浙江省近50年大陸海岸線時空變遷分析

康波,丁家瑋,王志文,2,王子豪,毛健,2,吳雪,2,許慶

(1.浙江省海洋科學院 杭州 310012;2.自然資源部海洋空間資源管理技術重點實驗室 杭州 310012)

0 引言

海岸線是指平均大潮高潮位時海陸分界的痕跡線,是海陸交互作用地帶[1]。海岸線的變化深刻影響海洋空間資源和生態環境。浙江省位于中國東南沿海、長江三角洲南翼,東臨東海,南接福建,北與上海、江蘇為鄰。浙江是海洋大省,海域遼闊,海島眾多,海岸線長度與海島個數均居全國首位。近年來,海岸線資源保護與開發利用的矛盾日漸突出,自然岸線保有率形勢嚴峻,因此,開展海岸線時空變化研究對于浙江省海洋空間資源管理和海洋生態環境保護具有重要意義。

國內已有許多學者開展了對浙江沿海的岸線變遷情況的研究。2004年,楊金中等[2]對浙江東部穿山半島岸線及潮灘演變的遙感調查研究表明,從20世紀60年代開始,岸線向海遷移基本上是由工業填海和圍海造田所致。2005年,張華國等[3]利用1986年以來8個時相的TM/TM+遙感資料進行研究,認為1986年以來杭州灣岸線演化主要是由人工圍墾和灘涂養殖引起。2006年,馮利華等[4]根據歷史和實測資料研究慈溪市海岸變化過程及其成因,結果表明,慈溪灘涂在1949年之后每年平均向外推進50～100 m,其誘因是大規模的人類活動。2015年,黃承力等[5]利用6期衛星影像數據,分析了l981—2014年臺州灣大陸海岸線的變遷特點和驅動力因素,認為臺州灣海域大規模的圍墾造陸工程是造成岸線向海推進的主要原因。以上研究主要集中在部分區域,從時間尺度上缺乏70年代初期改革開放前的數據,從解譯精度上缺乏實測數據作為參考,同時對岸線變遷的驅動力分析不足。

本研究利用1970—2018年6期遙感影像,結合海岸線實測數據,通過RS和GIS技術,準確提取了浙江省海岸線的位置和類型,綜合利用海岸線數字分析系統(DSAS)的多個模型進行定量分析,計算了海岸線的平均變化速率、終點變化速率等指標,客觀分析了海岸線類型、空間區域和典型岸段的演替規律,從自然和人類活動兩方面系統分析了浙江省海岸線變遷的驅動力因素,對浙江省海岸線的保護與修復和海洋管理部門的科學決策具有重要意義。

1 研究區概況

浙江省位于中國東南沿海中部,地理位置位于27°12'N—31°31'N和118°E—123°E之間。海域廣闊,海域面積26萬km2,大陸海岸線北起滬浙交界的金絲娘橋,南至浙閩交界的虎頭鼻,長度居全國第五位。

2 數據來源和分析方法

2.1 數據來源

本研究收集了1970年、1980年、1990年、2000年、2010年和2018年共6期遙感影像(表1)。此外,還收集了2018年比例尺為1∶5 000的浙江省大陸岸線監測矢量數據(精度優于1 m),作為遙感影像幾何精校正和岸線精度驗證數據。

表1 遙感影像信息

由于各期遙感影像分辨率、坐標系、投影不同,首先對數據進行歸一化處理。采用HIS變換融合方法,將高空間分辨率的全色波段鑲嵌圖與多光譜波段鑲嵌圖進行融合,利用實測岸線的坐標點,參照已配準的2018年高分遙感影像對其他影像數據進行配準,將岸線、遙感影像等數據統一為CGCS2000國家大地坐標系和高斯-克呂格投影(中央經線121.5°E)。校正后的數據空間誤差小于2 m。

2.2 海岸線提取與分析

參照相關技術規范[6],將海岸線分為2類,包括自然岸線和人工岸線,其中自然岸線分為基巖岸線、砂礫質岸線和河口岸線,人工岸線分為道路、海堤、碼頭、船塢、防潮閘、填海造地[7]。本研究采取目視解譯方法,以“908”岸線和2018年實測岸線為參考,提取各期海岸線并進行拓撲檢查和精度驗證,確保誤差在0.5～1.0個像元以內。

目前,海岸線的分析方法主要有數字岸線分析法、面積法、動態分割法、最小二乘法和人工化指數等[8-12]。平均速率法可以充分反映各時期的海岸變化情況[13],數字岸線分析法可以利用不同模型自動計算海岸線變化率[14],得出岸線空間分布差異;人工化指數可以反映人類活動對海岸線的影響程度,體現岸線類型變化。根據浙江省大陸海岸線特點,本研究選擇數字岸線分析法、面積法來分析岸線時空變化。

