黃河三角洲河口區濱海濕地面積動態變化與影響因素分析

楊 偉,陳沈良

(1.棗莊學院 旅游與資源環境學院,山東 棗莊 277160; 2.華東師范大學 河口海岸學國家重點實驗室,上海 200062)

濕地是介于陸地和水域之間的獨特的生態系統,它具有穩定環境、物種基因保護和資源利用功能,被譽為地球的“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系統[1-3]。黃河三角洲濕地是中國暖溫帶地區最完整、最廣闊、最年輕的新生濕地生態系統[4],該濕地主要分布于濱海區域,以灘涂濕地為主; 由于該區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,同時又受到海域波、流動力侵蝕的影響,濕地資源變化十分頻繁。目前黃河三角洲濕地面臨大規模圍墾開發、黃河斷流、濕地污染、海平面上升和海岸蝕退等問題,生態破壞比較嚴重,濱海濕地面積嚴重萎縮,生態系統逐漸退化[5-7]。因此,了解黃河三角洲濕地動態變化及影響因素,對濕地資源的合理開發和保護具有極為重要的意義。

近年來,濕地研究內容增多,領域擴大,已成為全球普遍關注的熱點; 濕地生物多樣性,濕地生態恢復與重建,濕地健康與評價,濕地開發、保護與管理等方面的研究不斷增多,其中應用遙感和 GIS技術進行濕地動態監測研究,已經取得了較好進展[8-14],遙感技術為獲取濕地資源環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、多時相的地表信息,為從不同時序上對濕地進行分析創造了條件[15]; GIS具有強大的空間信息處理和分析功能,能夠快速、精確和綜合地對復雜的濕地系統進行空間定位和過程動態分析。但以往研究僅局限于一幅或幾幅遙感數據來研究黃河三角洲濕地的生態環境要素特征變化,對濱海濕地尤其是低潮線以下區域研究較少。濱海濕地受海陸共同作用,是脆弱的生態敏感區。本文以多期遙感影像數據和水深資料為基礎,對黃河改道清水溝流路以來變化最為活躍的河口區濱海濕地進行監測研究,以期準確掌握其動態變化規律,并在此基礎上探討影響研究區濱海濕地動態變化的主要因素,為有關部門制定正確的濕地可持續發展戰略提供依據。

1 區域概況

黃河三角洲位于渤海灣南岸和萊州灣西岸,是一個非常年輕的三角洲,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,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雜。由于孤東油田以北和宋春榮溝以南距黃河口較遠,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象,該區域在河海兩大動力相互作用及人類活動共同影響下,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的區域。

圖1 研究區及水下三角洲長期測深斷面布設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衛星遙感數據,其中1976年、1981年為MSS數據,分辨率為80 m,其他為30 m分辨率; 1987,1996,2008年的Landsat7 ETM圖像前期已通過實測地面控制點進行過幾何精校正,本次研究中將其作為標準圖像,在ERDAS IMAGINE遙感圖像處理軟件的支持下分別對其余幾年的遙感影像進行了影像對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深數據,包括的年份有 1976,1987,1992,1996,2000和2005年,水深數據以黃海基準面為基面,測量起點為實時水邊線以下,斷面有 CS21,CS22,CS23,CS24,CS25,CS26,CS27,CS28,CS29(圖1)共9條。利用計算機及遙感圖像處理軟件ERDAS IMAGE對TM及MSS遙感圖像進行分析處理,從中獲取高、低潮線,在ARCGIS下進行分析、計算,即可得出灘涂面積的變化; 同時依據水下斷面的測深數據,通過內插方法獲取-2,-5和-6m等深線,在ARCGIS中分別算出研究區低潮線至-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遙感影像的分類處理與目視解譯相結合來確定,因此簡單易行,不需要進行修正。而且,在不是很長的時間系列內,這個平均值受潮汐及海平面的影響較小,可以看作一個常值。低潮線是重要的界線,是植被發育的外界線,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,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,在地貌上容易識別。

