圍填海景觀格局演變及存量資源分析
——以大連長興島附近海域為例

柯麗娜,龐 琳,王權明,韓增林,2,王 輝,2

1 遼寧師范大學城市與環境學院,大連 116029 2 遼寧師范大學海洋經濟與可持續發展研究中心,大連 116029 3 國家海洋環境監測中心,大連 116023

隨著沿海地區人口的快速增長、社會經濟和科學技術的迅猛發展,為擴大生存和發展空間,海岸帶地區開始通過圍填海來緩解陸域土地資源匱乏的問題。圍填海是圍海和填海的總稱,是指人類在海岸線外通過修建堤壩,填埋土石方等工程措施,改變海域自然屬性,從而對其利用的方式[1],圍海可以興建養殖池塘、圍海制鹽等,填海可以用于港口碼頭建設、城鎮及工業用地發展等。大規模的圍填海活動,雖為沿海地區提供了更多可供利用的土地資源,但同時也造成了海岸帶空間形態及其景觀格局的改變,消耗了大量海岸帶資源,破壞了其附近生物資源的棲息環境,因此,對圍填海進行監測和研究成為現實需要。近年來,越來越多的國內外專家學者開始從多角度對圍填海進行研究,國外EI Banna M M等研究了近50年尼羅河三角洲東北部海岸帶的圍填海開發活動,發現大量自然濕地轉化為養殖池塘和農田等人工用地類型[2]。Yagoub M M等利用多年遙感影像,分析了阿聯酋的阿布扎比海岸的圍填海類型變化過程[3]。Kumar A等通過利用多年的地形圖和遙感影像,分析了印度卡納塔克海岸帶1910年至2005年的利用變化情況[4]。國內徐諒慧等借鑒景觀生態學相關指標,對1990—2010年浙江省的圍填海空間格局進行定量研究[5]。李加林等以江蘇海岸濕地為例分析了景觀格局變化的主要特點及景觀格局的驅動因子和干擾因素,并提出江蘇淤泥質海岸濕地景觀生態建設的原則及主要內容[6]。彭建等應用景觀生態學理論,構建山東省無棣縣海岸帶景觀生態評價指標體系,并在時空尺度上進行綜合評價[7]。綜合來看,目前的研究多是側重于對圍填海時空格局進行研究,或是側重于基于景觀格局指數分析景觀格局的演變過程及評價生態問題,還缺少對圍填海高強度開發的典型區進行圍填進程的景觀格局變化的定量分析,尤其是高強度開發后,圍填海存量資源情況如何,目前還缺少這方面的研究。圍填海所造成的景觀格局變化是海岸帶景觀變化的顯著特征和重要過程,直接體現了人類干擾在整個海岸帶區域中的重要影響,借助景觀生態學對圍填海景觀格局變化進行研究,能夠建立圍填海類型空間格局變化與其生態過程的生態學聯系,進而對人類對海岸帶生態系統變化的影響進行生態學度量,對海岸資源開發評估與規劃等工作具有重要意義[8- 11]。因此本文將以長興島附近海域作為研究對象,將1995年、2000年、2005年、2010年及2016年的圍填海遙感影像作為基礎數據,針對研究區圍填海利用類型及其環境空間特征,構建和選取景觀格局指數分析20年間該地區圍填海類型景觀格局的變化特征,同時使用面向對象的分類技術建立圍填海存量資源的分類方法及流程,對研究區圍填海存量信息進行提取,厘清該區域高強度開發后圍填海存量資源的現狀,以期為國家嚴格控制圍填海造地增量,盤活圍填海造地資源存量及相關的海域資源管理、海岸帶挖潛政策的制定提供一定的技術方法及數據支撐。

