康波,丁家瑋,王志文,2,王子豪,毛健,2,吳雪,2,許慶

(1.浙江省海洋科學(xué)院 杭州 310012;2.自然資源部海洋空間資源管理技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 杭州 310012)

0 引言

海岸線是指平均大潮高潮位時(shí)海陸分界的痕跡線,是海陸交互作用地帶[1]。海岸線的變化深刻影響海洋空間資源和生態(tài)環(huán)境。浙江省位于中國東南沿海、長江三角洲南翼,東臨東海,南接福建,北與上海、江蘇為鄰。浙江是海洋大省,海域遼闊,海島眾多,海岸線長度與海島個(gè)數(shù)均居全國首位。近年來,海岸線資源保護(hù)與開發(fā)利用的矛盾日漸突出,自然岸線保有率形勢嚴(yán)峻,因此,開展海岸線時(shí)空變化研究對(duì)于浙江省海洋空間資源管理和海洋生態(tài)環(huán)境保護(hù)具有重要意義。

國內(nèi)已有許多學(xué)者開展了對(duì)浙江沿海的岸線變遷情況的研究。2004年,楊金中等[2]對(duì)浙江東部穿山半島岸線及潮灘演變的遙感調(diào)查研究表明,從20世紀(jì)60年代開始,岸線向海遷移基本上是由工業(yè)填海和圍海造田所致。2005年,張華國等[3]利用1986年以來8個(gè)時(shí)相的TM/TM+遙感資料進(jìn)行研究,認(rèn)為1986年以來杭州灣岸線演化主要是由人工圍墾和灘涂養(yǎng)殖引起。2006年,馮利華等[4]根據(jù)歷史和實(shí)測資料研究慈溪市海岸變化過程及其成因,結(jié)果表明,慈溪灘涂在1949年之后每年平均向外推進(jìn)50～100 m,其誘因是大規(guī)模的人類活動(dòng)。2015年,黃承力等[5]利用6期衛(wèi)星影像數(shù)據(jù),分析了l981—2014年臺(tái)州灣大陸海岸線的變遷特點(diǎn)和驅(qū)動(dòng)力因素,認(rèn)為臺(tái)州灣海域大規(guī)模的圍墾造陸工程是造成岸線向海推進(jìn)的主要原因。以上研究主要集中在部分區(qū)域,從時(shí)間尺度上缺乏70年代初期改革開放前的數(shù)據(jù),從解譯精度上缺乏實(shí)測數(shù)據(jù)作為參考,同時(shí)對(duì)岸線變遷的驅(qū)動(dòng)力分析不足。

本研究利用1970—2018年6期遙感影像,結(jié)合海岸線實(shí)測數(shù)據(jù),通過RS和GIS技術(shù),準(zhǔn)確提取了浙江省海岸線的位置和類型,綜合利用海岸線數(shù)字分析系統(tǒng)(DSAS)的多個(gè)模型進(jìn)行定量分析,計(jì)算了海岸線的平均變化速率、終點(diǎn)變化速率等指標(biāo),客觀分析了海岸線類型、空間區(qū)域和典型岸段的演替規(guī)律,從自然和人類活動(dòng)兩方面系統(tǒng)分析了浙江省海岸線變遷的驅(qū)動(dòng)力因素,對(duì)浙江省海岸線的保護(hù)與修復(fù)和海洋管理部門的科學(xué)決策具有重要意義。

1 研究區(qū)概況

浙江省位于中國東南沿海中部,地理位置位于27°12'N—31°31'N和118°E—123°E之間。海域廣闊,海域面積26萬km2,大陸海岸線北起滬浙交界的金絲娘橋,南至浙閩交界的虎頭鼻,長度居全國第五位。

2 數(shù)據(jù)來源和分析方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本研究收集了1970年、1980年、1990年、2000年、2010年和2018年共6期遙感影像(表1)。此外,還收集了2018年比例尺為1∶5 000的浙江省大陸岸線監(jiān)測矢量數(shù)據(jù)(精度優(yōu)于1 m),作為遙感影像幾何精校正和岸線精度驗(yàn)證數(shù)據(jù)。

