九龍江口1999—2013年懸浮物含量和沖淤環境變化規律分析*

類延輝　吳佳怡　王廣濤　顏曉芳

(1.山東科技大學測繪科學與工程學院　青島　266590)(2.泰華智慧產業集團股份有限公司　濟南　250101)(3.福建省地質測繪院　福州　350011)

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九龍江口1999—2013年懸浮物含量和沖淤環境變化規律分析*

類延輝1吳佳怡1王廣濤2顏曉芳3

(1.山東科技大學測繪科學與工程學院青島266590)(2.泰華智慧產業集團股份有限公司濟南250101)(3.福建省地質測繪院福州350011)

摘要近年來九龍江區域經濟迅速發展,人口迅速增長,流域水質變化明顯。利用Landsat衛星遙感影像為數據源,選用1999年9月,2006年9月及2013年8月的高潮時影像,根據其波段反射率與懸浮物濃度的相關性質,利用(B2+B3)/(B2/B3)提取九龍江口懸浮物濃度分布變化信息。分析結果表明:1999年至2013年懸浮物濃度總體上升,但2006年至2013年懸浮物中高濃度占比有所下降;在此期間,灘涂面積則處于持續下降狀態。

關鍵詞九龍江口; 懸浮物; 灘涂; 遙感監測

Class NumberTP391

1引言

九龍江區域經濟迅速發展,但同時對水質帶來了影響,水質狀況直接關系到人類與社會的生存和發展。水質遙感監測技術則具有快速、廣域、低成本和周期性的特點,可及時提供整個流域的水質狀況以及污染物質的時空遷移特征,具有不可替代的優越性[1]。懸浮物(Suspended Sediment,SS)是最先被遙感估測的水質參數,其濃度、顆粒大小和組成是影響光譜反射的主要因素[2]。懸浮物濃度是表征水生態環境的一個重要參數,直接影響到水體的光場分布,對于水體表現光譜特性也有較大影響[3]。水中懸浮物質也影響水生生態條件和河口海岸帶沖淤變化過程,對近岸工程、港口航道建設等都具有重要的意義,是了解和管理海岸信息的重要依據[4]。

圖1　不同懸浮物濃度水體光譜特征曲線[9]

在水質環境參數研究和應用中比較成熟的是水體中懸浮物質和葉綠素的提取[5]。早期的研究已證明了定量遙感反演其含量的可行性[6]。國內外學者對懸浮物的遙感開展了大量的研究工作。在國內,王學軍等利用遙感信息和實測水質參數評價了太湖水質[7];光潔等利用不同季節的Landsat TM影像建立了太湖分季節的懸浮物遙感估算模型[8];梁思等利用水體光譜數據和同步觀測的水質參數濃度數據,研究了東湖葉綠素a和懸浮物定量遙感反演特征波段與波段組合,在此基礎上構建了經驗模型[9]。早在20世紀70年代初,Klemas等就提出了用MSS數據估算Delawane Bay海灣懸浮泥沙含量的線性統計模型[10];Nellis等利用1993年4個不同時相的Landsat TM影像數據對美國堪薩斯州的Tutte Creek水庫在水災前后懸浮物、濁度以及透明度的變化方面作了相關研究[11];Dekker等提出基于實測的水體內在光學性質的物理光學模型提取懸浮物濃度,該算法經過大氣校正及水氣界面校正,分析了新西蘭Frisian湖南部的懸浮物水平,且可用于多時序的TM和SPOT數據中[12]。

本文選取了三個不同年份的九龍江口TM影像,通過同一時期高低潮影像,提取灘涂信息,比較不同年份的九龍江口懸浮物含量及灘涂消長變化,結合沿岸的建設發展情況,探討經濟建設發展對該區域懸浮物含量與沖淤環境變化的影響。

