膠東半島近海海域懸浮泥沙時空變化研究

孟靈，畢曉麗，屈凡柱

（1.中國科學院煙臺海岸帶研究所，山東 煙臺 264003；2.中國科學院研究生院，北京 100049）

膠東半島近海海域懸浮泥沙時空變化研究

孟靈1，2，畢曉麗1，屈凡柱1，2

（1.中國科學院煙臺海岸帶研究所，山東 煙臺 264003；2.中國科學院研究生院，北京 100049）

利用2003-2009年春季的MODIS影像，基于修正的TASSAN模型反演了膠東半島近岸海域的懸浮泥沙濃度，利用GIS空間分析工具分析了懸浮泥沙的空間變化特征。結(jié)果表明：從2003-2009年研究區(qū)內(nèi)整體含沙量逐年遞增；區(qū)域含沙量近岸高、外海低；半島北部毗鄰海域含沙量自西向東依次遞減，南部海岸帶地區(qū)無規(guī)律性變化。膠東半島海岸帶懸浮泥沙的時空變化特征同海岸線類型及用海類型有密切聯(lián)系。

懸浮泥沙；TASSAN模型；遙感反演；膠東半島

Abstract：Based on a revised Tassan model，concentration of solid suspended matter（SSC） in the coastal zone of Jiaodong Peninsula was retrieved by Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer（MODIS） images from 2003 to 2009.The spatial and temporal characteristics of SSC in the study area were also analyzed by GIS spatial analysis tools.The results showed that total SSC values had increased annually，which were generally higher in the near shore areas than that in the open sea.Particularly，the SSC values had decreased from west to east in the northern coastal area of Jiaodong Peninsula，while they had no clear trends in the southern coastal zone.The spatio-temporal changes of SSC in Jiaodong Peninsula were closely related to the coastline types and the sea-use types.

Keywords：solid suspended matter（SSM）； TASSAN model； retrieving of remote sensing； Jiaodong Peninsula

懸浮泥沙的分布和輸送在海洋環(huán)境、海洋生態(tài)學以及工程建港考慮淤積等領(lǐng)域的研究具有重要的意義（鮑獻文等，2010）。黃、渤海毗鄰陸架區(qū)海域是世界上懸沙含量最高的海域之一，此海域懸浮體數(shù)量大、濃度高、物源豐富多樣，而且海域內(nèi)懸沙濃度和時空分布受世界上含沙量最大的河流——黃河入海所攜帶含沙量的影響，懸沙濃度時空易變性和濃度變化明顯（楊作升等，1992）。

國內(nèi)外眾多學者對黃東海陸架區(qū)懸沙季節(jié)變化及其影響因素（秦蘊珊等，1963；秦蘊珊等，1982；孫效功等，2000；劉芳等，2006）、黃河入海泥沙對黃、渤海懸沙時空變化的影響（張經(jīng)等 ，1985； Martin et al，1993； Milliman et al，1987；王海龍等，2009；陳曉玲等，2005） 開展了大量的研究工作。比如秦蘊珊于20世紀60年代對中國陸棚海懸沙做的開創(chuàng)性研究（秦蘊珊等，1963），Martin等人（1993） 和Milliman等人（1987）針對黃河入海泥沙對鄰近海域影響做了監(jiān)測研究。以上這些研究大都基于實測數(shù)據(jù)，這種常規(guī)的調(diào)查方法需要采樣船出海實測，費時費力。而且這種方法只能獲得在時間、空間分布上很離散的、少量點的數(shù)據(jù)。利用實測數(shù)據(jù)難以實現(xiàn)對大范圍、長時間尺度的懸浮泥沙動態(tài)監(jiān)測。近幾年隨著遙感技術(shù)和懸沙濃度反演精度的提高，眾多學者嘗試利用覆蓋面大、同步性和連續(xù)性好、信息豐富的多時相衛(wèi)星遙感影像實現(xiàn)河口及海域懸沙分布狀況和動態(tài)變化監(jiān)測。如邢飛等基于TM數(shù)據(jù)針對江蘇近岸海域懸沙時空分布特征進行了研究（邢飛等，2010）。

