城市河口填海特征及其生態影響的形態學研究

葛 玥，龔清宇

（天津大學 建筑學院，天津 300250）

河口，是開放海面與河流相連的通道，也是人類填海起源地區。其中平坦開闊、資源豐富，但缺少天然屏障的淤泥質（基質粒徑小于0.031mm）河口［1］，是最活躍的填海區域之一。

我國城市化進程快,土地與發展間矛盾巨大。填海成為沿海地區獲取土地的重要方式之一：如2002年后渤海地區填海面積占全國比例由6.57%增長到30.35%，其中天津增速最快，較2002年前填海面積增加了106.9倍［2］。然而，填海在釋放土地經濟效益的同時，造成生態承載力的不斷下降［3］。本文從城市形態學角度切入，借鑒先進圖像繪制方法，研究城市河口填海形態與生態的關系，旨在為填海規劃及評價提供一定參考，并為填海地區經濟發展與生態保護的適當平衡提供有益借鑒。

1 相關研究動態及問題

1.1 城市形態學

城市形態學始于19世紀初，以物質空間的屬性、結構為線索，旨在尋找形態的機理解釋。傳統城市形態學以意大利、法國和英國三大學派為代表，以歐洲中世紀歷史城鎮為研究對象，在城市演進下衰落。為解釋蔓延的“無形態城市”［4］，2007年國際城市形態論壇確定研究對象轉移到亞洲等新的人類活動區的目標［5］，標志城市形態學當代復興。然而，對于填海造地下的城市河口等極缺且亟需形態認識和形態控制的地區，城市形態學研究并未涉及。

1.2 制圖技術

制圖（Mapping）是貫穿城市形態學始終的研究方法，是根據特定需要對真實環境信息進行提煉過濾和重組的技術［6］，包括原始圖像、轉換算法和重建圖像三大要素，旨在借助圖像凸顯構成邏輯。傳統制圖數據源種類少、轉換算法主觀模糊、成圖費時偏差大的問題，在當代遙感技術和地理信息系統（GIS）支持下得以彌補。但制圖三要素的標準需求始終缺乏論證，導致形態研究結果準確度和可信性降低。

2 城市河口形態繪制

2.1 研究對象篩選

相關研究顯示，地理位置和氣候條件是河口案例選擇的重要標準［7］。本次將天津作為典型案例，選擇與其自然環境類似的北半球、溫帶或亞熱帶氣候區、淤泥質海岸的20個大中型河口建港城市為研究對象（見表1）。

表1 各城市河口基本情況

2.2 % 城市河口形態繪制

近20a來，遙感和GIS使測繪精度大幅提升，一系列大規模、長歷時海岸帶繪制工程得以開展［8-9］并引發制圖方法新的研究熱潮，很多前沿成果成為本次的參照依據。

2.2.1 數據源選擇

GE衛星地圖為歐美和包括中國在內的亞洲主要國家提供分辨率1m和0.5m的高精圖像，幾乎覆蓋本次研究的全部案例，成為滿足本次研究需求的原始圖像來源。

2.2.2 % 河口形態拾取規則

（1）形態要素分類

形態要素分類見表2。

表2 城市河口形態要素分類

（2）拾取精度確定

對自然與人工要素主導的河口分別選用不同拾取精度（最小地圖單元MMU）標準：在人工要素主導的河口區，以識別最小人工構筑物形態（即顯示為狹長面）為確定MMU閾值標準；在自然形態要素主導的河口區，以識別最小自然要素形態，且識別最小人工構筑物位置（即顯示為點或線）為標準。 根據A.M.Lechner等（2009）1/11原理［10］，及劉學軍等（2009）根據最小可視元原理［11］得出的成圖比例與MMU關聯公式，得出本次需要的數據源為：建設河口段分辨率1.42m，成圖比例1∶5714，截圖視高1.2km；非建設河口段分辨率2m，成圖比例1∶20000，截圖視高4.3km。 所需分辨率在GE影像可提供范圍內，驗證為合理。

