楊 偉,陳沈良

(1.棗莊學(xué)院 旅游與資源環(huán)境學(xué)院,山東 棗莊 277160; 2.華東師范大學(xué) 河口海岸學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200062)

濕地是介于陸地和水域之間的獨(dú)特的生態(tài)系統(tǒng),它具有穩(wěn)定環(huán)境、物種基因保護(hù)和資源利用功能,被譽(yù)為地球的“生物超市”、“自然之腎”和“人類搖籃”,與森林和海洋并稱為地球三大生態(tài)系統(tǒng)[1-3]。黃河三角洲濕地是中國(guó)暖溫帶地區(qū)最完整、最廣闊、最年輕的新生濕地生態(tài)系統(tǒng)[4],該濕地主要分布于濱海區(qū)域,以灘涂濕地為主; 由于該區(qū)處于陸海相互作用最敏感地帶,陸域徑流輸沙使河口堆積形成了大量的新生濕地,同時(shí)又受到海域波、流動(dòng)力侵蝕的影響,濕地資源變化十分頻繁。目前黃河三角洲濕地面臨大規(guī)模圍墾開發(fā)、黃河斷流、濕地污染、海平面上升和海岸蝕退等問題,生態(tài)破壞比較嚴(yán)重,濱海濕地面積嚴(yán)重萎縮,生態(tài)系統(tǒng)逐漸退化[5-7]。因此,了解黃河三角洲濕地動(dòng)態(tài)變化及影響因素,對(duì)濕地資源的合理開發(fā)和保護(hù)具有極為重要的意義。

近年來,濕地研究?jī)?nèi)容增多,領(lǐng)域擴(kuò)大,已成為全球普遍關(guān)注的熱點(diǎn); 濕地生物多樣性,濕地生態(tài)恢復(fù)與重建,濕地健康與評(píng)價(jià),濕地開發(fā)、保護(hù)與管理等方面的研究不斷增多,其中應(yīng)用遙感和 GIS技術(shù)進(jìn)行濕地動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)研究,已經(jīng)取得了較好進(jìn)展[8-14],遙感技術(shù)為獲取濕地資源環(huán)境狀況提供了有效的空間信息源,通過它可以獲取大范圍、多分辨率、多波段、多時(shí)相的地表信息,為從不同時(shí)序上對(duì)濕地進(jìn)行分析創(chuàng)造了條件[15]; GIS具有強(qiáng)大的空間信息處理和分析功能,能夠快速、精確和綜合地對(duì)復(fù)雜的濕地系統(tǒng)進(jìn)行空間定位和過程動(dòng)態(tài)分析。但以往研究?jī)H局限于一幅或幾幅遙感數(shù)據(jù)來研究黃河三角洲濕地的生態(tài)環(huán)境要素特征變化,對(duì)濱海濕地尤其是低潮線以下區(qū)域研究較少。濱海濕地受海陸共同作用,是脆弱的生態(tài)敏感區(qū)。本文以多期遙感影像數(shù)據(jù)和水深資料為基礎(chǔ),對(duì)黃河改道清水溝流路以來變化最為活躍的河口區(qū)濱海濕地進(jìn)行監(jiān)測(cè)研究,以期準(zhǔn)確掌握其動(dòng)態(tài)變化規(guī)律,并在此基礎(chǔ)上探討影響研究區(qū)濱海濕地動(dòng)態(tài)變化的主要因素,為有關(guān)部門制定正確的濕地可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略提供依據(jù)。

1 區(qū)域概況

黃河三角洲位于渤海灣南岸和萊州灣西岸,是一個(gè)非常年輕的三角洲,至今約有150多年的歷史。它是1855年黃河在銅瓦廂決口奪大清河,從山東利津注入渤海后淤積形成的。三角洲以寧海為頂點(diǎn),西起套爾河,南界支脈溝口,陸上面積約 6 000 km2(圖1)。黃河自1976年改道清水溝流路以來,其濱海濕地面積變化劇烈和復(fù)雜。由于孤東油田以北和宋春榮溝以南距黃河口較遠(yuǎn),有些地方修建了人工防御堤壩,受黃河來水來沙影響較小,岸線基本穩(wěn)定[16]。因此,本文選擇孤東油田至宋春榮溝之間的黃河口地段為研究對(duì)象,該區(qū)域在河海兩大動(dòng)力相互作用及人類活動(dòng)共同影響下,河口新生濕地變化頻繁。所研究的濱海濕地范圍主要包含高低潮位之間的灘涂面積以及低潮線至水下-6 m的區(qū)域。

