基于時空變遷的海南島海岸線穩(wěn)定性評價

孫士超，洪海凌，許小貝

(海南省海洋監(jiān)測預(yù)報中心，海口 570100)

0 引言

海岸線所在地區(qū)是陸海相互作用最為強(qiáng)烈，同時也是人類活動最為密集的區(qū)域，來自陸海雙方的力量共同塑造著海岸地區(qū)的自然環(huán)境。無論是海域的變化，或是陸域的改變，都能直接或間接地影響海岸地區(qū)的環(huán)境變化與海岸線的變遷。岸線資源是國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的戰(zhàn)略性資源，更是沿海城市賴以生存發(fā)展的優(yōu)勢資源，其保護(hù)與利用不僅關(guān)乎沿海城市及其港口腹地的發(fā)展，還影響著海洋生態(tài)環(huán)境的安全[1]。

海南島海岸帶不僅有引人入勝的自然景觀，更蘊(yùn)含豐富的自然資源。隨著社會經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，近30年來海南島沿岸自然資源開發(fā)如火如荼，對海岸線生態(tài)環(huán)境和空間資源的保護(hù)卻未得到足夠重視。近年來，隋燕等[2-4]開展了海南島海岸線變遷遙感監(jiān)測分析，李剛等[5-7]對海南島局部海岸線進(jìn)行了變遷監(jiān)測，研究結(jié)果表明，海南島海岸線總長度呈增長趨勢，岸線變遷頻繁且劇烈，陸海格局整體呈向海擴(kuò)張的態(tài)勢，圍填海工程導(dǎo)致海岸線資源的自然生境喪失和改變，近年來愈加明顯。

目前對海南島海岸線的研究多集中在時空變遷與原因分析方面，對岸線穩(wěn)定性研究較少，本研究綜合考慮時間跨度、影像質(zhì)量等因素，自1970—2016年間8期遙感影像中篩選出1970年、1990年、2000年、2010年和2016年5個時期的海岸線數(shù)據(jù)為研究對象，利用色差Canny算子計算方法提取海岸線，以海岸線變遷為基礎(chǔ)，定量測算海南島海岸線縱深度變化量和年平均變化速率，構(gòu)建岸線穩(wěn)定性指數(shù)[8-10]，分析46年來海南省海岸線穩(wěn)定性，以期為管理部門掌握海南島海岸線資源整體情況，為海洋資源科學(xué)保護(hù)與合理配置提供參考。

1 數(shù)據(jù)源與研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

選取1970年、1990年、2000年、2010年、2016年5期遙感影像(表1)，所選影像拍攝時間均為各年5—9月的多光譜融合影像，避免因季節(jié)不同導(dǎo)致的地物光譜誤差過大。

表1 遙感影像數(shù)據(jù)

由于遙感影像數(shù)據(jù)特點(diǎn)及技術(shù)參數(shù)限制，本研究中的海岸線定義為瞬時海陸分界線(以下簡稱海岸線)，而非一般所指的海潮時平均高潮所到達(dá)的界線。此岸線數(shù)據(jù)僅適用于分析與評價海南島岸線的歷史動態(tài)變遷過程，以及岸線基礎(chǔ)特征的時空演變分析。

1.2 解譯方法與誤差分析

根據(jù)大跨度的時間特征，及所選擇的遙感影像自身質(zhì)量與精度的限制，本研究主要采用基于海岸特征結(jié)合圖像處理技術(shù)對海岸線進(jìn)行判讀解譯的方法，提取衛(wèi)星拍攝時的海岸線，但遙感影像質(zhì)量對此方法提取結(jié)果有一定影響，由提取結(jié)果測算，提取誤差范圍為海岸線±30 m。將預(yù)處理后的影像采用色差Canny算子技術(shù)檢測邊緣[11-12]，Canny算子是在滿足一定約束條件下推導(dǎo)出的邊緣檢測最優(yōu)化算子，其所提取的邊緣比較完整，連續(xù)性好[13]，便于實現(xiàn)海岸線的自動提取。

根據(jù)上述的岸線解譯方法及分類標(biāo)準(zhǔn)，通過嚴(yán)格的質(zhì)量控制過程，最終完成了5期海南島海岸線的提取工作，提取結(jié)果如表2所示。