表1 遙感影像信息

由于各期遙感影像分辨率、坐標(biāo)系、投影不同,首先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理。采用HIS變換融合方法,將高空間分辨率的全色波段鑲嵌圖與多光譜波段鑲嵌圖進(jìn)行融合,利用實(shí)測岸線的坐標(biāo)點(diǎn),參照已配準(zhǔn)的2018年高分遙感影像對(duì)其他影像數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn),將岸線、遙感影像等數(shù)據(jù)統(tǒng)一為CGCS2000國家大地坐標(biāo)系和高斯-克呂格投影(中央經(jīng)線121.5°E)。校正后的數(shù)據(jù)空間誤差小于2 m。

2.2 海岸線提取與分析

參照相關(guān)技術(shù)規(guī)范[6],將海岸線分為2類,包括自然岸線和人工岸線,其中自然岸線分為基巖岸線、砂礫質(zhì)岸線和河口岸線,人工岸線分為道路、海堤、碼頭、船塢、防潮閘、填海造地[7]。本研究采取目視解譯方法,以“908”岸線和2018年實(shí)測岸線為參考,提取各期海岸線并進(jìn)行拓?fù)錂z查和精度驗(yàn)證,確保誤差在0.5～1.0個(gè)像元以內(nèi)。

目前,海岸線的分析方法主要有數(shù)字岸線分析法、面積法、動(dòng)態(tài)分割法、最小二乘法和人工化指數(shù)等[8-12]。平均速率法可以充分反映各時(shí)期的海岸變化情況[13],數(shù)字岸線分析法可以利用不同模型自動(dòng)計(jì)算海岸線變化率[14],得出岸線空間分布差異;人工化指數(shù)可以反映人類活動(dòng)對(duì)海岸線的影響程度,體現(xiàn)岸線類型變化。根據(jù)浙江省大陸海岸線特點(diǎn),本研究選擇數(shù)字岸線分析法、面積法來分析岸線時(shí)空變化。

數(shù)字岸線分析法是由美國地質(zhì)調(diào)查局(USGS)基于ArcGIS平臺(tái)研發(fā)的數(shù)字岸線分析系統(tǒng)(Digital Shoreline Analysis System,DSAS)4.3版 本[15]。DSAS通過回歸分析方法計(jì)算海岸線的變化速率,工作原理:①創(chuàng)建基線(Baseline),基線為陸上、海上和中岸的組合;②海岸線的設(shè)置,所有海岸線都必須位于同一個(gè)圖層中;③生成切線,設(shè)置橫斷面長度為6 000 m,間隔為600 m,表示每隔600 m基線向海岸線生成一條橫切面,共生成橫切面2 000余條;④通過交點(diǎn)與海岸線的距離計(jì)算海岸線的變化;⑤計(jì)算岸線變化速率,利用統(tǒng)計(jì)模型[終點(diǎn)變遷速率(EPR)、凈岸線移動(dòng)距離(NSM)]表征相鄰兩期岸線的變化。在DSAS分析系統(tǒng)計(jì)算中,NSM表征兩期海岸線的凈變化距離,用m表示;EPR表征海岸線的每年的變化速率,用m/a表示,正值表示向海推進(jìn),負(fù)值表示侵蝕[16-18]。

式中:i為最遠(yuǎn)年份海岸線與剖面線相交的點(diǎn);j為最近年份海岸線與剖面線相交的點(diǎn);E(i,j)為自最遠(yuǎn)年份海岸線到最近年份海岸線的終點(diǎn)變化率,即EPR;di和dj分別為最遠(yuǎn)年份和最近年份的海岸線距離海岸線基線距離;ΔY(j,i)為最近年份與最遠(yuǎn)年份之間的時(shí)間間隔。

