基于遙感影像的鄱陽湖采砂時空分布及對湖盆形態的影響研究

摘要：研究通過使用Landsat衛星遙感數據和水文資料統計數據，總結出鄱陽湖1999—2021年的采砂船時空分布規律，分析了采砂活動對鄱陽湖水文泥沙平衡以及對湖盆形態變化的影響。方法上，研究采用中紅外波段的黑白影像進行采砂船提取，并結合增強型水體指數突出水陸邊界，再疊加出枯水期湖盆形態的變化。結果表明：①2000—2006年采砂船主要分布在鄱陽湖的北湖部分，2008年受禁采政策影響，采砂船數量驟減，2016年為采砂活動的高峰，其中政策調控是2000—2021年鄱陽湖采砂船時空分布和數量規模變化的主要因素；②人類采砂活動在一定程度上影響著鄱陽湖的水文泥沙平衡；③采砂活動導致鄱陽湖入江水道和松門山區域的灘地面積減少，而棠蔭東南部區域灘地面積凈增加約7.95 km2，主要原因是入湖支流泥沙擴散造成的淤積。研究不僅能夠評估近年來對鄱陽湖采砂活動監管的成效，還可為類似水域的采砂活動監管及其效果評估提供參考。

關鍵詞：遙感；采砂；湖盆形態；鄱陽湖

中圖分類號：TV1；P237文獻標識碼：A文章編號：1001-9235（2024）08-0082-10

Spatial and Temporal Distribution of Sand Mining in Poyang Lake and Its Impact on LakeBasin Morphology Based on Remote Sensing Images

LIU Jiahao

（College of Civil and Surveying Engineering，Jiangxi University of Science and Technology，Ganzhou 341000，China）

Abstract：In this study，by using Landsat satellite remote sensing data and hydrological data statistics，we summarized the spatial and temporal distribution pattern of sand extracting vessels in Poyang Lake from 1999 to 2021，and analyzed the impacts of sand extracting activities on the hydrological sediment balance of Poyang Lake，as well as on the changes of lake basin morphology.Methodologically，the study adopts black and white images in the mid-infrared band for sand mining vessel extraction，and combines the enhanced water body index（EWI）to highlight the water-land boundary，and then superimposes the change of lake basin morphology during the dry water period.The results show that：①sand mining vessels were mainly distributed in the north lake part of Poyang Lake from 2000 to 2006，and the number of sand mining vessels plummeted in 2008 due to the impact of the banning policy，and 2016 was the peak of sand mining activities，in which the policy regulation is the main factor for the change of spatio-temporal distribution and number and scale of sand mining vessels in Poyang Lake from 2000 to 2021;②the human sand mining activities have affected to a certain extent the hydrological sediment balance of Poyang Lake to a certain extent;③sand mining activities led to a decrease in the beach area in the inlet channel of Poyang Lake and Songmen Mountain area，while the net increase in the beach area in the southeast area of Tangyin was about 7.95 km2，mainly due to siltation caused by the spreading of sediments from inlet tributaries of the lake.This study not onlyassesses the effectiveness of the regulation of sand mining activities in Poyang Lake in recent years，but also provides a reference for the regulation of sand mining activities in similar waters and the assessment of its effectiveness.

Keywords：remotesensing;sandmining;lake basin morphology;Poyang Lake

鄱陽湖作為中國最大的淡水湖，承載著重要的生態系統和水資源功能，對珍稀瀕危物種的棲息、水源涵養、泥沙平衡和洪水調蓄等發揮著關鍵作用［1］。然而，近年來，受利益驅使，采砂活動變得多樣化和復雜化，非法采砂行為屢禁不止，給鄱陽湖的泥沙平衡和湖盆形態塑造帶來了嚴峻挑戰［2］。

