基于遙感和GIS的福建文渡灣海域潮灘演變研究

韓志遠(yuǎn)，李孟國(guó)

(交通運(yùn)輸部 天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所 工程泥沙交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300456)

基于遙感和GIS的福建文渡灣海域潮灘演變研究

韓志遠(yuǎn)，李孟國(guó)

(交通運(yùn)輸部 天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所 工程泥沙交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300456)

強(qiáng)潮海區(qū)的潮灘沖淤演變對(duì)于潮灘開(kāi)發(fā)利用、海洋環(huán)境保護(hù)及災(zāi)害預(yù)防等具有十分重要的意義。本文以福建北部文渡灣海域?yàn)檠芯繉?duì)象，采用遙感和GIS相結(jié)合的方法，對(duì)淤泥質(zhì)潮灘的沖淤演變特征進(jìn)行研究。研究結(jié)果表明：1991年以來(lái)文渡灣灣頂潮灘地形呈淤積狀態(tài)，尤其2005年以后淤積明顯；淤積的主要原因可能與圍墾造陸使得灣口縮窄，致使灣口流速增大、灣口局部海床沖刷的泥沙向?yàn)稠敯徇\(yùn)有關(guān)。

文渡灣；潮灘演變；遙感；GIS；強(qiáng)潮海灣

0 引言

潮灘作為海岸帶的重要組成部分，是陸海相互作用強(qiáng)烈的地帶，也是陸地和海洋雙向來(lái)沙的重要沉積地帶。我國(guó)東南沿海的強(qiáng)潮海域大多為港灣型淤泥質(zhì)海岸，港灣內(nèi)多發(fā)育寬廣低平的淤泥質(zhì)潮灘，具有寬度大、水深淺、底質(zhì)顆粒細(xì)、波流作用強(qiáng)、含沙量大、沖淤變化強(qiáng)烈等特點(diǎn)[1-3]。認(rèn)識(shí)潮灘的沖淤演變特性對(duì)于潮灘開(kāi)發(fā)利用、重大海岸工程建設(shè)、海洋環(huán)境保護(hù)及災(zāi)害預(yù)防等都有十分重要的意義[4-6]。由于潮灘水域水淺灘平、干出和淹沒(méi)頻繁交替，常規(guī)地形測(cè)量很不方便，因而水下地形資料相當(dāng)匱乏，利用常規(guī)地形資料進(jìn)行潮灘地形沖淤演變研究十分困難。

遙感技術(shù)具有精度高、速度快、多時(shí)相及同步等突出優(yōu)勢(shì)，能夠準(zhǔn)確記錄海岸帶資源環(huán)境及相關(guān)信息，可以有效彌補(bǔ)地面調(diào)查資料的匱乏和不足[7-9]；而GIS軟件可將遙感影像中豐富的海岸帶信息提取出來(lái)生成各種專題圖件，便于進(jìn)行潮灘地形沖淤變化分析。遙感技術(shù)同GIS技術(shù)結(jié)合的研究方法在蘇北、長(zhǎng)江口、溫州、深圳大鏟灣及廣東博賀等地區(qū)的潮灘沖淤演變研究中已得到了應(yīng)用[10-14]，但是在福建北部強(qiáng)潮海域鮮有針對(duì)淤泥質(zhì)潮灘的相關(guān)研究。

閩北文渡灣屬?gòu)?qiáng)潮海域，灣內(nèi)大片寬廣低平的淤泥質(zhì)淺灘資源亟待開(kāi)發(fā)利用，因此需要對(duì)其沖淤演變特征進(jìn)行研究，為該潮灘資源開(kāi)發(fā)及環(huán)境保護(hù)提供基礎(chǔ)資料。鑒于灣內(nèi)歷史地形資料匱乏，本文通過(guò)遙感和GIS技術(shù)相結(jié)合的研究手段，探討了福建文渡灣海域的潮灘地形沖淤變化特征，對(duì)于文渡灣的開(kāi)發(fā)利用和保護(hù)具有重要的理論和應(yīng)用價(jià)值。

1 研究區(qū)域概況*交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所.福鼎市漁井圍墾工程周邊海域岸灘演變專題研究報(bào)告[R].2014.

