長江安徽段江心洲侵蝕-堆積過程對長江三峽工程建設(shè)的響應(yīng)特征分析

趙婷婷 胡春生 田景梅 何成邦 李伯祥

收稿日期：2022-10-19

基金項目：安徽省自然科學(xué)基金項目（2108085MD127）.

作者簡介：趙婷婷（1998—），女，山東濰坊市人，碩士研究生；通訊作者：胡春生（1978—），男，安徽無為市人，博士，副教授，主要研究方向為河流地貌、河流演化與第四紀(jì)環(huán)境.

引用格式：趙婷婷，胡春生，田景梅，等. 長江安徽段江心洲侵蝕-堆積過程對長江三峽工程建設(shè)的響應(yīng)特征分析［J］.安徽師范大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2023，46（5）：448-456.

DOI：10.14182/J.cnki.1001-2443.2023.05.006

摘要：近年來，長江干流修建眾多水利工程，三峽水庫作為世界上最大水利工程——三峽工程的一部分，其建設(shè)改變了長江中下游河段的天然水沙條件，影響了長江中下游江心洲的發(fā)育。基于2000、2003、2005、2007、2010、2013、2015、2017、2020年等9期TM/ETM/OLI遙感影像，借助改進(jìn)歸一化差異水體指數(shù)法（MNDWI）提取長江安徽段（下稱皖江）江心洲形態(tài)演變的時空信息，得到江心洲面積變化量和變化率隨時間的變化關(guān)系，進(jìn)而分析皖江江心洲侵蝕-堆積過程對長江三峽工程建設(shè)的時間響應(yīng)特征。研究發(fā)現(xiàn)：（1）三峽水庫施工期蓄水后，皖江江心洲面積發(fā)生頻繁波動變化，安慶段和銅陵段江心洲對皖江江心洲面積影響較大，貢獻(xiàn)可達(dá)80%以上。（2）安慶、池州、銅陵、蕪湖等4段因距離三峽水庫較近受到的影響較大，江心洲最大面積變化率分別達(dá)到了-19.54%、-39.05%、-24.87%、-15.02%，而馬鞍山段因距離三峽水庫較遠(yuǎn)受到的影響較小，最大面積變化率僅為-7.33%。（3）皖江江心洲侵蝕-堆積過程對三峽工程建設(shè)存在三個響應(yīng)時期，即2003—2007年的調(diào)整期、2007—2013年的平穩(wěn)期和2013—2020年的平衡期。

關(guān)鍵詞：江心洲面積；侵蝕-堆積過程；三峽工程；時間響應(yīng)；長江安徽段

中圖分類號：P 931.1文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1001-2443（2023）05-0448-09

長江作為我國第一大河流，流域全長約6300 km，其徑流量與輸沙量分別位居世界第4位與第5位［1］。近年來，長江干支流上修建了眾多大型水利樞紐工程，這些工程在興利除害、發(fā)展經(jīng)濟(jì)、改善流域生態(tài)環(huán)境等方面發(fā)揮了巨大作用［2-3］，同時也對長江流域河流水沙時空變化產(chǎn)生一定的影響［4-5］。其中，三峽水庫作為世界上最大水利樞紐工程——長江三峽工程的一部分，在調(diào)蓄洪水、攔水?dāng)r沙的同時也改變了河流下游原來的水流狀況和泥沙供應(yīng)［5-6］，使大壩下游長江流域的河床地貌發(fā)生顯著的變化［7-9］。

江心洲作為在河流侵蝕-堆積的動態(tài)過程中形成的地貌類型，是河床中最活躍的地貌單元［10］，吸引了大量學(xué)者對江心洲成因、發(fā)育、形態(tài)、演變等多方面開展研究［7-17］。例如，利用江心洲不同部位土壤顆粒巖相特征探究江心洲的成因和形態(tài)［10-12］、借助遙感影像數(shù)據(jù)獲取江心洲時空信息研究其發(fā)育演變［7，11，13-15］、以及基于沉積學(xué)和水流動力學(xué)理論構(gòu)建模型研究江心洲的沉積發(fā)育［8，16-18］等等。