在研究鄱陽湖湖盆形態變化方面，遙感技術的應用尤為重要。之前的研究已經展示了遙感數據在監測采砂活動對沉積物擴散方面的潛力，如Islam等［3］基于Landsat ETM和MODIS數據的研究檢測了澳大利亞昆士蘭北部采砂形成的泥沙羽流，揭示了遙感在監測這類活動方面的價值；另外，Wu等［4］還探究了Landsat TM影像的傳感器波段在渾濁水域中探測采砂船的能力；Leeuw等［5］利用遙感衛星圖像估計了禁采期內離開鄱陽湖的采砂船數量，并評估了采砂對鄱陽湖的影響；Li等［6］通過湖面分區、船舶目標增強和懸浮泥沙反演結果疊加分析提取了鄱陽湖采砂船作業點，并利用底質類型分類結果進行了驗證；江豐等［7］分析了鄱陽湖2001—2010年采砂船的時空分布變化，并定量分析了采砂活動對鄱陽湖水沙環境的影響；陳龍泉等［8］利用兩期枯水期影像進行疊加分析，得到鄱陽湖的五河入湖區域以及入江通道區域灘地的沖淤變化情況。而針對鄱陽湖區域，可以借鑒前人的研究成果，結合大量水文統計數據和長期的遙感影像數據，對采砂船提取以及在采砂對湖盆形態影響方面進行更深入、全面的分析，為科學管理和保護鄱陽湖濕地提供更為可靠的參考價值。

1研究區概況

鄱陽湖位于江西省北部，處于長江中下游的南岸，其地理坐標為東經115°50′～116°44′，北緯28°25′～29°45′。鄱陽湖以松門山為界，分成南北2個部分，以北是入江水道，以南為主湖體。湖區南納贛江、撫河、信江、饒河、修河五河來水，北經九江湖口縣匯入長江，流域面積達16.22×104 km2，約占長江流域面積的9%，占江西省整個國土面積的94.12%［9］。鄱陽湖流域徑流由降水形成，五河多年平均入湖徑流量為1 241×108 m3，經湖口站出湖入江的多年平均徑流量為1 491.72×108 m3；鄱陽湖各河均屬少沙河流，五河多年平均年入湖輸沙量為1 533.00×104 t，以贛江最大，饒河最小［10］。鄱陽湖三面環山，湖區地勢由南向北逐漸走低，湖底地形起伏變化較小，在分布上有明顯的水下河道。鄱陽湖是一個過水性、吞吐型、季節性的湖泊，湖盆地貌主要由水道、洲灘組成。鄱陽湖洪、枯水位面積、容積相差較大，具有“高水湖相、低水河相”的自然地理特征［11］。鄱陽湖流域水網及其湖區地理位置見圖1。鄱陽湖采砂活動2001年開始興起，亂采濫挖現象日漸嚴重，2006年起，江西省水利廳（http：//slt.jiangxi.gov.cn/）陸續出臺相關政策對采砂活動加以限制，在2008年全面禁止采砂之后，鄱陽湖自2009年起，正式采取批復式采砂管理辦法。據九江市采砂管理局報道，2021年鄱陽湖九江水域的年度許可控制采砂總量為3 890萬t，批復可采區8個。

2數據來源和研究方法

2.1數據來源

2.1.1水文資料

本研究主要收集1971—2021年鄱陽湖流域“五河”（贛江、撫河、信江、饒河和修水）入湖及鄱陽湖出湖的主要水文控制站點監測的年徑流量和年輸沙量數據，這些數據均來源于長江水利委員會和江西省水文監測中心。

2.1.2遙感影像數據

為更好地了解近20 a來鄱陽湖的采砂船時空分布和湖盆形態變化情況，本研究選取2000—2021年鄱陽湖豐水期無云或少云的Landsat衛星遙感影像，一年一幅共22幅，分別用于提取采砂船的時空分布和數量規模情況；選擇1999、2007、2014、2021年鄱陽湖枯水期的遙感影像進行疊加分析，其中枯水期遙感影像的選取原則是以湖口水位大致相似為依據，得出1999—2007、2007—2014、2014—2021、1999—2021年4個時間段內的湖盆灘地變化情況，并計算湖盆灘地的變化面積，從而量化采砂行為對湖盆形態的影響。選取的遙感影像以及用途見表1。

2.2研究方法

2.2.1采砂船提取分析

所有影像數據均通過輻射定標、大氣校正等方面的數據預處理。由于采砂過程中使用高壓水槍進行沖散砂層上部淤積的淤泥層，此過程會使采砂點附近水域水質變得極其渾濁，導致水體透明度下降［12］。而利用Landsat5 TM、Landsat7 ETM+衛星傳感器影像的波段5、4、1進行非標準假彩色合成（Landsat8 OLI選用波段6、5、2）便可以確定渾濁水體的大致范圍，圖2b所示，然后在渾濁水體附近，可利用中紅外波段的黑白影像來判別采砂船的位置［4］，以點圖層保存每幅影像所反映的采砂船位置，見圖2a，然后統計采砂船數量規模。

