长江安徽段江心洲侵蚀-堆积过程对长江三峡工程建设的响应特征分析

赵婷婷 胡春生 田景梅 何成邦 李伯祥

收稿日期：2022-10-19

基金项目：安徽省自然科学基金项目（2108085MD127）.

作者簡介：赵婷婷（1998—），女，山东潍坊市人，硕士研究生；通讯作者：胡春生（1978—），男，安徽无为市人，博士，副教授，主要研究方向为河流地貌、河流演化与第四纪环境.

引用格式：赵婷婷，胡春生，田景梅，等. 长江安徽段江心洲侵蚀-堆积过程对长江三峡工程建设的响应特征分析［J］.安徽师范大学学报（自然科学版），2023，46（5）：448-456.

DOI：10.14182/J.cnki.1001-2443.2023.05.006

摘要：近年来，长江干流修建众多水利工程，三峡水库作为世界上最大水利工程——三峡工程的一部分，其建设改变了长江中下游河段的天然水沙条件，影响了长江中下游江心洲的发育。基于2000、2003、2005、2007、2010、2013、2015、2017、2020年等9期TM/ETM/OLI遥感影像，借助改进归一化差异水体指数法（MNDWI）提取长江安徽段（下称皖江）江心洲形态演变的时空信息，得到江心洲面积变化量和变化率随时间的变化关系，进而分析皖江江心洲侵蚀-堆积过程对长江三峡工程建设的时间响应特征。研究发现：（1）三峡水库施工期蓄水后，皖江江心洲面积发生频繁波动变化，安庆段和铜陵段江心洲对皖江江心洲面积影响较大，贡献可达80%以上。（2）安庆、池州、铜陵、芜湖等4段因距离三峡水库较近受到的影响较大，江心洲最大面积变化率分别达到了-19.54%、-39.05%、-24.87%、-15.02%，而马鞍山段因距离三峡水库较远受到的影响较小，最大面积变化率仅为-7.33%。（3）皖江江心洲侵蚀-堆积过程对三峡工程建设存在三个响应时期，即2003—2007年的调整期、2007—2013年的平稳期和2013—2020年的平衡期。

关键词：江心洲面积；侵蚀-堆积过程；三峡工程；时间响应；长江安徽段

中图分类号：P 931.1文献标志码：A文章编号：1001-2443（2023）05-0448-09

长江作为我国第一大河流，流域全长约6300 km，其径流量与输沙量分别位居世界第4位与第5位［1］。近年来，长江干支流上修建了众多大型水利枢纽工程，这些工程在兴利除害、发展经济、改善流域生态环境等方面发挥了巨大作用［2-3］，同时也对长江流域河流水沙时空变化产生一定的影响［4-5］。其中，三峡水库作为世界上最大水利枢纽工程——长江三峡工程的一部分，在调蓄洪水、拦水拦沙的同时也改变了河流下游原来的水流状况和泥沙供应［5-6］，使大坝下游长江流域的河床地貌发生显著的变化［7-9］。

江心洲作为在河流侵蚀-堆积的动态过程中形成的地貌类型，是河床中最活跃的地貌单元［10］，吸引了大量学者对江心洲成因、发育、形态、演变等多方面开展研究［7-17］。例如，利用江心洲不同部位土壤颗粒岩相特征探究江心洲的成因和形态［10-12］、借助遥感影像数据获取江心洲时空信息研究其发育演变［7，11，13-15］、以及基于沉积学和水流动力学理论构建模型研究江心洲的沉积发育［8，16-18］等等。

长江下游河道属于江心洲型河段，存在众多江心洲，使河道断面呈现两股或多股的平面形态［19-20］。长江安徽段（下称皖江）作为长江下游起始河段，该河段内存在众多类型各异的江心洲。三峡水库建设以来，尤其是2003年三峡水库施工期蓄水后，皖江江心洲面积变化显著，侵蚀-堆积转化频繁，对区域工农业生产乃至沿岸居民生活产生了潜在的严重威胁［7］。因此，研究皖江江心洲侵蚀-堆积过程与三峡工程建设之间的关系，可以为皖江地区洪水防治、河道整治、港口建设等提供参考依据。

1 研究区概况

长江安徽段，简称皖江，属于长江下游河段，呈SW-NE流向，全长约400 km，流经安徽省6个地（市）11个县市［21］。皖江河段属于典型的分汊河型［10］，河段内江心洲众多，主要发育了22个江心洲（图1）。基于安徽省行政区划，皖江江心洲河段可划分为安庆段、池州段、铜陵段、芜湖段和马鞍山段等5段，分别发育了7个、2个、7个、3个、3个江心洲（表1）。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

