吳 闖 張曉東 許淑梅 胡日軍 姜?jiǎng)佥x 楊作升

1 海底科學(xué)與探測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)海洋大學(xué)，山東青島 2661002 中國(guó)海洋大學(xué)海洋地球科學(xué)學(xué)院，山東青島 266100

1 概述

海灘是陸地和海洋之間的過(guò)渡地帶，具有重要的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)價(jià)值(李廣雪等，2013；Ranasinghe，2016；Vousdoukasetal.， 2020)。海灘不斷調(diào)整其位置和形態(tài)以適應(yīng)變化的天氣、氣候、海洋動(dòng)力、海平面、陸源輸入、地殼升降和人類活動(dòng)等(Bruun，1988；陳子燊，2000；蔡鋒等，2005；Jackson and Nordstrom，2020)。近幾十年來(lái)，在相對(duì)海平面持續(xù)快速上升以及河流入海泥沙銳減背景下，全球海灘普遍發(fā)生侵蝕(Luijendijketal.， 2018；Vousdoukasetal.， 2020)；在中國(guó)，高強(qiáng)度的沿海開(kāi)發(fā)導(dǎo)致海灘侵蝕問(wèn)題更加突出(蔡鋒等，2008；陳子燊等，2010；侯西勇等，2016；Zhangetal.， 2021)。

全面準(zhǔn)確評(píng)估海灘的時(shí)空演變，是海灘侵蝕防護(hù)的前提。海灘實(shí)地測(cè)量數(shù)據(jù)可涵蓋整個(gè)海灘，數(shù)據(jù)精度也高，是研究海灘時(shí)空演變的基本手段；但實(shí)測(cè)海灘費(fèi)時(shí)費(fèi)力，長(zhǎng)期、連續(xù)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)僅局限在為數(shù)不多的幾個(gè)海灘(Turneretal.， 2016；黃祖明等，2021)。衛(wèi)星圖像時(shí)空范圍廣且有大量免費(fèi)資源。使用衛(wèi)星圖像評(píng)估海灘的時(shí)空演變，對(duì)于缺乏長(zhǎng)期連續(xù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的海灘的侵蝕防護(hù)具有重要意義(Zhangetal.， 2021)。

已有基于衛(wèi)星圖像的研究普遍選用幾幅至幾十幅衛(wèi)星圖像，先在圖像上識(shí)別海灘岸線，然后使用DSAS軟件(Thieleretal.， 2009)或其他軟件獲取海灘岸線在研究剖面上的位置變化，岸線提取過(guò)程相對(duì)繁瑣以致于采用的衛(wèi)星圖像數(shù)量有限。使用衛(wèi)星圖像研究海灘演變，研究結(jié)果的精度除受制于衛(wèi)星圖像的分辨率外，還受海灘剖面形態(tài)和歷史水位等諸多因素的制約，使用數(shù)量有限的衛(wèi)星圖像研究寬度和變化速率均相對(duì)較小的海灘的時(shí)空演變?cè)跍?zhǔn)確性方面存在不足(Pardo-Pascualetal.， 2012；Zhangetal.， 2021)。

Zhang 等(2018，2019，2020)和張曉東等(2021)采用聚焦剖面方法直接提取海岸線在研究剖面上的位置，并開(kāi)發(fā)了聚焦剖面的計(jì)算機(jī)輔助海岸線位置識(shí)別軟件(CASPRS)。聚焦剖面避免了在衛(wèi)星圖像上解譯和校正所有海岸線，有利于對(duì)大量衛(wèi)星圖像的處理；計(jì)算機(jī)輔助識(shí)別極大地放寬了衛(wèi)星圖像的篩選標(biāo)準(zhǔn)并確保了識(shí)別結(jié)果的正確性，研究結(jié)果的時(shí)間分辨率、精度和可靠性大幅提高(張曉東等，2021)。Zhang等(2021)進(jìn)一步使用亞像素海岸線識(shí)別技術(shù)(Pardo-Pascualetal.， 2012，2018；Vosetal.， 2019)改進(jìn)了CASPRS軟件，并基于880幅Landsat圖像綜合使用多種海灘岸線指標(biāo)研究了海陽(yáng)海灘的時(shí)空演變，研究結(jié)果揭示了河流輸沙減少、岸上工程和離岸工程等對(duì)海灘演變的影響和機(jī)制。

