鄱陽湖采砂南移擴大影響范圍
——多源遙感的證據(jù)

崔麗娟，翟彥放，鄔國鋒

(1.中國林業(yè)科學研究院濕地研究所，北京 100091;2.武漢大學資源與環(huán)境科學學院教育部地理信息系統(tǒng)重點實驗室，武漢 430079;3.重慶測繪院，重慶 400014)

作為目前中國第一大淡水湖，鄱陽湖在經(jīng)濟、旅游及生物多樣性保護等方面有著非常重要的功能，其健康狀況關系到當?shù)厣鷳B(tài)、經(jīng)濟和旅游等的發(fā)展，維系著長江中下游的飲水和生態(tài)安全，也影響全球生物多樣性［1］。

由于長江下游建筑砂石需求增加、長江中下游干流河道禁止采砂及采砂的巨大經(jīng)濟利益等因素驅動，鄱陽湖采砂自2001年迅速興起［2］。采砂是一項具有巨大生態(tài)影響的經(jīng)濟活動［3-6］，鐘業(yè)喜和陳姍［2］及張子林和黃立章［7］討論了采砂對鄱陽湖漁業(yè)和生態(tài)環(huán)境的影響;Fok和Pang［8］認為鄱陽湖江豚數(shù)目的快速減少與采砂有一定的關系;一些研究［1，9-11］發(fā)現(xiàn)采砂早期主要集中在鄱陽湖松門山以北區(qū)域，其引起泥沙的再懸浮、降低采砂區(qū)及其下游的水體透明度，同時在長江江水倒灌鄱陽湖期間可能影響鄱陽湖中部甚至南部區(qū)域，對鄱陽湖生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生不利影響。

自2010年以來，采砂有向鄱陽湖中部轉移的趨勢，但到目前為止，對于采砂在中部的具體空間分布及其影響程度還未知。本文旨在利用遙感技術研究采砂在鄱陽湖中部的分布情況，并分析其對懸浮泥沙濃度的影響，以期研究成果為鄱陽湖的后續(xù)研究和合理化管理提供幫助。

1 研究區(qū)域

鄱陽湖(東經(jīng) 115°50′—116°44′，北緯 28°25′—29°45′)位于江西省北部、長江中下游南岸(圖1)。其承納贛江、撫河、信江、饒河和修河五大江河及博陽河、漳河和潼河來水，經(jīng)調蓄后由湖口注入長江，是一個過水性、吞吐型、季節(jié)性湖泊。每當洪水季節(jié)，五河洪水入湖、水位高漲、湖面寬闊、一望無際。在枯水季節(jié)，水位下降、洲灘出露、湖水歸槽、水面縮小、蜿蜒一線。鄱陽湖是長江流域最大的天然洪水調蓄區(qū)、長江中下游的重要水源地、重要的生物物種遺傳基因庫、我國最大的淡水魚產(chǎn)區(qū)、也是國際重要濕地和世界著名的候鳥越冬棲息地，其中，全球95%的白鶴和迄今發(fā)現(xiàn)的世界上最大鴻雁群體在此越冬［12］。

圖1 鄱陽湖及用于分析懸浮泥沙濃度變化的北部(1)和中部(2、3)評價區(qū)域Fig.1 Poyang Lake and three evaluated regions for analyzing the changes of suspended sediment concentrations in the northern(1)and central(2 and 3)parts

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 船只解譯及其數(shù)量和分布分析

購買一景鄱陽湖Landsat Thematic Mapper(TM)5影像，軌道號為121/40，影像獲取時間為2011年7月28日。TM 5影像中紅外波段5反射率受水體渾濁度影響小，與其他波段相比在船只識別上具有更大的能力［13］。利用獲取的TM影像波段5目視解譯船只、統(tǒng)計其數(shù)目并分析空間分布特征。

2.2 懸浮泥沙濃度反演和影響評價

從美國國家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration-NASA)數(shù)據(jù)服務中心下載2009—2011年 7—8月 Terra衛(wèi)星中分辨率成像光譜儀(MODIS)250 m空間分辨率的紅和紅外波段反射率產(chǎn)品，每月各一景。下載影像轉換為WGS84/UTM投影，裁剪包括鄱陽湖水體的矩形影像，進行其非監(jiān)督分類及目視判讀以確定水域、制作掩膜層、利用掩膜層進行圖像掩膜處理以提取水域。

