牛明香,王 俊
(1.中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院黃海水產(chǎn)研究所,山東 青島 266071; 2.青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室海洋生態(tài)與環(huán)境科學(xué)功能實(shí)驗(yàn)室,山東 青島 266237; 3.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部海洋漁業(yè)可持續(xù)發(fā)展重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東 青島 266071)
黃河三角洲是中國(guó)乃至世界各大河三角洲中海陸變遷最活躍的地區(qū),在自然變化和人工干預(yù)下,黃河尾閭頻繁變遷、不斷向海延伸,自1855年以來(lái),黃河大的改道已有10次,小的改道70多次。1976年,黃河改道清水溝流路,泥沙集中淤積,河口迅速向海延伸;1996年,黃河改道清八汊河流路,淤積形成新的沙嘴;2009年,黃河再次改道,現(xiàn)行水流路尾閭河道為東略偏北走向。在淤進(jìn)造陸的同時(shí),三角洲也受到海洋動(dòng)力的侵蝕,在兩者的雙重作用下,海岸線淤進(jìn)蝕退交替演變迅速,三角洲面積也逐年發(fā)生變化[1-3]。了解和掌握海岸線的動(dòng)態(tài)變化特征,對(duì)于海岸帶資源使用、管理、保護(hù)和規(guī)劃具有重要意義。
黃河入海水沙是河口演變的前提。受氣候變化和人類活動(dòng)的影響,黃河水沙特征不斷變化,自20世紀(jì)70年代開始下游河段出現(xiàn)斷流,入海水沙大幅度減少。1997年10月底,小浪底水利樞紐工程截流成功,黃河入海水沙環(huán)境再次改變。自1999年實(shí)施的水資源統(tǒng)一管理和調(diào)度以及2002年開始的調(diào)水調(diào)沙有效遏制了黃河斷流,黃河口水沙環(huán)境在人為作用下發(fā)生明顯改變[4]。這些水沙條件的變化必然導(dǎo)致河口演變的響應(yīng),改變黃河三角洲濕地的演替特征。
在氣候變化和人為干擾背景下,海岸線變遷一直是研究的熱點(diǎn)[5-7]。有關(guān)黃河口海岸線變遷的研究主要集中在海岸線變遷對(duì)景觀格局的影響[3,8]、海岸線變遷[9-11]及其與調(diào)水調(diào)沙的關(guān)系[12-15]等方面,著重對(duì)入海口或黃河三角洲不同時(shí)間、不同范圍的海岸線變遷進(jìn)行了分析。本文基于1986—2015的Landsat遙感影像數(shù)據(jù),運(yùn)用GIS技術(shù),分析了黃河三角洲東營(yíng)段面積在黃河入海水沙豐富、黃河斷流、調(diào)水調(diào)沙3個(gè)典型時(shí)期的淤蝕變化及其海岸線變遷的時(shí)空異質(zhì)性,可為新水沙條件下區(qū)域的海岸線管理和灘涂利用提供參考。
研究區(qū)位于山東省東營(yíng)市,包含河口區(qū)、墾利區(qū)和東營(yíng)區(qū)的行政區(qū)劃范圍,北臨渤海灣,東接萊州灣,其沿海岸線如圖1所示。根據(jù)海岸線特征及水沙條件,將研究區(qū)分為刁口段、東營(yíng)港及鄰近岸段、入??诙魏腿R州灣岸段4部分。
采用Landsat遙感影像數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)海岸線變遷,綜合考慮數(shù)據(jù)質(zhì)量、成像時(shí)間等,收集了1986—2015年的TM、ETM和OLI數(shù)據(jù)共12幅(表1),空間分辨率為 30 m。為保證研究時(shí)相的一致性,除1986年外,均為9、10月的數(shù)據(jù)。利用ENVI軟件,對(duì)影像數(shù)據(jù)進(jìn)行幾何精校正、增強(qiáng)處理、噪音消除以及研究區(qū)域提取等預(yù)處理,所有影像投影到高斯-克呂格6°分帶的北京1954坐標(biāo)系。