1 研究區與數據源

1.1 研究區概況

大連市長興島海域位于121°13′19″—121°32′11″E,39°23′26″—39°31′15″N,地處遼東半島中西側,遼寧省瓦房店市的西南部,東瀕渤海沿岸,復州灣以北,由長興島以及西中島、鳳鳴島、駱駝島、交流島等五個島嶼連接組成。長興島四面環海,水深灣闊,腹地寬廣,是渤海灣地區自然條件最為優越的一個天然港灣,也是環渤海經濟圈的最佳出海口(圖1),環島岸線91.6 km,所屬海域共100 km2[12]。長興島附近海域灘涂資源豐富,成為近年來遼寧沿海經濟發展最為迅速的區域,特別是2000年以后該地區圍填海進程加快,高強度的開發所帶來的資源消耗和區域內景觀格局的變化非常劇烈,是開展圍填海景觀格局變化監測與存量資源評估的理想實驗區。

圖1 長興島區位圖Fig.1 Location of the study area in Changxing Island

1.2 數據來源及處理

本文收集到研究區TM5(1995、2000年)、SPOT- 5(2005、2010年)及2016年高分1號(GF- 1)衛星遙感影像作為基礎數據,對獲取的遙感影像在ENVI環境下進行預處理,包括幾何校正、輻射定標、裁剪拼接等過程,高分辨率遙感影像幾何精校正的校正方法參考相關文獻[13- 15]。在eCognition Developer、ENVI及ArcGIS軟件的支持下,進行面向對象的圍填海類型信息提取,具體圍填海類型以國家海洋局制定的《海域使用分類》(HT/Y123- 2009)為參考,并綜合長興島海域開發現狀及各圍填海類型的光譜特征,確定圍海養殖用海、鹽業用海、港口用海、未利用類型及工業用海作為長興島圍填海的主要類型,并對其進行解譯分析,后經野外調查、車載 GPS現場定位、實地勘測、資料對比等手段,得到研究區1995、2000、2005、2010和2016年5個年份圍填海利用類型的空間信息。本文將遙感影像解譯的圍填海類型斑塊與實測數據圍填海類型斑塊相一致的斑塊數量百分比定義為解譯精度[16],得到2016年的解譯精度為94%,1995、2000、2005、2010年的解譯精度范圍在91%—96%之間,滿足本次研究的需要。

2 研究方法

2.1 圍填海時空演變分析方法

2.1.1 圍填海利用動態度

圍填海利用動態度能夠較為直觀地反應特定圍填海類型的動態變化程度,其計算原理如下[17]：

(1)

式中,K為圍填海類型動態度;Va為研究初期圍填海類型面積(hm2);Vb為研究期末圍填海類型的面積(hm2);T2-T1為研究時段。

2.1.2 空間重心轉移模型

圍填海在空間維上的動態演變過程可以用區域內圍填海各類型重心分布的變化軌跡來反映,重心的計算公式如下[18- 19]：

(2)

式中,Xi、Yi是第i個圍填海類型斑塊的重心坐標,Cti為第i個圍填海類型斑塊的面積,n是圍填海類型斑塊的總數目。各圍填海類型重心的變化軌跡反應了區域內各圍填海利用類型的發展方向,通過分析各研究時段圍填海類型重心的分布情況,可明確圍填海在空間上的變化趨勢。

2.2 圍填海景觀格局演變分析方法

結合研究區不同時段圍填海利用類型分布的特點,本研究分別從類型水平和景觀水平兩個層次上選取景觀格局指數探討研究區內圍填海利用類型景觀格局演變特征。從類型水平上選取斑塊面積(CA)度量景觀形狀特征;選取斑塊密度(PD)描述景觀內異質性程度;選取斑塊形狀指數(PSI)分析景觀內斑塊分離度及類型復雜程度;選取最大斑塊指數(LPI)確定景觀內優勢類型;從景觀水平上選取香農多樣性指數(SHDI)、破碎度(Fi)及均勻度指數(SHEI)分析景觀在結構、功能上的豐富程度、破碎程度及均勻程度,并使用FRAGSTATS軟件對景觀格局指數進行計算,相關計算公式見表1。

