基于多源數(shù)據(jù)的福建東山島海岸侵蝕及其不同時(shí)空尺度成因分析

劉勇,陳本清,劉樂(lè)軍,李培英,杜軍,豐愛(ài)平

（（1 .國(guó)家海洋局第一海洋研究所海島海岸帶研究中心,山東青島266061；2 .國(guó)家海洋局第三海洋研究所,福建廈門(mén)361005；3 .國(guó)家海洋局第一海洋研究所海洋工程與測(cè)繪研究中心,山東青島266061；4 .國(guó)家海洋局第一海洋研究所海洋沉積與環(huán)境地質(zhì)國(guó)家海洋局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東青島266061）

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基于多源數(shù)據(jù)的福建東山島海岸侵蝕及其不同時(shí)空尺度成因分析

劉勇1,陳本清2,劉樂(lè)軍3,李培英4 *,杜軍1,豐愛(ài)平1

（（1 .國(guó)家海洋局第一海洋研究所海島海岸帶研究中心,山東青島266061；2 .國(guó)家海洋局第三海洋研究所,福建廈門(mén)361005；3 .國(guó)家海洋局第一海洋研究所海洋工程與測(cè)繪研究中心,山東青島266061；4 .國(guó)家海洋局第一海洋研究所海洋沉積與環(huán)境地質(zhì)國(guó)家海洋局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東青島266061）

摘要:海岸侵蝕對(duì)海島緊缺的陸地資源及旅游價(jià)值較大的沙灘危害巨大。基于衛(wèi)星遙感、有人航空攝影、無(wú)人機(jī)航測(cè)、GPS和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查等多源數(shù)據(jù),利用GIS分析了東山島海岸線類型、位置與長(zhǎng)度變化及灘面沖蝕演變。研究表明,東山島多處曲折自然岸線轉(zhuǎn)化為較為平直的人工岸線致使整體岸線長(zhǎng)度減少,無(wú)人機(jī)高程反演滿足灘面排水沖蝕監(jiān)測(cè)精度要求,烏礁灣和山南灣不同養(yǎng)殖排水方式形成不同特征的灘面沖溝,改變了沙灘微地貌形態(tài)。海平面上升和臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮是長(zhǎng)期趨勢(shì)性和短期突發(fā)性侵蝕因素的代表,當(dāng)前短時(shí)間尺度的人類活動(dòng)已成為灘面沖蝕的最主要因素,且有可能轉(zhuǎn)變?yōu)殚L(zhǎng)期趨勢(shì)性因素。

關(guān)鍵詞:海岸侵蝕；東山島；海灘剖面；遙感；多源數(shù)據(jù)

1 引言

地球物理環(huán)境演化很大程度上歸因于各種侵蝕,而海岸侵蝕同時(shí)也塑造了海岸地貌［1］,尤其沙灘是海-陸-氣直接交互作用的敏感地帶,受波、潮、風(fēng)等動(dòng)力因子和地形影響的剖面變化反映了海灘復(fù)雜的過(guò)程—響應(yīng)機(jī)制［2—3］,而人類活動(dòng)在其中的作用愈發(fā)顯著［4—8］。通過(guò)G PS、衛(wèi)星遙感、有人航空遙感、無(wú)人機(jī)遙感和多波束探測(cè)等技術(shù)手段獲取的海岸侵蝕數(shù)據(jù)不僅具有多種來(lái)源和格式,還具有多時(shí)空性和多尺度性［9—10］,且相互間具有互補(bǔ)性,如無(wú)人機(jī)遙感災(zāi)害監(jiān)測(cè)可以彌補(bǔ)衛(wèi)星遙感和有人航空遙感等對(duì)地觀測(cè)精度、時(shí)效和頻度上的不足［11］。同種地學(xué)過(guò)程或現(xiàn)象在不同時(shí)空尺度上表現(xiàn)出的特征也不盡相同,多尺度數(shù)據(jù)可以完整的反映地學(xué)過(guò)程［12—14］。利用GIS集成種類眾多、來(lái)源復(fù)雜、數(shù)據(jù)格式迥異的地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)可以發(fā)揮其更大的應(yīng)用價(jià)值［15—17］。

隨著海岸開(kāi)發(fā)利用活動(dòng)的增加,我國(guó)海岸侵蝕多發(fā)且人類活動(dòng)對(duì)海岸演變的影響日益增強(qiáng)［5—6,18］。福建海岸侵蝕亦然,20世紀(jì)70年代以來(lái),福建約有60 %的砂質(zhì)岸線蝕退,尤以中南部為甚［19］,海島經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)嚴(yán)重威脅到海島資源和生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展［20—21］。20世紀(jì)90年代,東山島采礦、海水養(yǎng)殖和海岸工程等人類活動(dòng)日益劇烈,海岸侵蝕［22—26］、海水入侵［25,27］、濕地退化［25］和崩塌［24—25］等地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā),東山島多種地質(zhì)災(zāi)害已有研究多定性描述及成因初探,尚未有應(yīng)用多源數(shù)據(jù)集成技術(shù)定量監(jiān)測(cè)海岸侵蝕的研究,鮮見(jiàn)人類活動(dòng)影響下砂質(zhì)海岸灘面沖蝕的發(fā)生、演化特征及其形成機(jī)制詳細(xì)而深入的探究。本文基于多源數(shù)據(jù)研究東山島海岸侵蝕,將數(shù)據(jù)形式特征與海洋空間數(shù)據(jù)的內(nèi)部特征進(jìn)行轉(zhuǎn)換、調(diào)整、分解、合并等操作,利用島陸及淺?？臻g數(shù)據(jù)的互補(bǔ)性提高海岸侵蝕信息的時(shí)空分辨率,形成相互聯(lián)系的整體,以更深層次地認(rèn)識(shí)數(shù)據(jù)間的聯(lián)系并發(fā)掘其內(nèi)在規(guī)律。通過(guò)人機(jī)交互方式解譯多年海岸線變化信息,利用無(wú)人機(jī)影像反演高程和G PS測(cè)量分析灘面沖蝕動(dòng)態(tài),進(jìn)而研究海岸線不同時(shí)間尺度下的變化特征及其成因,有助于認(rèn)識(shí)東山島海岸線變化動(dòng)態(tài)及其演化趨勢(shì),亦可為海岸保護(hù)與規(guī)劃管理提供決策支持。

