近30 a云贵高原湖泊表面水体面积变化遥感监测与时空分析

以云贵高原湖泊近30 a来的TM、ETM~+和OLI遥感影像为数据源,采用归一化水体指数(NDWI)、改进归一化水体指数(MNDWI)、新型水体指数(NWI)、增强型水体指数(EWI)和自动水体提取指数5种水体指数提取了1985—2015年云贵高原10个湖泊表面水体面积,并对各种算法进行精度对比分析.针对湖泊各自特点采用不同的水体指数提取其表面水体面积,并进行水体面积变化时空分析.结果表明:云贵高原湖泊表面水体面积总体呈现先增加后缩减趋势,1985—1995年湖泊表面水体面积增加了30.86 km~2,1995—2015年湖泊水体表面面积减少了48.12 km~2,其中,面积变化最大的是杞麓湖与异龙湖.对云贵高原湖泊表面水体面积变化与该区域的年降水量、蒸发量、平均气温、流域植被覆盖面积和人类活动时空进行相关分析,结果表明:1)高原湖泊对区域气候变化的响应具有明显的空间差异性,云贵高原湖泊的表面水体面积与气候相关性较显著,气温升高引起蒸发加速,降水量下降,湖面不断缩小,与逐年上升的气温呈负相关,与逐年波动上升的蒸发量呈负相关,与逐年减少的降水量呈正相关;2)云贵高原湖泊各流域的植被覆盖面积与湖泊面积变化相关性较弱;3)人类活动是影响湖泊面积变化的重要因素,大肆围湖造田、围湖养殖以及旅游开发等人类活动直接导致云贵高原湖泊面积的锐减,并对湖泊生态环境产生重要影响.     

遥感影像空间分辨率变化对湖泊水体提取精度的影响

湖泊面积是表征湖泊水情变化的重要指示因子,如何从不同空间分辨率遥感数据中获取客观准确的水面信息,是当前遥感应用研究中的难点问题.本文以鄱阳湖为例,通过选用丰水期和枯水期代表性Landsat ETM+遥感影像,采用最邻近法(NN)和像元聚合法(PA)两种重采样方法,分别获取分辨率逐渐降低的不同分辨率的影像数据,结合归一化差异水指数法研究水域面积随遥感影像分辨率降低的变化趋势及其误差变化特征,同时深入分析不同影响因素对水体提取精度的差异.研究结果表明:(1)空间分辨率是影响鄱阳湖水体提取精度的重要因素之一,随着遥感影像空间分辨率的降低,提取水域面积的精度相对30 m分辨率时呈逐渐降低的趋势,但整体精度较高,最低精度在67.64%以上;(2)NN重采样方法对遥感影像波段亮度值的均值影响不大,但PA重采样后影像的均值和标准差随分辨率逐渐降低且变化更有规律;(3)水体阈值在PA重采样后变化较大,NN重采样后变化较小,因而采用30 m分辨率时获取的阈值提取PA重采样后鄱阳湖水体误差较大,提取NN重采样后的湖泊水体误差较小.本研究结果对于全球变化影响下湖泊水体信息遥感精确提取具有重要的参考价值.     

基于MODIS数据的全国144个重点湖库营养状态监测:以2018年夏季为例

随着经济社会的快速发展和进步,我国湖库水体富营养化情况越来越严重.卫星遥感在水体营养状态监测方面具有重要潜力,但基于卫星遥感的全国范围内湖库水体营养状态监测和分析方面还鲜有研究.本文基于2018夏季的MODIS卫星遥感数据生产FUI指数产品,构建基于FUI水色指数的湖库营养状态评价方法,监测全国范围内144个重点湖库水体的营养状态等级.结果表明：贫营养、中营养、富营养的湖库比例分别为16%、24%、60%;营养状态在空间上分布不均匀,总体上呈现东高西低的现象;东北山地与平原和东部平原湖区以富营养状态水体为主;西部湖库水体以贫到中营养状态为主,尤其是青藏高原湖区贫营养比例比较高;海拔和地表温度等自然因素与工业点源和农业面源污染等人为因素是湖库营养状态的重要影响因素.     

