杭州灣近30 年海岸線與海岸濕地變遷分析

彭小家 ，林熙戎 ，方 今 ，王 騰 ，蔣曉山

（1. 上海市海洋監測預報中心，上海 200062；2. 國家海洋局東海環境監測中心，上海 201206；3. 上海市環境監測中心，上海 200235）

黨中央在十九大中提出要實施區域協調發展戰略，統籌海陸統籌，加快建設海洋強國。浙江省一直是我國經濟發展的重點省份，環杭州灣地區作為浙江省經濟發展的前沿地帶，其關注度可見一斑。隨著人口的迅速增長，經濟的快速發展都導致環杭州灣土地資源短缺，為了滿足社會經濟發展的需要，沿海地區進行大量圍填海活動，使杭州灣沿岸地理條件發生巨大的變化。因此，準確地了解杭州灣地區海岸線和海岸濕地的變化，對實現經濟可持續健康發展具有重要意義。

海岸線作為陸地與海洋的分界線，在我國是指多年大潮高潮位時的海陸界限[1]。研究海岸線的年際變化對海岸線所處環境的生態改變、生境變遷有重要意義。海岸線的動態變化是自然因素和人類因素共同作用的結果，自然因素包括地貌水文等，人類因素包括圍填海、修建碼頭等，本文主要研究人類因素。根據海岸線的形態和成因，可以分為人工岸線和自然岸線，根據岸線的地質類型和生物分布狀態又可以將自然岸線分為基巖岸線、砂質岸線、粉砂淤泥質岸線和生物岸線等，人工岸線可以分為防潮堤岸線、工業岸線、城鎮岸線、養殖區岸線等[2]。杭州灣區域除了生物岸線外，其余類型的岸線都存在。

近年來，越來越多的國內外學者通過遙感手段對海岸線和海岸濕地的變遷進行了分析[3-10]。如20世紀80 年代，美國利用遙感動態監測對海岸帶變化進行分析，目前這些數據已用于研究海岸帶城市擴展、分析土地利用變化等趨勢[11]。Blodget H W 等[12]通過5 期的衛星影像得出了尼羅河三角洲河嘴的海岸線演變情況，Edward Robinson[13]利用多年的航空影像圖，對牙買加Vere 海岸近200 年的海岸線演變進行分析。在國內，任美鍔[2]利用遙感技術對江蘇省海涂資源進行調查，對輻射沙洲進行測繪。張華國等[14]利用多個時相的TM/ETM+遙感資料，調查杭州灣圍墾淤漲的情況。何茂兵等[15]利用3 個陸地衛星影像提取了九段沙3 組不同高程水平的水邊線，采用趨勢面插值法計算了所有水邊點高程。本文旨在利用長時間時間序列的遙感影像，在定量化計算岸線和灘涂變化利用率的基礎上，對杭州灣近30年的海岸線變遷以及灘涂濕地的變化和驅動力進行分析。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

杭州灣位于浙江省東北部沿海，地處上海市的南端、浙江省東北部，東臨舟山群島，西至杭州市，包含錢塘江河口區，西至杭州灣錢塘江大橋，東起上海市蘆潮港鎮至鎮海區甬江口東側。位于29°39′～31°15′N，120°5′～122°54′E 之間，如圖 1 所示[16]。

圖1 研究區域位置示意圖

1.2 遙感數據來源及預處理

本文采用 1990 年、1995 年、2000 年、2005 年和2011 年 Landsat ETM+以及 2017 年 Landsat8 OLI 影像，其中除了2017 年是8 個波段之外，其他的5 個年份都是7 波段。此次選取的影像質量較好，大部分影像云量幾乎為0，部分影像有少量云霧，但是云霧都不在沿海灘涂海岸線附近，不影響信息的提取。研究所用影像是從地理空間數據云網站（http：//www.gscloud.cn）下載。

本研究應用ENVI5.1 和Arcgis10.3 對遙感圖像進行分析與處理。首先利用ENVI5.1 對遙感影像進行幾何校正，波段合成（5、4、3 波段假彩色合成）以及圖像裁剪等預處理，接著把處理好的影像在Arcgis10.3 里打開，繪制研究區的范圍，使用目視解譯與自動解譯相結合的方法，實現柵格數據向矢量數據的轉換，并對生產的分類結果進行分析。通過對解譯出的數據進行馬爾科夫轉移矩陣模型計算，從而得出研究區域不同時期海岸濕地類型轉化的信息，從而更加科學合理的認識該區域灘涂濕地的演變規律，為科學合理管理和開發海岸帶提供重要的數據支撐。

