基于陸地衛(wèi)星影像的長江口懸浮泥沙濃度時空分布研究

基于陸地衛(wèi)星影像的長江口懸浮泥沙濃度時空分布研究

1懸浮泥沙監(jiān)測和光譜分析方法隨著流域自然環(huán)境和人類活動的動態(tài)變化，以及潮汐和風(fēng)、波浪等共同作用，對河口岸灘的地形有顯著影響。長江口懸浮泥沙濃度改變會影響灘涂沖淤和海岸帶環(huán)境等。河口及近海水體中的懸浮泥沙大部分是由陸地江河的徑流注入的,近年來由于自然氣候和環(huán)境的變遷在長江上游干流和支流興建水庫、水土保持,特別是三峽大壩的蓄水等的影響,入海泥沙量呈明顯的下降趨勢。河流來沙減少對河口懸浮泥沙濃度的影響引起了諸多研究者的關(guān)注。遙感技術(shù)因具有覆蓋面大、同步性和連續(xù)性好、信息豐富,可以快速監(jiān)測河口懸浮泥沙濃度、直觀揭示大面積水域表層含沙量分布狀況和動態(tài)變化等特點(diǎn),得到了國內(nèi)外廣大研究者的重視,獲得了一系列成果。何青、韓震等先后在長江口地區(qū)開展了懸浮泥沙光譜特性、懸浮泥沙反演模型研究,研究結(jié)果表明雖尚無統(tǒng)一的定量模式或可靠的模型參數(shù),但近岸Ⅱ類水體表層懸浮泥沙濃度遙感模式已趨于成熟。劉志國、畢世普,張宏等等采用氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)開展了懸浮泥沙反演應(yīng)用研究。研究主要側(cè)重于短時間尺度的懸浮泥沙動態(tài)變化規(guī)律,缺乏從一個較長時間尺度來研究在人類活動與自然變遷的背景下懸浮泥沙的總體演變趨勢?；谝陨峡紤],本文嘗試?yán)?974-2009年陸地衛(wèi)星影像,采用已成熟的反演模型,對河口懸浮泥沙濃度進(jìn)行了反演,初步分析了懸浮泥沙濃度長時間尺度的時空分布規(guī)律以及對上游來沙量減少的響應(yīng),以期為海岸帶地質(zhì)環(huán)境研究以及長江口灘涂演變提供科學(xué)依據(jù)。2大氣校正和譜射波校正考慮到較長時間尺度的分析,要求衛(wèi)星系列傳感器具有良好的傳承性、存檔數(shù)據(jù)時間跨度大、數(shù)據(jù)質(zhì)量與精度高。本次選擇了美國LandsatMSS,TM,ETM三類數(shù)據(jù)源,共計15個時相(見表1),時間跨度為1974-2009年,兼顧了枯季與洪季,為使不同時期具有可比性,盡量選擇潮情相近的時相。重要水利活動時間如在1997,2003年前后適當(dāng)加大數(shù)據(jù)的密度。在反演懸浮泥沙前,對影像數(shù)據(jù)進(jìn)行了大氣校正,校正按ENVI4.3上在進(jìn)行,對校正模型采用FLAASH模型。鑒于試驗(yàn)區(qū)長江口水體含沙量動態(tài)范圍較寬(0~1000mg/dm3),為此本次研究選用的是Gordon關(guān)系式的準(zhǔn)單散射近似公式。Gordon關(guān)系式是Gordon等利用蒙特卡洛方法來解輻射傳輸方程,得到的公式為式中,Rw為光譜反射率;α為吸收系數(shù);βb為后向散射系數(shù);An為常數(shù)。Munday依據(jù)輻射能在大洋中傳輸方程,認(rèn)為在水體光學(xué)性質(zhì)完全均一的前提下取上式的第一項(xiàng)作為近似值,即:式中,假設(shè)吸收比α1和后向散射比βb均為含沙量css的線性的線性函數(shù),即代入近似表達(dá)式,再假設(shè)代表水分子散射的c2值太小而忽略不計,最后得到的Gordon公式:式中,ρ為水體光譜反射率。A,B,C為經(jīng)驗(yàn)參數(shù)。本次研究參數(shù)A,B,C的值來自長江口水體光譜測量實(shí)驗(yàn)建立的懸浮泥沙濃度和光譜反射率之間的統(tǒng)計相關(guān)模式,具體反演公式為式中,ρ1為TM4和MSS6波段反射率。