1975—2020年煙臺芝罘灣海灣形態(tài)變化及驅(qū)動因素

王 菡,劉 寧,薛 巖,孫貴芹,魏 瀟,徐艷東

(1. 山東省海洋資源與環(huán)境研究院 山東省海洋生態(tài)修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東 煙臺 264006;2. 上海海洋大學(xué)海洋科學(xué)學(xué)院,上海 201306; 3. 煙臺經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展局,山東 煙臺 264006)

海灣為三面環(huán)陸的海洋,是海水深入陸地形成明顯水曲的海域,通常以灣口兩個(gè)海角連線作為最外部的分界線[1]。海灣處于海洋與陸地的過渡區(qū)域,常年受海陸雙重影響,同時(shí)蘊(yùn)藏大量資源,具有獨(dú)特的自然環(huán)境和明顯的區(qū)位優(yōu)勢,是海洋最易受人類活動影響的部分[2]。隨著現(xiàn)代海洋開發(fā)的迅速興起,海灣的開發(fā)利用漸成體系,成為海岸帶綜合開發(fā)利用的主要場所。對大型海灣通常進(jìn)行復(fù)合式開發(fā),并依托沿海開放城市形成經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的城市連綿區(qū);對較小的海灣則利用其具備的某種資源優(yōu)勢進(jìn)行針對性的開發(fā)利用[3]。

海灣變化是一個(gè)動態(tài)且連續(xù)的過程,影響著生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的變化,主要表現(xiàn)為圍填海等開發(fā)活動占用潮間帶或海域空間資源,進(jìn)而改變近岸海域水動力條件[4-5]、景觀格局破碎化[6]、優(yōu)勢種演替和群落結(jié)構(gòu)變化[7]、生物多樣性降低等,并對水環(huán)境、沉積環(huán)境及生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生直接、顯著、長期且不可逆的影響[8-10]。國內(nèi)外學(xué)者在傳統(tǒng)方法的基礎(chǔ)上借鑒其他學(xué)科的研究手段和方法,對海灣形態(tài)變化進(jìn)行了深入研究。文獻(xiàn)[11]通過斜形和斜形系統(tǒng)對水下三角洲、陸架邊緣和大陸邊緣進(jìn)行分析。文獻(xiàn)[12]評估海平面上升和海岸變化對墨西哥灣脆弱性的影響特征。文獻(xiàn)[13]以印度古吉拉特邦海岸1990、2001和2014年Landsat TM/OLI影像為數(shù)據(jù)源,研究了岸線和土地利用變化對海灣的影響。文獻(xiàn)[14]基于遙感影像與地形圖等資料提取了1940—2014年7個(gè)時(shí)期中國大陸85個(gè)海灣的空間信息,分析了我國主要海灣形態(tài)變化。文獻(xiàn)[15]基于20世紀(jì)90年代以來6個(gè)時(shí)期的Landsat TM/OLI遙感影像數(shù)據(jù),通過海灣岸線與灣面形態(tài)分析了東海區(qū)主要海灣的變化特征,探討圍填海強(qiáng)度與海灣形態(tài)變化之間的相關(guān)性。文獻(xiàn)[16]利用Landsat遙感影像分析了2010—2020年中國沿海主要海灣形態(tài)變化特征。目前,對于海灣變化的研究多集中于岸線變遷和開發(fā)利用程度等方面,而聚焦小區(qū)域進(jìn)行長時(shí)間序列的海灣形態(tài)變化研究相對較少。

芝罘灣位于山東省煙臺市,屬于北黃海海域,近年來在社會經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的推動下,其海灣形態(tài)發(fā)生了較大變化。文獻(xiàn)[17]從海岸線和海灣形態(tài)兩個(gè)方面,分析了在人類活動影響下芝罘灣1976—2016年海岸線的時(shí)空變化特征及趨勢。文獻(xiàn)[18]分析了芝罘灣1975—2015年海岸線時(shí)空變化,對圍填海活動進(jìn)行開發(fā)強(qiáng)度評價(jià)和潛力預(yù)測。文獻(xiàn)[19]通過芝罘灣1985—2017年的水體、沉積物和海洋生物等實(shí)測數(shù)據(jù)并參考?xì)v史調(diào)查資料,分析了近年來大規(guī)模圍填海工程對其灣內(nèi)生態(tài)環(huán)境的影響。港口建設(shè)在芝罘灣開發(fā)中占主導(dǎo)地位,但目前尚無專門針對港口碼頭變化影響海灣形態(tài)的研究。為進(jìn)一步認(rèn)識港口碼頭對芝罘灣形態(tài)的影響,本文基于遙感和GIS技術(shù),分析芝罘灣1975—2020年海灣形態(tài)時(shí)空變化特征及驅(qū)動因素,重點(diǎn)關(guān)注45年來研究區(qū)港口碼頭的時(shí)空變化對海灣形態(tài)的影響,以期從海灣形態(tài)變化的角度為研究區(qū)未來合理開發(fā)利用和保護(hù)修復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)源

