基于遙感技術(shù)的昌黎黃金海岸沙丘變遷研究

薛永倩，李秀梅，姚海云，劉憲斌，趙亮

(天津科技大學(xué)海洋與環(huán)境學(xué)院 天津市 300457)

基于遙感技術(shù)的昌黎黃金海岸沙丘變遷研究

薛永倩，李秀梅，姚海云，劉憲斌，趙亮

(天津科技大學(xué)海洋與環(huán)境學(xué)院 天津市 300457)

昌黎黃金海岸沙丘的規(guī)模、氣勢和連續(xù)性在我國獨樹一幟，是世界上罕見的海岸地貌景觀，也是研究海洋動力和海陸變遷等海岸地貌過程的天然實驗室。本研究利用TM遙感影像和Google Earth數(shù)據(jù)，采用遙感技術(shù)對秦皇島市昌黎黃金海岸典型海岸沙丘的移動變化做了系統(tǒng)的研究，得到近32年昌黎黃金海岸沙丘的時空變化規(guī)律。結(jié)果表明，新開口以北研究區(qū)的沙丘經(jīng)過32年的變化大多轉(zhuǎn)化為其他地物；以南的沙丘在32年間面積急劇減少，形狀上由 “狹長”型變化為 “矮胖”型，重心由西南向東北轉(zhuǎn)移。沙丘變化受自然和人為兩方面的影響，人為因素起著主導(dǎo)作用。

黃金海岸；沙丘；遙感技術(shù)；轉(zhuǎn)移矩陣；時空分析

海岸沙丘是砂質(zhì)海岸帶廣泛發(fā)育的一種地貌類型，反映了陸地、大氣和海洋三者之間的相互作用，海岸風(fēng)沙沉積承載了海平面變化和海岸環(huán)境演變的重要信息[1-3]。昌黎黃金海岸是我國典型的風(fēng)沙作用海岸，沙丘是昌黎黃金海岸國家級自然保護(hù)區(qū)必不可少的重要組成部分，是生態(tài)系統(tǒng)平衡的重要條件，在保護(hù)生物多樣性方面起著重要的作用。關(guān)于昌黎黃金海岸沙丘的沉積特征和成因，已有學(xué)者進(jìn)行了研究[4-6]，沙丘的移動變遷也有不少學(xué)者進(jìn)行了探討[7-10]，但時間上較為分散和滯后。本文采用Google Earth遙感影像資料，運(yùn)用遙感技術(shù)，直觀監(jiān)測1984-2016年保護(hù)區(qū)內(nèi)沙丘的時空變化過程，綜合分析近32年來昌黎黃金海岸沙丘的時空變化規(guī)律，為當(dāng)?shù)氐穆糜钨Y源和自然保護(hù)區(qū)提供必要的技術(shù)支持以及為預(yù)測未來沙丘的時空變化提供科學(xué)依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

昌黎黃金海岸沙地是中國海岸帶中典型的海岸沙丘分布帶，地處河北省秦皇島市昌黎縣東部沿 海 ， 位 于 119°13′55′′ - 119°19′44"E、 39°28′27′ ′ - 39°40′41′′N 之間。 沙丘自東北向西南呈鏈狀分布，北界為大蒲河，向西南延伸至灤河三角洲北側(cè)，由新開口向南、向北分為兩部分 (圖1)。北部研究區(qū)介于大蒲河和新開口之間，南部研究區(qū)介于新開口和灤河三角洲北側(cè)之間，主要位于翡翠島，是我國重要的海洋類自然保護(hù)區(qū)，其海洋大漠風(fēng)光國內(nèi)獨有、世界罕見。研究區(qū)屬暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候，光照充足、四季分明、雨熱同季。年均氣溫10.1～11.0 ℃；年均降水量630 mm，較全市略少5%左右，是秦皇島市降水較少的區(qū)域；年降水分布不均，多集中在6-8月；年均蒸發(fā)量1 580 mm；年均風(fēng)速2.9 m/s。

