近40 a來三門灣海岸線時(shí)空變化遙感監(jiān)測(cè)與分析

陳曉英, 張 杰, 馬 毅, 崔廷偉

(國家海洋局第一海洋研究所, 山東 青島 266061)

進(jìn)入21世紀(jì)以來, 隨著陸域空間資源的日益緊張, 世界各國紛紛把目光投向蔚藍(lán)色的海洋, 國際間的海洋競爭已呈白熱化。放眼國內(nèi), 沿海各地也處處涌動(dòng)著藍(lán)色經(jīng)濟(jì)的開發(fā)浪潮, 岸線資源利用的范圍和規(guī)模迅速擴(kuò)大, 作為難以再生的寶貴資源, 岸線必須加強(qiáng)保護(hù), 有序開發(fā), 合理利用。三門灣是浙江省三大港灣之一, 是浙江省對(duì)外開放的前沿地帶,具有獨(dú)特的開發(fā)優(yōu)勢(shì)和巨大的發(fā)展?jié)摿?。了解三門灣海岸線的現(xiàn)狀和動(dòng)態(tài)變化對(duì)于實(shí)現(xiàn)三門灣岸線資源的科學(xué)規(guī)劃、合理開發(fā)具有重要的意義。

遙感具有大面積、同步、快速獲取地面信息的技術(shù)優(yōu)勢(shì), 能做到大范圍、長時(shí)間序列監(jiān)測(cè), 已成為海岸線監(jiān)測(cè)的重要手段, 在國內(nèi)外海岸線研究中有著廣泛的應(yīng)用。SemihEkercin[1]利用 Landsat衛(wèi)星影像, 對(duì)土耳其愛琴海西岸的海岸線變化進(jìn)行了分析,研究表明該區(qū)域在海陸相互作用下, 26 a里海岸線最大位移距離達(dá)200多米; Virdis等[2]使用了1955～2010年的航空相片、衛(wèi)星影像等多時(shí)相數(shù)據(jù)集, 針對(duì)意大利撒丁島西北的普拉塔莫納—莫里扎沙灘上 300 m寬的侵蝕區(qū)域展開分析, 發(fā)現(xiàn)由土地利用變化和上游建壩所導(dǎo)致的主要河流流量的驟減是岸線變遷的主要因素。近年來, 隨著國內(nèi)對(duì)海灣地區(qū)開發(fā)利用熱情的日益攀升, 海灣海岸線變遷得到普遍關(guān)注[3-6],海灣海岸土地利用/覆蓋研究也逐漸成為熱點(diǎn)話題,吳季秋等[7]以八門灣為研究區(qū), 采用遙感(Remote Sensing, RS)和地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System, GIS)相結(jié)合的技術(shù), 提取了 1988年、1998年和2009年3 a的土地利用/覆蓋空間格局信息, 研究其土地利用變化動(dòng)態(tài)度, 并分析了自然驅(qū)動(dòng)因素和社會(huì)經(jīng)濟(jì)驅(qū)動(dòng)因素的作用。針對(duì)三門灣, 國內(nèi)的研究工作多集中在水動(dòng)力、漁業(yè)資源、生態(tài)環(huán)境等方面[8-11],對(duì)海岸線的演變、現(xiàn)狀及開發(fā)的全面研究較少。

本文旨在利用1973～2013年4期Landsat衛(wèi)星數(shù)據(jù), 在定量獲取三門灣大陸海岸線相關(guān)數(shù)據(jù)、解譯岸線變化區(qū)域內(nèi)土地利用類型的基礎(chǔ)上, 實(shí)現(xiàn)近 40 a來環(huán)三門灣地區(qū)岸線變遷遙感監(jiān)測(cè)以及海岸開發(fā)方式的系統(tǒng)分析。