1.1 研究區(qū)概況

芝罘灣位于煙臺芝罘區(qū)北部,口門北起芝罘島東南角,南至東炮臺山,為“U”形開敞式海灣。海灣灣口向東,水域開闊,水深條件好,適宜港口建設(shè),煙臺港位于海灣西南部,可停泊萬噸級貨輪[20],在環(huán)渤海經(jīng)濟(jì)中具有重要戰(zhàn)略地位,也被列為21世紀(jì)海上絲綢之路的重要節(jié)點(diǎn)。

1.2 數(shù)據(jù)源

使用數(shù)據(jù)來自美國地質(zhì)調(diào)查局和地理空間數(shù)據(jù)云兩個(gè)網(wǎng)站,包括1975—2020年成像的Landsat MSS/TM/ETM+/OLI系列傳感器影像數(shù)據(jù),以5年為一期共10個(gè)時(shí)期,數(shù)據(jù)信息見表1。利用ENVI軟件進(jìn)行幾何校正與配準(zhǔn)、去條帶處理、假彩色合成等預(yù)處理得到用于解譯的遙感影像,便于提取海灣岸線,并利用2019年高分影像和野外實(shí)測數(shù)據(jù)等為解譯提供支持;同時(shí)結(jié)合《中國海灣志-第三分冊》《煙臺港史》和《煙臺港灣開發(fā)研究》等文獻(xiàn)資料,研究煙臺港建設(shè)和發(fā)展對海灣面積和形態(tài)變化的影響。

表1 遙感影像數(shù)據(jù)信息

2 研究方法

2.1 岸線開發(fā)利用程度指數(shù)

海灣開發(fā)利用程度指數(shù)可反映研究區(qū)不同時(shí)期岸線開發(fā)程度的動態(tài)特征。岸線開發(fā)利用程度指數(shù)值越大,表明岸線開發(fā)利用程度越高,人類活動對海灣岸線的影響越強(qiáng)烈[21]。其公式為

(1)

式中,I為岸線開發(fā)利用程度指數(shù);n為岸線類型個(gè)數(shù);Ai為第i類岸線對應(yīng)的人力作用強(qiáng)度指數(shù),該指數(shù)依據(jù)人類活動對岸線的影響程度,將港口碼頭岸線、其他人工岸線和自然岸線的指數(shù)值確定為3、2、1;Ci為第i類岸線的長度比。

2.2 海灣形狀指數(shù)

海灣形狀指數(shù)是通過岸線長度和海灣面積大小的變化定量刻畫各種內(nèi)外力相互作用的強(qiáng)度和發(fā)展過程,可反映海灣發(fā)展演變過程和水動力學(xué)特征[22]。其值越小,表明海灣越趨近于圓形,形狀越簡單[23]。其公式[14]為

(2)

式中,SIB為海灣形狀指數(shù);A和P分別為海灣口門線與海灣岸線形成的封閉性圖斑面積(m2)和周長(m)。

2.3 海灣重心及其變化

海灣重心為在二維平面空間計(jì)算的海灣幾何質(zhì)心,其平面坐標(biāo)可利用ArcGIS軟件計(jì)算獲得。通過分析各個(gè)時(shí)期芝罘灣重心空間變化的方向、路徑及距離,可定量刻畫芝罘灣每個(gè)研究時(shí)段的形態(tài)變化特征[14,22]。

