杭州灣歷史時期海岸線時空演變的特征

康育龍， 程 姌， 梁勤歐

(浙江師范大學 地理與環(huán)境科學學院,浙江 金華 321004)

0 引 言

時空演變特征一直是地理學研究的熱門話題.杭州灣作為浙江重要的經(jīng)濟活動區(qū)域和東北大門，其強烈的人為活動和巨大的自然環(huán)境變化將決定杭州灣的時空格局.而對于杭州灣的時空演變研究，歸根于對當?shù)睾０毒€及其變化特征的分析.近幾年,有關(guān)海岸線的研究隨著遙感技術(shù)和定量模型的發(fā)展而變得炙手可熱，其中國外最新的研究重點集中在海岸線的變化速率等計算方法和影響因子的分析上[1-3].也有學者通過海岸線的變化，結(jié)合數(shù)學模型計算潮間帶的變化和分形分維變化[4-6].國外學者通過GIS建模和地面穿透雷達數(shù)據(jù)對全新世古海岸線進行重建，并反演海岸環(huán)境和地形[7].而國內(nèi)大多數(shù)成果是對大范圍、短時期海岸線變化的環(huán)境響應(yīng)進行研究，以及對新方法的應(yīng)用進行探究[8-11].基于長時序的研究也只是在現(xiàn)有遙感影像的基礎(chǔ)上進行較短的時間分析[12-14〗.對于歷史海岸線的研究方法，比較傳統(tǒng)的有：遺址考古法、14C采樣法、調(diào)查考證法等.然而，這些方法由于數(shù)據(jù)資料的缺失和定量分析技術(shù)的不足，只是定性地描述,故缺少空間精度，因此，無法實現(xiàn)定量化和可視化，所以對于古代海岸線時空演變的研究尚可深入.現(xiàn)雖有學者針對江蘇古代海岸線時空變遷的數(shù)據(jù)進行了研究，但其缺少歷史事實的充分佐證[15]，從而無法解釋現(xiàn)象背后潛在的驅(qū)動因素;而對于歷史時期杭州灣的研究，雖有學者較早地在其著作中做過探討[16]，但相對而言不夠深入且缺少細致的數(shù)據(jù)分析.

因此，本文基于GIS技術(shù)探究杭州灣在唐、南宋、元、明、清各時期的時空演變特征，通過史料分析其變遷原因，這對于更好地認識杭州灣發(fā)展的歷史和現(xiàn)狀，以及更好地預(yù)測其未來，揭示杭州灣歷史變化本身等都具有重要的意義.

1 研究區(qū)概況

杭州灣位于浙江省東北部，西接錢塘江、東臨東海，成喇叭口形狀，地理坐標為29.92°～30.86° N，120.90°～122.07° E，是世界上著名的強潮型河灣口.包括嘉興東南、杭州東部、紹興北部、寧波北部海岸.灣口具有潮差強、徑流弱、陸域來沙少和海域來沙豐富等特征，海灣沉積嚴重[17].加之唐朝至明清以來受撼塘筑壩等人類活動的影響，杭州灣時空差異十分巨大.本文以唐朝杭州灣海岸線為基礎(chǔ),對比分析南宋、元、明、清不同時期杭州灣的時空變化.為了更加清楚地分析杭州灣北岸擴展變化趨勢，本文將研究區(qū)重新規(guī)定，北至唐朝松江口南岸，南抵寧波市北侖區(qū)峙頭洋，具體如圖1所示.

圖1 杭州灣研究區(qū)位置

2 資料與方法

本研究需要對浙江杭州灣的唐、南宋、元、明、清各歷史時期海岸線變遷進行分析和計算，因此，對于歷史地圖的準確矢量化是數(shù)據(jù)可靠的保證，也是研究的重要基礎(chǔ).

2.1 資料收集

本文以譚其驤先生主編的不同歷史時期《中國歷史地圖集》[18]及相關(guān)史料為數(shù)據(jù)源(見表1)，并結(jié)合現(xiàn)代遙感數(shù)據(jù)(Landsat OLI影像)進行對比分析，將經(jīng)過高清掃描后的地圖作為研究底圖.

