基于遙感的黃河三角洲海岸線變化研究

栗云召,于君寶韓廣軒王永麗,張志東

(1.中國科學院 煙臺海岸帶研究所,濱海濕地生態實驗室,山東省海岸帶環境過程重點實驗室 山東 煙臺264003;2.中國科學院 研究生院 北京 100049)

海岸帶是響應全球氣候變化最迅速、生態環境最敏感、最脆弱的地帶[1],在全球氣候變化的背景下,國際地圈生物圈計劃(IGBP)將海岸帶陸海相互作用(LOICZ)作為其核心計劃之一,其研究的重心就是居于界面位置的海岸帶[2]。位于河海交接區域的河口三角洲,是海岸帶重要而特殊的組成部分,同時受到河流和海洋動力的雙重作用,對陸海相互作用的響應更為顯著,其直觀表現就是岸線的形狀與長度變化和區域面積變化。

對海岸線的提取可以通過現場探測技術進行,但現場探測方法必須做大量的野外工作,耗時費力,工作周期長,不利于大面積探測和應用推廣[3]。相比而言,遙感技術感測范圍廣、更新時間短,具有強大的數據獲取能力,能夠直觀地反應海岸線的岸相特征,適于海岸線的提取。隨著遙感技術在水陸岸線提取方面的理論的成熟,利用遙感技術檢測岸線變化在國內外得到了廣泛應用[3-9]。

黃河是世界上入海泥沙通量最高的河流[4],入海口水淺坡緩,易于淤積,近百余年來,黃河尾閭擺動比較頻繁[5-6],使得黃河三角洲的陸海變遷比較顯著,海岸形態變化劇烈。而黃河三角洲是我國重要的油氣產區,同時是我國三大河口三角洲濕地之一[7],為東北亞內陸和環太平洋鳥類的遷徙提供了重要的停歇地和越冬地[8]。 及時、準確地監測黃河三角洲的岸線變化及演變趨勢,對合理地開發利用該區域的資源和管理保護其生態環境具有重要的指導意義。何慶成[9]、董方[10]、薛允傳[11]等分別采用遙感和GIS相結合的方法對黃河三角洲1976年改道清水溝流路以來的岸線及淤蝕變化情況作了研究;常軍[12]、崔步禮[13]等則在通過遙感檢測黃河三角洲岸線變化的基礎上,從黃河的來水來沙量等水文狀況變化方面對黃河三角洲岸線變遷作了分析,并得出了保證黃河三角洲沖淤平衡的水沙量,預測了黃河隨未來來水來沙量的不同而可能發生的淤蝕情況,這些研究為黃河三角洲的岸線變化及淤蝕變化等方面的研究提供了參考。

本文在前人研究的基礎上,根據黃河三角洲淤蝕變化的集中區域,著重從三角洲的三個亞區域的岸線變遷、面積及淤蝕變化方面出發,分析三角洲1989年到2009年的岸線演變情況、面積變化及淤蝕劇烈程度,從而為該區域的相關研究和管理提供參考和依據。

1 研究區域概況

黃河三角洲包括古代、近代和現代三角洲,本文的研究區域以墾利縣漁洼村為頂點,北到挑河口,南到永豐河口,東到海岸,主要部分為現代黃河三角洲。在此研究區內,依據黃河現在和過去入海的流路[14],分別以東港高速、黃河北岸溝渠大堤為界將研究區分為刁口河流路區、神仙溝流路區和清水溝流路區三個亞區域(圖1)。研究區域主要是三角洲沖積平原,地勢平坦,海拔多在 10 m 以下,年均氣溫12.8℃,年均降水 550～600 mm,降水量季節變化和年際變化大[5]。海岸區域主要是泥質粉砂質海岸和人工海堤,其中清水溝流路區主要是泥質粉砂質海岸,神仙溝流路區主要是人工海堤,刁口河流路區主要為人工海岸和泥質粉砂質海岸。

圖1 研究區域Fig.1 Location of the study area

2 研究方法

2.1 數據準備及預處理

本文以Landsat TM/ETM+ 數據為數據源,具體采用的數據見表1。將所有影像以東營市1 :50000地形圖為基準進行幾何精校正,像元誤差保證在 1個像元內;然后在ENVI軟件里創建研究區掩模,提取研究區(包括海域部分)。

