作者:陆琦 来源:中国科学报 发布时间:2020/7/5 17:55:26
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遥感大数据助力全国湖泊水质监测
20年,湖水变清了

 

巢湖(段洪涛供图)

段洪涛团队在巢湖野外试验(段洪涛供图)

段洪涛在高邮湖测量水体透明度(段洪涛供图)

 

“滇池又见水清岸绿”“治理太湖蓝藻有了新突破”……各大湖泊治理效果的个案报道频频见诸报端,但中国湖泊治理的整体效果如何?能否评价长时间、大范围的湖泊水质状况?

日前,中国科学院南京地理与湖泊研究所(以下简称地湖所)研究员段洪涛团队基于地球大数据整体评估中国大型湖泊水体透明度的时空变化,通过分析其历史变化规律和影响因素,为科学评估湖泊水质状况和管理提供决策支持。相关论文发表在《国际应用地球观测与地理信息》《环境遥感》等杂志上。

方法:水色遥感+云技术平台

在段洪涛看来,2000年可以被看作是中国水环境管理的转折点。

例如,国家制定了流域污染物削减战略,以减少太湖的营养盐负荷,要求所有入湖河流水质均达到国家地表水质量标准规定的三级标准;同时,在其他地区也采取了类似的生态环境修复措施,如农田退耕还林计划等。

20年过去了,这些工程的实施效果如何?段洪涛希望能够借助卫星遥感数据获得一个“全貌”。

事实上,联合国可持续发展目标6.3.2(SDG 6.3.2)评价水质好坏的五个核心指标都不是光学活性物质,卫星无法进行直接监测。但大量研究表明,卫星可获取的水体透明度(SDD)与这些指标有着密切联系,可作为判断水质好坏的依据。

“作为地球大数据的一个分支,水色遥感技术取得了长足进步,越来越多地被用于湖泊水环境质量评价。同时,随着云计算平台的发展,两者结合可以实现长时间序列、大区域范围内湖泊水质状况快速制图。”段洪涛告诉《中国科学报》。

于是,他们利用大量地面实测资料构建中国湖泊透明度遥感算法,基于GEE云计算平台实现2000-2019年的中国湖泊透明度估算,最后根据透明度指标计算中国不同区域湖泊透明度等级比例,并分析其时空变化规律。

结果:西清东浊 整体变清

“我们的研究对象是大于20平方千米的大型湖泊,占中国湖泊总面积的87.02%。整体上,中国大型湖泊清澈程度表现良好,且呈现好转态势。”地湖所助理研究员刘东告诉《中国科学报》。

研究发现,20年间中国湖泊透明度普遍呈增加趋势,说明中国湖泊水体变清了。其中,西部湖泊透明度增加更明显。

刘东分析,流域植被恢复对湖泊透明度增加起主要作用。同时,气候变化对湖泊透明度,主要是青藏高原湖泊透明度增加有明显作用。

从空间上看,中国湖泊透明度表现为“西高东低”。

以胡焕庸线为界,西部的蒙新湖区、青藏高原湖区和云贵高原湖区3个山地湖区湖泊的平均透明度,是东部的东北平原湖区和东部平原湖区2个平原湖区湖泊的2倍有余。

据统计,中国东部包含1059个面积大于1平方千米的湖泊,湖泊总面积约为25752.8平方千米,这些湖泊在当地的生态环境和经济发展中发挥着关键作用。

不过,段洪涛指出,由于近几十年的快速发展,东部地区湖泊大多数处于中营养或富营养状态。

地湖所博士生沈明介绍,他们近期发表的一项研究表明,超过40%东部湖泊透明度仍未达到良好水平。

启示:实施以流域为单位的保护策略

是什么原因推动了我国湖泊透明度“西高东低”空间格局的形成?

刘东表示,湖泊透明度很大程度上决定于总悬浮物或浮游植物等颗粒物含量的变化。

东部大部分湖泊较浅,在一定风速和风向条件下湖泊沉积物更易发生再悬浮,例如巢湖、太湖和洪泽湖在风速分别超过2.75米/秒、3.5米/秒和4.8米/秒时,水柱内颗粒物呈均匀分布,即沉积物会再悬浮至水表。而西部湖泊多为深水构造湖,同等风速对湖泊沉积物再悬浮的影响较小。

“在东西部湖泊形态差异的背景下,东部湖泊还受人类活动的强烈扰动。”沈明补充道。

段洪涛坦言,控制浮游植物过度生长是全球湖泊环境治理所面临的一项重大挑战。“中国许多湖泊都处于严重的富营养化状态,一些蓝藻暴发严重的湖泊已被禁止作为水源地或用于其他经济活动。”

研究发现,流域土地覆盖/利用和气候条件的长期变化,会影响湖泊透明度的年际动态变化。在长时间背景下,将大量农田退耕还林会增加湖泊透明度,即有利于改善湖泊环境。

“这一成功案例表明,应该继续实施和发展以流域为单位的保护和修复策略,以为湖泊生态系统功能修复提供充足的时间和空间。”段洪涛说。

中国科学院南京分院院长杨桂山表示,湖泊透明度时空变异是由区域地形、气候、人类干扰和保护等因素共同决定,本研究为理解气候变化和人类活动共同影响下的湖泊水质演变添砖加瓦。

相关论文信息:

https://doi.org/10.1016/j.jag.2020.102187

https://doi.org/10.1016/j.rse.2020.111950

 
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