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科学研究与应用

科学研究与应用

Journal of Scientific Research and Applications

  • 主办单位: 
    未來中國國際出版集團有限公司
  • ISSN: 
    3079-7071（P）
  • ISSN: 
    3080-0757（O）
  • 期刊分类: 
    科学技术
  • 出版周期: 
    月刊
  • 投稿量: 
    5
  • 浏览量: 
    740

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鄱阳湖采砂对水体悬浮泥沙浓度的影响

The Impact of Sand Mining in Poyang Lake on Suspended Sediment Concentration in Water Bodies

发布时间：2026-04-21
作者: 曹珊 :江西理工大学土木与测绘工程学院 江西赣州;
摘要: 采砂不仅对湖盆及水生生物多样性造成不利影响，还会显著影响水体的浑浊度，深入研究采砂活动对鄱阳湖形态变化和对水体悬浮泥沙的影响具有重要的意义，为鄱阳湖管理提供参考。本文基于Landsat卫星遥感数据，采用归一化差异水体指数提取鄱阳湖枯水期水体，进而根据不同年份相近水位的枯季水陆边界线来获取采砂区；再通过模型反演方法得到悬浮泥沙浓度的时空分布特征，从而评估采砂活动对其浓度造成的影响，实现对鄱阳湖采砂活动的动态监测。结果表明：（1）在2000-2023年期间，鄱阳湖主要采砂区有4个，分别为入江水道、松门山区域、棠荫东南部区域以及抚河入湖处。从空间变化来看，入江水道以及松门山区域两地是近20年鄱阳湖采砂活动的主要区域。从时间变化来看，近20年因采砂活动4个采砂区滩地减少区域面积分别约38.58km2、39.78km2、0.93km2、4.09km2，其中2015-2018年是4个采砂区滩地减少区域最大的一个时间段，分别约20.07km2、19.55km2、3.1km2、0.92km2。（2）采砂活动引起水体悬浮泥沙浓度发生突变，采砂活动与悬浮泥沙浓度有较高的时空关联性，通过鄱阳湖悬浮泥沙浓度反演结果，揭示了鄱阳湖采砂活动是导致悬浮泥沙浓度增加的原因。
Abstract: Sand mining not only adversely affects the lake basin and aquatic biodiversity but also significantly impacts water turbidity. Conducting in-depth research on the effects of sand mining activities on the morphological changes of Poyang Lake and the suspended sediment concentration in water bodies holds significant importance, providing references for the management of Poyang Lake. Based on Landsat satellite remote sensing data, this study employs the Normalized Difference Water Index to extract Poyang Lake's water bodies during the dry season, then identifies sand mining areas by delineating the land-water boundaries of similar water levels across different years. Using model inversion methods, the spatiotemporal distribution characteristics of suspended sediment concentration are obtained to assess the impact of sand mining activities on its concentration, thereby achieving dynamic monitoring of sand mining activities in Poyang Lake. The results indicate: (1) From 2000 to 2023, there were four major sand mining areas in Poyang Lake: the river-adjacent waterway, the Songmen Mountain area, the southeastern Tangyin area, and the Fujian River mouth. Spatially, the river-adjacent waterway and the Songmen Mountain area were the primary sand mining zones over the past two decades. Temporally, the reduction in intertidal areas across the four sand mining zones was approximately 38.58 km², 39.78 km², 0.93 km², and 4.09 km², respectively, during the 2000-2023 period. The period from 2015 to 2018 saw the largest reductions, at approximately 20.07 km², 19.55 km², 3.1 km², and 0.92 km², respectively. (2) Sand mining activities caused abrupt changes in suspended sediment concentration, demonstrating a high spatiotemporal correlation between sand mining and sediment concentration. The inversion results of Poyang Lake's suspended sediment concentration reveal that sand mining activities are the primary cause of increased suspended sediment concentration.
关键词: 鄱阳湖；Landsat；悬浮泥沙浓度；影响分析
Keywords: Poyang Lake; Landsat; suspended sediment concentration; impact analysis

