曹雯婷，張華國*，李 睿

(1.衛(wèi)星海洋環(huán)境動力學國家重點實驗室，浙江 杭州 310012; 2.自然資源部第二海洋研究所，浙江 杭州 310012；3.浙江大學地球科學學院，浙江 杭州 310027)

0 引言

海岸帶是海陸之間相互作用的地帶，也是全球人口最集中、經(jīng)濟最發(fā)達的區(qū)域。潮灘提供了豐富的土地、生物等資源，其蘊涵的紅樹林、鹽沼濕地等，是國際公認的“藍碳”生態(tài)系統(tǒng)，具有固碳、抵御風暴潮災害和凈化污染物等重要生態(tài)價值，在應對全球氣候變化和實現(xiàn)“碳中和”目標方面具有極其重要的作用[1-3]。然而，在全球氣候變化和高強度人類活動的背景下，圍墾養(yǎng)殖、陸源污染、海平面上升等因素引起了海岸帶生態(tài)系統(tǒng)退化、水文動力過程改變和生物多樣性降低等一系列生態(tài)環(huán)境問題。因此，加強對海岸帶岸灘變化的監(jiān)測和評估，對促進資源的合理有效利用和維護海洋經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

遙感技術(shù)具有觀測范圍廣、時效性強、時間序列長等優(yōu)點，是海岸帶監(jiān)測的有效手段。已有學者結(jié)合多時相Landsat影像和地形圖等資料，研究環(huán)渤海地區(qū)[4-5]、浙江省[6]、長江口[7]、珠江口[8]等區(qū)域的岸灘變遷，結(jié)果表明在圍填海影響下，我國的海岸線持續(xù)向海推進、潮灘資源呈下降趨勢。近年來，隨著遙感技術(shù)的發(fā)展和遙感數(shù)據(jù)量的增加，岸灘監(jiān)測已從間隔5～10 a逐漸發(fā)展為逐年監(jiān)測，例如，有學者已在江蘇中部海岸[9]、海南新村港[10]等區(qū)域開展了岸灘逐年動態(tài)監(jiān)測研究。

海島陸域面積狹小、生態(tài)容量有限、生態(tài)環(huán)境較為脆弱，作為開發(fā)利用海域資源的重要依托，其岸灘變化引起了廣泛關注。研究表明，過去幾十年以來，海南島[11-12]、舟山島[13-16]、廟島群島南五島[17]等海島開發(fā)強度大，岸灘資源銳減。已有研究大多局限于單個海島，較少探究不同主體功能島群之間的岸灘變化差異。

隨著海洋經(jīng)濟發(fā)展和人口集聚，以圍墾為主的高強度人類活動引起了舟山部分海島潮灘濕地生態(tài)環(huán)境退化、生物多樣性降低等生態(tài)環(huán)境問題[14]，亟需開展對舟山群島岸灘格局變化的長時序監(jiān)測評估。為此，本文擬以舟山群島為研究區(qū)，基于逐年30 m空間分辨率的岸灘遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)集，探究不同主體功能島群的岸灘變化格局分異特征，為海岸帶生態(tài)保護和修復工程提供科學依據(jù)，從而實現(xiàn)海洋經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展。

1 區(qū)域概況

舟山群島(圖1)位于長江口南端、杭州灣外緣的東海海域，海域面積約2.08萬km2，陸域面積約 1 440 km2，是長江流域?qū)ν忾_放的海上門戶和通道。舟山擁有我國最大的漁場——舟山漁場，是世界四大漁場之一，海洋生物種類豐富, 包括上千種魚類、蝦類、軟體動物、底棲生物、浮游動物、浮游植物和潮間帶生物[18]。舟山群島擁有曲折綿長的海岸線，航道資源豐富、建港條件優(yōu)越[18]。2011年6月30日，浙江舟山群島新區(qū)正式批復成立；2017年，舟山自貿(mào)港區(qū)正式掛牌成立，將其規(guī)劃為大宗商品儲運、中轉(zhuǎn)、加工和交易中心、現(xiàn)代海洋產(chǎn)業(yè)基地等，以拉動整個長江流域經(jīng)濟。