圖1 研究區(qū)范圍

1.2 數(shù)據(jù)處理與方法

數(shù)據(jù)主要來源于Google Earth 影像資料，時間尺度是1984-2016年，為專題成像儀 (TM)傳感器的衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，其中2007-2016年的數(shù)據(jù)參考了Digital Global的高分辨率影像，運(yùn)用RS和GIS技術(shù)對研究區(qū)進(jìn)行遙感影像綜合解譯，提取研究區(qū)域內(nèi)1984-2016年的昌黎黃金海岸沙丘，在此基礎(chǔ)上，對32年間沙丘的變遷進(jìn)行了時空分析。北部研究區(qū)沙丘經(jīng)過32年轉(zhuǎn)化為多種地物，因而對北部研究區(qū)運(yùn)用馬爾科夫模型計算1984-2016年的動態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣，研究沙丘的轉(zhuǎn)換態(tài)勢。南部研究區(qū)沙丘32年間的變化與北部相比速度緩慢，地物轉(zhuǎn)換較為單一，因此側(cè)重選用重心轉(zhuǎn)移模型研究沙丘的移動狀態(tài)。

2 結(jié)果與分析

2.1 北部研究區(qū)

根據(jù)1984年沙丘的連通性狀態(tài)，將北部研究區(qū)沙丘分為兩部分，一側(cè)向陸一側(cè)向海。在1984-2000年之間，向海一側(cè)沙丘相比向陸一側(cè)變化不是很大，向陸一側(cè)沙丘由起初的完整狀態(tài)逐漸變得破碎，隨著時間的推移，向陸一側(cè)的沙丘開始呈現(xiàn)出離散化現(xiàn)象，破碎程度逐漸加劇，處于極度的不穩(wěn)定狀態(tài)，該變化由新開口向大蒲河方向逐漸向北移動，沙丘面積不斷減少，直至2000年向陸一側(cè)的裸露沙丘已完全消失 (圖2)。1984年，北部研究區(qū)的沙丘總面積為543.40 ha，到2000年僅剩157.47 ha，減少幅度達(dá)到71%。這與改革開放之后成立新開口漁港經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)、人類活動對該區(qū)域的沙丘的影響密不可分。

2000年后，向海一側(cè)沙丘逐漸消亡，到2016年，北部研究區(qū)自然狀態(tài)沙丘幾乎完全消亡，主要變化為灘地、濕地、裸地、林地、建筑用地、河流、海水、公路、旅游用地等地物 (圖3)。隨著旅游業(yè)的發(fā)展，北部研究區(qū)的沙丘主要存在于人為建立的滑沙中心和沙雕大世界等旅游景點。

圖2 1984-2000年北部研究區(qū)沙丘變遷圖

由北部研究區(qū)1984-2016年的轉(zhuǎn)移矩陣(表1)可知，1984年北部研究區(qū)內(nèi)的沙丘，經(jīng)過32年的變化，轉(zhuǎn)化成為高爾夫球場、公路、海洋公園、建筑物、林地等地物，這些地物大多是經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來的產(chǎn)物，其中林地所占面積最大，占原來沙丘面積的47%，其次是高爾夫球場，占原來沙丘面積的16%，而原來的沙只剩余10%，可以看出，人類活動對于沙丘的破壞是不可忽視的。值得一提的是有一部分沙變化為了海水，占原來沙面積的6%，比例雖然不是很大，但是反映出在32年間，大蒲河至新開口之間的海岸線整體是向陸地移動的，說明此地存在海岸侵蝕的現(xiàn)象，致使海岸線向陸方向后退。

圖3 2016年北部研究區(qū)土地利用圖

表1 1984-2016年北部研究區(qū)土地利用動態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣

2.2 南部研究區(qū)

南部研究區(qū)上平行海岸線、走向呈NNE-SSW 的海岸沙丘為國內(nèi)規(guī)模最大、形態(tài)最為典型的橫向沙脊[7]。

對1984-2016年南部研究區(qū)沙丘進(jìn)行矢量提取，統(tǒng)計結(jié)果顯示 (圖4、圖5):32年來沙丘的形狀由最初的 “狹長”型變化成 “矮胖”型，沙丘的NNE-SSW向最大長度由11.9 km變化為7.01 km，變化速率為-0.15 km/a，2003-2008年變化速度最快，變化速率為-0.58 km/a。沙丘的面積整體呈下降趨勢，2008年后基本趨于穩(wěn)定。南部研究區(qū)1984年沙丘面積有1179.95 ha，2016年僅剩460.91 ha，占原來沙丘面積的39%，32年間沙丘面積變化速率最大的時間段為1987-1996年，10年間減少幅度達(dá)到35%。1984年沙丘處于完整狀態(tài)，之后沙丘逐漸出現(xiàn)破碎化，1998年破碎程度已相當(dāng)嚴(yán)重，以西南部和東北部破碎程度最高，西南破碎化程度尤為顯著。1998年研究區(qū)東南部沙丘已經(jīng)消失，2003年西南部沙丘也已消亡，之后沙丘面積繼續(xù)減少，直到2008-2016年沙丘趨于穩(wěn)定。