隨著海岸帶地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展和城市化水平的提高，原有的大量的自然海岸線受人為干擾影響越來越嚴重，岸線特征的改變對海岸帶水體懸浮泥沙含量的時空分布特征和運移規(guī)律等產(chǎn)生重要的影響。但是，由于涉及較寬的時空尺度，在對泥沙懸浮含量的影響因素的分析中，岸線特征的作用往往被忽略。

本文擬以膠東半島鄰近海域為研究對象，利用MODIS數(shù)據(jù)研究該區(qū)海域懸沙濃度的時空變化，主要目的是從海岸線類型和用海類型兩個方面探討其對于懸沙時空動態(tài)分布的影響作用，以此豐富黃渤海懸沙動態(tài)監(jiān)測研究內(nèi)容，同時也為懸浮泥沙影響因素的分析提供新的思路。

1 研究區(qū)概況

膠東半島位于山東省膠萊谷地以東，是膠萊河以東的半島地區(qū)。膠東半島西北臨渤海、黃海與遼東半島相對，東臨黃海與朝鮮半島和日本島隔海相望（圖1）。半島的西北內(nèi)陸與華北平原連接，面積約為3.4萬km2，是我國最大的半島。半島海岸蜿蜒曲折，港灣岬角交錯，島嶼羅布，是華北沿海良港集中地區(qū)。膠東半島地區(qū)多年平均年徑流量一般為100～300 mm，汛期6-9月的徑流量占全年徑流量的84%～86%。半島地區(qū)水系發(fā)育，北流入渤、黃海的有界河、黃水河、大沽夾河、沁水河、辛安河等水系；南流入黃海的有大沽河、五龍河、母豬河、乳山河等水系（百度百科網(wǎng)，膠東半島）。

本研究中，為了更好的研究海水中懸沙時空動態(tài)分布，除涵蓋膠東半島毗鄰海域之外，還包括了萊州灣和黃河三角洲的部分海域。

2 數(shù)據(jù)來源及分析方法

2.1 數(shù)據(jù)前期處理

本研究采用MODIS Aqua L1B 1km數(shù)據(jù)，獲取遙感影像的時間分別為2003年4月5日、2004年4月3日、2005年4月15日、2006年4月2日2007年4月3日、2008年3月24日和2009年3月14日，分別代表2003-2009年春季的海域狀況。MODIS影像選取時盡量選擇研究區(qū)無云或少云的影像。對獲取的MODIS影像進行幾何校正、輻射定標、大氣校正、海域提取、云掩膜處理和圖像裁剪。MODIS數(shù)據(jù)云掩膜處理操作用來保證分析的影像資料是在晴空下得到的。

MODIS數(shù)據(jù)利用其自帶的經(jīng)緯度信息，采用Geographic Lat/Lon投影進行幾何校正，同時進行雙眼皮校正。對幾何校正后的圖像進行輻射定標。輻射定標計算公式為：

式中：R為遙感圖像像元點反射率值；DN值為1B數(shù)據(jù)存儲值；Scales和Offsets值分別為反射率縮放系數(shù)和偏移值，可以在MODIS數(shù)據(jù)頭文件中得到。

對輻射定標后的MODIS數(shù)據(jù)利用基于MODTRAN4大氣輻射傳輸模型為基礎(chǔ)的FLAASH大氣校正模型進行大氣校正，從而獲取遙感各像元反射率值。最后對MODIS數(shù)據(jù)進行海域提取、云掩膜處理和圖像裁剪操作。以上對MODIS數(shù)據(jù)的處理均在軟件ENVI4.7軟件中實現(xiàn)。

2.2 懸沙濃度的反演

在懸沙濃度反演中，Tassan等人針對地中海地區(qū)的懸浮物建立的比值模型由于其較高的反演精度和普適性而被廣泛應(yīng)用（Tassan，1994）。唐軍武等人對Tassan模型進行了修正，使其能夠適用于我國黃海、東海海域，修正后的模型（式3）反演結(jié)果與實測值相關(guān)系數(shù)高達0.79，反演精度滿足研究需求（Tang et al，2004；Zhang et al，2010）。因此，本文利用修正后的Tassan模型實現(xiàn)研究區(qū)域懸浮泥沙濃度的反演。反演模型為：