2.2 海岸線的確定

海岸線包括大陸海岸線和島嶼海岸線[6],目前對海岸線具體位置的確定基于研究目的不同而存在一定的差異,關于岸線的認定有以下5種觀點:(1)低潮線;(2)沿海岸灘與平均海平面的交線;(3)平均高潮線;(4)多年大潮高潮線或痕跡線;(5)最大風暴潮所能達到的位置[15-16]。近些年來,海平面上升成為許多研究的焦點,海平面上升會影響海岸線的確定,但是在較短的時間尺度內,由海平面上升造成的確定海岸線的誤差可以忽略不計,此外,水陸邊界線受潮汐的影響也很大。對于水陸邊界線的確定,經過分析比較,黃河水利委員會勘察設計院認為同月同潮位法較為理想,但滿足此條件的遙感影像不多。為此,本文采用研究區海洋潮流發生一般高潮時,取海水所淹沒的平均界線(平均高潮線)方法來提取岸線。研究表明,平均高潮線與同月潮位法相比,兩種方法的分析結果相近,能滿足宏觀分析所需的精度[15],而平均高潮線可以通過光譜分類的方法來確定,在短期內,平均高潮線受潮汐和海平面的影響相對較小,可以忽略。平均高潮線介于高潮灘與中潮灘之間,由于潮灘組分的差異及暴露于水上時間長度不同,高潮灘與低潮灘的含水量不同,在光譜中表現出不同特征,此外,高、低潮灘上植被的長勢及地貌的不同都成為識別平均高潮線的解譯標志[12]。本文在岸線提取時,遵循以下原則:(1)提取的岸線主要是大陸岸線,不包括小島及與大陸分離的灘涂;(2)將明顯突出海岸伸向海中的人工堤壩岸線截取掉,取與岸線相平;(3)潮溝和河口取與溝口和河口岸線相平。

2.3 岸線提取方法

在岸線提取過程中,本文參考樊彥國[17]等人對黃河三角洲海岸線提取方法的論述,采用光譜分類的方法,利用計算機自動提取,結合人工修正,以平均高潮線為岸線,對黃河三角洲的岸線進行提取。

岸線提取分三個階段。第一階段,首先對研究區遙感影像進行纓帽變換,然后取纓帽變換的亮度分量、綠度分量和濕度分量進行圖像組合,對重新組合后的圖像實施邊緣增強,然后進行非監督分類,分類取20～25類;第二階段,對分類結果進行分類后合并,最終合并為兩類,生成二值圖,然后將生成的二值圖轉化為矢量數據;第三階段,在 ARCGIS軟件里將生成的矢量圖進行處理,提取岸線,得到研究區域的面積和岸線長度數據,然后采用空間分析工具對黃河三角洲的面積變化進行提取,得到黃河三角洲兩年份之間的重合區域面積、淤積區域面積和蝕退面積等數據,并以年均淤蝕面積和的值表示該區域的蝕退強度,年均淤蝕面積占重合面積的百分比來表示該區域的相對淤蝕強度。

表1 遙感影像數據信息Tab.1 Information of remote sensing images

3 結果與討論

3.1 黃河三角洲岸線長度及形狀變化

黃河三角洲海岸線形狀變化:如圖2所示,刁口河流路區和清水溝流路區的海岸線形狀變化比較明顯,具體表現為:隨時間推移,刁口河流路區的岸線整體向內陸方向收縮,岸線曲折性變大。由于沒有穩定的水沙補給,刁口河流路區的海岸線從1976年黃河改道以來整體一直處于蝕退狀態。刁口河入海口區域的飛雁灘油田區,由于有公路和堤壩等人工設施防護,蝕退相對較小,其余區域,尤其是一千二管理站北部的灘涂,蝕退較大。至 2009年,一千二管理站以北灘涂在圖上呈現明顯的“凹”形形態。清水溝流路區岸線由 1989年開始,先向東南部淤積,形成一個沙嘴;2000年以后該沙嘴逐步向后蝕退,同時現行河口區又形成一個新的沙嘴,岸線曲折性開始變大;新沙嘴先向東擴展,2006年后又改向東北部擴展。這些變化主要是由黃河尾閭擺動引起的。1976年以后,黃河取清水溝河道入海,雖然沒有發生大的改道,但小的尾閭擺動一直存在。1996年7月,黃河由清 8斷面經人工改道轉向東北方向入海[14],使得 1976年以來沖積形成的大沙嘴得不到泥沙補充,逐年消退;同時,在大沙嘴的東北方向,黃河泥沙淤積而形成了現在的小沙嘴。黃河于 2007年8月在河門處改行北汊道生成了現行河道,因此,從圖2上看小沙嘴在2006年到2009年整體是向東北發育,同時東部的淤積部分迅速地蝕退。神仙溝流路區的岸線除神仙溝的入海口處在1989年到2000年有較明顯蝕退外,其余區域變化不明顯。這主要是由于20世紀 80年代以來,人工堤壩的修建減小了海浪侵蝕,同時陸上也沒有大的水沙輸入,使這段岸線變化不大。

