浮渡河口沙壩—潟湖地貌系統穩定性評價研究

張盼閆吉順王鵬張連杰趙博林霞

(1.國家海洋環境監測中心 大連 116023;2.國家環境保護海洋生態環境整治修復重點實驗室 大連 116023;3.浙江省海洋科學院 杭州 310012)

0 引言

河口地區發育的沙壩—潟湖地貌系統具有河口典型的生態系統和獨特的景觀科研價值[1],既是世界沉積性海岸重要組成部分也是受人類活動影響密集的海陸過渡帶區域[2-3]。沙壩—潟湖是一類持續處于動態平衡調整過程中的地貌系統[4],極易因自然環境演化和人類活動影響導致脆弱性增加和結構功能的改變。

目前,已有學者對沙壩—潟湖海岸脆弱性動態平衡體系開展了研究。潮汐通道地貌體系穩定性是一項重點研究內容,O'Brien[5]提出了潟湖口門截面積和納潮量之間的關系,國內賈建軍等[6]、張喬民等[7]也研究了納潮量與口門截面積之間的平衡關系。遙感影像在國內外被廣泛應用于沙壩及潟湖穩定性研究,翁毅等[8]利用遙感影像研究了旅游開發活動對沙壩—潟湖景觀穩定性影響,孫偉富等[9]對我國大陸海岸潟湖發育演變階段進行了統計和變遷分析。國內也有研究者針對人類活動影響下沙壩—潟湖海岸環境因子變化及其穩定性進行了研究,王潔等[2]、王世俊等[10]對海南小海沙壩—潟湖海岸演化過程進行了研究,提煉了沙壩—潟湖—潮汐通道體系動態調整的規律性認識。盡管國內外對沙壩—潟湖海岸的穩定性研究已取得不少成果,但較少開展采用綜合指數方法量化評價人類活動作用下沙壩—潟湖海岸穩定性的研究。本研究在參考眾多學者研究成果基礎上,從物源供給特征、外部干擾特征和沙壩—潟湖系統結構特征3個方面考慮,構建了沙壩—潟湖系統穩定性評價指標模型,用以量化評估自然和人類活動作用下河口沙壩—潟湖穩定性,為形成以自然恢復為主的整治修復對策提供技術借鑒。

1 研究區域

研究區位于渤海遼東灣東岸,具體地理位置在遼寧省營口市浮渡河河口處(40°05'N—40°08'N,121°56'E—121°59'E),區內水深均較淺,落潮時大部分灘面出露海面。研究區屬北溫帶大陸性季風氣候,受季風影響顯著,區內以正規半日潮流為主,潮流具有明顯的往復性。海區內常浪向為SW向,次常浪向為N向,強浪向為NNW向。浮渡河是研究區內唯一的入海河流,河口兩側發育了典型的沙壩—潟湖地貌體系,現存沙壩長度約2.1 km。浮渡河口沙壩—潟湖海岸作為遼東灣東岸規模最大、保存較完整的現有砂質岸線,具有重要的景觀和科研價值。近幾十年來,浮渡河口周邊進行了河口筑壩、圍填海、圍海養殖和河道采砂等大量海洋開發活動,其中,2010—2015年潟湖內開始進行圍海養殖、道路建設等活動,2011年開展河口堤壩建設,2015—2016年沙壩外側進行人工島建設,隨著人類活動的不斷加劇,沙壩—潟湖地貌形態發生了重大改變。

2 資料與方法

2.1 資料來源

本研究收集了浮渡河口1992—2020年分辨率為1.5~2.5 m的高精度遙感影像,遙感影像來自SPOT、ZY、GF等衛星平臺,遙感數據影像均已經過系統輻射校正和地面控制點幾何校正。同時,補充收集了2010年以來的Google Earth高清遙感影像,作為沙壩—潟湖地貌體系與景觀格局的遙感學解譯的對比分析材料。

2.2 遙感影像解譯方法

本研究采用目視解譯法計算入海河流和沙壩—潟湖2個地貌單元典型特征參數長時間序列變化,各地貌單元參數提取和確定方法如下。

(1)入海河流地貌參數解譯方法。入海河流河口寬度以河流入海處兩岸突出角的連線確定,河道寬度以多處特征河道斷面寬度平均值確定,河道長度以河口至第一個河道彎曲處(40°05'26″N,121°58'30″E)的中心線長度確定。

