崔丽娟，翟彦放，邬国锋

(1.中国林业科学研究院湿地研究所，北京 100091;2.武汉大学资源与环境科学学院教育部地理信息系统重点实验室，武汉 430079;3.重庆测绘院，重庆 400014)

作为目前中国第一大淡水湖，鄱阳湖在经济、旅游及生物多样性保护等方面有着非常重要的功能，其健康状况关系到当地生态、经济和旅游等的发展，维系着长江中下游的饮水和生态安全，也影响全球生物多样性［1］。

由于长江下游建筑砂石需求增加、长江中下游干流河道禁止采砂及采砂的巨大经济利益等因素驱动，鄱阳湖采砂自2001年迅速兴起［2］。采砂是一项具有巨大生态影响的经济活动［3-6］，钟业喜和陈姗［2］及张子林和黄立章［7］讨论了采砂对鄱阳湖渔业和生态环境的影响;Fok和Pang［8］认为鄱阳湖江豚数目的快速减少与采砂有一定的关系;一些研究［1，9-11］发现采砂早期主要集中在鄱阳湖松门山以北区域，其引起泥沙的再悬浮、降低采砂区及其下游的水体透明度，同时在长江江水倒灌鄱阳湖期间可能影响鄱阳湖中部甚至南部区域，对鄱阳湖生态系统产生不利影响。

自2010年以来，采砂有向鄱阳湖中部转移的趋势，但到目前为止，对于采砂在中部的具体空间分布及其影响程度还未知。本文旨在利用遥感技术研究采砂在鄱阳湖中部的分布情况，并分析其对悬浮泥沙浓度的影响，以期研究成果为鄱阳湖的后续研究和合理化管理提供帮助。

1 研究区域

鄱阳湖(东经 115°50′—116°44′，北纬 28°25′—29°45′)位于江西省北部、长江中下游南岸(图1)。其承纳赣江、抚河、信江、饶河和修河五大江河及博阳河、漳河和潼河来水，经调蓄后由湖口注入长江，是一个过水性、吞吐型、季节性湖泊。每当洪水季节，五河洪水入湖、水位高涨、湖面宽阔、一望无际。在枯水季节，水位下降、洲滩出露、湖水归槽、水面缩小、蜿蜒一线。鄱阳湖是长江流域最大的天然洪水调蓄区、长江中下游的重要水源地、重要的生物物种遗传基因库、我国最大的淡水鱼产区、也是国际重要湿地和世界著名的候鸟越冬栖息地，其中，全球95%的白鹤和迄今发现的世界上最大鸿雁群体在此越冬［12］。

图1 鄱阳湖及用于分析悬浮泥沙浓度变化的北部(1)和中部(2、3)评价区域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 数据与方法

2.1 船只解译及其数量和分布分析

购买一景鄱阳湖Landsat Thematic Mapper(TM)5影像，轨道号为121/40，影像获取时间为2011年7月28日。TM 5影像中红外波段5反射率受水体浑浊度影响小，与其他波段相比在船只识别上具有更大的能力［13］。利用获取的TM影像波段5目视解译船只、统计其数目并分析空间分布特征。

2.2 悬浮泥沙浓度反演和影响评价

从美国国家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration-NASA)数据服务中心下载2009—2011年 7—8月 Terra卫星中分辨率成像光谱仪(MODIS)250 m空间分辨率的红和红外波段反射率产品，每月各一景。下载影像转换为WGS84/UTM投影，裁剪包括鄱阳湖水体的矩形影像，进行其非监督分类及目视判读以确定水域、制作掩膜层、利用掩膜层进行图像掩膜处理以提取水域。

邬国锋等［9］建立了基于MODIS Terra影像的鄱阳湖悬浮泥沙浓度反演模型，模型中红波段能够解释92%的悬浮泥沙浓度(SSC)变化(SSC=-15.67+1005.29×Red-15858.70×Red2+86236.23× Red3，R2=0.92，s.e.=12.02 mg/L，F=154.30，P ＜0.001)。利用2005［9］和2010年的独立地面观测数据进行模型验证，发现悬浮泥沙浓度地面观测值和模型反演值具有显著强相关性(r=0.94-0.95，P＜0.001)，此结果表明模型是相对稳定的。应用此模型于处理后的MODIS Terra影像进行悬浮泥沙浓度的反演。

选取松门山北部(图1中1区域)和鄱阳湖中部(图1中2区域)两个受采砂影响的区域和鄱阳湖中部一个不受影响区域(图1中3区域)，分别计算不同时期3个区域内的悬浮泥沙浓度平均值，进而利用(BACI)［14］方法进行采砂影响评价。

3 结果和讨论

2010年前，采砂主要集中在鄱阳湖松门山以北区域，未出现在中部(2009年6月4日TM 5及早期影像解译结果，部分结果发表［1］)。图2描述了基于TM 5影像解译的2011年夏季鄱阳湖中部和北部局部的船只信息。在松门山北部(图2-1)仍存在大量船只，这与2010年前的分布相似［1］，无明显变化;但在鄱阳湖中部发现两个采砂区(图2-2—3))，这与2011年8月的实地观察相一致;统计显示松门山以南有大型船只90多艘，包括位于采砂区(图2-2—3))的采砂平台和等待装砂的船只以及沿主航道航行的运砂船(图2-4)。从图中观察到湖水流经采砂区和运砂船队(图2-2—4))之后出现清晰的浑浊带，一直向鄱阳湖北部延伸，水样实验室分析显示采砂区(3)(图2-3)的悬浮泥沙浓度高达500 mg/L。另外，还发现向鄱阳湖南部延伸的船队(图2-5)，目前还无法确认这些船的具体用途，但不排除在鄱阳湖南部也存在采砂区的可能。