2 研究區(qū)概況

東山島位于福建省漳州市南部沿海,西側(cè)緊靠詔安灣,北東側(cè)近鄰東山灣,東南側(cè)與臺(tái)灣和澎列島隔海相對(duì),北西部以八尺門(mén)大橋和大鏟大橋分別與漳州云霄縣和詔安縣相通,成為陸連島,因其形故又稱“蝶島”（圖1）,面積172.53 k m2,為我國(guó)最大鮑魚(yú)養(yǎng)殖基地。東山島新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)為間歇性緩慢上升。全島地勢(shì)西北高,東南低,西北部多崗巒起伏的山丘,東南部多高程20 m以下的濱海平原。海岸線曲折,主要類型有基巖、砂質(zhì)和人工海岸?；鶐r海岸主要分布在東山島東部和南部,基巖岬角受風(fēng)浪侵蝕作用強(qiáng)烈,發(fā)育有多種海蝕產(chǎn)物；砂質(zhì)海岸主要分布于島基巖岬角間或連島壩構(gòu)成的海灣內(nèi),東部烏礁灣沙灘規(guī)模最大,坡度一般5°～6°；南部宮前灣和澳角灣沙灘坡度約11°,這些砂質(zhì)海岸常伴隨發(fā)育有沙堤和沙丘等微地貌。砂質(zhì)海岸高潮灘多貝殼砂礫,中、低潮灘以細(xì)砂為主。人工海岸主要分布在東山島西、北部,西部人工海岸較低緩,多筑堤或圍海造地。

圖1 福建東山島地理區(qū)位及其周邊海灣分布Eig .1 Geographicallocation and nearby bays distribution of Dongshan Island in Eujian Province

3 數(shù)據(jù)與方法

3 .1 數(shù)據(jù)源

①遙感數(shù)據(jù)來(lái)源于2003年SPO T5衛(wèi)星影像、2013年SPO T6衛(wèi)星影像、2008年有人航空攝影圖像（分辨率信息見(jiàn)表1）,主要用于提取海岸線、養(yǎng)殖場(chǎng)及灘面沖溝等信息。2013年10月和2014年7月,通過(guò)無(wú)人機(jī)航測(cè)獲取烏礁灣和山南灣（位于東山島西南端山南村之西南側(cè),故得名）沙灘高程信息及灘面沖溝分布。②現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查數(shù)據(jù)來(lái)源于2013年10月、2014年2月和2014年7月,利用Trimble GPS Pathfinder ProX R T高精度GPS技術(shù)對(duì)東山島烏礁灣5條岸灘剖面進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查,亦用于遙感解譯信息驗(yàn)證。2013年9月,青島海洋工程勘察設(shè)計(jì)研究院測(cè)量了該島近岸淺海底地形以分析近岸海洋動(dòng)力對(duì)海岸侵蝕的影響。③輔助數(shù)據(jù)主要有地形、地質(zhì)圖及地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查報(bào)告,有助于海岸侵蝕的地質(zhì)背景和環(huán)境效應(yīng)分析。

表1 多源遙感影像空間分辨率Tab .1 Spatial resolution of muti-sources remote sensing（RS）images

3.2 數(shù)據(jù)處理

對(duì)衛(wèi)星遙感影像進(jìn)行幾何校正并將全色波段與多光譜數(shù)據(jù)融合,利用E N VI、ArcGIS等專業(yè)軟件分析光譜特性、抑制噪聲以提高影像解譯性。

G PS高程是觀測(cè)點(diǎn)在W GS-84坐標(biāo)系統(tǒng)中的大地高,本文將W GS-84坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為我國(guó)實(shí)際使用的85高程系統(tǒng),以便于沙灘高程變化比對(duì),并可驗(yàn)證無(wú)人機(jī)高程反演精度。

無(wú)人機(jī)遙感影像獲取與處理:在東山島利用專用的無(wú)人機(jī)航線規(guī)劃軟件設(shè)計(jì)飛行航線,設(shè)定無(wú)人機(jī)的飛行路徑、控制方式、飛行高度、飛行速度、航旁向重疊度等主要技術(shù)參數(shù)（表2）。飛行作業(yè)前,利用50 cm×50 cm的地面標(biāo)志板在監(jiān)測(cè)岸段布設(shè)了若干個(gè)地面控制點(diǎn)以進(jìn)行圖像正射校正。飛行作業(yè)后,利用高精度C O RS G PS對(duì)地面控制點(diǎn)進(jìn)行平高測(cè)量。在獲取東山島監(jiān)測(cè)岸段高重疊度無(wú)人機(jī)圖像與一定數(shù)量G PS地面控制點(diǎn)的基礎(chǔ)上,通過(guò)低空無(wú)人機(jī)遙感圖像處理技術(shù)（圖2）,得到東山島2013年10月和2014年7月無(wú)人機(jī)正射拼接圖像及監(jiān)測(cè)岸段三維高程信息。正射圖像與高程信息采用W GS-84坐標(biāo)系和U T M投影,中央經(jīng)線為117°E,正射圖像像元空間分辨率重采樣為10 cm。高程?hào)鸥駭?shù)據(jù)網(wǎng)格大小重采樣為0.5 m。東山島正射圖像校正以及三維高程反演精度中誤差約10 cm,精度高。

圖2 無(wú)人機(jī)遙感圖像處理流程Eig .2 Processing flow of U AV image

表2 無(wú)人機(jī)飛行作業(yè)主要技術(shù)參數(shù)Tab .2 M ain technical parameters of U AV flying