式中：S代表懸浮泥沙濃度，Rrs（488）、Rrs（555）、Rrs（645）分別對應(yīng)488 nm、555 nm、645 nm波段的遙感反射率。

2.3 GIS空間分析

空間分析是基于地理對象的位置和形態(tài)特征的空間數(shù)據(jù)分析技術(shù)，其目的在于提取和傳輸空間信息，是地理信息系統(tǒng)的主要特征（梁艷平，2003）。

（1）為了更好的說明膠東半島海域懸沙濃度時空分布規(guī)律，本文利用ARCGIS空間分析模塊分別在膠東半島北部沿岸和膠東半島南部沿岸選取了6個城市樣點和6個非城市樣點，提取各樣本點毗鄰25 km×50 km海域內(nèi)懸沙濃度均值，比較各樣點毗鄰海域懸沙濃度的差異（圖2）。其中，北部沿岸城市樣點分別為：龍口（C-1）、煙臺（C-2）、威海（C-3），對應(yīng)非城市樣點分別為L-1、L-2、L-3；南部沿岸城市樣點分別為：榮成（C-4）、乳山（C-5）、青島（C-6），對應(yīng)非城市樣點分別為L-4、L-5、L-6。

圖2 樣點圖

（2）為了研究海岸特征對懸浮泥沙含量影響，根據(jù)岸線信息將海岸線分為非永久性人工岸線（FYJ）、粉砂淤泥質(zhì)岸線（FS）、基巖岸線JY、砂質(zhì)岸線（SZ） 和永久性人工岸線（YJ）5大類。同時按照人類開發(fā)利用情況將用海類型劃分為濱海旅游（A）、船舶和電廠工業(yè)（B）、海岸防護工程（C）、海水養(yǎng)殖業(yè)（D）、海洋交通運輸（E）、未開發(fā)（F）、鹽業(yè)（G）、漁業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施（H） 共8種主要用海類型?；谘芯繀^(qū)近海泥沙分布經(jīng)驗常識和數(shù)據(jù)源精度限制我們提取了近海方向50 km緩沖區(qū)內(nèi)的懸浮泥沙濃度，利用空間分析模塊針提取并統(tǒng)計不同岸線類型和用海類型矢量圖層的濃度信息，分析岸線類型和用海類型對近岸海域懸浮泥沙時空分布的影響。

3 結(jié)果和討論

3.1 懸浮泥沙時空分布規(guī)律

利用Tassan模型反演的近岸海域懸沙濃度分布結(jié)果與劉芳（2006）、邢飛等（2010） 的研究結(jié)果基本一致（圖3），說明反演的精度能夠滿足實際監(jiān)測的需要并做進一步分析。反演結(jié)果表明近岸海域懸浮泥沙濃度較高，從陸到海懸浮泥沙濃度遞減（圖3）。膠東半島鄰近海域懸沙濃度存在四個高值區(qū)，分別為萊州灣海域、成山頭附近海域、鰲山島海域和膠州灣海域。萊州灣海域濃度最高，懸沙濃度最大可達849 mg/L。成山頭附近海域為次高值區(qū)，懸沙濃度大于100 mg/L，并以岸線為中心向海擴散，呈馬鞍狀形態(tài)。鰲山島海域、膠州灣海域每年春季也存在一個濃度大于100 mg/L的高值區(qū)，但是范圍遠小于萊州灣海域和成山頭附近海域。

2003-2009年間膠東半島沿岸海域懸沙濃度呈明顯的遞增趨勢，懸沙濃度高值區(qū)范圍不斷向海擴散，尤其是成山頭附近海域。究其原因是萊州灣中高懸沙區(qū)域在受到山東半島北部沿岸流的作用下，不斷從萊州灣沿著山東半島北部海岸線向東運移。進一步分析表明，在膠東半島北部海域，懸沙濃度自西向東依次遞減，而且此海域內(nèi)懸沙濃度呈現(xiàn)明顯的年際遞增現(xiàn)象。尤其對于L-1和龍口（C-1）兩個距離萊州灣最近的樣點，相比于其它樣點濃度變化更為劇烈（圖4（a））。