文渡灣是福建北部晴川灣西部的一個(gè)小型半封閉港灣。該灣岸線曲折，三面環(huán)陸，灣口朝向東南(圖1)；東側(cè)岸線為寧德核電圍墾形成的人工島堤岸，其余岸段基本為低山丘陵構(gòu)成的基巖岸線。灣內(nèi)0 m等深線(理論基準(zhǔn)面，下同)靠近灣口，2 m等深線位于灣口外側(cè)；灣內(nèi)淺灘地形基本在0 m以上，地形坡度在2‰左右。灣內(nèi)分布有寬廣低平的淤泥質(zhì)淺灘，低潮時(shí)潮灘大片干出。

圖1 研究區(qū)域示意圖Fig.1 Sketch map of study area

研究海域常風(fēng)向?yàn)镾E向，次常風(fēng)向?yàn)镋SE向，強(qiáng)風(fēng)向?yàn)镹W向和ESE向；該海區(qū)受臺(tái)風(fēng)影響頻繁，平均每年約5.5次。研究海域三面環(huán)陸，受E—SE向波浪的影響較大；平常天氣下波浪作用相對(duì)較弱，臺(tái)風(fēng)及寒潮作用下多大浪。

研究海域平均潮差超過(guò)4 m，屬?gòu)?qiáng)潮海域；潮流動(dòng)力相對(duì)較弱，平均流速小于0.2 m/s。研究海域正常天氣下含沙量較低，實(shí)測(cè)平均含沙量為0.079 kg/m3；臺(tái)風(fēng)及寒潮期間大浪對(duì)淺灘泥沙的擾動(dòng)作用增強(qiáng)，水體含沙量相對(duì)較高。

2 資料搜集及數(shù)據(jù)處理

2.1 資料收集

文渡灣內(nèi)除2005年12月有局部實(shí)測(cè)水深資料外，其它年份均無(wú)實(shí)測(cè)水深資料。

本研究選取1991—2014年期間6幅Landsat衛(wèi)星影像(見(jiàn)表1)，所選影像除2005年11月27日的成像時(shí)潮位為高潮位外，其余影像成像時(shí)潮位基本為低潮位，成像時(shí)的潮況參考附近三沙海洋站(位置見(jiàn)圖1)的預(yù)報(bào)潮位。

同時(shí)，搜集了文渡灣備灣站和三沙站2005年12月—2006年1月共1個(gè)月的同步實(shí)測(cè)潮位數(shù)據(jù)。

表1 研究選用遙感影像及成像時(shí)潮況Tab.1 The selected remote sensing images with corresponding water level at marine stations

2.2 數(shù)據(jù)處理

2.2.1 遙感影像處理

首先，采用專業(yè)遙感圖像處理軟件ENVI 4.8對(duì)Landsat遙感影像進(jìn)行輻射校正和大氣校正，并結(jié)合1∶30 000海圖進(jìn)行幾何精校正。然后，提取Landsat TM諸波段中對(duì)水陸邊界信息反映最好的第L5波段的單色影像(圖2)，從單色影像上可以清晰辨別出文渡灣海域的潮灘水邊線。第三，利用Surfer軟件將各個(gè)遙感影像進(jìn)行數(shù)字化處理并提取其潮灘水邊線。

2.2.2 確定潮灘水邊線的高程

潮灘水邊線的高程值可根據(jù)衛(wèi)星影像成像時(shí)所對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)水位來(lái)確定。由于文渡灣水域缺乏長(zhǎng)年實(shí)測(cè)潮位資料，需要利用文渡灣以南14 km的三沙站的潮位來(lái)推算各潮灘水邊線對(duì)應(yīng)的潮位數(shù)據(jù)。

首先，根據(jù)文渡灣備灣站和三沙站2005年12月—2006年1月同步逐時(shí)潮位建立兩站潮位的相關(guān)關(guān)系式(圖3)。然后，根據(jù)衛(wèi)星成像時(shí)三沙站的瞬時(shí)潮位計(jì)算出文渡灣的瞬時(shí)潮位(表1)，再根據(jù)文渡灣的瞬時(shí)潮位來(lái)確定潮灘水邊線所對(duì)應(yīng)的高程值，即可得到該影像潮灘相應(yīng)的潮灘等高線。

為驗(yàn)證所提取潮灘等高線的準(zhǔn)確性，將2005年12月實(shí)測(cè)的3.2 m等高線疊加在2005年11月27日遙感影像上，該影像成像時(shí)所對(duì)應(yīng)潮位為3.2 m(圖4)。由圖可以看出，實(shí)測(cè)3.2 m等高線與3.2 m潮位對(duì)應(yīng)的水邊線吻合很好。由此可見(jiàn)，所推算潮灘等高線精度較高，可用于潮灘沖淤變化趨勢(shì)分析。

