崇明東灘潮溝發(fā)育特征及其影響因素定量分析

陳 勇，何中發(fā)，黎 兵，趙寶成

上海市地質調查研究院，上海 200072

0 引言

在長江流域“蓄、攔、引、調”等人類工程活動以及地質環(huán)境變遷的新形勢下，長江口入海泥沙量呈顯著下降趨勢，對長江口灘涂地貌的發(fā)育與演化產生了深遠的影響［1］。潮溝作為崇明東灘發(fā)育的典型地貌因子，是潮灘與外海進行物質和能量交換的主要通道，它通過不斷地側向遷移、擺動來改造或破壞潮坪沉積，同時影響灘地的穩(wěn)定性。因此，通過對潮溝空間分布與影響因子進行研究，可以更深刻地了解潮灘地貌形態(tài)特征及其發(fā)育演變的規(guī)律性，對海岸工程建設、灘涂資源的合理開發(fā)以及潮坪沉積的分析均有重要意義。近年來，涉及潮溝研究的學術成果為數眾多，主要形成了以斷面法為代表的常規(guī)實地調查［2－3］與遙感調查兩大研究思路［4－6］。前者調查精度高，通過準確獲取灘面、潮溝的幾何特征，斷面地形、溝深、表層沉積物特征等綜合信息，開展了深入的潮溝特征及演化機理定性研究，極大提升了對潮溝及其環(huán)境效應的認識，這種方法在局部“點”上具有較大優(yōu)勢。但由于潮灘通達性差、野外實地調查諸多不便、成本高、調查周期長等原因，增加了研究數據的獲取難度；且僅根據不同時期較短時間內測量的有限幾條斷面數據，缺乏對大范圍空間特征的整體把握。后者是獲取地貌特征的有效手段［7－8］，有著快捷、經濟的優(yōu)勢，能快速獲取潮灘的時空分布及演化特征，進而對演化特征開展定量分析；但目前多停留在幾何形態(tài)特征分析階段，還缺乏對幾何形態(tài)形成機理及影響因素的深入探討。由于潮溝發(fā)育影響因素復雜［9］，加之兩種手段各具局限性，目前還未見通過定量分析手段研究潮溝的形成及其驅動因素的成果發(fā)表。

崇明東灘作為長江口最大的邊灘，是崇明國家級鳥類自然保護區(qū)以及崇明國家地質公園的核心組成部分，潮溝的發(fā)育與演化對灘涂生態(tài)保護、地質遺跡景觀等均產生著重要的影響?；诖?，筆者以遙感、GIS等技術為手段，通過對潮溝的解譯及多項影響因素的提取，開展了潮溝發(fā)育與影響因素相關性分析，旨在明確崇明東灘潮溝的現(xiàn)狀以及影響其發(fā)育的主要因素，進而為灘涂的開發(fā)與保護提供科學依據。

1 研究區(qū)概況

崇明東灘位于長江入?？?、崇明島的最東端（121°47′-122°05′E，31°25′-31°38′N）。長江河口是世界上最大的河口之一，多年平均潮差2.6m，最大潮差4.6～6.0m，為中等強度潮汐，日不等現(xiàn)象明顯，口門平均波高和最大波高分別為1.0和6.2 m［2］。長江下瀉的巨量泥沙其中近一半沉積于河口區(qū)［10－11］。東灘是長江口地區(qū)最大的一塊濕地，是長江口最大的淤積帶。東灘形成的歷史較短，是由長江流域來沙在江海交互作用下不斷加積而成的泥質潮灘。近幾十年岸線推進速率達200～300m／a，潮間帶面積約230km2［12］。東灘灘寬坡緩，由于灘涂圍墾修筑海堤使潮上帶缺失，潮灘最大寬度達13 km以上，平均高潮位以上的灘坡坡度為0.2%，平均高潮位以下的灘坡坡度為0.6%。鹽沼帶植被廣泛發(fā)育，植被有良好的分帶性，從岸向海依次發(fā)育蘆葦群落、互花米草群落、海三棱藨草群落。外來物種互花米草已與蘆葦和海三棱藨形成競爭態(tài)勢。東灘潮溝主要分布在潮間帶上部或高潮灘部位，它們起源于岸邊低洼地區(qū)。由岸向海，淺而窄的樹枝狀小潮溝不斷匯聚，形成寬而深的大潮溝，然后在潮間帶變寬、變淺，最終消失。近年來，長江來沙量呈銳減趨勢，潮間帶的淤積速率已大大降低，部分岸段已處于侵蝕狀態(tài)［12］。