4 結(jié)果與討論

4 .1 海岸線長(zhǎng)度與位置變化

4 .1.1 海岸線整體演變

由圖3知,2003 - 2013年,東山島海岸線長(zhǎng)度共減少了5 683 m,其中砂質(zhì)和基巖岸線分別減少了3 218 m和6 967 m,減速分別為321.8 m/a和696.7 m/a；人工岸線則增加了4 502 m,增速達(dá)450.2 m/a?？梢?jiàn),該島海岸類型、位置、長(zhǎng)度變化明顯,圍海造陸與建造鹽田造成韻律型自然海岸線變?yōu)閹缀涡螤钶^為規(guī)則的人工岸線。陳城鎮(zhèn)西港鹽田向陸地?cái)U(kuò)張使部分陸地轉(zhuǎn)化為人工濕地,造成該岸段島陸面積減少3.6×105m2。而康美鎮(zhèn)旗濱玻璃廠、杏陳鎮(zhèn)礁頭鹽田岸段,海岸線向海推進(jìn)使島陸面積增加1 k m2。

4 .1.2 海岸線局部蝕退變化

20世紀(jì)70 - 90年代,南門(mén)灣、金鑾灣、馬鑾灣和烏礁灣岸線平均后退速率分別約為2.7 m/a、4 m/a、2.3 m/a和1.8 m/a［28］。烏礁灣北段侵蝕岸線已后退至濱海公路,中段平緩岸灘侵蝕不明顯,南段海岸侵蝕陡崖高度可達(dá)2 m。由表3知,1981 -2001年,以上4個(gè)海灣中金鑾灣海岸后退速率最大；烏礁灣北段海岸侵蝕速率明顯大于南段,最大率達(dá)2.5 m/a。宮前灣和山南灣由于養(yǎng)殖場(chǎng)直接排水加重了海灘侵蝕并使灘面沉積物粗化,遭受侵蝕的砂質(zhì)岸段后濱沙丘和沙堤上防護(hù)林樹(shù)根裸露并有倒塌現(xiàn)象［26］。

圖3 2003 - 2013年?yáng)|山島海岸線變化及其造成的島陸面積變化遙感監(jiān)測(cè)Eig .3 Changes of coastline and area in Dongshan Island from RS monitoring from 2003 to 2013

表3 東山島海岸侵蝕統(tǒng)計(jì)（據(jù)報(bào)告1）） 國(guó)家908專項(xiàng)“海洋地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查與研究（908 - 01 - Z H2）”的海岸侵蝕災(zāi)害專題調(diào)查研究報(bào)告。、參考文獻(xiàn)［22］）Tab .3 Statistics of coastal erosion in Dongshan Island（according to report 1）and reference［22］）

4 .2 砂質(zhì)海岸灘面沖蝕監(jiān)測(cè)及變化特征

20世紀(jì)90年代以來(lái),東山島濱海養(yǎng)殖大規(guī)模發(fā)展,烏礁灣和山南灣濱海養(yǎng)殖場(chǎng)密集,受沖蝕灘面分別占灘面總面積的75.62 %和83.45 %［25］,故應(yīng)用多種技術(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)研究。

4 .2.1 沙灘地形G PS與無(wú)人機(jī)測(cè)量

2013 - 2014年,通過(guò)高精度G PS和無(wú)人機(jī)航測(cè)對(duì)烏礁灣5個(gè)沙灘剖面分別進(jìn)行了兩次高程測(cè)量（圖4）。烏礁灣沙灘剖面2、3布設(shè)于無(wú)人機(jī)航測(cè)范圍內(nèi)并在現(xiàn)場(chǎng)G PS高程測(cè)量時(shí)無(wú)人機(jī)同步隨機(jī)測(cè)量了一個(gè)U形剖面高程,以驗(yàn)證無(wú)人機(jī)反演沙灘高程的精度。由圖5知,無(wú)人機(jī)高程反演結(jié)果與G PS實(shí)測(cè)高程大體一致,僅個(gè)別監(jiān)測(cè)點(diǎn)由于隨機(jī)誤差使無(wú)人機(jī)反演高程出現(xiàn)異常。驗(yàn)證表明,烏礁灣沙灘2013年剖面2、3與2014年剖面2、隨機(jī)剖面無(wú)人機(jī)反演高程誤差平均值分別為0.05 m與0.06 m。利用ArcGIS空間分析,將烏礁灣中段不同時(shí)相無(wú)人機(jī)反演高程相減即可得對(duì)應(yīng)時(shí)段高差（圖6）。

圖4 東山島烏礁灣沙灘剖面布設(shè)及其高程變化圖Eig .4 Distribution and elevation changes of beach profiles along W ujiao Bay of Dongshan Island

4 .2.2 典型砂質(zhì)岸段灘面沖蝕特征

（1）烏礁灣

2013年10月至2014年7月,烏礁灣無(wú)人機(jī)航測(cè)岸段灘面沖溝面積增加9 716 m2,沖溝由5條增至7條。除新增的2條沖溝外,其他沖溝兩個(gè)時(shí)期的溝頭位置基本重合,由于養(yǎng)殖排水量的增加,沖溝延長(zhǎng)、溝床拓寬、溝壁加深。2013年10月至2014 年7月,烏礁灣各沙灘剖面淤積多發(fā)生于高潮灘和中潮灘,最大淤積厚度為0.9 m ,分別出現(xiàn)于剖面3距岸約24 m處和剖面5距岸16 m處；沖蝕多發(fā)生于低潮灘,最大沖蝕深度超過(guò)1 m ,發(fā)生于剖面2距岸70 m處。

由圖6知,2013 - 2014年烏礁灣監(jiān)測(cè)岸段沖蝕主要集中于排水沖溝及其附近區(qū)域,下蝕深度多小于0.5 m,局部沖溝附近為0.5～1.0 m。由圖6無(wú)人機(jī)航拍影像知,由于遭受養(yǎng)殖場(chǎng)排水沖蝕,2013年10月還埋藏于沙灘之下的排水管,在2014年7月已大部分暴露出灘面。烏礁灣北口開(kāi)支至宮前灣西端74.5 %岸段發(fā)生灘面沖蝕,灘面沖溝密布。灘面沖蝕的主要發(fā)展方式是溝頭溯源侵蝕使沖溝延長(zhǎng),在重力與流水侵蝕共同作用下沖溝拓寬,溝床下切。

