長江干流江心洲過去35年面積變化及其特征

姜玲玲,徐利強(qiáng),2,計(jì) 超

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院,安徽 合肥 230009; 2.中國科學(xué)院 地球環(huán)境研究所,陜西 西安 710061)

江心洲發(fā)育于河流之中,其發(fā)育狀況及動(dòng)態(tài)變化是影響河道變遷以及航道穩(wěn)定的重要因子[1-4]。此外,它也是一種重要的港口和土地資源[5]。江心洲的動(dòng)態(tài)是反映江心洲所在流域環(huán)境變化的重要指標(biāo),也是區(qū)分自然過程和人類活動(dòng)對環(huán)境影響的前提條件。長江作為我國第一大河,有著“黃金水道”之稱[6],其干流發(fā)育大量的江心洲(含江心島,以下統(tǒng)稱江心洲),這些江心洲的發(fā)育及其動(dòng)態(tài)變化會(huì)對基于江心洲的生產(chǎn)生活和經(jīng)濟(jì)發(fā)展產(chǎn)生重要影響。近幾十年來,長江部分江心洲不斷地后退下移,使得河道發(fā)生阻塞,不僅對河道的穩(wěn)固產(chǎn)生影響,還威脅到人類的生產(chǎn)生活[7]。因此,研究長江干流江心洲過去幾十年的變化及其特征對長江流域堤防的安全、航道的變遷及整治、洲灘濕地及生物群落的保護(hù)具有重要價(jià)值[8]。

江心洲的變化是地貌變化的一種形式,研究人員利用歷史時(shí)期的地質(zhì)圖、航攝像片、衛(wèi)星遙感影像可重建近幾十年來的地貌變化[9-10]。在這些方法中,衛(wèi)星遙感具有多時(shí)相、精度高、速度快等突出優(yōu)勢,能夠準(zhǔn)確記錄地面環(huán)境信息以及提供大規(guī)模、高時(shí)空分辨率的圖像,從而得到廣泛應(yīng)用[11-12],衛(wèi)星遙感影像也被廣泛應(yīng)用于研究海洋中島嶼、湖泊以及河流地貌的動(dòng)態(tài)變化[13-15]。

目前已有一些研究者利用遙感影像對長江部分江心洲開展研究工作。文獻(xiàn)[16-17]利用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù),分別對長江馬蕪銅段的8個(gè)江心洲和2016年前后長江下游3個(gè)江心洲的演化過程進(jìn)行研究;文獻(xiàn)[18]分析長江南京段的江心洲,并對其動(dòng)態(tài)過程進(jìn)行解析;文獻(xiàn)[19]結(jié)合Landsat和Google Earth影像定量分析長江中下游的江心洲在三峽水庫蓄水前后的面積變化并分析其影響機(jī)制;文獻(xiàn)[20]結(jié)合4個(gè)時(shí)期的遙感影像對湘江中下游地區(qū)6個(gè)典型江心洲進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)1995年前后江心洲面積變化較大;文獻(xiàn)[21]利用類似的方法對長江少數(shù)江心洲的動(dòng)態(tài)進(jìn)行研究。上述對江心洲的研究局限在特定的時(shí)間段和空間位置,目前對長江主干道江心洲總體演化動(dòng)態(tài)的認(rèn)識(shí)還比較缺乏。本文通過衛(wèi)星遙感影像解譯,對過去幾十年來長江干流江心洲的整體動(dòng)態(tài)過程進(jìn)行重建,解析其演變規(guī)律,為長江的航道整治和岸線開發(fā)提供相關(guān)科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與研究方法

長江流域位于東經(jīng)90°33′～122°25′、北緯24°30′～35°45′之間,自西向東分別流經(jīng)我國地勢上的一、二、三級階梯。該流域?qū)儆谖覈膩啛釒Ъ撅L(fēng)氣候區(qū),多年平均降水量約為1 100 mm,但季節(jié)分配不均,其中70%～90%的降水和強(qiáng)降水集中在5—10月[22]。受地形的影響,長江干流江心洲主要集中在二、三級階梯。

本文采用衛(wèi)星遙感影像對長江干流江心洲的動(dòng)態(tài)進(jìn)行分析,所選用衛(wèi)星遙感影像的分辨率為30 m,考慮到在該空間分辨率下當(dāng)江心洲的面積小于1 km2時(shí),衛(wèi)星遙感影像測量誤差相對較大,因此,選取長江干流面積大于1 km2的所有江心洲為研究對象。所選取的江心洲數(shù)量共計(jì)64個(gè),空間范圍從最西部的大中壩洲至入?？诘拈L青沙洲,跨越四川、湖北、安徽、江蘇、浙江等多個(gè)省份。為方便分析江心洲的空間變化規(guī)律,根據(jù)面積變化率的變化情況將64個(gè)江心洲劃分為4段,分別為湖北省洪湖市到四川省宜賓市(洪宜段)、湖北省黃石市到洪湖市(黃洪段)、安徽省安慶市到湖北省黃石市(安黃段)和上海市到安徽省安慶市(滬安段)。

