黃 君，宋 挺，莊 嚴，吳 蔚

(無錫市環(huán)境監(jiān)測中心站，江蘇無錫 214121)

太湖是我國第3大淡水湖，近年來太湖富營養(yǎng) 化嚴重，因湖水富營養(yǎng)化引起的藍藻水華頻繁暴發(fā)，不僅惡化了水體的感官性狀，而且破壞了太湖生態(tài)系統(tǒng)的總體平衡，嚴重降低了太湖的使用功能［1］。自1990年以來，太湖藍藻水華頻頻暴發(fā)，特別是2007年5月底，太湖梅梁灣部分發(fā)生了藍藻大爆發(fā)，導(dǎo)致無錫市自來水臭水事件，太湖藍藻水華危害再度引起社會各方面的關(guān)注［2］。快速掌握藍藻水華分布及其變化規(guī)律對太湖水質(zhì)監(jiān)測與水華預(yù)測預(yù)警具有重要意義。傳統(tǒng)的實地采樣監(jiān)測無論其空間頻率還是時間頻率都不足以反映藍藻生物量的變化，尤其是在藍藻密度時空變化很快的水華爆發(fā)期［3］，而藍藻的漂移特性和特有的光譜特征使衛(wèi)星遙感監(jiān)測成為可能。衛(wèi)星遙感作為一種全新的監(jiān)測手段，具備了高空間覆蓋度、高時間分辨率的特點，能夠很好地滿足湖泊藍藻水華爆發(fā)監(jiān)測的要求［4］。近年來，在藍藻衛(wèi)星遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)方面，中分辨率成像光譜儀 (MODIS)數(shù)據(jù)因其光譜分辨率高、觀測周期短等特點，受到越來越多的重視。它擁有36個光譜通道，覆蓋可見光、近紅外和熱紅外波段，具有波段窄、信噪比高、波譜敏感性好等優(yōu)點，其中第1、2波段的空間分辨率為250m，能夠準確地用于湖泊水體提?。?］，并且每天上、下午在太湖流域上空分別過境一次，其數(shù)據(jù)時間分辨率高，對于湖體藍藻水華信息可實現(xiàn)動態(tài)監(jiān)測。太湖分區(qū)如圖1所示。本文利用MODIS數(shù)據(jù)進行藍藻信息提取研究，探究太湖藍藻水華特征及其時空分布規(guī)律，為衛(wèi)星遙感技術(shù)在湖泊藍藻水華預(yù)警、監(jiān)控中的應(yīng)用提供可行性支撐，為太湖藍藻治理工作提供技術(shù)支持。

1 資料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源與提取

結(jié)合夏季太湖藍藻預(yù)警監(jiān)測工作，考慮到太湖藍藻水華主要從每年4月開始零星爆發(fā)，11月基本無大范圍藍藻水華爆發(fā)，因此本文選取2010年～2013年4～10月的EOS/MODIS影像數(shù)據(jù) (排除了云層、天氣質(zhì)量等對影像質(zhì)量影像較大的數(shù)據(jù))共357景，影像數(shù)據(jù)來源于江蘇省環(huán)境監(jiān)測中心。通過ERDAS軟件對MODIS影像進行重投影和幾何糾正，利用ENVI軟件對太湖水體植被覆蓋度NDVI值進行提取，對與水體區(qū)分明顯的湖面藍藻水華開展人工目視解譯，結(jié)合NDVI值和目視解譯結(jié)果，利用ArcGIS空間分析功能對藍藻水華分布規(guī)律進行分析研究。

1.2 藍藻水華分級評價方法

劉聚濤等［6］應(yīng)用層次分析法確定權(quán)重，結(jié)合隸屬度函數(shù)，采用模糊綜合評價建立太湖藍藻水華災(zāi)度分級評價方法，定量描述藍藻水華災(zāi)害程度，提出太湖藍藻分級評價標準，如表1［7］。利用MODIS衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)解譯獲得太湖藍藻水華面積，根據(jù)分級評價標準將太湖藍藻水華分為小型、中型、大型、重大、特大等5大類藍藻水華級別，并對不同級別藍藻水華發(fā)生次數(shù)和規(guī)模進行統(tǒng)計分析。