為了分析海岸線類型的變化,引入岸線人工化指數(shù)(IA),主要反映人類活動(dòng)對(duì)岸線的影響程度[19]。IA計(jì)算公式為:

式中:IA為岸線人工化指數(shù);N為人工岸線長度;L為海岸線總長度。IA越大,表明海岸線人工化程度越高。

3 海岸線變化結(jié)果分析

3.1 海岸線長度和圍填海分析

根據(jù)遙感影像的解譯和矢量化統(tǒng)計(jì)結(jié)果,1970年、1980年、1990年、2000年、2010年和2018年海岸線類型統(tǒng)計(jì)表如表2。

表2 浙江省各類型海岸線長度統(tǒng)計(jì) km

人工岸線以海堤和填海造地為主。從1970年至今約50年中,浙江省大陸岸線發(fā)生了劇烈的變遷,圍填海、圍海養(yǎng)殖等開發(fā)活動(dòng)導(dǎo)致海岸線持續(xù)向海推進(jìn),圍填海工程造成部分海島滅失,像玉環(huán)島等島嶼就是在大規(guī)模的圍填海過程中連島成陸。

海岸線長度方面,近50年間浙江省大陸海岸線長度總體呈明顯遞減趨勢,共減少了186.74 km(圖1a)。從時(shí)間序列來看,1970年以來,浙江省共圍填海約14.77萬hm2,浙江省海岸線的變遷幅度與圍填海開發(fā)強(qiáng)度具有較高的一致性(圖1b),這說明浙江省大陸岸線變遷首要因素為圍填海工程,5個(gè)時(shí)期變化規(guī)律為減少-增加-增加-增加-減少。從圍填海規(guī)模和時(shí)間來看,1970—1980年、2000—2010年和2010—2018年3個(gè)時(shí)期圍填海活動(dòng)較為劇烈。1970—1980年圍填海面積為2.99萬hm2,這一時(shí)期隨著改革開放,沿海經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展,圍海養(yǎng)殖、圍填?；顒?dòng)頻繁,實(shí)施了杭州灣南岸圍墾工程、三門灣胡陳港和大塘港堵港蓄淡工程、隘頑灣圍海養(yǎng)殖、漩門一期工程和樂清清江岸灘圍涂等工程;1980—2000年,圍填?；顒?dòng)有所減緩;2000—2018年,隨著灘涂圍墾、區(qū)域建設(shè)用海等積極的圍填海管控政策的出臺(tái),圍填海規(guī)模達(dá)到頂峰,圍填海面積為9.37萬hm2,在這兩個(gè)時(shí)期主要實(shí)施了杭州灣南岸、寧海下洋涂、臨海北洋涂、臺(tái)州灣十一塘、漩門三期、龍灣二期和蒼南江南涂等大規(guī)模的圍填海工程。

圖1 1970—2018年浙江省圍填海面積及海岸線長度變化

3.2 海岸線類型變化和人工化指數(shù)

從岸線類型方面看,浙江省大陸海岸線分為自然岸線和人工岸線,以人工岸線為主。從不同類型的岸線變化長度來看,自然岸線減少趨勢明顯,從1970年的1 059.54 km減少到2018年的678.17 km,變化率為36%。其中基巖岸線占比最高,主要分布在杭州灣以南,長度減少了378.81 km,砂礫質(zhì)岸線占比次之,但浙江省砂礫質(zhì)岸線資源總體較少,2018年長度為31.03 km,長度減少了6.86 km。人工岸線趨勢化較為嚴(yán)重,近50年間人工岸線由1970年的1 276.75 km增加到2018年的1 473.85 km,變化率為15.44%。

從人工化指數(shù)方面看,浙江省大陸岸線人工化程度除了20世紀(jì)80年代略有下降,基本呈逐年上升趨勢,由1970年的54.65%增加到2018年的68.49%,而人工岸線長度與人工化指數(shù)趨勢基本一致,呈逐年增長趨勢。這主要是人工岸線截彎取直,平直化嚴(yán)重,導(dǎo)致海岸線總長度減少(圖2)。