本研究使用的遙感影像由Landsat4/5和Landsat8的傳感器采集,所獲得的影像獲取自美國地質(zhì)調(diào)查局網(wǎng)站(http://glovis.usgs.gov),所下載的數(shù)據(jù)已經(jīng)過相關(guān)校正,數(shù)據(jù)質(zhì)量較高[23-25]。

為消除季節(jié)性降水對江心洲出露面積的影響,本文參考文獻(xiàn)[14]的方法,僅使用6—9月間的江心洲數(shù)據(jù)影像(該時(shí)期正處于長江流域的降水期,水位變化總體相對穩(wěn)定)。在獲取遙感影像的基礎(chǔ)上,本文選用廣泛使用的ENVI5.0和ArcGIS10.0軟件提取并計(jì)算各江心洲在不同時(shí)期的面積[26]。在獲得面積數(shù)據(jù)時(shí),同時(shí)對每個(gè)江心洲影像進(jìn)行目視解譯,以保證處理過程中的數(shù)據(jù)質(zhì)量。

為了確定不同時(shí)期內(nèi)江心洲的變化趨勢,本文計(jì)算長江干流64個(gè)江心洲在7個(gè)時(shí)期內(nèi)的相對面積變化率。7個(gè)時(shí)期分別為:1984—1990年(T1)、1991—1995年(T2)、1996—2000年(T3)、2001—2005年(T4)、2006—2010年(T5)、2011—2015年(T6)和2016—2019年(T7)。以T1時(shí)期的面積為參考,計(jì)算得到各時(shí)期面積變化率(μ),計(jì)算公式為:

(1)

其中:A為江心洲在某個(gè)時(shí)期內(nèi)的平均出水面積;A0為1984—1990年間的面積。

2 結(jié)果與討論

2.1 江心洲面積隨時(shí)間的變化情況

利用上述方法,計(jì)算得到長江主干道64個(gè)江心洲在7個(gè)時(shí)期的面積變化記錄。為從整體上把握64個(gè)江心洲的變化情況,將研究時(shí)期的起點(diǎn)(1984—1990年)和終點(diǎn)(2016—2019年)的江心洲總面積數(shù)據(jù)進(jìn)行對比,結(jié)果如圖1所示。64個(gè)江心洲的面積范圍為0.54 km2(位于洪宜段的上中壩)到230 km2(位于滬安段的鳳凰洲)。從圖1可以看出,長江干流各段江心洲的數(shù)量和面積差異很大,滬安段和洪宜段江心洲數(shù)量最多,分別為24、21個(gè)。圖1中絕大多數(shù)數(shù)據(jù)點(diǎn)偏離了Y=X線,這說明在過去35年中,江心洲的面積發(fā)生一定程度的變化,且不同的江心洲表現(xiàn)出不同的變化形式,部分江心洲的數(shù)據(jù)點(diǎn)位于Y=X線之上,說明在過去35年中其面積變大,而部分江心洲位于Y=X線之下(面積變小)。

圖1 64個(gè)江心洲1984—1990年與2016—2019年面積散點(diǎn)圖

長江各段江心洲面積自1984—2019年總面積的變化如圖2所示。

圖2 長江干流江心洲在7個(gè)時(shí)期的總面積及其變化率

由圖2可知,1984年以來,長江干流64個(gè)江心洲的總面積在波動(dòng)中逐漸增加?？偯娣e由1984年的1 175.96 km2增加到2019年的1 248.84 km2,面積變化絕對值達(dá)72.88 km2。相對于T1時(shí)期,在T3～T7時(shí)期江心洲總面積分別增加3.4%、0.5%、4.6%、9.5%、6.2%,并在T6(2011—2015年)達(dá)到峰值?？傮w來看,在過去35年中,長江干流江心洲處于生長發(fā)育的過程。

2.2 不同位置江心洲的變化情況

對長江不同位置的江心洲進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,結(jié)果表明,沿江自西向東洪宜段、黃洪段、安黃段和滬安段4段呈現(xiàn)不同的變化規(guī)律。長江各段江心洲面積相對變化如圖3所示,數(shù)量變化如圖4所示。從圖3可以看出,除在T2(1991—1995年)時(shí)期,滬安段的江心洲面積略有減小外,總體來看滬安段和黃洪段江心洲的面積在過去35年中是不斷增加的。由圖4可知,滬安段和黃洪段大于1 km2的江心洲數(shù)量分別為24、8個(gè),其中變大的江心洲數(shù)量分別為20、7個(gè)(占比分別為83%、88%)。截至2019年,滬安段和黃洪段江心洲的面積分別增加77.73、12.95 km2,面積增長率分別達(dá)到23.05%、33.37%(圖3a)。從數(shù)據(jù)上看,近海洋的滬安段在過去35年中江心洲面積持續(xù)增加,且增加幅度最為明顯。