基于遥感和历史水位记录的鄱阳湖区淹没风险制图

提出了一种利用多时相遥感影像和历史水位观测资料,利用ArcGIS空间分析功能实现冲积平原区洪水风险制图的方法.首先利用9幅鄱阳湖区不同时相的Landsat TM/ETM+遥感影像,通过非监督分类的方法提取水体淹没范围,根据都昌水文站资料1955-2001年间水位记录,分别计算鄱阳湖洪水多发期(6,7,8月份)和全年各水位的超频率(EP),假设在相同水位条件下具有相同的淹没范围,将遥感获取的水体边界作为EP的等值线,在ArcGIS的支持下,利用等值线插值实现鄱阳湖区洪水多发期和全年的水体淹没风险制图.     

基于多时相主被动遥感的漓江水面监测与水质参数反演(2016—2020年)

以漓江流域为研究区域,以2016-2020年Landsat 8 OLI、GF-1、Sentinel-2A及Sentinel-1A逐月影像为数据源,选用归一化水指数(NDWI)、改进型归一化水指数(MNDWI)、增强型水体指数(EWI)、归一化差值池指数(NDPI)、后向散射系数(S)与主被动遥感加权指数(JQ)提取漓江水体信息,采用二类水体区域性近岸海域水色算法(C2RCC)、最大叶绿素指数(MCI)、双波段比值法(Double R)及叶绿素反射峰强度(ρchl)4种方式,反演漓江水体叶绿素a(Chl.a)与总悬浮物质(TSM)浓度.将漓江划分为278个基本评价单元,利用水面变化区域差异值(WDr)、河岸线发育系数(SDI)与水体信息变化动态度(K)等指标定量分析漓江上、中、下游枯水期和汛期的水文和水质信息的年内时空动态变化,得出以下结论:(1)主被动遥感加权指数JQ与NDPI指数的提取效果优于NDWI、MNDWI、EWI指数与后向散射系数,但与JQ指数相比,NDPI指数提取精度更高、可信度更强.(2)基于C2RCC算法反演的Chl.a浓度的均方根误差(RMSE)处于0.18~7.88 mg/m³之间,TSM浓度的RMSE为0.17~12.55 g/m³,可较好地反映漓江水质参数变化情况.(3)基本评价单元的划分可清楚地分析出上、中、下游地区水域水面宽度、水域面积、Chl.a与TSM浓度的连续变化情况,实测数据则依靠站点监测,所得结果较分散,无法进行连续性分析.(4)漓江5-10月降水较多、水体流动性强,大部分地区平均水面宽度在100~250 m范围内,水体富营养化程度低,水质较好,但2月水质最差,水体富营养化程度较高地区主要集中于上、中游的兴安县、灵川县等城镇居民区以及下游旅游开发区较多的兴坪镇.     

基于Landsat 8 OLI影像反演的湖北大冶湖水体光学衰减特性

水体光学衰减特性直接影响湖泊的清澈程度和沉水植被的生存,利用遥感技术获取湖泊光学衰减分布特性能极大提高效率.基于2017-2019年的原位调查数据,利用Landsat 8 OLI影像开发了大冶湖水体光学衰减系数(Kd)的遥感反演模型,并分析大冶湖水体Kd的多年时空分布特性与驱动机制,以期为大冶湖流域的修复与管理提供参考...     

洞庭湖水面面积与城陵矶水位之间的绳套关系

洞庭湖是我国第二大淡水湖,与长江连通,在防洪抗旱和湿地生态保护等方面具有重要的现实意义.采用Terra/MODIS L1B遥感数据,提取了2000-2012年洞庭湖水面面积,结合同期城陵矶水位观测数据,建立了城陵矶水位与洞庭湖水面面积的绳套关系曲线.分析结果表明:2000-2012年间,洞庭湖水面面积呈现总体减少的趋势;在季节上表现为规律性的涨落,具有明显的涨(4-6月)-丰(7-9月)-退(10-12月)-枯(1-3月)的水文特征;在空间格局上表现为由湖体中心向外扩张,随后由外向湖体中心逐渐收缩的变化过程;洞庭湖水面面积与城陵矶水位之间具有较高的相关性,但不同时期的相关系数存在一定的差异:枯水期二者相关性较低,丰水期相关性最高,涨水期和退水期相关性较高;这种差异与各个时期的主导因素不同有关,长江来水对枯水期、丰水期的绳套关系影响较大,其中东洞庭湖最为明显;不论丰水年(2002年)或干旱年(2011年),洞庭湖水面面积变化与城陵矶水位之间的相关性均较高.研究结果对于深入认识江湖关系的宏观复杂性、长江中下游地区以及洞庭湖水域洪涝灾害的预防和治理都具有积极的意义.     