膠東半島北部懸沙時空分布的主要因素為黃河入海泥沙、黃海北部水團和山東半島北部沿岸流的作用，萊州灣灣內(nèi)聚集的黃河入海泥沙在沿岸流的攜帶下自西向東流動的過程中，由于受到北黃海冷水團的作用。流幅不斷減小，流速不斷減弱，因而使山東半島北部沿岸懸沙自東向西減少（鮑獻文等，2010）。這種長年存在的山東半島北部沿岸流同時也是造成萊州灣內(nèi)泥沙自西向東運移的主導(dǎo)因素。黃河泥沙入海量的減少使得黃河入海口附近海域懸沙濃度逐年遞減。

圖3 基于MODIS的2003—2009年山東省毗鄰海域懸浮泥沙濃度

在膠東半島南部，懸沙濃度變化的規(guī)律性異質(zhì)性強。榮成（C-4）、L-4和L-5點毗鄰海域懸沙濃度較高，乳山（C-5）、青島（C-6） 和L-6點毗鄰海域懸沙濃度較低。榮成（C-4）和L-4點位于老鐵山懸沙濃度高值區(qū)處，L-5點毗鄰海域位于鰲山島海域懸沙高值區(qū)范圍。榮成（C-4）、L-4、乳山（C-5）三樣點毗鄰海域懸沙濃度年際變化趨勢大抵相同。位于鰲山灣附近的L-5樣點毗鄰海域懸沙濃度呈年遞減趨勢。青島（C-6）、L-6樣點毗鄰海域大致呈一個年際遞增趨勢（圖4（b））。

圖4（a）膠東半島北部沿岸樣點毗鄰海域懸沙濃度時空變化圖；（b）膠東半島南部沿岸樣點毗鄰海域懸沙濃度時空變化圖

以榮成（C-4）、L-4、乳山（C-5） 為代表樣點的毗鄰海域懸沙濃度的高低主要受到成山頭海域的影響。成山頭附近海域高值區(qū)是由其淤泥質(zhì)海底、流經(jīng)此的山東半島北上沿岸流、山東半島東向沿岸流、黃海暖流等因素相互作用影響形成的。由于大洋環(huán)流系統(tǒng)存在一些隨機性，因而成山島附近海域懸沙濃度常年較高但是在時間尺度上規(guī)律性不明顯。

膠東半島南部，城市區(qū)域的懸浮泥沙濃度比周邊非城市區(qū)的濃度要高，說明在膠東半島南部在懸沙濃度的時空變化可能與陸源物質(zhì)的輸入、城市化發(fā)展等因素影響有關(guān)。至于這些因素如何影響此海域的懸沙分布還需進一步驗證。

3.2 不同海岸線類型及海岸帶用海類型對懸沙濃度影響研究

懸浮泥沙的時空分布通常受到徑流、潮汐、海岸地貌、海底底質(zhì)類型、潮流、水團、鹽淡水混合及風浪作用等多種因素的影響（秦蘊珊等，1982；張經(jīng)等，1985）。前人大都基于以上某一因素研究懸沙時空分布特征，如楊作升等對于黃、東海毗鄰海域懸浮體與水團對應(yīng)關(guān)系的研究（楊作升等，1991）。

海域中懸沙濃度變化是水動力作用下泥沙輸移、沉積和再懸浮等運動過程的直接表現(xiàn)，海洋的主要的水動力因素——波浪和水流等都是季節(jié)性變動的，因此同一季節(jié)不同水動力因素對于懸沙濃度空間變化的作用大致是相同的（陳沈良等，2004）。

不同的岸線類型和用海類型改變了懸沙影響因素的自然分布特征和原有運動軌跡，進而間接的導(dǎo)致懸沙分布特征發(fā)生改變。

本研究基于2003、2006、2009年同一時段懸沙分布信息分析海岸線和用海類型對于懸沙空間分布的影響而不考慮其它水動力條件是可行的。

圖5（a） 可以看出：岸線為粉砂淤泥質(zhì)的海岸帶地區(qū)近海懸浮泥沙濃度最高，非永久性和永久性人工岸線次之，砂質(zhì)岸線和基巖岸線對近岸水體中懸沙含量影響最小。各種類型的岸線對于岸段內(nèi)懸沙的影響主要源于波浪和海流對于海岸的侵蝕作用，粉砂淤泥質(zhì)海岸最易侵蝕，砂質(zhì)岸線和基巖岸線相對來說質(zhì)地比較堅硬、致密，侵蝕作用比較微弱。