數字岸線分析法是由美國地質調查局(USGS)基于ArcGIS平臺研發的數字岸線分析系統(Digital Shoreline Analysis System,DSAS)4.3版 本[15]。DSAS通過回歸分析方法計算海岸線的變化速率,工作原理:①創建基線(Baseline),基線為陸上、海上和中岸的組合;②海岸線的設置,所有海岸線都必須位于同一個圖層中;③生成切線,設置橫斷面長度為6 000 m,間隔為600 m,表示每隔600 m基線向海岸線生成一條橫切面,共生成橫切面2 000余條;④通過交點與海岸線的距離計算海岸線的變化;⑤計算岸線變化速率,利用統計模型[終點變遷速率(EPR)、凈岸線移動距離(NSM)]表征相鄰兩期岸線的變化。在DSAS分析系統計算中,NSM表征兩期海岸線的凈變化距離,用m表示;EPR表征海岸線的每年的變化速率,用m/a表示,正值表示向海推進,負值表示侵蝕[16-18]。

式中:i為最遠年份海岸線與剖面線相交的點;j為最近年份海岸線與剖面線相交的點;E(i,j)為自最遠年份海岸線到最近年份海岸線的終點變化率,即EPR;di和dj分別為最遠年份和最近年份的海岸線距離海岸線基線距離;ΔY(j,i)為最近年份與最遠年份之間的時間間隔。

為了分析海岸線類型的變化,引入岸線人工化指數(IA),主要反映人類活動對岸線的影響程度[19]。IA計算公式為:

式中:IA為岸線人工化指數;N為人工岸線長度;L為海岸線總長度。IA越大,表明海岸線人工化程度越高。

3 海岸線變化結果分析

3.1 海岸線長度和圍填海分析

根據遙感影像的解譯和矢量化統計結果,1970年、1980年、1990年、2000年、2010年和2018年海岸線類型統計表如表2。

表2 浙江省各類型海岸線長度統計 km

人工岸線以海堤和填海造地為主。從1970年至今約50年中,浙江省大陸岸線發生了劇烈的變遷,圍填海、圍海養殖等開發活動導致海岸線持續向海推進,圍填海工程造成部分海島滅失,像玉環島等島嶼就是在大規模的圍填海過程中連島成陸。

海岸線長度方面,近50年間浙江省大陸海岸線長度總體呈明顯遞減趨勢,共減少了186.74 km(圖1a)。從時間序列來看,1970年以來,浙江省共圍填海約14.77萬hm2,浙江省海岸線的變遷幅度與圍填海開發強度具有較高的一致性(圖1b),這說明浙江省大陸岸線變遷首要因素為圍填海工程,5個時期變化規律為減少-增加-增加-增加-減少。從圍填海規模和時間來看,1970—1980年、2000—2010年和2010—2018年3個時期圍填海活動較為劇烈。1970—1980年圍填海面積為2.99萬hm2,這一時期隨著改革開放,沿海經濟迅速發展,圍海養殖、圍填海活動頻繁,實施了杭州灣南岸圍墾工程、三門灣胡陳港和大塘港堵港蓄淡工程、隘頑灣圍海養殖、漩門一期工程和樂清清江岸灘圍涂等工程;1980—2000年,圍填海活動有所減緩;2000—2018年,隨著灘涂圍墾、區域建設用海等積極的圍填海管控政策的出臺,圍填海規模達到頂峰,圍填海面積為9.37萬hm2,在這兩個時期主要實施了杭州灣南岸、寧海下洋涂、臨海北洋涂、臺州灣十一塘、漩門三期、龍灣二期和蒼南江南涂等大規模的圍填海工程。

圖1 1970—2018年浙江省圍填海面積及海岸線長度變化

3.2 海岸線類型變化和人工化指數

從岸線類型方面看,浙江省大陸海岸線分為自然岸線和人工岸線,以人工岸線為主。從不同類型的岸線變化長度來看,自然岸線減少趨勢明顯,從1970年的1 059.54 km減少到2018年的678.17 km,變化率為36%。其中基巖岸線占比最高,主要分布在杭州灣以南,長度減少了378.81 km,砂礫質岸線占比次之,但浙江省砂礫質岸線資源總體較少,2018年長度為31.03 km,長度減少了6.86 km。人工岸線趨勢化較為嚴重,近50年間人工岸線由1970年的1 276.75 km增加到2018年的1 473.85 km,變化率為15.44%。

從人工化指數方面看,浙江省大陸岸線人工化程度除了20世紀80年代略有下降,基本呈逐年上升趨勢,由1970年的54.65%增加到2018年的68.49%,而人工岸線長度與人工化指數趨勢基本一致,呈逐年增長趨勢。這主要是人工岸線截彎取直,平直化嚴重,導致海岸線總長度減少(圖2)。