沙丘由西南向東北方向減少。從重心轉(zhuǎn)移上看，32年間沙丘的空間分布發(fā)生了很大變化，總體上向北偏東30°移動了412.7 m，過程中又呈現(xiàn)出往復(fù)式的移動狀態(tài) (圖6)。1984-2008年方向向北，1984-1998年重心轉(zhuǎn)移幅度很大，向北偏東46°移動了228.24 m，1998-2003年轉(zhuǎn)移幅度較小，向北偏西8°移動了64.02 m，2003-2008年轉(zhuǎn)移幅度較大，向北偏東6°移動了202.66 m。2008-2016年方向向南，重心轉(zhuǎn)移幅度較小，2008-2013年向南偏東27°移動了55.03 m，2013-2016年向南偏東20°移動了19.95 m。這主要是受沙丘變化的影響，1984-2008年沙丘面積的減少主要發(fā)生在南部，因而重心整體向北轉(zhuǎn)移。2008-2016年沙丘面積的減少主要發(fā)生在北部，因而重心整體向南轉(zhuǎn)移。

圖4 1984-2016年南部研究區(qū)沙丘變遷圖

圖5 翡翠島沙丘1984-2016年面積統(tǒng)計圖

圖6 南部研究區(qū)重心轉(zhuǎn)移圖

3 沙丘變化驅(qū)動因子

對沙丘動態(tài)變化起決定作用的是沙質(zhì)沉積物的供應(yīng)情況和強(qiáng)勁的方向恒定的風(fēng)動力狀況，它們是形成海岸風(fēng)沙地貌的物質(zhì)基礎(chǔ)和主要動力，人為干預(yù)也對沙丘運(yùn)動有著重要影響?？傊?，沙丘的變遷結(jié)果是在人為和自然兩者因素的共同作用下形成的。

3.1 自然驅(qū)動因子

秦皇島昌黎黃金海岸自然保護(hù)區(qū)位于中國的東部季風(fēng)區(qū)，屬于暖溫帶半濕潤大陸性氣候，四季分明，日照充足，氣溫較高，降水充沛。當(dāng)?shù)囟嘧兊娘L(fēng)速、風(fēng)向以及河流物質(zhì)來源供應(yīng)的不穩(wěn)定對沙丘的時空變遷有著重要的影響。

研究區(qū)風(fēng)向具有溫帶季風(fēng)的特點，主風(fēng)向分為兩組，一組是以SW和W為主的離岸風(fēng)，一組是以NE和NNE為主的向岸風(fēng)[8]，這在一定程度上是研究區(qū)沙丘呈現(xiàn)出NNE-SSW方向分布的原因。春季 (3-5月)風(fēng)速最大，夏秋最小[10]。由于風(fēng)向的不穩(wěn)定，沙丘形態(tài)不固定，尤其冬春大風(fēng)季節(jié)氣候干旱，降水較少，有利于風(fēng)沙的搬運(yùn)[5]，影響沙丘重心的轉(zhuǎn)移。

依據(jù)昌黎黃金海岸沙丘沙的粒度分布和礦物組成等的分析[11，12]，昌黎黃金海岸沿岸沙丘的沙源主要為灤河入海泥沙。研究區(qū)共有大小9條河流，除了灤河為常年河流之外，其余均為季節(jié)性河流，這些河流攜帶的泥沙都不同程度的為研究區(qū)沙丘的發(fā)育提供了物質(zhì)來源。但是由于部分年份或者季節(jié)性的斷流，河流的物質(zhì)來源失去了保障，所以河流的斷流也是沙丘減少的一個原因。

