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珠江口河网区咸潮高光谱遥感监测关键技术及示范
成果信息
立项支持
  • 公布年份:
    2008
  • 中图分类:
    X832, X87
  • 关键词:
  • 成果简介:
    (1)成果来源:该成果来源于2005年广东省科技计划重点引导项目“珠江口河网区咸潮高光谱遥感监测关键技术及应用示范”(课题编号:2005B33303005)、广东省环境科学与技术公共实验室启动项目“珠江三角洲咸潮遥感与预测研究”和遥感科学国家重点实验室开放基金项目“华南咸潮的高光谱遥感研究”(SK050010)。(2)目的和意义:咸潮是沿海河口地区一种特有的季节性水文现象,咸潮上溯是南粤大地水害的极端性灾种,主要是由旱情引起的,一般发生在上一年冬至到次年立春清明期间,是指沿海地区海水通过河流或其他渠道倒流到内陆区域之后,它的盐分(即氯化钠)含有量仍然达到或超过1/10000,水中的盐度高会对企业生产造成威胁,生产设备容易氧化,锅炉容易积垢,同时咸潮还会造成地下水和土壤内的盐度升高,危害到当地的植物生存,人类饮用或使用也会产生疾病。海水的氯化物浓度一般高于5000毫克/升,当咸潮发生时,河水中氯化物浓度从每升几毫克上升到超过250毫克。据悉,水中的盐度超过超过400毫克上限,就已经不适合人类饮用。近几年来,由于咸潮影响日益严重,广东水务管理部门04年初将出厂自来水咸度提高到400度,但是这些措施仍未能明显减少库存原水的消耗量。尽管珠江口潮汐不大,但由于淡水径流量小、河口较宽,潮水比较容易进入。因此每年都会发生不同程度的咸潮现象。历史上1993年3月,广州因咸潮出现部分水厂停产;广州地区连续数月干旱,珠江咸潮倒灌,黄埔水厂、员村水厂和石溪水厂先后局部或全部停产。2004年,春节刚过,珠江三角洲和沿海地区03年冬04年夏遭遇了20年来最严重的一次咸潮袭击,04年12月中,咸潮已越过磨刀门水道,入侵中山市全禄水厂。当时专家预测,05年1月份咸潮甚至可能影响到广州市西航道并进入流溪河,影响到广州西部水源地,同时咸潮也会影响到珠江三角洲的水厂,受影响的人口将超过1500万。为此,国家防汛抗旱总指挥部于05年1月7日下发了《关于实施珠江压咸补淡应急调水的通知》,1月月17日正式启动的珠江流域第一次大规模、远距离跨省区从贵州应急调水。珠三角城市群全都在各江河边,许多网河纵横交错,因此咸潮对珠三角城市群构成整体威胁。轻者咸潮仅波及珠海、中山、东莞、广州黄埔地区,重者会影响广州及下游区域。Hyperion高光谱遥感具有精细波段和较高空间分辨率,可以对大范围区域进行同步监测,特别是它可以通过间接探测水中黄色物质浓度来推定盐度。因此,对咸潮进行遥感预警是从机理上摸清咸潮发生、发展规律的重要新技术手段,从各个层面开展咸潮监测研究,以便形成得力的咸潮入侵应急预案。(3)主要论点与论据不同时空的水体光谱特性是咸潮遥感的重要基础,通过建立感潮河段水体波谱库和环境配套参数,通过实测光谱模拟,然后应用到卫星上,这为区域的咸潮格局了解和精确的咸潮数字模拟提供了可能,从而咸潮预警应急的能力必将大大提高。珠江河网咸潮的最大特点是不同河段地域特色明显,研究示范集中华南最具特征的重要感潮河段珠海-中山之间的磨刀门水道和番禺沙湾-虎门水道。(4)创见和创新在珠江口重要潮感河段-磨刀门,获取了星-地同步观测数据:包括面对太阳垂直水面和45度水面光谱、天空光和大气同步探空数据(广东阳江气象站)、周围微气候观测(风速)、水质采样(悬浮物[TSS]、部分叶绿素和盐度)分析数据,HYPERION高光谱影象和ALI多波段影象等;共获取星-地同步数据5组;其他水面光谱测量和配套水质参数数据23组。