(2)沙壩—潟湖地貌參數解譯方法。沙壩長度計算以1992年河口北側沙壩端部為原點,統計各年度沙壩壩尖到原點的線性距離。潟湖口門寬度為各年度沙壩壩尖到海岸線的垂直距離,潟湖面積按照沙壩至海岸線間閉合水域面積計算。人工構筑物面積按照各類型堤壩出露水面外輪廓形成的閉合區域面積計算。

3 沙壩—潟湖地貌參數變化特征

3.1 入海河流地貌參數變化特征

1992—2020年,浮渡河河口寬度變化范圍為325~873 m,平均為506 m。近29年間河口寬度總體呈先增加后減少的趨勢,共計減少419 m,年均縮減寬度為14.4 m。2018年以后,河口寬度基本處于穩定狀態,與1992年相比減少了56.3%。通過分析發現,1992—2007年,河口寬度從744 m增加至873m,從2007年開始呈現減少趨勢,2007—2020年,河口寬度從873 m減少至325 m(圖1)。河口處圍海養殖、碼頭堤壩建設等人類活動以及河口泥沙淤積造成的河流入海處兩岸突出角位置的改變,從而引起河口寬度的變化。

圖1 1992—2020年入海河流典型地貌參數變化

1992—2020年,浮渡河河道寬度變化范圍為192~274 m,平均為234 m。近29年間河道寬度的變化基本與河口寬度的變化趨勢相同,總體呈先增加后減少的趨勢,主要拐點出現在2010—2012年,河道寬度約270 m,2013年后河道寬度變化趨于平穩并略有下降的態勢(圖1)。河道寬度增加可能與河道疏浚整治有關,后期河口構筑物建設和河道泥沙淤積造成河道寬度減少。

1992—2020年,浮渡河河道長度在3 626~3 880 m,平均為3 698 m。近29年間河道長度總體呈先減少后增加的趨勢,2018年以后,河道長度基本處于穩定狀態。通過分析發現,1992—2010年,河道長度從3 880 m減少至3 626 m,2017—2018年河道長度從3 626 m增加至3 806 m(圖1)。河道長度主要基于河流形態及其中心線位置確定,不同年份河流形態變化以及河口位置的變化導致了河流中心線長度的變化。

3.2 沙壩—潟湖地貌參數變化特征

1992—2020年,沙壩長度在1 908~3 733 m,平均為2 363 m。近29年間沙壩長度總體呈先減少后略有增加的趨勢,共計減少1 180 m,年均縮減寬度為40.7 m。1992—2012年是沙壩長度急劇減少時期(圖2),沙壩長度從3 317 m減少至1 908 m,2012年沙壩長度與1992年相比減少了42.5%,河口處沙壩逐漸滅失是沙壩長度減少的主要原因。2013年以后,沙壩長度基本保持穩定并略有增加,2013—2020年沙壩長度從1 952 m增加至2 137 m,2020年沙壩長度與2013年相比增加了9.5%,但與1992年相比減少了35.6%。1992—2020年,潟湖口門寬度在216~411 m,平均為321 m。近29年間潟湖口門寬度總體不斷減少的趨勢(圖2),其中,2001—2020年共計減少195 m,年均減少寬度為9.8 m,減少幅度達47.4%。沙壩長度增加和潟湖口門寬度減少主要與北側沙壩壩體不斷延伸有關。

圖2 1992—2020年沙壩—潟湖典型地貌參數變化

1992—2020年,潟湖面積在26~34 hm2,平均為29 hm2。近29年間潟湖面積呈波動變化的趨勢,共計增加6 hm2,增長幅度達23.1%。1992—2007年、2017—2020年是潟湖面積增加時期(圖2),面積最大可達34 hm2,沙壩壩體逐漸延伸是潟湖面積增加的主要原因。2010—2016年,潟湖面積呈現逐年減少的趨勢,主要是由于填海造地和圍海養殖建設占用潟湖面積造成的。

1992—2020年,人工構筑物面積在46 124 hm2。近29年間人工構筑物面積呈不斷增加的趨勢,共計增加78 hm2,年均增加面積為2.7 hm2,增長幅度達170%。通過分析發現,1992—2010年人工構筑物面積從46 hm2增加至106 hm2,2013—2016年人工構筑物面積從108 hm2增加至121 hm2,從2019年開始人工構筑物面積保持穩定(圖2)。1992—2010年人工構筑物面積迅速增加主要是由大面積圍海養殖造成的,2013—2016年河口堤壩、人工島等圍填海工程建設導致人工構筑物面積小幅增加。2018年以來,隨著國家嚴控圍填海政策的出臺,人工構筑物面積不斷增長的趨勢得到明顯遏制。