1.3 研究方法

1.3.1 海岸線提取原則與方法 通過ENVI5.1 對6期的海岸線影像進行目視解譯對岸線類型進行區分，然后在Arcgis 中對6 期海岸線的矢量圖進行疊置，得到1990—2017 年杭州灣海岸線變遷圖。

1.3.2 濕地提取原則與方法 對海岸濕地變遷進行研究，第一步就是要進行濕地分類。由于“同物異譜和同譜異物”，濕地遙感分類的精度問題一直是濕地遙感的瓶頸之一。目前，濕地遙感分類常用的方法是計算機解譯和人工目視解譯。計算機解譯有監督分類和非監督分類2 種。通過查閱相關文獻，發現目視解譯在國內外相關研究中仍是普遍采用的方法[17-21]。本文通過結合杭州灣實際勘察獲取的數據、GoogleEarth 歷史影像，以及監督分類對濕地的識別能力，將海岸濕地分為沿海灘涂、河口濕地、建筑用地、養殖區、農業用地和居民用地。利用ENVI5.1 和 Arcgis10.3 對杭州灣 1990—2017 年的濕地矢量信息進行提取，從而獲得濕地資源的年際變化。

1.3.3 馬爾科夫模型介紹 馬爾科夫法是以俄羅斯數學家A.A.Markov 名字命名的一種方法，它將時間序列看作一個隨機的過程，通過對事物不同狀態的初始概念和狀態之間轉移概念的研究，確定狀態變化趨勢，以預測事物的未來[1]。

2 研究與分析

2.1 海岸線長度與位置變化

本文利用 Arcgis 軟件對 1990 年、1995 年、2000年、2005 年、2011 年和 2017 年 6 個時期的杭州灣海岸線進行提取后進行疊置，得到了杭州灣6 個時相的海岸線變遷圖（圖2）。

圖2 杭州灣海岸線變遷圖

杭州灣是我國典型強潮河口海灣[14]，同時，杭州灣也是我國經濟最發達的區域之一，依托長三角經濟體，以及杭州寧波等城市的發展，經濟開發活動極為頻繁。由圖2 可知，在這30 年間，杭州灣尤其是杭州灣南岸進行了大規模的圍墾工程。自“十一五”時期起，中國進入了圍填海造地面積增長最迅速的時期，根據國家海洋局《海域使用管理公報》公布的數據，近年來，全國每年的填海量都在1 萬hm2左右。在沿海地區一、二線城市，圍海造地低廉的成本與毗鄰土地高價之間存在巨大的利潤，使得一些地方加大圍填海的力度，因此防潮堤岸線和圍墾養殖區岸線長度迅速增加[22]，一些粉砂淤泥質岸線和砂質岸線轉變為人工岸線，導致自然岸線呈遞減趨勢，人工岸線呈增加趨勢。

由圖2 可以看出，杭州灣北岸的海岸線近30年整體變化不大，但是在嘉興區域由于地理位置的影響以及圍海造田等，在2000—2011 年期間入海沉積物堆積，使得陸地面積持續增加，致使海岸線不斷向海擴張。而在奉賢金山區域，由于上海迅速發展，人口不斷增加加大對土地的壓力，人均土地的匱乏迫使陸地向海洋擴張。由于大量的圍海造田導致許多近海海域被陸地所取代，且隨著沿海城市的發展不斷向海擴張。蘆潮港區域由于長江從上游攜帶大量泥沙在下游由于流速放緩造成沉積，為蘆潮港的圍海造田提供有利的條件，同時港口堤壩的建設等也加速了海岸線的向外擴張。

而杭州灣南岸近30 年整體變化較大，如寧波區域規則化的海水養殖岸線取代了自然彎曲的海岸線，而錢塘江區域地勢平坦，曹娥江和錢塘江兩江的泥沙淤積形成大量的平原，便于圍墾，主要用于農田和水產養殖。在自然作用和人類活動的雙重影響下，海岸線的向海擴張速度在這30 年間明顯加快。