1 研究區(qū)概況

三門灣位于浙江省中部沿海, 居全國岸線之中心, 地理坐標(biāo)在 28°57′～29°22′N, 121°25′～121°58′E[12](圖1)。三門灣地跨寧波市象山縣、寧?？h和臺(tái)州市三門縣, 灣口北起炮臺(tái)山東南角, 中端為燕坤山島南嘴,西至青峙山島東嘴, 是呈西北-東南向的半封閉溺谷型海灣, 潮流屬往復(fù)流, 潮汐為正規(guī)半日潮, 冬季多北、東北風(fēng), 夏季多東南風(fēng), 夏秋之際多臺(tái)風(fēng), 年降水量約1 400 mm。三門灣岸線曲折, 港汊縱橫如樹枝狀深入內(nèi)陸, 入灣河流均為短小的山溪性河流, 港汊之間普遍發(fā)育有舌狀潮灘, 灣內(nèi)島嶼羅列, 有大小島嶼 130余個(gè)。沿岸主要港口有灣東側(cè)的石浦港以及西側(cè)的健跳港, 灣內(nèi)重要水道有貓頭水道、蛇蟠水道、石浦水道等。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)處理

本文研究選用 1973年 Landsat MSS、1987年Landsat TM、2000年LandsatETM+和2013年Landsat OLI 4期影像作為岸線變遷分析數(shù)據(jù)源(表1)。以國家測(cè)繪專項(xiàng)正射校正后的SPOT-5影像為基準(zhǔn), 分別對(duì)4期影像進(jìn)行配準(zhǔn), 選用二次多項(xiàng)式校正, 雙線性插值采樣, 配準(zhǔn)精度控制在0.5個(gè)像元內(nèi)。校正后的影像均采用高斯-克呂格投影和WGS-84坐標(biāo)系。

圖1 研究區(qū)地理位置圖Fig.1 Geographical position of Sanmen Bay

表1 遙感影像數(shù)據(jù)信息Tab.1 Information of remote sensing images

2.2 岸線提取方法與精度驗(yàn)證

中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)《海洋學(xué)術(shù)語海洋地質(zhì)學(xué)》(GB/T 18190-2000)規(guī)定: “海岸線即海陸分界線, 在我國系指多年大潮平均高潮位時(shí)海陸分界線”[13]。本文岸線提取采用人機(jī)交互解譯的方法, 從影像中提取了三門灣大陸多年大潮平均高潮位的痕跡線。為降低提取過程中的人為誤差, 確保未發(fā)生變遷的岸段岸線位置不變, 首先提取了2000年的海岸線, 然后基于2000年提取結(jié)果修編得到其余3期岸線。鑒于研究區(qū)內(nèi)海岸線主要為人工岸線與基巖岸線, 本文未考慮潮汐對(duì)海岸線信息提取的影響。

為確保岸線提取精度, 本文利用“我國近海海洋綜合調(diào)查與評(píng)價(jià)專項(xiàng)”(簡稱“908專項(xiàng)”)三門灣地區(qū)修測(cè)岸線對(duì)2000年的提取結(jié)果進(jìn)行了精度驗(yàn)證。選取908修測(cè)岸線相對(duì)于本文2000年岸線未發(fā)生變遷的岸段, 利用Arcgis在2000年岸線上每隔100 m選擇一個(gè)點(diǎn)(圖2), 共 552個(gè)點(diǎn), 計(jì)算每個(gè)點(diǎn)到修測(cè)岸線的最短距離, 求取最短距離的均方根誤差。通過計(jì)算, 均方根誤差為 21 m, 即在一個(gè)像元之內(nèi), 精度滿足本文研究需要。

2.3 岸線變遷分析方法

本文在岸線信息提取結(jié)果的基礎(chǔ)上, 通過 GIS軟件定量獲取了三門灣岸線長度以及海岸帶陸域變遷面積, 分別對(duì)1973～2013年三門灣整體、沿岸各縣級(jí)市(象山縣、寧海縣、三門縣)進(jìn)行岸線時(shí)空變化特征分析, 并針對(duì)研究區(qū)特點(diǎn)對(duì)海岸帶新增土地利用方式進(jìn)行分類, 探討研究區(qū)海岸開發(fā)方式的轉(zhuǎn)變特征。各土地利用類型及其說明如表2所示, 依此分類既有利于分析海岸線變化的影響因素, 也利于監(jiān)測(cè)海岸資源利用與管理。本文在分析陸域變遷時(shí), 因圍填海而與大陸相連的海島不計(jì)入新增土地面積。