三峡水库香溪河库湾浮游植物功能群对水位变化的响应

三峡水库每年经历“水位下降(4—5月)-低水位(6—8月)-蓄水(9—10月)-高水位(11月—次年3月)”的季节波动,年水位落差达30 m。为探究香溪河库湾浮游植物功能群对三峡水库水位变化的响应,于2017年对浮游植物群落和主要环境因子开展逐月调查。共检出浮游植物7门65属79种,隶属于21个功能群,其中优势功能群10个,分别为C、D、F、G、J、Lo、M、P、X2、Y。适应营养丰富环境的C、P功能群在全年维持优势,指示香溪河库湾为中-富营养水体。消落期偏好水体扰动较弱、中-富营养水体的功能群(F、G、X2、Y)成为优势类群;汛期偏好稳定富营养、耐受高光强且对冲刷敏感的功能群(G J、M)成为优势类群;蓄水期和高水位运行期偏好混合的中-富营养水体,耐受低光强且对水体分层敏感的功能群(C、P、D)是优势类群;浮游植物功能类群组成结构随水位变化明显改变。综合营养状态指数表明香溪河库湾在消落期和高水位运行期处于中营养状态,另外两个时期处于富营养状态(39.84≤TSI_M≤60.9);Q指数表明香溪河库湾整体水质为“好”(3.02≤Q指数≤4.17);且两者均随着水位下...     

三峡工程调节作用对洞庭湖水面面积(2000-2010年)的影响

以洞庭湖为研究对象,以11年(2000-2010年)Terra/MODIS 16 d最大值合成的植被指数数据产品集MOD13Q1和同期城陵矶水文监测站的水位数据为主要数据源,通过对NDVI和NIR分别设定阈值的方法,实现了洞庭湖水面面积的综合提取,分析了三峡工程建设背景下,洞庭湖水面面积的年际变化特征和年内变化规律,再结合城陵矶水位数据,对水位与水面面积之间的定量关系进行了深入分析.研究结果表明:三峡工程的运行,很大程度上控制着洞庭湖的入湖水量,对洞庭湖防汛工作有利;在气候变化、三峡水库的共同影响下,洞庭湖区水面面积整体上呈减少趋势;水面面积与水位的拟合结果显示两者具有良好的相关性,其中2000-2003年两者的确定性系数达到0.975.     

洞庭湖湿地植被长期格局变化(1987-2016年)及其对水文过程的响应

基于长序列遥感影像数据、水位日观测数据以及高精度湖盆地形数据,通过提取洞庭湖1987—2016年湿地植被信息,并构建表征水位波动的多周期水情变量,采用逐步回归分析法识别影响洞庭湖湿地植被分布格局的关键水情变量并建立其与植被面积的响应关系.结果表明：1）1987—2016年,洞庭湖湿地典型植被面积在全湖尺度上呈增加趋势,尤其是林地面积,占比由1.77%上升为7.24%.湿地植被格局演变上,东洞庭湖呈现芦苇群落挤占苔草群落空间,并推动湿地植被整体向湖心扩张的趋势.2）影响东洞庭湖苔草和芦苇分布最关键的水情变量是丰水期水位.苔草对丰水期水情存在非线性阈值响应,丰水期平均水位维持在29 m左右,最适宜苔草生长;对于芦苇,丰水期偏枯的水情条件对其生长发育起到促进作用.涨水期和退水期水文过程是影响东洞庭湖湿地植被分布的次为重要的水情因子.涨水期、退水期水位偏低的水情条件对芦苇分布面积的扩张起促进作用.     