表1 太湖藍藻水華分級標準Tab.1 Standard of classification of blue-green algae blooms in Lake Taihu

1.3 藍藻水華發(fā)生頻率分析方法

目前多數(shù)觀點認同藍藻水華的形成一般是由藍藻本身的生理特點以及溫度、光照、營養(yǎng)鹽、其它生物等諸多環(huán)境因素所引發(fā)的［8］。太湖不同水域由于地理位置、水質(zhì)狀況的不同，加上水文氣象條件的差異必然會造成藍藻水華發(fā)生頻率的差異，為了能夠全面直觀的反映全太湖藍藻水華發(fā)生空間分布的特征和差異，利用ArcGis空間分析功能，引入藍藻水華發(fā)生頻率指數(shù)F，以研究太湖不同水域藍藻水華發(fā)生頻率。

其中:F—藍藻水華發(fā)生頻率;t—某水域累計監(jiān)測到藍藻水華的次數(shù);T—獲取可靠遙感影像的天數(shù)。

藍藻水華發(fā)生頻率指數(shù)F即為某水域在有效獲取遙感影像的天數(shù)中監(jiān)測到藍藻水華發(fā)生的次數(shù)，F(xiàn)值越高，表明在該水域監(jiān)測到的藍藻水華發(fā)生次數(shù)越多，水華爆發(fā)幾率越高，藍藻水華災(zāi)害風險越大。在Arcmap中將不同日期藍藻水華SHP圖層中Field字段進行賦值為1，合并賦值后的各SHP圖層生成新圖層，給新圖層添加次數(shù)(Times)字段，利用Calculate Field功能累加不同日期Field字段值，并將生成的不同字段值的SHP圖層進行融合，在Arcmap中對不同次數(shù)進行分級并用深淺顏色表征藍藻水華發(fā)生頻率的高低。實踐證明，藍藻水華發(fā)生頻率分析方法能夠全面直觀反映太湖藍藻水華空間分布特征，彌補了在長時間序列內(nèi)無法將不同日期藍藻水華信息疊加表達的缺點。

2 結(jié)果與分析

2.1 太湖藍藻水華發(fā)生次數(shù)和規(guī)模

2010年～2013年4～10月的EOS/MODIS影像監(jiān)測結(jié)果顯示，太湖共計監(jiān)測到藍藻水華發(fā)生現(xiàn)象354次，其中小型藍藻水華發(fā)生次數(shù)最多，共計283次，中型藍藻水華發(fā)生56次，大型藍藻水華發(fā)生11次，重大藍藻水華次數(shù)最少，僅4次，2010年～2013年4～10月未發(fā)生特大藍藻水華。2010年～2013年4～10月藍藻水華聚集總面積為33163.42km2，平均每次發(fā)生藍藻水華面積為93.68km2，約占全太湖水域面積的4.01%。2010年～2013年4～10月不同級別藍藻水華發(fā)生次數(shù)和規(guī)模見表2。

表2 不同級別藍藻水華發(fā)生次數(shù)和規(guī)模Tab.2 Occurrence time of different scale of blue-green algae blooms in Lake Taihu

2.2 太湖藍藻水華時間變化特征

2.2.1 太湖藍藻水華年際變化特征

根據(jù)監(jiān)測結(jié)果統(tǒng)計，2010年～2013年4～10月太湖藍藻水華發(fā)生次數(shù)分別為76次、93次、90次、95次，總體上比較平穩(wěn)。不同級別藍藻水華發(fā)生次數(shù)如圖2所示，每年小型藍藻水華發(fā)生次數(shù)最多，并呈逐年增加趨勢，中型藍藻水華發(fā)生次數(shù)在20次以內(nèi)，大型藍藻水華發(fā)生次數(shù)在5次以內(nèi)，2013年未發(fā)生大型藍藻水華。中型、大型藍藻水華發(fā)生次數(shù)總體呈逐年下降趨勢，重大藍藻水華僅在2010年發(fā)生3次和2012年發(fā)生1次。隨著藍藻水華級別的升高，各級藍藻水華發(fā)生次數(shù)逐漸減少?？傮w來說，近年來太湖藍藻水華發(fā)生呈現(xiàn)“小型多發(fā)、中大型少發(fā)、重大型偶發(fā)”趨勢。

