1991—2018年粵港澳大灣區海岸線的時空變遷

占懿娟,吳雨凝,李暢,胡業翠

(中國地質大學(北京)土地科學技術學院 北京 100089)

0 引言

灣區經濟是當今國際經濟版圖的亮點,具有高度開放、包容集聚、創新引領和宜居宜業等特點,是世界一流濱海城市的顯著標志。粵港澳大灣區是我國在綜合實力雄厚的珠江三角洲基礎上劃定的新發展區域,是我國參與全球競爭的重要空間載體[1],2019年《粵港澳大灣區發展規劃綱要》體現我國對粵港澳大灣區發展的高度重視。近年來,對粵港澳大灣區的研究內容主要包括氣候、生態和環境[2-4]。海岸帶是海洋與陸地的過渡地區以及海洋經濟發展的重要空間載體,其環境變化會影響海岸線的空間形態,因此研究海岸線的變遷不僅對海岸線的開發利用和保護具有指導作用[5],而且對海岸帶環境變化的研究具有重要意義[6]。本研究以粵港澳大灣區為研究對象,以其海岸線變遷強度、海岸線分形維數和自然岸線保有率等數據為基礎,科學分析粵港澳大灣區海岸線的時空變遷及其驅動力,旨在為粵港澳大灣區海岸帶的開發利用和保護提供科學依據,促進粵港澳大灣區的可持續發展。

1 研究方法

1.1 研究區域

粵港澳大灣區由廣州、深圳、珠海、佛山、惠州、東莞、中山、江門和肇慶9個珠三角城市以及我國香港和澳門2個特別行政區組成,大地構造部位大致屬于華南準地臺(一級單位),呈斷裂發育,故其被山地和丘陵所環繞,中心區為由西江、北江、東江和潭江等干支流沖積而成的灣內充填式三角洲,沿海地區新構造運動較為活躍[7]。由于填海造地項目的建設,珠江口地區大多為人工海岸,珠江口以東和珠江口以西地區以基巖海岸為主,海岸線蜿蜒曲折。

粵港澳大灣區是我國開放程度最高和經濟活力最強的區域之一,在我國經濟發展格局中具有舉足輕重的地位,本研究的研究區域為擁有海岸線的9個城市(除佛山和肇慶)。

1.2 數據來源和處理

本研究以4年(1991 年、2000 年、2011 年 和2018年)的Landsat遙感影像、相關行政區劃圖和Google Earth衛星地圖為基礎數據源。在地理空間數據云網站獲取遙感影像,因研究區域范圍較大,覆蓋2 個條帶號和2 個行編號(表1)。

表1 遙感影像信息

在ENVI 5.2軟件的支持下,對遙感影像進行融合、糾正、拼接、補云、鑲嵌、裁剪和勻色等預處理,得到研究區域4個年份拼接的RGB影像。將研究區域的海岸線分為人工岸線和自然岸線2 個類型,通過解譯標志對遙感影像進行目視解譯,得到海岸線的相關數據[8]。

由于數據條件的限制,參考已有研究經驗[9-10],采用目視解譯方法提取瞬時水邊線。由于無法確保該水邊線即海岸線,為減少數據誤差,盡量選取10-12月的遙感影像。利用Arcgis 10.5軟件的線性構造功能,提取瞬時水邊線的確切位置,同時確定海岸線的類型,得到各期海岸線長度及其變化的矢量數據。利用Arcgis 10.5軟件的矢量數據長度計算功能,得到各期和各類型的海岸線總長度。

1.3 研究方法

1.3.1 海岸線變遷強度

海岸線長度的年均變化占比可表示某時段內各地貌岸區的海岸線變遷強度[11-12],便于更客觀地呈現各單元岸區海岸線變遷的時空差異,計算公式為:

式中:LCIij表示某單元岸區第i年至第j年的海岸線變遷強度;Li和Lj分別表示第i年和第j年的海岸線長度。

當LCIij為負值時表示海岸線縮短,當LCIij為正值時表示海岸線增長,LCIij的絕對值與海岸線變遷強度呈正相關。

1.3.2 海岸線分形維數

海岸線分形維數可量化表示海岸線的空間形態并展現海岸線的彎曲和復雜程度,且海岸線的彎曲和復雜程度與分形維數呈正相關。

基于已有研究成果[13-14],運用網格法和Matlab計算研究區域各期海岸線的分形維數。運用Arcgis 10.5軟件中的要素轉柵格工具將海岸線矢量數據轉換為柵格數據,并將數據進行二值化處理,從而生成覆蓋研究區域海岸線的全部正方形網格;統計不同年份的網格邊長對應的網格數目[15],對數據進行擬合得到斜率的絕對值即分形維數。相關表達式為:

