基于遥感的香溪河水质模拟方法研究

发布时间：2018-10-23 07:34

【摘要】：三峡水库蓄水后,长江支流香溪河库湾富营养化呈上升趋势,水华现象逐渐成为直接影响三峡库区水环境质量与水生态安全的关键因素。为了深入研究其富营养化的发生机理,近年来许多学者开展了大量水质数值模拟研究工作。水质数学模型需要大量的水质监测数据作为支撑,但大范围、高密度、长时间的水质监测难度较大。随着水质遥感反演技术的发展,构建基于遥感的水质模型,生成连续全覆盖的高质量水质数据,对香溪河的水质进行模拟和预报,具有重大的科学意义和实践价值。本文以香溪河库湾为研究对象,基于香溪河的水质时空特征和水体光谱特征,构建了香溪河水质卫星遥感反演模型和香溪河水动力水质模型,通过比较分析两者的模拟结果,提出了将水质遥感和水质模型有机结合的方法,旨在提高水质模型的模拟精度,为香溪河富营养化研究提供数据支撑。论文的主要工作和结论包括:(1)采用单因子评价法、综合污染指数评价法、比对法等多种方法,对香溪河水质进行了分析评价,结果表明:香溪河各采样点均存在不同程度的污染情况,水质总体水平处于Ⅳ类;2010年香溪河各水质指标浓度时空差异显著,从时间和空间上的连贯性来看,2010年7月～8月香溪河暴发了水华;总氮含量在空间分布上基本表现为下游高,上游低,源于长江干流倒灌;总磷浓度在时间上分布均匀,全年浓度变化不大,在空间上总磷浓度基本分布趋势为上游高,下游低,源于香溪河的磷矿开采、存储和运输。(2)基于现场表观光谱和同步水质监测数据,监测和分析了香溪河的水体光谱特征,并对叶绿素、总氮、总磷和硅酸盐浓度与光谱之间的相关关系作了进一步研究,结果表明:香溪河水体具有明确的光谱特征,能够比较方便、准确地实施叶绿素的遥感反演,而对于非水色水质指标,则可通过叶绿素等指标间接反演。(3)以Landsat卫星影像和实测水质数据为基础,通过分析水质指标与波段及波段组合的相关性,利用线性回归模型,构建基于卫星影像的香溪河水质反演模型,对其进行可靠性和容错性分析并应用该模型获得香溪河水质指标的空间分布图。研究结果表明:构建的香溪河水质反演模型精度较高,水质空间分布总体趋势与实际情况一致,并能在一定程度上反映磷矿仓库码头和居住区等点源污染位置。(4)构建了香溪河三维水动力模型,选取2010年的两个时段对三维水动力模型进行率定和验证,率定期和验证期的流速和水温模拟效果都较好,能够反映香溪河库湾在垂向上分层流动的水动力特性。有风状态下香溪河口各层水体流向与无风状态一致,表层水体流速受风场的驱动作用更显著,中层、底层流向与表层相反,受风场驱动作用较小。(5)构建了香溪河三维水质模型,同样选取2010年两个时段的资料对水质模型进行参数率定和模型验证,模型可较好地模拟香溪河的总氮、总磷浓度的变化趋势,总体来说,所建立的水质模型可用来表征2010年水体总氮、总磷含量的变化,其中总磷和叶绿素的模拟精度相对总氮的模拟精度高些,平均相对误差在25%以内,模拟结果可以接受。(6)通过对比分析香溪河库湾水质指标的遥感反演和数值模型两者的模拟结果,从初始条件和边界条件这两个方面,提出了将水质遥感反演结果耦合到水质模型模拟中的方法,并将该耦合模型应用于香溪河的水质模拟中,结果表明:与遥感反演结果耦合后的水质模型模拟结果精度有所提高,在空间上既能够反映出香溪河两侧磷矿、居民区等对水质造成影响的真实情况,又能过反映出香溪河水质的时空变化过程,相较于单独的水质遥感反演结果和水质模型模拟结果,总体效果有所改善。
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【学位授予单位】：武汉大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：X87;X832

【参考文献】