基于“3S”技术的南流江采砂点时空分布特征

朱文轩，黎树式,2，冯炳斌，杨夏玲

（1. 南宁师范大学地理科学与规划学院，南宁 5300011；2.广西北部湾海洋环境变化与灾害研究重点实验室，广西钦州 535011；）

世界城镇化处在快速发展的过程中，到2050年，预计68%的世界人口将居住在城市（Hackney et al,2020），未来90%的城镇化将发生在亚非等发展中国家。而砂石是城市建设必不可少的原材料，在过去的20年间全球范围内砂石的使用量几乎翻了2 倍，全球砂石骨料年产量和消费量高达400 亿t，其中，中国为200 亿t（王琼杰，2019），而砂石的自然增长速度远落后于消耗量。不可持续的采砂活动会造成一系列的环境危害，例如：在河床形成散乱的采砂坑，改变河道形态，造成河岸的不稳定（高耶等，2017；Koehnken et al.,2020）；还会影响河水的理化性质，导致水质下降（杨惠雯等，2020；袁婷等，2020）；此外，也可能导致河流水位降低，降低洪水发生的频率（Park et al.,2020），到达河口地区的泥沙量也会因此减少，影响河口三角洲冲淤的动态平衡（黎兵，2020）。南流江流域在改革开放以来的近几十年间河砂的开采量也急剧上升，给流域生态环境的稳定带来巨大的挑战。为应对采砂活动带来的环境挑战，需对流域采砂活动活动的过程变化、动力因素和环境影响等特征进行充分认识，以便为采砂活动的科学有效管理、流域生态治理提供科学依据。

遥感影像数据相比较传统的观测数据具有时间跨度大、空间覆盖范围广、获取便利等优点，在采砂活动的分析方面已有较多的应用。在湖泊采砂活动分析方面，较多学者利用Landsat 系列影像通过识别采砂船分析湖泊采砂活动时空变化（Wu et al.,2009;Li et al.,2014），还有学者利用夜间灯光遥感数据依据光源分析夜间湖泊的采砂活动时空变化（Duan et al.,2019）和运用MODIS等遥感影像数据对水体悬沙浓度进行反演以分析采砂活动时空变化（Barnes et al.,2015）。河流采砂活动分析方面，有学者利用高分辨的影像识别河流中的采砂船来估算河流的采砂量（李志威等，2019），还有学者通过图像纹理特征结合实地验证识别采砂场来分析某一时间河流的采砂现状（陈冬勤等，2013）。通过对已有研究的回顾，发现由于湖泊地区水域开阔，采用Landsat 等中高分辨率的影像，结合“识别采砂船”和“采砂区域光源”的方式进行采砂活动分析且具有较好的成效；而河流水域较狭长，采砂的规模相对较小，采砂活动的部分解译标志，如“采砂船”“水色”“光源”在Landsat 等中高分辨率影像中不显著，无法满足识别需求。因此，以往河流采砂活动的研究多采用高分辨率的影像开展。但受限于高分辨率影像的历史跨度较短、早期影像稀缺等因素，还未见有河流采砂活动长期时空变化研究。通过对Landsat 影像中河流采砂活动的影像特征进一步分析发现，采砂区域的部分关键指示特征，如河床纹理特征和砂石的光谱特征，及部分水色特征，在影像中具有较好的表现，可满足对采砂活动识别的需求。

鉴于此，本文拟采用Landsat 系列影像，以南流江为研究对象，分析河流采砂活动的时空变化特征，在此基础上，进一步探讨南流江采砂活动时空变化的驱动因素及产生的环境效应，以期为南流江的生态保护和综合治理提供科学依据。本案例研究有利于拓展Landsat 系列影像的应用场景，为河流采砂活动的长期时空变化研究提供新的方法。

1 研究区域与数据

1.1 研究区域概况

南 流 江（21°30′—23°00′N，109°00′—110°30′E）位于广西壮族自治区南部，是中国西南地区最大的独流入海河流，发源于玉林市大容山南侧，流经北流、玉林等6县（市）区，于合浦县注入北部湾。南流江河长287 km，流域面积8 635 km2；上游河宽30～70 m，河流落差较大；中游河宽80～100 m，河流落差较小；下游河宽250～400 m，河面宽广，流速平缓。流域的划分，上游中游大致以“龙门江-张黄江-石湾镇与泉水镇的分界线”一线为界，中游与下游大致以“龙丽江部分河道-博白县城所在地-三步江部分河道”一线为界。流域地形地貌复杂，上中游以平原丘陵地形为主，下游地区以平原为主，河口地区形成面积约为500 km2的三角洲（王丹媛，2019）。流域2020 年人口总数为1 089.78万人，流经北部湾经济区（图1），区域内经济增长速度显著加快，发展前景广阔，地理位置十分重要。