表2 5期岸線數(shù)據(jù)提取結(jié)果 單位：km

初步分析來看，經(jīng)過46年的自然影響和人工改造作用，海南島海岸線的長度、類型及位置均發(fā)生了很大的變化。其中：海南島自然岸線和河口岸線均呈現(xiàn)減少的變化特征，分別由1970年的1 423.02 km、28.04 km減少到2016年的1 053.36 km、9.18 km，平均年減少量為8.04 km和0.41 km；人工岸線長度顯著增加，由1970年的156.76 km增至2016年的469.38 km，平均年增量為6.8 km。

提取結(jié)果與海南省2016年海岸線修測結(jié)果1 944.35 km對比[14]，相差412.43 km。分析原因有以下三方面：一是提取標(biāo)準(zhǔn)不同，本研究中對岸線的定義為瞬時海陸分界線，而非通常指的海潮時平均高潮所到達(dá)的界線；二是影像解譯誤差，本研究主要利用低分辨率遙感影像(30 m)進(jìn)行岸線解譯，提取誤差范圍為±30 m；三是影像質(zhì)量造成的誤差，本研究時間序列選擇了1970—2016年間的5個時期影像，由于時間跨度大，影像的質(zhì)量不一致，對于岸線提取結(jié)果也造成一定影響。

綜合上述三點(diǎn)原因，本研究采取統(tǒng)一處理標(biāo)準(zhǔn)、統(tǒng)一提取標(biāo)準(zhǔn)和統(tǒng)一分類標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行岸線提取與分析，雖然結(jié)果數(shù)據(jù)與實際數(shù)值間存在一個適當(dāng)?shù)恼`差范圍，但對于研究海南島海岸線空間變化特征及現(xiàn)狀分布規(guī)律的影響可以忽略不計。

1.3研究方法

1.3.1評價因子

評價因子為海南島海岸線向海推進(jìn)或者向陸后退的水平移動距離，即岸線縱深度。縱深度數(shù)值有正與負(fù)之分，正值代表海岸線向海推進(jìn)，而負(fù)值則代表海岸線向陸后退。

1.3.2評價方法

根據(jù)空間相對位置的變化，本研究將提取的海岸線分為向海推進(jìn)區(qū)與向陸后退區(qū)，通常情況下，向海推進(jìn)區(qū)和向陸后退區(qū)獨(dú)立劃分區(qū)塊，且區(qū)塊內(nèi)海岸線長度在10～20 km之間，變化較強(qiáng)烈區(qū)域的區(qū)塊內(nèi)海岸線長度在1～10 km范圍內(nèi)。區(qū)塊內(nèi)海岸線空間位置平均變化距離的確定方法，視區(qū)塊內(nèi)海岸線空間位置變化強(qiáng)度的空間分布均勻程度，每1～5 km岸線長度設(shè)一垂直海岸線主體走向的剖面，統(tǒng)計岸線位置在這一剖面上的變化距離值，取各剖面的平均值得到區(qū)塊內(nèi)海岸線變化的平均距離，也就是該段岸線的縱深度。

根據(jù)海岸線空間位置變化距離，計算出岸線縱深度值。縱深度的變化反映了海岸線穩(wěn)定性變化的程度，對海南島海岸線穩(wěn)定性劃分為強(qiáng)烈岸退區(qū)、岸退區(qū)、穩(wěn)定區(qū)、岸進(jìn)區(qū)和強(qiáng)烈岸進(jìn)區(qū)5個級別，并繪制海岸線穩(wěn)定性分級圖，更加形象與真實地展現(xiàn)全島海岸線幾何空間變化形態(tài)。海岸線縱深度計算式為

(1)

其中:D為岸線縱深度值；n為垂直海岸線主體走向的剖面數(shù)量；Lk為第k個剖面上的變化距離值。

在此基礎(chǔ)上，以市(縣)為單位，統(tǒng)計各市的海岸線穩(wěn)定性情況，計算各市的海岸線穩(wěn)定性指數(shù)E，E值越大表示岸線穩(wěn)定性越好。計算公式為

(2)

其中：RS表示穩(wěn)定區(qū)、岸退區(qū)和岸進(jìn)區(qū)海岸線長度占總海岸線長度的比例；RC表示強(qiáng)烈岸退區(qū)和強(qiáng)烈岸進(jìn)區(qū)海岸線長度占總海岸線長度的比例。