圖1 研究區(qū)及水下三角洲長(zhǎng)期測(cè)深斷面布設(shè)Fig.1 Map of study area and coastal profiles

2 研究資料與方法

主要收集了黃河三角洲1976,1981,1987,1992,1996～1998,2000～2005,2008 年全波段 Land sat衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù),其中1976年、1981年為MSS數(shù)據(jù),分辨率為80 m,其他為30 m分辨率; 1987,1996,2008年的Landsat7 ETM圖像前期已通過實(shí)測(cè)地面控制點(diǎn)進(jìn)行過幾何精校正,本次研究中將其作為標(biāo)準(zhǔn)圖像,在ERDAS IMAGINE遙感圖像處理軟件的支持下分別對(duì)其余幾年的遙感影像進(jìn)行了影像對(duì)影像的幾何精校正處理,主要用于灘涂面積變化研究。并收集了部分水下斷面測(cè)深數(shù)據(jù),包括的年份有 1976,1987,1992,1996,2000和2005年,水深數(shù)據(jù)以黃?；鶞?zhǔn)面為基面,測(cè)量起點(diǎn)為實(shí)時(shí)水邊線以下,斷面有 CS21,CS22,CS23,CS24,CS25,CS26,CS27,CS28,CS29(圖1)共9條。利用計(jì)算機(jī)及遙感圖像處理軟件ERDAS IMAGE對(duì)TM及MSS遙感圖像進(jìn)行分析處理,從中獲取高、低潮線,在ARCGIS下進(jìn)行分析、計(jì)算,即可得出灘涂面積的變化; 同時(shí)依據(jù)水下斷面的測(cè)深數(shù)據(jù),通過內(nèi)插方法獲取-2,-5和-6m等深線,在ARCGIS中分別算出研究區(qū)低潮線至-2,-5和-6 m的濕地面積。

陸地與海洋的交界線稱為海岸線,海水所能達(dá)到的最高上限稱之為高潮線,最低下限稱之為低潮線,一般高潮線可以通過對(duì)遙感影像的分類處理與目視解譯相結(jié)合來確定,因此簡(jiǎn)單易行,不需要進(jìn)行修正。而且,在不是很長(zhǎng)的時(shí)間系列內(nèi),這個(gè)平均值受潮汐及海平面的影響較小,可以看作一個(gè)常值。低潮線是重要的界線,是植被發(fā)育的外界線,也是地形坡折線,在遙感圖像中比較清晰; 低潮線以上灘面平緩,低潮線附近波浪作用力強(qiáng),沉積物普遍較粗且含水量高,低潮線以下水深迅速增大,潮溝也在低潮線附近消亡,在地貌上容易識(shí)別。

將TM3,TM4和TM2波段通過假彩色合成后成像,通過與地面測(cè)量剖面對(duì)比分析發(fā)現(xiàn),平均低潮線和高潮線在遙感圖像中是兩條比較清楚的地面光譜界限,以此為基礎(chǔ)提取14個(gè)時(shí)期的高、低潮線,并界定灘涂的范圍為高、低潮線之間的區(qū)域[17],圖 2為處理后的部分遙感圖像(遙感圖幅大小為65 km×35 km)。