長江下游河道屬于江心洲型河段，存在眾多江心洲，使河道斷面呈現(xiàn)兩股或多股的平面形態(tài)［19-20］。長江安徽段（下稱皖江）作為長江下游起始河段，該河段內(nèi)存在眾多類型各異的江心洲。三峽水庫建設(shè)以來，尤其是2003年三峽水庫施工期蓄水后，皖江江心洲面積變化顯著，侵蝕-堆積轉(zhuǎn)化頻繁，對區(qū)域工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)乃至沿岸居民生活產(chǎn)生了潛在的嚴(yán)重威脅［7］。因此，研究皖江江心洲侵蝕-堆積過程與三峽工程建設(shè)之間的關(guān)系，可以為皖江地區(qū)洪水防治、河道整治、港口建設(shè)等提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

長江安徽段，簡稱皖江，屬于長江下游河段，呈SW-NE流向，全長約400 km，流經(jīng)安徽省6個地（市）11個縣市［21］。皖江河段屬于典型的分汊河型［10］，河段內(nèi)江心洲眾多，主要發(fā)育了22個江心洲（圖1）。基于安徽省行政區(qū)劃，皖江江心洲河段可劃分為安慶段、池州段、銅陵段、蕪湖段和馬鞍山段等5段，分別發(fā)育了7個、2個、7個、3個、3個江心洲（表1）。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

遙感影像數(shù)據(jù)下載于美國地質(zhì)勘探局網(wǎng)站（https：//earthexplorer.usgs.gov/），研究區(qū)跨越三個軌道。基于2003年三峽水庫施工期蓄水的時間節(jié)點，本文加密下載2000年、2003年、2005年、2007年、2010年、2013年、2015年、2017年、2020年等9年冬季枯水期的9期27景TM/ETM/OLI遙感影像數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)跨越三個軌道，分辨率為30 m（表2）。數(shù)據(jù)下載時，為保證其質(zhì)量與效果，若遇云量較大遮擋研究區(qū)，則選擇下載冬季相鄰日期云量少、區(qū)域清晰的影像。

2.2 研究方法

2.2.1 遙感影像預(yù)處理 皖江橫跨Landsat衛(wèi)星120/38、121/38、121/39等3個軌道，提取研究區(qū)江心洲時空信息前需要對下載的27景遙感影像進(jìn)行預(yù)處理。由于Landsat 7遙感衛(wèi)星傳感器異常，其影像產(chǎn)品上分布大量的黑色條帶，因此需先利用ENVI軟件的landsat-gapfill插件進(jìn)行去條帶處理。

預(yù)處理過程中需要借助ENVI 5.3軟件，對各景影像進(jìn)行輻射定標(biāo)、大氣校正、幾何精校正等流程。由于下載的單波段影像分辨率為30 m，影像處理效果不理想，因此后期通過圖像融合方法將分辨率提高為15 m。隨后將各年份的3景影像進(jìn)行鑲嵌、裁剪，最后將UTM投影轉(zhuǎn)換成Lambert投影，完成影像預(yù)處理，獲得皖江段江心洲的遙感影像。

2.2.2 江心洲面積提取 遙感影像水體提取的方法有很多，常用的水體提取方法有單波段閾值法、多波段譜間關(guān)系法、比值法以及水體指數(shù)法等［22-28］。結(jié)合前人的河流信息提取結(jié)果和皖江江心洲與水體等地物在遙感影像上對應(yīng)的物理特性，發(fā)現(xiàn)改進(jìn)的歸一化差異水體指數(shù)法（MNDWI）提取效果較好（圖2）。此方法利用裸地、建筑物等在近紅外到中紅外波段反射率增強(qiáng)，而水體反射率降低的特點［29］，不僅可以提取出大面積的水體信息，而且對面積較小的水體提取效果也較為理想［28］。因此本文選用MNDWI法提取研究區(qū)內(nèi)江心洲信息。

預(yù)處理完成的圖像利用ENVI Classic 5.3軟件計算水體指數(shù)，得到改進(jìn)的歸一化差異水體指數(shù)影像，再利用二值化和目視解譯等方法，獲得邊界清晰、細(xì)節(jié)完整的evf矢量水體數(shù)據(jù)，將evf轉(zhuǎn)換成shp數(shù)據(jù)，最后利用Arc GIS 10.8軟件的分析功能定量化得到皖江江心洲面積等時空信息。

