栗云召,于君寶韓廣軒王永麗,張志東

(1.中國(guó)科學(xué)院 煙臺(tái)海岸帶研究所,濱海濕地生態(tài)實(shí)驗(yàn)室,山東省海岸帶環(huán)境過程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 山東 煙臺(tái)264003;2.中國(guó)科學(xué)院 研究生院 北京 100049)

海岸帶是響應(yīng)全球氣候變化最迅速、生態(tài)環(huán)境最敏感、最脆弱的地帶[1],在全球氣候變化的背景下,國(guó)際地圈生物圈計(jì)劃(IGBP)將海岸帶陸海相互作用(LOICZ)作為其核心計(jì)劃之一,其研究的重心就是居于界面位置的海岸帶[2]。位于河海交接區(qū)域的河口三角洲,是海岸帶重要而特殊的組成部分,同時(shí)受到河流和海洋動(dòng)力的雙重作用,對(duì)陸海相互作用的響應(yīng)更為顯著,其直觀表現(xiàn)就是岸線的形狀與長(zhǎng)度變化和區(qū)域面積變化。

對(duì)海岸線的提取可以通過現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)技術(shù)進(jìn)行,但現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)方法必須做大量的野外工作,耗時(shí)費(fèi)力,工作周期長(zhǎng),不利于大面積探測(cè)和應(yīng)用推廣[3]。相比而言,遙感技術(shù)感測(cè)范圍廣、更新時(shí)間短,具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)獲取能力,能夠直觀地反應(yīng)海岸線的岸相特征,適于海岸線的提取。隨著遙感技術(shù)在水陸岸線提取方面的理論的成熟,利用遙感技術(shù)檢測(cè)岸線變化在國(guó)內(nèi)外得到了廣泛應(yīng)用[3-9]。

黃河是世界上入海泥沙通量最高的河流[4],入?？谒疁\坡緩,易于淤積,近百余年來,黃河尾閭擺動(dòng)比較頻繁[5-6],使得黃河三角洲的陸海變遷比較顯著,海岸形態(tài)變化劇烈。而黃河三角洲是我國(guó)重要的油氣產(chǎn)區(qū),同時(shí)是我國(guó)三大河口三角洲濕地之一[7],為東北亞內(nèi)陸和環(huán)太平洋鳥類的遷徙提供了重要的停歇地和越冬地[8]。 及時(shí)、準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)黃河三角洲的岸線變化及演變趨勢(shì),對(duì)合理地開發(fā)利用該區(qū)域的資源和管理保護(hù)其生態(tài)環(huán)境具有重要的指導(dǎo)意義。何慶成[9]、董方[10]、薛允傳[11]等分別采用遙感和GIS相結(jié)合的方法對(duì)黃河三角洲1976年改道清水溝流路以來的岸線及淤蝕變化情況作了研究;常軍[12]、崔步禮[13]等則在通過遙感檢測(cè)黃河三角洲岸線變化的基礎(chǔ)上,從黃河的來水來沙量等水文狀況變化方面對(duì)黃河三角洲岸線變遷作了分析,并得出了保證黃河三角洲沖淤平衡的水沙量,預(yù)測(cè)了黃河隨未來來水來沙量的不同而可能發(fā)生的淤蝕情況,這些研究為黃河三角洲的岸線變化及淤蝕變化等方面的研究提供了參考。

本文在前人研究的基礎(chǔ)上,根據(jù)黃河三角洲淤蝕變化的集中區(qū)域,著重從三角洲的三個(gè)亞區(qū)域的岸線變遷、面積及淤蝕變化方面出發(fā),分析三角洲1989年到2009年的岸線演變情況、面積變化及淤蝕劇烈程度,從而為該區(qū)域的相關(guān)研究和管理提供參考和依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況

黃河三角洲包括古代、近代和現(xiàn)代三角洲,本文的研究區(qū)域以墾利縣漁洼村為頂點(diǎn),北到挑河口,南到永豐河口,東到海岸,主要部分為現(xiàn)代黃河三角洲。在此研究區(qū)內(nèi),依據(jù)黃河現(xiàn)在和過去入海的流路[14],分別以東港高速、黃河北岸溝渠大堤為界將研究區(qū)分為刁口河流路區(qū)、神仙溝流路區(qū)和清水溝流路區(qū)三個(gè)亞區(qū)域(圖1)。研究區(qū)域主要是三角洲沖積平原,地勢(shì)平坦,海拔多在 10 m 以下,年均氣溫12.8℃,年均降水 550～600 mm,降水量季節(jié)變化和年際變化大[5]。海岸區(qū)域主要是泥質(zhì)粉砂質(zhì)海岸和人工海堤,其中清水溝流路區(qū)主要是泥質(zhì)粉砂質(zhì)海岸,神仙溝流路區(qū)主要是人工海堤,刁口河流路區(qū)主要為人工海岸和泥質(zhì)粉砂質(zhì)海岸。

