类延辉　吴佳怡　王广涛　颜晓芳

(1.山东科技大学测绘科学与工程学院　青岛　266590)(2.泰华智慧产业集团股份有限公司　济南　250101)(3.福建省地质测绘院　福州　350011)



九龙江口1999—2013年悬浮物含量和冲淤环境变化规律分析*

类延辉1吴佳怡1王广涛2颜晓芳3

(1.山东科技大学测绘科学与工程学院青岛266590)(2.泰华智慧产业集团股份有限公司济南250101)(3.福建省地质测绘院福州350011)

摘要近年来九龙江区域经济迅速发展,人口迅速增长,流域水质变化明显。利用Landsat卫星遥感影像为数据源,选用1999年9月,2006年9月及2013年8月的高潮时影像,根据其波段反射率与悬浮物浓度的相关性质,利用(B2+B3)/(B2/B3)提取九龙江口悬浮物浓度分布变化信息。分析结果表明:1999年至2013年悬浮物浓度总体上升,但2006年至2013年悬浮物中高浓度占比有所下降;在此期间,滩涂面积则处于持续下降状态。

关键词九龙江口; 悬浮物; 滩涂; 遥感监测

Class NumberTP391

1引言

九龙江区域经济迅速发展,但同时对水质带来了影响,水质状况直接关系到人类与社会的生存和发展。水质遥感监测技术则具有快速、广域、低成本和周期性的特点,可及时提供整个流域的水质状况以及污染物质的时空迁移特征,具有不可替代的优越性[1]。悬浮物(Suspended Sediment,SS)是最先被遥感估测的水质参数,其浓度、颗粒大小和组成是影响光谱反射的主要因素[2]。悬浮物浓度是表征水生态环境的一个重要参数,直接影响到水体的光场分布,对于水体表现光谱特性也有较大影响[3]。水中悬浮物质也影响水生生态条件和河口海岸带冲淤变化过程,对近岸工程、港口航道建设等都具有重要的意义,是了解和管理海岸信息的重要依据[4]。

图1　不同悬浮物浓度水体光谱特征曲线[9]

在水质环境参数研究和应用中比较成熟的是水体中悬浮物质和叶绿素的提取[5]。早期的研究已证明了定量遥感反演其含量的可行性[6]。国内外学者对悬浮物的遥感开展了大量的研究工作。在国内,王学军等利用遥感信息和实测水质参数评价了太湖水质[7];光洁等利用不同季节的Landsat TM影像建立了太湖分季节的悬浮物遥感估算模型[8];梁思等利用水体光谱数据和同步观测的水质参数浓度数据,研究了东湖叶绿素a和悬浮物定量遥感反演特征波段与波段组合,在此基础上构建了经验模型[9]。早在20世纪70年代初,Klemas等就提出了用MSS数据估算Delawane Bay海湾悬浮泥沙含量的线性统计模型[10];Nellis等利用1993年4个不同时相的Landsat TM影像数据对美国堪萨斯州的Tutte Creek水库在水灾前后悬浮物、浊度以及透明度的变化方面作了相关研究[11];Dekker等提出基于实测的水体内在光学性质的物理光学模型提取悬浮物浓度,该算法经过大气校正及水气界面校正,分析了新西兰Frisian湖南部的悬浮物水平,且可用于多时序的TM和SPOT数据中[12]。

本文选取了三个不同年份的九龙江口TM影像,通过同一时期高低潮影像,提取滩涂信息,比较不同年份的九龙江口悬浮物含量及滩涂消长变化,结合沿岸的建设发展情况,探讨经济建设发展对该区域悬浮物含量与冲淤环境变化的影响。

2研究区域及数据预处理

2.1研究区域

九龙江位于东经116°46′55″～118°02′17″,北纬24°23′53″～25°53′38″,是福建省的第二大河,流域面积1.47×104km2,年平均径流量达82.2×104m3(浦南断面)九龙江流域由北溪与西溪两大支流构成,北溪和西溪汇合于漳州,经厦门港入海。九龙江口的研究区域界定如下[13]:水域部分的西界至九龙江北溪的江东桥闸、西溪的西溪桥闸和南溪的南溪桥闸,北界为海沧大桥,东界为厦门岛南端的白石炮台经青屿至龙海市港尾镇岛美村一线,包括河口海域和厦门湾南部海域以及厦门西港海域的南半部分。

图2　九龙江口示意图[9]

本文研究内容涉及悬浮物含量以及滩涂提取,用到TM/ETM+/OLI影像1～5波段。本文选取了三个不同年份的九龙江口TM影像。所选取的六幅Landsat影像数据相关信息如表1所示。

表1　所用数据时间及潮位

首先将九龙江口6个时相landsat遥感影像进行几何精校正。配准采用影像到影像的方式,将6幅landsat原始图像配准到经过地理精校正的2001年TM图像上。然后,采用最暗像元法(Dark Object Subtraction,DOS)对涉及的6幅影像的各个波段进行大气辐射校正。最后选取的影像如图3所示。