圖2 部分驗(yàn)證點(diǎn)分布示意圖Fig.2 Distribution of part of the verification points

3 結(jié)果與分析

3.1 岸線變遷總體情況

1973～2013年4 期三門灣大陸海岸線及陸地增加面積提取結(jié)果見圖3、圖4, 相關(guān)數(shù)據(jù)列入表3。1973～2013年三門灣岸線總長度減少40.18 km, 40 a來平均減少速度 1.00 km/a。1973～1987年、1987～2000年岸線長度分別減少40.77、16.03 km, 2000～2013年期間岸線長度增加16.62 km(圖5)。在研究時(shí)段前期和中期, 三門灣沿海三縣岸線長度均成下降趨勢(shì)(圖6), 前期寧?？h減少最為明顯, 為29.74 km, 中期象山縣減少最多, 為7.05 km; 研究時(shí)段后期, 象山縣、寧海縣岸線長度繼續(xù)小幅度減少, 三門縣岸線長度明顯增長, 2000年之后共增長了19.04 km。

表2 新增土地利用分類Tab.2 Classification of new land use

表3 岸線長度變化及陸地增加面積統(tǒng)計(jì)Tab.3 Statistics of changes of coastline length and land area

影響岸線長度變化的因素有很多。三門灣海涂寬廣, 港汊縱橫, 一方面, 在人為開發(fā)作用下, 曲折的淤泥質(zhì)海岸和海灣被圍墾, 成為農(nóng)作物、果樹種植基地或海產(chǎn)品養(yǎng)殖池塘, 一些深入內(nèi)陸的港汊被攔海筑壩用以蓄淡, 都會(huì)使得海岸線變短; 另一方面,港口區(qū)域碼頭擴(kuò)建、“凸”字形圍海養(yǎng)殖以及灣內(nèi)一些近岸島嶼受開發(fā)作用影響, 與大陸相連成為陸地一部分, 從而又會(huì)導(dǎo)致海岸線增長。

海岸線在空間上的變化會(huì)直接導(dǎo)致海岸帶陸域面積發(fā)生變化。1973～2013年, 三門灣岸線總體以人工圍海造地和海岸開發(fā)產(chǎn)生的向海延伸為主, 40 a來三門灣沿岸陸域面積共增加 155.89 km2, 平均增速為3.9 km2/a。從時(shí)間分布上來看, 2000～2013年陸域面積增幅最大, 達(dá)91.68 km2, 占40 a來新增土地總面積的 58.8%, 其次是 1973～1987年, 新增土地54.83 km2; 空間分布上, 近 60%的新增土地分布于寧海縣, 新增面積達(dá)89.44 km2。

圖3 三門灣大陸海岸線40 a變遷Fig.3 Coastline changes of the Sanmen Bay in past 40 years

圖4 1973～2013年三門灣沿岸新增陸地區(qū)域Fig.4 New land area along the coast from 1973 to 2013

圖5 三門灣海岸線總長度變化趨勢(shì)圖Fig.5 Length change trend of the Sanmen Bay coastline

3.2 沿海各縣海岸線變遷及驅(qū)動(dòng)力分析

3.2.1 象山縣岸段

象山縣岸段1973年、1987年、2000年及2013年海岸線長度分別為110.12、102.58、95.53、94.09 km,長度持續(xù)減少, 40 a來共減少16.03 km。

圖6 三門灣沿海三縣海岸線長度分布圖Fig.6 Length distribution of coastline in three coastal counties