圖2 1970—2018年浙江省岸線類型及人工化指數

3.3 海岸線變化速率分析

3.3.1 變化速率分析

在DSAS分析中計算了浙江省沿海5個不同時期的海岸線變化,分別為1970—1980年、1980—1990年、1990—2000年、2000—2010年 和2010—2018年。在計算EPR和NSM的基礎上,發現浙江省沿海岸線在不同年份不同時間具有不同的特征,但總體呈現向海推進的趨勢(表3)。

表3 浙江省岸線變化趨勢

1970—1980年浙江省海岸線年變化速率18.12 m/a,總體以增長為主,年變化最大的區域位于杭州灣、三門灣和樂清灣,平均變化率分別為28.09 m/a、25.45 m/a、26.57 m/a。其中最大增長率和最大侵蝕率均出現在三門灣區域,分別為1 234.42 m/a和-76.95 m/a。象山港、椒江口和甌江口的平均變化較小,尤其是甌江口,基本處于平衡狀態,平均變化率為-0.06 m/a,最大增長率為3.46 m/a,最大侵蝕率為-8.78 m/a。

1980—1990年,浙江省沿海岸線總體變化較小,年變化速率為5.67 m/a,較1970—1980年有明顯的下降。其中,平均變化速率最大的是杭州灣,變化速率為15.97 m/a,最大增長率為186.54 m/a,最大侵蝕率為-35.11 m/a。平均變化速率最小的是甌江口,為-0.47 m/a,總體呈現輕微的侵蝕狀態,最大增長率為0.28 m/a,最大侵蝕率為-3.86 m/a。

1990—2000年,浙江省沿海岸線總體繼續呈現向海推進的態勢,年變化速率為11.73 m/a。其中,平均變化速率最大的是樂清灣地區,為29.76 m/a,最大增長率為787.44 m/a,最大侵蝕率為-15.15 m/a。平均變化速率最小的是象山港區域,為2.01 m/a,最大增長率為166.86 m/a,最大侵蝕率為-18.63 m/a。

2000—2010年,浙江省岸線變化最大,年變化速率達到了43.04 m/a。杭州灣、三門灣和椒江口均呈現明顯的增長狀態,平均分別為160.46 m/a、30.64 m/a、47.21 m/a。其中最大增長率和最大侵蝕率分別出現在三門灣和杭州灣地區,分別為1 007.37 m/a和-32.39 m/a。平均變化速率最小的是甌江口區域,為4.7m/a,總體仍呈現向海推進的狀態,最大增長率為88.03 m/a,最大侵蝕率為-11.74 m/a。

2010—2018年,浙江省岸線年變化率與2000—2010年相比出現了顯著的下降,為32.13 m/a。其中平均變化速率最大的分別為杭州灣和甌江口,分別為74.90 m/a和51.17 m/a,其中最大變化率和最大侵蝕率均出現在杭州灣,分別為594.58 m/a和-67.27 m/a。象山港、三門灣、椒江口和樂清灣的平均變化率較小,基本處于平衡狀態或輕微的增長狀態,分別為1.81 m/a、0.81 m/a、0.43 m/a、1.75 m/a。

3.3.2 變化趨勢分析

為了客觀描述全省岸線的增長-侵蝕狀態,根據EPR數值特征,對岸線進行分類,主要表現岸線的增長-侵蝕變化趨勢。綜合岸線解譯誤差、岸線變化特征將海岸線變化趨勢分為3類:淤進(EPR≥5 m/a)、平衡(-5 m/a≤EPR＜5 m/a)、蝕退(EPR＜-5 m/a)[20]。

1970—2018年共分為5個時期,綜合來看,處于平衡狀態的岸線在各期占比最高,均在70%以上,處于淤進狀態的岸線占比次之,處于蝕退狀態的岸線占比最低(圖3)。處于淤進狀態的岸線經歷了急速下降-持續增加-下降的變化過程。第一個階段為20世紀70年代到80年代,處于淤進狀態的岸線由27.44%下降到13.12%;第二階段為80年代到21世紀初10年,處于淤進狀態的岸線占比持續增加,由13.12%增加到24.38%;第三階段為2000—2010年到2010—2018年,處于淤進狀態的岸線占比有所下降,由24.38%增加到16.78%。處于蝕退狀態的岸線占比均低于6%,最高為1990—2000年的5.83%,最低為2010—2018年的2.2%。處于平衡狀態的岸線占比均在70%以上,最高為1980—1990年的82.55%。

圖3 1970—2018年浙江省岸線狀態占比

3.4 變遷原因分析

海岸線變遷受自然因素和人為因素等多方面的影響。自然因素主要包括泥沙運移、海平面上升、河流改道和地形地勢變化;人為因素主要包括圍填海、海水養殖和海岸工程建設等。其中,人為因素,尤其是因為城市發展需要進行的大規模圍填海,是造成浙江省大陸海岸線變遷的主要原因。