3 皖江江心洲面積時間變化特征分析

3.1 面積變化量

作為河床微地貌的江心洲受流域水沙影響發(fā)生變化［3］。2003年三峽水庫施工期蓄水后，水庫下游河段沖刷距離變長且沖刷總量大，對江心洲的自然演變起到一定的干擾作用［30-31］。皖江段作為長江下游的起始河段，受三峽水庫蓄水的影響，河段內(nèi)江心洲沖刷蝕退明顯，江心洲總面積隨時間出現(xiàn)了較為頻繁的增加—減少交替變化（圖3，表3）。

如圖3所示，在三峽水庫未施工蓄水前（2000—2003年），皖江江心洲總面積呈現(xiàn)顯著的增加趨勢，而此后皖江江心洲總面積開始轉(zhuǎn)為減少，出現(xiàn)波動變化，例如從2003年的524.19 km2減少為2005年的470.37 km2 （圖3）。對皖江各段而言，2003年前安慶段、池州段和銅陵段增加趨勢明顯，2003年后安慶段和銅陵段面積波動較顯著，它們與皖江江心洲面積的總變化趨勢基本一致。

如表3和圖4所示，自2003年三峽水庫施工期蓄水到2007年，皖江江心洲面積出現(xiàn)較為顯著的波動變化，例如在2003—2005年期間皖江江心洲面積變化量達(dá)-53.82 km2。對皖江各段而言，江心洲面積隨時間也發(fā)生明顯波動變化，例如在2003—2005年期間安慶段、銅陵段江心洲面積變化量為-35.60 km2、-10.82 km2，對皖江總面積變化量的貢獻(xiàn)率分別達(dá)66.14%、20.09%。自2007—2013年，皖江江心洲面積變化量相較之前減小，年均面積變化量的最大數(shù)值從2003—2005年的17.94 km2減小為2010—2013年的13.82 km2。對皖江各段而言，銅陵段江心洲面積年均變化量的最大數(shù)值從2003—2005年的11.87 km2減小為2010—2013年的3.35 km2，值得注意的是，受三峽水庫蓄水影響面積變化較大的河段繼續(xù)向皖江下游移動，在2007—2010年銅陵段江心洲面積變化量對皖江江心洲面積變化量的貢獻(xiàn)率高達(dá)88.93%。自2013—2020年，皖江江心洲面積呈現(xiàn)較為規(guī)律的減少—增加—減少的波動變化，江心洲面積處于減少—增加—減少的動態(tài)平衡階段，面積變動幅度為±50 km2左右。對皖江各段而言，各段江心洲面積變化趨勢與皖江江心洲面積變化趨勢一致，其中安慶—池州—銅陵段江心洲面積變化量對皖江江心洲面積變化量的貢獻(xiàn)率達(dá)80%以上。

皖江江心洲面積變化量的時間變化特征表明安慶段、池州段、銅陵段等3段（特別是安慶段和銅陵段）對皖江江心洲面積變化的貢獻(xiàn)值較大，其余兩段（蕪湖段和馬鞍山段）的貢獻(xiàn)較小（圖3）。

3.2 面積變化率

受三峽水庫施工期蓄水影響，皖江江心洲面積呈現(xiàn)減少—增加交替變化趨勢。對皖江各段而言，2003年后安慶段、池州段、銅陵段、蕪湖段江心洲面積變化率較大，江心洲變化較為明顯，而馬鞍山段江心洲面積變化率較小，江心洲變化不明顯。

如表4和圖5所示，自2003—2007年，受三峽水庫施工期蓄水的影響，皖江江心洲面積變化較為顯著，例如在2003—2005年期間皖江江心洲面積為負(fù)增長，變化率達(dá)-11.44%。對皖江各段而言，安慶段和池州段江心洲面積變化率數(shù)值較大，最大變化率分別為-19.54%和-28.88%，安慶—池州段江心洲對三峽水庫施工期蓄水的響應(yīng)較迅速。自2007—2013年，皖江段江心洲面積變化率浮動較小，江心洲面積變化率最大值僅為10.89%。對皖江各段而言，銅陵段和蕪湖段江心洲面積變化率較顯著，最大變化率分別為-24.87%和10.34%，江心洲面積變化較為顯著的河段繼續(xù)往皖江下游移動。在2013—2020年期間，受2013年三峽水庫正常蓄水175米的影響，皖江江心洲面積呈現(xiàn)有規(guī)律的波動變化，面積變化率在±10%左右。對皖江各段而言，江心洲面積變化率顯著的河段主要集中在安慶段、池州段、銅陵段、蕪湖段，最大數(shù)值分別為