圖2 海岸變化遙感圖Fig.2 Remote sensing map of the Yellow River coasts

3 結(jié)果與討論

3.1 潮間帶灘涂面積變化

黃河平均每年輸送到黃河三角洲的泥沙量為10.5×108t,其中 64%沉積在沿程河道及河口沿岸地區(qū),形成了寬緩的平拋物型剖面[18]。由表 1可知：1976年黃河改道清水溝流路初期,在入?？谔幎逊e大量泥沙,造成河口沙嘴迅速向海淤進(jìn)。1996年7月黃河人工改道清 8汊入海,入海泥沙的淤積范圍發(fā)生改變,在北汊迅速淤積出一個(gè)小沙嘴,原河口區(qū)剛停止行河,其河口沙嘴正處于快速蝕退期,波流作用使其遭受強(qiáng)烈沖刷。1995年以來,黃河斷流天數(shù)增加,入海水沙銳減,屬枯水枯沙年,平均徑流量為 103.1×108m3/a,輸沙量為 1.63×108t/a,最低輸沙量?jī)H為 0.16×108t/a; 同時(shí)新口門北部的凹海灣潮流場(chǎng)較弱,但由于該區(qū)域泥沙顆粒較細(xì),泥沙很容易被波浪掀起從而引起口門附近淤積緩慢,老河口附近近于往復(fù)流,流速較大,沙嘴進(jìn)一步侵蝕后退[18];灘涂面積在1997年減少為265.1 km2。1998年年凈流量為106.16×108m3/a,比1997年多出5倍左右,輸沙量也達(dá)到3.65×108t/a,研究區(qū)灘涂面積凈增102.7 km2,達(dá)到 398 km2。2000年以后,新河口逐漸發(fā)育成熟,清水溝新的入海流路逐漸穩(wěn)定,岸灘淤積速率減緩。自 2002年小浪底開始第一次調(diào)水調(diào)沙后,入海水沙雖然得到有效控制,但老河口區(qū)仍處于蝕退期,且灘涂屬弱能區(qū),受人類活動(dòng)影響較大,因此研究區(qū)灘涂總面積略有減少。

表1 研究區(qū)灘涂面積統(tǒng)計(jì)表Tab.1 Statistics of mudflat area

3.2 潮下帶濕地面積變化

濱海濕地是指海陸交互作用下經(jīng)常被靜止或流動(dòng)的水體所浸淹的沿海低地,潮間帶灘地及低潮時(shí)水深不超過 6 m的淺水水域[19]。為研究方便,本文將濱海濕地的上限定義為一般高潮線,其下限為-6 m等深線,高低潮位之間的灘涂面積前面已分析,現(xiàn)對(duì)低潮線至水下-2,-5和-6 m濕地區(qū)域分析其面積變化規(guī)律,將低潮線至水下-5 m區(qū)域一起研究是因?yàn)?5 m等深線是一條比較重要的特征線,也可以起到與-6 m對(duì)比作用。

由圖3可知,自1976年黃河改道清水溝流路以來,低潮線至水下-2 m區(qū)域的濕地面積變化規(guī)律為：1976年后一直呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)態(tài)勢(shì),到1987年面積達(dá)到最大,為371.5 km2。此后面積呈減少趨勢(shì),至1996年實(shí)施清8改汊工程前,面積減少到290.8 km2。黃河改道清 8汊后,新河口海區(qū)有大量的泥沙來源供給,在其河口沙嘴周圍淤積,濕地面積略有增長(zhǎng);2000年后,黃河入海水沙呈現(xiàn)減少趨勢(shì),雖然在2002年開始實(shí)施調(diào)水調(diào)沙工程,但濕地面積仍呈減少趨勢(shì),至 2005年,濕地面積減少到 277.84 km2。從-2 m等深線的變化來看(圖4),1976～1987年一直向海淤進(jìn),1996年實(shí)施清8出汊工程以后,新河口區(qū)以新形成的沙嘴為中心繼續(xù)向海淤進(jìn),而老河口區(qū)向海淤進(jìn)速率變緩,至2005年老河口區(qū)-2 m等深線逐漸向陸蝕退,新河口區(qū)向海淤進(jìn)距離增大,老河口區(qū)岸線在海洋動(dòng)力作用下強(qiáng)烈蝕退; 總體來看,低潮線至-2 m區(qū)域濕地面積仍呈減小之勢(shì)。

圖3 研究區(qū)低潮線以下濱海濕地面積變化圖Fig.3 Variation map of coastal wetland area below the low water level

低潮線至水下-5 m與-6 m區(qū)域的濕地面積變化規(guī)律基本一致,由圖4可知：1987年分別快速增長(zhǎng)至445.05 km2和487.82 km2; 此后進(jìn)入快速減少階段,至1992年濕地面積分別減少至349.5 km2和365.14 km2。清8出汊前,-5 m和-6 m等深線強(qiáng)烈向海淤進(jìn)(圖 4),在 1996年,這兩部分區(qū)域濕地面積達(dá)到最大,分別為522.2 km2和552.05 km2。清8出汊后,新河口區(qū)的-5 m和-6 m等深線繼續(xù)向海淤進(jìn),老河口區(qū)則向陸劇烈蝕退,這兩部分區(qū)域濕地面積均呈緩慢減少趨勢(shì),2005年分別減少到 438.34 km2和468.31 km2。

