路 波,張豐收,周曉靜,杜恩程,姜 源,袁 萍,肖玉仲*

(1.國(guó)家海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)中心,遼寧 大連116023;2.國(guó)家環(huán)境保護(hù)近岸海域生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧 大連116023;3.大連海洋大學(xué) 海洋科技與環(huán)境學(xué)院,遼寧 大連116023)

海岸類型有多種劃分方案,一般按組成物質(zhì)、地形地貌等劃分[1-4]。雖然有學(xué)者將修復(fù)后具自然形態(tài)和自然功能的人工海岸認(rèn)定為自然海岸[2-4],但是傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)中的自然海岸是相對(duì)于人工海岸而言的,其發(fā)展變化主要受控于海陸自然營(yíng)力作用,受人類活動(dòng)影響可以忽略不計(jì)。由于人類開發(fā)利用活動(dòng),自然海岸往往被占用并改造為人工海岸,導(dǎo)致其位置、類型、范圍、形態(tài)和組成等特征常發(fā)生重大變化[3],難以再現(xiàn)原自然特征。在海岸帶修復(fù)工作中,自然海岸是重要參考依據(jù),對(duì)確立修復(fù)目標(biāo)、制定生態(tài)修復(fù)方案具有重要意義,重建歷史海岸位置和類型一直是海岸生態(tài)修復(fù)工作中迫切需要解決的問題。

海岸具有一定寬度,它的位置以海岸線的位置表示,國(guó)內(nèi)外多使用平均大潮高線的痕跡線表示海岸線[5],在我國(guó)具體指多年大潮平均高潮時(shí)海陸分界痕跡線[6],其本質(zhì)是風(fēng)浪和涌浪作用下,海水上沖流所能到達(dá)的陸域邊緣線[1]。對(duì)于現(xiàn)代自然海岸,實(shí)地調(diào)查中可以根據(jù)該痕跡線堆積貝殼碎片、塑料垃圾和植物莖葉等密度較輕物質(zhì)特征來確定海岸線位置。

海岸線兩側(cè)的陸域和海域在地表植被、沉積物含水量等方面存在著差異,在遙感影像上有著不同的反射特征,因此可借助遙感影像確定海岸位置。如早在20世紀(jì)80年代對(duì)芬蘭、印度海岸的研究中,Jantunen 和Raitala[7]及Prabhakara等[8]分別嘗試?yán)昧诵l(wèi)星遙感資料來監(jiān)測(cè)海岸位置的變化。同時(shí)期,黃海軍等[9]在研究黃河三角州海岸變化時(shí),也利用了遙感影像資料。20世紀(jì)90年代,在研究江蘇北部海岸變化時(shí),肖永茂[10]系統(tǒng)闡述了利用遙感影像研究海岸的技術(shù)方法。隨后,利用遙感影像研究海岸變化得到了廣大研究者的認(rèn)同,被應(yīng)用在多個(gè)地方的海岸研究中[11-21]。

利用遙感影像提取海岸線,可以采取目視解譯方法,該方法簡(jiǎn)單,可以綜合地物、條紋等信息,但是工作量大。此外,近年也發(fā)展出利用閾值分割、邊緣檢測(cè)、小波變換、LiDAR等方法提取水邊線的自動(dòng)解譯方法,但由于水邊線不同于海岸線,還要利用遙感影像時(shí)刻潮位、多年高潮位等進(jìn)行潮位修正,以獲取海岸線準(zhǔn)確位置[22-23]。遙感影像現(xiàn)在已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在海岸研究中,常見于海岸線位置變化、海岸變遷等領(lǐng)域;相比之下,對(duì)海岸修復(fù)中歷史海岸位置和性質(zhì)的重建少有關(guān)注。

對(duì)于歷史海岸資料可查的海岸修復(fù)項(xiàng)目,海岸性質(zhì)可以利用歷史調(diào)查資料,并結(jié)合當(dāng)?shù)啬觊L(zhǎng)居民的回憶來確定。但是對(duì)開發(fā)后棄管的無居民海島,歷史調(diào)查資料難以獲取,重建自然海岸特征面臨著更多困難。本文即以開發(fā)后棄管的無居民海島——普蘭店灣前大連島為例,探索建立了一種以歷史遙感影像、海岸地質(zhì)地貌實(shí)地考察結(jié)果為基礎(chǔ)資料,依據(jù)海岸演化理論判定原自然海岸特征的技術(shù)路線,可以為其它海岸生態(tài)修復(fù)工作提供參考。