图1 研究区域Fig.1 Location of study area

1.2 基础数据与辅助数据

基础数据为13幅Landsat5 TM数据和5幅Landsat8 OLI_TIR 数据，来源于美国地质勘探局官网①https://earthexplorer.usgs.gov/bulk，影像数据信息见表1所示。本研究还用到以下辅助数据：

表1 研究区详细遥感数据Table 1 Detailed remote sensing data of the study area

1）全国1∶100 万矢量数据，来源为全国地理信息资源目录服务系统②https://www.webmap.cn/。2）南流江下游常乐站的年平均流量和年平均含沙量数据（1988-2018 年）来源于《中国水文年鉴：珠江流域水文资料》（水利部珠江水利委员会，1988—2018）；1990-2002年水质数据来源于《广西年鉴》（广西壮族自治区地方志编纂委员会，1990-2002），2003-2018 年水质数据来源于《广西壮族自治区环境统计公报》（广西壮族自治区环境保护厅，2003—2018）；潮位数据来源于相应年份的《潮汐表》（国家海洋信息中 心， 1997、 1988、 2007、2019）。3）玉林市、钦州市、北海市1989-2018 年的人均GDP数据，来源于《广西年鉴》（广西壮族自治区地方志编纂委员会，1989—2018）。

2 研究方法

2.1 通过目视解译识别采砂点

研究区域的遥感影像经过预处理后，进行采砂点的目视解译。通过影像中疑似采砂点与现场勘验结果对比，确定采砂点的图像纹理与光谱特征，进而确定采砂点的判断依据：河床形态、河床植被覆盖情况、水色情况；与前一时相影像对比有无河床缺失。为便于量化统计，采砂区域岸线长度每400 m算作1处，不足400 m也算作1处。如图2-a所示，Landsat8真彩色影像中采砂点处无植被覆盖，呈浅黄色，且岸线曲折，水体偏浑浊。在图2-b中Landsa8影像的562假彩色合成影像中采砂点呈浅绿色；在图2-c 的谷歌影像中，清晰地显示多艘采砂床正进行采砂作业，采砂点处堆积着成片的河沙；图2-d为2015年的实地验证图，图中采砂船正进行采砂作业。通过图2-c、2-d 对图2-a、2-b 的验证，可基本确定采砂点的影像特征。之后利用ArcGIS10.7 对采砂点进行矢量化，得到1988、1998、2008、2018年的采砂点数据。

图2 采砂点示例Fig.2 Example of sand mining points

2.2 南流江流域建筑用地提取

依据南流江流域的土地利用特点，构建土地利用分类体系。体系包含6 个土地利用类型：耕地、林草地、水体、建筑用地、人工湿地和其他用地。之后对南流江流域遥感影像进行监督分类，分类算法采用随机森林法，该算法在数据分类方面有较多优点，诸如人工干涉少、运算周期短、数据刻画全面多样等（赵宇虹，2021）。最后使用ENVI5.3 拓展工具中的Random Forest Classification工具进行分类，提取各年份建筑用地，并分析面积变化。

2.3 河床面积缺失计算及河口三角洲岸线变化分析

集聚的采砂点往往构成1个大的采砂区域，多位于河流凸岸。利用ArcGIS10.7将各年份影像的采砂区域矢量化，之后通过属性计算统计各年份采砂区域的面积变化，进而得出由于采砂活动所导致的采砂区域面积缺失量。同样利用该软件将各年份（根据卫星过境时三角洲地区的潮位信息，经过仔细甄别，选取潮位相近的19891202、19981109、20081220、20201207四期影像）的河口三角洲岸线矢量化，岸线的判断采用平均高潮线作为海陆分界指示线，分析各年份河口三角洲的岸线时空变化（图3）。