圖1 研究區(qū)示意圖
表1 用于海岸線監(jiān)測(cè)的遙感影像數(shù)據(jù)
水沙數(shù)據(jù)來(lái)源于黃河利津水文觀測(cè)站,為1982—2015年的年輸沙量和年徑流量。黃河利津水文觀測(cè)站位于黃河的最下游,其輸沙量和徑流量觀測(cè)值代表了黃河入海的輸沙量和徑流量。
由于近紅外波段的水體反射率明顯單一并低于其他地物,采用閾值法即可進(jìn)行水陸邊界的劃分。但由此直接獲取的水陸邊界線是衛(wèi)星成像時(shí)的瞬時(shí)水邊線,水陸邊界線的位置受潮汐、地形等因素的影響變化較大,瞬時(shí)水邊線法不能真實(shí)反映海岸線的變化。因此,進(jìn)行不同年份的海岸線遙感監(jiān)測(cè),需要有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。關(guān)于海岸線的提取,國(guó)內(nèi)外學(xué)者結(jié)合研究區(qū)實(shí)際情況給出了相應(yīng)的提取原則和方法[16-20],但在缺乏潮位和地形資料的前提下,平均高潮線法[21-22]是海岸線監(jiān)測(cè)切實(shí)可行的方法,能夠滿足宏觀分析所需的精度[23],因此本文采用平均高潮線法進(jìn)行海岸線信息提取。
平均高潮線一般介于高潮灘和中潮灘之間,由于潮灘物質(zhì)成分的差異及暴露水上時(shí)間不同而導(dǎo)致含水量不同,其光譜特征差異明顯,TM 751、OLI 751波段組合均能清楚地區(qū)分海岸信息。利用ENVI軟件,首先進(jìn)行非監(jiān)督分類完成水陸分離,再利用交互式后處理操作對(duì)海岸線提取結(jié)果進(jìn)行逐景影像優(yōu)化處理,即可獲得時(shí)間序列的研究區(qū)海岸線信息。交互式后處理操作主要通過(guò)人工判讀完成對(duì)河口以及近岸渾濁水域的解譯,河口處需要保留大型河口港灣特征和小河齊陸地基線。最后將分類后的圖像轉(zhuǎn)換為shp文件,通過(guò)ArcGIS空間分析,獲得各時(shí)期海岸線的時(shí)空變化。
根據(jù)預(yù)先劃定的4個(gè)分區(qū)(圖1),在ArcGIS中人為建立各分區(qū)邊界,并用建立的邊界文件進(jìn)行區(qū)域分割,獲得各分區(qū)面積;對(duì)各分區(qū)不同年份的面積變化進(jìn)行分析,獲得各分區(qū)的淤積面積、蝕退面積。
利用相關(guān)關(guān)系圖分析入??诙蚊娣e變化與黃河入海水沙量的關(guān)系。
黃河泥沙淤積在海岸帶造陸,而海水的侵蝕則不停地蝕退陸地,泥沙淤積和海水侵蝕并存,使得研究區(qū)面積不斷發(fā)生變化。如表2所示,1986—2015年淤積和蝕退交替進(jìn)行,研究區(qū)總體上處于輕微蝕退狀態(tài)。研究區(qū)面積變化規(guī)律大致如下:1986—1997年處于連續(xù)蝕退階段,蝕退面積達(dá) 180 km2,平均蝕退速率為16.36 km2/a;1997—2006年先淤積,之后保持相對(duì)穩(wěn)定,淤積和蝕退交替進(jìn)行,2006年較1997年面積增加了約176 km2;2006—2015年面積總體不斷縮小,2015年略有回升,但較2006年面積減少約60 km2。以研究時(shí)段內(nèi)前一年的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),利用兩個(gè)年份間的面積變化分析研究區(qū)面積的淤蝕動(dòng)態(tài)。不同時(shí)段,研究區(qū)淤積和蝕退發(fā)生情況不同,2011—2013年蝕退最為嚴(yán)重,平均蝕退速率達(dá)45.13 km2/a,其次為1991—1997年;1997—1999年淤積最多,平均淤積速率為91.09 km2/a。