1 研究區(qū)簡(jiǎn)介

普蘭店灣位于渤海東南部、遼東半島南端,東西向狹長(zhǎng),以中部簸箕島、前大連島、后大連島為界,可以分為外灣和內(nèi)灣。簸箕島、前大連島和后大連島造成普蘭店灣中部過水?dāng)嗝妾M小,潮流流速增快,底床沖蝕明顯,中部水道水深超過20 m。自簸箕島向西至灣口,普蘭店灣寬度逐漸加大,組成平面形態(tài)呈三角形、向西敞口的外灣,南北兩岸廣布淺灘而中部發(fā)育潮流水道,水深自東向西逐漸加深。自前大連島向東至灣頂,普蘭店灣寬度兩次先增大后又減小,最后結(jié)束至灣頂,組成平面形態(tài)呈藕節(jié)狀的內(nèi)灣,淺灘較多,中部發(fā)育潮流水道,灣頂有鞍子河入海。前大連島(121°46′E,39°22′N)是普蘭店灣中部南岸的一座無居民海島,島形似褡褳,原名褡褳島,后因諧音和方位而得現(xiàn)名[24],由低矮丘陵組成,東西長(zhǎng)約900 m,南北寬約450 m,南側(cè)與大陸相距約200 m,北側(cè)與后大連島相望(圖1)。

圖1 前大連島地理位置Fig.1 Geographical location of the Qiandalian Island

2 資料和方法

2.1 資料

本研究所用資料主要為1972-05-02,2020-02-26 遙感影像以及2020-03-12 前大連島海岸考察記錄。1972-05-02遙感影像為美國(guó)KH 衛(wèi)星拍攝,分辨率1.8 m;2020-02-26遙感影像為高分二號(hào)衛(wèi)星拍攝,分辨率1.8 m。2020-03-12海岸考察內(nèi)容主要包括海岸地貌、地層組成,使用相機(jī)對(duì)主要海岸特征進(jìn)行了拍照記錄,并利用LNCORS網(wǎng)絡(luò)RTK 方法測(cè)量記錄了典型地貌、地層組成、海岸分段邊界等特征地點(diǎn)坐標(biāo)。

2.2 方法

自然海岸僅受海陸自然營(yíng)力作用,不會(huì)出現(xiàn)人工構(gòu)筑物。而由于人類的開發(fā)建設(shè)活動(dòng),人工海岸的位置、形態(tài)、組成等海岸要素相較自然海岸會(huì)發(fā)生重大變化,常保留大量人工構(gòu)筑物。因此,很容易在遙感影像上通過檢視是否存在房屋、堤壩、道路等人工構(gòu)筑物,從而區(qū)分自然海岸與人工海岸。為提高海岸重建的準(zhǔn)確率,本文采用了遙感影像目視解譯方法,海岸類型界定則綜合了夏東興等[1]、賈建軍等[2]劃分方案,按砂礫質(zhì)海岸、粉砂淤泥質(zhì)海岸、基巖海岸、生物海岸、河口海岸和人工海岸進(jìn)行分類。具體流程如下:

1)在ArcGIS軟件中,根據(jù)陸海差異性對(duì)遙感影像中的海岸位置進(jìn)行了目視解譯,建立了1972年、2020年海岸位置矢量文件,比較海岸位置變化。

2)根據(jù)海岸是否存在人工構(gòu)筑物,確定1972年時(shí)的前大連島擁有自然海岸。綜合2020-03-12海岸調(diào)查獲得的地形地貌、地層與沉積物特征,分析1972年時(shí)的前大連島潮間帶物質(zhì)組成、風(fēng)化作用、地貌特征等,判定海岸類型并劃分海岸分段。