表1 景觀指數計算方法

2.3 圍填海存量資源的界定與分類

劇烈的圍填海開發活動造成一些區域存在圍而不填、填而不建、低密度建設等存量問題,形成與存量土地資源類似的圍填海存量資源[20]。圍填海存量資源是指圍填海后區域內現存的未來可用于開發城鎮建設、臨港工業、旅游娛樂、養殖等類型的潛在的圍填海空間資源[21- 24]。根據圍填海存量資源特征,結合研究區實際情況,本文在對研究區圍填海類型特征進行梳理的基礎上,進一步將低效鹽田、低效養殖池塘、低效工業城鎮用海、圍而未填區域及填而未建區域作為圍填海存量資源類型進行研究。各類型圍填海存量資源含義及影像特征描述見表2。

表2 圍填海存量資源類型劃分及解譯標志

2.4 面向對象的圍填海存量資源分類提取方法

本文結合圍填海存量資源特點,采用面向對象的分類技術,首先對高分辨率遙感影像進行尺度分割,再根據影像特征劃分圍填海存量資源類型,并應用模糊分類及最近鄰分類規則等操作建立面向對象的圍填海存量資源分類原則,最后對分類結果進行精度驗證。面向對象的圍填海存量資源遙感影像分類技術流程如圖2所示。

圖2 面向對象的圍填海存量資源分類流程圖Fig.2 A flowchart for the object-oriented image classification technique for sea reclamation stock resources

2.5 圍填海存量資源指數構建

為定量評估圍填海存量資源狀況,結合長興島附近海域圍填海存量資源的開發利用面積情況,構建圍填海存量資源指數,具體圍填海存量資源指數計算方法為：

(3)

式中,Ai為某一低效圍填海利用類型面積(hm2);Ti表示合理海域開發強度值;Vi為某低效利用圍填海類型的存量指數;A為圍填海總面積。該指數表示了圍填海開發利用程度的高低,指數值越大,說明現存的未來可用于開發的圍填海存量資源越多[25- 27]。本文涉及到的5種圍填海存量資源類型的合理開發強度值采用專家咨詢法確定[28],數值范圍在0至1之間,具體見表3。

3 結果與分析

3.1 圍填海時空演變特征分析

3.1.1 圍填海利用動態度分析

圍填海利用動態度可定量描述區域一定范圍內各圍填海類型的變化速度[29],動態度是正值時,表示該類型面積增加,反之則減小,具體衡量時使用絕對值,絕對值越低,表明該圍填海類型轉換數量少,狀態則相對穩定,反之則變化相對劇烈[30]。根據公式(1),研究區在1995—2016年間,各時間段圍填海類型的動態度指數如表4所示。

表3 各類型潛力資源合理開發強度值表

表4 不同時段圍填海類型動態度指數

分析表4可得：1995—2000年屬于圍填海的緩慢增長期,區域內所有圍填海類型變化速度不大,圍海養殖用海呈增長趨勢,但變化速度不大,動態度為2.9%。2000—2005年屬圍海增長期,圍海養殖用海動態度為12.6%,面積呈迅速增加趨勢,這一時期由于海水養殖、育苗等相關產業基礎設施的投入,導致圍海養殖用海面積迅速增長,開發強度最高;未利用類型動態度在2000—2005年間出現較大負值,大量海域圈墾用于漁業養殖。

2005—2016年屬于圍海、填海共同增長期,該時間段內圍海養殖、工業及港口用海面積增長較為明顯,港口用海類型動態度出現極大值,達到5.42%,表明該時期港口用海的面積呈明顯快速擴張趨勢,長興島臨港工業區建設過程中大量養殖用海空間、低效鹽業區域被征收用于港口發展及工業廠房建設,港池、航道及工業用海等類型面積在該時期急劇增長。另外,值得注意的是,這一時期未利用類型面積呈增長趨勢,因該時期受經濟發展影響,大量圍填海區域填而未用、圍而未用區域,處于擱置狀態。