1973～1987 年是象山縣岸線向海延伸最為明顯的時(shí)段, 此期間陸域面積增加15.67 km2, 占近40 a來該岸段陸域總增加面積的 80%, 新增土地多為農(nóng)業(yè)用地, 主要分布在岳井洋北段兩岸; 另外, 為增加淡水資源, 滿足周邊區(qū)域灌溉用水需求, 1975年該縣對(duì)位于西南部的岳井洋支流-大塘港成功進(jìn)行了堵港蓄淡, 建成大塘港水庫, 致使岸線發(fā)生較為顯著的改變, 如今該水庫已成為象山縣中南部地區(qū)的重要供水水源。

1987～2000 年、2000～2013年象山縣岸段陸域面積分別增加1.96、2.18 km2, 區(qū)域內(nèi)大部分岸線無變化, 僅個(gè)別岸段因圍墾養(yǎng)殖而發(fā)生岸線向海推移。

3.2.2 寧?？h岸段

寧?？h岸段是三門灣沿岸40 a來變遷最為劇烈的地區(qū)。該岸段1973年、1987年、2000年及2013年海岸線長度分別為129.47, 99.73, 95.31, 94.33 km,岸線長度整體呈下降趨勢(shì), 40 a來共減少35.14 km。

1973～1987 年, 引起岸線變遷的首要因素是農(nóng)業(yè)圍墾, 此期間該岸段陸域面積增加 35.86 km2, 其中農(nóng)業(yè)用地占 60.6%。其次為堵港蓄淡工程, 占地31.0%, 位于此岸段的最大的一座海塘型水庫-胡陳港水庫于1973年動(dòng)工, 1979年竣工驗(yàn)收, 功能集灌溉、排澇、防洪、御潮為一體。

1987～2000 年, 寧?？h大部分岸段岸線無變化,陸地向海推進(jìn)明顯減緩, 新增土地4.13 km2, 多用做圍墾養(yǎng)殖, 主要分布于縣西部力洋港-青山港之間的部分岸段。

2000～2013 年, 寧?？h岸線長度雖然變化不大,但岸線位置卻大幅向海推進(jìn), 陸域面積增幅高達(dá)49.45 km2, 占40 a來寧?？h沿岸總增加面積的55.3%。大型圍墾工程是導(dǎo)致該期間陸域擴(kuò)張的主要原因,浙江的土地資源較少, 無論是發(fā)展工業(yè)還是農(nóng)業(yè),圍墾灘涂都是一個(gè)較好的彌補(bǔ)土地的方式。作為浙江省灘涂資源最為豐富的區(qū)域之一, 2000年之后寧?？h共策劃圍墾三塊灘涂, 其中蛇蟠涂圍墾工程(圖7)作為寧波市新世紀(jì)重點(diǎn)工程于2003年9月正式動(dòng)工, 目前已完成, 圍墾面積2.08萬畝; 下洋涂圍墾工程于 2007年開工建設(shè), 現(xiàn)已實(shí)現(xiàn)全線封閉, 將于2015年正式完工, 圍墾面積5.4萬畝, 是浙江省最大的一次性圍墾工程(圖8)。另外, 雙盤三山涂圍墾項(xiàng)目也于2013年啟動(dòng), 計(jì)劃圍涂面積5.64萬畝。

圖7 寧?？h蛇蟠涂圍墾工程變遷示意圖Fig.7 Shepantu reclamation in Ninghai County

圖8 寧?？h下洋涂圍墾工程變遷示意圖Fig.8 Xiayangtu reclamation in Ninghai County

3.2.3 三門縣岸段

三門縣岸段1973年、1987年、2000年及2013年海岸線長度分別為150.96, 147.47, 142.91, 161.95 km,岸線長度呈現(xiàn)前期和中期下降、后期明顯增加趨勢(shì),40 a來岸線長度整體增加了10.99 km。

1973～1987 年, 三門縣岸段岸線變遷較小, 陸域面積新增3.30 km2, 其中近50%為新圍填尚未利用地,余者多為農(nóng)業(yè)用地, 主要分布于六敖鎮(zhèn)和健跳鎮(zhèn)的局部岸段, 另外, 位于健跳港上游的羅岙水庫于1979年完工建成, 也使得岸線較為明顯地向海推進(jìn)。