式中:N表示網格數目;ε表示網格邊長;K表示海岸線分形維數;b表示對應常數。

網格的大小會對分形維數的計算產生一定的影響。本研究參考基本比例尺地形圖數字化過程中的轉換公式[16]以及比例尺為1︰90萬的地圖換算得到網格長度,根據地圖精度粗視化最小尺度選擇180 m,允許誤差為0.2 mm。由于相關資料和分形理論對各網格的取值間隔沒有嚴格規定,根據本研究的具體情況,以最大值覆蓋整條曲線為限,在網格邊長序列值間隔較均勻的基礎上,選取網格邊長分別為180 m、500 m、1 500 m、3 000 m、6 000 m、9 000 m、15 000 m、21 000 m 和50 000 m。

1.3.3 自然岸線保有率

自然岸線在人類開發利用過程中被轉化為人工岸線,自然岸線保有率[17]可反映人類活動對自然岸線的影響程度,計算公式為:

式中:R表示自然岸線保有率;M表示自然岸線長度;L表示海岸線總長度。

2 粵港澳大灣區海岸線的時空變遷

2.1 海岸線長度和變遷強度

根據海岸線遙感監測和數據矢量化的結果,1991—2018年粵港澳大灣區海岸線(大陸岸線)不斷向海推進,空間位置變化顯著,且長度增長155.76 km(表2)。

表2 1991—2018年粵港澳大灣區海岸線長度及其變化

續表2

1991—2018年粵港澳大灣區的海岸線變遷強度為0.43%,其中1991—2000年較大(0.78%),后逐漸減小,2000—2011 年為0.39%,2011—2018年僅為0.03%。各地區的海岸線變遷強度由大到小依次為中山(1.91%)、珠海(1.46%)、澳門(0.69%)、廣州(0.61%)、深圳(0.57%)、江門(0.18%)、東莞(0.16%)、香港(0.10%)、惠州(0.03%)。

2.2 海岸線變遷引起的陸海格局變化

由于海岸線數據為非閉合的矢量數據,須利用固定的邊界計算海岸線變遷造成的海岸帶面積變化,進而計算岸灘面積。將1991年海岸線作為海岸帶的內側邊界,將現有海岸線作為海岸帶的外側邊界,所形成的閉合曲線就是岸灘變化區域。

總體來看,1991—2018年粵港澳大灣區海岸線變遷引起的陸域擴張面積為482.68 km2,侵蝕面積為16.20 km2,凈增面積為466.48 km2。其中,1991—2000 年陸域面積變化最大,擴張面積為300.31 km2,侵蝕面積為1.74 km2,凈增面積為298.57 km2,凈增速為33.17 km2/a;2000—2011年陸域擴張面積為163.38 km2,侵蝕面積為6.45 km2,凈增面積為156.93 km2,凈增速為14.27 km2/a;2011—2018 年陸域面積變化最小,擴張面積為17.24 km2,侵蝕面積為8.00 km2,凈增面積為9.24 km2,凈增速為1.32 km2/a。

2.3 海岸線分形維數

總體來看,由于自然營力和人類活動的綜合影響,1991—2018年粵港澳大灣區的海岸線分形維數平均值為1.14,且呈持續上升的趨勢,但變化速率逐漸減緩,其中最大值為2018年的1.15。

海岸線分形維數的市級差異較大。①東莞、廣州和澳門總體較小,且在1.00左右波動。其中:廣州最小,但后期有所上升;東莞前期下降,但2000年后呈持續上升狀態;澳門前期緩慢上升,但2011年由1.04降至0.94。②中山、江門和深圳為1.00～1.50。其中:中山一直上升;江門前期較小,且在上升后又持續下降;深圳在1.08左右有較小波動,近期表現為下降。③香港、惠州和珠海較大且大于平均值。其中:香港穩定在1.20左右;惠州有較小波動,但相對穩定在1.15左右;珠海由1.11持續上升至1.16。

2.4 自然岸線保有率

總體來看,1991—2018年粵港澳大灣區的自然岸線保有率呈下降趨勢,總下降幅度為24.05%。其中,1991—2000年下降幅度最大(18.37%),此后下降幅度驟降至3.23%,2011—2018年下降幅度有小幅回升(3.86%)。

自然岸線保有率的市級差異較大,但在差異中存在規律,主要可分為4個類型。①平穩且保持較高水平,自然岸線保有率均高于0.5(香港);②平穩但保持較低水平(東莞、廣州和中山);③總體呈下降趨勢,下降速率前期較高,而后期趨于0(江門和深圳);④總體呈下降趨勢,下降速率前期較高,而中后期有小幅度回升(惠州和珠海)。值得說明的是,澳門的海岸線較短,且對現有精度的數據進行分析后認為其均為人工岸線,即自然岸線保有率為0,故不作具體討論。