圖3 1995—2016年研究區各類型圍填海質心遷移變化Fig.3 The change of centroid migration in the study area from 1995 to 2016

3.1.2 圍填海空間質心轉移分析

利用公式(2)計算出各圍填海類型空間質心坐標,并繪制各類型圍填海質心轉移演變圖。由圖3可知,長興島附近海域各個圍填海類型在過去的20年間空間分布呈規律性變化。質心轉移幅度最大的是未利用類型,質心在121.36°E—121.59°E,39.36°N—39.47°N之間變動。1995—2005年間未利用類型的質心先向西北小幅度遷移,后又向東南方向遷移,整體向東偏南遷移了5.7 km;2005—2016年間又向西北偏移了22.9 km,整體從1995年121.53°E、39.38°N遷移到2016年121.36°E、39.47°N,由東西方向看,向西移動0.17°;由南北方向看,向北移動0.09°。這是因為自2009年開始,長興島西側八岔溝—五道溝嘴子作為主要可供開發岸線,出現大面積的已圍未利用海域,可見圍填海的主要開發方向將向西北轉移。

圍海養殖用海的質心遷移幅度僅次于未利用類型,質心在121.48°E—121.56°E,39.45°N—39.50°N之間變動。1995—2005年間先向東南后又向西北偏移,整體朝西北偏移5.2 km;2005—2016年整體向東南方向遷移4.6 km。整體從1995年121.55°E、39.47°N遷移到2016年121.50°E、39.45°N,由東西方向看,向東移動0.05°;由南北方向看,向南移動0.02°。主要是由于10年間圍海養殖用海新增區域主要集中在了長興島東南方向,且面積持續增加,擴展強度要大于西部地區,導致其質心持續向東南遷移。

鹽業用海質心在121.50°E—121.54°E,39.45°N—39.47°N之間變動。1995—2010年間始終向東南遷移,遷移距離為3.03 km;2010—2016年間向西北遷移距離為1.2 km。整體從1995年121.51°E、39.47°N遷移到2016年121.52°E、39.46°N,由東西方向看,向東移動0.01°;由南北方向看,向南移動0.01°。說明近年來長興島附近海域對鹽業的開發的重心由東南部轉移至西北,但質心空間分布波動范圍相對幅度較小,說明鹽田開發的不平衡性有所收斂,東南方向和西北方向差異有所減小。

港口用海和工業用海質心在2005—2016年間波動范圍較小,始終在西山里附近移動,分別在121.24°E—121.28°E,39.52°N—39.57°N;121.27°E—121.30°E,39.51°N—39.54°N之間變動。兩種類型質心在各年段的變化趨勢也較一致,2005—2010年間港口用海質心整體向西南方向遷移了4.4 km,工業用海質心也同向小幅度遷移565.5 m。2010—2016年間港口用海質心又向東北方向遷移1.3 km,工業用海質心也同向遷移了3 km。可以看出,港口用海和工業用海的質心分布變化并不明顯,移動范圍一直在西山里港區附近,原因是2005年以后,政府開始重視臨港工業的發展,西山里港區作為長興島較大港區,發展勢態強勁,其港區建設和工業區的工業化改造導致港口用海和工業用海的質心分布在10年內位置變化不大。

總體上看,長興島附近海域1995—2016年圍填海質心先向東南遷移,后向西北方向移動,1995—2005年間圍填海主要集中在東南部,2005—2016年間則基本穩定在西北方向,整體上質心在121.41°E—121.54°E,39.43°N—39.48°N之間移動,整體從1995年121.53°E、39.44°N遷移到2016年121.42°E、39.48°N,由東西方向看,向東移動0.11°;由南北方向看,向南移動0.04°。范圍主要位于長興島東南方向左屯與泡崖鄉之間,說明該區域是長興島圍填海開發的重要地區,憑借其獨特的地理位置以及國家大力發展長興島經濟的政策優勢條件,該區域基礎設施和產業結構快速發展,對長興島地區經濟的發展起著重要的支撐[18]。