2.4 相关分析法

社会经济发展是采砂活动开展的原动力，经济发展带来的城市基础建设对砂石产生直接需求，是采砂活动直接动力。因而分析经济发展和城市面积变化与采砂活动的过程联系，对于砂石供需矛盾的调节、采砂活动的规划管理有重要意义。同时，完善合理的监管是采砂活动持续健康发展的必要保证，分析监管措施对采砂活动的影响，有助于评估监管成效，发展监管问题，从而提升监管效率。因此，分别从流域人均GDP 变化、建筑用地面积变化、采砂监管3个方面分析其与南流江采砂点变化的关系（见图3），探讨采砂点时空变化的动力因素。同时关注采砂活动的环境影响，分别从水质变化、水沙特征、河床面积变化、三角洲岸线变化4个方面分析采砂活动所产生的环境效应（见图3）。

图3 研究路线Fig.3 Research roadmap

3 结果与分析

3.1 采砂点的时空分布特征

根据采砂点的判断规则，对遥感影像进行采砂点提取，得到1988-2018 年南流江采砂点分布。图4、5 显示，南流江全河段的采砂点在1998-2008 年数量快速上升，2018年采砂点数量大幅下降，上中下游采砂点数量呈相同的变化趋势，均在2008 年达到数量的最高点，分别为9、55、89个。各县采砂点数量的时间变化趋势与各流域分区一致（见图4），合浦县、博白县、浦北县、福绵区均呈先增加后减少的趋势，同样在2008 年采砂点的数量达到最多，分别为81、46、21、4个。各个时期采砂点空间的分布情况为：下游＞中游＞上游，合浦县＞博白县＞浦北县＞福绵区（合浦县大致位于下游，浦北县和博白县大致位于中游，福绵区大致位于上游），呈现此分布特征的主要原因是，下游地区地势逐渐平缓，流速下降，河床中的泥沙沉积量逐渐增多，可供开采的砂石资源丰富。此外，下游地区交通条件便利（图6），便于河沙外运，这也进一步刺激砂石的开采。

图4 南流江采砂点统计（a.分区统计；b.县统计）Fig.4 Statistics of sand mining points in Nanliu River(a.Regional statistics;b.County statistics)

图5 1988—2018年南流江简化采砂点分布Fig.5 Distribution of simplified sand mining points in Nanliu River from 1988 to 2018

图6 2018年距南流江10 km内主要公路密度与采砂点分布Fig.6 Density of main roads and distribution of sand mining points within 10 km away from Nanliu River in 2018

3.2 采砂典型区域

图7为选取的下游地区的采砂典型区域，位于常乐镇和泉水镇的交界处，典型区域内河道较为曲折，水流流速缓慢，河床泥沙储量丰富。可明显地看出，由于采砂活动，河道形态发生较大形变，河床逐渐破碎呈锯齿状，河道明显拓宽，河流生态环境受到较为严重的破坏；并且相较之前的影像，2018年河道的沙洲部分基本消失，可推测，由于常年过度开采，部分河道砂石储量日渐枯竭；在受破坏程度方面，下游地区的受破坏程度要大于中游地区和上游地区。采砂点的时空分布方面，所示区域的采砂点数量同样在1988-2008 年呈上升状态，2018 与2008 年数量基本持平，与下游分区采砂点的数量变化趋势相一致。

图7 下游采砂典型区域（a.1988-1998年；b.2008-2018年）Fig.7 Typical area of downstream sand mining(a.1988-1998;b.2008-2018)

4 讨论

4.1 南流江采砂点时空分布的驱动力

4.1.1 社会经济发展 图8 显示，南流江流域3 市的人均地区生产总值的变化总体呈不断上升的趋势，由开始的缓慢上升到后来的急速上升。钦州、北海、玉林市3 市2018 年的人均GDP 相比1989 年分别增长了56、82 和35 倍，年均增长率分别为192%、283%和122%。经济的持续增长对基础设施建设产生旺盛的需求，砂石作为基础设施建设的主要原材料的需求量也随之激增。统计期间，南流江经济水平与采砂点的数量整体上均呈快速上升趋势。因此，可认为南流江流域经济持续增长是推动采砂点增加的主要原因。

图8 南流江流域市级1989-2018年人均地区生产总值变化Fig.8 Change of per capita regional GDP of cities in Nanliu River Basin from 1989 to 2018

4.1.2 建筑用地面积变化 对南流江流域遥感影像数据进行监督分类，得到南流江流域1988-2018年土地利用状况和建筑用地变化（图9），南流江1988、1998、2008、2018年的建筑用地面积分别为159.359、232.721、426.000、526.122 km2，年均增长率为12.2%。沙石是城市建设的主要原料，城市基础建设直接促使南流江的河沙开采量的快速增长。在研究期间采砂点数量与建筑用地面积的变化呈阶段性一致，1988-2008 年呈正相关，尤其1998-2008 年建筑用地面积增长量达到最大，为193.279 km2。在此期间增加的采砂点数量也最多，达到57个，可认为建筑行业的需求直接刺激了采砂点数量的不断增加。