圖2 1970—2018年浙江省岸線類型及人工化指數(shù)

3.3 海岸線變化速率分析

3.3.1 變化速率分析

在DSAS分析中計(jì)算了浙江省沿海5個(gè)不同時(shí)期的海岸線變化,分別為1970—1980年、1980—1990年、1990—2000年、2000—2010年 和2010—2018年。在計(jì)算EPR和NSM的基礎(chǔ)上,發(fā)現(xiàn)浙江省沿海岸線在不同年份不同時(shí)間具有不同的特征,但總體呈現(xiàn)向海推進(jìn)的趨勢(表3)。

表3 浙江省岸線變化趨勢

1970—1980年浙江省海岸線年變化速率18.12 m/a,總體以增長為主,年變化最大的區(qū)域位于杭州灣、三門灣和樂清灣,平均變化率分別為28.09 m/a、25.45 m/a、26.57 m/a。其中最大增長率和最大侵蝕率均出現(xiàn)在三門灣區(qū)域,分別為1 234.42 m/a和-76.95 m/a。象山港、椒江口和甌江口的平均變化較小,尤其是甌江口,基本處于平衡狀態(tài),平均變化率為-0.06 m/a,最大增長率為3.46 m/a,最大侵蝕率為-8.78 m/a。

1980—1990年,浙江省沿海岸線總體變化較小,年變化速率為5.67 m/a,較1970—1980年有明顯的下降。其中,平均變化速率最大的是杭州灣,變化速率為15.97 m/a,最大增長率為186.54 m/a,最大侵蝕率為-35.11 m/a。平均變化速率最小的是甌江口,為-0.47 m/a,總體呈現(xiàn)輕微的侵蝕狀態(tài),最大增長率為0.28 m/a,最大侵蝕率為-3.86 m/a。

1990—2000年,浙江省沿海岸線總體繼續(xù)呈現(xiàn)向海推進(jìn)的態(tài)勢,年變化速率為11.73 m/a。其中,平均變化速率最大的是樂清灣地區(qū),為29.76 m/a,最大增長率為787.44 m/a,最大侵蝕率為-15.15 m/a。平均變化速率最小的是象山港區(qū)域,為2.01 m/a,最大增長率為166.86 m/a,最大侵蝕率為-18.63 m/a。

2000—2010年,浙江省岸線變化最大,年變化速率達(dá)到了43.04 m/a。杭州灣、三門灣和椒江口均呈現(xiàn)明顯的增長狀態(tài),平均分別為160.46 m/a、30.64 m/a、47.21 m/a。其中最大增長率和最大侵蝕率分別出現(xiàn)在三門灣和杭州灣地區(qū),分別為1 007.37 m/a和-32.39 m/a。平均變化速率最小的是甌江口區(qū)域,為4.7m/a,總體仍呈現(xiàn)向海推進(jìn)的狀態(tài),最大增長率為88.03 m/a,最大侵蝕率為-11.74 m/a。

2010—2018年,浙江省岸線年變化率與2000—2010年相比出現(xiàn)了顯著的下降,為32.13 m/a。其中平均變化速率最大的分別為杭州灣和甌江口,分別為74.90 m/a和51.17 m/a,其中最大變化率和最大侵蝕率均出現(xiàn)在杭州灣,分別為594.58 m/a和-67.27 m/a。象山港、三門灣、椒江口和樂清灣的平均變化率較小,基本處于平衡狀態(tài)或輕微的增長狀態(tài),分別為1.81 m/a、0.81 m/a、0.43 m/a、1.75 m/a。

3.3.2 變化趨勢分析

為了客觀描述全省岸線的增長-侵蝕狀態(tài),根據(jù)EPR數(shù)值特征,對(duì)岸線進(jìn)行分類,主要表現(xiàn)岸線的增長-侵蝕變化趨勢。綜合岸線解譯誤差、岸線變化特征將海岸線變化趨勢分為3類:淤進(jìn)(EPR≥5 m/a)、平衡(-5 m/a≤EPR＜5 m/a)、蝕退(EPR＜-5 m/a)[20]。