引言

采砂活动对水环境及水生态有着巨大的影响。然而，作为建筑砂石的重要来源，采砂有着较大的经济效益，但也会对水域生态环境产生较大的破坏。过量的采砂会导致大量的泥沙搅动，改变河道及水底地形，进而影响水下环境及相关动植物生物量。遥感在采砂活动监测领域开展的应用多与水体悬浮泥沙浓度相结合，例如，Cao等利用MODIS遥感影像和实地巡查数据，建立了洪泽湖悬浮颗粒物浓度估算模型。关于采砂活动对鄱阳湖的影响，之前的研究结果覆盖的时间较早，对近20年鄱阳湖采砂活动的变化规律未见较为系统的研究结果，而且学者的研究主要集中在水位、水文泥沙效应和水文干旱化机制。

根据各个采砂区域的滩地减少面积进行统计，利用模型构建的方法反演出采砂对水体悬浮泥沙浓度的影响。因此，深入研究采砂活动对鄱阳湖形态变化和对水体悬浮泥沙的影响具有重要的意义，为鄱阳湖管理提供参考。

1研究区域与数据源

1.1研究区概况

鄱阳湖(115°50′ E-116°44′ E,28°25′ N–29°45′ N)位于江西省北部，紧邻长江中下游南岸，是中国最大的淡水湖。采砂船的大量入湖是鄱阳湖水体悬浮泥沙浓度的主要驱动因素，水库的保沙功能和水体水土保持措施的改善是入湖泥沙减少的主要原因。鄱阳湖是一个以通量为主导的高动力、高含沙量湖泊，因此，对湖泊悬浮泥沙浓度进行监测显得尤为重要。

1.2研究数据

本文所用的遥感影像均为美国陆地卫星（Landsat TM/ETM+/OLI）数据，收集了2000-2023年间鄱阳湖丰水期无云或少云（云量<10%）的Landsat遥感影像，具体见表1。利用ENVI5.2软件对原始数据进行了辐射定标、大气校正及区域裁剪等系列预处理。鉴于Landsat影像具备高时空连续性的监测优势，这为深入探究鄱阳湖近23年来采砂活动的演变及悬浮泥沙浓度的精准反演提供了可靠的数据支撑。

表1研究使用的Landsat影像汇总表
丰水期 L52000.05.10 L52001.05.13 L52002.11.08 L52003.10.10
L52004.04.03 L52005.10.31 L52006.11.03 L52007.10.05
L52008.05.16 L52009.03.16 L52010.03.19 L52011.04.23
L72012.04.01 L82013.10.05 L82014.10.08 L82015.10.11
L82016.09.27 L82017.05.09 L82018.04.10 L82019.09.20
L82020.04.15 L82021.09.25 L82022.10.14 L92023.04.16

2研究方法

2.1采砂区的提取方法

鄱阳湖在低枯水情下会显露出河道以及滩地边界的形态，且经过采砂活动后会在滩地附近留下大小不一的锯齿形沙坑，形态变得相对粗糙。本文利用枯水期遥感影像，通过计算归一化差异水体指数（NDWI）并结合人机交互阈值分割法，精确提取了水陆边界线。考虑到内陆湖泊自然岸线相对稳定，本文通过叠加对比2000年（采砂兴起前）与2023年的枯水期水陆边界，识别出岸线形态发生剧烈变化的区域，以此界定近20年间的主要采砂活动范围。根据地理分布及活动强度，最终将研究区划分为入江水道、松门山、棠荫东南部以及抚河入湖口四大核心采砂监测区，划分为入江水道、松门山区域、棠荫东南部区域以及抚河入湖处4块采砂区。

本文识别采砂区的主要依据有二：一是利用鄱阳湖枯水期的遥感影像提取水陆边界线，从而获得采砂前后水陆边界的形态变化。二是采砂船工作时会造成附近水体的扰动，使沉积的泥砂再次悬浮，进而导致附近水体的悬浮泥沙浓度异常增高。采砂船的分布会成为导致悬浮泥沙浓度的变化的主导因素，因此，通过提取采砂船分布初步确定采砂区。

图1 鄱阳湖局部区域水陆边界形态

2.2反演模型构建方法

本文选择Landsat TM/ETM+影像中的B1和B3波段以及OLI影像中的B1和B4波段作为敏感波段进行构建。结合2015年8月的野外实测数据与同步Landsat OLI影像，通过对比实验构建了适用于鄱阳湖水域的高精度悬浮泥沙反演模型。各模型具体形式及参数如表2所示，其中B1、B3、B4分别对应Landsat相应波段的反射率。