为深入研究咸潮水色提供了重要数据。该研究首次在低盐度(0.42-1.5‰)的感潮河段获取了黄色物质吸收系数、盐度和悬浮物数据,发现不同河段黄色物质吸收系数和盐度关系复杂,相反悬浮物浓度和盐度相关关系达到R2=0.84;此外,在潮水和河水交换较好的南镇水厂水道存在盐度增加黄色物质吸收系数减少的规律,而就在附近的磨刀门主河道则没有这种规律;以2005年12月18日同步实地测量的珠江口地区的水体表面悬浮物浓度和波谱数据为依据,详细分析了它们之间的可能存在的各种关系,发现549nm波段的波谱反射率与悬浮物浓度之间存在强的相关性,在课题组实测的磨刀门主河段它们的相关性就很好(R2=84%)。在水色反演过程中,精确的光谱模拟是至关重要的,利用光谱角度确定和特定实测地点水色影象光谱类似端元的方法可以为没有地面光谱数据的遥感影象大气校正找到是一种好的选择。该研究,在同时获取HYPERION和ALI的情况下,就碰到这种情况;验证表明,TSS浓度模拟结果和实际吻合(在这里,课题组的实验安排在ALI的东轨,照顾了ALI在河道更大的覆盖区,此外也是考虑到光谱测量和采样那天上游ALI西轨河道盐度低);进一步对比分析表明,用549-nmHyperion可以比ALI较好估算TSS浓度,但是ALI的结果绝对值并不正确,特别是在低TSS浓度情况下,.不过两者结果关联度很高(95%以上)。以磨刀门水道为例,结合磨刀门地区的含氯度、流量、水位等观测数据分析了该水道咸潮活动的规律和咸潮入侵的强度、历时和影响范围。同时以河口动态盐度推导和发展了传统盐度模拟模型,并根据生活饮用水标准对盐度模拟模型进行变换推导出磨刀门水道咸潮入侵最大距离的计算公式。以2006年1月12日的实测数据模拟了磨刀门水道盐度分布,交叉验证表明与实测数据非常吻合(排除异常点,平均相对误差4.98%)。这为珠江口咸潮入侵发生后的快速反应提供了决策依据,可以弥补咸潮常规监测的不足.依据实测资料研究了珠江口沙湾-虎门水道盐度、水色要素(叶绿素和黄色物质)特征及其空间变化趋势。研究表明;沙湾-虎门水道受地形、径流、支流、潮汐等的综合作用,承动力条件十分复杂,不同水域有不同的水色特征。叶绿素a与400nm黄色物质吸收系数(ag400)关系在低盐度条件下(<10)随ag400增加而稳定降低,特别在盐度大于5的感潮河段情况下,随盐度增加叶绿素a浓度逐渐降低。在沙湾-虎门水道的感潮河段,向伶仃洋方向随着盐度的增加叶绿素a的浓度是递减的,在盐度大于20的狮子洋水道叶绿素a浓度偏低,而在狮子洋水道的左岸叶绿素浓度更低;在咸淡水交汇的沙湾支流(大刀沙尾)河段,明显为叶绿素a浓度的高点。黄色物质吸收光谱斜率S值在沙湾-虎门水道的分布呈现出随盐度增加而增加的趋势,该感潮河段黄色物质吸收光谱斜率S值范围介于0.0107至0.0121之间,平均为0.0116nm-1,S值总的增加幅度不大,在沙湾-虎门水道黄色物质(CDOM)的行为主要受控于陆源径流输入。表层水体与表面以下一定深度的盐度相关性很高(R2=0.9458),这为咸潮的遥感提供了可能。(5)社会经济效益:项目成果在珠江口感潮河段咸潮入侵监测方面应用范围很广,下一步可以在磨刀门进行咸潮入侵模拟的推广应用;如果能获取足够的咸潮空间监测数据,咸潮模拟模型也可以在沙湾水道、东江水道进行推广应用。该研究野外测量和采样时,磨刀门河网区的盐度值比较低,该研究所发现的规律在高盐度时是否成立,需要将来的实验来证明;河口可变盐度地点还可进一步优化,以便适应任意时刻的模拟;这些都是课题组提出的需要进一步研究的课题。
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