2研究區域及數據預處理

2.1研究區域

九龍江位于東經116°46′55″～118°02′17″,北緯24°23′53″～25°53′38″,是福建省的第二大河,流域面積1.47×104km2,年平均徑流量達82.2×104m3(浦南斷面)九龍江流域由北溪與西溪兩大支流構成,北溪和西溪匯合于漳州,經廈門港入海。九龍江口的研究區域界定如下[13]:水域部分的西界至九龍江北溪的江東橋閘、西溪的西溪橋閘和南溪的南溪橋閘,北界為海滄大橋,東界為廈門島南端的白石炮臺經青嶼至龍海市港尾鎮島美村一線,包括河口海域和廈門灣南部海域以及廈門西港海域的南半部分。

圖2　九龍江口示意圖[9]

本文研究內容涉及懸浮物含量以及灘涂提取,用到TM/ETM+/OLI影像1～5波段。本文選取了三個不同年份的九龍江口TM影像。所選取的六幅Landsat影像數據相關信息如表1所示。

表1　所用數據時間及潮位

首先將九龍江口6個時相landsat遙感影像進行幾何精校正。配準采用影像到影像的方式,將6幅landsat原始圖像配準到經過地理精校正的2001年TM圖像上。然后,采用最暗像元法(Dark Object Subtraction,DOS)對涉及的6幅影像的各個波段進行大氣輻射校正。最后選取的影像如圖3所示。

圖3　2013年研究區影像

3懸浮物含量及灘涂提取與分析

3.1水體信息提取

水體信息的準確提取對研究至關重要。以1999年水體提取為例,圖4為1999年研究區裁剪結果,圖5為1999年水體提取結果示意圖。經過比對可知,此次水體提取結果是比較準確的。

圖4　1999年研究區裁剪結果

圖5　1999年水體提取結果

3.2九龍江江口懸浮物變化的分析

由三個不同時像的懸浮物含量濃度分布圖(圖11～13)直觀得看出,歷年懸浮物含量高濃度集中出現在九龍江支流以及河口地區,這與九龍江流域上游的經濟開發活動頻繁有關,加上支流河道狹窄,水體流動緩慢,不利于水體的流動自潔。河流入?？诔鲆虼藠A雜大量泥沙,在河口處形成淤積。懸浮物含量低濃度主要出現在遠離廈門島及九龍江河口地區,這符合懸浮物遠離近陸及河口地區濃度較低的一般規律。除以上區域,懸浮物濃度含量均以中高濃度及中低濃度為主,各時段分布有所差異。

3.3灘涂提取

習主席強調，今后一個時期軍民融合發展，總的是要加快形成全要素、多領域、高效益的軍民融合深度發展格局，豐富融合形式，拓展融合范圍，提升融合層次。與單純意義上的“軍轉民”或者“民為軍用”所不同，“軍民融合”更強調科研、技術與制造的融合、高端產業的融合和體制、機制、人才的融合?？梢哉f，科學技術融合是軍民融合的基礎和重要環節。

采取相近年份的高低潮水體影像相減的方法進行灘涂提取,提取結果圖6～8所示。圖6可視為2000年灘涂提取結果,圖7可視為2005年灘涂提取結果,圖8可視為2013年灘涂提取結果。

圖6　2000年灘涂提取結果

圖7　2005年灘涂提取結果

圖8　2013年灘涂提取結果

為了體現灘涂的變化,將鄰近年份的灘涂提取結果做差值比較,比較結果如圖9～10所示。

圖9　1999年至2006年灘涂變化結果示意圖

總體上1999年～2006年灘涂總面積沒有明顯變化,2006年～2013年灘涂面積大量減少,主要變化發生在九龍江入海口處及大兔嶼及海滄大道之間。

圖10　2006年至2013年灘涂變化結果示意圖

3.4懸浮物濃度提取

為了全面反映懸浮物光譜特性,選用(B2+B3)/(B2/B3)作為估測懸浮物濃度的變量。其中,B2+B3可有效反映出高、低濃度懸浮物的光譜特征;B2/B3是為了去除葉綠素對低濃度懸浮物遙感信息的干擾。在懸浮物濃度較低、葉綠素濃度較高的情況下,因B2處于葉綠素的反射峰,故B2+B3將增大,又因B3處于葉綠素的吸收峰,故B2/B3也將增大,因此,(B2+B3)/(B2/B3)相應減小,從而起到消除葉綠素對懸浮物遙感信息干擾的作用[14],用每一個時相的(B2+B3/(B2/B3)運算后影像的像元灰度值(DN)來直接代替懸浮物的濃度水平。