表2 鄱阳湖悬浮泥沙浓度反演模型
影像类型 遥感因子 反演模型 R2
Landsat TM/ETM+
Landsat OLI		 x=(B1+B3)/(B1/B3)
x=(B1+B4)/(B1/B4)		 SSC=0.1954x²+0.072x-0.0041
SSC=0.1523x²+0.085x-0.0041		 0.883
0.882

3结果

3.1采砂区时段特征分析

对4个采砂区内的滩地减少面积进行统计，统计结果如表3所示。从时间上看，通过对比不同时间段内滩地减少面积的变化，2015-2018年这个时间段内变化最大，四个采砂区的滩地减少面积分别约为20.07km2、19.55km2、3.1km2、0.92km2，说明这个时间段内鄱阳湖的采砂活动较其他时间段活跃。从空间上看，入江水道以及松门山区域受采砂活动的影响较大，2000-2023年两处的滩地减少面积分别约为38.58km2、39.78km2，平均每年减少约为1.68km2、1.73km2；而棠荫东南部区域以及抚河入湖处的滩地减少面积分别约为4.09km2、0.93km2，数据表明，入江水道和松门山区域是近二十年来采砂工程的主要作业场所。

表3采砂区内的滩地减少面积进行统计
年份 入江水道 松门山区域 棠荫东南部区域 抚河入湖处
2000-2003 4.78 2.11
2003-2006 13.91 10.4
2006-2009 4.81 3.79
2009-2011 10.16 15.69 0.26 1.44
2011-2015 8.09 9.79 0.24 1.29
2015-2018 20.07 19.55 0.92 3.1
2018-2021 1.86 1.91
2021-2023 1.50 2.17
2000-2023 38.58 39.78 0.93 4.09

3.2采砂活动对悬浮泥沙浓度的影响

2000-2023年鄱阳湖采砂活动对丰水期悬浮泥沙浓度的影响如图2所示。近20年来，浑浊水体主要分布在入江水道和松门山周边水域。2001年采砂活动影响较小，浑浊水体集中在赣、修两河交汇的主航道区域；2007年松门山以南大面积浑浊水体与采砂船显著南移相符；2011年入江水道和松门山区域浑浊水体广泛分布；2013-2014年，浑浊水体集中在松门山以北的主航道区域；2016年南部棠荫和康山一带出现浑浊水体；2018年浑浊水域主要在赣-修两河交汇后注入主航道的区域以及入江水道的南部区域；2020-2023年南部湖区浑浊水体分布复杂，悬浮泥沙浓度波动明显，与采砂作业关系密切。

图22000-2023年鄱阳湖丰水期水体悬浮泥沙浓度反演结果

4结论

本文通过提取采砂区，研究了采砂活动对悬浮泥沙浓度的影响，并对2000至2023年期间鄱阳湖采砂活动进行了监测与分析，总结了采砂活动的变化规律。结果表明：从空间变化来看，入江水道以及松门山区域两地是近20年鄱阳湖采砂活动的主要区域。从时间变化来看，近20年因采砂活动4个采砂区滩地面积分别减少了约38.58km2、39.78km2、0.93km2、4.09km2，其中2015-2018年是4个采砂区滩地减少面积最大的一个时间段，分别减少了约20.07km2、19.55km2、3.1km2、0.92km2。在2000-2023年期间，鄱阳湖丰水期的悬浮泥沙浓度变化较为显著，浑浊水体主要分布在入江水道以及松门山附近水域；采砂活动与悬浮泥沙浓度有着较高的时空关联性，通过鄱阳湖悬浮泥沙浓度反演结果，揭示了鄱阳湖采砂活动是导致悬浮泥沙浓度增加的原因。

参考文献：

  1. [1] Lu J, Li H, Chen X, et al.Numerical study of remote sensed dredging impacts on the suspended sediment transport in China’s largest freshwater lake[J].Water,2019,11(12):2449.
  2. [2] 曹志刚,段洪涛,崔海山,等.基于VIIRS数据洪泽湖悬浮物浓度估算算法研究[J].红外与毫米波学报,2016,35(04):462-469.
  3. [3]赵军凯,李立现,李九发,等.人类活动对鄱阳湖水位变化的影响[J].水文,2020,40(04):53-60.
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  5. [5] 齐述华,张秀秀,江丰,等.鄱阳湖水文干旱化发生的机制研究[J].自然资源学报,2019,34(01):168-178.
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