3.2 景觀格局分析

3.2.1 類型水平

分別以每5年為間隔將1995—2016年分為5個時間段,研究區不同時段各圍海用地類型的景觀格局指數如表5所示,可以明顯看出,5種類型斑塊面積(CA)總體都呈上升趨勢。其中圍海養殖用海面積持續增長且漲幅最大,1995—2016年共增長8853.14 hm2,鹽業用海及未利用類型面積波動上升,港口用海及工業用海從2005年后開始大規模開發建設,面積持續增加。

表5 不同年份各圍填海類型景觀格局指數變化

圍海養殖用海及港口用海均呈現斑塊密度(PD)減小、斑塊形狀指數(PSI)增加的趨勢,說明這兩種圍填海類型破碎度在降低,斑塊形狀越來越復雜,而工業用海與之相反,斑塊密度(PD)呈增大趨勢,斑塊形狀指數(PSI)呈減小趨勢。鹽業用海及未利用類型的斑塊密度(PD)及斑塊形狀指數(PSI)均呈增大趨勢。長興島附近海域20年間優勢圍填海類型發生了改變,由1995年的鹽業主導越發變為由圍海養殖、鹽業用海、工業和港口用海等多類型為主導的景觀區域,這與政府對長興島區域的總體規劃是相一致的。

3.2.2 景觀水平

長興島附近海域20年間景觀水平指數變化如表6所示： 1995—2016年間景觀斑塊數量總體變化不大,1995—2010年間斑塊總數基本保持不變,隨著景觀區域內自然景觀被圍填海進程消耗殆盡,破碎的小斑塊被人工景觀替代,導致2010—2016年間,景觀斑塊數減少相對明顯。從景觀的多樣性來看,景觀內香農多樣性指數和均勻度指數都呈現先降低后升高的趨勢,說明該區域景觀多樣性先減小后增大,優勢度先增高后降低,并且都在2000年達到最低,這主要由于在該時期大規模的圍填海活動導致景觀區域內自然景觀受到人類干擾而大幅度減少,而以圍海養殖池塘、鹽業工廠為代表的人為建造景觀斑塊面積迅速增加,導致多樣性指數下降。2005—2016年間,景觀內新增了港口用海和工業用海,圍填海類型趨于豐富多元化,導致景觀多樣性上升,景觀結構組成的復雜性增加。

表6 1995—2016年研究區景觀水平指數變化

3.3 圍填海存量資源評估

研究區域內各類圍填海存量資源面積統計見表7。可以看出,該范圍內圍填海存量資源以填而未建區域面積最大,達到10383.1 hm2,占區域內圍填海存量資源總面積的47.2%,大多分布在長興島西部的北港區、南部的STX造船產業區及西南部的葫蘆山灣綜合港區附近,該區域原來規劃為石化區、修造船區及港口區,但隨著2013年STX大連的停產,引資項目真正落地的寥寥無幾,造成許多海域資源填而未建,未能形成產能。其次是圍而未填區域,存量資源面積達到7567.7 hm2,占區域內圍填海存量資源總面積的34.4%,多數分布在葫蘆島山灣附近,此處圍填海工程存在停滯的現象,已實施圍堰工程但未填充成土地。低效工業城鎮用海存量資源占比為10.7%,集中分布在停產的STX船廠及其東北方向的造船產業區附近,主要產業為船舶修造產業、船舶配套產業等,原為STX、蒲項制鐵等企業入駐,但由于STX項目的終止,導致該區域大范圍建設用地變為低度利用區域。低效鹽田及低效養殖用海存量資源數量較少,分別為1419.1 hm2及284.7 hm2,分別占區域內圍填海存量資源總面積的6.44%及1.26%,分布在葫蘆山灣以南、交流島西北角、靠近STX工廠附近的船舶配套產業園區的區域,由于該區域一直以鹽業及養殖業作為傳統產業,開發強度始終較高,但受長興島投資環境影響,該區域部分被圍填用海,導致養殖海域、鹽業用海區域受影響,從而產生大量被廢棄或低效鹽田及低效養殖池塘。