圖4 研究區(qū)等深線位置變化圖Fig.4 Variations of depth contour

4 影響濱海濕地面積變化的主要因素

濱海濕地處于海陸相互作用區(qū),是典型的生態(tài)脆弱區(qū),在人類活動(dòng)和自然因素作用下,黃河入海水沙急劇減少,加之黃河斷流、海岸侵蝕和人類對(duì)濕地的干擾活動(dòng)等因素共同作用,直接導(dǎo)致了現(xiàn)代黃河三角洲濱海濕地成為全球性的高脆弱性生態(tài)系統(tǒng)。

4.1 自然因素

4.1.1 黃河斷流與入海沙量減少

黃河斷流的現(xiàn)象始于20世紀(jì)70年代早期,黃河自1972年開始出現(xiàn)斷流,斷流19 d,斷流長(zhǎng)度310 km,此后,黃河斷流頻繁發(fā)生; 1972～1999年的28 a中,有22 a出現(xiàn)斷流,斷流年份占79%; 1997年,黃河下游利津水文站斷流226 d,斷流河段長(zhǎng)達(dá)704 km[20]。隨著斷流時(shí)間的增長(zhǎng),黃河入海沙量也逐年降低,而黃河水資源是維持三角洲濕地平衡的主導(dǎo)因素,黃河入海沙量與濱海濕地面積存在著一定的相關(guān)性,由圖5(R為相關(guān)系數(shù))可看出,雖然灘涂面積與入海沙量相關(guān)性較小,但對(duì)灘涂面積和淺海濕地合并與入海沙量進(jìn)行相關(guān)分析時(shí)發(fā)現(xiàn)：高潮線至-2 m濕地面積與入海沙量的相關(guān)性達(dá)到 0.82。因此黃河來水來沙量的變化,必然改變?nèi)侵莺０兜挠傥g狀態(tài),影響著濕地面積的變化。1999年,黃河水利委員會(huì)對(duì)黃河水量實(shí)行全流域統(tǒng)一調(diào)度并采取經(jīng)濟(jì)手段等使斷流持續(xù)時(shí)間大大減少,2000年以來未出現(xiàn)斷流,但斷流威脅時(shí)時(shí)存在。

黃河斷流致使入海泥沙銳減,破壞了河口區(qū)的沖淤平衡,三角洲岸線蝕退,斷流現(xiàn)象的持續(xù),不但減緩了新灘涂濕地的形成速率,而且一定程度上使原有濱海濕地面積減少[6,21]。研究表明：造陸面積與年輸沙量之間有較好的正相關(guān)關(guān)系,當(dāng)入海泥沙量為2.78億t/a、入海徑流量為76.7億m3/a時(shí),黃河三角洲造陸處于臨界平衡狀態(tài)[22]。由此說明黃河斷流對(duì)三角洲新生濕地面積的變化影響甚大,加之海平面的上升和地面沉降,三角洲海岸的蝕退速率將會(huì)進(jìn)一步加快,有可能會(huì)使研究區(qū)成為濱海濕地面積蝕退最快的區(qū)域。

4.1.2 海岸侵蝕

海岸侵蝕是當(dāng)今全球海岸普遍存在的地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象,也是造成濱海濕地?fù)p失退化的主要原因之一[23]。黃河三角洲濱海濕地處于海陸交錯(cuò)地帶,不僅受到來自陸地和河流淡水徑流作用,同時(shí)還受到海流和潮流的影響,是生態(tài)脆弱帶[24]。海岸侵蝕使岸線后退,潮間帶變窄,引起海岸帶環(huán)境惡化,海岸帶開發(fā)的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益下降; 流路變遷、入海水沙量減少和海面相對(duì)上升是引起海岸侵蝕的主要原因。