遥感影像数据下载于美国地质勘探局网站（https：//earthexplorer.usgs.gov/），研究区跨越三个轨道。基于2003年三峡水库施工期蓄水的时间节点，本文加密下载2000年、2003年、2005年、2007年、2010年、2013年、2015年、2017年、2020年等9年冬季枯水期的9期27景TM/ETM/OLI遥感影像数据。数据跨越三个轨道，分辨率为30 m（表2）。数据下载时，为保证其质量与效果，若遇云量较大遮挡研究区，则选择下载冬季相邻日期云量少、区域清晰的影像。

2.2 研究方法

2.2.1 遥感影像预处理 皖江横跨Landsat卫星120/38、121/38、121/39等3个轨道，提取研究区江心洲时空信息前需要对下载的27景遥感影像进行预处理。由于Landsat 7遥感卫星传感器异常，其影像产品上分布大量的黑色条带，因此需先利用ENVI软件的landsat-gapfill插件进行去条带处理。

预处理过程中需要借助ENVI 5.3软件，对各景影像进行辐射定标、大气校正、几何精校正等流程。由于下载的单波段影像分辨率为30 m，影像处理效果不理想，因此后期通过图像融合方法将分辨率提高为15 m。随后将各年份的3景影像进行镶嵌、裁剪，最后将UTM投影转换成Lambert投影，完成影像预处理，获得皖江段江心洲的遥感影像。

2.2.2 江心洲面积提取 遥感影像水体提取的方法有很多，常用的水体提取方法有单波段阈值法、多波段谱间关系法、比值法以及水体指数法等［22-28］。结合前人的河流信息提取结果和皖江江心洲与水体等地物在遥感影像上对应的物理特性，发现改进的归一化差异水体指数法（MNDWI）提取效果较好（图2）。此方法利用裸地、建筑物等在近红外到中红外波段反射率增强，而水体反射率降低的特点［29］，不仅可以提取出大面积的水体信息，而且对面积较小的水体提取效果也较为理想［28］。因此本文选用MNDWI法提取研究区内江心洲信息。

预处理完成的图像利用ENVI Classic 5.3软件计算水体指数，得到改进的归一化差异水体指数影像，再利用二值化和目视解译等方法，获得边界清晰、细节完整的evf矢量水体数据，将evf转换成shp数据，最后利用Arc GIS 10.8软件的分析功能定量化得到皖江江心洲面积等时空信息。

3 皖江江心洲面积时间变化特征分析

3.1 面积变化量

作为河床微地貌的江心洲受流域水沙影响发生变化［3］。2003年三峡水库施工期蓄水后，水库下游河段冲刷距离变长且冲刷总量大，对江心洲的自然演变起到一定的干扰作用［30-31］。皖江段作为长江下游的起始河段，受三峡水库蓄水的影响，河段内江心洲冲刷蚀退明显，江心洲总面积随时间出现了较为频繁的增加—减少交替变化（图3，表3）。

如图3所示，在三峡水库未施工蓄水前（2000—2003年），皖江江心洲总面积呈现显著的增加趋势，而此后皖江江心洲总面积开始转为减少，出现波动变化，例如从2003年的524.19 km2减少为2005年的470.37 km2 （图3）。对皖江各段而言，2003年前安庆段、池州段和铜陵段增加趋势明显，2003年后安庆段和铜陵段面积波动较显著，它们与皖江江心洲面积的总变化趋势基本一致。

如表3和图4所示，自2003年三峡水库施工期蓄水到2007年，皖江江心洲面积出现较为显著的波动变化，例如在2003—2005年期间皖江江心洲面积变化量达-53.82 km2。对皖江各段而言，江心洲面积随时间也发生明显波动变化，例如在2003—2005年期间安庆段、铜陵段江心洲面积变化量为-35.60 km2、-10.82 km2，对皖江总面积变化量的贡献率分别达66.14%、20.09%。自2007—2013年，皖江江心洲面积变化量相较之前减小，年均面积变化量的最大数值从2003—2005年的17.94 km2减小为2010—2013年的13.82 km2。对皖江各段而言，铜陵段江心洲面积年均变化量的最大数值从2003—2005年的11.87 km2减小为2010—2013年的3.35 km2，值得注意的是，受三峡水库蓄水影响面积变化较大的河段继续向皖江下游移动，在2007—2010年铜陵段江心洲面积变化量对皖江江心洲面积变化量的贡献率高达88.93%。自2013—2020年，皖江江心洲面积呈现较为规律的减少—增加—减少的波动变化，江心洲面积处于减少—增加—减少的动态平衡阶段，面积变动幅度为±50 km2左右。对皖江各段而言，各段江心洲面积变化趋势与皖江江心洲面积变化趋势一致，其中安庆—池州—铜陵段江心洲面积变化量对皖江江心洲面积变化量的贡献率达80%以上。