4 指標體系與評價方法構建

本研究從物源供給特征、外部干擾特征和沙壩—潟湖系統結構特征3個方面考慮,構建了沙壩—潟湖系統穩定性評價模型。其中,物源供給特征選取河口寬度、河道寬度和河道長度3個評價指標,反映沙壩—潟湖系統砂源供給主體即入海河流狀況;外部干擾特征選取人工構筑物面積1個評價指標,反映各種人類活動對沙壩—潟湖系統外部干擾和造成的表觀影響;沙壩—潟湖系統結構特征選取沙壩長度、潟湖面積和口門寬度3個評價指標,反映沙壩—潟湖地貌系統內部整體發展和穩定狀況。在此基礎上,建立了沙壩—潟湖系統穩定性評價指標模型,指數的大小反映了沙壩—潟湖系統穩定性水平。公式如下:

式中:Vi為評價指標xi與標準值a的差值;Vmax為Vi的最大值;Vmin為Vi的最小值;V'i為Vi的歸一化處理;ci為評價指標xi與沙壩長度變化值的相關系數;Ci為評價指標xi影響沙壩穩定性的貢獻指數;CORREL[x,y]為評價指標xi與沙壩長度變化值的相關性分析函數;STAI為沙壩—潟湖穩定性指數。標準值a為未受到人類活動干擾下沙壩—潟湖系統穩定運行各地貌參數的值,通過歷年遙感影像分析,本研究以1985年沙壩—潟湖系統受人類活動影響較小的各項地貌參數作為標準值。

通過沙壩—潟湖穩定性評價指標相關系數及貢獻指數可以看出(表1),河口寬度、河道寬度和人工構筑物面積與沙壩長度之間存在極強相關性,并共同影響著沙壩—潟湖系統穩定性。

表1 沙壩—潟湖穩定性評價指標相關系數及貢獻指數

經沙壩—潟湖系統穩定性評價模型計算可以看出(圖3),2001年STAI出現峰值,2001年沙壩長度、潟湖口門寬度等地貌參數處于近29年最大值,河口寬度等物源供給和人工構筑物干擾處在適中水平,沙壩—潟湖地貌系統能夠通過自我調節維持良好穩定性。2001—2012年,STAI呈急劇下降的趨勢,由于該時間段內規模較大的圍海養殖活動、河口堤壩以及填海造地建設,造成了沙壩—潟湖系統沉積動力環境的改變,沙壩長度和河口口門寬度逐漸減少,人類活動等外部干擾逐漸增加,引起沙壩—潟湖穩定性下降。2012—2014年除河口堤壩的繼續建設外無其他明顯人類活動,雖然河口寬度發生一定變化,但沙壩—潟湖系統仍然維持了動態平衡。在2015—2017年,由于沙壩外側人工島建設和潟湖口門寬度減少等原因,導致沙壩—潟湖穩定性進一步下降。2017年以后,人類活動等外部干擾開始得到遏制,沙壩長度和潟湖面積逐漸得到恢復,對沙壩—潟湖穩定性起到較好恢復作用。同時,沙壩的不斷延伸也導致了潟湖口門逐漸變窄,STAI值在2017年后雖然有所上升但仍未達到平衡狀態。上述分析表明,一旦沙壩—潟湖地貌系統內進行了完全改變自然屬性的開發利用活動,很難恢復原始穩定狀態,在進行沙壩—潟湖地貌系統整治修復過程中,需注重尋求沙壩—潟湖系統的動態平衡狀態,以實現各典型地貌參數合理變化。

圖3 1992—2020年沙壩—潟湖穩定性指數變化

5 結論及建議

本研究通過對浮渡河河口沙壩—潟湖典型地貌參數包括河口寬度、河道寬度、河道長度、沙壩長度、潟湖面積、潟湖口門寬度和人工構筑物面積7個參數的統計分析,構建沙壩—潟湖系統穩定性評價模型,并對近29年來沙壩—潟湖的穩定性進行評價。2001—2012年沙壩—潟湖穩定性明顯下降,這與河口筑壩、圍海養殖等海岸開發活動強度的增加是同步發生的。在人類干擾活動較小的階段,沙壩—潟湖穩定性會逐步調整并趨于動態平衡,但很難恢復原始穩定狀態。沙壩-潟湖海岸是“藍色海灣”整治修復的重要對象,在整治修復過程中科學診斷其穩定性,識別沙壩-潟湖海岸演化趨勢,可以增強“自然恢復為主,人工修復為輔”整治修復對策的合理性。