3.2 人為驅(qū)動因子

北部研究區(qū)的沙丘在32年間的變化是最大的，1984年的大面積沙丘到2016年時幾乎消亡了，這和人類的活動密不可分。在1984-2000年之間，裸露沙地大多數(shù)變化為了有林沙地，主要受人為植樹造林防沙固沙的影響[10]。1998年昌黎新開口漁港經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)成立[13]，經(jīng)濟(jì)開始處于高速發(fā)展階段，人類活動更為頻繁，鐵路、公路、建筑物等設(shè)施不斷擴(kuò)建，旅游業(yè)也更加興旺。修建擋沙墻和道路、停車場、淋浴室等海灘旅游設(shè)施，阻隔了部分海灘沙在風(fēng)的作用下向陸運(yùn)移[14]。旅游季節(jié)，大量游客在海灘上活動，將海灘上較細(xì)的沙粒翻起并隨水流進(jìn)入海中，造成海灘沙粒的粗化[15]，不利于沙粒的啟動，影響沙丘的供給。不合理的人工采沙使海灘沙量不斷減少，直接破壞了海岸及海邊景觀，造成了岸線后退和海灘的下蝕現(xiàn)象。

南部研究區(qū)沙丘在這32年來的變化也是驚人的。這里建有翡翠島生態(tài)游樂園，每年有大量的游客到此游玩，過多的游客將海岸沙灘沙頻繁踩踏，風(fēng)不易吹動海灘沙向沙丘移動，翡翠島沙丘沙源減少。南部研究區(qū)沙丘的減少主要在南部研究區(qū)西南端，正是由于人工植樹造林，導(dǎo)致沙丘出現(xiàn)了破碎化，其連通性被打破，沙丘在植被的分割下破碎程度越來越大，沙丘開始處于不穩(wěn)定的狀態(tài)，漸漸地由沙地轉(zhuǎn)化為了有林沙地再到林地[10]。20世紀(jì)80年代后，灤河干流潘家口水庫、大黑汀水庫、灤河支流青龍河上的桃林口水庫先后蓄水投入運(yùn)行，加上引灤入津、引灤入唐工程的實施[16]，使得灤河入海徑流量和泥沙量急劇減少，這樣沙丘形成的物質(zhì)來源就失去了保障，從而影響了沙丘的發(fā)育。沙量的減少使得海岸動力與泥沙的相對平衡被打破，造成了海岸線的后退現(xiàn)象[17]。

總之，研究區(qū)沙丘的變遷受自然和人為兩方面的影響，最主要是人為造成的。經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，不合理的人工采沙，以及灤河上游大型水利設(shè)施的建設(shè)引灤入津、引灤入唐等工程的實施，對于研究區(qū)沙丘的物質(zhì)來源的阻斷是研究區(qū)沙丘沙量減少的主要原因。

4 結(jié)論與展望

本文通過3S技術(shù)對昌黎黃金海岸沙丘進(jìn)行分析，研究表明:

(1)北部研究區(qū)沙丘在32年來幾乎消亡。1984-2000年間北部研究區(qū)向陸一側(cè)沙丘完全消亡，向海一側(cè)沙丘變化不大。2000-2016年，隨著經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，北部研究區(qū)沙丘幾乎完全消亡，僅剩1984年的10%。北部研究區(qū)沙丘主要轉(zhuǎn)化為了高爾夫球場、林地、公路、海水、河流、滑沙場、建筑物、海洋公園等主要地物。沙丘的破碎化現(xiàn)象是由新開口向大蒲河方向發(fā)生的，并逐漸消亡。

(2)1984-2016年間，南部研究區(qū)沙丘面積一直處于減少趨勢，但在2008年以后這種趨勢得到了控制，沙丘面積變化速率最大的階段為1987-1996年。南部研究區(qū)沙丘重心由西南向東北轉(zhuǎn)移，過程中呈現(xiàn)出往復(fù)式的移動狀態(tài)。

(3)翡翠島沙丘的高度呈現(xiàn)出波浪式的下降趨勢，受當(dāng)?shù)仫L(fēng)向、降水以及人類活動等影響，一般一年中前半年沙丘要高于后半年。