3 結(jié)果與討論

3.1 海灣岸線開發(fā)利用程度時(shí)空變化特征

海灣地區(qū)擁有明顯的區(qū)位優(yōu)勢和豐富的自然資源條件,是人類活動和工農(nóng)(漁)業(yè)發(fā)展的聚集地,但過度的開發(fā)利用和自然條件改變導(dǎo)致海灣形態(tài)發(fā)生較大變化。海灣開發(fā)利用程度指數(shù)統(tǒng)計(jì)情況如圖1所示。結(jié)果表明:1975—2015年間,研究區(qū)海灣岸線開發(fā)利用程度指數(shù)均有所增加,2020年較2015年略有減少,說明研究期間海灣開發(fā)利用行為一直存在,且開發(fā)強(qiáng)度總體增加。具體特征表現(xiàn)為:1975—1980年海灣的岸線開發(fā)利用程度指數(shù)均低于150,屬于輕度開發(fā)利用狀態(tài);1980—1985年岸線開發(fā)利用程度增加明顯,由140增加至184;1990年以來,海灣海岸線開發(fā)利用程度進(jìn)入快速發(fā)展階段,1990—2015年開發(fā)利用程度指數(shù)呈不斷增加的趨勢,由196增加至241;但在2015—2020年開發(fā)利用程度指數(shù)略微有所減少,由241減少至239。當(dāng)研究區(qū)海灣人類建設(shè)活動強(qiáng)度加大時(shí),同時(shí)段內(nèi)海灣開發(fā)強(qiáng)度指數(shù)也顯著增加[24]。

圖1 1975—2020年芝罘灣海灣岸線開發(fā)利用程度和海灣面積變化

3.2 海灣面積時(shí)空變化特征

利用ArcGIS軟件的空間分析模塊計(jì)算各時(shí)期的海灣面積及其變化,45年來面積變化情況如圖1所示。結(jié)果表明:45年來海灣面積共減少了8.82 km2,占1975年總面積的25.99%,呈逐年減少的趨勢。具體而言,1975—2000年芝罘灣海灣面積減少較為明顯,1975年海灣面積為33.93 km2,到2000年面積為27.30 km2,年均減少速率為0.27 km2/a;2000—2020年海灣面積減少速率相對減慢,由27.30 km2減少至25.11 km2,減少速率為0.11 km2/a。從空間上看,海灣面積減少主要表現(xiàn)在芝罘灣北部和西部。整體而言,45年間芝罘灣海灣面積一直保持減少的趨勢,約為0.20 km2/a,且隨著海灣開發(fā)利用強(qiáng)度的加大,海灣面積逐漸變小。

3.3 海灣形狀指數(shù)時(shí)空變化特征

研究區(qū)各時(shí)期的海灣形狀指數(shù)計(jì)算情況如圖2所示。結(jié)果表明:45年來海灣的形狀指數(shù)由1.33增加至2.23,其中,1975—1995年和2005—2020年海灣形態(tài)指數(shù)增長較快,1995—2005年海灣形態(tài)指數(shù)增長較慢,但總體呈增大的態(tài)勢,其形狀變得復(fù)雜,主要原因?yàn)轲B(yǎng)殖圍堤、港口碼頭建設(shè)等工程增加了海灣岸線的復(fù)雜性。

圖2 1975—2020年芝罘灣海灣形態(tài)指數(shù)變化

3.4 海灣重心位移特征

各時(shí)期海灣重心坐標(biāo)、不同時(shí)段重心位移距離和速率統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2和圖3所示。1975—2020年海灣重心位移距離為647.79 m,速率為14.40 m/a,呈整體向東(海洋)趨勢,其重心處于較為活躍的狀態(tài)。1995—2000年重心向海移動距離最大為223.97 m,位移速率為44.79 m/a;其次是1980—1985年,重心向海移動距離為162.55 m,位移速率為32.51 m/a;2010—2015年海灣重心移動距離最小為17.33 m,位移速率為3.47 m/a。芝罘灣重心整體上呈不斷背陸向海移動的特征,不同研究期重心位移方向和距離呈現(xiàn)較強(qiáng)的時(shí)空差異性,但總體上海灣面積萎縮方向與岸線空間位置的移動方向相一致。

圖3 1975—2020年芝罘灣海灣重心偏移變化

表2 1975—2020年芝罘灣海灣重心偏移情況

3.5 驅(qū)動因素

近45年芝罘灣海灣形態(tài)發(fā)生了很大變化,各類型海岸線占比變化情況及海岸線變化情況如圖4和圖5所示。

圖4 1975—2020年芝罘灣各類型海岸線占比變化

圖5 1975—2020年芝罘灣海岸線和港口變化

(1)芝罘灣灣外有著名的煙威漁場[20],水產(chǎn)資源豐富,改革開放以來,在海洋捕撈業(yè)發(fā)展的同時(shí),海水養(yǎng)殖業(yè)也快速發(fā)展,圍海養(yǎng)殖區(qū)面積不斷擴(kuò)大,主要集中在海灣北部。遙感解譯結(jié)果如圖4所示,1975—1990年其他人工岸線增加明顯,而其他人工岸線中主要為養(yǎng)殖圍堤岸線,修建養(yǎng)殖圍堤是北岸海岸線變化的主要因素。芝罘灣北部養(yǎng)殖面積擴(kuò)大使得海灣面積減小,岸線向海擴(kuò)張,海灣形態(tài)隨之發(fā)生變化。