鄔國鋒等［9］建立了基于MODIS Terra影像的鄱陽湖懸浮泥沙濃度反演模型，模型中紅波段能夠解釋92%的懸浮泥沙濃度(SSC)變化(SSC=-15.67+1005.29×Red-15858.70×Red2+86236.23× Red3，R2=0.92，s.e.=12.02 mg/L，F(xiàn)=154.30，P ＜0.001)。利用2005［9］和2010年的獨立地面觀測數(shù)據(jù)進行模型驗證，發(fā)現(xiàn)懸浮泥沙濃度地面觀測值和模型反演值具有顯著強相關性(r=0.94-0.95，P＜0.001)，此結果表明模型是相對穩(wěn)定的。應用此模型于處理后的MODIS Terra影像進行懸浮泥沙濃度的反演。

選取松門山北部(圖1中1區(qū)域)和鄱陽湖中部(圖1中2區(qū)域)兩個受采砂影響的區(qū)域和鄱陽湖中部一個不受影響區(qū)域(圖1中3區(qū)域)，分別計算不同時期3個區(qū)域內(nèi)的懸浮泥沙濃度平均值，進而利用(BACI)［14］方法進行采砂影響評價。

3 結果和討論

2010年前，采砂主要集中在鄱陽湖松門山以北區(qū)域，未出現(xiàn)在中部(2009年6月4日TM 5及早期影像解譯結果，部分結果發(fā)表［1］)。圖2描述了基于TM 5影像解譯的2011年夏季鄱陽湖中部和北部局部的船只信息。在松門山北部(圖2-1)仍存在大量船只，這與2010年前的分布相似［1］，無明顯變化;但在鄱陽湖中部發(fā)現(xiàn)兩個采砂區(qū)(圖2-2—3))，這與2011年8月的實地觀察相一致;統(tǒng)計顯示松門山以南有大型船只90多艘，包括位于采砂區(qū)(圖2-2—3))的采砂平臺和等待裝砂的船只以及沿主航道航行的運砂船(圖2-4)。從圖中觀察到湖水流經(jīng)采砂區(qū)和運砂船隊(圖2-2—4))之后出現(xiàn)清晰的渾濁帶，一直向鄱陽湖北部延伸，水樣實驗室分析顯示采砂區(qū)(3)(圖2-3)的懸浮泥沙濃度高達500 mg/L。另外，還發(fā)現(xiàn)向鄱陽湖南部延伸的船隊(圖2-5)，目前還無法確認這些船的具體用途，但不排除在鄱陽湖南部也存在采砂區(qū)的可能。

圖2 基于Landsat TM 5的鄱陽湖中部和北部局部的船只分布Fig.2 Landsat TM 5-based vessel distribution in the central and northern(partly)Poyang Lake

圖3顯示了基于MODIS Terra影像反演的2009—2011年7—8月鄱陽湖懸浮泥沙濃度。鄱陽湖北部2011年懸浮泥沙濃度高于2009和2010年。與船只分布信息(圖2中3和4區(qū)域)對比，圖3也揭示了2011年鄱陽湖中部采砂區(qū)及其下游區(qū)域(圖3中橢圓標示區(qū)域)懸浮泥沙濃度與2009和2010年相比有明顯增加。

表1描述松門山北部和鄱陽湖中部兩個受采砂影響的評價區(qū)域和鄱陽湖中部一個不受影響的評價區(qū)域的懸浮泥沙濃度均值。在鄱陽湖中部未受采砂影響的評價區(qū)域(圖1和表1中3區(qū))，2011年的懸浮泥沙濃度盡管約為2009和2010年的2—3倍，但濃度普遍很低，均值約為1—6 mg/L;這樣微小變動可能是一個自然過程，如降雨、風速和上游來水等影響。然而，在鄱陽湖中部受采砂影響的評價區(qū)域(圖1和表1中2區(qū))，2011年的懸浮泥沙平均濃度在7月高于50 mg/L，在8月高于70 mg/L，約是2009年的10倍、2010年的20—30倍;受采砂影響評價區(qū)域(圖1和表1中2區(qū))的懸浮泥沙濃度約為未受影響評價區(qū)域(圖1和表1中3區(qū))濃度的10—15倍，這種差別的唯一解釋是采砂活動導致懸浮泥沙濃度的劇烈增加。在松門山北部的受影響評價區(qū)域(圖1和表1中1區(qū))，2011年7月的懸浮泥沙濃度約是2009和2010年的5—10倍，超過120 mg/L，2011年8月的懸浮泥沙濃度超過150 mg/L，約是2010年的5倍，同時明顯高于2009年;這表明在鄱陽湖北部的局部區(qū)域，因受北部和中部采砂活動的綜合作用，水質退化愈加嚴重。