圖2 文渡灣不同年份的L5單色遙感影像Fig.2 Landsat-5 single-band remote sensing images of Wendu Bay in different years

圖3 備灣站與三沙站實(shí)測(cè)潮位的相關(guān)關(guān)系Fig.3 Tidal level correlation of Beiwan station and Sansha station

圖4 2005年11月27日遙感影像中的水邊線和相應(yīng)高程的實(shí)測(cè)等高線對(duì)比Fig.4 Comparison between tidal flat waterline withdrawed from remote sensing image of Nov. 27, 2005 and the measured contour with the same elevation

3 討論

3.1 潮灘沖淤變化特征

為分析文渡灣內(nèi)潮灘地形沖淤變化趨勢(shì)，需要選取不同年份潮位相近的遙感影像所提取的潮灘等高線進(jìn)行分析。其中1991年9月和2013年6月遙感影像成像時(shí)的瞬時(shí)潮位均接近1.5 m，1991年2月、1999年9月和2014年9月遙感影像成像時(shí)的瞬時(shí)潮位均接近2.0 m，根據(jù)上述影像并結(jié)合2005年實(shí)測(cè)地形繪制的潮灘地形，1.5 m和2.0 m等高線變化如圖5和圖6所示。由圖分析可以看出：

圖5 1991—2013年期間潮灘1.5 m等高線變化Fig.5 The 1.5 m contour evolution of tidal flat from 1991 to 2013

圖6 1991—2014年期間潮灘2.0 m等高線變化Fig.6 The 2.0 m contour evolution of tidal flat from 1991 to 2014

(1)文渡灣潮灘1.5 m等高線，1991—2005年向海推移100～300 m，2005—2013年向海推移200～300 m，1991—2013年期間總共向海推移300～600 m；以該潮灘平均坡度2‰計(jì)算，其年淤積速率達(dá)3.0～5.5 cm/a。文渡灣西側(cè)白沙澳和硤門(mén)灣水域的+1.5 m等高線向海小幅移動(dòng)，呈微淤狀態(tài)。

(2)文渡灣潮灘2.0 m等高線，1991—1999年向海推移50～80 m，1999—2005年向海推移50～100 m，2005—2014年向海推移200～300 m，1991—2014年期間總共向海推移300～500 m；以該潮灘平均坡度2‰計(jì)算，其年淤積速率達(dá)3.4～5.0 cm/a。文渡灣西側(cè)白沙澳和硤門(mén)灣水域的2.0 m等高線向海小幅移動(dòng)，呈微淤狀態(tài)。

總體來(lái)看，文渡灣內(nèi)潮灘處于淤漲狀態(tài)，其中2005年以前淤積速率較緩，而2005年后淤積速率明顯增大。白沙澳和硤門(mén)灣水域，略呈淤積狀態(tài)，但淤積速率小于文渡灣水域。

3.2 變化原因探討

影響潮灘地形變化的因素比較復(fù)雜，主要受泥沙來(lái)源以及周邊陸地邊界變化等條件的影響。

3.2.1 泥沙來(lái)源的影響

本研究海域僅有3條小河注入，渠洋溪和東堤溪注入文渡灣，硤門(mén)溪注入西側(cè)硤門(mén)灣，這幾條河流都是源短流小的山溪性河流，其陸源來(lái)沙量有限。外海來(lái)沙對(duì)文渡灣也有一定的影響，根據(jù)灣口單寬輸沙量分析，其凈輸沙方向總體為由灣外指向?yàn)硟?nèi)，但其輸沙量并不大，因而外海來(lái)沙量也不大①。總體來(lái)看，少量的陸源來(lái)沙和外海來(lái)沙對(duì)文渡灣灣頂潮灘淤積都有一定的貢獻(xiàn)。

3.2.2 岸線變化的影響

2005年以前，文渡灣海域基本為基巖控制的基巖港灣，岸線長(zhǎng)期保持基本穩(wěn)定；至2013年，灣口東側(cè)過(guò)境島附近水域已圍墾成陸，過(guò)境島和大陸之間的通道消失，這導(dǎo)致漁井碼頭和過(guò)境島之間的灣口縮窄(圖7)。一般而言，納潮海灣的灣口縮窄會(huì)導(dǎo)致灣口流速增大，灣口局部海床會(huì)呈沖刷狀態(tài)。由于灣口的凈輸沙方向指向?yàn)稠?，因此灣口沖刷的泥沙以向?yàn)稠敯徇\(yùn)為主，這應(yīng)為近期文渡灣灣頂潮灘明顯淤積的主要原因。