圖1 研究區(qū)域Fig.1 Location of the study area

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備及預(yù)處理

本文以Landsat TM/ETM+ 數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源,具體采用的數(shù)據(jù)見表1。將所有影像以東營(yíng)市1 :50000地形圖為基準(zhǔn)進(jìn)行幾何精校正,像元誤差保證在 1個(gè)像元內(nèi);然后在ENVI軟件里創(chuàng)建研究區(qū)掩模,提取研究區(qū)(包括海域部分)。

2.2 海岸線的確定

海岸線包括大陸海岸線和島嶼海岸線[6],目前對(duì)海岸線具體位置的確定基于研究目的不同而存在一定的差異,關(guān)于岸線的認(rèn)定有以下5種觀點(diǎn):(1)低潮線;(2)沿海岸灘與平均海平面的交線;(3)平均高潮線;(4)多年大潮高潮線或痕跡線;(5)最大風(fēng)暴潮所能達(dá)到的位置[15-16]。近些年來,海平面上升成為許多研究的焦點(diǎn),海平面上升會(huì)影響海岸線的確定,但是在較短的時(shí)間尺度內(nèi),由海平面上升造成的確定海岸線的誤差可以忽略不計(jì),此外,水陸邊界線受潮汐的影響也很大。對(duì)于水陸邊界線的確定,經(jīng)過分析比較,黃河水利委員會(huì)勘察設(shè)計(jì)院認(rèn)為同月同潮位法較為理想,但滿足此條件的遙感影像不多。為此,本文采用研究區(qū)海洋潮流發(fā)生一般高潮時(shí),取海水所淹沒的平均界線(平均高潮線)方法來提取岸線。研究表明,平均高潮線與同月潮位法相比,兩種方法的分析結(jié)果相近,能滿足宏觀分析所需的精度[15],而平均高潮線可以通過光譜分類的方法來確定,在短期內(nèi),平均高潮線受潮汐和海平面的影響相對(duì)較小,可以忽略。平均高潮線介于高潮灘與中潮灘之間,由于潮灘組分的差異及暴露于水上時(shí)間長(zhǎng)度不同,高潮灘與低潮灘的含水量不同,在光譜中表現(xiàn)出不同特征,此外,高、低潮灘上植被的長(zhǎng)勢(shì)及地貌的不同都成為識(shí)別平均高潮線的解譯標(biāo)志[12]。本文在岸線提取時(shí),遵循以下原則:(1)提取的岸線主要是大陸岸線,不包括小島及與大陸分離的灘涂;(2)將明顯突出海岸伸向海中的人工堤壩岸線截取掉,取與岸線相平;(3)潮溝和河口取與溝口和河口岸線相平。

2.3 岸線提取方法

在岸線提取過程中,本文參考樊彥國(guó)[17]等人對(duì)黃河三角洲海岸線提取方法的論述,采用光譜分類的方法,利用計(jì)算機(jī)自動(dòng)提取,結(jié)合人工修正,以平均高潮線為岸線,對(duì)黃河三角洲的岸線進(jìn)行提取。

岸線提取分三個(gè)階段。第一階段,首先對(duì)研究區(qū)遙感影像進(jìn)行纓帽變換,然后取纓帽變換的亮度分量、綠度分量和濕度分量進(jìn)行圖像組合,對(duì)重新組合后的圖像實(shí)施邊緣增強(qiáng),然后進(jìn)行非監(jiān)督分類,分類取20～25類;第二階段,對(duì)分類結(jié)果進(jìn)行分類后合并,最終合并為兩類,生成二值圖,然后將生成的二值圖轉(zhuǎn)化為矢量數(shù)據(jù);第三階段,在 ARCGIS軟件里將生成的矢量圖進(jìn)行處理,提取岸線,得到研究區(qū)域的面積和岸線長(zhǎng)度數(shù)據(jù),然后采用空間分析工具對(duì)黃河三角洲的面積變化進(jìn)行提取,得到黃河三角洲兩年份之間的重合區(qū)域面積、淤積區(qū)域面積和蝕退面積等數(shù)據(jù),并以年均淤蝕面積和的值表示該區(qū)域的蝕退強(qiáng)度,年均淤蝕面積占重合面積的百分比來表示該區(qū)域的相對(duì)淤蝕強(qiáng)度。