图2 基于Landsat TM 5的鄱阳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

图3显示了基于MODIS Terra影像反演的2009—2011年7—8月鄱阳湖悬浮泥沙浓度。鄱阳湖北部2011年悬浮泥沙浓度高于2009和2010年。与船只分布信息(图2中3和4区域)对比，图3也揭示了2011年鄱阳湖中部采砂区及其下游区域(图3中椭圆标示区域)悬浮泥沙浓度与2009和2010年相比有明显增加。

表1描述松门山北部和鄱阳湖中部两个受采砂影响的评价区域和鄱阳湖中部一个不受影响的评价区域的悬浮泥沙浓度均值。在鄱阳湖中部未受采砂影响的评价区域(图1和表1中3区)，2011年的悬浮泥沙浓度尽管约为2009和2010年的2—3倍，但浓度普遍很低，均值约为1—6 mg/L;这样微小变动可能是一个自然过程，如降雨、风速和上游来水等影响。然而，在鄱阳湖中部受采砂影响的评价区域(图1和表1中2区)，2011年的悬浮泥沙平均浓度在7月高于50 mg/L，在8月高于70 mg/L，约是2009年的10倍、2010年的20—30倍;受采砂影响评价区域(图1和表1中2区)的悬浮泥沙浓度约为未受影响评价区域(图1和表1中3区)浓度的10—15倍，这种差别的唯一解释是采砂活动导致悬浮泥沙浓度的剧烈增加。在松门山北部的受影响评价区域(图1和表1中1区)，2011年7月的悬浮泥沙浓度约是2009和2010年的5—10倍，超过120 mg/L，2011年8月的悬浮泥沙浓度超过150 mg/L，约是2010年的5倍，同时明显高于2009年;这表明在鄱阳湖北部的局部区域，因受北部和中部采砂活动的综合作用，水质退化愈加严重。

表1 鄱阳湖用于采砂影响评价的三个区域的悬浮泥沙浓度均值(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

图3 基于MODIS反演的2009—2011年7—8月份鄱阳湖悬浮泥沙浓度Fig.3 Moderate resolution imaging spectroradiometer(MODIS)-based suspended sediment concentrations of July-August 2009—2011 in Poyang Lake

本研究仅用一景TM影像估算的船只数量代表一个年度的船只信息具有一定的片面性。当实地船只的观测数据不存在或无法获得时，遥感技术在估算船只数目上具有一定的优势。可以利用多种遥感影像，如TM影像和合成孔径雷达(SAR)影像，进行时间序列的船只数量估算，进而计算得到年度的平均船只数目，这样的结果更能反应年度船只数目。但由于受天气、影像分辨率和经费等多因素的限制，很难获得每月一景的数据，从而无法估算每年的船只数目。但从采砂行为性质来看，如果没有政策干预，认为一定时间内的采砂相关船只数目是相对稳定的;因为一个新采砂场投入生产不是短时间内能完成的，这样一个采砂场的规模在一定时间区间内相对固定，采砂最大量也是相对稳定的，这样运沙船数量也不会出现大的波动。因此，我们认为从一景影像派生的采砂相关船只数目能够代表一段时间内的船只信息。

多种潜在因素可能引起悬浮泥沙浓度的变化，包括水位、降雨、大风和长江江水倒灌鄱阳湖等。采用BACI方法进行采砂影响评价，选择一个未受采砂影响的区域作为控制区(图1中3区域)与受影响区(图1中2区域)进行对比。因水位、降雨或大风不同引起的悬浮泥沙浓度差异应该在控制区得以体现，但从结果(表1)并没有发现在控制区域内2011年的悬浮泥沙浓度与2009和2010年存在巨大差别，而在受影响区却发现了巨大差别。这样的对比分析可以证明水位或其他因素的差别不是导致悬浮泥沙浓度变化的主要因素。长江水倒灌是鄱阳湖的重要水文特征之一。2011年发生两次倒灌现象，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影像获取时间为2011年7月28日，MODIS获取时间为2011年7月29日和2011年8月21日。倒灌时间和使用的影像获取日期并不接近，可以排除倒灌的影响。因此，有理由认为采砂是引起鄱阳湖中部悬浮泥沙浓度增加的主要因素。

鄱阳湖采砂改变湖底地形、降低水位、引起泥沙再悬浮、释放有毒物质、增加悬浮泥沙浓度、降低水体透明度、减弱水下光环境等，对鄱阳湖的物理、化学、生物和生态过程产生一系列负面影响，也对长江中下游的饮水和生态安全构成威胁，同时向鄱阳湖南部延伸的采砂区进一步扩大了其影响范围和强度。鄱阳湖是世界濒临灭绝的白鹤和长江江豚等物种的重要栖息地，采砂已严重威胁这些物种的生存，对全球生物多样性有重要影响。

砂是鄱阳湖供给人类的重要资源，体现了湖泊丰富的服务功能。采砂繁荣了地方经济，但不能忽视平衡经济发展与生态保护之间的关系。科学规划、规范采砂秩序，使其服务功能得到充分的保护和发挥，将因采砂而造成的负面影响降到最低，使鄱阳湖的各种生态功能全面发挥是紧要的。

4 结论

本研究利用Landsat TM 5影像揭示2011年采砂活动延伸到鄱阳湖中部，同时基于时间序列MODIS影像和BACI方法确认采砂增加悬浮泥沙浓度、扩大其影响范围和强度。采砂已对鄱阳湖环境和生态产生巨大影响，以期此研究结果能为该湖的后续研究和合理化管理提供帮助。

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