长江干流江心洲过去35年面积变化及其特征

姜玲玲,徐利强,2,计 超

(1.合肥工业大学 资源与环境工程学院,安徽 合肥 230009; 2.中国科学院 地球环境研究所,陕西 西安 710061)

江心洲发育于河流之中,其发育状况及动态变化是影响河道变迁以及航道稳定的重要因子[1-4]。此外,它也是一种重要的港口和土地资源[5]。江心洲的动态是反映江心洲所在流域环境变化的重要指标,也是区分自然过程和人类活动对环境影响的前提条件。长江作为我国第一大河,有着“黄金水道”之称[6],其干流发育大量的江心洲(含江心岛,以下统称江心洲),这些江心洲的发育及其动态变化会对基于江心洲的生产生活和经济发展产生重要影响。近几十年来,长江部分江心洲不断地后退下移,使得河道发生阻塞,不仅对河道的稳固产生影响,还威胁到人类的生产生活[7]。因此,研究长江干流江心洲过去几十年的变化及其特征对长江流域堤防的安全、航道的变迁及整治、洲滩湿地及生物群落的保护具有重要价值[8]。

江心洲的变化是地貌变化的一种形式,研究人员利用历史时期的地质图、航摄像片、卫星遥感影像可重建近几十年来的地貌变化[9-10]。在这些方法中,卫星遥感具有多时相、精度高、速度快等突出优势,能够准确记录地面环境信息以及提供大规模、高时空分辨率的图像,从而得到广泛应用[11-12],卫星遥感影像也被广泛应用于研究海洋中岛屿、湖泊以及河流地貌的动态变化[13-15]。

目前已有一些研究者利用遥感影像对长江部分江心洲开展研究工作。文献[16-17]利用卫星遥感数据,分别对长江马芜铜段的8个江心洲和2016年前后长江下游3个江心洲的演化过程进行研究;文献[18]分析长江南京段的江心洲,并对其动态过程进行解析;文献[19]结合Landsat和Google Earth影像定量分析长江中下游的江心洲在三峡水库蓄水前后的面积变化并分析其影响机制;文献[20]结合4个时期的遥感影像对湘江中下游地区6个典型江心洲进行分析,发现1995年前后江心洲面积变化较大;文献[21]利用类似的方法对长江少数江心洲的动态进行研究。上述对江心洲的研究局限在特定的时间段和空间位置,目前对长江主干道江心洲总体演化动态的认识还比较缺乏。本文通过卫星遥感影像解译,对过去几十年来长江干流江心洲的整体动态过程进行重建,解析其演变规律,为长江的航道整治和岸线开发提供相关科学依据。

1 研究区概况与研究方法

长江流域位于东经90°33′～122°25′、北纬24°30′～35°45′之间,自西向东分别流经我国地势上的一、二、三级阶梯。该流域属于我国的亚热带季风气候区,多年平均降水量约为1 100 mm,但季节分配不均,其中70%～90%的降水和强降水集中在5—10月[22]。受地形的影响,长江干流江心洲主要集中在二、三级阶梯。

本文采用卫星遥感影像对长江干流江心洲的动态进行分析,所选用卫星遥感影像的分辨率为30 m,考虑到在该空间分辨率下当江心洲的面积小于1 km2时,卫星遥感影像测量误差相对较大,因此,选取长江干流面积大于1 km2的所有江心洲为研究对象。所选取的江心洲数量共计64个,空间范围从最西部的大中坝洲至入海口的长青沙洲,跨越四川、湖北、安徽、江苏、浙江等多个省份。为方便分析江心洲的空间变化规律,根据面积变化率的变化情况将64个江心洲划分为4段,分别为湖北省洪湖市到四川省宜宾市(洪宜段)、湖北省黄石市到洪湖市(黄洪段)、安徽省安庆市到湖北省黄石市(安黄段)和上海市到安徽省安庆市(沪安段)。

本研究使用的遥感影像由Landsat4/5和Landsat8的传感器采集,所获得的影像获取自美国地质调查局网站(http://glovis.usgs.gov),所下载的数据已经过相关校正,数据质量较高[23-25]。

为消除季节性降水对江心洲出露面积的影响,本文参考文献[14]的方法,仅使用6—9月间的江心洲数据影像(该时期正处于长江流域的降水期,水位变化总体相对稳定)。在获取遥感影像的基础上,本文选用广泛使用的ENVI5.0和ArcGIS10.0软件提取并计算各江心洲在不同时期的面积[26]。在获得面积数据时,同时对每个江心洲影像进行目视解译,以保证处理过程中的数据质量。

为了确定不同时期内江心洲的变化趋势,本文计算长江干流64个江心洲在7个时期内的相对面积变化率。7个时期分别为:1984—1990年(T1)、1991—1995年(T2)、1996—2000年(T3)、2001—2005年(T4)、2006—2010年(T5)、2011—2015年(T6)和2016—2019年(T7)。以T1时期的面积为参考,计算得到各时期面积变化率(μ),计算公式为:

(1)

其中:A为江心洲在某个时期内的平均出水面积;A0为1984—1990年间的面积。

2 结果与讨论

2.1 江心洲面积随时间的变化情况

利用上述方法,计算得到长江主干道64个江心洲在7个时期的面积变化记录。为从整体上把握64个江心洲的变化情况,将研究时期的起点(1984—1990年)和终点(2016—2019年)的江心洲总面积数据进行对比,结果如图1所示。64个江心洲的面积范围为0.54 km2(位于洪宜段的上中坝)到230 km2(位于沪安段的凤凰洲)。从图1可以看出,长江干流各段江心洲的数量和面积差异很大,沪安段和洪宜段江心洲数量最多,分别为24、21个。图1中绝大多数数据点偏离了Y=X线,这说明在过去35年中,江心洲的面积发生一定程度的变化,且不同的江心洲表现出不同的变化形式,部分江心洲的数据点位于Y=X线之上,说明在过去35年中其面积变大,而部分江心洲位于Y=X线之下(面积变小)。