新安江对千岛湖外源输入总量的贡献分析(2006-2016年)

运用新安江模型,计算了千岛湖25条主要入湖河流在2006-2016年间的入湖流量,结合同时期入湖河道的逐月水质监测数据,分析了最大入流新安江的营养盐——总氮(TN)、总磷(TP)、氨氮(NH3-N)和高锰酸盐指数(CODMn)总量输入在该时段内的年际变化和季节变化规律,研究了新安江营养盐输入总量变化与新安江水质水量、黄山市人口、GDP和土地利用的关系,探讨了影响新安江营养盐总量的关键影响因素及其对千岛湖水质的影响.结果表明,研究时段内新安江多年平均年入湖水量占千岛湖多年平均年入湖水量的51.4%,占25条主要河流年总入流量的67.3%,新安江CODMn、TP、TN、NH3-N多年平均的输入总量分别为11458.4、214.9、7649.2和756.5 t/a,分别占千岛湖年总负荷的50.7%、34.3%、63.7%和48.4%.各指标的年入湖总量在统计期间均呈上升趋势,且春、夏两季高于秋、冬两季.相关性分析表明,黄山市GDP与新安江CODMn、TN和TP入湖总量呈显著正相关关系,农业面源污染对新安江TN输入总量有显著影响.作为千岛湖最大的入湖河流,新安江营养盐(TP、TN、NH3-N)的输入能显著影响千岛湖的生态系统健康.     

大渡河猴子岩水库入库洪水过程预报-实时校正-概率预报集成

与传统确定性预报相比,洪水概率预报能够为防洪调度决策提供更为丰富的信息。以大渡河猴子岩水库以上流域为研究区,建立新安江次洪模型,并采用动态系统响应曲线进行实时洪水预报校正。在确定性预报校正基础上,建立基于水文不确定性处理器（HUP）的次洪概率预报模型,定量分析预报不确定性,实现入库洪水概率预报。结果表明：(1)利用猴子岩流域2009 2019年水文气象资料,建立的新安江次洪模型整体精度较高,率定期和验证期的洪量和洪峰相对误差均在±20%以内,平均确定性系数分别为0.69和0.72;经动态系统响应曲线校正后,洪峰和洪量误差均有降低,率定期和验证期的确定性系数分别提高0.13和0.09。(2)以2020年3场洪水未来48 h预报降雨为输入,新安江模型预报精度不高,且随着预见期增长而降低,但经动态系统响应曲线校正后,整体预报精度有所提高,洪量相对误差减小幅度超50%,确定性系数提高幅度超60%。(3)HUP次洪概率预报模型提供的分布函数中位数Q50的预报精度在一定程度上优于校正后的确定性预报;提供的90%置信区间覆盖率均在90%左右,离散度均在0.40以下,能以相对较窄的区间覆盖大部分实测值...     

基于自相似河网结构的河网消退系数Cs计算方法研究

新安江模型河网汇流参数Cs对洪峰模拟影响较大,目前Cs的确定需依赖于大量的历史数据,因此Cs的确定成为无资料地区和资料匮乏区水文模型应用中亟需解决的棘手问题.本文基于参数的物理意义,通过自相似河网结构的假定,构建Cs与河网形态、流域下垫面特征的相关联系,提出基于河链蓄量方程的Cs估算方法,对半干旱、半湿润和湿润地区等不同水文气象分区的11个流域的Cs值进行推算并代入新安江模型中进行模拟,经比较发现,11个流域子流域Cs计算均值与新安江模型率定结果相近,说明该Cs计算方法是合理的.选取陈河、屯溪两个典型流域研究单元流域属性对Cs的影响,由结果可以看出Cs与流域面积、河链数、河宽呈正相关,与单元流域距离出口的远近呈负相关,这表明流域分块后各单元流域Cs值不一致,而新安江模型中采用相同Cs值对不同单元进行调节必然会造成汇流计算的误差.为进一步提高该方法在无资料地区的应用效果,将新安江模型汇流模块修改为每个单元使用对应的Cs计算值进行滞后演算,以陈河和屯溪流域为例采用新安江模型Cs率定值、Cs计算均值以及修改后新安江模型3种不同方案进行模拟比较,从模拟结果可以得出,修改后的模型具有明显优势,将模型参数与下垫面条件建立了联系,模型物理机制提高且参数的独立性增强,对于新安江模型在无资料地区的应用具有重要的指导意义.     