本研究綜合使用692幅Landsat和188幅Sentinel圖像，共880幅衛(wèi)星圖像，研究青島靈山灣南部海灘(簡(jiǎn)稱“靈南海灘”)在1984—2021年的演變，基于海灘實(shí)測(cè)結(jié)果評(píng)估利用衛(wèi)星圖像得出的海灘岸線的誤差，目的在于深化和推進(jìn)聚焦剖面、使用海量衛(wèi)星圖像評(píng)估海灘時(shí)空演變的研究，認(rèn)識(shí)靈南海灘對(duì)自然變化和人類活動(dòng)的響應(yīng)。

2 研究區(qū)概況

靈山灣位于山東半島東南沿岸、青島市黃島區(qū)境內(nèi)。靈山灣沿岸發(fā)育多級(jí)地貌，高程50m以上為低山丘陵，隨高程降低依次發(fā)育剝蝕面、基座階地、沖積—洪積平原、海積平原、潮間淺灘和浪蝕平臺(tái)(崔承琦和李家豐，1987)。研究海灘位于靈山灣南部。靈南海灘長(zhǎng)約10km，向陸微凹，兩側(cè)有岬角保護(hù)(圖1)。灘面沉積物為細(xì)砂和中砂(平均粒徑1.2～2.6Φ)，分選好至較好(分選系數(shù)0.38～0.83)(徐方建等，2014)，是青島市質(zhì)量較好的海灘(王永紅等，2017)。根據(jù)海灘地貌特征，崔承琦和李家豐(1987)認(rèn)為靈南海灘的泥沙存在向南和向北2個(gè)輸運(yùn)方向，優(yōu)勢(shì)方向?yàn)樽员毕蚰?。徐方建?2014)和趙永芳等(2016)基于海灘沉積物粒度的研究結(jié)果佐證了上述觀點(diǎn)。

底圖描繪自2021/3/12的Sentinel圖像，潮位相對(duì)于平均海平面為-2.03m，朝陽(yáng)山嘴的形態(tài)描繪自早期的Landsat圖像圖 1 山東青島靈南海灘及研究剖面位置Fig.1 Location of Lingnan Beach in Qingdao and study transects in Shandong Province

風(fēng)河又名王戈莊河，是本區(qū)最大的入海河流，長(zhǎng)35km，流域面積303km2，1976—1982年的年均輸沙量為9×104t；本區(qū)其他河流還有兩河、大盧河(又名隱珠河)和青草河等(崔承琦和李家豐，1987)。在早期(1980s前)，大量河流入海泥沙的沿岸輸運(yùn)導(dǎo)致靈南海灘向海淤進(jìn)，淤進(jìn)速率可達(dá)10～15m/a以上(崔承琦和李家豐，1987)。但近幾十年來(lái)，由于大量水壩的建設(shè)，山東半島河流入海泥沙幾近斷絕，加之海灘采沙和相對(duì)海平面上升的影響，山東半島濱海沙灘普遍侵蝕(莊振業(yè)等，1989)。由于建壩，包括修建于1957—1967年的鐵山大壩以及后期陸續(xù)在河道上修建的眾多攔河壩，本區(qū)最大河流——風(fēng)河近年來(lái)的入海泥沙量基本為零，風(fēng)河河口段反而因?yàn)楹Ｏ鄟?lái)沙發(fā)生淤積(匡翠萍等，2019)。楊鳴等(2005)的研究結(jié)果表明，靈南海灘在2000年前后的平均侵蝕速率約為7m/a。

本區(qū)潮汐屬正規(guī)半日潮，平均高、低潮位分別為1.38、-1.40m。近岸潮流為順岸往復(fù)流，漲潮流向SW、落潮流向NE。本區(qū)常浪向?yàn)镾向，頻率為48%；強(qiáng)浪向?yàn)镾E向，最大波高7.6m。9216號(hào)臺(tái)風(fēng)(Polly)導(dǎo)致青島沿岸在1992/8/31—9/1日出現(xiàn)風(fēng)暴潮，致使膠南(靈南海灘當(dāng)時(shí)屬膠南)部分岸線后退12～14m(王文海等，1994；張曉慧等，2006)。

靈南海灘北鄰1984年成立的國(guó)家級(jí)青島經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)。在2014年，經(jīng)國(guó)務(wù)院批復(fù)，青島經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)的范圍擴(kuò)大至黃島區(qū)全境，靈南海灘目前在開(kāi)發(fā)區(qū)境內(nèi)。近10年來(lái)，靈南海灘周邊發(fā)展迅速。城市陽(yáng)臺(tái)和海軍公園建于2012年，海灘北側(cè)和南側(cè)的堤壩分別建于2013和2016年，海灘北側(cè)岬角——朝陽(yáng)山嘴周邊海域在2014年被圈圍，海灘北側(cè)的大型離岸人工島——星光島建于2014年。