表1 不同歷史時期海岸線數(shù)據(jù)來源[18]

2.2 數(shù)據(jù)處理

通過Arc GIS 10.2軟件對不同時期歷史的地圖進行嚴格配準、校正之后數(shù)字化,得到了不同歷史時期的海岸線，并結(jié)合相關(guān)文獻和實地考證，得到了唐、南宋、元、明、清5個歷史時期的海岸線，如圖2所示.

圖2 不同歷史時期杭州灣海岸線

2.3 研究方法

本文利用年變化率分析杭州灣歷史變遷，年際變化是指5期海岸線每相鄰時期之間平均年變化率，為了定量分析1 000多年來杭州灣的變化趨勢，此研究利用美國地質(zhì)調(diào)查局(USGS)開發(fā)的DSAS(digital shoreline analysis system)回歸分析系統(tǒng)高效地計算不同時序海岸線的變化速率[19]，計算公式如下：

式(1)中：Fi+1,i為海岸線變化率(i=1～481)；Li+1為第i+1期海岸線到基線的距離；Li為第i期海岸線到基線的距離；ΔYi+1,i為時間差.并借助Arc GIS 10.2軟件多次模擬歷史時期杭州灣海岸基線，以800 m為采樣間距生成516個垂直基線的斷面，經(jīng)過刪除影響計算的斷面之后保留481個斷面,具體如圖3所示.

圖3 杭州灣海岸垂直基線斷面

3 結(jié)果與討論

隨著自然環(huán)境的變遷和受人類活動的綜合影響，杭州灣在唐朝至明清1 000多年間的發(fā)展過程中變化巨大.本文將從定性描述和定量分析2個方面探討浙江杭州灣時空演變的規(guī)律.

3.1 杭州灣演變特征定性分析

定性描述可以宏觀反映歷史海岸線的變化概況，也是進行定量分析的基礎(chǔ).在不同歷史時期海岸線的變化過程中，唐宋時期(見圖4(a))杭州灣明顯擴張變化的有4段，其中:①—②段向外擴張，是各個歷史時期擴張面積最為突出的時期;③—④段地處錢塘江口岸，唐宋時期北岸向南遷移;同樣，④—⑤段整體上向南演變，從而錢塘江河口在唐宋時期整體向南遷移;②—③段向陸平穩(wěn)坍進，變化面積雖不及①—②段，但同樣巨大;而唐宋年間在⑤—⑥段變化相對不是很大.

宋元時期(見圖4(b))主要變化有3段，分別是②—③，③—④，④—⑤段，其中:②—③，④—⑤主要是向外擴張，在錢塘江河口有向北推移的趨勢;而③—④段主體向內(nèi)陸凹進，變化面積較其他各段顯著.

元明時期(見圖4(c))變化較大的是③—④段，表現(xiàn)為錢塘江口北岸向北擴張明顯;④—⑤段向外凸出明顯，該段相比而言是各個歷史時期變化面積最大的時期;同樣，元明時期②—③段海岸向北縮進;①—②段向海凸出.

明清時期(見圖4(d))海岸線變化主要集中在③—⑤段,即錢塘江口，南北兩岸同時向北岸擴展，其中南岸變化劇烈，河口凸出成“幾”字形,與現(xiàn)代海岸基本一致.

(a) (b)

(c) (d)

3.2 杭州灣演變的年變化特征

唐至清朝年間杭州灣變化十分明顯，且不同歷史時期不同海岸分段變化各不相同，為了進一步定量分析杭州灣變化特征，本文經(jīng)過計算得到唐朝至清朝1 000多年間杭州灣不同歷史時期海岸線的變化率，見圖5.

圖5 唐至清朝杭州灣變化速率

圖5中,1—61斷面約在唐朝松江至杭州灣南沙嘴地段，各時期海岸線呈現(xiàn)主體向海擴張的趨勢.唐宋時期從斷面1—91段都向外延伸，向海擴張的幅度和南北跨度都較其他歷史時期大；而宋元和明清時期在61—91段向內(nèi)陸坍進，其中宋元時期幅度較為明顯，其內(nèi)坍速率達到85 m/a.斷面91—151段唐朝至明清期間持續(xù)坍進，明清時期由于海塘建設(shè)日趨完善，海岸線在原有基礎(chǔ)上變化甚微；而唐宋、宋元、元明3個時期都向陸地侵進，唐宋時期變化平穩(wěn)而宋元、元明時期變化不定，但其變化速率小于25 m/a.宋元時期分別約在斷面106和142處變化幅度較大，宋、元兩朝海岸線在120—135段基本保持一致.斷面151—241約在今澉浦—錢塘江口—曹娥江口附近，期間杭州灣變化十分劇烈，向外擴張和向內(nèi)凹進交相并存，且變化十分復(fù)雜，元明、明清時期錢塘江口北岸海洋擴張，擴張幅度都在55 m/a左右，而且明清在元明基礎(chǔ)上向西向北繼續(xù)擴張，在河口南岸處向北略微凸出；然而唐宋時期不同斷面均有向陸縮進的現(xiàn)象出現(xiàn).