舟山市政府制定了《舟山市海島保護規(guī)劃(2014—2020年)》[19]，根據(jù)海島的區(qū)位條件、資源稟賦及發(fā)展基礎，將舟山群島141個有居民島劃分為綜合利用島、港口物流島、臨港工業(yè)島、清潔能源島、濱海旅游島、現(xiàn)代漁業(yè)島、海洋科教島和海洋生態(tài)島等八種類型(圖1)，采用分類開發(fā)的方式對資源進行有序利用，使海島的發(fā)展定位更具有特色[20]。

圖1 舟山群島區(qū)位(a)及主體功能島群劃分(b)Fig.1 Location of Zhoushan Archipelago(a) and its principle functional zoning(b)

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)集

本文采用舟山群島1986—2017年逐年的“陸-灘-水”分布遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)，針對不同主體功能島群，開展長時間序列岸灘變化特征分析。以覆蓋研究區(qū)的所有Landsat影像(近2 000景，包括Landsat 5 TM, Landsat 7 ETM+, Landsat 8 OLI)為主要數(shù)據(jù)源，結(jié)合成像時刻的潮位數(shù)據(jù)，通過構(gòu)建水體指數(shù)時間序列、變點檢測以及潮位相關性分析等方法，在逐像元水平將沿海地表覆蓋類型劃分為陸地、潮灘、水域三個類型[15]。海岸線是指平均大潮高潮時水陸分界的痕跡線；潮灘是海岸線與平均大潮低潮海陸分界線之間的潮浸地帶，高潮時淹沒，低潮時出露(圖2)[21-22]。

圖2 岸灘剖面示意圖Fig.2 Schematic diagram of a coast profile

從中等分辨率光學遙感影像可探的角度出發(fā)，按照地表覆水頻率對數(shù)據(jù)進行分類：陸地是始終出露的部分，即遙感水體指數(shù)始終小于0的像元，包括城市用地、林地、農(nóng)用地等；潮灘是高潮時淹沒、低潮時出露的部分，即在高潮時水體指數(shù)大于0，低潮時水體指數(shù)小于0的像元；水域是始終被水覆蓋的部分，即水體指數(shù)始終大于0的像元，在本研究中主要包括濱海養(yǎng)殖水域和近海海域。

為減少數(shù)據(jù)處理量，同時又確保數(shù)據(jù)覆蓋岸灘變化區(qū)域，將數(shù)據(jù)集限定為舟山市海島海岸線兩側(cè)各1 km建立的研究區(qū)(面積約2 800 km2)，下文基于該研究區(qū)開展岸灘變化面積統(tǒng)計分析。該數(shù)據(jù)集的時間分辨率為逐年，空間分辨率為30 m。在研究期首、尾年份數(shù)據(jù)中隨機選取驗證樣本300個(每期陸地、潮灘、水域各100個)，在岸灘變化區(qū)域隨機選取樣本250個，根據(jù)Landsat時序影像和Google Earth影像，逐個開展樣本地表覆蓋類型、變化時間的目視解譯工作。經(jīng)驗證，岸灘類型分類精度為90%～95%(1986年)以及87%～92%(2017年)，岸灘變化年份的檢測精度為91%[15]。由上可知，該數(shù)據(jù)具備較高的時空分辨率和可靠的監(jiān)測精度，可用于支撐本研究的岸灘變化特征分析。

2.2 分析方法

基于2017年的海島數(shù)量及類型，對比不同海島主體功能島群的岸灘演變特征的差異。為定量探究研究區(qū)“陸地-潮灘-水域”的年際變化趨勢，選擇面積的絕對變化量(km2)、相對變化量(%)和采用復利準則計算的年均變化率(%)[23]對岸灘變化特征進行定量分析，其對應的公式如下所示：

c=A2-A1

(1)

(2)

(3)