3 研究資料與方法

3.1 衛(wèi)星圖像來(lái)源和預(yù)處理

本研究使用谷歌地球引擎(GoogleEarthEngine，https: //earthengine.google.com/)云平臺(tái)下載靈南海灘1984—2021年云量小于80%的所有Landsat和Sentinel圖像。人工刪除50%海灘岸線不可見(jiàn)的圖像，剩余880幅圖像(圖 2)。Landsat和Sentinel圖像的分辨率分別為30m和10m。為方便后續(xù)處理，Landsat圖像的分辨率采用雙三次插值方法提升至10m。衛(wèi)星圖像利用近紅外、紅和綠波段合成，合成圖像根據(jù)每個(gè)波段數(shù)值的頻率分布進(jìn)行了增強(qiáng)。在合成圖像上，植被為紅色，濕沙灘為褐色，水體為藍(lán)色，干沙灘、浪花和云為灰白色(圖 3)。

A—衛(wèi)星圖像的時(shí)間和類型；B—衛(wèi)星圖像每年的數(shù)量圖 2 山東青島靈南海灘1984—2021年的Landsat和Sentinel圖像信息Fig.2 Information of the Landsat and Sentinel images of Ling-nan Beach in Qingdao of Shandong Province from 1984 to 2021

A—2021/3/26日的Landsat圖像；B—2021/3/22日的Sentinel圖像圖 3 計(jì)算機(jī)輔助海岸線位置識(shí)別軟件(CASPRS)界面以及干濕線和水邊線在山東青島靈南海灘剖面上的位置Fig.3 Operation interface of computer-aided shoreline position recognition software(CASPRS)and positions of dry/wet line and waterline on study transect in Lingnan Beach in Qingdao of Shandong Province

3.2 水邊線和干濕線位置的提取

水邊線是海灘和海水之間的瞬時(shí)分界線，干濕線則是上次高潮時(shí)海水在海灘上留下的痕跡線(Boak and Turner，2006；Pagnetal.， 2016；Zhangetal.， 2021)。本研究設(shè)置6條剖面T1～T6(圖 1)并使用CASPRS軟件提取水邊線和干濕線在剖面上的位置(圖 3)。CASPRS軟件以亞像素的分辨率通過(guò)自動(dòng)和交互2種方式識(shí)別海灘岸線在研究剖面上的位置，自動(dòng)識(shí)別的分辨率為1m，交互識(shí)別的分辨率取決于圖像的放大倍數(shù)。CASPRS軟件可對(duì)圖像進(jìn)行1～30倍的縮放，在放大倍數(shù)為10時(shí)，交互識(shí)別的分辨率為1m。先用該軟件自動(dòng)提取水邊線和干濕線在研究剖面上的位置，然后逐一檢查和更正。

3.3 海灘剖面形態(tài)反演和坡度計(jì)算

水邊線在海灘剖面上的位置受瞬時(shí)潮位控制。當(dāng)潮位較高時(shí)，海灘出露較少，水邊線位置靠近剖面起點(diǎn)，潮位較低時(shí)相反。干濕線在剖面上的位置主要受歷史高潮水位的影響，變化規(guī)律與水邊線一致。本研究采用潮汐模擬模型NAO.99b(Matsumotoetal.， 2000)計(jì)算本區(qū)的歷史潮位，計(jì)算結(jié)果為逐時(shí)潮位。Zhang等(2018)研究表明，NAO.99b 模擬結(jié)果不包含潮位季節(jié)變化信息，因此，參照Z(yǔ)hang等(2018)的方法，本研究采用青島港潮高的季節(jié)改正值(國(guó)家信息中心，2019)對(duì)模擬潮位進(jìn)行校正。衛(wèi)星圖像拍攝時(shí)(精確到秒)的瞬時(shí)潮位根據(jù)逐時(shí)模擬潮位采用線性插值方法得出，衛(wèi)星圖像拍攝前的大潮高潮位采用模擬潮位在衛(wèi)星圖像拍攝前25h內(nèi)的最大值。本研究還收集了2011/10/1—31日丁家咀碼頭(靈南海灘東北6km)的實(shí)測(cè)潮位，并對(duì)模擬潮位進(jìn)行了誤差評(píng)估。