表2 1986—2015年研究區(qū)及各分區(qū)面積變化
根據(jù)ArcGIS空間分析結(jié)果和分割區(qū)域面積統(tǒng)計(jì),得到各分區(qū)海岸線時(shí)空分布及面積變化。
a. 刁口段。1986—1997年,刁口段海岸線大幅度向內(nèi)陸蝕退,蝕退面積達(dá)138 km2,且1991—1997年退化速度最快,為123 km2,平均退化速率達(dá) 20.5 km2/a(圖2(a),表2)。1999—2006年,總體為輕微蝕退狀態(tài),蝕退面積僅為48 km2,其中2001—2004年為淤積階段(圖2(b),表2)。2008—2015年,海岸線處于淤進(jìn)狀態(tài),淤積面積僅為 24 km2;其中,2008—2011年和2013—2015年的海岸線幾乎沒(méi)有變化,僅2011—2013年海岸線有淤進(jìn)(圖2(c),表2)。圖2(d)為1986—2015年刁口段海岸線變化,清楚地表明了海岸線先蝕退后淤進(jìn)、蝕退大于淤進(jìn)的變化趨勢(shì)。
(a) 1986—1997年
(b) 1999—2006年
(c) 2008—2015年
(d) 1986—2015年
b. 東營(yíng)港及鄰近岸段。圖3和表2清楚地反映了東營(yíng)港及鄰近岸段海岸線時(shí)空變化及區(qū)域面積變化情況。1986—1997年,港口及鄰近岸段海岸線并不穩(wěn)定,尤其是港口左側(cè)、港口和油田之間的區(qū)域各年變化不一,但區(qū)域面積基本穩(wěn)定。1999—2006年,由于人工堤岸的修建,港口段和油田段海岸線穩(wěn)定,其他岸段略有變化;總體來(lái)講,海岸線向陸地蝕退14 km2。2008—2015年,港口段右側(cè)海岸線沖淤變化較大,其他岸段基本無(wú)變化,總體趨勢(shì)為向外淤進(jìn),淤積面積達(dá)15 km2。從1986—2015年整體變化來(lái)看,除1986年外,其他3個(gè)時(shí)段港口段和油田段海岸線穩(wěn)定,僅港口段兩側(cè)區(qū)域出現(xiàn)淤蝕變化,1986—2015年該區(qū)域總體面積基本穩(wěn)定。
(a) 1986—1997年
(b) 1999—2006年
(c) 2008—2015年
(d) 1986—2015年
c. 入??诙?。不同年份,沙嘴附近海岸線變化特征不同(圖4)。1986—1997年,南部(清水溝流路)沙嘴明顯向東淤積擴(kuò)張;1996年,黃河人工向北改道清八汊河流路,1997年北部沙嘴開始形成。區(qū)域呈現(xiàn)先淤積后蝕退的趨勢(shì),1986—1989年,淤積面積達(dá)34 km2,平均淤積速率為11.3 km2/a,之后蝕退大于淤積,區(qū)域總面積變小??陂T南側(cè)區(qū)域蝕退嚴(yán)重,因此,盡管沙嘴逐年向海延伸,但從1986—1997年凈淤積面積僅為9 km2(圖4(a),表2)。1999—2006年,黃河改道后,清水溝流路的海水侵蝕大于淤積,南部沙嘴逐漸退縮,行水河道的北部沙嘴快速向海淤積擴(kuò)張,由于淤積侵蝕程度不同,沙嘴的方向略有變化;其間,沙嘴呈現(xiàn)逐年淤積的趨勢(shì),1999—2006年平均淤積速率達(dá)7.9 km2/a(圖4(b),表2)。