由表1 可知，1990—2017 年岸線長度總體上變化不大，減少了12 km，岸線的組成以人工岸線為主，且人工岸線所占比例呈增加趨勢。岸線總長度在1995 年達到最大值442.9 km。其中，1990—1995年岸線總長度變長，這是由于人類不斷開發進行圍海造田，加速沙洲形成，而沙洲意外區域被建成堤壩，如此往復使得岸線長度持續增加，人類可利用岸線也在逐漸增加，因此人工岸線的長度增加較快。1995 年之后，岸線總長度就在不斷減少，這是由于自然岸線逐漸被侵蝕，如一些粉砂淤泥質岸線和砂質岸線等由于易圍墾等特點被轉化成人工岸線。

自然岸線的長度從2000 年后逐年遞減，人工岸線的長度則呈波動式增加，由1990 年的287.9 km增加至2017 年的321.8 km，增長33.9 km，變化率為11.8%。而自然岸線由1990 年的112.5 km 銳減到2017 年的66.6 km，減少45.9 km，變化率為40.8%。這是由于隨著人們越來越重視海洋以及沿海經濟的發展，在該區域開展了大量的人類活動，導致很多的自然岸線轉變為人工岸線，如圍填海，修建碼頭等。這樣就使得自然岸線逐年減少，人工岸線逐年增加。

表1 杭州灣近30 年岸線總長度對比

總體而言，杭州灣南岸的海岸線在這近30 年間彎曲程度增加，海岸線也變得更加復雜，海岸線的變化有向海擴張和向陸縮減兩種形式，向海擴張是主要形式。北岸由于受經濟發展人為影響因素很大，自然的海岸線逐漸被人工堤壩取代，人工堤壩的形狀是規則工整的，并不會隨著時間的變化而變化。

2.2 海岸線類型比例變化

杭州灣海岸帶 1990 年、1995 年、2000 年、2005年、2011 年和2017 年海岸線各時期類型長度統計圖如表2 和圖3 所示。

由表2 我們可以看到，自然岸線從1990 年的112.5 km 下降到 2017 年的 66.6 km， 變化率為40.8%，而人工岸線從1990 年的287.9 km 增長至2017 年的321.8 km，變化率為11.8%，由此可以看出，杭州灣的自然岸線變遷強烈，變化速率也分布不均。

表2 杭州灣各時期各類型海岸線長度統計

圖3 杭州灣不同時期各岸線長度統計圖

由圖3 也可以看出，防潮堤岸線和工業總體呈增長趨勢，這是由于杭州灣北岸屬于侵蝕型海岸，不利于圍填。杭州灣北岸的深水岸段有利于建設港口，如蘆潮港、乍浦港等，港口、工業、城鎮建設和旅游用地等使得杭州灣北岸大量的自然岸線向人工岸線轉化。近30 年來，蘆潮港附近的圍填主要用于港口和深水港后方配套設施的建設，金山奉賢的碧海金沙等旅游場所的建設，上海金山嘴工業區的建設等都使得自然岸線轉化成人工岸線。因此工業岸線和防潮堤岸線在這30 年間都有大幅度上升，如工業岸線從1990 年的6.6 km 增長到2017 年的83 km，而防潮堤岸線則從1990 年的91.1 km，增加至2017 年的有利于圍填造陸、岸灘養殖。這是因為粉砂淤泥質岸線也呈增長趨勢，這主要發生在杭州灣南岸，這是由于南岸屬于淤漲型海岸，加上地勢平坦，從長江攜帶來的大量泥沙在此處淤積，因此粉砂淤泥質岸線從1990 年的1.1 km 增長至2017 年的12.4 km。

2.3 灘涂濕地演變

根據6 期遙感圖像的濕地提取，可以得出杭州灣近30 年海岸濕地變化以及空間分布圖，如圖4所示。

圖4 杭州灣不同時期灘涂類型解譯

表3 杭州灣近30 年濕地面積統計

通過表3 可以看出，杭州灣1990—2017 年濕地面積變化顯著，總體上增加了510.9 km2，變化率為71.9%，從1995 年以后濕地總面積逐年增加，其中，自然濕地面積在逐年降低，而非自然濕地的面積卻在逐年增加，這是由于該區域經濟活動頻繁，在人類活動作用下，許多天然濕地被開發為港口，養殖區等，轉化為非自然濕地。