图1 64个江心洲1984—1990年与2016—2019年面积散点图

长江各段江心洲面积自1984—2019年总面积的变化如图2所示。

图2 长江干流江心洲在7个时期的总面积及其变化率

由图2可知,1984年以来,长江干流64个江心洲的总面积在波动中逐渐增加。总面积由1984年的1 175.96 km2增加到2019年的1 248.84 km2,面积变化绝对值达72.88 km2。相对于T1时期,在T3～T7时期江心洲总面积分别增加3.4%、0.5%、4.6%、9.5%、6.2%,并在T6(2011—2015年)达到峰值。总体来看,在过去35年中,长江干流江心洲处于生长发育的过程。

2.2 不同位置江心洲的变化情况

对长江不同位置的江心洲进行统计分析,结果表明,沿江自西向东洪宜段、黄洪段、安黄段和沪安段4段呈现不同的变化规律。长江各段江心洲面积相对变化如图3所示,数量变化如图4所示。从图3可以看出,除在T2(1991—1995年)时期,沪安段的江心洲面积略有减小外,总体来看沪安段和黄洪段江心洲的面积在过去35年中是不断增加的。由图4可知,沪安段和黄洪段大于1 km2的江心洲数量分别为24、8个,其中变大的江心洲数量分别为20、7个(占比分别为83%、88%)。截至2019年,沪安段和黄洪段江心洲的面积分别增加77.73、12.95 km2,面积增长率分别达到23.05%、33.37%(图3a)。从数据上看,近海洋的沪安段在过去35年中江心洲面积持续增加,且增加幅度最为明显。

图3 长江各段江心洲面积相对变化

图4 T1～T7长江各段江心洲数量变化

由图3b可知,安黄段和洪宜段的江心洲面积在T7(2015—2019年)较T1(1984—1990年)的变化率为负值,总面积减小,总体看在过去35年中这2个河段的江心洲有所萎缩。由图4可知:安黄段江心洲数量为11个,变小9个(占比82%);洪宜段江心洲的变小比率为81%(共21个,变小17个)。尽管这2个河段在总体上都是变小的,但安黄段和洪宜段的江心洲变化规律也存在差别。从图3b可以看出:洪宜段在T6(2011—2015年)时期,其江心洲面积有所增加,但在T7(2016—2019年)又迅速减少;而安黄段江心洲面积则在“变小”“增大”间不断跳动,在T3(1996—2000年)和T6(2011—2015年),其面积增幅分别达到12.62%、20.09%,但在T2(1991—1995年)和T4(2001—2005年)分别下降12.41%、9.39%,变化过程似乎更“随机”。

比较来看,沪安段(靠海段)和黄洪段(近内陆段)的江心洲变化规律明显,安黄段和洪宜段的江心洲面积变化规律不突出,安黄段和洪宜段江心洲的稳定性也差于沪安段和黄洪段。

2.3 不同面积江心洲的变化情况

为了进一步分析江心洲的面积变化规律,按照面积大小将江心洲分为小型(1～10 km2)、中型(10～50 km2)和大型(大于50 km2)3类。利用(1)式,计算这3类不同面积大小的江心洲在7个时期的相对面积变化,结果如图5所示。3种类型的江心洲面积变化规律大体上呈现一致的趋势,具体表现为:

(1) 在T2(1991—1995年)时期,3种类型的江心洲面积均有所减小,缩减到过去35年的最小值。

(2) 1～10 km2(小型)和10～50 km2(中型)的江心洲在1984—2019年面积波动上升的趋势较为明显。从1996年以来(T3～T7),2种类型江心洲的面积在每个时期都较T1出现不同程度增加,且都在T6(2011—2015年)时期面积达到最大值,小型江心洲面积峰值为168.1 km2;相比T1时期,小型江心洲面积在T7(2016—2019年)增加到157.84 km2,增幅为6.7%;中型江心洲面积为495.1 km2,与T1时期相比,在T7(2016—2019年)面积增加48.2 km2(11.0%)。

(3) 与小型和中型江心洲相比,面积大于50 km2的大型江心洲在T3(1996—2000年)和T5～T7(2006年以来)的4个时期,其面积相较于T1时期分别增长0.88%、1.66%、4.78%、1.64%,同样也是在T6(2011—2015年)其面积达到最大值,但增加幅度不如小型和中型江心洲明显。

(4) 从江心洲的规模看,小型江心洲的面积变化最显著,大于50 km2的大型江心洲变化最不明显,即江心洲越小,其稳定性越差。

图5 不同面积江心洲的面积变化率对比

3 结 论

本文在结合长序列遥感影像数据提取并计算长江干流64个江心洲面积的基础上,重建并分析过去35年长江干流江心洲的面积变化情况,得到如下结论:

(1) 总体上,长江干流江心洲在1996—2019年间以扩张为主,绝大多数江心洲的面积变大,但是在每个时期内江心洲扩张速率存在一定的差异,整体上呈先下降后上升、最后又稍有下降的波动过程。

(2) 从长江干流江心洲空间变化看,沪安段和黄洪段为江心洲面积增长段,安黄段和洪宜段为面积减少段,江心洲面积变大数量最多的位置集中在沪安段,面积变小数量最多的位置集中在洪宜段。

(3) 从江心洲的大小看,3种类型的江心洲面积变化有相同的趋势。小型(1～10 km2)和中型(10～50 km2)江心洲的数量多，且在35年中面积变化率较大,而面积大于50 km2的江心洲数量最少，且面积变化率相对小。