2008—2015年,南部沙嘴進(jìn)一步退縮,北部沙嘴繼續(xù)淤積擴(kuò)張,但淤積速率明顯變慢,自2011年開始,北部沙嘴方向明顯改變,整體方向由東向改為北向;區(qū)域呈現(xiàn)先蝕退后淤積的特征,但淤積遠(yuǎn)遠(yuǎn)弱于蝕退,整個(gè)區(qū)域面積減少60 km2(圖4(c),表2)。圖4(d)表明了1986—2015年黃河入??诤0毒€的整體變化情況,南部沙嘴先淤積擴(kuò)張?jiān)偻丝s,北部沙嘴1997年開始形成,之后不斷淤積擴(kuò)張,但淤積速率逐漸變慢,且北部沙嘴的方向逐漸向北偏移。1986年以來(lái),入??诙纬尸F(xiàn)先淤積后蝕退的態(tài)勢(shì),以2006年區(qū)域面積最大,之后退縮,總體上淤積大于蝕退,入??诙斡俜e面積達(dá)58 km2(圖4(d),表2)。
(a) 1986—1997年
(b) 1999—2006年
(c) 2008—2015年
(d) 1986—2015年
d. 萊州灣岸段。萊州灣岸段海岸線年間淤進(jìn)與蝕退交替進(jìn)行(圖5),總體上為蝕退狀態(tài),蝕退面積達(dá)44 km2(表2)。1986—1997年,海岸線逐年蝕退,平均蝕退速率達(dá)4 km2/a,蝕退幅度最大;1999—2006年,海岸線相對(duì)穩(wěn)定,年間淤蝕面積略有變化;2008—2015年,海岸線呈現(xiàn)先淤進(jìn)后蝕退的趨勢(shì),總體蝕退面積為25 km2(表2)。
(a) 1986—1997年
(b) 1999—2006年
(c) 2008—2015年
(d) 1986—2015年
研究區(qū)內(nèi)入??诙蔚拿娣e變化與黃河入海水沙關(guān)系最為密切,且存在滯后效應(yīng),因此進(jìn)行入??诙蚊娣e變化與水沙關(guān)系分析時(shí),年徑流量和輸沙量的分析從1982年開始,以便更好地理解黃海入海水沙的累積影響。由圖6(a)可知,利津站水沙年間波動(dòng)劇烈,最大年徑流量為491億m3(1983年),而最小年徑流量?jī)H為19億m3(1997年);最大年輸沙量為10.2億m3(1983年),最小年輸沙量為0.16億m3(1997年)。水沙變化趨勢(shì)基本一致,總體均呈先減少后增加和豐枯交替的特征。1986—1997年,徑流量和輸沙量均為逐漸減少趨勢(shì),1997年兩者均處在最低值,在徑流量和輸沙量不斷減少的情況下,入海口段面積有所減小。1997—2006年,年徑流量處于增加趨勢(shì),輸沙量也是先增加后減少,其間入海口段面積不斷增大,總體上淤積大于蝕退。2006年之后,水沙輸入量年間交替變化,差異并不顯著,入??诙蚊娣e也呈淤蝕交替的趨勢(shì)。
為進(jìn)一步明晰水沙變化與入??诙蚊娣e變化的關(guān)系,將不同年份的入??诙蚊娣e、徑流量和輸沙量分別與前一年份的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,獲得各年份的增加和減少情況如圖6(b)所示。1989—2001年,黃河入海口段面積變化和徑流量、輸沙量的增減趨勢(shì)一致;自2004年開始,入??诙蚊娣e的增減和徑流量、輸沙量的變化關(guān)系不明顯。
(a) 徑流量、輸沙量和入??诙蚊娣e
(b) 徑流量、輸沙量和入??诙蚊娣e變化
