基于遥感的鄱阳湖水沙时空格局及其形成机制研究

Connecting to the Yangtze River, Poyang Lake is the largest fresh water lake in China, which is suffering from a series of environmental and ecological problems. Spatio-temporal distribution pattern and driving forces of water budget and suspended sediment appear to be the basic scientific issues, which need to be addressed with high priority. Based on observations from satellite and in situ measurements, this study try to 1) develop a water level-water area-water budget model, and 2) analyze the water budget dynamics with the consideration of bottom topography. Based on suspended particle constitutes analysis for vertical layers, we try to establish a novel algorithm to retrieve the suspended sediment distribution of Poyang Lake with the respect of bottom effect and contributions of other constituents. This study will analyze the spatio-temporal distribution pattern of water budget and water turbidity, particularly focused on the surface and vertical variation of suspended sediment. Integrating data assimilation method, this study will develop a self-adaptive mesh adapted to moving boundary and build a hydrodynamic- suspended sediment transport model for Poyang Lake. The study will define the extent and intensity of dredging activities and discuss the influence of hydrodynamic disturbance factors (such as five major rivers, Yangtze River and dredging activities, etc.) on spatio-temporal pattern and variation rules of water budget and suspended sediment for the Poyang Lake. It will promote the general idea of dynamic temporal-spatial characteristics and driving forces of flow and sediment in Poyang Lake and provide scientific information support for lake water ecological safety and sustainable development of regional ecological economy.

鄱阳湖作为中国最大淡水湖、大型通江湖泊和国际重要湿地，正面临一系列水环境水生态问题，水沙时空格局及其形成机制是鄱阳湖研究中需要优先解决的基础性科学问题。本研究以星地一体化观测分析为基础，构建空间化的鄱阳湖水位-面积-水量动态关系，解析湖底地形变化条件下的湖泊水量变化与收支动态。基于水体颗粒物组分分析及考虑底质影响的多参数协同优化的悬浮泥沙遥感反演，研究鄱阳湖悬浮泥沙表层分布与垂向变化特征，揭示湖泊悬浮泥沙时空分布与变化规律。构建适于湖泊动边界的自适应网格，模拟鄱阳湖水动力-泥沙输运过程，结合遥感观测分析鄱阳湖采砂影响范围与强度，探索人为采砂对鄱阳湖水沙时空格局的影响。借助遥感地面一体化观测的资料同化，综合分析五河入流、长江水情及湖泊采砂活动等扰动下的鄱阳湖水沙时空变化及其形成机制。本研究可为揭示通江湖泊水沙动态对湖泊系统演化的影响提供基础支撑，为构建湖泊水生态安全保障体系提供科学信息支持。

鄱阳湖作为中国最大淡水湖、大型通江湖泊和国际重要湿地，正面临一系列水环境水生态问题，水沙时空格局及其形成机制是鄱阳湖研究中需要优先解决的基础性科学问题。本项目在执行过程中，分别于2014年、2016年和2017年开展了4次大规模的鄱阳湖野外同步科学观测，获取了鄱阳湖水体光学、水质、水文和气象等连续定位观测与走航观测数据以及相关的流域生态环境数据。借助遥感和数值模拟技术，构建了湖泊水位-面积-水量时空动态关系模型，解析了湖泊水量的动态收支结构；针对多源卫星遥感数据，评估了其水环境定量化监测能力，提出了遥感卫星尤其是针对国产陆地卫星在轨替代定标和时序相对辐射校正方法，显著提升了国产卫星数据的定量化应用水平。构建了考虑水体要素影响下的鄱阳湖悬浮泥沙反演模型，并分析了湖泊泥沙时空变化规律，实现了地表水环境信息高效提取与时空分析，为内陆水环境动态监测管理提供了一套可行的业务化方法。考虑湖泊采砂，构建了湖泊动边界条件下水动力-悬浮泥沙输移数值模型，提出了将遥感获取的时空分布悬浮泥沙同化模拟的方法；分别针对鄱阳湖五河水文条件、湖泊采砂活动、流域气象条件和长江水文条件，探讨了水动力扰动下的鄱阳湖水沙时空格局形成机制，定量解析了湖泊采砂与三峡工程等人为活动对通江湖泊、湿地环境及流域水文的影响。项目研究过程中发表相关71篇（SCI论文48篇），授权国家专利10项，培养博士研究生10人，硕士研究生18人，获得湖北省优秀博士学位论文1篇，入选“珞珈杰出学者”1人，“珞珈青年学者”2人，荣获国家科技进步奖创新团队奖1项，省部级自然科学一等奖1项，测绘科技进步二等奖2项。超额完成了项目计划的任务指标。本项目负责人公开发表的鄱阳湖研究SCI论文数量国际排名第一，针对鄱阳湖研究取得的一系列高水平研究成果，引起了国际领域广泛关注，相关研究成果多次被美国宇航局（NASA）、国际科技媒体《Vertical News》、国际海洋水色协调工作组（IOCCG）报道，CCTV-NEWS于2015年5月19日在China 24（中国24小时）栏目中，对本项目负责人及其研究团队进行了专题报道。