图3　2013年研究区影像

3悬浮物含量及滩涂提取与分析

3.1水体信息提取

水体信息的准确提取对研究至关重要。以1999年水体提取为例,图4为1999年研究区裁剪结果,图5为1999年水体提取结果示意图。经过比对可知,此次水体提取结果是比较准确的。

图4　1999年研究区裁剪结果

图5　1999年水体提取结果

3.2九龙江江口悬浮物变化的分析

由三个不同时像的悬浮物含量浓度分布图(图11～13)直观得看出,历年悬浮物含量高浓度集中出现在九龙江支流以及河口地区,这与九龙江流域上游的经济开发活动频繁有关,加上支流河道狭窄,水体流动缓慢,不利于水体的流动自洁。河流入海口出因此夹杂大量泥沙,在河口处形成淤积。悬浮物含量低浓度主要出现在远离厦门岛及九龙江河口地区,这符合悬浮物远离近陆及河口地区浓度较低的一般规律。除以上区域,悬浮物浓度含量均以中高浓度及中低浓度为主,各时段分布有所差异。

3.3滩涂提取

习主席强调，今后一个时期军民融合发展，总的是要加快形成全要素、多领域、高效益的军民融合深度发展格局，丰富融合形式，拓展融合范围，提升融合层次。与单纯意义上的“军转民”或者“民为军用”所不同，“军民融合”更强调科研、技术与制造的融合、高端产业的融合和体制、机制、人才的融合。可以说，科学技术融合是军民融合的基础和重要环节。

采取相近年份的高低潮水体影像相减的方法进行滩涂提取,提取结果图6～8所示。图6可视为2000年滩涂提取结果,图7可视为2005年滩涂提取结果,图8可视为2013年滩涂提取结果。

图6　2000年滩涂提取结果

图7　2005年滩涂提取结果

图8　2013年滩涂提取结果

为了体现滩涂的变化,将邻近年份的滩涂提取结果做差值比较,比较结果如图9～10所示。

图9　1999年至2006年滩涂变化结果示意图

总体上1999年～2006年滩涂总面积没有明显变化,2006年～2013年滩涂面积大量减少,主要变化发生在九龙江入海口处及大兔屿及海沧大道之间。

图10　2006年至2013年滩涂变化结果示意图

3.4悬浮物浓度提取

为了全面反映悬浮物光谱特性,选用(B2+B3)/(B2/B3)作为估测悬浮物浓度的变量。其中,B2+B3可有效反映出高、低浓度悬浮物的光谱特征;B2/B3是为了去除叶绿素对低浓度悬浮物遥感信息的干扰。在悬浮物浓度较低、叶绿素浓度较高的情况下,因B2处于叶绿素的反射峰,故B2+B3将增大,又因B3处于叶绿素的吸收峰,故B2/B3也将增大,因此,(B2+B3)/(B2/B3)相应减小,从而起到消除叶绿素对悬浮物遥感信息干扰的作用[14],用每一个时相的(B2+B3/(B2/B3)运算后影像的像元灰度值(DN)来直接代替悬浮物的浓度水平。

为了划分不同悬浮泥沙浓度的水体,采用以下的指标作为标准(M代表平均值,D代表标准方差):SI>M+D,高浓度悬浮泥沙;M

为了揭示悬浮物浓度时空变化,首先,利用伪彩色对影像进行显示。通过颜色差异直观反映了不同悬浮物浓度的空间分布。将水中悬浮物浓度按低浓度到高浓度分为四级,以不同灰度显示(图11～13)。并对每个浓度级别的面积比率进行了统计(表2、图14)。

图11　1999年悬浮物浓度分布图

图12　2006年悬浮物浓度分布图

图13　2013年悬浮物浓度分布图

分级1999年2006年2013年面积(km2)比率(%)面积(km2)比率(%)面积(km2)比率(%)低浓度5.982.0530.8110.935.312.09中低浓度186.2063.9915.085.3556.3622.15中高浓度53.4518.37194.0268.82157.8762.05高浓度45.3615.5942.0114.9034.8813.71总计290.99100281.92100254.42100

图14　不同年份悬浮物浓度占比示意图

由以上资料可以直观地看到,近几十年研究区的水体面积持续减少,悬浮物浓度变化最明显的为浓度由1999年以中低浓度为主转变为2006年及2013年中高浓度为主。

3.4.11999年～2006年间环境变化

由表2可以看出,1999年悬浮物含量中低浓度区域面积为186.20km2,占水体总面积比达到63.99%。2006年悬浮物中低浓度面积占水体面积比仅为15.08%,占比大大下降,反之,中高浓度区域的面积占比由1999年18.37%上升至68.82%。此间,研究区域悬浮物含量变化最主要体现在以中低浓度为主转换为以中高浓度为主(图14)。由图6～图8可以看出,2000年及2005年滩涂主要分布在九龙江入海口处及海沧区及大兔屿之间,总体变化上2005年这两处的滩涂面积均有所下降。