圖5 烏礁灣沙灘剖面高程無(wú)人機(jī)反演結(jié)果與GPS監(jiān)測(cè)結(jié)果比對(duì)Eig .5 Elevation of U AV data inversion compared with GPS monitoring resultin beach profiles of W ujiao Bay

（2）山南灣

由圖7可見(jiàn),山南灣濱海養(yǎng)殖場(chǎng)排水口及灘面沖溝在不同空間尺度影像中的分布及形態(tài)結(jié)構(gòu)特征,沖溝主要位于海灣中部,由無(wú)人機(jī)影像提取了局部排水口與沖溝的位置與形狀信息,現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查圖像則詳細(xì)展示了單條沖溝的形態(tài)結(jié)構(gòu)。山南灣沖溝面積約為8 446 m2,約占整個(gè)沙灘面積的10 %。溝渠、養(yǎng)殖場(chǎng)圍墻P V C管及灘面P V C管3種方式排水口共20 處,受沙灘地形影響,沖溝大致垂直于海岸線由高潮灘向低潮灘延伸,隨著水流量和流速的變化,由溝頭到溝尾,沖溝深度越來(lái)越小,寬度越來(lái)越大。多個(gè)排水口水流交匯作用形成的沖溝橫向拓寬,有的已與鄰近沖溝合并,使灘面沖蝕更嚴(yán)重。

溝渠和灘面P V C管排水形成的沖溝都有溯源侵蝕現(xiàn)象,疏松的沙灘在水流下切侵蝕作用下使溝床加深,受沖刷部位的砂粒被沖刷搬離而產(chǎn)生坍塌,以致溝頭后退,整條沖溝長(zhǎng)度增加。溝渠排水口處多有礫石鋪埋,溝頭較難向上延伸,僅向兩側(cè)下切侵蝕。灘面P V C管排水溯源侵蝕最明顯,由于排水管出口參差不齊,溝頭總是位于最末端排水口后,圖7d、e中溝頭距最末端排水口約0.5 m,沖溝邊緣形成沖溝階地,都由三根P V C管排水形成的沖溝溝頭規(guī)模大致相同,溝頭深約0.8 m,寬約2 m。由圖8沖溝對(duì)比知,5根P V C管排水形成的沖溝,規(guī)模相對(duì)較大,溝頭深約1 m,寬約4 m。

4 .3 不同時(shí)空尺度海岸侵蝕因素分析

在自然因素、人為因素或二者共同作用下,海岸泥沙收入小于支出而發(fā)生侵蝕,侵蝕強(qiáng)度取決于海岸動(dòng)力和海灘穩(wěn)定性之間的平衡狀態(tài),見(jiàn)圖9。短期突發(fā)性和長(zhǎng)期趨勢(shì)性海岸侵蝕是海岸在低能和高能環(huán)境下調(diào)整方式的體現(xiàn),20世紀(jì)50年以來(lái),人類活動(dòng)成為短期內(nèi)我國(guó)局部海岸侵蝕的主要原因［5—6］。

4 .3.1 長(zhǎng)期趨勢(shì)性侵蝕因素

圖6 2013年10月至2014年7月烏礁灣無(wú)人機(jī)影像反演高程變化及沖溝分布Eig .6 Elevation changes of U AV image inversion and beach surface gullies distribution from October 2013 to July 2014 in W ujiao Bay

圖7 山南灣沙灘沖溝多源遙感監(jiān)測(cè)及其不同空間尺度下形態(tài)結(jié)構(gòu)特征（a為衛(wèi)星與無(wú)人機(jī)拼接影像融合圖,b為無(wú)人機(jī)單幅影像,c、d、e為現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查照片）Eig .7 Beach surface gullies from multi-sources RS monitoring and its morphological structure feature in different spatial scales in Shannan Bay（a is image fusion of RS image and U AV image；b is U AV image；c,d,e are field investigation photos）

海岸長(zhǎng)期趨勢(shì)性侵蝕因素主要有地質(zhì)構(gòu)造、海岸地形地貌與水動(dòng)力及海平面變化等。東山島新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)為上升趨勢(shì),并不利于海岸侵蝕。如圖10所示,烏礁灣測(cè)區(qū)內(nèi)水深3.2～14.4 m,水深等值線與岸線基本平行,淺海底地形由岸向海傾斜。測(cè)區(qū)北側(cè)水深3.2～13 m區(qū)域坡度較大,傾角約為1.3°；測(cè)區(qū)南側(cè)受基巖岬角控制,坡度稍緩,傾角約為0.5°；水深大于13 m區(qū)域海底地形平緩,幾近水平。烏礁灣近岸海底地形測(cè)區(qū)所對(duì)應(yīng)岸灘布設(shè)有剖面1、2、3,可見(jiàn)海底地形坡度大的北側(cè)區(qū)域岸灘侵蝕比南側(cè)區(qū)域強(qiáng)烈,可能與近岸海底地形陡變使海浪能量主要耗散在灘面有一定關(guān)系。

圖8 山南灣養(yǎng)殖場(chǎng)排水方式及不同排水量形成沖溝對(duì)比Eig .8 Drainage ways and comparison between beach surface gullies formed from different drainage volume in Shannan Bay

圖9 海岸侵蝕及其時(shí)空表現(xiàn)形式（修改自文獻(xiàn)［5,29］）Eig .9 Coastal erosion and its spatiotemporal representation （modified from reference［5,29］）