黃河以擅淤、擅決、擅徙聞名于世,長(zhǎng)時(shí)期的黃河泥沙塑造三角洲海岸的同時(shí)也不斷地造就了廣闊的灘涂資源,研究時(shí)段內(nèi)灘涂面積曾于1998年達(dá)到398 km2。黃河來水來沙,三角洲不斷造陸擴(kuò)展,海岸在淤進(jìn)和蝕退中向海推進(jìn)。黃河泥沙填海造陸,造成新辟河口沙嘴發(fā)育延伸,廢棄河口沖蝕后,由于缺乏沙源的補(bǔ)給,在波浪、潮流等海洋動(dòng)力的作用下,沙嘴、岸灘都有不同程度的蝕退,特別是廢棄河口區(qū),其突出沙嘴的故河口,蝕退作用相當(dāng)明顯。由遙感影像解譯可知,1996年實(shí)施清8改汊工程后,1996年以前形成的河口沙嘴明顯侵蝕后退,1996～2008年河口地區(qū)造陸面積為負(fù)值,平均每年蝕退 1.86 km2。2002年實(shí)施調(diào)水調(diào)沙工程以來,對(duì)沙嘴的延伸有明顯的影響,但總體侵蝕并無改觀; 研究區(qū)灘涂總面積已由1998年時(shí)最高的398 km2減少到2008年的 322 km2。

圖5 黃河入海沙量與研究區(qū)濱海濕地面積相關(guān)性Fig.5 Correlation of sediment load and wetland area of seastrand in the study zones

4.2 人類活動(dòng)

隨著河口地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,人類活動(dòng)成為影響黃河三角洲濕地景觀演變的最活躍因素,土地開發(fā)利用、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、油田開發(fā)、水利工程建設(shè)等成為濕地景觀演變的主要驅(qū)動(dòng)力。

灘涂資源的開發(fā)與圍墾是導(dǎo)致濱海濕地?fù)p失退化的主要原因之一[18]。圍墾是不合理開發(fā)利用濕地的一種形式,它不僅使?jié)竦厣锸チ藯⒌?導(dǎo)致沿岸生態(tài)環(huán)境惡化,海岸災(zāi)害頻發(fā),而且完全破壞了濕地原有的生態(tài)環(huán)境,濕地景觀急劇減少。雖然解決了部分耕地問題,但總體上忽視了全局利益;而且灘涂經(jīng)人工改造后,濕地面積受到嚴(yán)重?fù)p害,濱海濕地生態(tài)系統(tǒng)遭到極大破壞并可能徹底喪失[25]。灘涂開發(fā)圍墾的最直接結(jié)果就是濱海濕地面積大幅度銳減,研究區(qū)灘涂面積由 1998年的398 km2減少到2008年的322 km2; 同時(shí)還使?jié)竦丨h(huán)境惡化,生態(tài)系統(tǒng)受到嚴(yán)重?fù)p壞。

隨著黃河尾閭的淤積造陸,河口濕地逐漸成為油田建設(shè)區(qū),濕地面積大量減少,濕地功能不斷下降,最終將影響社會(huì)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展,危及濕地生態(tài)環(huán)境,濱海濕地的退化不可避免。另外,雖然黃河三角洲自然保護(hù)區(qū)的建立和發(fā)展在濕地保護(hù)和利用中發(fā)揮了巨大作用,但在短期內(nèi)并不能遏制濕地退化的趨勢(shì)。因此,多種因素綜合影響下的濱海濕地,其損失退化將成為一種必然趨勢(shì)。

5 結(jié)語

黃河三角洲河口段是濱海區(qū)濕地面積變化最為劇烈的區(qū)域,通過1996年清8出汊工程對(duì)研究區(qū)灘涂面積的影響來看,高低潮位之間的灘涂面積變化主要受入海流路變遷的影響,其中引起入海水沙量變化的調(diào)水調(diào)沙工程等人類活動(dòng)也影響其面積變化。低潮線至水下-2,-5及-6 m處的濕地面積在黃河斷流、入海水沙量、海岸侵蝕等自然因素影響下,在1996年之后逐漸呈減少趨勢(shì)。另外灘涂圍墾與開發(fā)、油田建設(shè)等人類活動(dòng)對(duì)濕地水文生態(tài)系統(tǒng)也產(chǎn)生了嚴(yán)重影響,使三角洲濕地面積不斷減少。為保護(hù)濱海濕地這一重要海岸帶資源,應(yīng)從可持續(xù)發(fā)展的角度出發(fā),因地制宜的制定保護(hù)和開發(fā)計(jì)劃,對(duì)濱海濕地實(shí)行有效的統(tǒng)一管理,有計(jì)劃地進(jìn)行濕地資源的恢復(fù)、研究和保護(hù); 合理調(diào)控人類的開發(fā)活動(dòng),做到既保持濕地生態(tài)平衡,促進(jìn)良性循環(huán),又使?jié)竦刭Y源得到持續(xù)利用。

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