD年均值為815～855萬個/升。水華一般發(fā)生于5月初前后，7月中下旬隨著夏季溫度升高，水華頻次和面積均急劇上升，至10月中下旬逐漸減少。全太湖55.81%～56.13%的湖面為水華發(fā)生頻率小于10%，44.19% ～43.86%的湖面為無水華，水華頻率大于等于10%的面積僅為2012年的0.14 km2，占全太湖總面積的0.006%，該區(qū)域位于太湖西部沿岸。

綜合分析發(fā)現(xiàn)，太湖水華總體規(guī)律一致，但又有所差異。一方面，CBD、Chl-a及水華頻率分布均呈現(xiàn)“西高東低”的分布規(guī)律，湖西區(qū)為太湖污染及藍藻水華較嚴重區(qū)域，是預(yù)警與整治工作重點對象;另一方面，湖心區(qū)CBD和Chl-a濃度亦較高，而遙感監(jiān)測的頻率圖顯示為無水華或頻率小于1%，此結(jié)果差異可能是由于方法不同所造成，故“MMA”技術(shù)路線具有實際應(yīng)用意義。

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