將TM3,TM4和TM2波段通過假彩色合成后成像,通過與地面測量剖面對比分析發現,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,以此為基礎提取14個時期的高、低潮線,并界定灘涂的范圍為高、低潮線之間的區域[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,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,在入海口處堆積大量泥沙,造成河口沙嘴迅速向海淤進。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生改變,在北汊迅速淤積出一個小沙嘴,原河口區剛停止行河,其河口沙嘴正處于快速蝕退期,波流作用使其遭受強烈沖刷。1995年以來,黃河斷流天數增加,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,最低輸沙量僅為 0.16×108t/a; 同時新口門北部的凹海灣潮流場較弱,但由于該區域泥沙顆粒較細,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流,流速較大,沙嘴進一步侵蝕后退[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,輸沙量也達到3.65×108t/a,研究區灘涂面積凈增102.7 km2,達到 398 km2。2000年以后,新河口逐漸發育成熟,清水溝新的入海流路逐漸穩定,岸灘淤積速率減緩。自 2002年小浪底開始第一次調水調沙后,入海水沙雖然得到有效控制,但老河口區仍處于蝕退期,且灘涂屬弱能區,受人類活動影響較大,因此研究區灘涂總面積略有減少。

表1 研究區灘涂面積統計表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常被靜止或流動的水體所浸淹的沿海低地,潮間帶灘地及低潮時水深不超過 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,現對低潮線至水下-2,-5和-6 m濕地區域分析其面積變化規律,將低潮線至水下-5 m區域一起研究是因為-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區域的濕地面積變化規律為：1976年后一直呈現快速增長態勢,到1987年面積達到最大,為371.5 km2。此后面積呈減少趨勢,至1996年實施清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;2000年后,黃河入海水沙呈現減少趨勢,雖然在2002年開始實施調水調沙工程,但濕地面積仍呈減少趨勢,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,1996年實施清8出汊工程以后,新河口區以新形成的沙嘴為中心繼續向海淤進,而老河口區向海淤進速率變緩,至2005年老河口區-2 m等深線逐漸向陸蝕退,新河口區向海淤進距離增大,老河口區岸線在海洋動力作用下強烈蝕退; 總體來看,低潮線至-2 m區域濕地面積仍呈減小之勢。

圖3 研究區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區域的濕地面積變化規律基本一致,由圖4可知：1987年分別快速增長至445.05 km2和487.82 km2; 此后進入快速減少階段,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等深線強烈向海淤進(圖 4),在 1996年,這兩部分區域濕地面積達到最大,分別為522.2 km2和552.05 km2。清8出汊后,新河口區的-5 m和-6 m等深線繼續向海淤進,老河口區則向陸劇烈蝕退,這兩部分區域濕地面積均呈緩慢減少趨勢,2005年分別減少到 438.34 km2和468.31 km2。

圖4 研究區等深線位置變化圖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,是典型的生態脆弱區,在人類活動和自然因素作用下,黃河入海水沙急劇減少,加之黃河斷流、海岸侵蝕和人類對濕地的干擾活動等因素共同作用,直接導致了現代黃河三角洲濱海濕地成為全球性的高脆弱性生態系統。

4.1 自然因素

4.1.1 黃河斷流與入海沙量減少

黃河斷流的現象始于20世紀70年代早期,黃河自1972年開始出現斷流,斷流19 d,斷流長度310 km,此后,黃河斷流頻繁發生; 1972～1999年的28 a中,有22 a出現斷流,斷流年份占79%; 1997年,黃河下游利津水文站斷流226 d,斷流河段長達704 km[20]。隨著斷流時間的增長,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因素,黃河入海沙量與濱海濕地面積存在著一定的相關性,由圖5(R為相關系數)可看出,雖然灘涂面積與入海沙量相關性較小,但對灘涂面積和淺海濕地合并與入海沙量進行相關分析時發現：高潮線至-2 m濕地面積與入海沙量的相關性達到 0.82。因此黃河來水來沙量的變化,必然改變三角州海岸的淤蝕狀態,影響著濕地面積的變化。1999年,黃河水利委員會對黃河水量實行全流域統一調度并采取經濟手段等使斷流持續時間大大減少,2000年以來未出現斷流,但斷流威脅時時存在。