為了劃分不同懸浮泥沙濃度的水體,采用以下的指標作為標準(M代表平均值,D代表標準方差):SI>M+D,高濃度懸浮泥沙;M

為了揭示懸浮物濃度時空變化,首先,利用偽彩色對影像進行顯示。通過顏色差異直觀反映了不同懸浮物濃度的空間分布。將水中懸浮物濃度按低濃度到高濃度分為四級,以不同灰度顯示(圖11～13)。并對每個濃度級別的面積比率進行了統計(表2、圖14)。

圖11　1999年懸浮物濃度分布圖

圖12　2006年懸浮物濃度分布圖

圖13　2013年懸浮物濃度分布圖

分級1999年2006年2013年面積(km2)比率(%)面積(km2)比率(%)面積(km2)比率(%)低濃度5.982.0530.8110.935.312.09中低濃度186.2063.9915.085.3556.3622.15中高濃度53.4518.37194.0268.82157.8762.05高濃度45.3615.5942.0114.9034.8813.71總計290.99100281.92100254.42100

圖14　不同年份懸浮物濃度占比示意圖

由以上資料可以直觀地看到,近幾十年研究區的水體面積持續減少,懸浮物濃度變化最明顯的為濃度由1999年以中低濃度為主轉變為2006年及2013年中高濃度為主。

3.4.11999年～2006年間環境變化

由表2可以看出,1999年懸浮物含量中低濃度區域面積為186.20km2,占水體總面積比達到63.99%。2006年懸浮物中低濃度面積占水體面積比僅為15.08%,占比大大下降,反之,中高濃度區域的面積占比由1999年18.37%上升至68.82%。此間,研究區域懸浮物含量變化最主要體現在以中低濃度為主轉換為以中高濃度為主(圖14)。由圖6～圖8可以看出,2000年及2005年灘涂主要分布在九龍江入海口處及海滄區及大兔嶼之間,總體變化上2005年這兩處的灘涂面積均有所下降。

1999年以前,人類經濟活動不活躍,對流域水質影響相對較小,九龍江口區域水體懸浮物濃度以中低濃度為主。21世紀以后,經濟建設大量開展。其中九龍江北溪飲水工程漳州境內及廈門段分別于2001年及2002年進行了工程改造,工程進行帶入了大量泥沙進行河段,導致懸浮物濃度上升;截止2006年,九龍江流域共建設水電工程計1000多座,攔江蓄水發電,上游河邊最好的田地被淹,下游缺水土地無法充分利用,被淹沒的森林死掉,水土流失嚴重;九龍江沿岸的養殖業,特別是生豬養殖業的大規模擴張,養殖帶來的污染不容小覷;流域上游的林業資源也遭受破壞,導致流域水土涵養功能下降,大量泥沙流入河中,在河口處形成淤積,進一步導致河口處懸浮物濃度較高。2000年左右九龍江口開墾了部分灘涂進行水產養殖,導致該處灘涂面積減少,并且懸浮物濃度由高濃度下降為中高濃度。這是由于灘涂清淤造成的,但是,同時水產養殖對水體還是有較大影響,所以該區域水體懸浮物濃度以中高濃度為主。廈門西港區段,1997年至2001年海滄大橋下面的填海以及海滄大道的修建,使得大兔嶼與海滄大道之間的海域淤泥沉積嚴重。加上受到九龍江泥沙運轉影響,廈門西港區段懸浮物濃度以中高濃度為主。

3.4.22006年～2013年間環境變化

由表2及圖14可以看出,2006年與2013年相比,雖然二者懸浮物濃度均以中低濃度和中高濃度為主,但相較于2006年,2013年中低濃度占比有所上升,中高濃度占比有所下降,這是由于政府有關部門逐漸重視生態環境以及發展得可持續性,出臺了大量有關環境保護政策。