3 粵港澳大灣區海岸線變遷的驅動力

3.1 人為因素

海岸線變遷反映土地利用強度變化,同時土地利用強度可在一定程度上用自然岸線保有率表征。因此,本研究在自然岸線保有率分類的基礎上分析海岸線變遷驅動力的人為因素。

(1)平穩且保持較高水平,即香港。香港和東莞同處珠江口地區,自然因素的影響機制和影響程度相近,但二者的自然岸線保有率差異巨大。究其原因,二者的經濟發展階段不同,并體現在政策導向不同。香港較高的自然岸線保有率得益于其長期以來注重環境保護:一方面,避免采用低效和不可持續的土地利用方式,提高土地利用效率,如積極發展高效的駁船運輸[18];另一方面,嚴格保護自然岸線,于1990年完成移沙補灘工程,使長期以來受到侵蝕的優良海濱沙灘——淺水灣重新煥發生機,并貫徹可持續發展的利用方針。多措并舉,保持高水平的自然岸線保有率和優良的生態環境。

(2)平穩但保持較低水平,包括東莞、廣州和中山。研究期內3個城市的自然岸線保有率均無顯著變化,表明自然岸線和人工岸線保持相對平衡。3個城市同屬珠江口地區,1995—2005年珠江口地區的圍填海面積達208 km2,以漁業養殖為主,其次為建設用地,面積占比分別為75.3%和17.3%[19]。然而珠江口灘涂濕地土壤受重金屬污染嚴重,不宜直接作為耕地或用于水產養殖[20],從客觀來看這也是研究期內3個城市的自然岸線保有率保持平穩的原因之一。2000—2010年珠江口地區海岸線向海擴張的趨勢大幅減緩[21],這種減緩的趨勢一直持續到2017年[22]。

(3)總體呈下降趨勢,下降速率前期較高,而后期趨于0,包括江門和深圳。在研究期前期,2個城市的經濟均呈現高速發展的勢頭,1978—2015年江門以圍墾養殖和工程建設為主的海岸線開發利用活動持續增加,截至2015 年的海岸線占比分別為25.88%和21.64%[9];深圳作為我國首個經濟特區,在研究期前期處于高速發展時期,1988—1998年工程建設海岸線占比增長近1倍,1998—2008年圍墾養殖海岸線占比下降且人工岸線整體呈縮短趨勢,此后人工岸線仍呈增長趨勢。

(4)總體呈下降趨勢,下降速率前期較高,而中后期有小幅度回升,包括惠州和珠海。在研究期前期,此類數據的特征與第三類數據大致相似,其人為驅動力也以經濟發展為主,但在研究期中后期的情況有所不同。例如:惠州的經濟發展導致海岸帶生態環境被嚴重破壞,2010年后惠州海岸帶的生態安全指數大多明顯下降,并于2013 年達到低谷,2013年的生態安全等級處于較危險和預警級別[23];2011 年《惠州市環境保護和生態建設“十二五”規劃》發布并實施,但惠州的自然岸線保有率再次大幅下降。

3.2 自然因素

海岸線變遷易受自然因素的影響,粵港澳大灣區海岸線變遷的自然因素主要包括3個方面。①地質構造運動。廣州、東莞和江門處于地殼較穩定地區,地質構造運動稀疏且活動性弱;而香港和澳門地處斷裂帶,地質構造運動頻繁,主要表現為地震和沿海地面沉降,對不同地區的海岸線產生不同程度的影響。②海平面上升侵蝕。粵港澳大灣區的地勢西北高、東南低,且海岸帶地勢較低平,易受溫室效應引起的冰川融化和海平面上升的影響;加上臺風的影響,海水對海岸帶的侵蝕強度加大,導致海岸線變遷。③泥沙入海。粵港澳大灣區擁有我國第二大河流——珠江,珠江年平均懸移質輸沙量為8 359萬t;由于氣候變化、龍灘截流和西江流域多級水庫聯合調水[24],珠江的入海泥沙量大幅減少,對珠江口地區海岸線的影響尤為顯著。

4 結語

本研究提取1991—2018年粵港澳大灣區的海岸線長度數據,進而計算海岸線變遷強度和分形維數;通過辨識人工岸線和自然岸線,從人為因素和自然因素2個方面分析海岸線變遷的驅動力。

粵港澳大灣區是世界第四大灣區,發展潛力不可估量,但圍墾造陸等人類活動已造成海岸帶生態環境出現問題,可能阻礙其發展。因此,分析海岸線的時空變遷可對海岸帶的開發利用和保護提供科學指導。根據研究結果,本研究對粵港澳大灣區的發展提出建議。①保證自然岸線保有率總體不低于37%,重視海岸線的生態價值;②制定統一的海岸線規劃和管理政策,并根據各城市的實際情況進行調整,以政策為導向,加強對海岸線的規劃和管理;③避免過度開發利用自然岸線,提高已有人工岸線的開發利用效率,實現經濟和生態環境的協調可持續發展。