東山島附近海域以風(fēng)浪為主,強(qiáng)浪來(lái)自南、東南向,常浪為東北向。東山島平均每年受1.8次臺(tái)風(fēng)影響,7 - 9月為臺(tái)風(fēng)集中期,臺(tái)風(fēng)增減水幅度為-1.00～1.60 m［30］。冬季北向風(fēng)浪對(duì)海岸侵蝕較明顯,東山島北、東北向海岸多形成侵蝕陡坎,甚至數(shù)米高的陡崖；南向侵蝕較弱海灘發(fā)育有較高沙堤［26］。宮前灣連島沙壩在東北強(qiáng)風(fēng)作用下,砂體向西南推移埋蓋了大片西海灘［23］。在波浪的輔聚作用下,基巖海岸侵蝕主要發(fā)生在南門(mén)灣、金鑾灣和馬鑾灣凸出岬角處。東山島海域潮汐屬不規(guī)則半日潮,相對(duì)東山島附近其他海灣潮差較小,平均值和最大值分別為1.22 m與2.28 m。受臺(tái)灣海峽潮波系統(tǒng)控制,且缺少岸外屏護(hù)及高潮波浪沖流帶的緩沖,東山島東側(cè)的金鑾灣中南部與烏礁灣海灘直接受到臺(tái)灣海峽強(qiáng)浪沖擊而造成較嚴(yán)重的侵蝕。馬鑾灣潮上帶沙丘雖已被旅游占用,但其潮灘剩有消能沖流帶,因而海岸穩(wěn)定。

海平面上升會(huì)加大潮波變形、增加潮差,岸灘破波點(diǎn)上移,致使高潮灘變窄,造成灘面消浪和抗沖能力減小,引起海岸侵蝕［31］。應(yīng)用Brunn法則可以估算海平面上升值（S）與海岸線后退距離（R）之間的關(guān)系:

式中,h為閉合深度,L為海岸線至閉合水深h間的橫向距離,B為灘肩高度,θ為沿著橫向距離L的近濱平均坡度。東山島海灘坡度較緩,tan θ約為0.01～0.02。由圖11知中國(guó)海平面多年平均上升速率約為3 m m/a,據(jù)此推算東山島海平面上升造成岸線每年后退15～30 cm,岸線年際尺度蝕退量較小,但是百年尺度的累積量不容忽視。

圖10 烏礁灣岸灘剖面變化與近岸海底地形Eig .10 Beach profiles changes and nearshore submarine topography in W ujiao Bay

4 .3.2 短期突發(fā)性侵蝕因素

臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮增水是沙灘剖面短期突發(fā)性侵蝕的最主要?jiǎng)恿Γ?2］,雖然東山島少有強(qiáng)臺(tái)風(fēng)過(guò)境［33］,但是受廣東惠東-海豐9509號(hào)、福建福清龍高半島0418號(hào)、泉州晉江圍頭0605號(hào)、泉州惠安縣0709號(hào)、漳州龍海港尾9914號(hào)、漳州漳浦1013號(hào)和東山島6911號(hào)臺(tái)風(fēng)影響,東山驗(yàn)潮站風(fēng)暴潮最大增水分別為103 cm［34］、98 cm［32］、104 cm［35］、121 cm［35］、58 cm［36］和152 cm［28］。大波高作用位置是臺(tái)風(fēng)浪對(duì)沙灘剖面影響較強(qiáng)之處,研究表明臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮對(duì)人類開(kāi)發(fā)程度高或與之垂直的海灘侵蝕強(qiáng)烈［37—38］,東山島東側(cè)金鑾灣沙灘因遭臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮侵蝕在灘肩后緣形成的侵蝕陡坎還沒(méi)恢復(fù)到以前的狀態(tài)［26］,這種單一風(fēng)暴潮事件對(duì)海灘侵蝕的影響可能會(huì)在年代際尺度上持續(xù)［39］。

4 .3.3 人類活動(dòng)影響

20世紀(jì)90年代以來(lái),東山島人類活動(dòng)強(qiáng)度增大,濱海鮑魚(yú)養(yǎng)殖大規(guī)模發(fā)展,灘面排水沖蝕普遍發(fā)生,已成為危害嚴(yán)重的地質(zhì)災(zāi)害［22,25］。由圖12知, 2003 - 2013年,山南灣養(yǎng)殖場(chǎng)范圍由灣中部零散分布擴(kuò)展到整個(gè)海灣沿岸,且越過(guò)濱海公路向陸地延展,面積由4.8×104m2增至2.7×105m2,增速達(dá)2.22×104m2/a。養(yǎng)殖面積增加,但養(yǎng)殖排水口數(shù)量與位置并無(wú)大變化,勢(shì)必造成單一排水口排水量增加而加劇灘面沖蝕并擴(kuò)大沖溝規(guī)模。同期,烏礁灣濱海養(yǎng)殖面積由7.8×105m2增至2.1×106m2,增速達(dá)1.32×105m2/a；養(yǎng)殖場(chǎng)集中分布于烏礁灣北段（親營(yíng)村—赤涂）、中段（山口村—大路口村）和南段（大帽山村—澳角村）,尤以中段養(yǎng)殖面積大且增加面積大,10年間由4.5×105m2增至9.8×105m2,增速達(dá)5.3×104m2/a。

圖11 中國(guó)海平面變化趨勢(shì)（引自2014中國(guó)海平面公報(bào)2）） 國(guó)家海洋局2014年中國(guó)海平面公報(bào)（以1980年海平面高度為基準(zhǔn)）。）Eig .11 Sea level change in China（quoted from the 2014 report on China's sea level2））

圖12 2003 - 2013年山南灣與烏礁灣海水養(yǎng)殖場(chǎng)面積變化Eig .12 Area change of marine aquaculture in Shannan Bay and W ujiao Bay from 2003 to 2013

5 結(jié)論

20世紀(jì)70年代以來(lái),東山島海灣砂質(zhì)海岸蝕退普遍發(fā)生。2003 - 2013年,東山島人工岸線長(zhǎng)度增加,砂質(zhì)和基巖岸線均減少造成整島岸線減少。烏礁灣和山南灣沿岸養(yǎng)殖場(chǎng)面積每年最大增加約0.1 k m2,形成了典型的灘面排水沖溝,利用高精度G PS和無(wú)人機(jī)航測(cè)進(jìn)行監(jiān)測(cè),表明無(wú)人機(jī)遙感影像反演灘面高程精度可靠且高效易行。2013年10月至2014 年7月,烏礁灣無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)岸段沖溝數(shù)量與面積均增加,原有溝頭位置不變而排水量的增加使沖溝下蝕深度加大。山南灣灘面溝渠、圍墻P V C管和灘面P V C管排水形成了不同的沖溝形態(tài)及演化特征,灘面P V C管排水形成的沖溝溯源侵蝕明顯,造成溝頭沙源侵蝕流失。重力作用下,多根灘面P V C管排水最大下蝕深約1 m。排水速率相同時(shí),灘面沖溝寬幅與排水管數(shù)量正相關(guān)。灘面縱橫交錯(cuò)的P V C管及深入沙灘的木樁破壞了砂粒間的力學(xué)聯(lián)系,降低了沙層密實(shí)度,更利于沖溝發(fā)育。