1970—2018年共分為5個(gè)時(shí)期,綜合來看,處于平衡狀態(tài)的岸線在各期占比最高,均在70%以上,處于淤進(jìn)狀態(tài)的岸線占比次之,處于蝕退狀態(tài)的岸線占比最低(圖3)。處于淤進(jìn)狀態(tài)的岸線經(jīng)歷了急速下降-持續(xù)增加-下降的變化過程。第一個(gè)階段為20世紀(jì)70年代到80年代,處于淤進(jìn)狀態(tài)的岸線由27.44%下降到13.12%;第二階段為80年代到21世紀(jì)初10年,處于淤進(jìn)狀態(tài)的岸線占比持續(xù)增加,由13.12%增加到24.38%;第三階段為2000—2010年到2010—2018年,處于淤進(jìn)狀態(tài)的岸線占比有所下降,由24.38%增加到16.78%。處于蝕退狀態(tài)的岸線占比均低于6%,最高為1990—2000年的5.83%,最低為2010—2018年的2.2%。處于平衡狀態(tài)的岸線占比均在70%以上,最高為1980—1990年的82.55%。

圖3 1970—2018年浙江省岸線狀態(tài)占比

3.4 變遷原因分析

海岸線變遷受自然因素和人為因素等多方面的影響。自然因素主要包括泥沙運(yùn)移、海平面上升、河流改道和地形地勢變化;人為因素主要包括圍填海、海水養(yǎng)殖和海岸工程建設(shè)等。其中,人為因素,尤其是因?yàn)槌鞘邪l(fā)展需要進(jìn)行的大規(guī)模圍填海,是造成浙江省大陸海岸線變遷的主要原因。

3.4.1 自然因素

海岸線變遷是海岸帶沖淤演變的直接體現(xiàn),是河流、潮汐、海流、波浪及風(fēng)暴潮等水動(dòng)力條件在特定海平面變化背景和海陸邊界條件下共同作用的結(jié)果。浙江省地處長江口南,省內(nèi)有錢塘江、椒江、甌江等河流,輸沙量在一定程度上影響海岸線淤進(jìn)的速度。浙江省水文局和中國水利部發(fā)布的《中國河流泥沙公報(bào)》統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示,三峽水電站等大型水庫建設(shè)導(dǎo)致浙江入海河流年輸沙量總體上明顯地減少,導(dǎo)致浙江省河口區(qū)因輸沙的減少而使海岸線受到了侵蝕[21]。另外,從中長期看,海平面上升是引起大范圍岸線內(nèi)移的重要因素,《2020年中國海平面公報(bào)》顯示,1980—2020年近40年間東海海平面上升了136 mm[22]。除此之外,河流改道、地形地勢變化都會(huì)在一定程度上改變海岸的蝕淤狀態(tài),影響了海岸線的變遷。

3.4.2 人為因素

人類活動(dòng)對(duì)于大陸海岸線的改變和利用從未間斷,特別是1949年以來各地圍海造堤、建塘修壩和攔閘蓄水等活動(dòng)直接改變著浙江省海岸線的位置和類型。浙江沿岸灘涂資源非常豐富,利用豐富的灘涂資源進(jìn)行圍墾造地一直是浙江省緩解人多地少矛盾的主要措施。20世紀(jì)50年代至70年代,浙江省逐漸擴(kuò)大了圍海范圍,即從高灘圍海發(fā)展到中、低灘促淤圍海,圍墾速度達(dá)到0.933萬hm2/a,主要用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn),表現(xiàn)為攔閘蓄水、圍海造堤。1980—2000年,隨著改革開放的深入,第二產(chǎn)業(yè)、第三產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展,傳統(tǒng)養(yǎng)殖業(yè)興起,圍海養(yǎng)殖、圍填?；顒?dòng)進(jìn)一步加劇。1996年浙江省出臺(tái)的《浙江省灘涂圍墾管理?xiàng)l例》和2006年國家海洋局印發(fā)的《關(guān)于加強(qiáng)區(qū)域建設(shè)用海管理工作的若干意見》極大地促進(jìn)了圍填海工程的實(shí)施,2000—2015年圍填?；顒?dòng)達(dá)到頂峰。隨著2016年《海岸線保護(hù)與利用管理辦法》和2018年《關(guān)于加強(qiáng)濱海濕地保護(hù)嚴(yán)格管控圍填海的通知》等海岸線、圍填海管控政策的出臺(tái),海岸線變化趨于穩(wěn)定。