針對各種海岸帶地區(qū)用海方式（圖5（b）），用于制鹽業(yè)、海水養(yǎng)殖業(yè)和未開發(fā)岸段海域中懸沙濃度較高，用于濱海旅游、船舶和電廠工業(yè)、海岸防護工程、海洋交通運輸和漁業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施岸段海域中懸沙濃度較低。上述研究結(jié)果不難看出不同用海類型與海域中懸沙濃度的高低相關(guān)性顯著。利用海水進行制鹽工業(yè)時海域中懸沙濃度最高，用于制鹽工業(yè)的岸段臨近海域內(nèi)懸沙濃度高的原因在于制鹽本身的工序，利用海水曬鹽，粗鹽從海水中結(jié)晶出來的時候夾帶的泥沙和雜質(zhì)又會重新投入鄰近海域，進而會增大此海域的懸沙濃度。而用于海水養(yǎng)殖作業(yè)的岸段，由于海水養(yǎng)殖而產(chǎn)生很多殘留物和排泄物，必然會增大海水的渾濁度，在海洋水色反演上表現(xiàn)為懸沙濃度較高。其他用海類型由于所占比例較少對海域中懸沙濃度影響則不是特別明顯?？傊?，在海岸帶區(qū)域發(fā)展過程中，區(qū)域尺度上高強度的人工干擾越來越影響到近岸海域懸沙濃度和分布特征。

圖5（a）各岸線類型毗鄰海域懸沙濃度變化

4 結(jié)論

本次研究利用Tassan模型和MODIS影像反演研究區(qū)近海海域懸沙濃度，并對反演結(jié)果進行分析，得出的結(jié)論如下：

（1） 利用MODIS數(shù)據(jù)基于Tassan模型反演的近岸海域懸沙濃度時空分布規(guī)律與前人研究結(jié)果一致，說明利用遙感影像分析近岸海域懸沙濃度時空變化的可行性。

（2）懸沙濃度空間上的總體分布趨勢為沿岸高，從近岸到遠海懸沙濃度遞減。研究區(qū)內(nèi)每年春季存在四個懸沙高濃度區(qū)。膠東半島北部海域懸沙濃度自西向東依次減少。膠東半島南部海域沒有明顯的遞增或遞減趨勢，距離成山頭海域附近的榮成（C-4） 和L-4毗鄰海域、位于鰲山頭海域的L-5毗鄰海域懸沙濃度值較高。

（3）2003-2009年間膠東半島沿岸及大洋海域懸沙濃度均有不同程度的增加，懸沙不斷向海擴散。萊州灣內(nèi)高濃度懸沙順著山東半島北部沿岸向東部海域運移。膠東半島北部樣點毗鄰海域懸沙濃度呈明顯的年際遞增趨勢；膠東半島南部樣點毗鄰海域懸沙隨時間的變化規(guī)律性不明顯。

（4）除自然因素影響外，膠東半島海岸帶懸浮泥沙時空變化同現(xiàn)階段城市發(fā)展、海岸線類型和海岸帶地區(qū)用海類型等人類干擾有密切聯(lián)系。

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（本文編輯：郭箏）

Spatial and temporal analysis of solid suspended matter in inshore waters of Jiaodong Peninsula

MENG Ling1，2，BI Xiao-li1，QU Fan-zhu1，2
（1.Yantai Institute of Coastal Zone Research，Chinese Academy of Sciences，Yantai 264003，China；2.Graduate University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China）

TP79

A

1001-6932（2012）05-0581-07

2011-10-31；

2012-07-02

中國科學院知識創(chuàng)新工程重要方向項目（kzcx2-yw-224）。

孟靈（1987-），女，碩士研究生，主要從事海洋遙感研究。電子郵箱：lmeng@yic.ac.cn。

畢曉麗，博士，副研究員。電子郵箱：xlbi@yic.ac.cn。