沙丘變化受自然和人為兩方面的影響，人為因素起著主導(dǎo)作用。20世紀(jì)90年代灤河建設(shè)大量水利設(shè)施使得沙丘形成的物質(zhì)來源阻斷；當(dāng)?shù)芈糜螛I(yè)的快速發(fā)展直接影響了沙丘的自然發(fā)育和演變；人工采沙致使海岸動力與泥沙的相對平衡被打破，造成海岸線后退和海灘的下蝕。十三五規(guī)劃 (2016-2020)堅持陸海統(tǒng)籌，提出加強(qiáng)海岸帶保護(hù)與修復(fù)，主張因地制宜建設(shè)海岸景觀。在國家政策的推動下，更應(yīng)對昌黎黃金海岸保護(hù)區(qū)加強(qiáng)管理，建立健全的相關(guān)法律法規(guī)，在固沙的前提下，合理采沙，合理發(fā)展旅游經(jīng)濟(jì)，定期開放旅游景點，平衡自然與經(jīng)濟(jì)利益之間的矛盾，促進(jìn)旅游業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，維持現(xiàn)有海岸沙丘地貌及其穩(wěn)定性，保護(hù)沙丘生態(tài)環(huán)境。

[1] Scheffers A， Engel M， Scheffers S， et al. Beach ridge systems-archives for Holocene coastal events[J]. Progress in Physical Geography， 2012， 36(1): 5-37.

[2] Gardner T W， Webb J， Davis A G， et al. Late Pleistocen e landscape response to climate change: Aeolian and alluvial fan deposition， Cape Liptrap， southeastern Australia[J]. Quaternary Science Reviews， 2006， 25(13): 1552-1569.

[3] Murray W， Brooke C V， Cann B P， et al. Whole-rock aminostratigraphy of the Coorong coastal plain， South Australia: To-wards a 1 million year record of sea-level highstands[J]. Journal of the Geological Society of London， 2001， 158(1): 111-124.

[4] 王月霄. 昌黎黃金海岸沙丘沉積特征及形成演變[J].地理學(xué)與國土研究， 1996， 12(3): 60-64.

[5] 姜鋒， 李志忠， 靳建輝， 等. 基于 GPR 圖像的河北昌黎海岸橫向沙脊北段沉積構(gòu)造及其成因[J]. 地理研究，2015， 34(8): 1559-1568.

[6] 曾照爽， 莊振業(yè)， 祁興芬等. 秦皇島昌黎黃金海岸的沙丘沉積和發(fā)育機(jī)理[J]. 海洋地質(zhì)動態(tài)， 2003， 19(7):23-27.

[7] 黃德全， 董玉祥， 哈斯等. 海岸橫向沙脊的移動與形態(tài)變化——以河北昌黎黃金海岸橫向沙脊為例[J]. 地理研究，2011， 30(12): 2229- 2238.

[8] 祁興芬， 劉連興， 劉富剛. 昌黎海岸沙丘的發(fā)育條件及動態(tài)變化[J]. 德州學(xué)院學(xué)報， 2006， 22(1): 82-84.

[9] 李晶， 高偉明， 劉國君. 昌黎黃金海岸沙丘動態(tài)變化及動因解析[J]. 海洋通報， 2009， 28(2): 81-88.

[10] 烏格特茉勒， 董玉祥， 哈斯等. 近 50年來河北昌黎黃金海岸沙地變化[J]. 中國沙漠， 2010， 30(4): 777-782.

[11] 傅啟龍， 沙慶安. 昌黎海岸風(fēng)成沙丘的形態(tài)與沉積構(gòu)造特征及其成因初探[J]. 沉積學(xué)報， 1994(3): 98-103.

[12] 王穎， 朱大奎. 海岸沙丘成因的討論[J]. 中國沙漠，1987(7): 29-40.

[13] 孫富強(qiáng)， 包宏偉. 昌黎黃金海岸國家級自然保護(hù)區(qū)資源保護(hù)與合理開發(fā)利用分析[J]. 海洋開發(fā)與管理，2010， 27(1): 58-60.

[14] 顧建清. 河北省秦皇島旅游海灘保護(hù)[J]. 海洋地質(zhì)動態(tài)， 2002， 18(3): 34-38.

[15] 高偉明， 顧建清. 秦皇島旅游海灘保護(hù)與管理[M]. 西安: 西安地圖出版社， 2006: 86-87.

[16] 付曉花， 董增川， 劉晨等. 灤河流域徑流變化及其驅(qū)動力分析[J]. 南水北調(diào)與水利科技， 2013， 11(5): 6-10.

[17] 張永戰(zhàn)， 杜利瓊， 朱大奎. 海灘侵蝕與防護(hù)[A]. 中國地理學(xué)會百年慶典學(xué)術(shù)論文摘要集[C]. 2009， 56-57.

2017-08-31

國家重點研發(fā)計劃 (2016YFC1401602)；2016“大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃”。