中国湖泊水体透明度时空分布格局（2020）

对应目标：6.3 到2030年，通过以下方式改善水质：减少污染，消除倾倒废物现象，把危险化学品和材料的排放减少到最低限度，将未经处理废水比例减半，大幅增加全球废物回收和安全再利用。

1. 案例背景

水体透明度（Secchi Disk Depth, SDD）是指黑白赛克盘垂直沉入水中直到看不见的深度，可用于表征水体清澈程度。通常，透明度越高，水体越清澈。大量研究表明通过卫星遥感反演水体透明度与水质指标有着密切联系（Chang et al., 2020; Lee and Lee, 2015）。本案例为了从宏观上反映中国湖泊清澈程度，构建了中国湖泊水体透明度提取算法，实现了2000~2019年中国大型湖泊（>20 km²）水体透明度的估算，为SDG 6.3.2的监测评估做出了有益的探索。

2. 所用数据

•        2000~2019年中分辨率成像光谱仪（Moderate-Resolution Imaging Spectroradiometer, MODIS）陆表反射率、温度和归一化植被指数产品

•        2000~2019年热带降雨测量任务（Tropical Rainfall Measuring Mission, TRMM）卫星数据产品

•        中国数字高程模型

•        2000~2019年再分析风速产品

•        2010年中国每公里人口密度

3. 方法介绍

本案例构建了一种可适用于MODIS陆地反射率产品MOD09GA的SDD遥感反演算法：

SDD=1 699.72×e^-170.92×R，R≤0.016

SDD=0.36×R^-1.39，R>0.016

R=（R₅₅₅+R₆₄₅）/2π

其中，R₅₅₅和R₆₄₅分别为MODIS两波段的反射率，中心波长为555 nm和645 nm，R为中间变量。将公式应用于2000~2019年反射率，可得到日尺度SDD产品，算术平均得到每个湖年尺度和气候态平均SDD。基于中国湖泊2236个实测水体透明度站点数据，随机选取75%的匹配数据用于构建模型，其余25%用于验证。本案例算法与已报道的区域性算法或结果进行了对比，两者基本一致，表明本案例算法在区域和全国尺度具有广泛的适用性。

4. 结果与分析

1）中国湖泊SDD时空分布格局

整体上，中国湖泊SDD表现出“西高东低”的特征。西部三个山地湖区湖泊的平均SDD （180.28 ± 171.29 cm）是东部两个平原湖区湖泊平均SDD（78.01 ± 40.54 cm）的两倍有余（图3-1a）。其中，云贵高原湖区、青藏高原湖区、蒙新湖区、东部平原湖区和东北平原湖区的平均SDD分别为404.63 ± 363.98 cm、182.41 ± 184.29 cm、139.70 ± 193.96 cm、92.90 ± 90.09 cm和55.05 ± 33.46 cm(图3-1)。分析表明：湖泊SDD空间变化主要受水深影响，水深能解释88.81%的中国湖泊SDD空间变异。实测数据表明：水体富营养化也会降低SDD，比如实测叶绿素a含量与SDD也存在显著幂函数负相关(N = 1 827，r = 0.36；p < 0.001)。

2000~2019年，中国湖泊水体清澈程度有所改善。所研究的412个湖泊（占全国湖泊总面积的87.02%），有70.15%表现为SDD增加，且42.72%表现为显著增加。流域植被恢复对湖泊SDD增加起主要作用，植被指数增加对蒙新、青藏高原、云贵高原、东北平原和东部平原等湖区湖泊SDD增加的贡献分别为44.95%、37.87%、75.66%、58.12%和36.34%。同时，气候变化对湖泊SDD，主要是青藏高原湖泊增加有明显作用；气温升高使冰川融化并提升湖泊水位，能解释24.98%的青藏高原湖区SDD增加。

图3-1. 2000~2019年中国大型湖泊水体透明度分布图

（a）透明度（Secchi Disk Depth, SDD）平均值；（b）水体清澈程度变化

流域NDVI变化率为2000~2019年的线性拟合斜率。IMXL. 蒙新湖区；TPL. 青藏高原湖区；YGPL. 云贵高原湖泊；NPML. 东北平原湖泊；EPL. 东部平原湖泊

2）中国湖泊清澈程度所占比例

依据已公开报道文献和统计分析（Chang et al., 2020; Lee and Lee, 2015），本案例科学设置了划分湖泊水体清澈程度的阈值：将年平均SDD为≤25、(25, 65]、（65, 100]和>100（单位cm）的湖泊分别划分为IV、III、II和I类清澈水体。I类清澈程度湖泊大多分布在中国西部，尤其是青藏高原湖区。东部两个湖区湖泊大多为III类，且部分湖泊呈现清澈程度退化。2000~2019年，I类清澈程度湖泊数占比增加显著，从39.12%增长至54.01%左右；II类清澈程度湖泊数占比稳定在14.21%上下；III类清澈程度湖泊数占比显著降低，从32.52%降至23.84%左右；IV类清澈程度湖泊数占比也显著降低，从15.89%降至7.54%左右。I、II和III类水体清澈程度良好的湖泊数占比由2000年的84.11%增长为2019年的92.46%(图3-1)，提高了8.35个百分点。整体上，中国大型湖泊清澈程度表现良好，且呈现好转态势。

5.讨论与展望

本案例构建了一种可以实现中国湖泊SDD快速制图的遥感方法，并定量计算了不同影响因子对SDD时空变异的贡献。湖泊流域植被修复对2000~2019湖泊SDD增加具有积极作用。整体上，中国大型湖泊清澈程度良好并逐渐改善，I、II和III类湖泊数占比从2000年的84.11%上升到2019年的92.46%。基于相关分析，本案例提出了改善中国湖泊清澈程度的三大举措：生态补水提升水位、富营养化控制和流域植被修复。