2 數據與方法

2.1 數據源

采用數據源包括：2007年表層沉積物粒度數據；2008年低潮期航空遙感影像，空間分辨率0.25 m；2009年10月Landsat TM-衛(wèi)星影像數據，軌道號138／038；2011年7月潮灘地形實測數據，采用PTKDGPS測量方法，測線間隔1.2km，采樣間距20m。

2.2 方法

對航片影像進行幾何糾正后，在ArcGIS中采用人機交互解譯提取出長度大于5m的潮溝，形成潮溝空間分布矢量圖。然后對矢量圖按照20m×20m網格統(tǒng)計單位格內潮溝的長度，形成潮溝發(fā)育密度等值線圖。

潮灘發(fā)育樹枝狀潮溝和起伏不平的潮灘皆屬于不規(guī)則圖形，對于不規(guī)則圖形，筆者在Matlab軟件的支持下采用盒子維來研究潮溝的幾何形態(tài)。其原理是對于一個平面載體中的分形集圖形，采用邊長為r的正方形盒子覆蓋，得到需要覆蓋圖形的非空盒子數，然后逐步縮小盒子的邊長r［13］。計算公式如下：

式中：D為分維值；r為覆蓋分形集圖形的正方形盒子的邊長；N（r）為所需寬度為r的正方形盒子非空覆蓋集的數量。在本次計算中：先將潮溝矢量圖導成1∶20 000柵格圖，分辨率為300dpi；然后取邊長為r的2個像元；隨后邊長呈幾何級數增加，求得一系列的r和對應的N（r）；最后以lnN（r）為縱坐標，lnr為橫坐標，由作出的雙對數圖的斜率取負來計算D。

由于植被在整個1年的生長周期中光譜特性幾乎處于連續(xù)的變化狀態(tài)中，且航片由于本身波段有限，加之后續(xù)處理過程中波譜信息損失嚴重，而陸地衛(wèi)星影像在提取長江口潮灘植被中具有良好的應用效果［14］，因此本研究選擇了2009年秋季TM數據來進行植被信息提取。對影像進行輻射糾正與幾何糾正后，計算了研究區(qū)歸一化植被指數［15］（normalized difference vegetation index，NDVI），同時采用纓帽變換［16］提取出土壤濕度與綠度指數。纓帽變換是將TM圖像除熱紅外的6個波段壓縮成3個分量。其中：綠色植被指數分量反映了綠色生物量的特征；土壤特征分量反映了可見光和近紅外與較長的紅外差值，它對土壤濕度最為敏感。

同時，利用潮灘高程數據通過80m×80m Kriging插值構建潮灘DEM模型。粒度數據處理則采用對采樣點中值粒徑進行空間插值，形成中值粒徑等值線圖。

待各項指標提取完畢之后，按照潮溝分支，劃分出A，B，C，…，V共22個不同的潮溝單位，對各單位中的影響因子進行統(tǒng)計，計算各指標平均值。最后，采用線性回歸統(tǒng)計與因子分析研究各指標與潮溝發(fā)育的關系。

