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遥感监测 | 有害蓝藻水华过度生长,我们能怎么做?

有害蓝藻.jpeg

即将到来的5月是内陆浅水湖泊蓝藻水华爆发的高峰期,因此中国五大著名淡水湖之一的巢湖于近日启动了蓝藻水华预警应急监测。根据安排,相关部门每周将对12个湖点进行监测,整个监测任务将持续到11月,以便及时发现巢湖蓝藻的发生、发展和变化。

而政府环保部门重视蓝藻水华的监测预警,主要是因为其危害巨大。作为生态系统的自然组成部分,大部分藻类是无毒的,但一些有毒的藻类会对人类、动物和植物的健康造成严重的危害。

首先,有害藻类在水中产生高含量的毒素,会污染人类、动物和植物的饮用水。如果人畜误饮,会导致皮疹、发热、呼吸困难、肝肾损害等疾病。其次,当污染的水流动或冲击岸边时,毒素会释放到空气中,这些气溶胶会引起人类的呼吸道疾病;第三,毒藻在分解过程中会消耗水中的氧气,导致水生生物窒息死亡。对于水产养殖来说,会直接影响经济鱼类的收获。

据调查,中国超过一半的湖泊和水库处于富营养化状态。除了上面提到的巢湖,太湖的水华污染也很严重。

自20世纪90年代以来,生活、农业和工业的不合理排放对湖内生态系统造成严重破坏,导致太湖蓝藻水华频发,给流域人民健康和经济发展带来负面影响。特别是2007年发生的重大蓝藻污染事件,使得太湖富营养化和蓝藻水华控制成为国家和全民关注的重要而紧迫的问题。

藻类监测和控制的技术手段

治理的前提是全面掌握藻华的生长情况。目前,遥感技术主要应用于我国水环境监测领域。通过遥感图像的宏观视角,为水环境的监测和治理提供多维参考信息。

为了看看经过多年治理后的太湖水质目前如何,迪达量子此前在2019年对太湖水质进行了监测。

湖泊富营养化量子遥感监测技术是通过测量和分析水体在某一波段的辐射值,获得光谱特征,对富营养化水体进行监测和评价的过程。通过研究反射光谱特征与水质参数之间的关系,建立相应的水质参数反演算法,进而组合相关的湖泊富营养化模型。

下图是地球量子的监测结果,分别显示了2019年5月太湖的叶绿素浓度、悬浮物粒度和水体透明度。从结果来看,虽然经过一段时间的治理,太湖水质有所改善,但水华依然存在。

量子:2019年5月太湖叶绿素浓度监测

地球量子:2019年5月太湖悬浮颗粒物粒径监测

量子:2019年5月太湖水体透明度监测

蓝藻水华的遥感监测是基于被测水体的光谱特征。水体的光谱特性是由各种组分对光辐射的吸收和散射特性决定的。水中是否存在蓝藻,其密度的不同会使水体的悬浮物和透明度信息不同,从而影响传感器接收到的光谱反射信息。

正常情况下,影响水中光谱反射率的物质主要有三类:

1)叶绿素,主要是各种藻类;

2)浮游植物死亡产生的有机碎屑和陆地或湖泊沉积物再悬浮产生的无机悬浮颗粒,一般称为悬浮固体;

3)由黄腐酸、腐殖酸等组成的溶解有机质。,通常称为黄色物质。这些物质会拦截水体的入射光能,改变水体的反射光谱。如果水体受到一定程度的污染,水面上的污染物(如油、藻类)和水中的污染物也会影响光谱的反射率。

气候变暖是蓝藻频繁爆发的原因。

其实一般情况下,由于其他藻种的生长限制,蓝藻在常温下是无法大规模爆发的,也很难引起我们的注意。毕竟它们出现在30多亿年前的地球上,堪称地球植物的祖先。从优胜劣汰的角度来看,水华的自然存在和消亡是符合地球生态运行的。但在某些特定情况下,它们可能会变得失控,疯狂蔓延,久久不能消退。

蓝藻水华的爆发受一系列因素的影响,如氮、磷等营养物质的增加,高温,光照充足,水循环不畅,极端天气,如飓风、洪水、干旱等。

以巢湖为例,这是一个人类活动最频繁的大型浅水湖泊。流域北岸广泛分布的各种点源、非点源污染和含磷岩系使水体富营养化。最重要的是,巢湖地处北亚热带湿润季风气候区,相对较高的水温使藻类细胞分裂生长成为可能。

同时,多项研究表明,全球变暖和水温上升是蓝藻爆发的原因之一。2019年10月,《自然》杂志上的文章指出,全球变暖使得全球范围内一直在增加的富营养化和藻类水华变得更加复杂和难以控制,富营养化导致的水生态系统退化已成为不争的事实。

为了研究温度是否与蓝藻水华有直接关系,研究人员对比了美国宇航局和美国地质学会的Landsat 5近地卫星在1984年至2013年间拍摄的33个国家/地区的71个大型湖泊的照片。结果显示,世界上只有6个湖泊的蓝藻水华覆盖率在下降,而包括佛罗里达州奥基乔比湖在内的至少22个其他湖泊的蓝藻水华数量在增加。

2019年2月,NOAA卫星彩色图像,佛罗里达州HAB(有害蓝藻水华)监测图

虽然在很长一段时间里,人们认为周围居民区的污染程度、降雨量和化肥使用是促进水华的主要因素,但从近30年来观察到的湖泊来看,只有变暖程度最低的湖泊的水华有所改善,那些变暖的地区则是另一番景象。

因此,研究人员也确信,气候变化加快了藻类的生长速度,增加了改善水质的难度。

蓝藻爆发是一个全球性问题。

近年来,由于持续的富营养化、大气二氧化碳浓度上升和全球变暖,蓝藻水华在全球范围内肆虐。

以美国为例。2014年,俄亥俄州托莱多因饮用水中含有藻类毒素,连续三天停止向40万居民供应公共饮用水;2015年,俄亥俄河出现了长达650英里的水华,水华的积累威胁到了饮用水处理系统;2016年初,得克萨斯州因发现蓝藻毒素,英格尔赛德发布了为期13天的停止饮用水供应警告;2016年,从阿拉斯加到佛罗里达的藻华导致海滩关闭,严重影响了旅游业和当地经济。......

面对水华的客观事实,各国/地区也利用遥感技术掌握水华危机的影响范围和程度。

Landsat 8图像显示,2017年9月,有害藻华覆盖了北美伊利湖西部的大部分地区。

2016年7月6日,挪威和俄罗斯北部之间的巴伦支海的海藻爆发

2015年7月28日,密歇根州圣克莱尔湖的藻类大量繁殖

2014年9月4日,阿拉斯加白令海的水藻爆发

在全球气候变化和人类经济发展加速的背景下,蓝藻水华的防治达到了前所未有的难度。面对水华形成的原因和管理中的各种不确定因素,我们需要在监测、预警和综合管理方面取得突破。

现在卫星的覆盖范围超出了我们的想象,可以看到很多人眼可能错过的信息。通过遥感图像,我们可以准确地跟踪水华在水面蔓延的每一个过程。通过遥感的周期性监测,在人工智能、云计算等技术的辅助下,及时给出预警并启动治理,尽可能避免水华污染带来的危害。

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