3.4 平均高潮線和低潮線的計(jì)算方法

雖然干濕線位置受上次高潮位影響，但其變化幅度相對(duì)較小，再加上本研究采用的衛(wèi)星圖像較多，因此，本研究直接使用干濕線指標(biāo)指代海灘的高潮線，并用其平均值或擬合值指示平均高潮線。受潮位波動(dòng)的影響，水邊線位置的變幅較大，本研究使用分段潮位校正方法計(jì)算低潮線的位置，進(jìn)而使用其平均值或擬合值指示平均低潮線(Zhangetal.， 2021)。參照Z(yǔ)hang 等(2021)并根據(jù)靈南海灘的剖面形態(tài)，本研究選用歷史潮位在-1.4～0.5m的水邊線位置，根據(jù)公式(1)計(jì)算低潮線的位置：

P低潮線=P水邊線-(平均低潮位-瞬時(shí)潮位)÷tan(坡度)

(1)

其中P低潮線和P水邊線分別為低潮線和水邊線在剖面上的位置，本區(qū)的平均低潮位是-1.4m，坡度的單位是度。

3.5 誤差評(píng)估方法

在海灘岸線識(shí)別過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)Sentinel圖像存在明顯的系統(tǒng)偏移。為評(píng)估該系統(tǒng)偏移并消除其影響，本研究選擇平行于海灘岸線的4個(gè)線狀地物(道路中心和水塘邊緣)，平行于研究剖面設(shè)置了4條校準(zhǔn)剖面C1～C4，利用CASPRS軟件識(shí)別2015年后上述4個(gè)線狀地物在校準(zhǔn)剖面上的位置，進(jìn)而比較和校準(zhǔn)Landsat和Sentinel圖像的系統(tǒng)偏移。本研究利用RTK實(shí)測(cè)結(jié)果評(píng)估根據(jù)衛(wèi)星圖像得出的高、低潮線的系統(tǒng)誤差，與RTK實(shí)測(cè)值比較的是上述2個(gè)指標(biāo)最近1年(2020/4/29—2021/4/28)的平均值。最近1年高、低潮線的標(biāo)準(zhǔn)偏差被用來(lái)評(píng)估其隨機(jī)誤差。

4 結(jié)果

4.1 衛(wèi)星圖像中的歷史潮位

本區(qū)的模擬和實(shí)測(cè)潮位基本一致，平均絕對(duì)誤差為0.14m，相關(guān)系數(shù)為0.99，但在實(shí)測(cè)潮位低于-0.5m時(shí)模擬潮位偏高約0.1m(圖 4)。利用模擬潮位得出的靈南海灘衛(wèi)星圖像拍攝前的大潮高潮位在0.51～2.35m，其均值與本區(qū)平均高潮位一致；衛(wèi)星圖像拍攝時(shí)的瞬時(shí)潮位在-2.47～1.80m，均值(-0.36m)顯著低于平均海平面(圖 5-A)。

A—2011/10/1—31日青島丁家咀碼頭(35°55′N，120°8′E)的實(shí)測(cè)潮位和NAO.99b(Matsumoto et al.， 2000)模擬潮位；B—上述實(shí)測(cè)潮位和模擬潮位的交匯圖；C—模擬潮位的系統(tǒng)偏差圖 4 山東青島靈南海灘潮位數(shù)據(jù)分析Fig.4 Data analysis of tidal height of Lingnan Beach in Qingdao of Shandong Province

A—衛(wèi)星圖像拍攝前的大潮高潮位和拍攝時(shí)的瞬時(shí)潮位；B—1984—2021年日內(nèi)逐時(shí)平均潮位；C—青島港潮位的季節(jié)性波動(dòng)圖 5 山東青島靈南海灘歷史潮位及其季節(jié)和日內(nèi)波動(dòng)Fig.5 Historical water levels and the seasonal and daily tidal height deviations of Lingnan Beach in Qingdao of Shandong Province

4.2 干濕線和水邊線的位置

圖 6為干濕線和水邊線在靈南海灘T1～T6剖面上的位置。水邊線位置的波動(dòng)范圍較大，在150～300m，干濕線位置的波動(dòng)范圍較小，不到30m，干濕線位于水邊線靠岸一側(cè)。在時(shí)間變化方面，干濕線位置呈階段性向岸蝕退的趨勢(shì)，靠岸側(cè)水邊線位置的變化與干濕線位置的變化一致，但靠海側(cè)水邊線位置的變化趨勢(shì)不明顯。在所有880幅衛(wèi)星圖像上，水邊線和干濕線位置的平均提取率分別為91%和71%。