圖7 研究海域岸線變化Fig.7 Coastline evolvement in study area

4 小結(jié)

福建文渡灣海域?qū)購(gòu)?qiáng)潮海區(qū)，灣內(nèi)分布大片寬廣低平的淤泥質(zhì)潮灘。本研究利用遙感技術(shù)和GIS提取了文渡灣海域的潮灘水邊線，根據(jù)同步潮位得出其水邊線的高程值——即潮灘等高線后，再將不同年份潮灘等高線進(jìn)行對(duì)比以用于分析潮灘地形沖淤變化。該方法克服了文渡灣潮灘地形資料的缺乏，可以用來(lái)研究文渡灣海域潮灘地形的沖淤演變特征。研究結(jié)果表明：1991年以來(lái)文渡灣灣頂潮灘地形呈淤積狀態(tài)，尤其2005年以后淤積明顯，其主要原因可能是圍墾造陸使得灣口縮窄，致使灣口流速增大，灣口局部海床沖刷的泥沙向?yàn)稠敯徇\(yùn)。

[1] PENG Zi-an. Profile characteristics of harbor-type muddy coast in Zhejiang Province[J]. Marine Science,1980,12(2):9-14. 逢自安.浙江港灣淤泥質(zhì)海岸剖面若干特性[J].海洋科學(xué),1980,12(2):9-14.

[2] XIA Xiao-ming, XIE Qin-chun, LI Yan, et al. Change cycle of tidal flat of harbor-type muddy coast[J]. Acta Oceanologica Sinica,1997,19(4):99-10. 夏小明,謝欽春,李炎,等.港灣淤泥質(zhì)潮灘的周期變化[J].海洋學(xué)報(bào),1997,19(4):99-10.

[3] WANG Bao-can, JIN Qing-xiang. Discussion of muddy coast development in Wenzhou sea area in Zhejiang Province [J]. Journal of East China Normal University :Natural Science Edition,1983(4):75-86. 王寶燦,金慶祥.浙江溫州地區(qū)淤泥質(zhì)海岸發(fā)育的探討[J].華東師范大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,1983(4):75-86.

[4] LI Jia-lin, YANG Xiao-ping, TONG Yi-qin. Progress on environmental effects of tidal flat reclamation[J]. Progress in Geography,2007,26(2):43-51. 李加林,楊曉平,童億勤.潮灘圍墾對(duì)海岸環(huán)境的影響研究進(jìn)展[J].地理科學(xué)進(jìn)展,2007,26(2):43-51.

[5] WANG Yi-gang, WANG Chao, SONG Zhi-yao. Impacts of Tieji Bay reclamation project on deep channel at Sansha Bay[J]. Journal of Hohai University:Natural Sciences,2002,30(6):99-103. 王義剛,王超,宋志堯.福建鐵基灣圍墾對(duì)三沙灣內(nèi)深水航道的影響研究[J].河海大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2002,30(6):99-103.

[6] LI Meng-guo, SHI Zhong, FAN Wen-jing. Tidal flow numerical simulation study on the reclamation project of Beiao Houtu of Dongtou Island [J]. Marine Science Bulletin,2005,24(1):1-7. 李孟國(guó),時(shí)鐘,范文靜.甌江口外洞頭島北岙后涂圍墾工程潮流數(shù)值模擬研究[J].海洋通報(bào),2005,24(1):1-7.

[7] LIU Yong-xue, ZHANG Ren-shun, LI Man-chun. Study of the remote sensing extraction method of ground object information on the Jiangsu tidal flat [J]. Advances in Marine Science,2004,22(2):210-214. 劉永學(xué),張忍順,李滿春.江蘇淤泥質(zhì)潮灘地物信息遙感提取方法研究[J].海洋科學(xué)進(jìn)展,2004,22(2):210-214.

[8] MA Xiao-feng, ZHAO Dong-zhi, XING Xiao-gang, et al. Means of withdrawing coastline by remote sensing[J]. Marine Environmental Science,2007,26(2):185-189. 馬小峰,趙冬至,邢小罡,等.海岸線衛(wèi)星遙感提取方法研究[J].海洋環(huán)境科學(xué),2007,26(2):185-189.