式中：c是面積的絕對變化量，p是面積的相對變化量，r是面積的年均變化率，A1和A2分別對應t1和t2年份的面積。使用ArcGIS Desktop 10.5 軟件對岸灘分布特征進行空間統(tǒng)計分析，并結(jié)合R語言對結(jié)果進行時序數(shù)值分析和作圖展示。

3 結(jié)果與討論

3.1 舟山群島岸灘變化特征

如圖3所示，舟山群島在1986—2003年期間岸灘變化較為緩慢，圍填海共計16 km2，養(yǎng)殖水域擴張14 km2，水域的年均下降率為0.02%，潮灘和陸地年均增加率分別為0.05% 和0.03%；在2003—2017年期間，岸灘變化較劇烈，圍填海工程侵占了水域136 km2，侵占潮灘16 km2?？傮w上，研究區(qū)內(nèi)，潮灘和水域分別以1.5% 和0.5%的年均速率下降，陸域面積以1.3%的年均速率持續(xù)增加，共計152 km2水域和18 km2潮灘被圍填成陸地。

圖3 舟山群島“陸-灘-水”的逐年面積統(tǒng)計(a)和逐年變化面積統(tǒng)計(b)Fig.3 Annual area statistics(a) and annual conversion area statistics(b) of each coastal cover types (i.e., land, tidal flat, and water) in the Zhoushan Archipelago(根據(jù)文獻[15]修改。)(Modified from reference [15].)

以2003年為拐點，研究期的后15 a圍填面積(152 km2)約為前18 a(16 km2)的10倍。連島工程在圍填海中占有很大比例(圖4)：小魚山島與大魚山島同為臨港工業(yè)島，因圍填海工程合并為魚山島；小髫果山島、橫檔山島和魚龍山島原均為臨港工業(yè)島，后被并入作為綜合利用島的金塘島；大髫果山島和大鵬山島同為濱海旅游島，通過修建海堤合并；梁橫山島原為臨港工業(yè)島，后被作為綜合利用島的舟山島合并。

圖4 典型區(qū)域圍填海工程前后的Landsat影像Fig.4 The Landsat images before and after land reclamation in the typical areas

3.2 不同主體功能島群的岸灘變化特征分析

舟山群島不同的主體功能島群呈現(xiàn)3種岸灘演變特征:(1)綜合利用島、臨港工業(yè)島、港口物流島和濱海旅游島岸灘變化劇烈，圍海造陸進程迅猛，占研究區(qū)總增量的96%；(2)海洋科教島和現(xiàn)代漁業(yè)島的岸灘變化范圍幅度較小，其新增陸地面積占研究區(qū)總增量的4%；(3)海洋生態(tài)島和清潔能源島的岸灘穩(wěn)定不變。

研究區(qū)內(nèi)共8個綜合利用島，集居住和商務功能為一體，人口密度大。綜合利用島在研究期內(nèi)的岸灘變化最劇烈，有80 km2水域和10 km2潮灘轉(zhuǎn)換為陸地，有7.5 km2陸地被開墾成養(yǎng)殖水域，6 km2水域淤積成潮灘(圖5a)。從時間尺度上分析，綜合利用島岸灘變化先緩慢再劇烈，并在2016年之后放緩。舟山島是舟山群島的中心島(圖6b)，岸灘變化幅度較大，研究期內(nèi)圍填海面積達45 km2；岱山島、六橫島、金塘島、泗礁山島是城市發(fā)展的4個副中心，前3個海島岸灘變化較為劇烈，新增陸地面積分別為17、13和10 km2，泗礁山島的變化幅度小于2 km2；大洋山島的功能定位是發(fā)展與洋山深水港配套的綜合服務，靠近舟山島的小干馬峙島和魯家峙島是中心城區(qū)的重要組成，這些海島在研究期內(nèi)圍填面積小于 2 km2。

圖5 不同主體功能島群的逐年岸灘變化面積統(tǒng)計Fig.5 The annual area statistics of conversion types in the islands with different principle functions