表1 遙感影像數(shù)據(jù)信息Tab.1 Information of remote sensing images

3 結(jié)果與討論

3.1 黃河三角洲岸線長(zhǎng)度及形狀變化

黃河三角洲海岸線形狀變化:如圖2所示,刁口河流路區(qū)和清水溝流路區(qū)的海岸線形狀變化比較明顯,具體表現(xiàn)為:隨時(shí)間推移,刁口河流路區(qū)的岸線整體向內(nèi)陸方向收縮,岸線曲折性變大。由于沒有穩(wěn)定的水沙補(bǔ)給,刁口河流路區(qū)的海岸線從1976年黃河改道以來整體一直處于蝕退狀態(tài)。刁口河入海口區(qū)域的飛雁灘油田區(qū),由于有公路和堤壩等人工設(shè)施防護(hù),蝕退相對(duì)較小,其余區(qū)域,尤其是一千二管理站北部的灘涂,蝕退較大。至 2009年,一千二管理站以北灘涂在圖上呈現(xiàn)明顯的“凹”形形態(tài)。清水溝流路區(qū)岸線由 1989年開始,先向東南部淤積,形成一個(gè)沙嘴;2000年以后該沙嘴逐步向后蝕退,同時(shí)現(xiàn)行河口區(qū)又形成一個(gè)新的沙嘴,岸線曲折性開始變大;新沙嘴先向東擴(kuò)展,2006年后又改向東北部擴(kuò)展。這些變化主要是由黃河尾閭擺動(dòng)引起的。1976年以后,黃河取清水溝河道入海,雖然沒有發(fā)生大的改道,但小的尾閭擺動(dòng)一直存在。1996年7月,黃河由清 8斷面經(jīng)人工改道轉(zhuǎn)向東北方向入海[14],使得 1976年以來沖積形成的大沙嘴得不到泥沙補(bǔ)充,逐年消退;同時(shí),在大沙嘴的東北方向,黃河泥沙淤積而形成了現(xiàn)在的小沙嘴。黃河于 2007年8月在河門處改行北汊道生成了現(xiàn)行河道,因此,從圖2上看小沙嘴在2006年到2009年整體是向東北發(fā)育,同時(shí)東部的淤積部分迅速地蝕退。神仙溝流路區(qū)的岸線除神仙溝的入?？谔幵?989年到2000年有較明顯蝕退外,其余區(qū)域變化不明顯。這主要是由于20世紀(jì) 80年代以來,人工堤壩的修建減小了海浪侵蝕,同時(shí)陸上也沒有大的水沙輸入,使這段岸線變化不大。

圖2 現(xiàn)代黃河三角洲岸線變化過程Fig.2 Coastline migrations of the Yellow River Delta

海岸線的長(zhǎng)度變化方面:取Lmax為 1989年至2009年20 a間各區(qū)域岸線最大值,Lmin為1989年至2009年間各區(qū)域岸線最小值,K為L(zhǎng)max與相應(yīng)的Lmin的差值。黃河三角洲各年份面積、岸線長(zhǎng)度詳見表2,1989年至 2009年間,刁口河流路區(qū)的K值為31.57 km;清水溝流路區(qū),K值為60.24 km;神仙溝流路區(qū),K值為7.7 km。表明清水溝流路區(qū)在1989年到2009年岸線長(zhǎng)度變化最大,其次為刁口河流路區(qū),神仙溝流路區(qū)岸線長(zhǎng)度變化最小,其長(zhǎng)度變化僅相當(dāng)于清水溝流路區(qū)長(zhǎng)度變化的12.78%。岸線長(zhǎng)度變化最大的是現(xiàn)行黃河河道區(qū),長(zhǎng)度變化最小的是人工堤岸段,這說明黃河造陸和人為干擾對(duì)岸線長(zhǎng)度變化的影響是兩個(gè)重要方面。