2010年～2013年4～10月藍藻水華發(fā)生規(guī)模如圖3所示，藍藻水華平均面積和總面積都逐年減少，2013年藍藻水華平均面積較2010年減少61.75%，2013年藍藻水華總面積較2010年減少52.18%，可見2010年～2013年4～10月藍藻水華發(fā)生規(guī)模呈顯著下降趨勢。

圖2 2010年～2013年不同級別藍藻水華發(fā)生次數(shù)Fig.2 Occurrence time of different scale of blue-green algae blooms between 2010 and 2013

圖3 2010年～2013年藍藻水華發(fā)生規(guī)模Fig.3 Scale of blue-green algae blooms between 2010 and 2013

2.2.2 太湖藍藻水華月際變化特征

2010年～2013年不同級別藍藻水華發(fā)生次數(shù)及其規(guī)模月度變化趨勢如圖4所示，4～8月藍藻水華發(fā)生總次數(shù)均呈增加趨勢，8～9月基本持平，9～10月次數(shù)逐漸減少。其中小型藍藻水華主要發(fā)生在7～10月，平均每月發(fā)生12～15次，8月達到頂峰，9月水華發(fā)生次數(shù)開始減少，10月和9月發(fā)生次數(shù)基本持平。中型藍藻水華主要發(fā)生在8～10月，9月達到頂峰，10月開始有所減緩。大型藍藻水華總共發(fā)生12次，其中8月發(fā)生7次，9月次之，發(fā)生3次。重大藍藻水華發(fā)生次數(shù)最少，總共發(fā)生4次，分別為8月1次，9月3次。總體來說，藍藻水華主要發(fā)生在8～10月，8月和9月尤其是太湖藍藻水華的高發(fā)月份。

從藍藻水華發(fā)生規(guī)模來看，4～6月藍藻水華發(fā)生規(guī)模較小，平均面積在20km2以內(nèi)，7月開始氣溫升幅較快，藍藻水華發(fā)生規(guī)模逐步擴大，且高溫持續(xù)時間長，藻類迅速增殖，加上適宜的氣象、水文條件，藍藻水華聚集面積明顯增加，到9月水華平均面積達到151.62 km2，占太湖水域總面積的6.48%，10月隨著氣溫逐步下降，藍藻水華發(fā)生規(guī)模有所縮小，但水華平均面積仍處于較高水平，達到 106.85 km2，占太湖水域總面積的4.57%。

圖4 不同級別藍藻水華發(fā)生次數(shù)及其面積逐月對比Fig.4 Occurrence frequency and area of different scale of blue-green algae monthly trend

2.3 太湖藍藻水華空間變化特征

2.3.1 首次爆發(fā)區(qū)域

藍藻水華首次爆發(fā)時間和地點的確定對于早期太湖藍藻預(yù)警監(jiān)測工作具有十分重要的意義。通過MODIS數(shù)據(jù)在2010年～2013年第一時間發(fā)現(xiàn)太湖藍藻水華暴發(fā)情況。2010年4月太湖西部沿岸首次發(fā)現(xiàn)小范圍藍藻水華現(xiàn)象，2011年5月同樣在太湖西部沿岸首次發(fā)現(xiàn)藍藻水華現(xiàn)象，2012年4月太湖南部沿岸首次發(fā)現(xiàn)藍藻水華現(xiàn)象，2013年4月太湖西部沿岸首次發(fā)現(xiàn)藍藻水華現(xiàn)象。從2010年～2013年太湖藍藻水華首次暴發(fā)情況來看，太湖西部和南部沿岸是首次爆發(fā)藍藻水華的高發(fā)水域，尤其是西部沿岸是太湖藍藻水華首次暴發(fā)的最頻繁水域。