新安江模型在资料匮乏的长江中下游山区中小流域洪水预报应用

水文资料匮乏流域的洪水预报(PUBs)是水文科学与工程中一个尚未解决的重大挑战.中国湿润山区中小流域大多是水文资料匮乏的流域,在此地区进行洪水预报的重要手段之一就是水文模型参数的估计.对基于参数物理意义的估算方法(以下简称物理估算法)及两种区域化方法进行了研究,将其用于新安江模型参数的估算及移植.皖南山区的29个中小流域被选作水文资料丰富的测量流域,鄂西山区的3个中小流域被视为水文资料匮乏的目标流域,目的是研究目标流域与测量流域空间位置较远但物理条件相似时,区域化等方法是否可以有效估计模型参数.结果表明,即使目标流域与测量流域空间距离较远,区域化及物理估算法也能一定程度上减少参数估计导致的模型效率损失,且在研究区的最优参数估计方案为单流域物理相似法结合回归法及物理估算法.为长江中下游资料匮乏的山区中小流域提出了可行的新安江模型参数估计方案,为该地区的洪水预报提供指导.     

Using new remote sensing satellites for assessing water quality in a reservoir

Water quality monitoring could benefit from information derived from the newest generation of medium-resolution Earth observation satellites. The main objective of our study was to assess the suitability of both Landsat 8 and Sentinel-2A satellites for estimating and mapping of Secchi disk transparency (SDT), a common measurement of water clarity, in Cassaffousth Reservoir (Córdoba, Argentina). Ground observations and a dataset of four Landsat 8 and four Sentinel-2A images were used to create and validate models to estimate SDT in the reservoir. The selected algorithms were used to obtain graphic representations of water clarity. Slight differences were found between Landsat 8 and Sentinel-2 estimations. Thus, we demonstrated the suitability of both satellites for estimating and mapping water quality. This study highlights the importance of free and readily available satellite datasets in monitoring water quality, especially in countries where conventional monitoring programmes are either lacking or unsatisfactory.     

赣江流域多种数据同化方案的径流模拟比较

为了探讨水文模型在不同水文数据同化方案下的径流模拟差异,本文采用集合卡尔曼滤波算法,以遥感蒸散发产品、实测径流为观测数据,构建了基于新安江模型的数据同化框架。基于此框架设计了4种不同同化方案(DA-ET、DAET(K)、DA-ET-Q、DA-ET-Q(K))以及1种对照方案OL,以赣江流域开展实例研究,评估了水文数据同化中遥感蒸散发产品的时间分辨率、模型蒸散发相关参数时变与否以及多源数据同化对径流模拟的影响。结果表明:在DA-ET方案下,同化两种不同时间分辨率的蒸散发产品均能提高模型整体的径流模拟精度,且时间分辨率更高的产品的同化效果更好;在DA-ET方案的基础上,考虑加入实测径流进行同化能够提升模型径流模拟精度,且DA-ET(K)与DA-ET-Q(K)方案所得径流相对误差的减幅均超过了20%,说明在蒸散发同化过程中同时考虑蒸散发参数动态变化的结果更优;相较于OL方案,4种同化方案均能不同程度地提高模型对径流高水部分的模拟能力,但DA-ET-Q(K)方案表现最差,而其余方案差异并不显著。本研究有助于进一步了解不同数据同化方案在径流模拟中的差异,从而为水资源高效利用与科学管理提供科学依据...     

半湿润半干旱流域空间组合模型研究

在半湿润半干旱地区,下垫面条件复杂,产流机制混合多变,而现有的水文模型由于其固定的结构和模式,无法灵活地模拟不同下垫面特征的洪水过程.本文利用CN-地形指数法将流域划分为超渗主导子流域和蓄满主导子流域.将新安江模型(XAJ)、新安江-Green-Ampt模型(XAJG)和Green-Ampt模型(GA)相结合,在子流域分类的基础上构建空间组合模型(SCMs),并在半湿润的东湾流域和半干旱的志丹流域进行检验.结果表明:东湾流域的参数由水文模型来主导;而志丹流域的参数受主导径流影响很大.在东湾流域,偏蓄满的模型模拟结果优于偏超渗的模型,且SCM2模型(XAJ和XAJG的组合模型)的模拟效果最好(径流深合格率为75%,洪峰合格率75%);而SCM5模型(GA和XAJG的组合模型)在以超渗产流为主的志丹流域模拟最好(径流深合格率53.3%,洪峰合格率53.3%).在半干旱半湿润流域,SCMs模型结构灵活,在地形和土壤数据的驱动下,具有更合理的模型结构和参数,模拟精度较高,适应性较强.     