九龍江沿岸生豬養殖規模不斷擴大,很大程度上影響了流域水質,2007年政府出臺了政策:關閉九龍江干流沿岸一公里范圍內的生豬養殖場,2009年整治完成,九龍江口懸浮物濃度有所下降。2008年漳州政府推廣生態農業模式,流域主要污染物排放總量得到有效控制。2009年漳州市全力推進九龍江流域城鎮污水處理廠及配套管網建設。2012年,龍海市強化流域生態保護與建設。在政府大力整治九龍江沿岸的環境亂象后,九龍江口懸浮物濃度變化反應良好,開始有由中高濃度轉為中低濃度的趨勢。河口淤積也進一步減少。

2003年九龍江口實施灘涂、淺海清淤,增加納潮量,提高水體交換能力,改善海域水質和生態環境;2007年省環保局、廈門以及漳州、龍巖等地投入2000多萬元整治九龍江,進行了河段清淤;2009年九龍江口海滄區進行了疏浚,清理了由于填海造陸流動的淤泥,廈門海滄及大兔嶼之間的灘涂面積大幅降低;結合懸浮物濃度分布圖(圖14),可以看出,進行了清淤活動的水域懸浮物濃度均有相應下降。由此可以得出結論,人類對環境的干涉是有效的,能夠積極地保護生態環境。

4結語

通過分析1999年～2013年之間的遙感監測數據,發現九龍江口懸浮物含量和沖淤環境變化規律如下: 1) 1999年九龍江口的懸浮物濃度以中低濃度為主,占全部研究水域的63.90%,2006年及2013年九龍江口的懸浮物濃度均以中高濃度為主,占全部研究水域的百分比分別為68.82%和62.05%。 2) 2006年及2013年的數據雖然均顯示以中高濃度為主,但2013年中低濃度占比有所上升,中高濃度占比有所下降,灘涂面積處于持續下降狀態。2009年九龍江口海滄區進行了疏浚,清理了由于填海造陸流動的淤泥,廈門海滄[15]及大兔嶼之間的灘涂面積大幅降低;結合懸浮物濃度分布圖(圖11～13),可以看出,進行了清淤活動的水域懸浮物濃度均有相應下降。這說明政府有關部門在近幾年來開展的流域可持續發展政策和清淤活動已見成效。

通過分析懸浮物含量和沖淤環境變化與人類活動的關系,發現近十幾年來在九龍江區域進行的經濟開發活動以及近幾年開展的環境保護政策對九龍江口的懸浮物含量及沖淤環境變化影響顯著。因此,進行經濟開發活動時,應當從社會發展、環境變化之間尋找平衡,促進整個流域的可持續性發展。

參 考 文 獻

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收稿日期:2016年1月7日,修回日期:2016年2月14日

基金項目:國家自然科學基金項目(編號:41201381);山東省“泰山學者”建設工程專項經費資助。

作者簡介:類延輝,女,碩士研究生,研究方向:地理信息系統應用與研發。吳佳怡,女,碩士研究生,研究方向:地理信息系統。

中圖分類號TP391

DOI:10.3969/j.issn.1672-9722.2016.07.002

Analysis of Suspended Sedment and Silting of Tidal-flat Change in Jiulong River Estuary From Year 1999 to 2013

LEI Yanhui1WU Jiayi1WANG Guangtao2YAN Xiaofang3

(1. Geomatics College, Shandong University of Science and Technology, Qingdao266590)(2. Telchina Group Go., Ltd, Jinan250101)(3. Fujian Geologic Surveying and Mapping Institute, Fuzhou350011)

AbstractWith the rapid development of economics and growing population, river water quality has changed significantly over the years in Jiulong River Estuary. In this paper, Landsat satellite remote sensing image is used as the data source, in which image when the climax September 1999, in September 2006 and August 2013 image when the climax are selected. According to the nature of the spectral reflectance associated with the concentration of suspended sediment, (B2+B3)/(B2/B3) is used to extract Jiulong River Estuary suspended sediment concentration distribution change information. The results showed that from 1999 to 2013 the overall increases in the concentration of suspended solids, but upper and middle concentrations of accounting from 2006 to 2013 declined suspended matter. The beach area is in constant decline.

Key WordsJiulong river estuary, suspended sediment, tidal-flat, remote sensing monitoring