1987～2000 年, 三門縣大部分岸段無變遷, 僅旗門港、健跳港等區(qū)域的少部分岸段因圍填養(yǎng)殖而發(fā)生明顯變遷。該時(shí)期, 三門縣陸域面積新增3.29 km2,幾乎全部為養(yǎng)殖用地。

2000～2013 年是三門縣岸段陸域擴(kuò)張最為顯著的時(shí)段, 此期間岸線長度增長 19.04 km, 新增土地40.05 km2。位于縣東北部的晏站涂圍墾工程是導(dǎo)致該時(shí)期陸域面積猛增的主要因素, 此工程是三門縣迄今為止圍墾面積最大的省重點(diǎn)圍墾工程, 于 2003年底動(dòng)工, 2009年7月竣工, 圍涂面積1.91萬畝, 規(guī)劃用于濱海新城建設(shè), 是三門縣“開發(fā)三港, 建設(shè)三城”戰(zhàn)略的重要組成部分。晏站涂圍成后, 與東側(cè)花鼓漫島及周圍萬余畝養(yǎng)殖圍塘連成一體, 岸線大幅向海推進(jìn)(圖9)。另外, “三港三城”戰(zhàn)略的實(shí)施, 帶動(dòng)了海游港、健跳港沿岸港口、電力資源的開發(fā), 隨著2009年三門核電一期、2012年牛山涂火電項(xiàng)目的開工建設(shè), 相關(guān)岸段岸線外推。

圖9 三門縣晏站涂圍墾工程變遷示意圖Fig.9 Yanzhantu reclamation in Sanmen County

3.3 三門灣海岸開發(fā)方式特征

三門灣內(nèi)多種資源共存, 宜于圍涂墾種、水產(chǎn)養(yǎng)殖、港口開發(fā)、電力建設(shè)及堵港蓄淡等, 因此, 三門灣的開發(fā)得到水利、水產(chǎn)、電力、農(nóng)業(yè)、交通以及海洋等多種行業(yè)的關(guān)注。為進(jìn)一步了解三門灣沿岸對(duì)土地的需求以及海岸開發(fā)方式的轉(zhuǎn)變特征, 基于衛(wèi)星遙感影像目視解譯了新增土地利用類型。各時(shí)間段內(nèi)因海岸開發(fā)而增加的不同土地利用類型面積如圖10所示。

圖10 各時(shí)期新增土地利用類型面積對(duì)比Fig.10 Comparison of new land use area in different periods

40 a來三門灣岸線變遷導(dǎo)致沿岸陸地面積新增155.89 km2。1973～1987年間新增土地 54.83 km2, 其中 34.41 km2為農(nóng)用地, 占該時(shí)期增加土地面積的62.8%, 其次為堵港蓄淡水庫用地, 占 23.8%;1987～2000年期間新增土地9.38 km2, 其中95.5%用做為養(yǎng)殖池塘, 其余為農(nóng)用地; 2000～2013年新增土地 91.68 km2, 近前、中期新增土地面積總和的 1.5倍, 其中農(nóng)用地所占比例最大, 占該時(shí)期新增土地面積的 53%, 面積達(dá) 48.56 km2, 其次為養(yǎng)殖池塘29.72 km2, 再次為建設(shè)用地12.29 km2, 港口碼頭用地 1.11 km2。

3個(gè)時(shí)段相比, 可以看出三門灣海岸開發(fā)方式時(shí)間異質(zhì)性顯著:

1) 圍涂墾植和堵港蓄淡是三門灣資源的傳統(tǒng)開發(fā)項(xiàng)目, 具有悠久的歷史, 自 1950年以來, 便成為糧棉等經(jīng)濟(jì)作物和柑橘等水果的種植基地, 并開展了淡水養(yǎng)殖。因此在研究時(shí)段早期, 三門灣沿岸開發(fā)以圍墾造田、興修水利為主, 兼有小片圍墾養(yǎng)殖;