臨港工業(yè)島通過圍填海新增陸地面積共 23 km2，主要發(fā)生2006—2011年和2016—2017年(圖5b)。2006—2008年，由于船舶修造業(yè)的發(fā)展，岱山區(qū)的小長涂山島(圖6c)和定海區(qū)的長白島圍填海較為劇烈；2016—2017年期間，為建立石油煉化基地，大魚山島和小魚山島通過填海造陸的方式從孤立的兩個單島合并為魚山島。

濱海旅游島在2007—2016年有14 km2海域被圍填成陸地(圖5c)。濱海旅游型海島包括主題文化度假類、海島生態(tài)觀光類、海島休閑度假類。其中，作為最大主題文化度假島的朱家尖島，在所有濱海旅游島中圍填海進程最劇烈(圖6d)；大鵬山、秀山島、懸鵓鴣山島屬于海島休閑度假類，也存在少量圍填海工程；生態(tài)觀光類海島以保護自然旅游資源為主，圍填海工程較少。

港口物流島新增陸域面積33 km2(其中90%來自對水域的圍墾)，同時伴隨有2.5 km2的養(yǎng)殖水域擴張(圖5d)。其中，1993年前后，大長涂山島、佛渡島新增少量養(yǎng)殖塘；2002—2015年，小洋山島、衢山島、馬跡山島、鼠浪湖島、大長涂山島的圍填面積分別為17、4、1.6、1.5和1 km2。在所有港口物流島中，小洋山島岸灘變化最劇烈(圖6e)，2003—2008年期間洋山港深水碼頭一到三期工程的圍填面積達 12 km2，在2006年變化最劇烈，和東海跨海大橋的通車時間較一致。目前小洋山港深水碼頭已經(jīng)是中國最大的集裝箱港。

海洋科教島的岸灘變化幅度較小(圖5e)。研究區(qū)內(nèi)海洋科教島共有4個，分別為定海區(qū)的長峙島、摘箬山島、小摘箬山島和普陀區(qū)的西閃島。這些海島陸域腹地和人口規(guī)模均較小，也不具備優(yōu)越的深水岸線，因此在研究期前20 a不存在大規(guī)模的海岸開發(fā)工程。由于浙江海洋大學和浙江大學相繼在這些海島設立新校區(qū)和科研實驗基地，存在一定的岸灘變化。其中，長峙島(圖6f)作為浙江海洋大學新校區(qū)所在地，于2010年啟動圍填海工程，累計新增陸域面積2.8 km2，是海洋科教島中岸灘變化最劇烈的海島；摘箬山島是浙江大學與舟山市合作共建的海洋科技示范島，建設有漂浮式海試平臺、海流能發(fā)電試驗電站等海上實驗基地，有少量近岸潮灘(0.07 km2)轉(zhuǎn)換成水域。

現(xiàn)代漁業(yè)島的岸灘變化幅度較小(圖5f)?，F(xiàn)代漁業(yè)島共5個，包括：定海區(qū)的圓山島，普陀區(qū)的登步島，嵊泗縣的大黃龍島、枸杞島和嵊山島。其中，普陀區(qū)的登步島(圖6g)以生態(tài)漁業(yè)養(yǎng)殖為定位，在1990年前后通過在陸域范圍內(nèi)挖塘養(yǎng)殖，新增養(yǎng)殖水域 1 km2；其余4個現(xiàn)代漁業(yè)島——圓山島、大黃龍島、枸杞島和嵊山島的定位是發(fā)展現(xiàn)代捕撈技術(shù)和遠洋漁業(yè)，岸灘動態(tài)變化較小。

圖6 不同主體功能島群代表性區(qū)域的岸灘變化圖Fig.6 Changes of coastline and tidal flat in the typical regions in islands with different principle functions(圖a為代表性區(qū)域的區(qū)位，圖b代表綜合利用島，圖c代表臨港工業(yè)島，圖d代表濱海旅游島，圖e代表港口物流島，圖f代表海洋科教島，圖g代表現(xiàn)代漁業(yè)島。子圖1表示變化發(fā)生的年份，子圖2表示變化類型。)(Fig.a: the locations of the typical regions; fig.b: comprehensive development island; fig.c: coastal industry island,; fig.d: coastal tourism island; fig.e: harbor and logistics island; fig.f: marine science and education island: fig.g: scientific fishery island. Subgraphs 1: conversion years, and subgraphs 2: conversion types.)