3浮標(biāo)結(jié)果對比為了驗(yàn)證反演的精度,在ArcGIS9.3平臺上將2006年建成的長江口深水航道治理工程二期完成的“長江口深水航道水文、泥沙、波浪自動遙測系統(tǒng)”7個浮標(biāo)系統(tǒng)站與反演結(jié)果進(jìn)行疊加。由于同步實(shí)測數(shù)據(jù)較少,本文對計算的泥沙含量值進(jìn)行檢驗(yàn),通過測量當(dāng)天與成像時刻較接近的現(xiàn)場采樣點(diǎn)的含量數(shù)據(jù)對計算結(jié)果進(jìn)行對比,結(jié)果如表2所示。由于各種自然因素的影響,加上反演模型本身的誤差,給反演精度帶來一定的影響。本方法對高含量與低濃度水體誤差較大,但對中等泥沙含量150~350mg/dm3的數(shù)據(jù)值果較好,誤差控制在20%左右,總體誤差為30.04%?？紤]到半定量反演精度的要求,其精度在可以接受的范圍之內(nèi)。4懸沙含量分布特征分析15個時相遙感懸浮泥沙含量反演結(jié)果圖,主要有如下規(guī)律(見圖1)。(1)不同年份、季節(jié)表層懸浮泥沙含量空間分布格局大體一致,呈四級分布模式。122°10′E以東懸沙濃度相對較高,懸沙濃度在122°30′E一線開始顯著下降,是長江入海泥沙擴(kuò)散的外緣部分,在123°30′E以東,懸沙含量降至與背景值近似。泥沙的擴(kuò)散形態(tài)主要呈渾水舌形態(tài)和噴流形態(tài),其前緣呈羽毛狀轉(zhuǎn)折。高含量懸沙主要分布于北支水道以及水下三角洲前緣渾水舌一帶,由南到北分布大致表現(xiàn)為“低—高—低”的分布形態(tài)。(2)近40a以來懸沙含量總體呈快速下降態(tài)勢,最大降幅達(dá)40%。從1974年反演結(jié)果看,在口門以內(nèi)(橫沙以西)以及口門地區(qū)絕大部分懸沙含量在300mg/dm3以上。2009年除了在北支局部、水下三角洲前緣渾水舌部位含量超過300mg/dm3以外,其他大部分區(qū)域含量為220mg/dm3左右,含量總體下降了近30%。為了更好地顯示不同年份的含量差異變化,對南支水道、北支水道懸沙平均含量進(jìn)行了統(tǒng)計(見圖2)。南支與北支懸沙濃度波動曲線形態(tài)基本一致:在1974-1989年懸沙含量表現(xiàn)為緩慢上升趨勢;在1989-1997年則進(jìn)入快速下降通道,1989年最高值與1997年最低值相比下降了近40%;在1997-2002年懸沙含量呈波狀變化;2002年之后南支與北支的懸沙含量繼續(xù)維持波狀變化特征,但總體上看在北支處于波狀上升趨勢,在南支基本維持在平衡狀態(tài)。(3)在空間分布上,南支懸沙含量變化幅度較北支小,北支水道沿海域方向逐漸降低。沿南支與北支中心線分作做兩條剖面線,不同年份含量剖面如圖3所示。圖3的兩圖均顯示南支水道懸沙含量大體處于平衡狀態(tài),而在北支水道則河口道內(nèi)含量大于口門地區(qū)含量。不同年份間的差異也表現(xiàn)各異。在南支水道不同年份差異較大,1997年懸沙含量達(dá)到最低值;北支含量曲線較雜亂,不同年份含量曲線交織在一起,年份之間的差異大小不及南支的。5輸沙量與懸沙量變化規(guī)律近40a以來,隨著長江流域氣候變化及大型水利工程建設(shè),入海年徑流量和年輸沙量發(fā)生了較大的變化,根據(jù)大通站多年輸沙量資料,1974-2008年,長江入海輸沙量從478Mt下降到13Mt。下降幅度達(dá)72%。本文統(tǒng)計了1974,1981,1989,1995,1997,2001,2002,2004,2005,2006,2009年11a南北支懸浮泥沙反演平均含量與該年度的輸沙量,結(jié)果如圖4所示。從圖4看,三條曲線大致的展布形態(tài)表現(xiàn)出較強(qiáng)的相似性,呈5拐點(diǎn)分布特征。三條曲線的第一個拐點(diǎn)出現(xiàn)在1989年前后,在這個拐點(diǎn)之前的年份,輸沙量呈快速下降特征,南北支水道懸沙含量均值呈緩慢上升特征,并于1989年達(dá)到最高值,在該拐點(diǎn)之后輸沙量與懸沙含量均呈下降趨勢。