[9] YANG Shu-sen, LI Meng-guo, HAN Xi-jun, et al. Technical research on port construction in radial sand ridges [M]. Beijing: China Communications Press,2013:109-114. 楊樹(shù)森,李孟國(guó),韓西軍,等.輻射沙洲建港技術(shù)研究[M].北京:人民交通出版社,2013:109-114.

[10] LIU Yan-chun, ZHANG Ying. Study on the tidal flat evolution through changes of coastline and beach line of Sheyang River Estuary by the remote sensing [J]. Marine Science Bulletin,2010,29(6):658-663. 劉燕春,張鷹.基于遙感岸線識(shí)別技術(shù)的射陽(yáng)河口潮灘沖淤演變研究[J].海洋通報(bào),2010,29(6):658-663.

[11] ZHENG Zong-sheng. Retrieval and analysis of elevation at mud flat using remote sensing [D]. Shanghai: East China Normal University,2007. 鄭宗生.長(zhǎng)江口淤泥質(zhì)潮灘高程遙感定量反演及沖淤演變分析[D].上海：華東師范大學(xué),2007.

[12] HAN Zhen, YUN Cai-xing, JIANG Xue-zhong, et al. Deposition and erosion remote sensing inversion of tidal flat in Wenzhou area [J]. Geography and Geo-Information Science,2003(06):31-34. 韓震,惲才興,蔣雪中,等.溫州地區(qū)淤泥質(zhì)潮灘沖淤遙感反演研究[J].地理與地理信息科學(xué),2003(06):31-34.

[13] HAN Zhen, YUN Cai-xing. Deposition and erosion remote sensing reverse of Dachan Bay beach in Lingdingyang estuary [J]. Acta Oceanologica Sinica,2003,25(5):58-64. 韓震,惲才興.伶仃洋大鏟灣潮灘沖淤遙感反演研究[J].海洋學(xué)報(bào),2003,25(5):58-64.

[14] DAI Zhi-jun, HAN Zhen, CHEN Jin-hui, et al. Analysis on scouring and silting of tidal flat change and its dynamic action, Bohe, Guangdong[J]. Marine Science,2009,33(4):29-33. 戴志軍,韓震,陳錦輝,等.廣東博賀澙湖潮灘的沖淤變化及其動(dòng)力作用分析[J].海洋科學(xué),2009,33(4):29-33.

Research on tidal flat evolution based on remote sensing and GIS methods around the Wendu Bay, Fujian

HAN Zhi-yuan, LI Meng-guo

(TianjinResearchInstituteforWaterTransportEngineering,KeyLaboratoryofEngineeringSediment,MinistryofTransport,Tianjin300456,China)

Research on tidal flat evolution at strong-tide bay is important for marine exploitation, environmental protection and disaster prevention. By using remote sensing and GIS technology, tide flat evolution in a strong tide bay-Wendu Bay in north Fujian Province was studied. The conclusions are showed as follows: Since 1991, tidal flat at the bayhead of Wendu Bay is in a silting state, and the deposition rate is increasing especially after 2005. The main reason of tidal flat siltation may be the bay mouth narrowing by bay reclamation, which results in flow velocity increasing and seabed scouring, so the scouring sediment at bay mouth can be transported to the bayhead and finally accumulates on the tidal flat at bayhead.

Wendu Bay; tidal flat evolution; remote sensing; GIS; strong tide bay

10.3969/j.issn.1001-909X.2015.03.006.

2015-03-12

2015-04-22

中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目資助(Tks 150210)

韓志遠(yuǎn)(1984-)，男，河南封丘縣人，助理研究員，主要從事河口海岸動(dòng)力地貌及工程泥沙研究。E-mail:hzy0616@qq.com

P737.1

A

1001-909X(2015)03-0042-06

10.3969/j.issn.1001-909X.2015.03.006

韓志遠(yuǎn)，李孟國(guó). 基于遙感和GIS的福建文渡灣海域潮灘演變研究[J]. 海洋學(xué)研究,2015,33(3):42-47,

HAN Zhi-yuan, LI Meng-guo. Research on tidal flat evolution based on remote sensing and GIS methods around the Wendu Bay, Fujian[J]. Journal of Marine Sciences, 2015,33(3):42-47, doi:10.3969/j.issn.1001-909X.2015.03.006.