清潔能源島和海洋生態(tài)島的岸灘在研究期內(nèi)較穩(wěn)定。其中，普陀區(qū)東福山島是研究區(qū)內(nèi)唯一的清潔能源型島，尚未開展開發(fā)利用；普陀中街山列島、馬鞍列島和浪崗山列島是研究區(qū)的海洋生態(tài)島，其岸灘資源在研究期內(nèi)保育完好。

3.3 不同時期實施的政策對岸灘變化的影響

不同主體功能島群之間的岸灘變化差異取決于海島自身的自然條件、傳統(tǒng)經(jīng)濟基礎和社會經(jīng)濟發(fā)展，其中政策對舟山群島岸灘變化具有重要驅(qū)動作用。

漁業(yè)是舟山傳統(tǒng)經(jīng)濟的主要產(chǎn)業(yè)。但由于長期過度捕撈，漁業(yè)資源嚴重衰退，政府采取了一系列措施養(yǎng)護漁業(yè)資源，主要包括：(1)1985年中國調(diào)整漁業(yè)發(fā)展方針，鼓勵發(fā)展水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)；(2)20世紀90年代中期提出季節(jié)性休漁制度，禁止所有漁船在特定季節(jié)實施捕撈作業(yè)；(3)中國與日本、韓國分別在1997年和1998年簽署的《中日漁業(yè)協(xié)定》和《中韓漁業(yè)協(xié)定》，限制了舟山漁民在東海海域內(nèi)的捕撈[24]。以上一系列政策均促進了舟山群島在1986—2003年期間水產(chǎn)養(yǎng)殖用地擴張劇烈，大量陸域和潮灘轉(zhuǎn)變成水域。

為了發(fā)展海洋經(jīng)濟，國務院在2003年發(fā)布《全國海洋經(jīng)濟發(fā)展規(guī)劃綱要》。舟山市憑借豐富的深水岸線資源條件，確立“以港立城”、“以港興市”的戰(zhàn)略，大力建設港口碼頭，引起了大量自然岸線人工化，海岸線不斷向海推進以及潮灘面積銳減。2003年是舟山群島岸灘變化速率的拐點。此后，隨著舟山群島新區(qū)的建立，舟山群島的圍填海持續(xù)保持在較高強度。

2018年，《國務院關于加強濱海濕地保護嚴格管控圍填海的通知》發(fā)布，明確取消了圍填海地方年度計劃指標，除國家重大戰(zhàn)略項目外，全面停止新增圍填海項目審批[25]。研究區(qū)在2017年之后岸灘變化較小。本研究所采用的1986—2017年數(shù)據(jù)集能夠較完整地反映研究區(qū)過去30多年的岸灘變化規(guī)律。

4 小結(jié)

本文基于1986—2017年逐年30 m空間分辨率岸灘遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)集，針對不同主體功能島群開展舟山群島岸灘演變特征的長時序分析。結(jié)果表明，在研究期內(nèi)舟山群島通過對水體和潮灘的圍填，岸灘不斷向海推進。舟山群島岸灘變化的強度以2003年為拐點，2003—2017年的圍填面積約為1986—2003年的10倍。不同主體功能島群岸灘變化的強度可分為劇烈、少量和穩(wěn)定三種。其中，綜合利用島、臨港工業(yè)島、港口物流島和濱海旅游島作為研究區(qū)的建設重心，其圍填海面積共占研究區(qū)總量的96%；海洋科教島和現(xiàn)代漁業(yè)島岸灘變化幅度較??；海洋生態(tài)島和清潔能源島在研究期內(nèi)得到了較好的保護。