摘要
在气候变化和人类活动的影响下，湖泊生态系统发生显著变化，湖泊水位下降甚至消失，富营养化情况加重。太湖作为我国富营养化最为严重的湖泊，地处经济发达的长三角核心区域，其环境问题造成的经济损失数以亿计，当地人民生产生活受到严重影响，太湖富营养化已经成为我国环境治理亟需解决的难题。磷(phosphorus，P)作为淡水生态系统的主要限制营养盐，其形态以颗粒态为主，随土壤侵蚀进入湖泊，所以面源污染是湖泊磷的主要来源。同时，湖泊中总磷（totalphosphorus，TP）依附于悬浮泥沙和浮游植物等具有明显光谱特征的物质，使得遥感技术估算水体磷浓度成为可行。所以，以磷为纽带，通过模拟湖泊TP浓度和流域面源磷载荷，揭示湖泊对流域的响应机理，为太湖水环境治理提供科学依据。 因此，本研究在遥感技术的支持下，对比多种建模方法，开发适用于太湖的TP估算算法，模拟太湖TP时空分布特征，评价其时空分布合理性。然后，利用多源遥感数据，估算流域面源磷载荷。最后，结合湖泊TP浓度估算结果，分别从响应时间和响应区间展开，系统揭示湖泊TP时空分布对流域面源磷载荷响应规律。形成了“湖泊磷浓度——流域面源磷载荷——湖泊对流域响应规律揭示”的研究路线，为湖泊流域一体化研究提供参考。主要研究内容和结果为以下几个方面: (1)开发了太湖TP估算算法。基于2005-2019年太湖星地同步水质数据和MODIS影像数据，对比了传统算法构建方法（直接推导法和间接推导法）和决策树算法构建方法(AdaptiveBoosting、ExtremelyGradientBoosting、GradientBoostingDecisionTree和Randomforest)。结果表明，传统算法构建方法无法开发精度合格的太湖TP遥感算法，主要原因是太湖水环境复杂，不同湖区之间水质差异显著，导致磷赋存状态不稳定，其中，磷酸盐是导致传统算法精度降低的主要因素，其浓度升高时，TP和OACs之间的相关性降低。决策树算法中，ExtremelyGradientBoosting(BST)算法精度最高(R2=0.68，RMSE=0.06mg/L，MRE=36.05％)，稳定性更高，作为太湖TP估算算法。在此基础上，我们分析了决策树算法的估算机理:首先，太湖水体光学特征主要由浮游植物主导，叶绿素a(chlorophyll-a，Chla)是估算太湖TP的关键物质，BST算法的输入变量均与Chla有着良好的相关性;其次，由于BST算法和TP的特点，以光谱信息作为主要变量，以空间信息作为辅助变量，不仅加强了算法和湖泊TP之间的关联，同时提升了算法的精度和稳定性。 (2)分别从长时序应用、空间扩展和传感器移植方面评价了太湖TP算法。在长时序应用方面，使用2003-2019年太湖MODIS影像估算了太湖TP时空分布，基于沉积物和文献调查，评价了太湖TP时空估算结果的合理性，证明太湖TP时空模拟结果可以用于之后的研究。在空间扩展性评价方面，虽然太湖TP算法难以直接应用于江淮区域其他湖泊磷浓度估算(R2=0.42，RMSE=0.13mg/L，MRE=140.32％)，但是，太湖TP算法构建方法可以用于构建江淮湖泊TP估算算法（R2=0.75，RMSE=0.05mg/L，MRE=30.79％）。证明了基于BST算法，以光谱信息为主，辅以空间信息，可以实现湖泊TP浓度估算。最后，利用OLCI(OceanandLandColourInstrument)影像数据测试太湖TP算法，结果表明该算法在OLCI平台上不仅具有良好的验证精度(R2=0.78，RMSE=0.08mg/L，MRE=14.99％)，而且有一定的应用潜力，然而由于智能算法对样本质量的依赖，算法稳定性和适用性评价还有待将来更多样本输入。 (3)模拟了2003-2019年太湖磷浓度时空分布。整体上太湖TP浓度在0.1-0.2mg/L区间变化，属于Ⅴ类水标准。年际变化上，太湖TP浓度整体上呈现出先下降后上升的变化趋势，在2012年期间达到最低值0.13mg/L，2017年达到最高值0.17mg/L。月际变化上，夏季TP浓度显著高于冬季，7月份达到最高值，平均浓度达到0.18mg/L，2月份达到最低值0.12mg/L。在空间分布上，太湖TP浓度呈现出自西向东递减趋势，而且大部分高值区分布于靠近岸边的区域。不同湖区中，竺山湾和西太湖TP浓度最高，太湖区域TP浓度最低。之后，分析了太湖TP空间分布格局演变，确定了竺山湾、梅梁湾和西太湖是TP主要污染源区，作为之后湖泊TP对流域面源磷载荷的研究区域。 (4)模拟了太湖面源磷载荷时空变化，并分析了湖泊TP时空变化对其的响应机理。首先，基于多源遥感数据，利用SEDD(sedimentdeliverydistributedmodel)模型模拟了太湖流域面源磷载荷时空变化，结果表明太湖流域面源磷载荷强度主要在0-1kg/ha·yr范围内变化，在时间变化上，面源磷载荷分别于2008年和2016年达到峰值，载荷强度分别为0.79mg/L和0.95mg/L;在空间分布上，太湖流域面源磷载荷高值区主要分布于太湖西部的丘陵区、东山、西山以及梅梁湾周边。其次，在湖泊TP对流域面源磷载荷的响应时间方面，竺山湾和西太湖TP浓度对流域面源磷载荷的响应滞后时间均为7个月。由于京杭运河的阻断，以及主要上游河道常年关闸的影响，梅梁湾水体TP浓度对流域面源磷载荷响应不明显。在湖泊TP对流域面源磷载荷的响应区间方面，滞后效应增强了湖泊TP对面源磷载荷的响应程度，相关系数显著提升。由于环流影响，竺山湾水域封闭，竺山湾中心TP浓度与流域面源磷载荷联系最紧密;西太湖水体TP浓度与流域面源磷载荷的相关系数随着缓冲区距离呈先增加后下降的趋势，7-8km缓冲区TP响应程度最高。
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