東山島海平面上升與臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮分別是海岸侵蝕最主要的長(zhǎng)期趨勢(shì)性和短期突發(fā)性因素。近幾十年人類活動(dòng)對(duì)海岸類型、位置、長(zhǎng)度及垂向結(jié)構(gòu)變化的影響最大,造成灘面排水沖蝕,改變了沙灘微地形地貌,亟需制定科學(xué)合理的海岸管理政策法規(guī),以防濱海養(yǎng)殖排水由灘面沖蝕的短期影響轉(zhuǎn)變?yōu)殚L(zhǎng)期趨勢(shì)性影響。

參考文獻(xiàn):

［1］ Silva Rodolfo,M artínez M Luisa,Hesp Patrick A,et al.Present and future challenges of coastal erosion in Latin A merica［J］.J Coast Res,2014,71 （S1）:1 - 16 .

［2］ 陳子燊.海灘剖面時(shí)空變化過(guò)程分析［J］.海洋通報(bào),2000,19（2）:42 - 48 . Chen Zishen . Analysis on spatial and temporal processes of beach porifle variations［J］. M arine Science Bullet,2000,19（2）:42 - 48 .

［3］ 陳子燊,李春初,羅章仁.廣東水東灣弧形海岸切線段海灘剖面的過(guò)程分析［J］.海洋學(xué)報(bào),1991,13（1）:82 - 90 . Chen Zishen,Li Chunchu,Luo Zhangren . Analysis on processes of beach porifle variations on tangent of arc-shaped coastin Shuidong Bay,Guangdong Province［J］. Haiyang Xuebao,1991,13（1）:82 - 90 .

［4］ Alexandrakis G ,M anasakis C ,Kampanis N A . Valuating the effects of beach erosion to tourism revenue . A management perspective［J］. Ocean & Coastal M anagement,2015,111:1 - 11 .

［5］ Cai Eeng,Su Xianze,Liu Jianhui,et al. Coastal erosion in China under the condition of global climate change and measures for its prevention［J］. Progress in Natural Science,2009,19（4）:415 - 426 .

［6］ 夏東興,邊淑華,豐愛(ài)平,等.海岸帶地貌學(xué)［M］.北京:海洋出版社,2014 . Xia Dongxin,Bian Shuhua,Eeng Aiping,et al. Geomorphology of Coastal Zone［M］. Beijing:Chian Ocean Press,2014 .

［7］ Zhang Xiaoping,Pan Delu,Chen Jianyu,et al. Evaluation of coastline changes under hu man intervention using multi-temporal high-resolution images:a case study of the Zhoushan Islands,China［J］. Remote Sensing,2014,6（10）:9930 - 9950 .

［8］ Schleupner C . Evaluation of coastal squeeze and its consequences for the Caribbean island M artinique［J］. Ocean & Coastal M anagement,2008,51 （5）:383 - 390 .

［9］ 唐江浪,李剛,郭麗華.多源異構(gòu)空間數(shù)據(jù)集成在海洋地學(xué)中的研究與應(yīng)用［J］.軟件,2012,33（7）:82 - 84 . Tang Jianglang,Li Gang,Guo Lihua . Research and application of muti-source heterogeneous spatial data integration in the marine geoscience［J］. Software,2012,33（7）:82 - 84 .

［10］ 蘇天赟.海底多維綜合數(shù)據(jù)建模及可視化技術(shù)研究［D］.青島:中國(guó)海洋大學(xué),2006 . Su Tianyun . Research on the key technology of modelization and visualization of multi-dimensionalseabed data［D］. Qingdao:Ocean U niversity of China,2006 .

［11］ 李德仁,李明.無(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)的研究進(jìn)展與應(yīng)用前景［J］.武漢大學(xué)學(xué)報(bào):信息科學(xué)版,2014,39（5）:505 - 513 . Li Deren,Li Ming . Research advance and Application prospect of un manned aerial vehicle remote sensing System［J］. Geomatics and Information Science of W uhan U niversity,2014,39（5）:505 - 513 .

［12］ Erank A U,Timpf S . M ultiple representations for cartographic objects in a multi-scale tree—an intelligent graphical zoom［J］. Computers & Graphics,1994,18（6）:823 - 829 .

［13］ De Eloriani L,M arzano P,Puppo E . M ultiresolution modelingin geographicalinformation systems［J］.Spatial Analytical Perspectives on GIS,GISD ATA Series,1996,4:9 - 19 .

［14］ Puppo E,Dettori G . Towards a formal modelfor multiresolution spatial maps［C］//Advancesin Spatial Databases .Berlin:Springer,1995:152 -169 .

［15］ 張文江.地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)集成關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.成都:成都理工大學(xué),2013 . Zhang W enjiang . The research of geohazards mass data integretion［D］. Chengdu:Chengdu U niversity of Technology,2013 .

［16］ 姜小俊.海底淺層聲學(xué)探測(cè)空間數(shù)據(jù)集成與融合模型及GIS表達(dá)研究［D］.杭州:浙江大學(xué),2009 . Jiang Xiaojun .Study on theintegration and fusion models of spatial data collected by sub marine sub-bottom acoustic exploration with its representation in GIS［D］. Hangzhou:Zhejiang U niversity,2009 .

［17］ 李軍,周成虎.地球空間數(shù)據(jù)集成多尺度問(wèn)題基礎(chǔ)研究［J］.地球科學(xué)進(jìn)展,2000,15（1）:48 - 52 . Lijun,Zhou Chenghu .Studies on multi-scale geo-spatial data integration［J］. Advance in Earth Science,2000,15（1）:48 - 52 .