表1 鄱陽湖用于采砂影響評價的三個區(qū)域的懸浮泥沙濃度均值(mg/L)Table 1 The mean values of the suspended sediment concentration(mg/L)within three evaluated regions for assessing dredging impact in Poyang Lake

圖3 基于MODIS反演的2009—2011年7—8月份鄱陽湖懸浮泥沙濃度Fig.3 Moderate resolution imaging spectroradiometer(MODIS)-based suspended sediment concentrations of July-August 2009—2011 in Poyang Lake

本研究僅用一景TM影像估算的船只數(shù)量代表一個年度的船只信息具有一定的片面性。當實地船只的觀測數(shù)據(jù)不存在或無法獲得時，遙感技術在估算船只數(shù)目上具有一定的優(yōu)勢?？梢岳枚喾N遙感影像，如TM影像和合成孔徑雷達(SAR)影像，進行時間序列的船只數(shù)量估算，進而計算得到年度的平均船只數(shù)目，這樣的結果更能反應年度船只數(shù)目。但由于受天氣、影像分辨率和經(jīng)費等多因素的限制，很難獲得每月一景的數(shù)據(jù)，從而無法估算每年的船只數(shù)目。但從采砂行為性質來看，如果沒有政策干預，認為一定時間內(nèi)的采砂相關船只數(shù)目是相對穩(wěn)定的;因為一個新采砂場投入生產(chǎn)不是短時間內(nèi)能完成的，這樣一個采砂場的規(guī)模在一定時間區(qū)間內(nèi)相對固定，采砂最大量也是相對穩(wěn)定的，這樣運沙船數(shù)量也不會出現(xiàn)大的波動。因此，我們認為從一景影像派生的采砂相關船只數(shù)目能夠代表一段時間內(nèi)的船只信息。

多種潛在因素可能引起懸浮泥沙濃度的變化，包括水位、降雨、大風和長江江水倒灌鄱陽湖等。采用BACI方法進行采砂影響評價，選擇一個未受采砂影響的區(qū)域作為控制區(qū)(圖1中3區(qū)域)與受影響區(qū)(圖1中2區(qū)域)進行對比。因水位、降雨或大風不同引起的懸浮泥沙濃度差異應該在控制區(qū)得以體現(xiàn)，但從結果(表1)并沒有發(fā)現(xiàn)在控制區(qū)域內(nèi)2011年的懸浮泥沙濃度與2009和2010年存在巨大差別，而在受影響區(qū)卻發(fā)現(xiàn)了巨大差別。這樣的對比分析可以證明水位或其他因素的差別不是導致懸浮泥沙濃度變化的主要因素。長江水倒灌是鄱陽湖的重要水文特征之一。2011年發(fā)生兩次倒灌現(xiàn)象，第1次在8月13日至15日，第2次在9月23日之后。使用的TM影像獲取時間為2011年7月28日，MODIS獲取時間為2011年7月29日和2011年8月21日。倒灌時間和使用的影像獲取日期并不接近，可以排除倒灌的影響。因此，有理由認為采砂是引起鄱陽湖中部懸浮泥沙濃度增加的主要因素。

鄱陽湖采砂改變湖底地形、降低水位、引起泥沙再懸浮、釋放有毒物質、增加懸浮泥沙濃度、降低水體透明度、減弱水下光環(huán)境等，對鄱陽湖的物理、化學、生物和生態(tài)過程產(chǎn)生一系列負面影響，也對長江中下游的飲水和生態(tài)安全構成威脅，同時向鄱陽湖南部延伸的采砂區(qū)進一步擴大了其影響范圍和強度。鄱陽湖是世界瀕臨滅絕的白鶴和長江江豚等物種的重要棲息地，采砂已嚴重威脅這些物種的生存，對全球生物多樣性有重要影響。