最后，在計算各市(縣)海岸穩(wěn)定性指數(shù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步匯總計算全島的海岸線穩(wěn)定性指數(shù)。

2 結(jié)果分析

2.1 岸線縱深度變化總體情況

根據(jù)上述評價方法和計算公式，以1970年、1990年、2000年、2010年和2016年5個時期的海岸線數(shù)據(jù)為研究對象，分析46年以來海南島海岸線縱深度變化量和年均變化速度，以平均負(fù)縱深度(AveD-)、平均正縱深度(AveD+)、縱深度絕對值平均數(shù)(AbsDA)和年均變化速度(SY)4個指標(biāo)來分析與統(tǒng)計，求出1970—1990年、1990—2000年、2000—2010年、2010—2016年4個時間段的海南島海岸線縱深度變化和年均變化速度(表3)。

表3 海南島1970—2016年海岸線縱深度變化統(tǒng)計

表3(續(xù))

計算與統(tǒng)計結(jié)果顯示，46年以來，海南島海岸線發(fā)生了劇烈的變遷，由自然因素引起的岸線后退變化呈減小趨勢，而人工開發(fā)引起的岸線向海推進(jìn)速度明顯加劇，岸進(jìn)絕對值遠(yuǎn)大于岸退絕對值。從全島來看，最近6年的岸線變化速度最快，平均每年向海推進(jìn)15.96 m。通過遙感分析，岸線后退多發(fā)生在河口三角洲和粉砂淤泥質(zhì)岸段，多系被侵蝕造成后退。沿海各市縣詳細(xì)變化情況如圖1—圖3所示。

圖1 海南島1970—2016年海岸線向陸后退平均距離變化

圖2 海南島1970—2016年海岸線向海推進(jìn)平均距離變化

圖3 海南島1970—2016年海岸線縱深度年均變化速度

海南島海岸線縱深度變化趨勢詳細(xì)分析如下：

1)1970—1990年屬于早期人類傳統(tǒng)海洋開發(fā)時期，主要開發(fā)與利用海洋活動為海洋漁業(yè)、曬海鹽，人們對海洋開發(fā)與利用處在傳統(tǒng)階段。此階段陵水黎族自治縣向陸后退變化值最大，年均岸退1.69 m，萬寧市排第二位，年均岸退約1.60 m；而昌江黎族自治縣向海推進(jìn)變化值最大，年均向海推進(jìn)38.61 m。此階段海南島海岸線變化主要為自然因素作用，包括海平面上升、海岸侵蝕和自然災(zāi)害等，這些因素的作用力受到自然環(huán)境變化影響較大，岸退與岸進(jìn)處于自然平衡時期。

2)1990—2000年由于受到生產(chǎn)條件和技術(shù)水平的限制，開發(fā)活動主要是用簡單的工具在海岸和近海中捕魚蝦、曬海鹽，以及海上運(yùn)輸，逐漸形成了海洋漁業(yè)、海洋鹽業(yè)和海洋運(yùn)輸業(yè)等傳統(tǒng)的海洋開發(fā)產(chǎn)業(yè)，人們對海洋開發(fā)與利用處在起步階段，新中國海洋開發(fā)政策基本形成時期。此階段東方市向陸后退變化值最大，年均岸退約5.91 m，三亞市排第二位，年均岸退約1.83 m；而澄邁縣向海推進(jìn)變化值最大，年均向海推進(jìn)約67.47 m。此階段海南島海岸線變化人為影響占主導(dǎo)地位，自然因素作用為輔，包括圍海養(yǎng)殖、曬海鹽、海平面上升、海岸侵蝕和自然災(zāi)害等，岸進(jìn)趨勢處于加快時期。

3)2000—2010年我國在開發(fā)利用海洋資源、發(fā)展海洋經(jīng)濟(jì)方面取得了較大進(jìn)展，海洋經(jīng)濟(jì)已成為國民經(jīng)濟(jì)新的增長點(diǎn)。2002年1月1日，《中華人民共和國海域使用管理法》正式實施，引發(fā)海洋開發(fā)高潮時代的到來，代表新中國海洋開發(fā)政策邁向強(qiáng)國戰(zhàn)略的新時期。此階段昌江黎族自治縣部分岸段，因海洋環(huán)境的自然災(zāi)害頻發(fā)，出現(xiàn)了向陸后退變化最大值，年均岸退8.53 m，陵水黎族自治縣排第二位，年均岸退6.26 m；而海口市因港口、工業(yè)區(qū)、新型城鎮(zhèn)等的建設(shè)，帶動大規(guī)模的填海造地行為，促使岸線向海推進(jìn)出現(xiàn)最大值，年均向海推進(jìn)約15.71 m。此階段人工開發(fā)對岸線變化的影像作用力大于自然因素，人工開發(fā)引起岸線向海推進(jìn)變化的趨勢加強(qiáng)。