［18］ 夏東興,王文海,武桂秋,等.中國(guó)海岸侵蝕述要［J］.地理學(xué)報(bào),1993,48（5）:468 - 476 . Xia Dongxing,W ang W enhai,W u Guiqiu,et al. Coastal erosion in China［J］. Acta Geographica Sinica,1993,48（5）:468 - 476 .

［19］ 劉建輝.福建砂質(zhì)海岸侵蝕機(jī)制及影響因素分析［D］.青島:中國(guó)海洋大學(xué),2010 . Liu Jianhui. Analysis of mechanism and influencing factors of coastal erosion in Eujian Province［D］. Qingdao:Ocean U niversity of China,2010 .

［20］ 胡燈進(jìn),楊順良,涂振順.福建典型海島生態(tài)系統(tǒng)評(píng)價(jià)［M］.北京:科學(xué)出版社,2014 . H u Dengjin,Yang Shunliang,Tu Zhenshun . Typical island ecosystem assessment of Eujian Province［M］. Beijing:Science Press,2014 .

［21］ 李翠萍,黃義雄,葉功富,等.福建東山島防護(hù)林景觀格局與生態(tài)價(jià)值研究［J］.生態(tài)科學(xué),2009（6）:523 - 527 . Li Cuiping,H uang Yixiong,Ye Gongfu,et al.Study on landscape pattern and ecological value of shelter forestin Dongshan Island of Eujian Province［J］. Ecological Science,2009（6）:523 - 527 .

［22］ 王元領(lǐng),陳堅(jiān),余興光.福建東山島東部濱海沙灘侵蝕狀況與成因初探［J］.海洋開(kāi)發(fā)與管理,2010,27（3）:72 - 76 . W ang Yuanling,Chen Jian,Yu Xingguang . On the erosion status and its causes of coastal beach in eastern Dongshan Island of Eujian Province［J］. Ocean Development and M anagement,2010,27（3）:72 - 76 .

［23］ 蔡愛(ài)智,蔡月娥.福建東山島宮前連島沙壩的發(fā)育［J］.海洋地質(zhì)與第四紀(jì)地質(zhì),1990,10（3）:81 - 92 .Cai Aizhi,Cai Yue'e . Eormation of Gongqian tombolo in Dongshan Island［J］. M arine Geology & Quaternary Geology,1990,10（3）:81 - 92 .

［24］ 李拴虎,劉樂(lè)軍,高偉.福建東山島地質(zhì)災(zāi)害區(qū)劃［J］.海洋地質(zhì)前沿,2013,29（8）:45 - 51 . Li Shuanhu,Liu Lejun,Gao W ei. Geo-hazard classification in Dongshan Island of Eujian Province［J］. M arine Geology Erontiers,2013,29（8）:45 - 51 .

［25］ 劉樂(lè)軍,高珊,李培英,等.福建東山島地質(zhì)災(zāi)害特征與成因初探［J］.海洋學(xué)報(bào),2015,37（1）:137 - 146 . Liu Lujun,Gao Shan,Li Peiying,et al.Characteristics and genesis of geological hazardsin the Dongshan Island,Eujian Provience［J］. Haiyang Xuebao,2015,37（1）:137 - 146 .

［26］ 李兵.福建砂質(zhì)海岸侵蝕原因和防護(hù)對(duì)策研究［D］.青島:中國(guó)海洋大學(xué),2008 . Li Bing . Causes of beach erosion in Eujian and preventions［D］. Qingdao:Ocean U niversity of China,2008 .

［27］ 施文永.福建東山島地下水資源管理與保護(hù)對(duì)策［J］.水利技術(shù)監(jiān)督,2004（5）:30 - 33 . Shi W enyong . M anagement and protection of groundwater resources in the Dongshan Island,Eujian Province［J］. Technical Supervision in W ater Resourcess,2004（5）:30 - 33 .

［28］ 中國(guó)海島志編纂委員會(huì).中國(guó)海島志（福建卷第三分冊(cè)）福建南部沿岸［M］.北京:海洋出版社,2014 . China Island Compiling Com mittee . Encyclopedia of China Island（Eujian Province,Volu meⅢ）Eujian south coast［M］. Beijing:China Ocean Press,2014 .

［29］ 楊繼超,李廣雪,宮立新,等.山東威海海濱沙灘侵蝕現(xiàn)狀和原因分析［J］.中國(guó)海洋大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）,2012,42（12）:97 - 106 . Yang Jichao,Li Guangxue,Gong Lixin,et al.Status and causes of beach erosion in W eihai,Shandong Province［J］. Periodical of Ocean U niversity of China,2012,42（12）:97 - 106 .

［30］ 中國(guó)海灣志編纂委員會(huì).中國(guó)海灣志（第八分冊(cè)）［M］.北京:海洋出版社,1993 . China Bays Compling Com mittee . Encyclopedia of China Bays（Volu meⅧ）［M］. Beijing:China Ocean Press,1993 .

［31］ 朱季文,季子修,蔣自巽,等.海平面上升對(duì)長(zhǎng)江三角洲及鄰近地區(qū)的影響［J］.地理科學(xué),1994,14（2）:109 - 117 . Zhu Jiwen,Ji Zixiu,Jiang Zixun,et al.Impacts of sealevelrise on the Changjiang River Delta andits adjacent area［J］.Scientia Geographica Sinica, 1994,14（2）:109 - 117 .

［32］ 蔡鋒,雷剛,蘇賢澤,等.臺(tái)風(fēng)“艾利”對(duì)福建沙質(zhì)海灘影響過(guò)程研究［J］.海洋工程,2006,24（1）:98 - 109 . Cai Eeng,Lei Gang,Su Xianze,et al. Study on process response of Eujian beach geomorphology to typhoon Aere［J］. The Ocean Engineering, 2006,24（1）:98 - 109 .