黃河泥沙淤積在海岸帶造陸,海洋動(dòng)力作用又不斷侵蝕,黃河三角洲面積在河流泥沙淤積和海洋動(dòng)力侵蝕的雙重作用下不斷發(fā)生變化。研究表明:20世紀(jì)90年代以前黃河三角洲面積增加大于減少,而之后則減少大于增加[24],近年來(lái)海岸線的長(zhǎng)度雖然發(fā)生了很大的變化,但總體面積并沒(méi)有顯著增長(zhǎng)[3,25];且1986—1995年淤積面積小于蝕退面積,三角洲處于蝕退狀態(tài),1996—2013年黃河三角洲總體呈現(xiàn)向海延伸的變化,陸地面積略微增加[10]。本研究亦得到類似的結(jié)果,1986—2015年研究區(qū)面積縮小,整體處于輕微蝕退狀態(tài);但整個(gè)研究時(shí)段內(nèi)面積變化規(guī)律大致如下:1986—1997年急劇蝕退,1997—2006年淤積后相對(duì)穩(wěn)定,2006—2015年輕微蝕退。研究區(qū)的面積變化尤其是入??诙蔚拿娣e變化與黃河入海徑流量和輸沙量關(guān)系密切。黃河入海水沙在20世紀(jì)80—90年代顯著減少,尤其是1986年后,持續(xù)枯水少沙。據(jù)利津站水沙觀測(cè)數(shù)據(jù),1997年黃河斷流長(zhǎng)達(dá)202 d;1986—1997年淤積面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于蝕退面積,研究區(qū)總面積急劇減少,到1997年達(dá)到最低值(表2)。自1999年流域?qū)嵭薪y(tǒng)一水資源配置,2002年開始又實(shí)施調(diào)水調(diào)沙,入海水沙量增多,1997—2006年研究區(qū)面積有所增加。自2006年開始,黃河入海水沙量呈現(xiàn)減少趨勢(shì)并且年間波動(dòng)較大,相應(yīng)時(shí)段內(nèi)的研究區(qū)面積也出現(xiàn)輕微減少趨勢(shì)。1989—2001年黃河入??诙蚊娣e增減與入海水沙增減趨勢(shì)一致,但自2004年后,其關(guān)系并不顯著(圖6(b))。黃河自2002年開始實(shí)施調(diào)水調(diào)沙,入海水沙模式與之前有所不同,這是可能原因之一;同時(shí),入??诘挠傥g變化涉及多方面的因素[1],具體原因尚需進(jìn)一步探討。
黃河三角洲各海岸段的底質(zhì)、地形、地貌、水動(dòng)力學(xué)特征、沖淤狀態(tài)等各有差別[26],由此導(dǎo)致海岸線的演化具有明顯的時(shí)空異質(zhì)性。王苗苗等[10]將東營(yíng)市境內(nèi)的岸段分為6個(gè)部分,分析了1979—2013年黃河三角洲海岸線變遷的時(shí)空異質(zhì)性,本文根據(jù)岸段特點(diǎn),將整個(gè)岸段分為4個(gè)部分,雖然用的數(shù)據(jù)年份不同,具體年份之間無(wú)法進(jìn)行比較,但時(shí)段內(nèi)的變化趨勢(shì)基本一致。
a. 刁口段為蝕退型海岸,1976年黃河改道清水溝流路后,該岸段失去了水沙來(lái)源的有效補(bǔ)給,加之沉積物以粉砂為主,處于松散狀態(tài),穩(wěn)定性差[27],海洋動(dòng)力的侵蝕導(dǎo)致海岸線極易發(fā)生蝕退。本文結(jié)果表明,1986—1997年,刁口段面積大幅度蝕退,蝕退速率在所有時(shí)段中最高;1999—2006年,面積持續(xù)減少,但減少幅度降低;2008—2015年,海岸線輕微淤進(jìn)。這與改道初期侵蝕較快、以后逐漸減緩的研究結(jié)論[2,28-29]一致。另外,自2010年開始,黃河三角洲實(shí)施“生態(tài)補(bǔ)水”戰(zhàn)略,刁口河流路恢復(fù)過(guò)水,生態(tài)補(bǔ)水的同時(shí)帶來(lái)泥沙淤積,這也是近年來(lái)刁口段海岸線輕微淤進(jìn)的原因。
b. 由于人工堤壩的修建,1986—2015年?yáng)|營(yíng)港及鄰近岸段海岸線總體變化不大,面積基本穩(wěn)定。1986年,港口和油田中間的海岸線呈自然狀態(tài),其他年份海岸線均為堤壩,這是因?yàn)?988年樁西油田建成之后,海岸線基本被固定下來(lái)[1]。也有研究表明,受渤海冷流南下的影響,現(xiàn)行河口區(qū)域的入海水沙通過(guò)潮流和風(fēng)力的作用很難輸運(yùn)到該區(qū)域而導(dǎo)致區(qū)域潮灘未出現(xiàn)淤積[30]。由于海洋動(dòng)力的作用,輕微的淤積和蝕退發(fā)生的區(qū)域僅出現(xiàn)在港口兩側(cè)。