4.3 海灘剖面形態(tài)和坡度

根據(jù)干濕線和水邊線位置的時(shí)間變化(圖 6)，選擇變化較小的時(shí)段，結(jié)合模擬潮位，本研究分別繪制了T1～T6剖面早期(T1～T5剖面為1984—1995年，T6剖面為1984—1991年)和晚期(2010—2021年)的形態(tài)，并選取晚期的剖面形態(tài)與RTK實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比(圖 7)。

圖 6 山東青島靈南海灘T1～T6剖面干濕線和水邊線位置Fig.6 Dry/wet line and waterline positions on transects T1～T6 of Lingnan Beach in Qingdao of Shandong Province

圖 7 山東青島靈南海灘T1～T6剖面形態(tài)和坡度Fig.7 Shape and slope of transects T1～T6 of Lingnan Beach in Qingdao of Shandong Province

靈南海灘早期的剖面形態(tài)呈兩段式，分界線的潮位在T1～T4和T5～T6剖面分別為0.5m和1m。上段較陡，坡度在3.4°～17°；下段較緩，坡度在0.8°～1.1°。在晚期，原上下段分界線的潮位未變，上段坡度也基本不變；下段的形態(tài)在中部T3～T4剖面變化較小，但在南北兩側(cè)的T1～T2和T5～T6剖面卻發(fā)生了明顯分化。T1～T2和T5～T6剖面下段分別在-1.7m和-1.5m潮位處發(fā)生轉(zhuǎn)折，本研究進(jìn)一步把其分為中段和下段。在晚期，T1～T2和T5～T6剖面中段侵蝕顯著，但坡度僅在T5剖面變化較大；下段的侵蝕上大下小，坡度明顯變緩至0.3°～0.4°。

4.4 平均高潮線和低潮線的演變

靈南海灘平均高、低潮線在1984—2021年發(fā)生了階段性、基本同步的變化(圖 8)。T1、T2和T6剖面的平均高潮線分別在1997—2006、2004和1992—1997年發(fā)生快速侵蝕，侵蝕速率為7.2m/a、約60m/a和11.9m/a，總侵蝕量為66m、30m和71m，持續(xù)時(shí)間分別為9.2年、0.5年和6.0年；平均低潮線快速侵蝕的起始時(shí)間與平均高潮線一致，但侵蝕速率和總侵蝕量略小，侵蝕結(jié)束時(shí)間滯后1～3年。在其他時(shí)期，平均高潮線、低潮線的侵蝕速率分別在-0.3～1.3m/a和-0.7～2.0m/a，平均低潮線侵蝕速率的變幅較大。

圖 8 山東青島靈南海灘平均高、低潮線在T1～T6剖面的演變Fig.8 Position changes of mean high- and low-water lines on transects T1～T6 of Lingnan Beach in Qingdao of Shandong Province

4.5 誤差評(píng)估結(jié)果

上述4個(gè)用于校準(zhǔn)的線狀地物在Landsat和Sentinel圖像上的平均位置之差為0.6～2.3m，說(shuō)明從谷歌地球引擎下載的Landsat和Sentinel圖像的地理位置基本一致、2個(gè)圖像庫(kù)可對(duì)比。4個(gè)線狀地物在Sentinel圖像上的位置存在較強(qiáng)的正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.64～0.75，而其在Landsat圖像上的位置的相關(guān)性普遍較差，說(shuō)明Sentinel圖像存在系統(tǒng)性位置偏差而Landsat圖像的系統(tǒng)性位置偏差較小。本研究采用上述4個(gè)線狀地物相對(duì)其平均位置的偏離值的均值作為校正量，對(duì)干濕線和水邊線在Sentinel圖像上的位置進(jìn)行了校正。4.2節(jié)至4.4節(jié)中的數(shù)據(jù)均為校正后的結(jié)果。

平均高、低潮線在Sentinel和Landsat圖像上的系統(tǒng)和隨機(jī)誤差見(jiàn)表 1?？傮w上，平均高潮線的誤差較小，平均低潮線的誤差較大。平均高、低潮線在Sentinel圖像上的誤差普遍小于其在Landsat圖像上的誤差，但平均低潮線的系統(tǒng)誤差例外。