2.3.2 藍藻水華空間分布動態(tài)變化

通過對2010年～2013年4～10月太湖藍藻水華發(fā)生水域動態(tài)變化來進行藍藻水華空間變化分析。從近年來的監(jiān)測結(jié)果顯示，4～5月太湖藍藻水華首先出現(xiàn)在太湖西部和南部沿岸水域，6月逐漸向竺山湖、梅梁湖擴散，7～8月除太湖東部沿岸區(qū)和東太湖水域外，其余水域均出現(xiàn)不同程度藍藻水華聚集現(xiàn)象，9月在8月藍藻水華聚集基礎(chǔ)上，藍藻水華聚集水域進一步延伸，10月在9月基礎(chǔ)上，藍藻水華聚集現(xiàn)象有所緩解，藍藻水華面積大幅度減少?？傮w來說，太湖藍藻水華空間動態(tài)遷移趨勢為:從太湖西部和南部沿岸水域首發(fā)，逐步向北部的竺山湖、梅梁湖，東北部的貢湖，太湖湖心區(qū)擴散。太湖藍藻水華整體遷移方向為:西部和南部→北部→東北部→湖心區(qū)。

2.3.3 藍藻水華空間分布頻率研究

考慮到藍藻水華空間分布的動態(tài)變化以及水華發(fā)生規(guī)模的不確定性，通過藍藻水華發(fā)生頻率指數(shù)F，揭示不同湖區(qū)藍藻水華發(fā)生概率情況，以研究太湖不同水域藍藻水華發(fā)生規(guī)律，并為藍藻水華高發(fā)水域的預(yù)警監(jiān)控提供及時有效的技術(shù)支持和決策依據(jù)。2010年～2013年4～10月太湖藍藻水華空間分布頻率圖見圖5。從各年情況來看，太湖藍藻水華發(fā)生最頻繁的水域在太湖西部沿岸區(qū)，梅梁湖、竺山湖水域爆發(fā)藍藻水華仍較為頻繁，湖心區(qū)和南部沿岸區(qū)藍藻水華發(fā)生頻率有所下降，貢湖水域藍藻水華也時有發(fā)生，東部沿岸區(qū)和東太湖水域基本未發(fā)生藍藻水華。從2010年～2013年綜合來看，太湖西部沿岸區(qū)尤其宜興沿岸是太湖各湖區(qū)藍藻水華爆發(fā)頻率最高的水域。

圖5 2010年～2013年太湖藍藻水華空間分布頻率圖Fig.5 Space frequency distribution map of cyanobacteria blooms in Lake Taihu between 2010 and 2013

3 討論

在水華形成機理研究中，研究最多的可能就是有關(guān)營養(yǎng)鹽與藻類生長之間的關(guān)系。由于藍藻水華通常出現(xiàn)在富營養(yǎng)化的湖泊中，人們通常假設(shè)它們的生長可能需要較高的磷、氮濃度支撐。伴隨著湖泊的富營養(yǎng)化，尤其是水體中磷、氮濃度的增加，通常會導(dǎo)致水體中浮游植物的種群組成朝著形成水華的藍藻演替［9］。根據(jù)近幾年太湖水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)來看，總磷和總氮等營養(yǎng)鹽濃度西部沿岸最高、其次依次為竺山湖、梅梁湖、南部沿岸、湖心區(qū)、貢湖、東部沿岸和東太湖，而作為藍藻水華表征因子的葉綠素a濃度具有相同趨勢，即營養(yǎng)鹽和葉綠素a濃度都呈現(xiàn)“西高東低”的分布規(guī)律，因此水環(huán)境指標的空間分布差異可能是導(dǎo)致太湖藍藻水華主要發(fā)生在西部沿岸的主要因素。

根據(jù)太湖藍藻水華年際變化特征來看，藍藻水華發(fā)生規(guī)模逐年減小，2010年～2013年藍藻水華發(fā)生規(guī)模呈顯著下降趨勢。根據(jù)近幾年太湖水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)來看，總磷和葉綠素a濃度變化不大，總磷濃度基本穩(wěn)定在0.06～0.07mg/L范圍內(nèi)，葉綠素a濃度在0.020～0.023 mg/L范圍內(nèi)小幅波動，總氮濃度逐年下降，由2010年2.56mg/L降至2013年2.15mg/L，富營養(yǎng)化湖泊中由于水體中氮含量的增加會導(dǎo)致微囊藻細胞合成較多的偽空胞，從而有利于藍藻群體的浮力調(diào)節(jié)，使其具有更強的對表層光和無機碳的競爭力，這可能也是水華藍藻形成優(yōu)勢的機制之一［10］。2010年～2013年太湖總氮濃度的逐年下降抑制了水華藍藻的生長、繁殖，這和2010年～2013年4～10月太湖平均藍藻密度的下降也是相吻合的，在一定程度上減小了太湖藍藻水華發(fā)生的機率和風險。