c. 入海口段是研究期內(nèi)變化最為劇烈的區(qū)域。1976年黃河改道清水溝流路,1986年之前屬于改道初期,黃河入海水沙量大,行水河口在行水流路初期延伸較快[30],該時(shí)段清水溝流路附近海岸線呈明顯向海延伸變化,淤積面積最大,海岸線增長(zhǎng)速率最快[10]。1986—1997年,黃河入海水沙持續(xù)減少,尤其是1997年的持續(xù)斷流,黃河入海水沙跌至低谷,這使得入海口門雖然繼續(xù)向深水區(qū)延伸,但沙嘴兩側(cè)區(qū)域特別是沙嘴南側(cè)受到海洋的動(dòng)力作用,侵蝕程度不斷增大,致使該區(qū)域面積呈微弱向海擴(kuò)張的態(tài)勢(shì)。1996年黃河入??诟牡狼灏算夂恿髀泛螅辈恐饾u形成沙嘴。1999—2006年,由于黃河水資源統(tǒng)一管理和調(diào)度政策以及調(diào)水調(diào)沙的實(shí)施,入海水沙增加,黃河入海年均徑流量和年均輸沙量分別為 124.42億m3和1.57億t。行水河口(清八汊河流路)不斷淤積,老河口(清水溝流路)因失去水沙供應(yīng),海洋動(dòng)力作用使其受到持續(xù)侵蝕。該區(qū)域總體呈淤積趨勢(shì),其面積較上一時(shí)期(1986—1997年)增加了 114 km2。由于新形成的河口不斷向海淤積、延伸和擺動(dòng),致使行水河道入??诜较虿粩嘧兓?,2009年開始,黃河入海口改道為偏北走向。2008—2015年,黃河入海年均徑流量和年均輸沙量分別為177.98億m3和1.01億t,雖然年均徑流量較上一時(shí)期(1999—2006年)增加,但輸沙量卻減少了36%。在海洋動(dòng)力作用下,無(wú)水沙來(lái)源的清水溝流路進(jìn)一步蝕退,清八汊河流路雖有淤積,但淤積速度較改道初期變緩,一是由于黃河來(lái)水來(lái)沙量減少,同時(shí)也可能與沙嘴附近的海域地形、潮流特點(diǎn)及泥沙的擴(kuò)散方向等多種因素有關(guān)[1],該區(qū)域總面積減少。
d. 萊州灣岸段在研究時(shí)段內(nèi)(1986—2015年)面積略有減少。其面積變化趨勢(shì)與入??诙晤愃?,均在1997年最低,之后波動(dòng)變化,2013年面積顯著減少。這種變化一方面由于防潮岸堤的構(gòu)建,使得海岸線的蝕退得到有效控制,面積變化較??;另一方面,該區(qū)域淤積的泥沙主要來(lái)自黃河入??谀嗌常S河入海水沙減少時(shí),該區(qū)域的泥沙來(lái)源同時(shí)減少,且黃河改道清八汊河流路后,輸送到萊州灣岸段的泥沙減少。
a. 1986—2015年,研究區(qū)內(nèi)海岸線淤進(jìn)與蝕退交替進(jìn)行,總體處于輕微蝕退狀態(tài)。面積變化規(guī)律大致為:1986—1997年持續(xù)蝕退,1997—2006年淤積后面積基本穩(wěn)定,2006—2015年輕微蝕退。
b. 各岸段變化特征不同,刁口段海岸線先蝕退后淤進(jìn),總體上為蝕退狀態(tài);東營(yíng)港及鄰近岸段海岸線基本穩(wěn)定;萊州灣岸段處于輕微蝕退狀態(tài);入??诙魏0毒€變化最為復(fù)雜,總體向海淤進(jìn)延伸,行水河道不斷淤積,非行水河道不斷蝕退。
c. 研究區(qū)面積尤其是入??诙蚊娣e變化與黃河入海水沙關(guān)系密切,但淤蝕變化同時(shí)與海域地形、泥沙擴(kuò)散方向等諸多因素有關(guān),因此,面積變化與徑流量、泥沙量變化并不完全一致。