采砂船具體的提取過程見圖2。由于采砂活動會造成附近水域變渾濁，圖2b中顯示采砂船附近有一定區域的泥沙羽流，可大致確定采砂船的工作范圍，而在圖2a中可利用中紅外波段的黑白影像提取該范圍采砂船的位置。由于采砂船體型較大且本身不具備運載砂石的能力，因此常與多艘運砂船一同作業，成并列排布，尤其在豐水期時，有數艘采砂船與十幾艘運砂船組成的大型采砂平臺，在Landsat影像上呈現出多為正方形的塊狀且具有斑駁的紋理特征，見圖2c，可大致區分采砂船與湖區內小型的漁船、運砂船。圖2d為2016年7月28日紅色方框區域內的Google Earth影像，圖中顯示有6條采砂船，而在2016年7月25日的Landsat遙感影像上提取出3條采砂船，若忽略3天時間間隔所帶來的采砂船位置偏移，可以看出，基于經驗的人為提取過程和附近過于密集的船舶排布會對采砂船提取的準確度帶來一定的影響，但仍可以認為本研究的采砂船提取結果能夠正確地反映采砂船的數量和分布情況。

2.2.2湖盆形態疊加分析

在水位相似的情況下水域范圍的變化主要是由灘地引起的，則可通過不同年份枯水期影像提取的水陸邊界進行區域疊加來反映鄱陽湖湖盆形態的變化情況［13］。由于鄱陽湖泥沙自然沖淤改變湖盆形態的速率遠低于人為采砂帶來的影響，便可通過計算鄱陽湖灘地的變化面積來側面量化采砂行為對鄱陽湖湖盆形態變化的影響［14］。本文采用一種增強型的水體指數模型EWI來突出水陸邊界［15］，見式（1）：

式中：G為綠光波段；NIR為近紅外波段；MIR為中紅外波段。EWI能夠有效抑制背景噪聲，實現針對半干旱水系的提取。根據鄱陽湖枯水期呈河相的特點與EWI適合在半干旱區域進行水系提取所相吻合，所以EWI能夠很好地區分水體與背景地物來突出采砂對鄱陽湖湖盆形態的影響。

3采砂船時空分布及數量特征

3.1采砂船時空分布

2000—2021年部分年份的采砂船時空分布情況見圖3。從采砂船時空分布來看，2000年采砂船零星分布于北部狹長的入江水道；2001年后采砂船的分布范圍顯著擴大，采砂船開始聚集在北部的入江水道并首次出現在贛江西支；隨后2006年，鄱陽湖湖面上便有大量采砂船進行作業，且主要分布在北湖的入江水道以及贛江西支等主流航道，并未向南部湖區移動；2007年開始采砂作業范圍逐漸南移并不斷擴大；隨后2008年只有零星幾艘采砂船分布在湖岸邊；2013年采砂船駛至棠蔭，并出現在南磯山濕地國家級自然保護區附近，隨后采砂船在南部湖區均有分布；2016年采砂船在湖區廣泛分布且分布范圍最廣，最南端至康山圩堤附近；2017—2021年，采砂船逐漸集中在批復的可采區范圍內，采砂作業開始變得相對規范起來。

3.2采砂船數量規模

根據鄱陽湖近20 a遙感影像的中紅外波段對采砂船進行提取，采砂船數量以及江西省水利廳當年批復可采砂總量的結果見圖4。

從采砂規模來看，2000—2007年采砂船數量呈上升趨勢，2006年鄱陽湖湖面的采砂船數量最高達149艘；直到2008年采砂船數量急速下降，檢測出僅僅3艘采砂船；2009年鄱陽湖采砂作業開始逐漸恢復；隨后的2010—2012、2013—2015年2個階段采砂船數量都相對平穩，都分別處在50、85艘左右；由于2018年采砂船的檢測用的是鄱陽湖平水期的遙感影像，導致檢測結果偏小，可大致推斷出2016—2019年采砂船數量逐步減少；而2020—2021年采砂船數量大致穩定在30艘左右，處于相對較少的狀態。