根據(jù)太湖藍藻水華月際變化特征來看，藍藻水華發(fā)生次數(shù)較多的月份主要集中在8～10月，其中8月和9月尤其是太湖藍藻水華的高發(fā)月份。發(fā)生規(guī)模上，7月開始藍藻水華發(fā)生規(guī)模逐步擴大，到9月水華平均面積達到頂峰，10月藍藻水華發(fā)生規(guī)模有所縮小。這可能是由于6月太湖流域處于梅雨季節(jié)，降雨量較大，使水位比其它月份高，一定程度上減小了藍藻水華的發(fā)生概率，7月開始隨著梅雨季節(jié)過去，氣溫快速上升，且7～9月高溫天氣持續(xù)時間長，藍藻迅速增殖，微囊藻的最佳生長溫度又高于其它藻類［11］，同時，夏季光照普遍強于其它季節(jié)，因此，9月藍藻水華聚集規(guī)模最大，10月隨著氣溫逐漸下降，藍藻水華規(guī)模也有所縮減。

4 結(jié)語

4.1 結(jié)論

(1)2010年～2013年，全太湖共發(fā)生藍藻水華354次，其中小型水華發(fā)生次數(shù)最多，共發(fā)生283次，占總發(fā)生次數(shù)的79.94%，藍藻水華級別越高，發(fā)生次數(shù)越少，2010年～2013年未發(fā)生特大藍藻水華。2010年～2013年藍藻水華平均面積為93.68km2，約占全太湖水域面積的4.01%。

(2)年際變化上，藍藻水華發(fā)生次數(shù)總體趨于平穩(wěn)，小型藍藻水華發(fā)生次數(shù)呈增加趨勢，隨著藍藻水華級別升高，各級藍藻水華發(fā)生次數(shù)逐漸減少。藍藻水華發(fā)生總體呈現(xiàn)“小型多發(fā)、中大型少發(fā)、重大型偶發(fā)”趨勢。從發(fā)生規(guī)模來看，藍藻水華平均面積和總面積都逐年減少，2010年～2013年藍藻水華發(fā)生規(guī)模呈顯著下降趨勢。

(3)月際變化上，2010年～2013年4～8月藍藻水華發(fā)生總次數(shù)呈增加趨勢，8～9月基本持平，9～10月次數(shù)逐漸減少?？傮w來說，藍藻水華主要發(fā)生在8～10月，8月和9月尤其是太湖藍藻水華的高發(fā)月份。發(fā)生規(guī)模上，4～6月藍藻水華發(fā)生規(guī)模較小，7月開始藍藻水華發(fā)生規(guī)模逐步擴大，到9月水華平均面積達到頂峰，10月藍藻水華發(fā)生規(guī)模有所縮小。

(4)空間變化上，太湖西部沿岸仍是太湖藍藻水華首次爆發(fā)的最頻繁水域。綜合2010年～2013年太湖藍藻水華空間動態(tài)遷移情況，太湖藍藻水華整體遷移方向為:西部和南部→北部→東北部→湖心區(qū)。從空間分布頻率來看，太湖藍藻水華發(fā)生最頻繁的水域在太湖西部沿岸區(qū)，其次依次為梅梁湖和竺山湖水域、南部沿岸區(qū)、湖心區(qū)、貢湖水域，東部沿岸區(qū)和東太湖水域基本未發(fā)生藍藻水華。從2010年～2013年綜合來看，太湖西部沿岸區(qū)尤其宜興沿岸是藍藻水華爆發(fā)頻率最高的水域。