通過圖5 可以看出，沿海灘涂面積從1990 年后開始迅速減少，一直呈下降的趨勢，從1990 年的438.1 km2減少到 2017 年的 210.8 km2，而河口濕地面積本來占比不多，1990 年面積為130.8 km2，到了2017 年僅剩20.1 km2。相反，建設用地的面積增長迅速，從 1990 年的 30.9 km2增長到 2017 年的385.6 km2，變化率為114%。其次是農業用地增幅也比較大，從1990 年后就一直在增加，一直到2005年后增長幅度開始放緩。接著是養殖區，其面積除了在2000—2011 年期間有過緩慢的下降之外，其他時間段都在增加。

圖5 杭州灣不同時期海岸濕地面積統計圖

為了進一步揭示海岸濕地各類型之間的演變規律，通過馬爾科夫轉移矩陣模型記性計算，得出了杭州灣不同時期海岸濕地類型的轉移矩陣表，見表4。

表4 不同時期海岸濕地類型轉移矩陣

(e)2011—2017 年類型 居民用地 農業用地 沿海灘涂 養殖區 河口濕地 建設用地 合計轉換居民用地 68.3 0 0 0 0 0 0農業用地 0 292.0 0 2.3 0 0 2.3沿海灘涂 5.2 2.1 202.0 4.9 0 0 12.2養殖區 0 0 0 0 0 0 0河口濕地 0 0 0 0 20.2 0.3 0.3建設用地 0 0 0 10.2 0 395.0 10.2

在1990—1995 年（表4-a），杭州灣發生轉化面積最大的是沿海灘涂，轉化面積為11 km2，主要轉化為建設用地，面積為10.8 km2。

在1995—2000 年（表4-b），杭州灣發生轉化面積最大的是沿海灘涂，轉化面積為93.9 km2，主要轉化為農業用地，面積為43 km2。

在2000—2005 年（表4-c），杭州灣發生轉化面積最大的是農業用地，轉化面積為51 km2，主要轉化為建設用地，面積為31 km2。

在2005—2011 年（表4-d），杭州灣發生轉化面積最大的是農業用地，轉化面積為10 km2，主要轉化為建設用地，面積為10 km2。

在2011—2017 年（表4-e），杭州灣發生轉化面積最大的是沿海灘涂，轉化面積為12.2 km2，主要轉化為居民用地為5.2 km2。

選取的5 個時間段中，結合杭州灣當地經濟的發展，可以得出發生轉化面積最大的是沿海灘涂，主要轉化為建設用地，這也與當地圍墾造陸用于經濟發展的趨勢相吻合。

3 結論

本文利用多時相影像數據提取杭州灣近30 年的海岸線和海岸濕地數據，通過對海岸線長度和類型的以及海岸濕地面積類型的分析，研究了杭州灣近30 年的變遷過程，并分析了影響變遷的主要因素。

（1）杭州灣岸線長度從1990 年的400.4 km 減少至2017 年的388.4 km，減少了12 km，變化率為3%，其中，自然岸線長度從112.5 km 下降至66.6 km，減少了45.9 km，變化率為40.8%，而人工岸線則從287.9 km 增長至321.8 km，增長了33.9 km，變化率為12%。海岸線的長度數據表明，杭州灣海岸線的變化并不隨著時間持續的增長或者下降，這與不同時期自然因素和人文因素變化密切相關。研究表明，杭州灣1990—2017 年海岸線有向海擴張和向陸縮減兩種形式，其中，杭州灣北岸岸線位置變化不大，南岸以向海擴張為主。這是由于北岸受人為要素影響較大，自然的海岸線逐漸被人工堤壩取代，人工堤壩的形狀是規則的，不會隨著時間的推移而變化，而南岸海岸線彎曲程度主要受自然因素影響較多，因此彎曲程度增加，海岸線也變得更加復雜。由此可以認為，杭州灣岸線位置變化是由自然因素和人為因素共同作用決定。

（2）從選取的5 個時間段可以看出，杭州灣海岸線和海岸濕地的變化主要受到人為因素的影響，自然岸線整體呈減少趨勢，人工岸線呈增加趨勢，岸線總長度變化不大；海岸濕地的總面積呈增長趨勢，從1990 年的 710.6 km2增加至 2017 年的 1 221.5 km2。其中，自然濕地的面積逐年減少，30 年間從568.9 km2下降至230.9 km2，而人工濕地的面積卻大幅度增加，從 141.7 km2增加至 990.6 km2。