據歷史資料調查，2006年出臺的《江西省河道采砂管理辦法》設立禁采區、可采區以及年度采砂控制總量等明確規定，致使采砂行為受到一定限制，與2006年后采砂船數量下降的結果一致；2008年江西省人民政府對鄱陽湖實行全面禁采和推行《關于加強贛江中下游及鄱陽湖采砂管理的意見》，批復采砂量為0，解釋2008年采砂船數量出現低值的原因，但也說明有少量采砂船仍在進行作業。隨后江西省水利廳于2009年和2014年分別組織編制了《江西省鄱陽湖采砂規劃報告（2009～2013）》和《江西省鄱陽湖采砂規劃修編報告（2014～2018）》，獲省人民政府同意實施，以規范管理湖區采砂作業，且從江西省水利廳給出的歷年批復可采砂量可知：采砂船檢測數量的年際變化與當年批復的可采砂量有著很高的相關性，兩者的變化趨勢吻合度極高，其中2016年是自2008年全面禁采放開后批復采砂量最高的一年，所以采砂船數量也是2008—2021年期間最多的一年；之后在2016—2017年，省相關單位開展“清河行動”，對采砂活動進行專項整治，與2017年后檢測到的采砂船數量持續減少相符；新一輪規劃《江西省鄱陽湖采砂規劃報告（2019～2023年）》于2018年年底向上級報批并實施，鄱陽湖采砂政策轉變更為嚴格，在遙感影像上檢測到的采砂船數量也隨之銳減，采砂船在時空分布上也明顯集中，即證實了該政策實施的成效顯著。因此可以認為政策調控是2000—2021年鄱陽湖采砂船分布狀況和數量變化最主要的人為影響因素。

3.3水沙年際變化分析

水流攜帶的泥沙隨著水流夾沙能力的改變而改變，故徑流量的大小也是側面反映出泥沙的多少，二者之間存在密切的關系［16］。據1971—2021年實測資料統計，鄱陽湖出入湖的徑流量、輸沙量年際變化過程見圖5，其中出入湖的徑流量、輸沙量年際變化呈現出一定的波動性，總體上表現為豐水年多沙、平水年中沙、枯水年少沙的規律。圖5a顯示出入湖的年徑流量在總體上呈相對穩定狀態，且每一年出湖的年徑流量都比入湖的年徑流量大，間接反映出鄱陽湖的水資源系統處于輸出狀態，這也與鄱陽湖枯水期提前這一現象存在關聯。圖5b顯示2000年前后在出湖年輸沙量上存在較大差異，2000—2006年出湖年輸沙量一直增加且處于相對較高的水平，而2008年出現異常低值后又出現一段時間很高的出湖年輸沙量，這一現象很可能與2008年鄱陽湖實施禁止采砂所關聯，且整體上出湖年輸沙量與采砂船數量的變化曲線存在一定相似性，可大致說明采砂活動在一定程度上影響著鄱陽湖的水文泥沙平衡。

4湖盆形態的采砂效應分析

鄱陽湖流域來沙主要淤積在湖盆東南部、南部和西南部的各河入湖擴散區，在湖盆表現為邊灘、扇形三角洲以及“自然湖堤”等形態。這些區域的豐富湖砂資源備受青睞，而采砂活動會通過將河道邊緣處沙洲灘地上的湖砂進行采取，使得河床邊界拓寬，灘地面積減少，從而改變湖盆的形態。由于湖盆形態變化未涵蓋整個鄱陽湖且樣貌形態會在枯水期顯露出來，便可對湖盆區域進行劃分以及枯水期影像的疊加，在分析采砂船位置與灘地變化區域時空關聯性的基礎上，通過計算的湖盆灘地變化面積來衡量采砂行為對湖盆形態的影響。湖盆形態變化分區見圖6。

4.1入江水道北段

區域a主要分布在湖口縣雙鐘鎮洪湖村到湖口縣屏峰一帶的入江水道，為入江水道北段。圖7顯示了1999—2021年4個時間段區域a的湖盆形態變化情況以及期間采砂船點位的分布。根據圖中綠色區域，4個時間段的灘地增加面積分別約為2.22、0.33、0.07、0.81 km2，而綠色區域邊緣多呈現為平滑流線型，主要由水流攜砂自然形成，受人為采砂影響程度較小。圖中紅色區域多呈現出不規則的鋸齒狀，且有向外擴張趨勢。由圖中得知，采砂船的位置多處于紅色區域附近，可大致認為該區域灘地面積的減少受采砂活動的影響，其中前3個時間段的減少面積分別約為6.74、4.33、3.26 km2，側面反映出2000—2007年的采砂影響強度比2007—2014、2014—2021年的大，與前文2000—2007年的采砂船數量之和多于其他2個時間段這一結果相符。1999—2021年入江水道北段的灘地面積總體呈現減少態勢，凈減少了約11.73 km2，受人為采砂活動的影響較大。