3 結果

從潮溝遙感解譯成果圖（圖1）中可以看出：由于人工堤壩對自然潮溝的切斷影響，目前崇明東灘現(xiàn)存的潮溝均發(fā)育于人工堤壩附近，流經潮坪的上部和中部，往往在潮坪的中下部呈淺的喇叭狀溝口，然后消失；其總的流向大致垂直岸線，和潮坪面的傾斜方向一致，在平面上呈樹枝狀水系。按照潮溝分支級數，南部潮溝普遍發(fā)育5級分支，最長的主潮溝I可達4.8km，呈蛇曲型橫向擺動，溝擺動幅度可達數百米，潮溝之間間隔很小，形態(tài)復雜；北部潮溝則分級較少，一般在3級左右，主潮溝呈順直型，不同潮溝之間距離大。潮溝發(fā)育影響因子空間分布特征圖（圖2）表現(xiàn)出區(qū)內潮溝中南部高，南部次之，北部低的特征；南部統(tǒng)計單元格中最大潮溝密度可達64.3km／km2，略高于江蘇鹽沼潮間帶潮溝密度（50 km／km2）［17］。

圖1 潮溝遙感解譯成果Fig.1 Tidal creeks interpreted from aerial image

圖2 利用RS與GIS技術提取的潮溝發(fā)育影響因子分布Fig.2 Deriving factors for tidal creek development extracted using RS and GIS techniques

利用Matlab程序計算了不同潮溝單元的分維值。研究區(qū)內潮溝分維值為1.093 3～1.614 7（表1）。其按照數值大小可以分為3個梯次：1）以D、F、H、I為代表的中南部區(qū)域分維值均在1.500 0以上，是研究區(qū)潮溝分維值最高的地區(qū)；2）以G、J、K、L、N、P為代表的中部地區(qū)，分維值為＞1.300 0～1.500 0，是潮溝分維值的次高值區(qū)；3）其余為分維值最小區(qū)域，分維值約為1.100 0～1.300 0。

表1 潮溝分形計算結果Table1 Fractal dimensions of different tidal creek units

歸一化植被指數是表征植被長勢的有效因子，植被長勢越好，植被指數越大。歸一化植被指數（圖2B）顯示：崇明東灘的植被在東北部地區(qū)發(fā)育最好；中部次之；南部由于長期以來為水牛放牧區(qū)，受牛群放牧、啃食和踩踏影響，加之由于鹽度分布南北差異導致的互花米草在南部難以生長，植被發(fā)育最差。該結果與前人研究結果一致［18］。

土壤濕度因子結果（圖2C）顯示：由于南部地區(qū)植被覆蓋度下降，土壤裸露面積增大，造成了土壤濕度指數增加，與實際情況一致；崇明東灘沉積物以粉砂為主，其次是細砂，泥較少，沉積物的平均粒徑從低潮灘向高潮灘逐漸減小，由低潮灘到高潮灘沉積物顆粒逐漸變細。圖2D顯示，表層沉積物平均粒徑從潮灘北部向南部有逐漸加大的趨勢，反映了水動力從北向南逐漸增強的特征。

通過由潮灘高程信息建立的DEM模型結果顯示：區(qū)內地勢平坦，由陸向海緩傾，坡度較小，最大坡度約0.7%。南北方向潮灘高程差異也僅存細微差異，南部地表粗糙度略大于北部地區(qū)。潮溝基本發(fā)育在高潮灘地區(qū)。為進一步研究不同區(qū)域地形變化，在北、中、南部地區(qū)做了3條高程剖面，這些剖面均跨越主潮溝。結果顯示，剖面低值區(qū)與潮溝的位置吻合，北部地區(qū)高程差異為0.2m，南部地區(qū)約為0.7m，反映了潮溝深度呈現(xiàn)南深北淺的特征。