4)2010—2016年是我國海洋經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的時代，也是海洋開發(fā)的一個新高潮。2007年3月《中華人民共和國物權(quán)法》的出臺，首次將海域物權(quán)制度在民事基本法律中得到確立，開創(chuàng)了海域使用管理的新時期，是海洋綜合管理真正走向法制化管理時期的重要標(biāo)志，同時也是破除傳統(tǒng)用海觀念，建立海域資源開發(fā)利用的社會主義市場機(jī)制的一場深刻革命[15]。此階段洋浦經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)部分岸段，受海洋環(huán)境的自然災(zāi)害、海水入侵作用力加強(qiáng)和人為濱海濕地的破壞，出現(xiàn)了向陸后退變化最大值，年均岸退10.30 m，萬寧市排第二位，年均岸退約7.31 m；而洋浦經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)加快了臨港工業(yè)區(qū)和海濱新區(qū)的建設(shè)，帶動了新一輪的圍填海行為，促使岸線向海加速推進(jìn)，年均向海推進(jìn)60.15 m。此階段岸線變化的主導(dǎo)因素是人工開發(fā)，自然因素引起的作用力相對于人工開發(fā)顯得較為微弱，從海南島岸線整體變化來看，此階段岸線向海推進(jìn)變化較為明顯，趨勢逐漸增強(qiáng)，推進(jìn)速度接近2000—2010年時期的2倍。

2.2岸線縱深度變化區(qū)劃分

依據(jù)1970年—2016年海南島海岸線區(qū)塊內(nèi)的岸線平均縱深度數(shù)值范圍，根據(jù)分等定級方法[16-18]，將海南島海岸線縱深度變化劃分為強(qiáng)烈岸退區(qū)、岸退區(qū)、穩(wěn)定區(qū)、岸進(jìn)區(qū)和強(qiáng)F烈岸進(jìn)區(qū)5個級別(表4)。

表4 岸線縱深度變化區(qū)劃分標(biāo)準(zhǔn) 單位:m

依據(jù)岸線縱深度變化區(qū)劃分標(biāo)準(zhǔn)，以2016年岸線為基準(zhǔn)，計算出1970—2016年期間海南島海岸線縱深度變化區(qū)各類型的岸線長度如表5所示。

表5 海南島海岸線縱深度變化區(qū)各類型岸線長度 單位:km

表5(續(xù))

由計算結(jié)果分析得出，海南島海岸線整體來看，整體趨勢受人類活動影響岸線不斷向海推進(jìn)，強(qiáng)烈岸進(jìn)區(qū)岸線長度達(dá)到330.37 km，占海南島岸線總長度的21.57%。其中，文昌市強(qiáng)烈岸進(jìn)區(qū)岸線長度最大，長度為65.77 km，占總岸線長度的20.97%，其次是萬寧市，強(qiáng)烈岸進(jìn)區(qū)岸線長度為49.94 km，占總岸線長度的33.03%，而昌江黎族自治縣強(qiáng)烈岸進(jìn)區(qū)岸線長度占總岸線長度的比例最大，達(dá)到50.91%。東方市強(qiáng)烈岸退區(qū)岸線長度最大，長度為12.04 km，占總岸線長度的11.84%，三亞市排第二位，強(qiáng)烈岸退區(qū)岸線長度為8.58 km，占總岸線長度的4.65%.