3.4.1 自然因素

海岸線變遷是海岸帶沖淤演變的直接體現,是河流、潮汐、海流、波浪及風暴潮等水動力條件在特定海平面變化背景和海陸邊界條件下共同作用的結果。浙江省地處長江口南,省內有錢塘江、椒江、甌江等河流,輸沙量在一定程度上影響海岸線淤進的速度。浙江省水文局和中國水利部發布的《中國河流泥沙公報》統計結果顯示,三峽水電站等大型水庫建設導致浙江入海河流年輸沙量總體上明顯地減少,導致浙江省河口區因輸沙的減少而使海岸線受到了侵蝕[21]。另外,從中長期看,海平面上升是引起大范圍岸線內移的重要因素,《2020年中國海平面公報》顯示,1980—2020年近40年間東海海平面上升了136 mm[22]。除此之外,河流改道、地形地勢變化都會在一定程度上改變海岸的蝕淤狀態,影響了海岸線的變遷。

3.4.2 人為因素

人類活動對于大陸海岸線的改變和利用從未間斷,特別是1949年以來各地圍海造堤、建塘修壩和攔閘蓄水等活動直接改變著浙江省海岸線的位置和類型。浙江沿岸灘涂資源非常豐富,利用豐富的灘涂資源進行圍墾造地一直是浙江省緩解人多地少矛盾的主要措施。20世紀50年代至70年代,浙江省逐漸擴大了圍海范圍,即從高灘圍海發展到中、低灘促淤圍海,圍墾速度達到0.933萬hm2/a,主要用于農業生產,表現為攔閘蓄水、圍海造堤。1980—2000年,隨著改革開放的深入,第二產業、第三產業迅速發展,傳統養殖業興起,圍海養殖、圍填海活動進一步加劇。1996年浙江省出臺的《浙江省灘涂圍墾管理條例》和2006年國家海洋局印發的《關于加強區域建設用海管理工作的若干意見》極大地促進了圍填海工程的實施,2000—2015年圍填海活動達到頂峰。隨著2016年《海岸線保護與利用管理辦法》和2018年《關于加強濱海濕地保護嚴格管控圍填海的通知》等海岸線、圍填海管控政策的出臺,海岸線變化趨于穩定。

4 結論與建議

本研究基于6期遙感資料,以實測數據為參考,利用數字海岸線分析系統(DSAS)對浙江省1985—2018年的大陸海岸線進行提取及定量計算岸線變化速率,分析岸線變化的特征和趨勢,得出結論如下。

(1)近50年來,浙江省大陸海岸線呈明顯遞減趨勢,海岸線的平均變化率為22.14 m/a,海岸線總長減少了184.27 km,自然岸線減少了381.37 km,人工岸線增加了197.10 km,海岸線整體向海推進,共形成圍填海約14.77萬hm2,1970—1980年、2000—2010年和2010—2018年圍填海活動最為劇烈。

(2)浙江省大陸海岸線以人工岸線為主,自然岸線保有量逐年降低,岸線人工化趨勢明顯,人工岸線截彎取直,平直化嚴重。人工化指數除了20世紀80年代略有下降,基本呈逐年上升趨勢,由1970年的54.65%增加到2018的68.49%,人工岸線長度與人工化指數趨勢具有較強的一致性。

(3)海岸線向海推進趨勢明顯,平均變化率為26.72 m/a,1980—1990年平均變化率最低,為6.45 m/a,2000—2010年平均變化率最高為49.88 m/a。海岸線變化主要發生在杭州灣、象山港、三門灣、臺州灣、樂清灣和甌江口岸段。從海岸線的增長-侵蝕變化趨勢來看,處于平衡狀態的岸線在各期占比最高,均在70%以上,處于淤進狀態的岸線占比次之,處于蝕退狀態的岸線占比最低。

(4)浙江省大陸海岸線變遷受自然因素和人為因素等多方面的影響。人為因素尤其是因為城市發展需要進行的大規模圍填海是造成浙江省大陸海岸線變遷的主要原因,2000—2015年圍填海活動達到頂峰。隨著2016年《海岸線保護與利用管理辦法》和2018年《關于加強濱海濕地保護嚴格管控圍填海的通知》等海岸線、圍填海管控政策的出臺,海岸線變化趨于穩定。

海岸線是具有重要生態價值的海洋空間資源,一旦破壞極難恢復。為有效保護和改善海岸線的狀況,除了出臺嚴格管控圍填海和海岸線保護政策外,應該建立海岸線退縮制度,同時,將生態價值高、自然稟賦好的自然岸線納入生態紅線保護。此外,還要開展基于自然的海岸線生態保護與修復,尤其是加強受損岸線修復和人工岸線生態恢復,不斷提高自然岸線保有率。