通过将遥感技术与多深度实地测量相结合，阐明埃塞俄比亚塔纳湖长期悬浮沉积物的动态变化

《Journal of Great Lakes Research》：Elucidating long-term suspended sediment dynamics in Lake Tana of Ethiopia through integrating remote sensing with multi-depth field measurements

本研究通过整合MODIS-Terra遥感数据与多深度现场测量，开发了适用于Lake Tana的SSC反演算法（SSC=2158.80×ρNIR?24.20，R2=0.81），揭示了该湖悬浮物浓度（SSC）显著的空间异质性和年际波动，并发现2018年后SSC年均下降0.74 mg L?1，主要受水利设施和植被变化影响。摘要长度：98字

　　

萨缪尔·贝里洪·卡萨（Samuel Berihun Kassa）| 铃川淳（Atsushi Tsunekawa）| 尼古西·哈雷格韦恩（Nigussie Haregeweyn）| 津保光（Mitsuru Tsubo）| 艾耶莱·阿尔马沃·芬塔（Ayele Almaw Fenta）| 达格纳切乌·阿克洛格（Dagnachew Aklog）| 穆拉图·利耶韦·贝里洪（Mulatu Liyew Berihun）| 达格内特·苏丹（Dagnenet Sultan）| 安倍武（Takeshi Abe）| 泰耶·米尼奇尔·梅谢沙（Taye Minichil Meshesha）| 阿谢比尔·塞瓦莱·贝莱（Ashebir Sewale Belay）| 约瑟夫·布塔·海卢（Yoseph Buta Hailu）| 泽娜·特塞马·特雷费（Zena Tessema Terefe）| 德梅塞乌·A·米赫雷特（Demesew A. Mhiret）| 伊贝尔塔尔·阿姆拉克·特拉凯（Yibeltal Amlak Telake）

鸟取大学联合研究生院农业科学系，日本鸟取市小山町4-101，邮编680-8553

摘要

悬浮沉积物浓度（SSC），即单位体积水中的悬浮固体颗粒质量，是湖泊健康状况、沉积作用、水质和水生生态系统可持续性的关键指标。长期监测SSC对于基于证据的湖泊和流域管理至关重要；然而，传统的现场监测方法成本高昂、劳动强度大、物流要求高，并且在空间和时间覆盖范围上存在局限性。本研究结合了MODIS-Terra卫星观测数据与多深度现场测量数据，以研究埃塞俄比亚塔纳湖（Lake Tana）的长期时空SSC变化规律。我们开发了一种基于深度的SSC反演算法（SSC = 2158.80 × ρNIR ? 24.20；R2 = 0.81；n = 64），该算法在表层1米水柱中的预测性能表现优异，能够实现空间上精确且时间上连续的SSC估算。研究结果显示SSC存在显著的空间和年际变化：河流出口及近岸区域的SSC值最高（> 200 mg L?1），而湖泊中心区域的SSC值较低（< 55 mg L?1）。Pettitt检验分析表明2018年是一个关键转折点，此后年均SSC从80.10 mg L?1下降至65.11 mg L?1，年均下降率为-0.59 mg L?1，整个研究期间SSC总体减少了0.74 mg L?1每年。这种下降主要与近期水坝运行和植被覆盖率增加有关；此外，季节性湖水位波动及堰坝调节也影响了SSC的变化。总体而言，这种方法在数据有限的地区具有成本效益且易于推广，为上尼罗河流域的沉积物管理和水资源可持续规划提供了宝贵见解。

引言

湖泊在全球水循环中发挥着重要作用，作为天然水库提供饮用水、发电并维持水生生物多样性（Mammides, 2020）。它们通过渔业、灌溉、旅游业和文化价值支持数百万人的生计（Sterner et al., 2020）。从生态学角度来看，湖泊能够调节洪水、拦截沉积物和营养物质，并补充地下水，从而增强景观稳定性和生态系统韧性（Li and Tsigaris, 2024）。然而，许多湖泊正面临自然过程和人类活动（包括土地利用变化和流域退化）带来的日益增加的压力。悬浮沉积物浓度（SSC）的上升已成为一个重大问题（Mammides, 2020），因为它会增加水体浑浊度、降低光线穿透率、干扰光合作用并改变养分循环（Yang et al., 2025）。高沉积物负荷会加速湖泊淤积，降低其储水能力和长期功能（Lemma et al., 2020）。