砂是鄱陽湖供給人類的重要資源，體現(xiàn)了湖泊豐富的服務功能。采砂繁榮了地方經(jīng)濟，但不能忽視平衡經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)保護之間的關系。科學規(guī)劃、規(guī)范采砂秩序，使其服務功能得到充分的保護和發(fā)揮，將因采砂而造成的負面影響降到最低，使鄱陽湖的各種生態(tài)功能全面發(fā)揮是緊要的。

4 結論

本研究利用Landsat TM 5影像揭示2011年采砂活動延伸到鄱陽湖中部，同時基于時間序列MODIS影像和BACI方法確認采砂增加懸浮泥沙濃度、擴大其影響范圍和強度。采砂已對鄱陽湖環(huán)境和生態(tài)產(chǎn)生巨大影響，以期此研究結果能為該湖的后續(xù)研究和合理化管理提供幫助。

［1］ Wu G F，Cui L J.Remote sense-based analysis of sand dredging impact on water clarity in Poyang Lake.Acta Ecologica Sinica，2008，28(12):6113-6120.

［2］ Zhong Y X，Chen S.Impact of dredging on fish in Poyang Lake.Jiangxi Fishery Sciences and Technology，2005，1:15-18.

［3］ Spencer K L，Dewhurst R E，Penna P.Potential impacts of water injection dredging on water quality and ecotoxicity in Limehouse Basin，River Thames，SE England，UK.Chemosphere，2006，63(3):509-521.

［4］ Lubke R A，Reavell P E，Dye P J.The effects of dredging on the macrophytic vegetation of the Boro River，Okavango delta，Botswana.Biological Conservation，1984，30(3):211-236.

［5］ Nayar S，Goh B P L，Chou L M，Reddy S.In situ microcosms to study the impact of heavy metals resuspended by dredging on periphyton in a tropical estuary.Aquatic Toxicology，2003，64(3):293-306.

［6］ Hossain S，Eyre B D，McKee L J.Impacts of dredging on dry season suspended sediment concentration in the Brisbane River estuary，Queensland，Australia.Estuarine，Coastal and Shelf Science，2004，61(3):539-545.

［7］ Zhang Z L，Huang L Z.Influence of quarrying in Poyang Lake on the ecological environment.Jiangxi Hydraulic Science and Technology，2008，34(1):7-10.

［8］ Fok M，Pang T.Finless porpoises in Wuhan，China.Newsletter of the Department of Ecology and Biodiversity，2006，34:18-20.

［9］ Wu G F，Cui L J，Ji W T.Time-series MODIS images-based retrieval and change analysis of suspended sediment concentration during flood period in Lake Poyang.Journal of Lake Sciences，2009，21(2):288-297.

［10］ Wu G，de Leeuw J，Skidmore A K，Prins H H H，Liu Y.Concurrent monitoring of vessels and water turbidity enhances the strength of evidence in remotely sensed dredging impact assessment.Water Research，2007，41(15):3271-3280.

［11］ Cui L，Wu G，Liu Y.Monitoring the impact of backflow and dredging on water clarity using MODIS images of Poyang Lake，China.Hydrological Processes，2009，23(2):342-350.

［12］ Cui L.Study on functions of Poyang Lake wetland ecosystem.Journal of Soil and Water Conservation，2004，18(2):109-113.

［13］ Wu G，De Leeuw J，Skidmore A K，Liu Y，Herbert H H P.Performance of Landsat TM in ship detection in turbid waters.International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation，2009，11(1):54-61.

［14］ Smith E P，Orvos D R，Cairns J J.Impact assessment using the before-after-control-impact(BACI)model:concerns and comments.Canadian Journal of Fisheries and Aquatic Sciences 1993，50(3):627-637.

參考文獻:

［1］ 鄔國鋒，崔麗娟.基于遙感技術的采砂對鄱陽湖水體透明度的影響.生態(tài)學報，2008，28(12):6113-6120.

［2］ 鐘業(yè)喜，陳姍.采砂對鄱陽湖魚類的影響研究.江西水產(chǎn)科技，2005，1:15-18.

［7］ 張子林，黃立章.淺析鄱陽湖采砂對生態(tài)環(huán)境的影響.江西水利科技，2008，34(1):7-10.

［9］ 鄔國鋒，崔麗娟，紀偉濤.基于時間序列MODIS影像的鄱陽湖豐水期懸浮泥沙濃度反演及變化.湖泊科學，2009，21(2):288-297.