2002-2017年千岛湖浮游植物群落结构变化及其影响因素

为认识大型水库中浮游植物群落结构的演替特征及其驱动机制,以钱塘江流域新安江水库（下称"千岛湖"）为例,基于2002-2017年16年的水库浮游植物数据,结合同期千岛湖水质与水文气象资料,分析了千岛湖浮游植物结构及优势属的长期变化特征,探讨了影响浮游植物群落结构变化的主要因素.结果表明：2002-2017年千岛湖共鉴定出浮游植物7门93属,主要由硅藻门、绿藻门、蓝藻门及隐藻门种类组成.16年间,浮游植物年均丰度和群落结构经历了4个阶段：2008年前丰度持续低值且蓝藻不是主要类群,2009-2012年丰度较高且蓝藻成为主要类群,及2013-2015丰度降低且蓝藻占比降低,2016-2017年丰度增加且蓝藻再次成为主要类群.浮游植物门类变化的同时伴随着优势属的变化：浮游植物年优势属从2002-2008年的小环藻属（Cyclotella）、隐藻属（Cryptomonas）和蓝隐藻属（Chroomonas）转变为2009-2012年的颤藻属（Oscillatoria）、小球藻属（Chlorella）、小环藻属和蓝隐藻属,2013-2017年又转变为鱼腥藻属（Anabaena）、束丝藻属（Aphanizomenon）、小环藻属、针杆藻属（Synedra）、直链藻属（Melosira）、栅藻属（Scenedesmus）和蓝隐藻属.冗余分析表明,气温、风速、水位、入库流量等气象水文因子和总氮浓度、电导率、氮磷比、透明度等水质因子与浮游植物群落结构变化关系密切.研究结果表明,在千岛湖这种大型贫-中营养水库,浮游植物群落结构不仅受来水营养盐负荷的影响,还在很大程度上受水文、气象条件的影响,给水库藻类水华等生态风险的预测以及水库水质管理带来了挑战.     

一种通过地形指数提取流域自由水蓄水容量空间分布的方法

对于分布式水文模型而言,如何获得参数的空间分布是模型应用的重点和难点问题.本文将分水源参数中的敏感参数——自由水蓄水容量为研究对象.建立地形指数与自由水蓄水容量的函数关系,以此提取流域内的自由水蓄水容量空间分布.最后利用本方法提取了陕西省陈河流域的自由水蓄水容量空间分布,并将之作为栅格型新安江模型的参数进行洪水模拟演算.应用结果表明本文提出的方法得到了理想的模拟结果.该方法以物理规律为基础能较为准确地计算出流域内自由水蓄水容量的空间分布,为分布式模型的发展奠定了坚实的基础.     

Assessment of reservoir sedimentation using remote sensing and recommendations for desilting Patratu Reservoir,India

ABSTRACT

This study describes the assessment of reservoir sedimentation of the Patratu Reservoir using Satellite Remote Sensing (SRS). The sedimentation assessment was carried out using satellite data and reservoir water level data from 2006 to 2012. Water spread area was analysed from satellite data. The Normalized Difference Water Index (NDWI) has been used to delineate open water features and to enhance the presence of water surface in satellite imagery of the Patratu Reservoir. Water spread area of the reservoir at a particular elevation on the date of the passing of the satellite was used to develop an elevation-area curve. For the present case, fluctuation of water level was found to vary from 387.096 to 406.152 m. The linear interpolation/extrapolation technique has been employed to assess the water spread area of Patratu Reservoir at different elevations. Further, these areas were used to compute the live storage capacity of the reservoir between two elevations by the Prismoidal formula. From the study, it was found that due to sedimentation, the live storage capacity of Patratu Reservoir has reduced from 101.95 to 89.96 hm³, thus showing capacity loss of 11.76% in a span of 44 years. To increase the live storage capacity of the reservoir it is proposed to adopt manual and mechanical digging combined with flushing for desilting of the deposited sediment.

EDITOR D. Koutsoyiannis ASSOCIATE EDITOR S. Kanae