有效的湖泊管理对于维持水质、生态系统健康和淡水利用至关重要（Qi et al., 2022）。准确且连续的SSC监测是这一目标的核心，尤其是在沉积物输入导致明显空间和时间变化的动态水生系统中，这直接影响水质（Hirji and Duda, 2025）。传统的SSC监测技术（如沉积物取芯和水文采样）通常成本高昂、劳动密集且空间覆盖范围有限（Costa et al., 2025）。在数据匮乏的地区（如撒哈拉以南非洲），这些限制尤为突出，导致水资源管理面临重大信息缺口。因此，需要成本效益高且可扩展的监测方法。

遥感技术的进步提供了这样的解决方案，实现了高频率、大范围的监测，从而加深了对沉积物动态及其控制因素的理解（Robert et al., 2016, Shi et al., 2015, Xie et al., 2024, Yunus et al., 2021）。中分辨率成像光谱仪（MODIS）、操作型陆地成像仪（OLI）、哨兵-2多光谱仪（Sentinel-2 Multispectral）、海景宽视场传感器（SeaWiFS）和中分辨率成像光谱仪（MERIS）等遥感数据已被广泛用于海洋和内陆水域的SSC监测（Nechad et al., 2010, Qiu et al., 2024, Yunus et al., 2021, Zhang et al., 2022）。其中，MODIS因其每日时间分辨率、中等空间分辨率（250–1000 m）、宽光谱覆盖范围（36个波段，覆盖0.405–14.385 μm）、强大的大气校正功能以及免费数据可用性而特别适用于长期SSC监测（Hamidi et al., 2017, Kaabi et al., 2016, Lyapustin et al., 2014, Shi et al., 2015, Wang and Lu, 2010, Xie et al., 2024, Yunus et al., 2021）。

因此，MODIS Terra和Aqua卫星在250米空间分辨率下的数据已被广泛应用于多种水生系统的SSC动态研究，包括中国太湖（Shi et al., 2015, Wu et al., 2014）、美国密歇根湖绿湾和切萨皮克湾（Hamidi et al., 2017, Yunus et al., 2021）、布基纳法索的巴格雷水库（Robert et al., 2016）、亚马逊河（Park and Latrubesse, 2014）以及阿拉伯湾的浅水区（Kaabi et al., 2016）。MODIS-Terra的红光和近红外（NIR）波段在开发适用于不同水文环境的SSC反演算法方面表现出色（Shi et al., 2015, Wu et al., 2014, Yunus et al., 2021）。

尽管取得了这些进展，但大多数基于遥感的SSC研究仍依赖于地表水样进行算法校准（Alegre et al., 2019, Chen et al., 2007, Cui et al., 2013, Hamidi et al., 2017, Shi et al., 2015, Wu et al., 2014, Yunus et al., 2021）。在塔纳湖（Lake Tana）的研究中，Kaba等人（2014）使用MODIS-Terra卫星数据，并结合来自该湖主要支流古马拉河（Gumara River）的校准反演算法来监测总悬浮固体（TSS），该方法同样基于地表采样；这条河流贡献了大约26%的年沉积物输入。类似地，Womber等人（2021）也基于网格采样方法为塔纳湖开发了SSC反演算法。然而，这种基于地表的方法在沉积物垂直分布变化显著的水生环境中存在局限性。在分层水体或河流出口区域，由于沉积物沉降和再悬浮过程，SSC会随深度增加，而地表采样无法捕捉到这一现象（Larson et al., 2018）。Larson等人（2021）指出，大部分沉积物传输发生在水面以下，这突显了多深度采样的重要性，以确保SSC的准确表示和光学特征。

塔纳湖是埃塞俄比亚最大的淡水湖，也是蓝尼罗河的源头，在水文、生态和社会经济方面发挥着重要作用（Asmare et al., 2020, Dersseh et al., 2022, Gebremedhin et al., 2018, Taye et al., 2021）。它通过渔业、灌溉、饮用水供应和发电支持数百万人的生活（Asmare et al., 2020, Dersseh et al., 2022, Gebremedhin et al., 2018, Taye et al., 2021），并于2015年被联合国教科文组织列为生物圈保护区，因其丰富的生物多样性和文化遗产价值（Tesfaye, 2023）。然而，该湖正面临沉积物堆积（Kebedew et al., 2021, Lemma et al., 2020）、入侵性水葫芦（Asmare et al., 2020, Dersseh et al., 2022）以及营养物质径流引起的富营养化（Engdaw et al., 2025）等威胁。尽管如此，关于长期悬浮沉积物动态的数据有限，阻碍了湖泊及其流域的有效管理。传统的监测方法仍然成本高昂且耗时，特别是在这种大型系统中沉积物动态具有显著的空间和时间变化的情况下。基于对大型热带湖泊沉积物动态的现有理解（Kumar et al., 2016），并针对塔纳湖的研究空白（Kaba et al., 2014; Womber et al., 2021），本研究提出了三个主要假设：首先，SSC估算算法的性能随水深变化而变化，这是由于沉积物浓度和光学性质的垂直差异所致；其次，塔纳湖的SSC在年际和年内存在显著变化，并表现出明显的空间异质性；第三，SSC动态主要受水文和环境因素驱动。

