鄱陽(yáng)湖采砂南移擴(kuò)大影響范圍
——多源遙感的證據(jù)

崔麗娟，翟彥放，鄔國(guó)鋒

(1.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院濕地研究所，北京 100091;2.武漢大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院教育部地理信息系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430079;3.重慶測(cè)繪院，重慶 400014)

作為目前中國(guó)第一大淡水湖，鄱陽(yáng)湖在經(jīng)濟(jì)、旅游及生物多樣性保護(hù)等方面有著非常重要的功能，其健康狀況關(guān)系到當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)、經(jīng)濟(jì)和旅游等的發(fā)展，維系著長(zhǎng)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(zhǎng)江下游建筑砂石需求增加、長(zhǎng)江中下游干流河道禁止采砂及采砂的巨大經(jīng)濟(jì)利益等因素驅(qū)動(dòng)，鄱陽(yáng)湖采砂自2001年迅速興起［2］。采砂是一項(xiàng)具有巨大生態(tài)影響的經(jīng)濟(jì)活動(dòng)［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(duì)鄱陽(yáng)湖漁業(yè)和生態(tài)環(huán)境的影響;Fok和Pang［8］認(rèn)為鄱陽(yáng)湖江豚數(shù)目的快速減少與采砂有一定的關(guān)系;一些研究［1，9-11］發(fā)現(xiàn)采砂早期主要集中在鄱陽(yáng)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(shí)在長(zhǎng)江江水倒灌鄱陽(yáng)湖期間可能影響鄱陽(yáng)湖中部甚至南部區(qū)域，對(duì)鄱陽(yáng)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(yáng)湖中部轉(zhuǎn)移的趨勢(shì)，但到目前為止，對(duì)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(shù)研究采砂在鄱陽(yáng)湖中部的分布情況，并分析其對(duì)懸浮泥沙濃度的影響，以期研究成果為鄱陽(yáng)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(yáng)湖(東經(jīng) 115°50′—116°44′，北緯 28°25′—29°45′)位于江西省北部、長(zhǎng)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(yáng)河、漳河和潼河來水，經(jīng)調(diào)蓄后由湖口注入長(zhǎng)江，是一個(gè)過水性、吞吐型、季節(jié)性湖泊。每當(dāng)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(yáng)湖是長(zhǎng)江流域最大的天然洪水調(diào)蓄區(qū)、長(zhǎng)江中下游的重要水源地、重要的生物物種遺傳基因庫(kù)、我國(guó)最大的淡水魚產(chǎn)區(qū)、也是國(guó)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(yáng)湖及用于分析懸浮泥沙濃度變化的北部(1)和中部(2、3)評(píng)價(jià)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(gòu)買一景鄱陽(yáng)湖Landsat Thematic Mapper(TM)5影像，軌道號(hào)為121/40，影像獲取時(shí)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(shí)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(jì)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(píng)價(jià)

從美國(guó)國(guó)家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration-NASA)數(shù)據(jù)服務(wù)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(zhuǎn)換為WGS84/UTM投影，裁剪包括鄱陽(yáng)湖水體的矩形影像，進(jìn)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(jìn)行圖像掩膜處理以提取水域。

鄔國(guó)鋒等［9］建立了基于MODIS Terra影像的鄱陽(yáng)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(dú)立地面觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行模型驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)懸浮泥沙濃度地面觀測(cè)值和模型反演值具有顯著強(qiáng)相關(guān)性(r=0.94-0.95，P＜0.001)，此結(jié)果表明模型是相對(duì)穩(wěn)定的。應(yīng)用此模型于處理后的MODIS Terra影像進(jìn)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(yáng)湖中部(圖1中2區(qū)域)兩個(gè)受采砂影響的區(qū)域和鄱陽(yáng)湖中部一個(gè)不受影響區(qū)域(圖1中3區(qū)域)，分別計(jì)算不同時(shí)期3個(gè)區(qū)域內(nèi)的懸浮泥沙濃度平均值，進(jìn)而利用(BACI)［14］方法進(jìn)行采砂影響評(píng)價(jià)。

3 結(jié)果和討論

2010年前，采砂主要集中在鄱陽(yáng)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(jié)果，部分結(jié)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(yáng)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(yáng)湖中部發(fā)現(xiàn)兩個(gè)采砂區(qū)(圖2-2—3))，這與2011年8月的實(shí)地觀察相一致;統(tǒng)計(jì)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(tái)和等待裝砂的船只以及沿主航道航行的運(yùn)砂船(圖2-4)。從圖中觀察到湖水流經(jīng)采砂區(qū)和運(yùn)砂船隊(duì)(圖2-2—4))之后出現(xiàn)清晰的渾濁帶，一直向鄱陽(yáng)湖北部延伸，水樣實(shí)驗(yàn)室分析顯示采砂區(qū)(3)(圖2-3)的懸浮泥沙濃度高達(dá)500 mg/L。另外，還發(fā)現(xiàn)向鄱陽(yáng)湖南部延伸的船隊(duì)(圖2-5)，目前還無法確認(rèn)這些船的具體用途，但不排除在鄱陽(yáng)湖南部也存在采砂區(qū)的可能。