4 討論

4.1 潮溝空間分布特征

近10年來，由于崇明東灘自然保護區(qū)的設立，潮灘處于自然發(fā)育、演化的狀態(tài)，為潮溝的發(fā)育與影響因素研究提供了一個優(yōu)良場所。分維值是分形幾何學中提出的尺度變化下的不變量［19］，自提出以來，一直是地球科學領域研究的熱點。前人對分形特征大量的研究成果表明，分維值不僅可以研究幾何特征，且隱含著豐富的地質與物理信息。馮金良等［20］、高義等［21］從海岸線分維值挖掘出了其地質意義；戴志軍等［22］通過對華南海岸的分形研究，結合海岸動力地貌泥沙供給對海岸穩(wěn)定性進行了評價。潮溝是灘涂與海洋進行物質和能量交換的通道，是潮流與徑流共同作用的產物，其分維值不僅反映水動力條件，也能對人類圍墾活動、灘涂沖淤以及潮灘底質有一定的表征。崇明東灘潮溝在成因上屬于灘面水流沖刷型［9］，當近岸水動力條件較強時，灘面流水能量加強，灘面侵蝕加劇，會造成潮溝沖刷深度加大，潮溝分支增多，在潮溝幾何形態(tài)上的反映就是變得“復雜”，即分維值較高；崇明東灘水動力條件南強北弱，是導致中南部地區(qū)分維值高于北部的重要原因。潮溝的分維值對潮灘底質條件差異也有一定反映：潮灘沉積物越細，固結越緊密，抗侵蝕越強，潮灘越不發(fā)育；東灘底質南粗北細，與北部分維值低、中南部偏高較為一致。此外，北部植被覆蓋度大，植物根系的護灘作用也是造成北部潮溝分維值低的重要因素。潮溝隨著年齡的增長其分維值會逐漸增大［23］，即潮溝變得更加復雜，崇明東灘南部的團結沙圍墾時間最晚，潮溝年齡相對較小，可能是造成南部雖然水動力較強、植被稀疏，但分維值依然較低的主要原因。

水陸相互作用是潮溝形態(tài)形成的塑造力。因長江口泥沙的持續(xù)供給，N、M、J、K是東灘淤漲最為迅速的地區(qū)，也是水平淤積速率最大的地區(qū)［18］，作為潮溝單元面積相對較大的地區(qū)，分維值也呈現(xiàn)較高值（圖3），兩者顯示出較好的正相關性。在通常情況下，當沉積速率很高時，不斷沉降的泥沙可以填沒微型淺洼地，保持潮坪面的平整性。在原有潮溝的源頭，不斷沉降的泥沙可以埋沒源頭，抑制溯源侵蝕［9］；這似乎與該區(qū)情況相矛盾，造成這種情況的合理解釋可能是泥沙來源以及沉積速率不是本區(qū)潮溝發(fā)育的主要影響因素。由此，可以進一步推測，在當前長江來沙減少的背景下，東灘潮溝的發(fā)育不會受到明顯影響。

東灘潮溝單元分維值為1.093 3～1.614 7，大于與研究區(qū)位置接近的長江口另外一個灘涂九段沙潮溝的1.2～1.4［6］；這可能與九段沙面積小、區(qū)域之間水動力條件相近、植被覆蓋差異小，以及人類干擾相對低有關。與渤海遼東灣的蓋州灘＜1.5的分維值［5］和黃河三角洲1.00～1.51的分維值相比［19］，崇明東灘分維值總體與這些地區(qū)較為接近。

潮溝密度是單位面積內的潮溝長度，代表潮溝的發(fā)育強度。在研究區(qū)內潮溝密度呈現(xiàn)中南部高、南部次之、北部最低的特點，而分維值呈現(xiàn)中南部高，北、南端低的格局，二者略有差異（圖3），灘涂圍墾以及2001年南部堤壩的建設等人類活動是造成這種情況的主要原因。

4.2 潮溝發(fā)育影響因素相關性分析

利用因子分析方法，計算潮溝幾何特征與影響因素之間的相關性（表2）。從表中可以看出，歸一化植被指數與綠度相關性最強，相關系數R達0.996 4，而二者計算的均是植被覆蓋信息，指標內涵完全一致，一定程度上也印證了統(tǒng)計方法的有效性。

圖3 潮溝單元密度、面積與分維值對比圖Fig.3 Comparison with creek density，fractal dimension and area of each creek system

表2 潮溝發(fā)育影響因子協(xié)方差矩陣Table2 Covariance matrix calculated from driving factors of tidal creeks