表 1 山東青島靈南海灘平均高、低潮線在Sentinel和Landsat圖像上的系統(tǒng)和隨機(jī)誤差(m)Table 1 Systematic and random errors(m) of mean high- and low-water lines on Sentinel and Landsat images of Lingnan Beach in Qingdao of Shandong Province

5 討論

5.1 海灘岸線的位置誤差及其影響因素

靈南海灘平均高潮線的系統(tǒng)誤差為3.7～8.2m(表 1)，與Pardo-Pascual等(2018)得出的3.1～5.5m基本相當(dāng)；平均高潮線的隨機(jī)誤差為6.0～7.5m(表 1)，與Pardo-Pascual等(2018)得出的4.9～6.5m和Zhang等(2021)得出的7.8m也基本相當(dāng)。然而Vos等(2019)得出的海灘岸線的系統(tǒng)誤差僅為0.5～2.0m，但其隨機(jī)誤差較大，為7.3～12.7m。Vos等(2019)采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別海灘岸線，在原理上，使用無(wú)偏數(shù)據(jù)集訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以使系統(tǒng)誤差為0。但是，由于潮位誤差和海水的透光性等諸多因素的影響，利用海灘剖面形態(tài)和瞬時(shí)潮位得出的水邊線與衛(wèi)星圖像上的水邊線并不是同一條線，而且前者在衛(wèi)星圖像上的解譯特征相對(duì)不夠明確，這可能是Vos等(2019)識(shí)別結(jié)果的隨機(jī)誤差偏大的原因。

靈南海灘平均低潮線的隨機(jī)誤差為14.8～19.8m(表 1)，顯著高于Pardo-Pascual等(2018)和Vos等(2019)的上述結(jié)果，這主要是由于靈南海灘在-1.4～0.5m區(qū)間(計(jì)算平均低潮線的潮位區(qū)間)的坡度較小所致。靈南海灘在-1.4～0.5m區(qū)間的坡度為0.8°～1.3°(圖 7)，相當(dāng)于1︰72～1︰44，顯著小于Pardo-Pascual等(2018)和Vos等(2019)所研究海灘1︰23～1︰5的坡度。海灘坡度越小，由于潮位誤差和海灘剖面的不規(guī)則形態(tài)引起的海灘岸線誤差越大(Zhangetal.， 2021)。根據(jù)Zhang等(2021)在山東半島海陽(yáng)海灘得出的計(jì)算公式以及T1～T6剖面在-1.4～0.5m區(qū)間的坡度，靈南海灘隨機(jī)誤差的計(jì)算結(jié)果為11.4～14.1m，比本研究結(jié)果略小。區(qū)別于海陽(yáng)海灘，靈南海灘的剖面形態(tài)起伏較大，例如在T3剖面發(fā)育有潮間帶沙壩(圖 7)，以致T3剖面的平均低潮線波動(dòng)較大(圖 8)，其隨機(jī)誤差也偏大(表 1)。

靈南海灘平均低潮線的系統(tǒng)誤差為11.4～22.7m(表 1)，相對(duì)較大。本研究的模擬潮位在實(shí)測(cè)潮位低于-0.5m時(shí)偏高約0.1m，這會(huì)導(dǎo)致通過(guò)潮位校正得出的靈南海灘平均低潮線偏大4～7m。由于海水的透光性，衛(wèi)星反演的低潮線相對(duì)實(shí)測(cè)的平均低潮線更靠海，進(jìn)一步加大了平均低潮線的系統(tǒng)誤差。另外，本研究依據(jù)單次海灘測(cè)量進(jìn)行誤差評(píng)估，評(píng)估結(jié)果還受海灘剖面季節(jié)變化的影響。

海灘岸線的系統(tǒng)誤差對(duì)計(jì)算海灘變化速率影響較小(Luijendijketal.， 2018；Zhangetal.， 2021)，但對(duì)反演剖面形態(tài)影響較大，利用衛(wèi)星反演得出的海灘坡度相對(duì)實(shí)測(cè)結(jié)果普遍偏小(圖 7)。上述系統(tǒng)誤差仍需通過(guò)更多次的海灘剖面重復(fù)測(cè)量進(jìn)一步評(píng)估，并根據(jù)評(píng)估結(jié)果對(duì)衛(wèi)星反演結(jié)果進(jìn)行校正。海灘岸線的隨機(jī)誤差由于其內(nèi)在的隨機(jī)性不能被校正，但可通過(guò)大量衛(wèi)星圖像的應(yīng)用減弱其影響。因此，研究寬度和變化速率均相對(duì)較小、研究結(jié)果對(duì)誤差較為敏感的海灘的演變，采用的衛(wèi)星圖像越多越好。