圖2 現代黃河三角洲岸線變化過程Fig.2 Coastline migrations of the Yellow River Delta

海岸線的長度變化方面:取Lmax為 1989年至2009年20 a間各區域岸線最大值,Lmin為1989年至2009年間各區域岸線最小值,K為Lmax與相應的Lmin的差值。黃河三角洲各年份面積、岸線長度詳見表2,1989年至 2009年間,刁口河流路區的K值為31.57 km;清水溝流路區,K值為60.24 km;神仙溝流路區,K值為7.7 km。表明清水溝流路區在1989年到2009年岸線長度變化最大,其次為刁口河流路區,神仙溝流路區岸線長度變化最小,其長度變化僅相當于清水溝流路區長度變化的12.78%。岸線長度變化最大的是現行黃河河道區,長度變化最小的是人工堤岸段,這說明黃河造陸和人為干擾對岸線長度變化的影響是兩個重要方面。

表2 黃河三角洲各年份面積、岸線長度Tab.2 Areas and coastline lengths of the Yellow River Delta

3.2 黃河三角洲面積及淤蝕變化

在刁口河流路區,面積變化除1989年至1992年和2004年至2006年段為正值外,其他年份均為負值,1989年至2009年間年面積平均變化值為-3.02 km2,其面積共減少了61.36 km2(表3)。從淤蝕變化方面來說,刁口河流路區在1992年至2004年和2006年至2009年期間,蝕退區域面積比較大,淤積區域面積比較小;1989年到1992年和2004年至2006年淤積區域面積比較大,蝕退區域面積比較小(表4)。淤蝕面積速度在1989年至1992年和2006年至2009年期間相對較大,說明1989年至2009年間該區域的淤蝕變化劇烈程度是“劇烈-平緩-劇烈”,從年均淤蝕面積占重合面積的比重來看,該比例值亦經歷了由大到小再到大的過程,說明該區淤蝕強度和相對淤蝕強度的變化是一致的。在清水溝流路區,面積變化速度在2006年至2009年間為負值,其余年份均為正值,且在2004年至2006年間面積增長速度最為明顯,達到了16.11 km2/a,1989年至2009年間面積年平均變化值為8.69 km2,1989年至2009年,其面積共增加了176.67 km2(表3)。清水溝流路區的淤蝕變化相對劇烈,統計年間發生蝕退和淤積的區域面積都比較大,其中2006年至2009年間發生蝕退的區域面積達到了46.24 km2,同時發生淤積的區域面積為23.07 km2(表4)。從淤蝕速度來看,清水溝流路區的淤蝕強度自1992年以來,就一直在增強,2004年以后強度增加更是明顯,2006年到2009年間,清水溝流路區的年均淤蝕速度達到了25.96 km2/a(表4);而年均淤蝕面積占重合面積的比例,從總體上來看,經歷了“小-大”的過程。在神仙溝流路區,除2004年至2006年間面積變化為正,其余年份均為負值,但變化值比較小,1989年至 2009年間,其面積變化平均值為-0.38 km2/a,20 a間共減少了7.72 km2(表3)。神仙溝流路區發生淤蝕的區域面積、淤蝕速度和淤蝕面積占重合面積的比例都相對較小,說明該區岸線比較穩定(表4)。從黃河三角洲整體上來看,1989年至2009年間,其面積總共增加了107.58 km2,面積平均增長率為5.29 km2/a(表3)。從其淤蝕情況來看,2004年至2006年間,其蝕退面積最小;1992年至 2000年間,淤積面積最大。但從淤蝕強度來看,2006年至2009年的淤蝕強度最強,2000年至2004年淤蝕強度最弱。從1989年至2009年,黃河三角洲的淤蝕強度總體上經歷了“緩和-劇烈”的過程。相對淤蝕強度(淤蝕面積占重合面積的比例)則經歷了“劇烈-緩和-劇烈”的過程(表4)。淤蝕強度與相對淤蝕強度并不重合,1989年至2009年,黃河三角洲發生淤蝕變化的區域的面積增加了,但是發生淤蝕變化的區域與未發生淤蝕變化的區域的比重由大到小,再到更大,說明發生淤蝕變化的區域所涉及的空間范圍相對擴大了。各年份的淤蝕空間變化情況見圖3。