圖3 長江各段江心洲面積相對變化

圖4 T1～T7長江各段江心洲數(shù)量變化

由圖3b可知,安黃段和洪宜段的江心洲面積在T7(2015—2019年)較T1(1984—1990年)的變化率為負(fù)值,總面積減小,總體看在過去35年中這2個(gè)河段的江心洲有所萎縮。由圖4可知:安黃段江心洲數(shù)量為11個(gè),變小9個(gè)(占比82%);洪宜段江心洲的變小比率為81%(共21個(gè),變小17個(gè))。盡管這2個(gè)河段在總體上都是變小的,但安黃段和洪宜段的江心洲變化規(guī)律也存在差別。從圖3b可以看出:洪宜段在T6(2011—2015年)時(shí)期,其江心洲面積有所增加,但在T7(2016—2019年)又迅速減少;而安黃段江心洲面積則在“變小”“增大”間不斷跳動(dòng),在T3(1996—2000年)和T6(2011—2015年),其面積增幅分別達(dá)到12.62%、20.09%,但在T2(1991—1995年)和T4(2001—2005年)分別下降12.41%、9.39%,變化過程似乎更“隨機(jī)”。

比較來看,滬安段(靠海段)和黃洪段(近內(nèi)陸段)的江心洲變化規(guī)律明顯,安黃段和洪宜段的江心洲面積變化規(guī)律不突出,安黃段和洪宜段江心洲的穩(wěn)定性也差于滬安段和黃洪段。

2.3 不同面積江心洲的變化情況

為了進(jìn)一步分析江心洲的面積變化規(guī)律,按照面積大小將江心洲分為小型(1～10 km2)、中型(10～50 km2)和大型(大于50 km2)3類。利用(1)式,計(jì)算這3類不同面積大小的江心洲在7個(gè)時(shí)期的相對面積變化,結(jié)果如圖5所示。3種類型的江心洲面積變化規(guī)律大體上呈現(xiàn)一致的趨勢,具體表現(xiàn)為:

(1) 在T2(1991—1995年)時(shí)期,3種類型的江心洲面積均有所減小,縮減到過去35年的最小值。

(2) 1～10 km2(小型)和10～50 km2(中型)的江心洲在1984—2019年面積波動(dòng)上升的趨勢較為明顯。從1996年以來(T3～T7),2種類型江心洲的面積在每個(gè)時(shí)期都較T1出現(xiàn)不同程度增加,且都在T6(2011—2015年)時(shí)期面積達(dá)到最大值,小型江心洲面積峰值為168.1 km2;相比T1時(shí)期,小型江心洲面積在T7(2016—2019年)增加到157.84 km2,增幅為6.7%;中型江心洲面積為495.1 km2,與T1時(shí)期相比,在T7(2016—2019年)面積增加48.2 km2(11.0%)。

(3) 與小型和中型江心洲相比,面積大于50 km2的大型江心洲在T3(1996—2000年)和T5～T7(2006年以來)的4個(gè)時(shí)期,其面積相較于T1時(shí)期分別增長0.88%、1.66%、4.78%、1.64%,同樣也是在T6(2011—2015年)其面積達(dá)到最大值,但增加幅度不如小型和中型江心洲明顯。

(4) 從江心洲的規(guī)?？?小型江心洲的面積變化最顯著,大于50 km2的大型江心洲變化最不明顯,即江心洲越小,其穩(wěn)定性越差。

圖5 不同面積江心洲的面積變化率對比

3 結(jié) 論

本文在結(jié)合長序列遙感影像數(shù)據(jù)提取并計(jì)算長江干流64個(gè)江心洲面積的基礎(chǔ)上,重建并分析過去35年長江干流江心洲的面積變化情況,得到如下結(jié)論:

(1) 總體上,長江干流江心洲在1996—2019年間以擴(kuò)張為主,絕大多數(shù)江心洲的面積變大,但是在每個(gè)時(shí)期內(nèi)江心洲擴(kuò)張速率存在一定的差異,整體上呈先下降后上升、最后又稍有下降的波動(dòng)過程。

(2) 從長江干流江心洲空間變化看,滬安段和黃洪段為江心洲面積增長段,安黃段和洪宜段為面積減少段,江心洲面積變大數(shù)量最多的位置集中在滬安段,面積變小數(shù)量最多的位置集中在洪宜段。

(3) 從江心洲的大小看,3種類型的江心洲面積變化有相同的趨勢。小型(1～10 km2)和中型(10～50 km2)江心洲的數(shù)量多，且在35年中面積變化率較大,而面積大于50 km2的江心洲數(shù)量最少，且面積變化率相對小。