4.2 建議

為進一步控制太湖藍藻水華，科學有效治理太湖水污染，筆者認為應(yīng)從以下幾方面加大治太力度:(1)控源截污。減少N、P等外源污染物入湖是治理太湖的最基本和有效的措施，其關(guān)鍵是控制西部及南部區(qū)域的污染物及其河道污染入湖。(2)大規(guī)模打撈藍藻。大規(guī)模打撈藍藻直接大量削減藍藻數(shù)量及其所含N、P和有機物，降低富營養(yǎng)化程度，減輕藍藻爆發(fā)程度，減輕藍藻爆發(fā)對水源地和水環(huán)境的嚴重危害。(3)生態(tài)調(diào)水。生態(tài)調(diào)水是為改善水環(huán)境而實施的調(diào)水，通過望虞河“引江濟太”工程調(diào)進好水入太湖，通過梅梁湖泵站調(diào)出太湖差水。實踐證明，調(diào)水可提高太湖水自凈能力，直接或間接增加環(huán)境容量。 (4)生態(tài)清淤。生態(tài)清淤是削減藍藻種源和局部水域N、P釋放的重要措施。2007年～2011年無錫等太湖周邊城市共清淤2500多萬m3，其中清除受藍藻爆發(fā)等因素嚴重污染的淤泥1210萬m3［12］，清淤重點是自來水取水口水源地、藍藻大量死亡沉積區(qū)，以及河道入湖口。(5)生態(tài)修復(fù)。水生態(tài)修復(fù)是湖泊治理藍藻爆發(fā)和富營養(yǎng)化不可缺少的重要措施，可以在藍藻爆發(fā)嚴重的太湖沿岸水域種植大型水生植物削減藍藻數(shù)量和有效凈化水體。目前生態(tài)修復(fù)應(yīng)試驗示范與擴大規(guī)模相結(jié)合，生態(tài)修復(fù)實施后的關(guān)鍵是加強長效管理，實施人工與自然修復(fù)相結(jié)合，最終達到修復(fù)整個太湖水生態(tài)系統(tǒng)平衡的目的。

［1］ 王海君，李云梅.用ASTER數(shù)據(jù)監(jiān)測梅梁湖湖區(qū)藍藻分布的方法［J］.南京師大學報(自然科學版)，2005，28(1):103-106.

［2］ 李旭文.太湖藍藻大暴發(fā)的警示和啟發(fā)［J］.上海企業(yè)，2007，(7):7-8.

［3］ Kut ser T，Met samaa L，St rombeck N.Monitoring cyanobacterial blooms by satellite remote sensing［J］.Coastal and Shelf Science，2006，(67):303-312.

［4］ 武勝利，劉 誠，孫 軍，等.衛(wèi)星遙感太湖藍藻水華分布及其氣象影像要素分析［J］.氣象，2009，35(1):19-23.

［5］ 徐京萍，張 栢，李 方，等.基于MODIS數(shù)據(jù)的太湖藻華水體識別模式［J］.湖泊科學，2008，20(2):191-195.

［6］ 劉聚濤，高俊峰，趙家虎，等.太湖藍藻水華災(zāi)害程度評價方法［J］.中國環(huán)境科學，2010，30(6):829-832.

［7］ 劉聚濤，楊永生，高俊峰，等.太湖藍藻水華分級及其時空變化［J］.長江流域資源與環(huán)境，2011，20(2):156-159.

［8］ Paerl W，F(xiàn)ulton R S，Moisander P H，et al.Harmful freshwater algal blooms，with an emphasis on cyanobacteria ［J］.Sci World，2001，1:76-113.

［9］ Steiberg C E W and Hartmann H M.Plank tonic bloom forming cyanobacteria and the eutrophication of lake and rivers［J］.Freshwater Biol，1988，20:279-287.

［10］ 孔繁翔，馬榮華，高俊峰，等.太湖藍藻水華的預(yù)防、預(yù)測和預(yù)警的理論與實踐［J］.湖泊科學，2009，21(3):314-328.

［11］ 孔繁翔，高 光.大型淺水富營養(yǎng)化湖泊中藍藻水華形成機理的思考［J］.生態(tài)學報，2005，25(3):589-595.

［12］ 朱 喜，胡明明.中國淡水湖泊藍藻暴發(fā)治理與預(yù)防［M］.北京:中國水利水電出版社，2014.227.