4 結(jié)論與建議

本研究基于6期遙感資料,以實(shí)測數(shù)據(jù)為參考,利用數(shù)字海岸線分析系統(tǒng)(DSAS)對(duì)浙江省1985—2018年的大陸海岸線進(jìn)行提取及定量計(jì)算岸線變化速率,分析岸線變化的特征和趨勢,得出結(jié)論如下。

(1)近50年來,浙江省大陸海岸線呈明顯遞減趨勢,海岸線的平均變化率為22.14 m/a,海岸線總長減少了184.27 km,自然岸線減少了381.37 km,人工岸線增加了197.10 km,海岸線整體向海推進(jìn),共形成圍填海約14.77萬hm2,1970—1980年、2000—2010年和2010—2018年圍填?；顒?dòng)最為劇烈。

(2)浙江省大陸海岸線以人工岸線為主,自然岸線保有量逐年降低,岸線人工化趨勢明顯,人工岸線截彎取直,平直化嚴(yán)重。人工化指數(shù)除了20世紀(jì)80年代略有下降,基本呈逐年上升趨勢,由1970年的54.65%增加到2018的68.49%,人工岸線長度與人工化指數(shù)趨勢具有較強(qiáng)的一致性。

(3)海岸線向海推進(jìn)趨勢明顯,平均變化率為26.72 m/a,1980—1990年平均變化率最低,為6.45 m/a,2000—2010年平均變化率最高為49.88 m/a。海岸線變化主要發(fā)生在杭州灣、象山港、三門灣、臺(tái)州灣、樂清灣和甌江口岸段。從海岸線的增長-侵蝕變化趨勢來看,處于平衡狀態(tài)的岸線在各期占比最高,均在70%以上,處于淤進(jìn)狀態(tài)的岸線占比次之,處于蝕退狀態(tài)的岸線占比最低。

(4)浙江省大陸海岸線變遷受自然因素和人為因素等多方面的影響。人為因素尤其是因?yàn)槌鞘邪l(fā)展需要進(jìn)行的大規(guī)模圍填海是造成浙江省大陸海岸線變遷的主要原因,2000—2015年圍填?；顒?dòng)達(dá)到頂峰。隨著2016年《海岸線保護(hù)與利用管理辦法》和2018年《關(guān)于加強(qiáng)濱海濕地保護(hù)嚴(yán)格管控圍填海的通知》等海岸線、圍填海管控政策的出臺(tái),海岸線變化趨于穩(wěn)定。

海岸線是具有重要生態(tài)價(jià)值的海洋空間資源,一旦破壞極難恢復(fù)。為有效保護(hù)和改善海岸線的狀況,除了出臺(tái)嚴(yán)格管控圍填海和海岸線保護(hù)政策外,應(yīng)該建立海岸線退縮制度,同時(shí),將生態(tài)價(jià)值高、自然稟賦好的自然岸線納入生態(tài)紅線保護(hù)。此外,還要開展基于自然的海岸線生態(tài)保護(hù)與修復(fù),尤其是加強(qiáng)受損岸線修復(fù)和人工岸線生態(tài)恢復(fù),不斷提高自然岸線保有率。