如圖4所示，從1970—2016年海南島海岸線穩(wěn)定區(qū)岸線保有量來看，昌江黎族自治縣、東方市和海口市三個區(qū)域穩(wěn)定區(qū)岸線所占比例不足40%，東方市最低，穩(wěn)定區(qū)岸線所占比例僅為13.83%，其次是昌江黎族自治縣，所占比例為22.78%；而其他區(qū)域穩(wěn)定區(qū)岸線所占比例都在40%以上，樂東黎族自治縣最高，所占比例為59.44%。

圖4 1970—2016年海南島海岸線穩(wěn)定區(qū)岸線所占比例

從影響變化因素上分析，主要是人類開發(fā)作用引起，隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，沿海地區(qū)工業(yè)化、城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快，人口和產(chǎn)業(yè)向沿海地區(qū)聚集，沿海城市人居環(huán)境不斷擴(kuò)張，為了滿足城市發(fā)展的需求，人類活動不斷向海洋延伸。

2.3 岸線穩(wěn)定性指數(shù)

根據(jù)大陸海岸線穩(wěn)定性指數(shù)公式(2)，計算出1970—2016年海南島海岸線穩(wěn)定性指數(shù)，如表6所示。

表6 1970—2016年海南島海岸線穩(wěn)定性指數(shù)

表6(續(xù))

由海南島海岸線穩(wěn)定性指數(shù)計算結(jié)果分析，可得出整體布局情況與岸線穩(wěn)定區(qū)岸線保有量相同，樂東黎族自治和瓊海市岸線穩(wěn)定性指數(shù)大于10，分別為16.32和13.63；而昌江黎族自治岸線穩(wěn)定性指數(shù)最小，僅為0.96。整體布局情況如圖5所示：

圖5 海南島海岸線穩(wěn)定性指數(shù)

3 討論與建議

保護(hù)好現(xiàn)有海岸線走勢,維持其自然演變規(guī)律,并盡量約束其變動,以利于長期利用是開發(fā)海岸線的首要基礎(chǔ)[19]。近年來，海南省嚴(yán)格按照中央“除國家重大項目外，全面禁止圍填海”要求，嚴(yán)格管控圍填海，據(jù)海南省海域監(jiān)測管理公報統(tǒng)計，2018年、2019年全省連續(xù)兩年未批準(zhǔn)圍填海項目，嚴(yán)格保護(hù)全省海洋資源的決心堅定。本研究表明海南局部地區(qū)如東方、昌江、海口等穩(wěn)定性岸線保有率很低，文昌、萬寧等強(qiáng)烈岸進(jìn)區(qū)岸線長度很大，如文昌市強(qiáng)烈岸進(jìn)區(qū)岸線長達(dá)65.77 km，占其總岸線長度的20.97%，文昌市位于海南島東部，屬低丘臺地平原地帶，根據(jù)遙感監(jiān)測，其海岸線變化較大區(qū)域位于文昌市青瀾灣與高隆灣一帶。文昌市海洋捕撈與海水養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)較為發(fā)達(dá)，同時1970—2016年該地填海造地、岸線防護(hù)工程、交通運(yùn)輸工程岸線所占比例逐漸增長，圍墾養(yǎng)殖等人為因素是造成岸進(jìn)區(qū)岸線占比較大的主要因素。

從岸線資源保護(hù)的角度，提出如下管理建議：1)合理規(guī)劃產(chǎn)業(yè)項目，嚴(yán)格按照岸線使用的海洋功能順序?qū)徟椖浚来螢椋焊劭凇⒑竭\(yùn)、海洋油氣開發(fā)、防潮排澇、濱海旅游、養(yǎng)殖等，引導(dǎo)產(chǎn)業(yè)向陸域縱深發(fā)展。2)繼續(xù)嚴(yán)控填海面積，推進(jìn)集約用海，引導(dǎo)填海后產(chǎn)業(yè)發(fā)展，提倡戰(zhàn)略型新興產(chǎn)業(yè)如海水綜合利用、海洋新能源、海洋醫(yī)藥等；改變海岸圍墾方式，盡量減少截彎取直，易采取離岸式等填海方式，盡量減少海岸自然景觀與近岸海域生態(tài)環(huán)境破壞，不改變海水動力條件平衡，不損害海域功能，不改變海岸的自然屬性。3)優(yōu)化濱海產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，以規(guī)模化集約化為發(fā)展模式[20],實現(xiàn)生態(tài)開發(fā)，提高海洋產(chǎn)業(yè)競爭力。目前濱海產(chǎn)業(yè)結(jié)果多為傳統(tǒng)養(yǎng)殖、鹽業(yè)等沒有市場競爭力的主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)，產(chǎn)品多以銷售原料為主，深加工產(chǎn)品較少，產(chǎn)品附加值低，產(chǎn)業(yè)整體效益不高。