進一步分析表明:黃河三角洲的面積變化主要是由刁口河流路區和清水溝流路區決定的(圖2),這些區域的大部分岸線是泥質粉砂質海岸,可塑性較容易,淤蝕變化較強。刁口河流路區的淤蝕強度經歷了“劇烈-緩和-劇烈”的過程,其中2000年至2004年期間淤蝕強度最為緩和;清水溝流路區的淤蝕強度則一直處于增強過程,2004年到2009年,其淤蝕強度穩定的維持在一個較高水平(表4),相關研究的結果表明,引起這些變化的主要因素有黃河的水沙量變化、降水變化和人為引水量變化等。20世紀80年代中后期以來,特別是1996年到2002年間,黃河三角洲的來水來沙量明顯低于黃河多年來的平均值[18-20],且多年存在斷流問題加劇,斷流天數增長,斷流河道增長。與此同時,黃河的人為引水量一直處于上升趨勢中[19-20]。2002年黃河實施調水調沙之后,黃河的入海水沙量都有了一定的提高。同時2000年以后,黃河下游的降雨量也高于往年的平均值[21],黃河水資源公報顯示:黃河下游2003年至2008年該區域降水平均值達到729.4 mm,高出該區域多年平均降水量約100 mm,這對黃河三角洲的發育比較有利。經相關性分析,清水溝流路區年均淤蝕面積和的值與現代黃河三角洲該值的變化有很強的相關性,兩者相關性達到 0.962(P<0.01,雙維檢驗);神仙溝流路區則岸線變化很小,面積變化不明顯,對黃河三角洲淤蝕變化影響很小;刁口河流路區的淤蝕強度變化較明顯,但其值亦達不到清水溝流路區該值的 1/3,不能夠成為影響黃河三角洲淤蝕強度變化的主要區域。上述分析表明:清水溝流路區的淤蝕變化狀況與黃河三角洲之間有顯著的關系,清水溝流路區的淤蝕變化直接影響著黃河三角洲的淤蝕變化。

表3 黃河三角洲面積變化情況Tab.3 Area variations of the Yellow River Delta

表4 現代黃河三角洲整體淤蝕情況Tab.4 Variations of the erosion and accumulation in the Yellow River Delta

圖3 黃河三角洲不同年份淤蝕變化Fig.3 Variations of the Yellow River Delta in different years

4 結論

黃河三角洲的岸線在 1989年至 2009年間發生了比較大的變化,變化主要發生在北部的刁口河流路區和南部清水溝流路區。北部岸線無海堤防護的區域整體向內陸收縮,南部及東部入海口區域整體上處于擴張狀態,但2006年至2009年,清水溝流路區南部岸線亦呈蝕退狀況,神仙溝流路區因主要是人工堤壩,岸線變化不明顯。從面積變化上來看,黃河三角洲整體上處于增長趨勢,但2006年至2009年,黃河三角洲面積減少了。從區域上來說,黃河三角洲的淤蝕強度與清水溝流路區有著密切的關系,清水溝流路區的淤蝕變化顯著的影響著整個黃河三角洲的淤蝕變化。從淤蝕變化強度來看,黃河三角洲的淤蝕強度在1989年至2009年間的經歷了“和緩-劇烈”的演變過程;2004年以來,黃河三角洲的淤蝕強度穩定在較高的水平,每年發生淤積、蝕退的區域的面積的值明顯高于2004年以前,這種高強度的淤蝕變化帶來的是區域生態環境的不穩定變化,長期發展下去有可能影響整個區域的經濟與社會發展,應引起政府及人們的關注。

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