皖江江心洲面积变化量的时间变化特征表明安庆段、池州段、铜陵段等3段（特别是安庆段和铜陵段）对皖江江心洲面积变化的贡献值较大，其余两段（芜湖段和马鞍山段）的贡献较小（图3）。

3.2 面积变化率

受三峡水库施工期蓄水影响，皖江江心洲面积呈现减少—增加交替变化趋势。对皖江各段而言，2003年后安庆段、池州段、铜陵段、芜湖段江心洲面积变化率较大，江心洲变化较为明显，而马鞍山段江心洲面积变化率较小，江心洲变化不明显。

如表4和图5所示，自2003—2007年，受三峡水库施工期蓄水的影响，皖江江心洲面积变化较为显著，例如在2003—2005年期间皖江江心洲面积为负增长，变化率达-11.44%。对皖江各段而言，安庆段和池州段江心洲面积变化率数值较大，最大变化率分别为-19.54%和-28.88%，安庆—池州段江心洲对三峡水库施工期蓄水的响应较迅速。自2007—2013年，皖江段江心洲面积变化率浮动较小，江心洲面积变化率最大值仅为10.89%。对皖江各段而言，铜陵段和芜湖段江心洲面积变化率较显著，最大变化率分别为-24.87%和10.34%，江心洲面积变化较为显著的河段继续往皖江下游移动。在2013—2020年期间，受2013年三峡水库正常蓄水175米的影响，皖江江心洲面积呈现有规律的波动变化，面积变化率在±10%左右。对皖江各段而言，江心洲面积变化率显著的河段主要集中在安庆段、池州段、铜陵段、芜湖段，最大数值分别为

-14.06%、-39.05%、-7.38%、-15.02%。

因此，皖江江心洲面积变化率的时间变化特征表明，距离三峡水库位置较近的安庆段、池州段、铜陵段、芜湖段等4段对三峡水库蓄水响应显著，而因距离三峡水库相对较远的马鞍山段受到的影响较小，响应不显著。

4 皖江江心洲侵蚀-堆积过程

三峡水库于2003年施工期蓄水，三峡水库下游河段的河流水沙组合状态发生变化，河流含沙量改变，进而影响河道江心洲的发育。在皖江江心洲发育过程中，河流泥沙的冲刷量与淤积量之间的差异是引起江心洲面积变化的本质［32］，而河流对泥沙的侵蚀与堆积会导致江心洲形态发生变化，反映在江心洲面积上则表现为江心洲面积的减少与增加。前述皖江江心洲面积时间变化特征的分析结果表明在三峡水库蓄水前后皖江江心洲的侵蚀-堆积过程发生了较为显著的变化（图6）。

2000—2003年，三峡水库未施工蓄水前，江心洲面積增加，表明皖江江心洲在此时间段内冲刷量小于淤积量，洲体接受上游泥沙堆积（图6a）。自2003 年三峡水库施工期蓄水后，2003—2005年皖江江心洲总面积减小，河流泥沙冲刷量与淤积量之间的关系发生变化，安庆—池州段江心洲距离三峡水库的位置较铜陵—芜湖—马鞍山段江心洲近，因此洲体的变化程度较大，江心洲面积减少较为显著，洲体处于侵蚀状态（图6b）。2005—2007年，皖江江心洲总面积增加，在池州—铜陵—芜湖段江心洲面积变化率增长的较多，说明河流自上游携带的泥沙在到达皖江段时，发生泥沙沉积，江心洲对三峡水库蓄水作出堆积响应（图6c）。因此，2003—2007年期间，由于三峡水库施工期蓄水的影响，皖江江心洲面积变化率波动很大，侵蚀过程和堆积过程频繁交替，表明此阶段皖江江心洲受到三峡大坝建设的影响最大，其侵蚀-堆积过程正处于调整时期。

2007—2010年，皖江江心洲面积变化率为负值，江心洲面积减小，且减小较为明显的河段为铜陵—芜湖段，反映泥沙在此段冲刷较为显著，江心洲遭遇侵蚀（图6d）。2010—2013年，江心洲面积增长，增长率较高的河段为铜陵—芜湖段，表明在该时期内，河流冲刷量小于淤积量，江心洲泥沙堆积，且主要堆积在铜陵—芜湖段，受三峡水库蓄水影响的河段继续向皖江下游移动（图6e）。因此，在2007—2013年期间，虽然皖江江心洲面积变化率仍存在一定的波动变化，但变化幅度已经大为减小相对来说变化不大，表明此阶段皖江江心洲受到三峡水库蓄水的影响开始变小，其侵蚀-堆积过程开始进入平稳期。