從表2中還可以看出，相比其他影響因素，潮溝密度與綠度、歸一化植被指數、沉積物粒度相關性較高，R分別為－0.910 6、－0.891 9與0.873 4。植被發(fā)育制約著潮溝的發(fā)育已被前人的研究成果所證實［24－25］。這是因為植物的出現(xiàn)降低了水流的能量，潮流進入鹽沼后，植物莖葉阻擋導致流速減小，侵蝕作用降低；同時由于植物根系的固灘作用，也使灘面不易侵蝕，所以植被發(fā)育的地方往往潮溝密度較小。表層沉積物的粒徑與水動力強弱的表征，以及從潮灘北部向南部沉積物粒度逐漸變粗的趨勢，反映了水動力從北向南逐漸增強。長江北支的水動力是以潮流為主、潮汐性質為輔的非正規(guī)淺海半日潮，潮波具有明顯的駐波性質：北支下段潮流漲潮流速一般大于落潮流速；南支處在長江河口的過渡段，潮流和徑流共同存在，流速明顯高于北部，水動力條件越強，對潮灘的侵蝕越強烈。同時，平均粒度細代表黏質組分增多，流水侵蝕黏土質點需要較高的流速，黏土可以膠結沙粒，尤其在潮間帶，沙泥沉積物由于出露而干結，抗侵蝕能力也明顯增強。所以當潮坪沉積具有較高的含泥量時，潮坪沉積不易被侵蝕，不易產生潮溝或形成大潮溝，這較好地解釋了北部顆粒細、潮溝不發(fā)育的現(xiàn)象。

在起伏明顯的潮坪面上，落潮以后，在低洼處可以截留較多的海水，這些淺洼處常可成為一些潮溝的源頭。從這些源頭開始，落潮后的灘面水流漸漸刻蝕出潮溝的雛形；所以起伏愈明顯，潮溝愈發(fā)育［9］。但在本地區(qū)，由于潮灘整體非常平滑，該指標對潮溝的影響不甚明顯，與潮溝的發(fā)育密度相關性較低。

表層沉積物粒度在地物波譜反射率上具有較明顯的診斷信息［26］，而土壤濕度信息與沉積相特征具有一定的相關性，Choi等［27］的研究成果表明，潮溝發(fā)育與沉積相具有較好的相關性，由此可以推斷，潮溝的發(fā)育應該與區(qū)內的土壤濕度信息具有良好的相關性，但因子分析的結果卻與推斷不一致。造成這種情況的原因可能是Ryu等［26］研究的區(qū)域主要是光灘地區(qū)，且退潮后潮灘暴露地表較長時間，與本文的研究條件不符，同時纓帽變換提取的濕度指標在潮灘地區(qū)也存在較大的誤差。

值得注意的是，分維值與潮溝密度關系不甚緊密，相關系數僅為0.339 3，兩者的內涵可能也存在一定的差異；密度反映更多的是潮溝發(fā)育的強度，與易發(fā)程度有關，而分維值反映的是復雜程度，受演化時間長短的影響較大。這也是南部地區(qū)潮溝密度大、但分維值較低的原因。

5 結論

1）崇明東灘共發(fā)育22條一級潮溝，按一級潮溝進行單元劃分，各潮溝單元分維值約為1.100 0～1.620 0；在空間上分維值呈現(xiàn)中南部高，北、南端低的格局；潮溝發(fā)育密度最高達到64.3km／km2，潮溝密度分布中南部高，南部次之，北部最低。

2）潮灘植被及由水動力條件導致的底質差異是影響崇明東灘潮溝發(fā)育的主導因素，而潮溝發(fā)育與地形、沉積速率關系不甚密切。由此可以推斷，在長江口來沙量減少的背景下，東灘沉積速率會發(fā)生一定的變化，但該區(qū)潮溝地質景觀不會出現(xiàn)大的改變。增加植被覆蓋度是維持灘涂穩(wěn)定性的有效手段。

3）人類活動（圍墾）影響了潮溝的發(fā)育，堤壩的修建是造成潮溝分維值與潮溝密度在空間上相關性不強的主要原因。

由于數據的限制，本文只提取了一個年份的潮溝信息，在后續(xù)的工作中，有必要對多個年份的潮溝演化規(guī)律做深入研究，進一步探討形成機理與影響因素，以期更好地為灘涂的保護與開發(fā)提供科學依據。

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