黃河斷流致使入海泥沙銳減,破壞了河口區的沖淤平衡,三角洲岸線蝕退,斷流現象的持續,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關系,當入海泥沙量為2.78億t/a、入海徑流量為76.7億m3/a時,黃河三角洲造陸處于臨界平衡狀態[22]。由此說明黃河斷流對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進一步加快,有可能會使研究區成為濱海濕地面積蝕退最快的區域。

4.1.2 海岸侵蝕

海岸侵蝕是當今全球海岸普遍存在的地質災害現象,也是造成濱海濕地損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地帶,不僅受到來自陸地和河流淡水徑流作用,同時還受到海流和潮流的影響,是生態脆弱帶[24]。海岸侵蝕使岸線后退,潮間帶變窄,引起海岸帶環境惡化,海岸帶開發的經濟效益和社會效益下降; 流路變遷、入海水沙量減少和海面相對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,長時期的黃河泥沙塑造三角洲海岸的同時也不斷地造就了廣闊的灘涂資源,研究時段內灘涂面積曾于1998年達到398 km2。黃河來水來沙,三角洲不斷造陸擴展,海岸在淤進和蝕退中向海推進。黃河泥沙填海造陸,造成新辟河口沙嘴發育延伸,廢棄河口沖蝕后,由于缺乏沙源的補給,在波浪、潮流等海洋動力的作用下,沙嘴、岸灘都有不同程度的蝕退,特別是廢棄河口區,其突出沙嘴的故河口,蝕退作用相當明顯。由遙感影像解譯可知,1996年實施清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年河口地區造陸面積為負值,平均每年蝕退 1.86 km2。2002年實施調水調沙工程以來,對沙嘴的延伸有明顯的影響,但總體侵蝕并無改觀; 研究區灘涂總面積已由1998年時最高的398 km2減少到2008年的 322 km2。

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

4.2 人類活動

隨著河口地區社會經濟的快速發展,人類活動成為影響黃河三角洲濕地景觀演變的最活躍因素,土地開發利用、工農業生產、油田開發、水利工程建設等成為濕地景觀演變的主要驅動力。

灘涂資源的開發與圍墾是導致濱海濕地損失退化的主要原因之一[18]。圍墾是不合理開發利用濕地的一種形式,它不僅使濕地生物失去了棲息地,導致沿岸生態環境惡化,海岸災害頻發,而且完全破壞了濕地原有的生態環境,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;而且灘涂經人工改造后,濕地面積受到嚴重損害,濱海濕地生態系統遭到極大破壞并可能徹底喪失[25]。灘涂開發圍墾的最直接結果就是濱海濕地面積大幅度銳減,研究區灘涂面積由 1998年的398 km2減少到2008年的322 km2; 同時還使濕地環境惡化,生態系統受到嚴重損壞。

隨著黃河尾閭的淤積造陸,河口濕地逐漸成為油田建設區,濕地面積大量減少,濕地功能不斷下降,最終將影響社會環境協調發展,危及濕地生態環境,濱海濕地的退化不可避免。另外,雖然黃河三角洲自然保護區的建立和發展在濕地保護和利用中發揮了巨大作用,但在短期內并不能遏制濕地退化的趨勢。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。

5 結語

黃河三角洲河口段是濱海區濕地面積變化最為劇烈的區域,通過1996年清8出汊工程對研究區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水調沙工程等人類活動也影響其面積變化。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。另外灘涂圍墾與開發、油田建設等人類活動對濕地水文生態系統也產生了嚴重影響,使三角洲濕地面積不斷減少。為保護濱海濕地這一重要海岸帶資源,應從可持續發展的角度出發,因地制宜的制定保護和開發計劃,對濱海濕地實行有效的統一管理,有計劃地進行濕地資源的恢復、研究和保護; 合理調控人類的開發活動,做到既保持濕地生態平衡,促進良性循環,又使濕地資源得到持續利用。

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