3 結(jié)果與討論

3.1 2020年人工海岸特征

2020-02-26遙感影像、2020-03-12 考察結(jié)果顯示,前大連島是一座東西狹長(zhǎng)的丘陵,相對(duì)高程10～20 m,中部隆起而平緩,四周陡峭,地表為棕紅色土壤,草本和喬木組成的植被茂盛(圖2)。2020-03-12海岸考察結(jié)果顯示(考察地點(diǎn)見圖3),前大連島海岸至2020年全部變化為人工海岸,長(zhǎng)度約3.12 km,其中島嶼北側(cè)、西南側(cè)被倒Y 形濱海公路包裹,東部被渤海大島穿越,在北部、西北部、西部、東部分布廢棄養(yǎng)殖育苗室,東南部為被填筑成陸(圖2)。

3.2 1970年自然海岸特征

3.2.1 海岸位置

1972年遙感影像顯示,前大連島周圍為鹽田,僅在島嶼北側(cè)、西南側(cè)鄰接濱海公路,基余岸段被鹽田圍限,島陸內(nèi)部?jī)H有東部開墾為田地。全島海岸總長(zhǎng)約2.38 km,未見人工構(gòu)筑物,全部為自然海岸,平面位置較2020年人工海岸更靠近島嶼陸域一側(cè)(圖3)。

3.2.2 基巖海岸

2020-03-12考察結(jié)果顯示(考察地點(diǎn)見圖3),前大連島出露地層主要見于島嶼東部和西部、巖層主要為青灰色、肉紅色厚層變質(zhì)石英砂巖以及灰白色厚層灰?guī)r,內(nèi)部發(fā)育多個(gè)褶皺及撓曲,走向近東西向,傾角多變(圖4a和圖4b)。地層內(nèi)部垂直層面的節(jié)理十分發(fā)育,將地層切割成1～10 cm 碎塊(圖4c)。與《中國(guó)海灣志》[25]記錄的地層層序進(jìn)行比對(duì),前大連島地層應(yīng)為元古屆細(xì)河群橋頭組石英砂巖和南芬組灰?guī)r。

圖2 前大連島2020年海岸類型及分布Fig.2 Coastal types and distributions of the Qiandalian Island in 2020

島嶼東部因建設(shè)渤海大道而開辟山體,自然海岸已不可見,僅局部殘留部分海蝕崖,崖面垂直,崖頂相對(duì)崖腳高7～10 m(圖4a)。

島嶼西部海岸分布養(yǎng)殖育苗室,部分房屋設(shè)施后方可見海蝕崖地貌,崖頂相對(duì)崖腳高6～10 m,崖面垂直,具風(fēng)化特征,偶見海蝕孔穴(圖4b)。

海岸在構(gòu)造控制下,巖層或沉積物經(jīng)風(fēng)力、重力、波浪、潮汐、生物等綜合作用形成的海陸分界線,與巖層與沉積物組成、海洋風(fēng)化作用密切相關(guān)[26-28]。

變質(zhì)石英砂巖巖性致密堅(jiān)硬,抵抗海岸風(fēng)化侵蝕能力較好,容易保存,形面較高的地勢(shì)。同時(shí),該巖層節(jié)理發(fā)育,抗剪切性差,在底部被侵蝕形成孔穴后,在重力作用下容易發(fā)生崩落、崩塌,形成陡峭的海蝕崖地貌。

島嶼東部和西部殘留的海蝕崖、相對(duì)較高的地勢(shì)、褶皺及節(jié)理發(fā)育的地層露頭,證明在未被人工改造之前,在海浪、潮汐、海風(fēng)、生物、鹽風(fēng)化、重力等多種自然地質(zhì)營(yíng)力作用下,前大連島島東部、西部發(fā)育海蝕崖類型的基巖海岸(圖3),崖面陡峭(圖4)。

圖4 前大連島東部、西部海岸殘留海蝕崖地貌Fig.4 Residual sea cliffs distributed at the eastern and western coast of the Qiandalian Island