图9 1988-2018年南流江流域土地利用类型Fig.9 Land use types of Nanliu River basin from 1988 to 2018

4.1.3 采砂行业的监管 南流江采砂点的数量于2018年出现急剧下降，考虑在该期间流域内经济增长迅速，砂石的需求旺盛，推测可能是由于采砂监管加强所致。经对相关资料查证，在此期间，有关部门分别于2011 和2017 年颁布实施了《广西壮族自治区河道采砂管理办法》（广西壮族自治区人民政府，2011）和《广西壮族自治区采砂管理条例》（广西壮族自治区人民代表大会常务委员会，2016），监管力度不断加强。2016 年出台《关于办理非法采矿、破坏性采矿刑事案件适用法律若干问题的解释》（最高人民法院最高人民检察院，2016）规定非法采砂行为全面入刑，对非法采砂活动起到强烈的震慑作用。这一系列采砂法律法规的完善，显著地加强和完善了对采砂活动的监管。

从执法打击非法采砂的成效看，2016年开始中央环保督察组进驻广西壮族自治区，被称为“史上最严环保督察”，反馈了包括南流江采砂问题在内的众多环保意见。各级政府对反馈的各项采砂问题进行了严格整改。2016年，玉林市各级相关部门共查处九洲江、南流江流域环境违法行为242起，捣毁非法采砂船353艘，北海市于11月成立采砂秩序治理专项小组，对14家违规采石场依法立案查处；2017 年，钦州市对南流江40 余个非法采砂点，组织开展了4 次打击行动，清理取缔了32 个；2018年，玉林市打击取缔违法采砂场67个，违法洗沙场28 个（玉林市地方志编纂委员会，2019），钦州市取缔南流江非法采砂场184个（钦州市地方志编纂委员会，2019）。在相关部门的多次高强度打压下，效果立竿见影，南流江的非法采砂活动得到有效控制，采砂点的数量有明显下降。

4.2 南流江采砂活动的环境效应分析

4.2.1 采砂活动对南流江水沙特征的影响 在

1988-2018年南流江常乐站年平均流量呈弱增加趋势，而年平均含沙量呈明显减少趋势，2007年平均含沙量达到最低（图10-a），年平均流量与年平均含沙量存在明显的负相关性，由此推测年平均含沙量下降可能是由于人为因素所致；在1988-2018年采砂点整体的变化呈快速上升态势，而年平均含沙量呈明显下降趋势（图10-b），年平均含沙量与采砂点数量同样存在负相关性，据此推断，强烈的采砂等人类活动可能是含沙量下降的重要原因之一。过度采砂致使河底可供侵蚀的泥沙量大幅减少，导致在年平均流量变化不大的情况下，河流的挟沙量出现明显下降。

图10 1988—2018年南流江常乐站年平均流量与年平均含沙量变化（a）和年平均含沙量与采砂点变化（b）Fig.10 Change of annual average flow and annual average sediment concentration of Changle Station on Nanliu River(a)and change of annual average sediment concentration and sand extraction point(b)during 1988-2018

4.2.2 南流江水质变化 中国于1988、1999、2002 年分别颁布了GB3838-1988、GHZB1-1999和GB3838-2002（现行）3版《地表水环境质量标准》，不同的标准所检测的项目以及各水质类别的标准限值发生较大改变。为了数据的可比性，将已有水质数据分2个部分进行统计，对于1988-2002年的水质变化，从超标物质变化的角度进行分析；对于2003-2018年的水质变化，从水质类别变化的角度进行分析。由表2 可知，1992、1998、1999、2002年都出现悬浮物质超标，2000、2001年出现石油类物质超标。悬浮物质超标可能与采砂活动对水体的扰动相关，石油物质超标可能与采砂船和运砂船的增加相关。在1988-2002年悬浮物与石油类物质超标频次明显增加，同时采砂点的数量处于不断上升的趋势。由此推测，采砂活动可能对上述物质超标作出较大贡献。表3显示，2003-2014年南流江的水质整体上优于Ⅲ类标准，但在2015-2018年水质下降为Ⅳ类水质。采砂变化方面，2008-2018年由于采砂影响，采砂区域面积减少了3.55 km2，高于之前2个10年的采砂区域面积缺失量。且考虑到对采砂活动的监管力度整体加强主要在2016年之后，由此推断2008-2015年采砂强度可能仍处在不断加剧的状态，强烈的采砂活动可能是导致该期间水质下降的一个重要的原因。

