富营养化湖泊藻源型"湖泛"遥感监测机理研究

藻源型"湖泛"是指湖泊富营养化水体在藻类大量暴发、积聚和死亡后，在适宜的气象、水文条件下，与底泥中的有机物在缺氧和厌氧条件下产生生化反应，形成褐黑色伴有恶臭的"黑水团"现象。"湖泛"近年来频繁发生，已对湖泊饮用水安全造成巨大威胁。本课题以富营养化湖泊-太湖藻源型"湖泛"为研究对象，通过室内模拟、现场采样和计算机数值模拟等多种手段，分析蓝藻水华生消过程中（生长、形成水华、腐烂分解、"湖泛"形成）水体光学特性及其变化规律，探索"湖泛"水体的水色变黑机理，并筛选其中敏感水色因子，构建相应的遥感反演模型，最终实现"湖泛"的遥感定量监测。本课题通过对"湖泛"的遥感监测机理研究，一方面可以加强对水色遥感机理的深刻认识，丰富湖泊水色遥感的理论和方法；另一方面有助于及时发现"湖泛"，为政府管理部门提供时间采取有效措施，减少"湖泛"带来的生态危害和健康风险，具有较大的科学意义和应用价值。

由于“湖泛”发生突然、持续时间段，很难在野外实际扑捉到，特别是其发生过程。本研究提出了野外现场试验、室内控制实验以及计算机数值模拟“三位一体”的研究思路，通过现场试验研究，获取“湖泛”第一手资料；而通过室内控制实验，获得“湖泛”发生过程数据；利用计算机模拟，可以分析各种水情下“湖泛”水体遥感反射比及其颜色等变化，研究“湖泛”水体水色变黑原因及其机理。经过4年的实施，主要进展：.1、针对长江中下游主要富营养化湖泊太湖、巢湖等水体，进行野外试验10余次，获取了海量观测数据；进行室内控制实验2次，一次针对浮游藻类自然生长、死亡实验（37天），一次“湖泛”发生过程模拟实验（6天），获得了实验室条件下藻源型“湖泛”发生发展全过程数据；在巢湖进行实地围格实验1次，持续30天；利用Hydrolight辐射传输软件和CIE颜色模型，系统模拟了不同水色物质变化（主要是CDOM、无机颗粒物和浮游植物色素）对水体颜色的影响，从机理角度对野外和室内控制实验结果进行验证。.2、在大量数据观测基础上，围绕黑水团研究中的核心科学问题进行了研究，主要发现：“湖泛”水体由于在厌氧情况下藻类大量死亡分解，CDOM含量显著高于普通水体，无机颗粒物浓度普遍低于普通水体，而无机颗粒物控制着水体的后向散射；因此，二者的共同贡献造成了水体的“低散射、高吸收”，导致“湖泛”水体反射率显著低于周边正常水体而呈现黑色。同时，利用Hydrolight和CIE颜色匹配函数，模拟了单个参数梯度变化时的离水辐亮度和遥感反射比，并对水体颜色进行模型推演，探讨了“湖泛”发生过程中水色变化规律；另外，通过同步采集Fe2+，S2-等数据，发现CDOM与Fe2+具有较好的正相关关系，而与S2-为负相关；通过进一步研究发现，Fe2+与CDOM形成络合物，增强了CDOM的吸收能力，较好解释了Fe2+与水色变黑的关系。.3、发表项目资助论文12篇，其中SCI论文7篇，含II区以上论文4篇。其中关于黑水团水体光学特性的论文以“Optical characterization of black water blooms in eutrophic waters”为题在Science of the Total Environment发表后，引起关注，被国际海洋水色协调工作组（IOCCG）作为水色遥感领域最新研究成果进行了报道。