-14.06%、-39.05%、-7.38%、-15.02%。

因此，皖江江心洲面積變化率的時間變化特征表明，距離三峽水庫位置較近的安慶段、池州段、銅陵段、蕪湖段等4段對三峽水庫蓄水響應(yīng)顯著，而因距離三峽水庫相對較遠(yuǎn)的馬鞍山段受到的影響較小，響應(yīng)不顯著。

4 皖江江心洲侵蝕-堆積過程

三峽水庫于2003年施工期蓄水，三峽水庫下游河段的河流水沙組合狀態(tài)發(fā)生變化，河流含沙量改變，進(jìn)而影響河道江心洲的發(fā)育。在皖江江心洲發(fā)育過程中，河流泥沙的沖刷量與淤積量之間的差異是引起江心洲面積變化的本質(zhì)［32］，而河流對泥沙的侵蝕與堆積會導(dǎo)致江心洲形態(tài)發(fā)生變化，反映在江心洲面積上則表現(xiàn)為江心洲面積的減少與增加。前述皖江江心洲面積時間變化特征的分析結(jié)果表明在三峽水庫蓄水前后皖江江心洲的侵蝕-堆積過程發(fā)生了較為顯著的變化（圖6）。

2000—2003年，三峽水庫未施工蓄水前，江心洲面積增加，表明皖江江心洲在此時間段內(nèi)沖刷量小于淤積量，洲體接受上游泥沙堆積（圖6a）。自2003 年三峽水庫施工期蓄水后，2003—2005年皖江江心洲總面積減小，河流泥沙沖刷量與淤積量之間的關(guān)系發(fā)生變化，安慶—池州段江心洲距離三峽水庫的位置較銅陵—蕪湖—馬鞍山段江心洲近，因此洲體的變化程度較大，江心洲面積減少較為顯著，洲體處于侵蝕狀態(tài)（圖6b）。2005—2007年，皖江江心洲總面積增加，在池州—銅陵—蕪湖段江心洲面積變化率增長的較多，說明河流自上游攜帶的泥沙在到達(dá)皖江段時，發(fā)生泥沙沉積，江心洲對三峽水庫蓄水作出堆積響應(yīng)（圖6c）。因此，2003—2007年期間，由于三峽水庫施工期蓄水的影響，皖江江心洲面積變化率波動很大，侵蝕過程和堆積過程頻繁交替，表明此階段皖江江心洲受到三峽大壩建設(shè)的影響最大，其侵蝕-堆積過程正處于調(diào)整時期。

2007—2010年，皖江江心洲面積變化率為負(fù)值，江心洲面積減小，且減小較為明顯的河段為銅陵—蕪湖段，反映泥沙在此段沖刷較為顯著，江心洲遭遇侵蝕（圖6d）。2010—2013年，江心洲面積增長，增長率較高的河段為銅陵—蕪湖段，表明在該時期內(nèi)，河流沖刷量小于淤積量，江心洲泥沙堆積，且主要堆積在銅陵—蕪湖段，受三峽水庫蓄水影響的河段繼續(xù)向皖江下游移動（圖6e）。因此，在2007—2013年期間，雖然皖江江心洲面積變化率仍存在一定的波動變化，但變化幅度已經(jīng)大為減小相對來說變化不大，表明此階段皖江江心洲受到三峽水庫蓄水的影響開始變小，其侵蝕-堆積過程開始進(jìn)入平穩(wěn)期。

2013—2015年和2017—2020年，皖江江心洲總面積減少，其中，安慶—池州—銅陵—蕪湖等4段面積減少率較明顯，反映此時間段內(nèi)河流沖刷量大于淤積量，江心洲遭遇侵蝕（圖6f、6h）。2015—2017年，皖江江心洲總面積增加，安慶—池州—銅陵—蕪湖等4段面積增加率較顯著，反映此時間段內(nèi)河流沖刷量小于淤積量，江心洲發(fā)生堆積，且泥沙主要堆積在安慶—池州—銅陵—蕪湖等4段江心洲（圖6g）。因此，在2013—2020年期間，皖江江心洲總面積呈現(xiàn)有規(guī)律的減少—增加—減少的浮動變化趨勢，江心洲泥沙沖刷與淤積交替變化，表明此階段皖江江心洲已經(jīng)幾乎不再受到三峽水庫蓄水的影響，其侵蝕-堆積過程已經(jīng)處于平衡期。