表2 南流江1990—2002年水质超标物质情况Table 2 Substances exceeding the standard in water quality of Nanliu River from 1990 to 2002

表3 南流江2003—2018年水质类别情况Table 3 Water quality categories of Nanliu River from 2003 to 2018

4.2.3 河岸河床侵蚀 为分析采砂活动对河床的破坏情况，利用南流江流域的遥感影像，对采砂区域进行矢量化，构建矢量面（图11），之后对采砂区域矢量面进行面积计算汇总。结果显示，1988、1998、2008 和2018 年采砂区域面积分别为44.64、42.45、40.95 和37.40 km2。从图11 可以明显看到，由于采砂活动导致河床岸线呈锯齿状，部分区域有明显残缺，采砂区域面积由于采砂每10年分别减少2.19、1.50和3.55 km2，年均减少约为0.24 km2，可见，过度的采砂活动对河床破坏十分严重。

图11 南流江采砂区域Fig.11 Sand mining area of Nanliu River

4.2.4 河口三角洲岸线变化 为分析采砂点数量的变化对南流江河口三角洲的影响，对南流江河口三角洲岸线进行矢量化（图12）。结果显示，近30年来南流江三角洲的岸线变化还是以向海延伸为主，淤积主要发生在淤泥质海岸，主要是由于红树林快速生长导致的岸线向海扩张。在海岸线的蚀退方面，虽因采砂活动等人为因素引起输沙量的减少，但目前并没有发现三角洲地区岸线受到明显侵蚀，主要有以下原因：1）河口三角洲地区的生态环境不断转好，红树林面积不断扩大，对海岸线起有效防护作用；2）人工防浪堤、防潮堤的修建使得海岸线不易被侵蚀；3）南流江入海口属于强潮海岸，强潮为河口带来大量泥沙（黎树式，2017）。

图12 河口三角洲岸线变化Fig.12 Shoreline change of estuarine delta

5 结论与建议

5.1 结论

利用1988、1998、2008、2018年共4个时相的遥感影像分析南流江采砂点的时空分布，探讨其背后驱动因素及所产生的环境效应，得出主要的结论为：

1）30 年来南流江采砂点时空变化明显。采砂点在1988-2008 年呈不断增长态势，2008 年达到顶点；之后，2018年采砂点的数量快速下降，各流域分区以及各县域采砂点的变化类似。各个时期均为下游地区采砂点最多，中游次之，上游地区最少，在县域的分布为：合浦县＞博白县＞浦北县＞福绵区，这与河流泥沙的沉积规律一致。

2）采砂点时空变化的驱动因素是多样的，经济发展带来的城市化快速推进，是造成采砂点数量增长的主要原因。2018 年的采砂点数量出现下降，主要由于是2015年以来南流江采砂监管力度不断加强所致。

3）南流江采砂活动对周围环境造成较大影响，首先，采砂活动造成采砂区域面积不断减小，进而床载泥沙量不断下降，导致河流的挟沙量不断下降；其次，采砂活动是导致南流江水质下降的重要原因；此外，虽然因采砂活动等人为因素引起输沙量的减少，但目前并没有发现三角洲地区岸线受到明显的侵蚀。

5.2 南流江综合治理建议

采砂活动发生区域和所造成的影响波及到整个流域，各地区在采砂监管和生态治理方面应继续加强合作，提升综合治理能力。在生态恢复方面，应继续加强对生活工业养殖废水的排放监管，规范采砂作业流程，提升水环境质量；在生态保护方面，南流江入海的泥沙量减少将会是一个长期的趋势，因此，需要继续增加红树林的面积，增强海岸的防护能力。在砂石的可持续开采方面，一方面有关部门或许可以通过支持南流江泥沙输移沉积状况研究，确定泥沙的开采区域或者开采量，以便实现自然供应与开采量之间的平衡；另一方面，应积极寻找替代性的资源，如大力发展和推广应用机制砂（国家发展和改革委员会，2020），通过多种途径满足经济发展所需的砂石量。最后，南流江的保护和治理关系到流域内全体民众的福祉，应充分发动群众，对非法采砂等破坏流域生态环境的活动进行监督，保障民意反馈通道的通畅高效，形成重视生态、共同治理的良好社会风气。