兩者不同的發(fā)展趨勢表明在短時間尺度上懸浮泥沙對河流來沙減少的影響受其他影響因素的干擾變得不敏感甚至相反。第二個拐點(diǎn)位于1997年,該拐點(diǎn)處輸沙量下降趨勢減少,而懸沙含量達(dá)到最小值,至1997年之后開始緩慢上升。第三個拐點(diǎn)位于2002年,在該拐點(diǎn)處輸沙量與懸沙濃度表現(xiàn)為局部高值,在這之后懸沙含量與輸沙量開始下降。第四個拐點(diǎn)位于2005年,南支懸沙含量與輸沙量出現(xiàn)小的凸起。第五拐點(diǎn)位于2006年,輸沙量與南支水道懸浮泥沙平均含量在2006年均達(dá)到最底點(diǎn),2006年之后開始上升,而北支水道懸沙含量在2006年之后則呈緩慢下降趨勢。南支懸沙含量與輸沙量變化趨勢基本一致,拐點(diǎn)特征則和流域氣候變化和典型人類工程活動有較好的對應(yīng)性。根據(jù)大通站資料,可以把輸沙量劃分為兩個階段:1974-1989年為輸沙量高值時段,輸沙量基本維持在400Mt以上,而懸沙平均含量在300mg/dm3以上。第二階段(1989含量至今)為輸沙量低值階段,輸沙量快速下降,這與長江流域一系列水利工程關(guān)系密切。2002與2005年的兩拐點(diǎn)之間的低值與2003年長江三峽大壩合攏后長江入海輸沙量相吻合。2006年是20世紀(jì)以來河口泥沙總量最低年份(84.8Mt),主要原因與當(dāng)年三峽水庫蓄水水位從135m上升到156m有關(guān),該事件與第五拐點(diǎn)相對應(yīng)。長江口水體懸浮泥沙含量的時空分布格局受多方面因素的影響。懸浮泥沙含量變化規(guī)律極其復(fù)雜。前人研究結(jié)果表明,潮汐條件是影響口內(nèi)地區(qū)懸浮泥沙含量的重要因素。本次遙感圖像反演結(jié)果反映的是陸地衛(wèi)星過境時刻長江口懸浮泥沙的瞬時含量,“五拐點(diǎn)規(guī)律”成立的前提是潮汐特征相近。為了詳細(xì)了解衛(wèi)星成像時刻的潮位特征,本文收集了南支長興港、北支青龍港兩個潮位站1995-2009年衛(wèi)星成像時間的整點(diǎn)潮位資料(圖5)。在一個潮周期中懸浮泥沙含量的變化與流速大小密切相關(guān),潮周期平均流速隨著潮差的增大而增大,而流速的增大導(dǎo)致底床泥沙再懸浮,進(jìn)而使懸沙含量增大。從圖5可以看出,南支的長興港潮位除2004年外,1995,1997,2002,2005,2006,2009年等幾個衛(wèi)星成像時刻的潮汐條件具有較好的一致,均接近于落潮-低平潮階段。除潮差在2002年小于2m外,其他均在3m上下。由于2002年潮差屬于小潮,假如與其他年份潮差相近,即也為中潮懸浮泥沙含量會有一定的提高,則圖4中的第三拐點(diǎn)依然存在,且更顯著。除2005年外,北支青龍港其他幾個年份的潮位、潮差也具有較好的相似性,均位于中小潮的落急階段,懸沙含量較大。2005年潮位處于漲潮時刻,懸沙含量比落急階段低,這也可能是圖4中南北支第四拐點(diǎn)凸起方向相反、北支拐點(diǎn)特征與南支以及輸沙量不一致的原因。雖然統(tǒng)計的是口內(nèi)地區(qū)平均懸沙含量,徑流,波浪等條件依然會對其有一定的影響。本文在數(shù)據(jù)允許的范圍內(nèi),盡量選取潮情一致的時相,但不同時相時間跨度過長,雖然反演結(jié)果基本反映了長江口懸浮泥沙演變的總體規(guī)律,但波浪,季節(jié)等干擾因素對結(jié)果的影響還有待深入研究。6反演結(jié)果描述利用40a來的陸地衛(wèi)星影像反演的懸浮泥沙含量表明基于Gordon關(guān)系式的懸浮泥沙含量反演模型在長江口地區(qū)較有效,該方法雖然對懸浮泥沙含量高值與低值有一定的壓制,但對中等含量的懸浮泥沙反演效果較好,能滿足半定性研究要求。反演結(jié)果在空間上的分布規(guī)律上直觀展示了長江口懸浮泥沙多級分帶特征。在時間尺度上,本次研究雖然忽略波浪、地