圖2 基于Landsat TM 5的鄱陽(yáng)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(yáng)湖懸浮泥沙濃度。鄱陽(yáng)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(duì)比，圖3也揭示了2011年鄱陽(yáng)湖中部采砂區(qū)及其下游區(qū)域(圖3中橢圓標(biāo)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(yáng)湖中部?jī)蓚€(gè)受采砂影響的評(píng)價(jià)區(qū)域和鄱陽(yáng)湖中部一個(gè)不受影響的評(píng)價(jià)區(qū)域的懸浮泥沙濃度均值。在鄱陽(yáng)湖中部未受采砂影響的評(píng)價(jià)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(dòng)可能是一個(gè)自然過程，如降雨、風(fēng)速和上游來水等影響。然而，在鄱陽(yáng)湖中部受采砂影響的評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)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(píng)價(jià)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(dòng)導(dǎo)致懸浮泥沙濃度的劇烈增加。在松門山北部的受影響評(píng)價(jià)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(shí)明顯高于2009年;這表明在鄱陽(yáng)湖北部的局部區(qū)域，因受北部和中部采砂活動(dòng)的綜合作用，水質(zhì)退化愈加嚴(yán)重。

表1 鄱陽(yáng)湖用于采砂影響評(píng)價(jià)的三個(gè)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(yáng)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?jī)H用一景TM影像估算的船只數(shù)量代表一個(gè)年度的船只信息具有一定的片面性。當(dāng)實(shí)地船只的觀測(cè)數(shù)據(jù)不存在或無法獲得時(shí)，遙感技術(shù)在估算船只數(shù)目上具有一定的優(yōu)勢(shì)?？梢岳枚喾N遙感影像，如TM影像和合成孔徑雷達(dá)(SAR)影像，進(jìn)行時(shí)間序列的船只數(shù)量估算，進(jìn)而計(jì)算得到年度的平均船只數(shù)目，這樣的結(jié)果更能反應(yīng)年度船只數(shù)目。但由于受天氣、影像分辨率和經(jīng)費(fèi)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(zhì)來看，如果沒有政策干預(yù)，認(rèn)為一定時(shí)間內(nèi)的采砂相關(guān)船只數(shù)目是相對(duì)穩(wěn)定的;因?yàn)橐粋€(gè)新采砂場(chǎng)投入生產(chǎn)不是短時(shí)間內(nèi)能完成的，這樣一個(gè)采砂場(chǎng)的規(guī)模在一定時(shí)間區(qū)間內(nèi)相對(duì)固定，采砂最大量也是相對(duì)穩(wěn)定的，這樣運(yùn)沙船數(shù)量也不會(huì)出現(xiàn)大的波動(dòng)。因此，我們認(rèn)為從一景影像派生的采砂相關(guān)船只數(shù)目能夠代表一段時(shí)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(fēng)和長(zhǎng)江江水倒灌鄱陽(yáng)湖等。采用BACI方法進(jìn)行采砂影響評(píng)價(jià)，選擇一個(gè)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(jìn)行對(duì)比。因水位、降雨或大風(fēng)不同引起的懸浮泥沙濃度差異應(yīng)該在控制區(qū)得以體現(xiàn)，但從結(jié)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(duì)比分析可以證明水位或其他因素的差別不是導(dǎo)致懸浮泥沙濃度變化的主要因素。長(zhǎng)江水倒灌是鄱陽(yáng)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(shí)間為2011年7月28日，MODIS獲取時(shí)間為2011年7月29日和2011年8月21日。倒灌時(shí)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(rèn)為采砂是引起鄱陽(yáng)湖中部懸浮泥沙濃度增加的主要因素。

鄱陽(yáng)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(zhì)、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(duì)鄱陽(yáng)湖的物理、化學(xué)、生物和生態(tài)過程產(chǎn)生一系列負(fù)面影響，也對(duì)長(zhǎng)江中下游的飲水和生態(tài)安全構(gòu)成威脅，同時(shí)向鄱陽(yáng)湖南部延伸的采砂區(qū)進(jìn)一步擴(kuò)大了其影響范圍和強(qiáng)度。鄱陽(yáng)湖是世界瀕臨滅絕的白鶴和長(zhǎng)江江豚等物種的重要棲息地，采砂已嚴(yán)重威脅這些物種的生存，對(duì)全球生物多樣性有重要影響。

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

4 結(jié)論

本研究利用Landsat TM 5影像揭示2011年采砂活動(dòng)延伸到鄱陽(yáng)湖中部，同時(shí)基于時(shí)間序列MODIS影像和BACI方法確認(rèn)采砂增加懸浮泥沙濃度、擴(kuò)大其影響范圍和強(qiáng)度。采砂已對(duì)鄱陽(yáng)湖環(huán)境和生態(tài)產(chǎn)生巨大影響，以期此研究結(jié)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(xiàn):

［1］ 鄔國(guó)鋒，崔麗娟.基于遙感技術(shù)的采砂對(duì)鄱陽(yáng)湖水體透明度的影響.生態(tài)學(xué)報(bào)，2008，28(12):6113-6120.

［2］ 鐘業(yè)喜，陳姍.采砂對(duì)鄱陽(yáng)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(yáng)湖采砂對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響.江西水利科技，2008，34(1):7-10.

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