5.2 影響靈南海灘演變的因素

如上所述，靈南海灘的T1、T2和T6剖面在歷史上發(fā)生了階段性的快速侵蝕(圖 8)。T1剖面平均高潮線在1997—2006年的快速侵蝕與海灘上部挖沙有關(guān)。海灘上部挖沙留下的沙坑與海灘有沙埂間隔，在正常海況下，海灘岸線尚能維持，但在風(fēng)暴潮來(lái)臨之際，狹窄的沙埂易被摧毀，造成海灘岸線顯著后退(王文海等，1994)。根據(jù)T2剖面附近養(yǎng)殖場(chǎng)改建前后的衛(wèi)星圖像可知，T2剖面平均高潮線在2004年的快速后退應(yīng)與其周邊養(yǎng)殖場(chǎng)的改建有關(guān)，改建后養(yǎng)殖場(chǎng)的寬度比原來(lái)顯著減小。根據(jù)1992—1997年的衛(wèi)星圖像可知，T6剖面平均高潮線在1992—1997年的快速侵蝕與其周邊養(yǎng)殖場(chǎng)靠海側(cè)堤壩的破壞有關(guān)： 在1992/6/30，養(yǎng)殖場(chǎng)外側(cè)海灘的干灘已經(jīng)消失，經(jīng)過(guò)9216號(hào)臺(tái)風(fēng)(1992/8/31—9/1)，在1992/9/18養(yǎng)殖場(chǎng)外側(cè)海灘的堤壩出現(xiàn)決口，決口持續(xù)擴(kuò)大直至1998年才恢復(fù)。另外，9216號(hào)臺(tái)風(fēng)后的海灘決口并不大，但一直到5年后才恢復(fù)說(shuō)明該養(yǎng)殖場(chǎng)當(dāng)時(shí)已廢棄。

沙埂和堤壩損壞后，平均高潮線隨即開(kāi)始快速侵蝕，平均低潮線的侵蝕相對(duì)滯后。T1、T2和T6剖面下段(-1.7～-1.5m以下)的侵蝕相對(duì)中段較小(圖 7)，這可能與海灘灘面泥沙在沖流帶(swash zone)的上沖有關(guān)。沖流帶位于瞬時(shí)水位附近，是潮汐和波浪等引起的上下沖流聯(lián)合作用的地帶(Masselink and Puleo， 2006；Puleo and Torres-Freyermuth，2016；黎樹(shù)式等，2017)，其在海灘剖面上的位置目前尚無(wú)嚴(yán)格界定。本研究根據(jù)本區(qū)潮位的頻率分布，選擇潮位分布頻率大于最大頻率50%的區(qū)間作為沖流帶在海灘剖面上的位置(圖 9)。根據(jù)該方法，靈南海灘沖流帶的下界位于-1.5m左右，與T1～T2和T5～T6剖面的侵蝕情況基本一致(圖 7)。平均高潮線的快速蝕退給沖流帶的上沖泥沙提供了容納空間，進(jìn)而造成沖流帶的侵蝕以及平均低潮線的快速蝕退。

圖 9 山東青島靈南海灘歷史潮位的頻率分布和沖流帶Fig.9 The frequency distribution of historical tidal heights and the swash zone of Lingnan Beach in Qingdao of Shandong Province

盡管已有研究揭示了臺(tái)風(fēng)對(duì)山東半島海岸有較強(qiáng)的破壞作用(王文海等，1994；高偉等，2020)，而且本研究也顯示9216號(hào)臺(tái)風(fēng)導(dǎo)致靈南海灘在T6剖面附近潰岸，但是，9216號(hào)臺(tái)風(fēng)在T6剖面處直接產(chǎn)生的海灘侵蝕量相對(duì)較小，在靈南海灘其他剖面處也未造成明顯的海灘侵蝕，且其他時(shí)期的風(fēng)暴潮(張曉慧等，2006)也未對(duì)靈南海灘的侵蝕產(chǎn)生明顯影響(圖 6，圖 8)，這說(shuō)明導(dǎo)致靈南海灘快速侵蝕的主要原因是沿岸挖沙、養(yǎng)殖場(chǎng)的廢棄，風(fēng)暴潮僅起次要的輔助作用。