2.2.3 圖像重建標準

2.2.3.1 手工描繪階段

以1.42m和2m間距柵格網作為不同河口段描繪線拐點定位參照標準，描繪各城市河口形態和規模特征。手工描繪具有一定主觀誤差，無法保證統一精度。

2.2.3.2 統一處理階段

以手工制圖成果為基礎圖像，以ArcGIS為圖像處理工具，統一描繪標準；利用基礎形態指數穩定區間，確定第2階段圖像重建粒度與幅度，確保后續指數研究準確度。

（1）重建幅度

河口在缺乏長歷時潮汐數據下，難以確定形態界限［12］。 本文應用B-L曲線法（B為河岸寬度，L為距離原點沿河流軸線的累積長度），以曲線上明顯拐點（河流為承載河口水文過程而突然放寬）為河口-河流分界點，以外包絡線為河口-海洋分界線［13］。統計得出城市河口研究幅度（面積）集中在100～300km2，見圖1。

（2）重建粒度

根據基礎圖像2m分辨率標準，設置9組對照組（MMU4,6,8,10,12,15,20,30,40）。以面積、長度和邊界密度為基礎指數，找出維持其穩定變化的MMU區間，得出MMU邊長閾值為10m，即利用ArcGIS、以更大間距柵格網處理原始圖像，圖像形變趨勢將改變；邊長4m、6m的兩個對照組形變最小，穩定性最強。綜上考慮，6m是適宜本次研究的重建圖像粒度標準。

圖1 河口范圍界限圖與B-L曲線圖（以英國泰晤士港Thames河口為例）

4 城市河口形態指數分析

指數分析是分解要素并尋找關聯的量化方式，可挖掘出不易被圖像直觀表示的細節特征。在適宜的尺度下，保證分析準確性。

4.1 指數選取原則

Maggi Kelly（2010）［14］、李秀珍（2004）［15］等發現越簡單的指數，變化趨勢穩定性越強，可靠性越高。所以本文以基礎性、針對性、簡單化為原則，設定河口形態特征指數。

圖2 填海方式示意圖

4.2 特征指數分類統計

4.2.1 填海方式與斑塊破碎度

根據填海邊線與岸線位置關系，將填海方式分為3類：順岸式、補岸式和凸岸式，見圖2。

可以發現，區位便利的河口頭部是填海發生的最主要位置；我國填海位置超出河口范圍案例占到80%，多為凸岸式，反映出我國填海現狀多方向擴張態勢；在島嶼斑塊間進行填海活動最不易直觀辨識（荷蘭和韓國都采用此方式），凸岸式則最容易通過形態識別出來，往往會成為城市河口形態中的標地，甚至影響整個城市識別性。

將填海斑塊數量與其面積總和的比值定義為破碎度，直觀反映填海斑塊形態的分割程度。結果表明，亞洲城市河口填海斑塊破碎度較低，其中天津獨流減河南疆港規劃采用凸岸式單一斑塊填海，是其余案例填海斑塊平均面積的近6倍，造成亞洲填海斑塊平均值（32.36km2）超過歐美（14.36km2）2.25倍，類比于在不足荷蘭填海歷時1/100情況下完成更劇烈的填海工程。

4.2.2 潮間帶寬度與衰退指數

潮間帶是介于平均大潮高低潮位之間、可穩定岸線的地帶。劇烈的填海活動使潮間帶寬度減小并喪失自然緩沖防護功能［16］。其中平均高低潮位之間的潮間帶潮汐作用最活躍，對河口形態起主要維護作用，其寬度作為本次評價城市河口形態穩定性的指標：統計各城市河口范圍GE影像更新時間，確定潮位數據統計時間，提高潮位數據與圖像匹配度；搜索潮位監測數據，計算與影像更新年份對應的年均高、低潮高程和平均潮差；利用GE高程提取工具，確定城市河口研究范圍內高低潮位線平面位置，量取其與影像顯示潮灘邊界的距離；根據偏移距離，修正階段2圖像的潮間帶邊界，計算城市河口范圍內潮間帶平均寬度，見圖3。

圖3 潮間帶寬度修正流程

按照GE影像更新時間和覆蓋度，將20個城市河口分為4類，見圖4。歐洲案例普遍影像更新滯后于亞洲案例，這與當代亞洲大規模填海背景相一致。

圖4 城市河口GE影像更新時間圖

從數據與繪制圖像匹配度出發，以最近GE更新時間為統計終點，統計2000年后各年平均潮差。結果表明，絕大多數在2005～2006年出現年平均潮差拐點，呈現典型二次函數曲線特征，說明近幾年潮汐過程明顯不同于早年。這是全球自然條件與局部人工環境共同作用的結果。因此將拐點時間作為統計始點，計算始點至終點年份之間平均高、低潮高程和潮差的年平均值，準確反映城市河口潮汐狀態，并排除監測瞬時差異。

