基于遥感影像的洪泽湖水华发生过程中温度变化分析

论文总字数：12017字

摘 要

发生水华的水域往往伴随着特定的水温以满足藻类大量繁殖的需要，因此水华过程中水温的变化对水华的预测预警具有重要意义。本文使用分裂窗算法，以洪泽湖为研究区域，基于2013年7月15日 ~ 2013年9月15日中的MODIS影像数据，反演了洪泽湖水温，并综合运用目视解译判读和NDVI指数法各时间段洪泽湖水华的聚集情况，研究了洪泽湖地区水华发生过程中水温的变化规律。结果表明，2013年在洪泽湖水华生长、爆发、消亡周期中，湖面的平均温度与水华的时空分布有着密切关系：时间上，水华主要集中在8月份，温度在27℃~ 35℃之间；空间上，水华刚开始分布于洪泽湖周边，逐渐向湖中心温度较高的地方移动。

关键词：洪泽湖，水华，MODIS，水温

Abstract: The water bloom often accompanies with the water temperature in order to meet the need of the algae blooms, so the water temperature change of the water bloom is important for the forecast and early warning of water bloom. In this paper, the variation of water temperature in the process of water bloom in Hongze Lake was studied using the split window algorithm and the MODIS Image data from July 15, 2013 to September 15, 2013. The results showed that there was a close relationship between the water bloom and the water temperature in the growth, outbreak and demise process of water bloom in Hongze Lake. In 2013, the water bloom concentrated in August within the area where the water temperature between 27 ℃ ~ 35 ℃. Also, water bloom occurred in the edge of Hongze Lake and overspread the center of the Hongze Lake where the water temperature was high.

Keywords:Lake Hongze; Cyanobacteria bloom; MODIS; Water temperature

目录

1 前言 5

2 研究区域和数据来源及处理方法 5

2.1 研究区域概况 5

2.2 数据选取（MODIS） 6

2.3 数据处理 6

3 湖面温度变化对蓝藻的影响分析 15

3.1 从时间上研究湖面温度对蓝藻的影响 15

3.2 从空间上研究湖面温度对蓝藻的影响 17

结论 20

参考文献： 21

致谢： 22

1 前言

近几年，随着社会经济的迅速发展，水体富营养化导致的蓝藻水华已经成为众多具有其重要特征是藻类物质。我国水华的污染现象也很常见，如巢湖、滇池、太湖等都受到不同程度的污染，对水华的治理也越来越引起人们的关注^[1]。水华，在富营养的湖泊中可以迅速生长，构成水华的蓝藻群体大量产生后又大量的死亡， 分解时散发出难以忍受的恶臭， 严重污染空气和水体同时还大量消耗水中的溶解氧气，常造成大批鱼类死亡。更为严重的是，有些蓝藻水体含有一种微囊藻类的毒素， 具有强烈的致癌作用， 直接威胁着人类的健康和生存^[2]。含毒素的蓝藻细胞在水体中迁移，如遇粘土共沉淀或被水生生物捕食后随其颗粒排泄物沉淀等途径，使毒素累计并滞留在底质中，可能对水环境产生影响^[3]。

富营养化的湖泊中含有丰富的有机氮和有机磷，通过光照发生生化反应，就会生成蓝藻。遇到适宜的气象条件(如高温)，蓝藻疯狂生长，形蓝藻水华。蓝藻水华是水体富营养化的主要标志^[4]。本文利用遥感技术，能迅速、同步的监测大范围的水环境质量状况以及动态变化，虽然就精度而言通常低于常规监测方法，但通过这种精度上的损失换取了研究的动态性、同步性和区域性，能够弥补常规水质监测方法定时定点的不足，节省大量的物力、人力，这正是把遥感技术应用于水环境研究的意义所在^[5]。此外，MODIS数据具有较高的时间分辨率(0.5d)和光谱分辨率， 且有长时间序列数据，可以产生几乎实时的图像，而且该数据获取容易、成本低廉、质量稳定，是十分理想的水环境遥感数据源。

根据前人研究的经验来看。在氮磷营养盐差异不大的情况下，光照、风向及水温等环境要素对蓝藻水华的集聚爆发具有较为明显的影响作用。蓝藻的迁移和变化是个复杂的过程。必须通过对多个时间段的影像进行综合分析才能揭示蓝藻爆发与水温等环境因素之间的内在联系。从而进一步阐述洪泽湖水华的时空变化规律^[6]。

2 研究区域和数据来源及处理方法

2.1 研究区域概况

洪泽湖是我国的第四大淡水湖泊，同时也是我国最大的具有灌溉、防洪、水运、调水等综合利用功能的平原型水库，水域面积1597km²（按目前汛期控制水位12.5m（废黄河基面，下同）计），平均水深1.9m^[7]。

洪泽湖属过水性湖泊，水域面积随水位波动较大。在正常蓄水水位12.5米时，面积达2069平方公里，容积为31.27亿立方米。在江苏省西部淮河下游，苏北平原中部西侧，地理位置在北纬33º06′—33º40′，东经118º10′—118º52′之间，为淮河中下游结合部。因受季风气候的影响，洪泽湖降水量较为丰。洪泽湖作为南水北调东线工程的重要调蓄水库，其湖泊水环境的演变不仅关系到南水北调的水质安全， 也关系到沿河、 沿湖地区乃至整个淮河流域经济的可持续发展^[8]。

近几年，洪泽湖蓝藻爆发频繁，2013年8月最为明显，该课题就该时间段前后，2013年7月15日—9月15日的洪泽湖水华爆发过程中的温度变化进行了研究。

2.2 数据选取（MODIS）

为了进一步研究蓝藻爆发过程中的温度变化，本文选取具有较高光谱分辨率和良好时效性的美国MODIS卫星遥感数据作为本论文的主要数据来源。MODIS数据具有较高的时间分辨率（Terra 和 Aqua白天分别过境一次）和光谱分辨率，且有较长时间的序列数据，可以产生几乎实时的图像，但是它的空间分辨率较低；CBERS-1、T M、ETM以及IRS-P6 Liss3数据拥有较高的空间分辨率，但是它的光谱分辨率较低，重返周期较长^[9]。采用Terra星和Aqua星数据的250m，500m，1000m分辨率的地表反射率产品及1km分辨率的定位文件以2013年7月15日—2013年9月15日为研究周期，获取改时间段的MODIS数据，然后通过SEADAS软件对已经获取的MODIS数据进行筛选，去除出现气象条件恶劣、数据传输故障等问题的数据。一共选取了晴朗少云的MODIS数据20景。

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