3.2.3 礫石質(zhì)海岸

2020-03-12考察結(jié)果展示(考察地點(diǎn)見圖3),前大連島南部、北部未見自然海岸,海岸后方陸域堆積厚層棕紅色沖洪積物,厚度2～4 m,黏土、粉砂、砂、礫石、巖塊混雜堆積,具水平層理,上覆0.2～1.0 m 土壤層,植被茂盛,與變質(zhì)石英砂巖不整合接觸(圖5a和圖5b)。

由福建平潭島軟質(zhì)海崖侵蝕機(jī)理可見[29-30],以松散沉積物為主要物質(zhì)組成的海岸容易在降水作用下發(fā)生土體軟化、蠕動(dòng)變形,最終發(fā)生土體裂縫和滑坡?；练e物堆積在崖腳后,尤其是在風(fēng)暴潮期間,會(huì)經(jīng)受波浪、潮流侵蝕和沿岸搬運(yùn),從而形成陡峭海崖下接沉積物海灘的地貌。

前大連島南、北部海岸由沖洪積沉積物組成(圖5c),固結(jié)性差,在潮間帶會(huì)受生物、重力、風(fēng)力、海浪和潮汐綜合作用,非常容易被侵蝕、分選,細(xì)顆粒沉積物可以被波浪、潮汐搬運(yùn)至潮下帶,部分粉砂和黏土組分更是可以被風(fēng)力搬運(yùn)至更廣闊的地方,而巖塊、礫石、砂卻殘留在潮間帶,構(gòu)成礫石質(zhì)海岸(圖3)。

圖5 前大連島南部、北部海岸沖洪積層Fig.5 Alluvial layers distributed at the southern and northern coast of the Qiandalian Island

普蘭店灣最大潮差僅有2.73 m,但是由于中部簸箕島、后大連島的存在導(dǎo)致海灣中部寬度變窄[22],使得簸箕島、后大連島附近潮流動(dòng)力強(qiáng),形成較深的潮流通道。前大連島與簸箕島、后大連島之間廣布淺灘,在后大連島的阻隔之下,前大連島南部、北部海岸的潮流動(dòng)力相對(duì)較弱。此外,前大連島南側(cè)距大陸僅約200 m,北側(cè)距后大連島也僅約200 m,波浪掩映條件好,所以波浪動(dòng)力也較弱。在這種波浪、潮流動(dòng)力都較弱的條件下,加之下伏地層為堅(jiān)硬耐風(fēng)化的變質(zhì)石英砂巖、灰?guī)r,前大連島南部、北部雖然會(huì)因沖洪積沉積物侵蝕而發(fā)育礫石質(zhì)海岸,但不會(huì)大規(guī)模侵蝕后退形成凹形海灣,而是形成近于平直的海岸(圖3)。

3.3 1972年至2020年海岸變化特征

據(jù)1972-05-02遙感影像,1972年前大連島海岸約2.38 km;據(jù)2020-02-06遙感影像,2020年前大連島海岸約3.12 km,2020年海岸長(zhǎng)度比1972年增加了約0.74 km。相較1972年,2020年海岸的位置也發(fā)生了變化,在前大連島西北部、西部、東南部,由于建設(shè)房屋、填海,海岸向海遷徙,分別向海移動(dòng)約80和50 m。

1972年前大連島全部海岸為自然海岸,其中東部和西部為基巖海岸,南部和北部為砂礫質(zhì)海岸。2020年,前大連島全部海岸變化為人工海岸。

4 結(jié) 語

為掌握前大連島原自然海岸特征,保障海岸生態(tài)環(huán)境修復(fù)工作順利開展,筆者收集分析了1972年、2020年遙感影像資料,并在2020年對(duì)海岸現(xiàn)狀開展了考察。2020年地貌考察結(jié)果顯示,前大連島海岸全部為人工海岸;而1972年歷史遙感影像、2020年海岸巖層考察結(jié)果顯示,前大連島的原自然海岸在島嶼東部、西部是海蝕崖形式的基巖海岸,在島嶼南部、北部是礫石質(zhì)海岸。本研究表明,基于歷史遙感影像、現(xiàn)代殘留的地質(zhì)地貌特征以及海岸演化理論等,可以分析確定原自然海岸的位置及性質(zhì)。本文的研究方法和結(jié)果可為海岸修復(fù)工作提供一定借鑒。