(2)芝罘灣沿岸有美麗的自然景色和人文景觀,其南部區(qū)域主要以自然岸線為主,優(yōu)質(zhì)的濱海沙灘推動了海水浴場建設(shè),促進(jìn)了芝罘灣濱海旅游業(yè)發(fā)展。海水浴場和旅游設(shè)施的建設(shè)導(dǎo)致南岸自然岸線占比減少,但整體而言南部岸線變化不明顯,對海灣形態(tài)變化影響也較小。

(3)芝罘灣是環(huán)渤海的一個(gè)重要物資集散地,優(yōu)良的自然條件使其成為建設(shè)港口、發(fā)展海上運(yùn)輸?shù)睦硐雸鏊?975—2020年芝罘灣海岸線空間分布、各類型占比變化和港口填海情況如圖4和圖5所示。20世紀(jì)70年代煙臺開始了“大建港”,港口碼頭岸線占比逐年增加,海灣岸線不斷向海推進(jìn)。1981—1985年,煙臺港南部的浮碼頭和南護(hù)岸相繼改建完成,港口碼頭岸線占比由16%增加到32%,該時(shí)期海灣岸線向海推進(jìn),海灣重心向東北方向偏移且偏移量較大。1985—1995年,一突堤和二突堤相繼建成,港口碼頭岸線占比由32%增加到44%,期間西部岸線整體向海推進(jìn),海灣面積不斷減少,海灣形態(tài)指數(shù)增大,海灣形狀復(fù)雜性提高。1995—2005年,修建四突堤和南側(cè)順岸碼頭,港口碼頭岸線占比增加了5%。2005—2010年,三突堤的建成使得港口碼頭岸線增加,海灣岸線持續(xù)向海推進(jìn),海灣面積進(jìn)一步減少,海灣重心向海移動且重心偏移量較為明顯。2010年國家對圍填海實(shí)行指標(biāo)化管理[17],港口碼頭岸線增加的速度相對減慢,其岸線增長不明顯?？傮w而言,芝罘灣西部岸線的時(shí)空變化呈現(xiàn)不斷向海推進(jìn)的趨勢,且主要集中在港口碼頭建設(shè)時(shí)期。由于海灣內(nèi)較高強(qiáng)度的港口碼頭建設(shè),使得芝罘灣海灣形態(tài)發(fā)生了很大的變化,岸線不斷向海擴(kuò)張且港口碼頭岸線增加顯著,原本簡單平滑的岸線變得曲折復(fù)雜,可見港口碼頭建設(shè)是芝罘灣形態(tài)變化的最大驅(qū)動因素。港口碼頭建設(shè)使得海灣形態(tài)指數(shù)增大,海灣面積減少,海灣重心不斷向海移動。因此,1980—2010年煙臺港的建設(shè)(填海造地建設(shè)港口碼頭)是芝罘灣海灣形態(tài)變化的主要驅(qū)動因素。

4 結(jié) 論

本文利用遙感和GIS,以煙臺市芝罘灣為研究對象,基于10個(gè)時(shí)相的Landsat遙感影像,從岸線開發(fā)利用程度、海灣面積、海灣形態(tài)指數(shù)、海灣重心4個(gè)方面分析了1975—2020年海灣時(shí)空動態(tài)特征,主要結(jié)論如下:

(1)1975—2020年間,芝罘灣岸線主要受人為因素的影響整體向海推進(jìn),開發(fā)利用程度呈整體增加態(tài)勢。尤其是1990年以來,海灣岸線開發(fā)利用整體進(jìn)入較快的發(fā)展階段,港口碼頭建設(shè)成為最主要的開發(fā)利用方式。

(2)1975—2020年間,芝罘灣海灣面積隨時(shí)間不斷變化,總體呈下降趨勢,海灣面積45年來減少了8.82 km2,減少速率為0.20 km2/a,減少最快時(shí)間段為1975—2000年,面積減少主要驅(qū)動因素為近岸圍海養(yǎng)殖(1975—1990年)和港口碼頭建設(shè)(1980—2010年)。

(3)芝罘灣海灣形狀指數(shù)45年來由1.33增加到2.23,海灣形狀整體呈現(xiàn)復(fù)雜化趨勢,重心整體向海位移了647.79 m,總體上表現(xiàn)為不斷背陸向海移動的特征,且海灣面積萎縮變化方向與岸線空間位置的移動方向一致。