因此，本研究旨在通过结合MODIS-Terra卫星图像与多深度现场测量数据，探讨塔纳湖SSC的长期时空动态及其影响因素。具体目标包括：（i）开发一种将MODIS-Terra与多深度现场测量相结合的稳健SSC估算算法；（ii）分析2001–2023年间SSC的年内和年际空间及时间变化模式；（iii）探究SSC动态与关键自然过程及人为活动之间的关系。本研究的新颖之处在于将遥感技术与多深度采样相结合，以捕捉垂直方向的SSC分布，从而填补了动态水生系统中的方法学空白。这一综合框架提高了SSC反演的准确性，加深了对塔纳湖沉积物动态的理解，并为类似淡水生态系统的沉积物和流域管理提供了成本效益高的方法。

研究区域

本研究在位于上尼罗河流域的塔纳湖进行，地理坐标为经度36° 59′ 31.34′–37° 37′ 16.82′，纬度11° 35′ 45.40′–12° 18′ 31.36′（图1）。塔纳湖流域面积约为15,000平方公里，海拔高度在1780–4103米之间。在满水位状态下，塔纳湖表面积为3070平方公里，海拔1787米，宽66公里，长84公里，平均深度9米，最大深度15米（Kaba et al., 2014）。

主要数据来源

现场水样采集和沉积物浓度分析：2023年6月19日至24日期间，从塔纳湖的主要河流出口（Gilgel Abay、Gumara、Ribb和Megech）采集了多深度水样，这些时间与MODIS-Terra卫星（MOD09GQ-061）无云（<10%）过境时间（当地时间上午约10:30）相吻合，并与早晨的现场采样计划一致。这种同步方法在以往研究中被广泛采用，提高了卫星数据-derived悬浮沉积物浓度的准确性。

模型开发

MOD09GQ-061卫星图像的反照率值在不同水深和不同河流出口之间的SSC变化中有所不同（表3）。分析重点评估了Band1（红光：约620–670 nm）、Band2（近红外：约841–876 nm）及不同波段组合在捕捉SSC动态方面的性能。Band2与SSC的相关性始终高于Band1，尤其是在浅水区。例如，在0–0.2米深度范围内，Band2的相关系数...

模型性能与应用

使用单波段MOD09GQ-061近红外（NIR）反射率开发的塔纳湖SSC估算模型表现良好（图4），在表层1米水柱中的R2值为0.81，证实了线性模型用于估算近表层SSC的有效性。然而，随着深度增加，模型性能下降（表层2米水柱的R2值为0.58，整个水柱的R2值为0.45），这主要是由于浑浊水体中近红外信号的穿透性和饱和度受限。

结论

本研究结合多深度现场采样和MODIS-Terra遥感数据，定量评估了塔纳湖的SSC动态。塔纳湖是上尼罗河流域一个关键的热带高地湖泊和重要水资源。通过使用基于深度的SSC反演算法（SSC = 2158.80 × ρNIR ? 24.20，R2 = 0.81），该研究证明了该算法在表层1米水柱中的强大预测能力，为连续的空间和时间SSC监测提供了一种成本效益高且可扩展的方法。

CRediT作者贡献声明

萨缪尔·贝里洪·卡萨（Samuel Berihun Kassa）：负责撰写初稿、可视化处理、验证、软件开发、方法论设计、数据分析、概念构建。铃川淳（Atsushi Tsunekawa）：负责撰写、审稿与编辑、监督工作、资源协调、项目管理、方法论设计、资金争取及概念构建。尼古西·哈雷格韦恩（Nigussie Haregeweyn）：负责撰写、审稿与编辑、监督工作、方法论设计、概念构建。津保光（Mitsuru Tsubo）：负责撰写、审稿与编辑、监督工作、方法论设计、概念构建。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究结果的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了日本学术振兴会（JSPS）提供的科学研究资助和促进国际合作研究基金（Fostering Joint International Research (B)）的支持[资助编号：21KK0191]。作者衷心感谢国际干旱地区研究与教育平台（IPDRE）、日本文部科学省（MEXT）以及日本国际协力机构（Japan International Cooperation Agency）的支持。