［33］ 侯京明,于福江,原野,等.影響我國(guó)的重大臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮時(shí)空分布［J］.海洋通報(bào),2011,30（5）:535 - 539 . H ou Jingming,Yu Eujiang,Yuan Ye,et al.Spatial and temporal distribution of red tropicalstorm surge disastersin China［J］. M arine Science Bulletin,2011,30（5）:535 - 539 .

［34］ 王培濤,于福江,劉秋興,等.臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮異模式集合數(shù)值預(yù)報(bào)技術(shù)研究及應(yīng)用［J］.海洋學(xué)報(bào),2013,35（3）:56 - 64 . W ang Peitao,Yu Eujiang,Liu Qiuxing,et al. The Research and applications on multi-model ensemble nu mericaltyphoon surge forecast Technology ［J］. Haiyang Xuebao,2013,35（3）:56 - 64 .

［35］ 夏麗花,陳德花,劉銘,等.臺(tái)風(fēng)“圣帕”登陸福建前后的風(fēng)暴潮特征分析［J］.海洋通報(bào),2009,28（3）:10 - 15 . Xia Lihua,Chen Dehua,Liu Ming,et al. Analysis on the characteristics of storm surges of the typhoon（SEP AT）along Eujian coast［J］. M arine Science Bulletin,2009,28（3）:10 - 15 .

［36］ 朱本璐.1013號(hào)臺(tái)風(fēng)“鲇魚(yú)”風(fēng)暴潮特點(diǎn)分析［J］.海洋預(yù)報(bào),2013,30（3）:51 - 57 . Zhu Benlu . Characteristics analysis of storm surge by 1013 " M E GI" typhoon［J］. M arine Eorecasts,2013,30（3）:51 - 57 .

［37］ 王文海,吳桑云,陳雪英.山東省9216號(hào)強(qiáng)熱帶氣旋風(fēng)暴期間的海岸侵蝕災(zāi)害［J］.海洋地質(zhì)與第四紀(jì)地質(zhì),1994,14（4）:71 - 78 . W ang W enhai,W u Sangyun,Chen Xueying . Erosional disasters caused by storm surge during No .9216 strong tropical cyclone along Shandong coast［J］. M arine Geology & Quaternary Geology,1994,14（4）:71 - 78 .

［38］ 蔡鋒,蘇賢澤,楊順良,等.廈門(mén)島海灘剖面對(duì)9914號(hào)臺(tái)風(fēng)大浪波動(dòng)力的快速響應(yīng)［J］.海洋工程,2002,20（2）:85 - 90 . Cai Eeng,Su Xianze,Yang Shunliang,et al. A rapid response to 9914 typhoon-induced storm wave force made by the beach profiles of Xiamen Island［J］. The Ocean Engineering,2002,20（2）:85 - 90 .

［39］ Schwarzer K,Diesing M ,Larson M ,et al.Coastline evolution at differenttime scales-examplesfrom the Pomeranian Bight,southern Baltic Sea［J］. M arine Geology,2003,194（1）:79 - 101 .

中圖分類號(hào):P737.17

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):0253-4193（2016）03-0098-13

收稿日期:2015-07-13；

修訂日期:2015-09-21。

基金項(xiàng)目: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（G Y0214 G17）；國(guó)家海洋公益性行業(yè)科研專項(xiàng)（201005010）；青島博士后人員項(xiàng)目啟動(dòng)資金（Q DBS H2014006）。

作者簡(jiǎn)介:劉勇（1981—）,男,河南省駐馬店市人,博士,主要從事海島海岸帶環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害方面的研究。E-mail:liuyong @ fio .org .cn

*通信作者:李培英（1954—）,男,研究員,博士生導(dǎo)師,主要從事海洋地質(zhì)與災(zāi)害地質(zhì)方面研究。E-mail:pyli@ fio .org .cn

劉勇,陳本清,劉樂(lè)軍,等.基于多源數(shù)據(jù)的福建東山島海岸侵蝕及其不同時(shí)空尺度成因分析［J］.海洋學(xué)報(bào),2016,38（3）:98 -110,doi:10.3969/j.issn .0253-4193.2016.03.010

Liu Yong,Chen Benqing,Liu Lejun,et al. Coastal erosion and its cause analysis in different spatial temporal scales based on multi sources data in Dongshan Island of Eujian Province［J］. Haiyang Xuebao,2016,38（3）:98 - 110,doi:10.3969/j.issn .0253-4193.2016.03.010

Coastal erosion and its cause analysisin different spatialtemporal scales based on multi sources data in Dongshan Island of Fujian Province

Liu Yong1,Chen Benqing2,Liu Lejun3,Li Peiying4,Du Jun1,Eeng Aiping1
（1 .Research Center Eor Islands and Coastal Zone,The Eirst Institute of Oceanography,State Oceanic Administration,Qingdao 266061,China；2 .ThirdInstituteof Oceanography,StateOceanic Administration,Xiamen 361005,China；3 . MarineEngineering Environment & Geomatic Center,EirstInstitute of Oceanography,State Oceanic Administration,Qingdao 266061,China；4 . Key Lab of Marine Sedimentary and Environmental Geology,EirstInstitute of Oceanography,State Oceanic Administration,Qingdao 266061,China）

Abstract:Coastal erosion causes great harm to islands with scarce land resources and beach oftourism value .Based on multi source data such as satellite remote sensing,aerial photography,un manned aerial vehicle（U AV）,G PS and field survey etc,the changes of coastline types,location,length and evolution of beach surface erosion in Dongshan Island was analyzed by GIS . The results show thatthe length of entire coastline was reduced,because ofthe transformation from irregular naturalcoastline to regular artificialcoastline . U AV elevation inversion can meet precision requirements for beach surface erosion monitoring . Various breeding drainage ways on beach surface has caused different beach surface gulliesin W ujiao Bay and Nan men Bay,so the micro morphology ofthe beach was changed . Rising sea levels and the typhoon storm surge are representative factors ofthelong term and shortterm erosion respectively . Present hu man activities has become the mostimportantfactor of coastalerosion in shorttime scale,and is likely to turn into long term tendency factor .

Key words:coastal erosion；Dongshan Island；beach profile；remote sensing；multi source data