除在上述3個(gè)時(shí)段發(fā)生快速侵蝕外，靈南海灘普遍發(fā)生慢速侵蝕(圖 8)，這是相對(duì)海平面上升和河流入海泥沙銳減等的必然結(jié)果。河口附近的T3剖面的平均高、低潮線以及北部的T5～T6剖面的平均低潮線侵蝕速率相對(duì)較大，在1.3～2.0m/a。T3剖面位于河口附近，該處海灘的侵蝕應(yīng)與河流入海泥沙減少有關(guān)。T5～T6剖面平均低潮線的侵蝕除與周邊河流入海泥沙減少有關(guān)外，還與前述的本區(qū)泥沙優(yōu)勢(shì)輸運(yùn)方向?yàn)樽员毕蚰嫌嘘P(guān)。截至目前，T5～T6剖面平均高、低潮線的長(zhǎng)期慢速侵蝕趨勢(shì)未發(fā)生明顯改變(圖 8)，本區(qū)北部2013—2014年的圍填海工程(包括星光島)對(duì)靈南海灘長(zhǎng)期演變的影響尚不明確。

6 結(jié)論和建議

本研究基于880幅衛(wèi)星圖像，利用CASPRS軟件識(shí)別干濕線和水邊線在研究剖面上的位置；結(jié)合模擬潮位分析海灘剖面形態(tài)并計(jì)算海灘坡度，利用干濕線得出海灘平均高潮線，通過(guò)潮位校正得出平均低潮線，采用多種指標(biāo)綜合研究靈南海灘在1984—2021年的時(shí)空演變；結(jié)合歷史資料分析影響因素，還利用海灘實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)研究結(jié)果進(jìn)行誤差評(píng)估。大量衛(wèi)星圖像的應(yīng)用提高了研究結(jié)果的時(shí)間分辨率、精度和可靠性。

在靈南海灘，衛(wèi)星提取的平均高潮線的系統(tǒng)誤差為3.7～8.2m，隨機(jī)誤差為6.0～7.5m，與目前最精確的研究結(jié)果相當(dāng)；平均低潮線的系統(tǒng)誤差為11.4～22.7m，隨機(jī)誤差為14.8～19.8m，相對(duì)較大。靈南海灘中下部較緩的剖面形態(tài)是其平均低潮線誤差較大的主要原因。除海灘坡度外，海灘剖面不規(guī)則的形態(tài)、模擬潮位的誤差、海水的透光性以及海灘剖面的季節(jié)變化等也會(huì)影響海灘岸線的誤差。

靈南海灘的部分岸段發(fā)生了階段性快速侵蝕。該快速侵蝕發(fā)生在研究區(qū)北部的T1、T2剖面以及南部的T6剖面，發(fā)生時(shí)間分別為1997—2006年、2004年和1992—1997年；平均高潮線的侵蝕速率為7.2～60m/a，總侵蝕量為30～71m，持續(xù)時(shí)間為0.5～9.2年；平均低潮線的開(kāi)始侵蝕時(shí)間與平均高潮線一致，總侵蝕量大致相當(dāng)，但結(jié)束時(shí)間滯后1～3年，侵蝕速率稍小。該快速侵蝕主要是海灘挖沙、養(yǎng)殖場(chǎng)改建和廢棄等人為因素造成的，風(fēng)暴潮起次要的輔助作用。為避免海灘的快速侵蝕，海灘挖沙應(yīng)杜絕，距海灘較近的養(yǎng)殖場(chǎng)“退養(yǎng)還灘”后，應(yīng)對(duì)養(yǎng)殖場(chǎng)進(jìn)行回填。在其他時(shí)段，靈南海灘普遍發(fā)生緩慢侵蝕，侵蝕速率一般小于2m/a，這是相對(duì)海平面上升和河流入海泥沙銳減等的結(jié)果。

致謝感謝審稿專家提出了寶貴的意見(jiàn)和建議，感謝中國(guó)海洋大學(xué)本科生研究發(fā)展計(jì)劃(OUC-SRDP)的支持，還感謝檀夏偉、王佳星、張家寶、李胤輝和張亞榮同學(xué)對(duì)本研究的貢獻(xiàn)。與本研究有關(guān)的野外調(diào)查照片和典型衛(wèi)星圖像請(qǐng)參見(jiàn)OSID，這些圖片以及CASPRS軟件也可以通過(guò)https: //github.com/ouczxd/CASPRS訪問(wèn)和下載。