2013—2015年和2017—2020年，皖江江心洲总面积减少，其中，安庆—池州—铜陵—芜湖等4段面积减少率较明显，反映此时间段内河流冲刷量大于淤积量，江心洲遭遇侵蚀（图6f、6h）。2015—2017年，皖江江心洲总面积增加，安庆—池州—铜陵—芜湖等4段面积增加率较显著，反映此时间段内河流冲刷量小于淤积量，江心洲发生堆积，且泥沙主要堆积在安庆—池州—铜陵—芜湖等4段江心洲（图6g）。因此，在2013—2020年期间，皖江江心洲总面积呈现有规律的减少—增加—减少的浮动变化趋势，江心洲泥沙冲刷与淤积交替变化，表明此阶段皖江江心洲已经几乎不再受到三峡水库蓄水的影响，其侵蚀-堆积过程已经处于平衡期。

5 结论

基于TM/ETM/OLI遥感影像，通过改进的归一化差异水体指数法（MNDWI）获取皖江江心洲的时空信息，分析皖江江心洲面积时间变化量和变化率特征，探讨皖江江心洲侵蚀-堆积过程对三峡水库蓄水建设作出的响应。

（1）在2003年三峡水库施工期蓄水后，皖江江心洲面积发生了较为频繁的波动变化，其中安庆段、池州段、铜陵段等3段对皖江江心洲面积变化的贡献较大，贡献率可达到80%，芜湖段和马鞍山段的贡献较小。

（2）在2003—2020年期间，距离三峡水库位置较近的安庆段、池州段、铜陵段、芜湖段等4段面积变化率较大，对三峡水库蓄水产生了显著响应，而马鞍山段由于距离三峡水库相对较远，江心洲所受到的影响较小。

（3）受到2003年三峡水库施工期蓄水影响，皖江江心洲面积发生频繁波动，江心洲侵蚀-堆积过程存在三个时间响应时期，即：2003—2007年为调整时期，该时期受到三峡水库蓄水的影响最大；2007—2013年为平稳期，该时期受到三峡水库蓄水影响开始变小；2013—2020年为平衡期，该时期几乎不再受到三峡水库蓄水的影响。

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Response Characteristics of Erosion-Accumulation Process of River Islands

in the Anhui Section of the Yangtze River to the Construction of the Three Gorges Project

ZHAO Ting-ting1，2，HU Chun-sheng1，2，TIAN Jing-mei1，2，HE Cheng-bang1，2，LI Bo-xiang1，2

（1. School of Geography and Tourism， Anhui Normal University， Wuhu 241003， China; 2. Key Laboratory of Earth Surface Processes and Regional Response in the Yangtze-Huaihe River Basin， Anhui Province， Wuhu 241003， China）

Abstract： In recent years， many water conservancy projects have been built along the main stream of the Yangtze River. The construction of the Three Gorges Reservoir， as a part of the world's largest water conservancy project - the Three Gorges Project， has changed the natural water and sediment conditions in the lower Yangtze River， thus affecting the development of river islands in the middle and lower Yangtze River. Using TM/ETM/OLI remote sensing images in 2000， 2003， 2005， 2007， 2010， 2013， 2015， 2017 and 2020， the space-time information of the morphological evolution of river islands in the Anhui section of the Yangtze River （hereinafter referred to as the Wanjiang River） was extracted. This paper analyzes the characteristic on the response of erosion-accumulation process of river islands in the Wanjiang River to the construction of the Three Gorges Project. The results show that ：（1） After the impounding of the Three Gorges Reservoir during the construction period， the area of river islands in the Wanjiang River fluctuates frequently， and the area of river islands in Anqing section and Tongling section has a great influence on the area of river islands in the Wanjiang River， the contribution of which can reach over 80%. （2） The four sections of Anqing-Chizhou-Tongling-Wuhu are greatly affected because they are close to the Three Gorges Reservoir， and the maximum area change rate of river islands is up to -19.54%， -39.05%，

-24.87% and -15.02% respectively， while the Maanshan section is far away from the Three Gorges Reservoir and therefore is less affected， the maximum area change rate of which is only -7.33%. （3） The erosion-accumulation process of river islands in the Wanjiang River has three response periods to the construction of the Three Gorges Project， namely， the adjustment period from 2003 to 2007， the stationary period from 2007 to 2013， and the equilibrium period from 2013 to 2020.

Key words： area of river islands; erosion-accumulation process; the Three Gorges Project; time response; Anhui section of the Yangtze River

（责任编辑：巩 劼）