斷面241—481段為杭州灣南岸，所處位置在今錢塘江口至寧波峙頭洋附近，總體而言，各歷史時期南岸向海洋擴張.斷面241—301在唐宋時期向陸地坍進，宋元時期主要以向外擴張為主，而明清時期變化相對較大，變化率都超過了50 m/a，在錢塘江口南岸向北部地擴張形成“幾”字形，基本上奠定了現(xiàn)代海岸線的形狀.斷面301—331段海岸線除了唐宋和元明時期稍有變化外，明清時期海岸線都在原有的基礎(chǔ)上無多大改變.斷面331—406處在今慈溪以北姚江平原之濱，唐宋時期基本上是向陸縮進,因而表現(xiàn)特殊，明清時期向外擴張相對平穩(wěn)且幅度不大；其余各歷史時期整個海岸線向外平滑凸出，如宋元和元明時期向外擴張顯著，其中元明時期變化速率達到近40 m/a，故該時期對于姚江平原的擴張意義重大.461—481段變化相對復(fù)雜，向外擴張和向內(nèi)縮進交替進行，但總體上變化不是十分劇烈,見圖5.

總體而言，在杭州灣海岸線的各歷史時期變化中，唐朝松江口至杭州灣南沙嘴地段向外凸出，而南沙嘴到澉浦段總體坍進.值得注意的是錢塘江口南北兩側(cè)變化十分復(fù)雜，不同歷史時期出現(xiàn)南北交替的現(xiàn)象.姚江平原除了唐宋時期外，其余歷史時期都是向外擴張的.

3.3 杭州灣面積變化特征

由上述分析可知，杭州灣歷史時期變化巨大.本文通過對前后相鄰時期的對比，利用Arc GIS 10.2軟件疊加分析了不同歷史時期海岸線的變化.為了研究方便，盡量在面積變化較大的斷點處(91,151,241,320,420)進行分割，分別得到不同歷史時期杭州灣A到G共6段海岸線的變化，通過計算得到變化面積如表2所示.6段海岸線變化如圖6所示.

表2 相鄰歷史時期分段面積統(tǒng)計 km2

圖6 相鄰歷史時期面積變化

歷史時期杭州灣變化主要有向海域擴張和向陸地凹進2個類型,見表2.在AB段，唐宋和元明時期基本以向外擴張為主，其中唐宋時期擴張面積為1 142.53 km2，縱向橫向跨度范圍廣；元明時期同樣也是以擴張為主，變化面積為145.21 km2；明清時期向內(nèi)凹進了190.47 km2，AB段沒有向外擴展的現(xiàn)象；宋元時期不僅向外擴張而且向內(nèi)縮進，凹進面積為228.63 km2，占主體作用.

在BC段，各歷史時期向外擴張面積總共不到7.50 km2，大部分時期都是向內(nèi)坍進的過程.唐宋時期表現(xiàn)相對顯著，變化面積約為216.51 km2；南宋到明朝時期變化面積約為78～87 km2，而明清時期該區(qū)域變化較小.在CD段，唐至元朝年間主要向外擴張，變化面積為295.96 km2，而元至清朝有向內(nèi)挺進的趨勢，且變化相對明顯，總體變化了約547.13 km2.在DE段，宋朝至明清時期主體表現(xiàn)為向外擴張，變化總面積約為503.74 km2，而唐宋時期在該段向內(nèi)以坍進為主.在EF段，元明時期表現(xiàn)顯著，東西跨度大，向北淤漲深，向外凸出約323.31 km2.但元明至明清時期幾乎沒有向內(nèi)擴張的趨勢.在FG段，唐朝至明清時期變化相對較小，其中宋朝至明朝期間不僅向外延伸，同時向內(nèi)侵進.而明清時期變化極小，向外擴張面積不到2.16 km2，具體見圖7與表2.