結果顯示，案例中多數潮間帶寬度較小，特別是天津海河口，不斷擴張的填海范圍已全面侵占原本寬闊的灘涂。對照填海方式可見，凸岸式填海下潮間帶對于城市河口岸線形態穩定作用最弱。

基于對填海位置和方式的整體認識可知，多數城市河口填海造地的面積，是以侵蝕潮間帶面積換取的，因此利用填海面積占其與潮間帶估算面積總和的比值 （即填海侵占原本潮間帶的比率）作為間接衡量潮間帶衰退程度指數。

結果顯示，35%案例潮間帶衰退程度超過50%，說明填海工程對潮間帶侵占嚴重。我國案例中，除永定新河河口（S）外，其余衰退指數均超過70%。對照填海斑塊破碎度結果可見，潮間帶衰退指數曲線與填海斑塊破碎度指數曲線走勢反向對照，一定程度上說明同等填海規模下多個斑塊較單個斑塊的填海方式對潮間帶侵占影響小。

5 結語

通過最小可視元和基礎形態指數穩定域方法，得出城市河口建設區所需GE影像分辨率1.42m，非建設區GE分辨率2m；在此基礎上形態重建幅度100～300km2，粒度6m （閾值10m）。圖像尺度以城市河口特征形態要素為制定依據，保證了形態分析準確度。

通過案例城市河口形態特征分析，得出亞洲城市河口較歐美的填海斑塊平均面積大、數量少、方式單一且形態突兀，在以潮間帶指數為生態評價要素的前提下，反映出較差的河口形態穩定性和生態狀況。因此，從形態學和生態影響角度看，基于我國沿海城市擴張需求，更宜采用順岸式多斑塊而非凸岸式單斑塊的填海規劃方案。

［1］楊華.關于淤泥質海岸與粉沙質海岸界定的探討［J］.水道港口,2008,29（3）:153-157.

［2］戴桂林,蘭香.基于海洋產業角度對圍填海開發影響的理論分析——以環渤海地區為例［J］.海洋開發與管理,2009,26（7）:24-26.

［3］Joost H.M.de Ruig.Coastline management in The Netherlands:human use versus natural dynamics［J］.Journal of Coastal Conservation,1998,4（2）:127-134.

［4］Camila Eugenia Pinzón Cortes.Mapping Urban Form ［D］.Delft（The Netherlands）:Technische Universiteit Delft,2009.

［5］ISUF,International Seminar on Urban Form.http://www.urbanform.org.

［6］A.Corboz.Het territorium als palimpsest［A］.Tuinkunst Nederlands Jaarboek voor de Geshiedenis van Tuinen Landschapsarchitectuur［Z］.Amsterdam:Architectura&natura,1997.

［7］Ian C.Potter,Benjamin M.Chuwen,Steeg D.Hoeksema,et al..The concept of an estuary:A definition that incorporates systems which can become closed to the ocean and hypersaline［J］.Estuarine,Coastal and Shelf Science,2010,87（3）:497-500.

［8］NCMP.http://shoals.sam.usace.army.mil/Mapping.aspx.

［9］Coastal Resource and Habitat Inventories.http://aczisc.dal.ca/czmproj.htm#GULF.

［10］Alex Mark Lechner,Alfred Stein,Simon D.Jones,et al..Remote sensing of small and linear features:Quantifying the effects of patch size and length,grid position and detectability on land cover mapping［J］.Remote Sensing of Environment,113（10）:2194-2204.

［11］劉學軍,王彥芳,晉蓓,等.GIS柵格化分辨率計算器的實現與應用［J］.地球信息科學學報,2009,11（5）:638-644.

［12］M.Elliott,D.S.McLusky.The Need for Definitions in Understanding Estuaries［J］.Estuarine,Coastal and Shelf Science,2002,55（6）:815-827.

［13］高抒.從海岸地貌學看河海劃界的可操作性［J］.海洋學研究,2009,27（1）:23-27.

［14］Maggi Kelly,Karin A.Tuxen,Diana Stralberg.Mapping changes to vegetation pattern in a restoring wetland:Finding pattern metrics that are consistent across spatial scale and time［J］.Ecological Indicators,2010.

［15］李秀珍,布仁倉,常禹,等.景觀格局指標對不同景觀格局的反應［J］.生態學報,2004,24（1）:123-134.

［16］王福,裴艷東,李建芬,等.天津潮間帶高程現狀與濱海新區城市安全［J］.2010,29（5）:682-687.