5 結(jié)論

基于TM/ETM/OLI遙感影像，通過改進(jìn)的歸一化差異水體指數(shù)法（MNDWI）獲取皖江江心洲的時空信息，分析皖江江心洲面積時間變化量和變化率特征，探討皖江江心洲侵蝕-堆積過程對三峽水庫蓄水建設(shè)作出的響應(yīng)。

（1）在2003年三峽水庫施工期蓄水后，皖江江心洲面積發(fā)生了較為頻繁的波動變化，其中安慶段、池州段、銅陵段等3段對皖江江心洲面積變化的貢獻(xiàn)較大，貢獻(xiàn)率可達(dá)到80%，蕪湖段和馬鞍山段的貢獻(xiàn)較小。

（2）在2003—2020年期間，距離三峽水庫位置較近的安慶段、池州段、銅陵段、蕪湖段等4段面積變化率較大，對三峽水庫蓄水產(chǎn)生了顯著響應(yīng)，而馬鞍山段由于距離三峽水庫相對較遠(yuǎn)，江心洲所受到的影響較小。

（3）受到2003年三峽水庫施工期蓄水影響，皖江江心洲面積發(fā)生頻繁波動，江心洲侵蝕-堆積過程存在三個時間響應(yīng)時期，即：2003—2007年為調(diào)整時期，該時期受到三峽水庫蓄水的影響最大；2007—2013年為平穩(wěn)期，該時期受到三峽水庫蓄水影響開始變小；2013—2020年為平衡期，該時期幾乎不再受到三峽水庫蓄水的影響。

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Response Characteristics of Erosion-Accumulation Process of River Islands

in the Anhui Section of the Yangtze River to the Construction of the Three Gorges Project

ZHAO Ting-ting1，2，HU Chun-sheng1，2，TIAN Jing-mei1，2，HE Cheng-bang1，2，LI Bo-xiang1，2

（1. School of Geography and Tourism， Anhui Normal University， Wuhu 241003， China; 2. Key Laboratory of Earth Surface Processes and Regional Response in the Yangtze-Huaihe River Basin， Anhui Province， Wuhu 241003， China）

Abstract： In recent years， many water conservancy projects have been built along the main stream of the Yangtze River. The construction of the Three Gorges Reservoir， as a part of the world's largest water conservancy project - the Three Gorges Project， has changed the natural water and sediment conditions in the lower Yangtze River， thus affecting the development of river islands in the middle and lower Yangtze River. Using TM/ETM/OLI remote sensing images in 2000， 2003， 2005， 2007， 2010， 2013， 2015， 2017 and 2020， the space-time information of the morphological evolution of river islands in the Anhui section of the Yangtze River （hereinafter referred to as the Wanjiang River） was extracted. This paper analyzes the characteristic on the response of erosion-accumulation process of river islands in the Wanjiang River to the construction of the Three Gorges Project. The results show that ：（1） After the impounding of the Three Gorges Reservoir during the construction period， the area of river islands in the Wanjiang River fluctuates frequently， and the area of river islands in Anqing section and Tongling section has a great influence on the area of river islands in the Wanjiang River， the contribution of which can reach over 80%. （2） The four sections of Anqing-Chizhou-Tongling-Wuhu are greatly affected because they are close to the Three Gorges Reservoir， and the maximum area change rate of river islands is up to -19.54%， -39.05%，

-24.87% and -15.02% respectively， while the Maanshan section is far away from the Three Gorges Reservoir and therefore is less affected， the maximum area change rate of which is only -7.33%. （3） The erosion-accumulation process of river islands in the Wanjiang River has three response periods to the construction of the Three Gorges Project， namely， the adjustment period from 2003 to 2007， the stationary period from 2007 to 2013， and the equilibrium period from 2013 to 2020.

Key words： area of river islands; erosion-accumulation process; the Three Gorges Project; time response; Anhui section of the Yangtze River

（責(zé)任編輯：鞏 劼）