表7 各類圍填海存量資源面積

截止到2016年研究區總體圍填海存量資源為5502.125 hm2,該區域的總體圍填海利用效率較低,尚存有大量圍海、填海未利用空間資源,造成了海洋空間資源和投資浪費。2017年5月19日,國家海洋局出臺了渤海區域暫停圍填海審批的相關管控政策,未來該區域不能再新增圍填海,應該加大圍填海存量資源利用及挖潛的力度,促進海域資源的節約利用。

4 結論與展望

本文以長興島附近海域1995年、2000年、2005年、2010年和2016年五期遙感影像作為基礎,總結了20年來該區圍填海演變的時空特點,對其景觀格局變化進行了分析,并基于高分辨率遙感影像以及圍填海存量資源的概念,對大連市長興島附近海域圍填海存量資源進行分類和提取,并構建圍填海存量資源指數,對圍填海存量資源狀況進行評估。得到結論如下：

(1)從時間上來看,長興島附近海域圍填海年動態變化率在2010—2016年間最大,2000—2005年間最小。從空間上來看,長興島附近海域圍填海動態變化的區域差異較大,總體上看,長興島東南部為圍填海動態發生的主要區域。

(2)在圍填海演變的過程中,各個圍填海類型的質心也發生了不同幅度且方向各異的轉移。其中,未利用類型的質心調整幅度最大,達到5.7 km;圍海養殖用海面積的持續擴張導致質心由西北部向東南方向遷移;鹽業用海的質心向長興島西偏北方向移動,但幅度不大;港口用海和工業用海的質心由西南向東北方向移動。整個研究區圍填海質心呈現先向東南遷移,后又向西北遷移的趨勢,說明長興島附近海域圍填海開發的重點區域逐漸向北部偏移。

(3)從斑塊類型水平上看,1995—2016年間,長興島附近海域圍填海面積不斷加大,斑塊密度整體減小,斑塊形狀指數和最大斑塊指數呈增加趨勢,多種圍填海類型的小型斑塊被整合,并積極向外擴展。從景觀水平上看,研究區在1995—2016年間景觀斑塊數減小,破碎度升高,香農多樣性指數和香農均勻度指數都呈現先降低后升高的趨勢,且變化較為明顯。研究區景觀在人類活動影響下景觀格局趨于復雜化,整體景觀異質性升高。

(4)面向對象的圍填海存量資源遙感影像分類提取方法能夠精細地提取圍填海存量資源信息,2016年長興島附近海域圍填海存量資源類型由高到低分別是填而未建、圍而未填區域、低效工業城鎮用海、低效鹽田和低效養殖池塘,主要集中在長興島西北部及南部岸線。截止到2016年研究區圍填海存量資源為5502.125 hm2。

長興島附近海域大規模圍填海開發后導致圍填海區域閑置浪費、低效利用、功能單一等問題嚴重,目前國家海洋局已出臺加強渤海區域生態環境保護、暫停圍填海的相關管控政策,因此,該區域未來應加強對現有圍填海存量資源的利用及提升圍填海存量資源的利用效率,同時圍填海徹底改變了海洋的空間屬性,在一定程度上對近海的生態環境造成了極大的負面影響[31- 33],未來該區域應加強對海域生態環境的監測與評價,在國家海洋局圍填海工程生態建設技術的指導下,未來該區域應加強對生境受損嚴重的、敏感和脆弱的生態過渡帶區域進行圍填海的生態整治修復工作,以期削弱圍填海工程對海洋資源和海洋生態系統的負面影響。