表2 黃河三角洲各年份面積、岸線長(zhǎng)度Tab.2 Areas and coastline lengths of the Yellow River Delta

3.2 黃河三角洲面積及淤蝕變化

在刁口河流路區(qū),面積變化除1989年至1992年和2004年至2006年段為正值外,其他年份均為負(fù)值,1989年至2009年間年面積平均變化值為-3.02 km2,其面積共減少了61.36 km2(表3)。從淤蝕變化方面來說,刁口河流路區(qū)在1992年至2004年和2006年至2009年期間,蝕退區(qū)域面積比較大,淤積區(qū)域面積比較小;1989年到1992年和2004年至2006年淤積區(qū)域面積比較大,蝕退區(qū)域面積比較小(表4)。淤蝕面積速度在1989年至1992年和2006年至2009年期間相對(duì)較大,說明1989年至2009年間該區(qū)域的淤蝕變化劇烈程度是“劇烈-平緩-劇烈”,從年均淤蝕面積占重合面積的比重來看,該比例值亦經(jīng)歷了由大到小再到大的過程,說明該區(qū)淤蝕強(qiáng)度和相對(duì)淤蝕強(qiáng)度的變化是一致的。在清水溝流路區(qū),面積變化速度在2006年至2009年間為負(fù)值,其余年份均為正值,且在2004年至2006年間面積增長(zhǎng)速度最為明顯,達(dá)到了16.11 km2/a,1989年至2009年間面積年平均變化值為8.69 km2,1989年至2009年,其面積共增加了176.67 km2(表3)。清水溝流路區(qū)的淤蝕變化相對(duì)劇烈,統(tǒng)計(jì)年間發(fā)生蝕退和淤積的區(qū)域面積都比較大,其中2006年至2009年間發(fā)生蝕退的區(qū)域面積達(dá)到了46.24 km2,同時(shí)發(fā)生淤積的區(qū)域面積為23.07 km2(表4)。從淤蝕速度來看,清水溝流路區(qū)的淤蝕強(qiáng)度自1992年以來,就一直在增強(qiáng),2004年以后強(qiáng)度增加更是明顯,2006年到2009年間,清水溝流路區(qū)的年均淤蝕速度達(dá)到了25.96 km2/a(表4);而年均淤蝕面積占重合面積的比例,從總體上來看,經(jīng)歷了“小-大”的過程。在神仙溝流路區(qū),除2004年至2006年間面積變化為正,其余年份均為負(fù)值,但變化值比較小,1989年至 2009年間,其面積變化平均值為-0.38 km2/a,20 a間共減少了7.72 km2(表3)。神仙溝流路區(qū)發(fā)生淤蝕的區(qū)域面積、淤蝕速度和淤蝕面積占重合面積的比例都相對(duì)較小,說明該區(qū)岸線比較穩(wěn)定(表4)。從黃河三角洲整體上來看,1989年至2009年間,其面積總共增加了107.58 km2,面積平均增長(zhǎng)率為5.29 km2/a(表3)。從其淤蝕情況來看,2004年至2006年間,其蝕退面積最小;1992年至 2000年間,淤積面積最大。但從淤蝕強(qiáng)度來看,2006年至2009年的淤蝕強(qiáng)度最強(qiáng),2000年至2004年淤蝕強(qiáng)度最弱。從1989年至2009年,黃河三角洲的淤蝕強(qiáng)度總體上經(jīng)歷了“緩和-劇烈”的過程。相對(duì)淤蝕強(qiáng)度(淤蝕面積占重合面積的比例)則經(jīng)歷了“劇烈-緩和-劇烈”的過程(表4)。淤蝕強(qiáng)度與相對(duì)淤蝕強(qiáng)度并不重合,1989年至2009年,黃河三角洲發(fā)生淤蝕變化的區(qū)域的面積增加了,但是發(fā)生淤蝕變化的區(qū)域與未發(fā)生淤蝕變化的區(qū)域的比重由大到小,再到更大,說明發(fā)生淤蝕變化的區(qū)域所涉及的空間范圍相對(duì)擴(kuò)大了。各年份的淤蝕空間變化情況見圖3。