4.2入江水道南段

區域b主要分布在湖口縣屏峰到都昌縣射山一帶的入江水道，為入江水道南段。圖8得知，位于區域b的采砂船在4個時間段均有分布，且多處在入江水道的兩側。圖中紅色部分代表的是灘地減少區域，4個時間段的灘地減少面積分別約為11.22、9.19、18.78、33.61 km2。從地域來看，主要以令公廟和老爺廟這兩處的灘地變化情況最為嚴重，灘地形態呈鋸齒狀，且在灘地附近分布著眾多采砂船。圖8 d可知，2004、2009、2014、2018年的采砂船多集中于該2處紅色灘地區域，可認為區域b灘地的減少受人為采砂活動的影響較大。4個時間段灘地增加的面積分別約為4.48、1.84、0.47、1.21 km2，較采砂造成的灘地面積減少而言，灘地的泥沙淤積情況并不明顯。1999—2021年入江水道南段的灘地面積總體呈現出減少態勢，凈減少了約32.4 km2，且湖盆在形態上表現得越來越破碎。

4.3松門山區域

贛江西支在吳城與修河匯合后，向北至蚌湖，由博陽河注入鄱陽湖主航道，而鄱陽湖以松門山為界分為南北兩湖，且此處分布著豐富的泥沙資源［17］。圖9展示了贛-修河匯合區以及松門山區域灘地面積的變化情況，由湖盆形態對比可以看出，許多灘地區域發生較大變化，尤其是松門山區域。4個時間段灘地的增加面積分別約為6.78、6.51、0.40、6.14 km2，多處于松門山島以北的區域，受水流攜砂堆積的影響較大。4個時間段灘地減少面積分別約為13.70、21.47、24.53、52.13 km2，就前3個時間段而言，2014—2021年的灘地面積減少情況最為嚴重，這與采砂船在松門山島南部區域進行的采砂活動有著密切聯系。對比前2個時間段的湖盆形態變化可以看出，灘地減少的部分往松門山以南的方向擴張，與該區域2007年采砂船作業范圍開始南移這一現象在時間點上一致，可認為該區域的灘地減少受人為采砂的影響。近20 a區域c處的灘地面積凈減少了約46 km2，且從圖中可以看出，贛-修河匯合區域以及松門山區域人為采砂痕跡較重。

4.4棠蔭東南部區域

圖10所示的區域主要分布在棠蔭村東南部一帶。枯水期下的區域d有著相對明顯的線形河道，符合鄱陽湖“低水河相”的自然地理特征。圖10 d可見，綠色增加區域分布廣泛，據調查，該區域位于入湖支流的擴散區，泥沙淤積情況明顯，有著豐富的湖砂資源。4個時間段灘地增加面積約為6.16、8.47、0.11、10.39 km2，其中2007—2014年的年平均淤積面積最大，約1.21 km2/a。圖10 b可見：2013年在區域d出現的采砂船是造成該區域出現灘地面積減少的主要原因。從采砂船時空分布來看，2014年采砂船位置恰好位于圖10 c中兩處較為明顯的紅色區域中，可進一步認為該區域灘地面積的減少主要是由采砂造成的。但總的來說，區域d受采砂影響程度較小，灘地面積的變化主要還是以河口擴散的泥沙淤積為主，凈增加了約7.95 km2。

5結論

a）2000—2006年鄱陽湖的采砂船主要集中在松門山島以北的入江水道，2008年湖區全面禁止采砂，但仍存在偷采漏采現象，2009年后采砂活動逐漸恢復，并擴張至湖區中部和南部，2013年采砂船首次出現在南磯山濕地國家級自然保護區附近，2016年采砂船在湖區分布最廣，隨后2017—2021年采砂活動變得逐漸規范起來，其中2000—2021年期間的采砂船數量變化主要受政策調控影響。

b）采砂活動改變鄱陽湖的出湖輸沙量，對水文泥沙平衡存在一定影響。

c）在1999—2021年，除了棠蔭東南部區域出現灘地泥沙淤積外，入江通道以及松門山附近的灘地面積都有不同程度的減少，這主要是由長期的人為采砂活動所致。

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（責任編輯：程茜）