基于遥感与数值模拟的采砂扰动下鄱阳湖水体悬浮泥沙时空动态研究

本项目针对受采砂扰动的吞吐型湖泊- - 鄱阳湖，将卫星现场同步观测和实验室分析相结合，主要选择在轨的MODIS及我国新型自主卫星传感器HJ CCD数据，辅以其它卫星传感器数据，以长时间序列MODIS影像的鄱阳湖悬浮泥沙反演结果生成基线数据，初步分析采砂活动可能影响；研究HJ CCD大气校正和悬浮泥沙反演算法，并借鉴ECOMSED模式在湖泊三维泥沙-水动力数值模拟的成功经验，实现鄱阳湖悬浮泥沙遥感反演与数值模拟技术的耦合；对比遥感反演与不同情景的数值模拟结果，检测采砂区域；结合数值模拟输出的流场，分析采砂引起的再悬浮过程，研究采砂扰动对湖泊悬浮泥沙分布格局的影响及其时空动态规律。本项目将悬浮泥沙遥感定量反演与数值模拟相结合，用于具有高动态特性的鄱阳湖水沙环境分析，可为维护鄱阳湖水生态安全、调控采砂活动对鄱阳湖航道冲淤变化的影响等政府管理决策提供科学信息支持，具有重要的方法探索意义和实际应用价值。

本项目高质量完成了设计的研究任务，科学贡献主要体现在：（1）组织了2次星地同步综合科学观测，获取了鄱阳湖丰水期水体光学、水质、水文和气象等数据，丰富了同步现场观测数据；（2）针对内陆浅水湖泊，考虑陆地邻近效应，提出了MODIS辅助的HJ CCD遥感大气校正方法，为湖泊悬浮泥沙高精度遥感定量反演提供科学支撑；（3）以水体光学辐射传输理论为基础，构建了考虑内陆浅水湖泊特征的鄱阳湖悬浮物遥感反演模型，针对MODIS和HJ CCD影像，实现了鄱阳湖丰枯水期悬浮泥沙定量反演；（4）基于长时间序列MODIS影像，研究了包括湖面范围、湖底地形、水量收支动态、悬浮泥沙浓度等要素的遥感获取方法，形成了一套高动态通江湖泊水沙时空特征遥感分析方法体系，发现了鄱阳湖悬浮泥沙浓度在时间序列上呈升高趋势，且南北湖差异增大的变化规律；（5）采用HJ CCD和Landsat TM影像，提出了基于中分辨率光学遥感影像的船舶识别方法，以及湖泊底质与浑浊度特征结合的采砂活动监测方法，发现了鄱阳湖采砂活动在2008年以前主要集中在北湖，2009年以来向南湖扩展，北湖的采砂活动全年均在进行，南湖集中在丰水期；同时发现了两个非法采砂证据：一是禁沙期发现采砂船，二是遥感估算采砂量高于政府规划采砂量。泥沙收支平衡反映出鄱阳湖已经成为泥沙输出系统；（6）以长时间序列MODIS影像的鄱阳湖悬浮泥沙反演结果生成基线数据，考虑鄱阳湖不同底质类型对泥沙悬浮沉降的影响，构建了鄱阳湖水动力-悬浮泥沙输移模型，数值模拟与遥感反演的悬浮泥沙浓度在空间分布格局上的一致性进一步验证了遥感检测的采砂区域，结合流场分析采砂引起的再悬浮过程，研究了采砂扰动对湖泊悬浮泥沙分布格局的影响及其时空动态规律。结果表明鄱阳湖采砂船数量与悬浮泥沙浓度显著相关，采砂活动是鄱阳湖悬浮泥沙浓度升高以及影响其时空分布与变化的主导因素。.在本项目支持下发表论文45篇，其中，SCI论文20篇，EI论文12篇；出版专著4部，“十二五规划”教材1部；申请专利2项，获得软件著作权3项；获湖北省自然科学一等奖1项，湖北省发展研究一等奖1项；2013年作为6位特邀国际专家之一参加亚太国际水峰会；培养硕博士研究生17人，完成博士论文5篇，硕士论文7篇。相关后续研究获得了国家自然科学基金重点项目1项（41331174，2014 - 2018）。