2) 20世紀(jì)80年代后期至20世紀(jì)末, 三門灣海岸開發(fā)幅度減小, 且方式較為單一, 以灘涂的養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展為重, 在鞏固傳統(tǒng)貝藻類養(yǎng)殖的同時(shí)積極發(fā)展魚蝦類養(yǎng)殖, 不斷擴(kuò)大養(yǎng)殖面積, 新增土地幾乎全部為養(yǎng)殖用地;

3) 進(jìn)入21世紀(jì)以來, 三門灣海岸開發(fā)規(guī)模大幅增長, 圍墾造田和養(yǎng)殖依然是海岸開發(fā)的主要方式,但隨著近年來城市化進(jìn)程的提速和經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)的調(diào)整,用于城鎮(zhèn)、電力、濱海產(chǎn)業(yè)等建設(shè)的圍填海規(guī)模迅速增加, 同時(shí), 老港改造和碼頭擴(kuò)建也加快了步伐,海岸開發(fā)方式呈現(xiàn)多樣化。

4 結(jié)論與討論

本文利用 1973～2013年間的遙感影像, 以人機(jī)交互方式完成了4期三門灣地區(qū)海岸線位置、長度、海岸帶新增土地利用類型等信息的提取, 基于提取結(jié)果按照縣級(jí)市分岸段進(jìn)行了岸線時(shí)空變遷分析,探討了三門灣海岸開發(fā)方式。主要結(jié)論如下:

1) 1973～2013年, 三門灣大陸岸線總體因人工圍海造地和海岸開發(fā)而不斷向海推進(jìn), 40 a來岸線總長度減少40.18 km, 平均減少速度1.00 km/a, 沿岸陸域面積增加155.89 km2, 平均增速為3.90 km2/a。時(shí)間分布上, 2000～2013年向海擴(kuò)張最為顯著, 陸域面積增幅達(dá) 91.68 km2; 空間上, 近 60%的新增土地分布于寧?？h。

2) 40 a來, 象山縣岸段岸線長度減少16.03 km,陸域面積增加19.81 km2, 農(nóng)業(yè)圍墾和堵港工程使得該岸段 1973～1987年岸線變化最為明顯; 寧?？h岸段在三門灣沿岸三縣中岸線變遷最為劇烈, 岸線長度共減少 35.14 km, 陸域面積增加 89.44 km2,2000～2013年間變化最為顯著, 蛇蟠涂、下洋涂兩大圍墾工程的實(shí)施, 是導(dǎo)致該時(shí)期岸線大幅向海推進(jìn)的首要因素; 三門縣岸段岸線長度整體增加10.99 km,陸域面積增加 46.64 km2, 晏站涂圍墾工程導(dǎo)致2000～2013年該縣岸線變遷最為明顯, 陸域擴(kuò)張迅速。

3) 三門灣海岸開發(fā)方式時(shí)間異質(zhì)性顯著。早期,三門灣沿岸開發(fā)以圍墾造田、堵港蓄淡為主; 20世紀(jì)80年代后期至20世紀(jì)末, 海岸開發(fā)幅度減小, 且方式較為單一, 以灘涂的養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展為重; 進(jìn)入 21世紀(jì)以來, 三門灣海岸開發(fā)規(guī)模大幅增長, 圍墾造田和養(yǎng)殖依然是海岸開發(fā)的主要方式, 同時(shí), 城鎮(zhèn)、工業(yè)等建設(shè)用地規(guī)模迅增, 港口碼頭建設(shè)也加快了步伐, 海岸開發(fā)方式呈現(xiàn)多樣化。

受影像分辨率所限, 文中目視解譯結(jié)果存在一定的偏差, 但總體上, 監(jiān)測(cè)分析結(jié)果能真實(shí)地反映三門灣地區(qū)岸線變化的規(guī)模、趨勢(shì)以及沿海開發(fā)現(xiàn)狀。隨著開發(fā)力度和密度的逐漸加大, 如何持續(xù)有效地利用海灣資源, 實(shí)現(xiàn)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)的協(xié)調(diào)發(fā)展,將有待深入研究。

致謝: 本文所用Landsat影像由USGS網(wǎng)站(http: //www.usgs.gov)下載。

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