進(jìn)一步分析表明:黃河三角洲的面積變化主要是由刁口河流路區(qū)和清水溝流路區(qū)決定的(圖2),這些區(qū)域的大部分岸線是泥質(zhì)粉砂質(zhì)海岸,可塑性較容易,淤蝕變化較強(qiáng)。刁口河流路區(qū)的淤蝕強(qiáng)度經(jīng)歷了“劇烈-緩和-劇烈”的過程,其中2000年至2004年期間淤蝕強(qiáng)度最為緩和;清水溝流路區(qū)的淤蝕強(qiáng)度則一直處于增強(qiáng)過程,2004年到2009年,其淤蝕強(qiáng)度穩(wěn)定的維持在一個(gè)較高水平(表4),相關(guān)研究的結(jié)果表明,引起這些變化的主要因素有黃河的水沙量變化、降水變化和人為引水量變化等。20世紀(jì)80年代中后期以來,特別是1996年到2002年間,黃河三角洲的來水來沙量明顯低于黃河多年來的平均值[18-20],且多年存在斷流問題加劇,斷流天數(shù)增長(zhǎng),斷流河道增長(zhǎng)。與此同時(shí),黃河的人為引水量一直處于上升趨勢(shì)中[19-20]。2002年黃河實(shí)施調(diào)水調(diào)沙之后,黃河的入海水沙量都有了一定的提高。同時(shí)2000年以后,黃河下游的降雨量也高于往年的平均值[21],黃河水資源公報(bào)顯示:黃河下游2003年至2008年該區(qū)域降水平均值達(dá)到729.4 mm,高出該區(qū)域多年平均降水量約100 mm,這對(duì)黃河三角洲的發(fā)育比較有利。經(jīng)相關(guān)性分析,清水溝流路區(qū)年均淤蝕面積和的值與現(xiàn)代黃河三角洲該值的變化有很強(qiáng)的相關(guān)性,兩者相關(guān)性達(dá)到 0.962(P<0.01,雙維檢驗(yàn));神仙溝流路區(qū)則岸線變化很小,面積變化不明顯,對(duì)黃河三角洲淤蝕變化影響很小;刁口河流路區(qū)的淤蝕強(qiáng)度變化較明顯,但其值亦達(dá)不到清水溝流路區(qū)該值的 1/3,不能夠成為影響黃河三角洲淤蝕強(qiáng)度變化的主要區(qū)域。上述分析表明:清水溝流路區(qū)的淤蝕變化狀況與黃河三角洲之間有顯著的關(guān)系,清水溝流路區(qū)的淤蝕變化直接影響著黃河三角洲的淤蝕變化。

表3 黃河三角洲面積變化情況Tab.3 Area variations of the Yellow River Delta

表4 現(xiàn)代黃河三角洲整體淤蝕情況Tab.4 Variations of the erosion and accumulation in the Yellow River Delta

圖3 黃河三角洲不同年份淤蝕變化Fig.3 Variations of the Yellow River Delta in different years

4 結(jié)論

黃河三角洲的岸線在 1989年至 2009年間發(fā)生了比較大的變化,變化主要發(fā)生在北部的刁口河流路區(qū)和南部清水溝流路區(qū)。北部岸線無海堤防護(hù)的區(qū)域整體向內(nèi)陸收縮,南部及東部入海口區(qū)域整體上處于擴(kuò)張狀態(tài),但2006年至2009年,清水溝流路區(qū)南部岸線亦呈蝕退狀況,神仙溝流路區(qū)因主要是人工堤壩,岸線變化不明顯。從面積變化上來看,黃河三角洲整體上處于增長(zhǎng)趨勢(shì),但2006年至2009年,黃河三角洲面積減少了。從區(qū)域上來說,黃河三角洲的淤蝕強(qiáng)度與清水溝流路區(qū)有著密切的關(guān)系,清水溝流路區(qū)的淤蝕變化顯著的影響著整個(gè)黃河三角洲的淤蝕變化。從淤蝕變化強(qiáng)度來看,黃河三角洲的淤蝕強(qiáng)度在1989年至2009年間的經(jīng)歷了“和緩-劇烈”的演變過程;2004年以來,黃河三角洲的淤蝕強(qiáng)度穩(wěn)定在較高的水平,每年發(fā)生淤積、蝕退的區(qū)域的面積的值明顯高于2004年以前,這種高強(qiáng)度的淤蝕變化帶來的是區(qū)域生態(tài)環(huán)境的不穩(wěn)定變化,長(zhǎng)期發(fā)展下去有可能影響整個(gè)區(qū)域的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)發(fā)展,應(yīng)引起政府及人們的關(guān)注。

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