1999年以前,人类经济活动不活跃,对流域水质影响相对较小,九龙江口区域水体悬浮物浓度以中低浓度为主。21世纪以后,经济建设大量开展。其中九龙江北溪饮水工程漳州境内及厦门段分别于2001年及2002年进行了工程改造,工程进行带入了大量泥沙进行河段,导致悬浮物浓度上升;截止2006年,九龙江流域共建设水电工程计1000多座,拦江蓄水发电,上游河边最好的田地被淹,下游缺水土地无法充分利用,被淹没的森林死掉,水土流失严重;九龙江沿岸的养殖业,特别是生猪养殖业的大规模扩张,养殖带来的污染不容小觑;流域上游的林业资源也遭受破坏,导致流域水土涵养功能下降,大量泥沙流入河中,在河口处形成淤积,进一步导致河口处悬浮物浓度较高。2000年左右九龙江口开垦了部分滩涂进行水产养殖,导致该处滩涂面积减少,并且悬浮物浓度由高浓度下降为中高浓度。这是由于滩涂清淤造成的,但是,同时水产养殖对水体还是有较大影响,所以该区域水体悬浮物浓度以中高浓度为主。厦门西港区段,1997年至2001年海沧大桥下面的填海以及海沧大道的修建,使得大兔屿与海沧大道之间的海域淤泥沉积严重。加上受到九龙江泥沙运转影响,厦门西港区段悬浮物浓度以中高浓度为主。

3.4.22006年～2013年间环境变化

由表2及图14可以看出,2006年与2013年相比,虽然二者悬浮物浓度均以中低浓度和中高浓度为主,但相较于2006年,2013年中低浓度占比有所上升,中高浓度占比有所下降,这是由于政府有关部门逐渐重视生态环境以及发展得可持续性,出台了大量有关环境保护政策。

九龙江沿岸生猪养殖规模不断扩大,很大程度上影响了流域水质,2007年政府出台了政策:关闭九龙江干流沿岸一公里范围内的生猪养殖场,2009年整治完成,九龙江口悬浮物浓度有所下降。2008年漳州政府推广生态农业模式,流域主要污染物排放总量得到有效控制。2009年漳州市全力推进九龙江流域城镇污水处理厂及配套管网建设。2012年,龙海市强化流域生态保护与建设。在政府大力整治九龙江沿岸的环境乱象后,九龙江口悬浮物浓度变化反应良好,开始有由中高浓度转为中低浓度的趋势。河口淤积也进一步减少。

2003年九龙江口实施滩涂、浅海清淤,增加纳潮量,提高水体交换能力,改善海域水质和生态环境;2007年省环保局、厦门以及漳州、龙岩等地投入2000多万元整治九龙江,进行了河段清淤;2009年九龙江口海沧区进行了疏浚,清理了由于填海造陆流动的淤泥,厦门海沧及大兔屿之间的滩涂面积大幅降低;结合悬浮物浓度分布图(图14),可以看出,进行了清淤活动的水域悬浮物浓度均有相应下降。由此可以得出结论,人类对环境的干涉是有效的,能够积极地保护生态环境。

4结语

通过分析1999年～2013年之间的遥感监测数据,发现九龙江口悬浮物含量和冲淤环境变化规律如下: 1) 1999年九龙江口的悬浮物浓度以中低浓度为主,占全部研究水域的63.90%,2006年及2013年九龙江口的悬浮物浓度均以中高浓度为主,占全部研究水域的百分比分别为68.82%和62.05%。 2) 2006年及2013年的数据虽然均显示以中高浓度为主,但2013年中低浓度占比有所上升,中高浓度占比有所下降,滩涂面积处于持续下降状态。2009年九龙江口海沧区进行了疏浚,清理了由于填海造陆流动的淤泥,厦门海沧[15]及大兔屿之间的滩涂面积大幅降低;结合悬浮物浓度分布图(图11～13),可以看出,进行了清淤活动的水域悬浮物浓度均有相应下降。这说明政府有关部门在近几年来开展的流域可持续发展政策和清淤活动已见成效。

通过分析悬浮物含量和冲淤环境变化与人类活动的关系,发现近十几年来在九龙江区域进行的经济开发活动以及近几年开展的环境保护政策对九龙江口的悬浮物含量及冲淤环境变化影响显著。因此,进行经济开发活动时,应当从社会发展、环境变化之间寻找平衡,促进整个流域的可持续性发展。

参 考 文 献

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收稿日期:2016年1月7日,修回日期:2016年2月14日

基金项目:国家自然科学基金项目(编号:41201381);山东省“泰山学者”建设工程专项经费资助。

作者简介:类延辉,女,硕士研究生,研究方向:地理信息系统应用与研发。吴佳怡,女,硕士研究生,研究方向:地理信息系统。

中图分类号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