杭州灣北岸有退有進，南岸主要以向外擴張為主.而錢塘江口南北兩岸此消彼長，宋元之后到明清時期，北岸開始向內(nèi)坍進而南岸向外淤漲，但唐宋時期錢塘江口北岸向外擴張，南岸縮進面積也相當大.

杭州灣變化面積各個歷史時期不同分段表現(xiàn)復(fù)雜，1 000多年演變趨勢中,不同的海岸帶間不盡相同，為了更好地表征杭州灣歷史演變，本文進一步分析其擴張趨勢.

3.4 杭州灣擴張趨勢

本文運用海岸線凈變化量定量分析歷史時期杭州灣時空演變及變化趨勢，其中凈變化量為累計變化量，是研究最早時期和最晚時期海岸變化的重要方法[20]，具體公式如下：

Ai=Li4-Li1,i=1,2,…，481.

(2)

式(2)中:Ai為第i個斷面點海岸線的凈變化量；Li4為第i個斷面點從基線到第4期海岸線的距離;Li1為第i個斷面點從基線到第1期海岸線的距離.杭州灣凈變化量如圖8所示.

圖7 相鄰時期分段杭州灣變化面積柱狀圖

圖8 各歷史時期杭州灣凈變化量

從海岸線凈變化量來看(見圖8)，1—61段、151—181段、241—466段其海岸線在1 000多年的發(fā)展變化中主體向外擴張，其中1—61段唐朝至清朝向外增長近28 km，是向外擴張最為迅速的地段；241—466段向外擴張高值出現(xiàn)在241段和301—361段附近，向外擴張距離為5～10 km；而61—151段和181—234段主要是向內(nèi)陸縮進，其中各歷史時期中,61—151段持續(xù)向岸坍進，而181—234段向陸地侵進，唐朝至清朝年間變化在17 km左右，該段變化在元明和明清時代十分顯著，兩期變化速率都基本接近55 m/a(見圖5).可見杭州灣北岸相對于南岸而言變化劇烈且不穩(wěn)定，其中北岸南沙嘴約到澉浦段海岸線基本上持續(xù)內(nèi)坍，錢塘江口至澉浦段變化復(fù)雜但總體向北.南岸杭州灣的變化除了錢塘江河口向南外，其余各段都總體上呈現(xiàn)向北凸出的趨勢，尤其是姚江平原向外擴張十分顯著.

4 結(jié) 論

杭州灣作為浙江的重要門戶，對海岸帶的保護和利用至關(guān)重要.因此，研究其海岸線意義重大.由于受自然和人為因素的影響，海岸線變化表現(xiàn)為一個十分復(fù)雜的過程.

從時間上來看，唐宋時期南沙嘴附近向外擴張速率高達28 m/a，金山至澉浦附近向內(nèi)陸平穩(wěn)侵進，錢塘江口至曹娥江附近唐宋時期變化幅度相對平穩(wěn)，其變化速率在10 m/a左右.宋元時期南沙嘴至金山向陸坍進變化速率在80 m/a以上，澉浦至錢塘江口變遷十分復(fù)雜.元明時期姚江平原向北凸出速率較其他歷史時期大，錢塘江口向南變化也相對較大.而明清時期變化最為顯著的是錢塘江口附近，北岸在元明基礎(chǔ)上向西向北坍進，南岸向北淤漲凸出形成現(xiàn)代海岸線形狀.

空間上來看，杭州灣北岸變化比南岸劇烈.古代松江口至金山附近向外擴張，淤漲速度和南北跨度大.南沙嘴到澉浦附近各歷史時期基本上呈內(nèi)坍的趨勢.而錢塘江口變化較為復(fù)雜，雖南北搖擺但唐朝至明清時期河口北岸總體向北移動，1 000多年來向北移動了約7 km，而該段在元明和明清時期變化巨大.慈溪北部海岸線唐宋時期向內(nèi)坍進，其余歷史時期都向外淤漲，在元明時期最甚，對于姚江平原擴展意義重大.

本文重點研究了杭州灣時空演變特征，但就其驅(qū)動力因素分析，由于不同年代不同影響因子表現(xiàn)各不相同，需大量筆墨才能詳盡，故將以另文進行撰述.