科研成果
中小型入海河流水质遥感技术新进展
时间：2023年07月12日
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近日，我所何贤强研究员团队及合作者在环境科学与生态学TOP期刊Science of The Total Environment上发表了题为“Monitoring and spatial traceability of river water quality using Sentinel-2 satellite images”的研究论文（引文1）。论文第一作者为我室与浙江大学联合培养的博士生张潆引，通讯作者为何贤强研究员，合作者包括白雁研究员、龚芳高级工程师、王迪峰研究员、朱乾坤正高级工程师、李腾副研究员，浙江省生态环境监测中心的连纲正高级工程师、张自力高级工程师、杨颖工程师，以及南方海洋科学与工程广东省实验室（广州）的金旭晨博士。
沿海中小型入海河流不仅数量众多，且流域经济相对发达、水体营养盐浓度相对较高，因此，其入海排放对近海的水质和生物地球化学循环等均具有重要影响。中小型入海河流空间尺度相对较小，现有高辐射灵敏度的专用水色卫星由于空间分辨率为百米或公里，难以实现对中小型河流水质进行有效监测，需利用高空间分辨率的陆地卫星进行监测。由于陆地卫星通常辐射灵敏度低、波段少、通道带宽大，水体光谱精确提取难度大。此外，沿海中小型河流水体物质来源和组份复杂，水体要素高精度反演困难，特别是没有直接光学吸收、散射作用的营养盐等生化参数。
本研究以浙江省七条主要入海河流（钱塘江、曹娥江、甬江、椒江、瓯江、飞云江、鳌江）为例，基于Sentinel-2卫星资料实现对中小河流水质遥感监测以及水体污染物遥感空间溯源。研究攻克了高空间分辨率卫星资料的大气校正技术，构建了总氮、总磷、高锰酸盐指数遥感反演模型。经验证表明，遥感反演水质参数与地面实测站点结果在空间分布以及量值上具有较好的一致性（图1）。基于构建的遥感算法模型，本研究进一步获得了2016-2021年浙江省七条入海河流水质参数遥感产品(图2)。利用卫星遥感大面积同步观测的优势，可精细化地找出相对高污染区域的位置。图3为2022年9月20日瓯江结果，利用遥感结果可追踪营养盐浓度从河口到上游的沿程变化（图3b），可以看出，三个水质参数呈现出相似的沿程变化趋势，在距河口62.5km处（B点）达到峰值，随后急剧下降至74.3km左右，然后以低值波动至300km。通过沿程追踪可获得了相对高污染区域（局部峰值）的位置，如图3b 中的A点（33.4km）、C点（168.6km）及D点（220.2km），并可进一步局部放大获得水质参数的精细空间分布（图3f-3h），分析其可能原因，从而为河流精准治污提供重要信息。
本项研究为何贤强团队在近期攻克入海排水口水色异常遥感自动识别技术（引文2）之后取得的新成果，相关技术已业务化应用于浙江省沿海水质遥感监视监测工作。
图1. 站点实测（圆圈）和卫星反演水质参数（高锰酸盐指数COMMn、总磷TP和总氮TN）的空间分布趋势比较。上排为2021年11月9日曹娥江结果，下排为2022年1月3日钱塘江结果。
图2. 2016-2021年高锰酸盐指数（上）、总磷（中）和总氮（下）平均值的空间分布
图3. (a)沿瓯江主干的沿程线；(b)各水质参数从河口到上游的沿程变化曲线（2022年9月20日卫星监测结果）；(c)-(e)分别是卫星反演的高锰酸盐指数、总磷和总氮空间分布；(f) C点处高锰酸盐指数的空间分布细节（图3 c中的红框）；(g) D点处总磷的空间分布细节（图3 d中的红框）；(h) B点处总氮的空间分布细节（图3 e中的红框）
论文引用：
1. Yingyin Zhang, Xianqiang He*, Gang Lian, Yan Bai, Ying Yang, Fang Gong, Difeng Wang, Zili Zhang, Teng Li, Xuchen Jin. Monitoring and spatial traceability of river water quality using Sentinel-2 satellite images. Science of The Total Environment, 894, 164862,2023.
2.Yuxin Wang, Xianqiang He*, Yan Bai, Yingyu Tan, Bozhong Zhu, Difeng Wang, Mengyuan Ou, Fang Gong, Qiankun Zhu, Haiqing Huang. Automatic detection of suspected sewage discharge from coastal outfalls based on Sentinel-2 imagery. Science of The Total Environment, 853, 158374, 2022.
