杭州灣近30 年海岸線與海岸濕地變遷分析

彭小家 ，林熙戎 ，方 今 ，王 騰 ，蔣曉山

（1. 上海市海洋監(jiān)測預(yù)報中心，上海 200062；2. 國家海洋局東海環(huán)境監(jiān)測中心，上海 201206；3. 上海市環(huán)境監(jiān)測中心，上海 200235）

黨中央在十九大中提出要實施區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展戰(zhàn)略，統(tǒng)籌海陸統(tǒng)籌，加快建設(shè)海洋強國。浙江省一直是我國經(jīng)濟發(fā)展的重點省份，環(huán)杭州灣地區(qū)作為浙江省經(jīng)濟發(fā)展的前沿地帶，其關(guān)注度可見一斑。隨著人口的迅速增長，經(jīng)濟的快速發(fā)展都導(dǎo)致環(huán)杭州灣土地資源短缺，為了滿足社會經(jīng)濟發(fā)展的需要，沿海地區(qū)進行大量圍填?；顒?，使杭州灣沿岸地理條件發(fā)生巨大的變化。因此，準(zhǔn)確地了解杭州灣地區(qū)海岸線和海岸濕地的變化，對實現(xiàn)經(jīng)濟可持續(xù)健康發(fā)展具有重要意義。

海岸線作為陸地與海洋的分界線，在我國是指多年大潮高潮位時的海陸界限[1]。研究海岸線的年際變化對海岸線所處環(huán)境的生態(tài)改變、生境變遷有重要意義。海岸線的動態(tài)變化是自然因素和人類因素共同作用的結(jié)果，自然因素包括地貌水文等，人類因素包括圍填海、修建碼頭等，本文主要研究人類因素。根據(jù)海岸線的形態(tài)和成因，可以分為人工岸線和自然岸線，根據(jù)岸線的地質(zhì)類型和生物分布狀態(tài)又可以將自然岸線分為基巖岸線、砂質(zhì)岸線、粉砂淤泥質(zhì)岸線和生物岸線等，人工岸線可以分為防潮堤岸線、工業(yè)岸線、城鎮(zhèn)岸線、養(yǎng)殖區(qū)岸線等[2]。杭州灣區(qū)域除了生物岸線外，其余類型的岸線都存在。

近年來，越來越多的國內(nèi)外學(xué)者通過遙感手段對海岸線和海岸濕地的變遷進行了分析[3-10]。如20世紀(jì)80 年代，美國利用遙感動態(tài)監(jiān)測對海岸帶變化進行分析，目前這些數(shù)據(jù)已用于研究海岸帶城市擴展、分析土地利用變化等趨勢[11]。Blodget H W 等[12]通過5 期的衛(wèi)星影像得出了尼羅河三角洲河嘴的海岸線演變情況，Edward Robinson[13]利用多年的航空影像圖，對牙買加Vere 海岸近200 年的海岸線演變進行分析。在國內(nèi)，任美鍔[2]利用遙感技術(shù)對江蘇省海涂資源進行調(diào)查，對輻射沙洲進行測繪。張華國等[14]利用多個時相的TM/ETM+遙感資料，調(diào)查杭州灣圍墾淤漲的情況。何茂兵等[15]利用3 個陸地衛(wèi)星影像提取了九段沙3 組不同高程水平的水邊線，采用趨勢面插值法計算了所有水邊點高程。本文旨在利用長時間時間序列的遙感影像，在定量化計算岸線和灘涂變化利用率的基礎(chǔ)上，對杭州灣近30年的海岸線變遷以及灘涂濕地的變化和驅(qū)動力進行分析。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

杭州灣位于浙江省東北部沿海，地處上海市的南端、浙江省東北部，東臨舟山群島，西至杭州市，包含錢塘江河口區(qū)，西至杭州灣錢塘江大橋，東起上海市蘆潮港鎮(zhèn)至鎮(zhèn)海區(qū)甬江口東側(cè)。位于29°39′～31°15′N，120°5′～122°54′E 之間，如圖 1 所示[16]。

圖1 研究區(qū)域位置示意圖

1.2 遙感數(shù)據(jù)來源及預(yù)處理

本文采用 1990 年、1995 年、2000 年、2005 年和2011 年 Landsat ETM+以及 2017 年 Landsat8 OLI 影像，其中除了2017 年是8 個波段之外，其他的5 個年份都是7 波段。此次選取的影像質(zhì)量較好，大部分影像云量幾乎為0，部分影像有少量云霧，但是云霧都不在沿海灘涂海岸線附近，不影響信息的提取。研究所用影像是從地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站（http：//www.gscloud.cn）下載。

本研究應(yīng)用ENVI5.1 和Arcgis10.3 對遙感圖像進行分析與處理。首先利用ENVI5.1 對遙感影像進行幾何校正，波段合成（5、4、3 波段假彩色合成）以及圖像裁剪等預(yù)處理，接著把處理好的影像在Arcgis10.3 里打開，繪制研究區(qū)的范圍，使用目視解譯與自動解譯相結(jié)合的方法，實現(xiàn)柵格數(shù)據(jù)向矢量數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，并對生產(chǎn)的分類結(jié)果進行分析。通過對解譯出的數(shù)據(jù)進行馬爾科夫轉(zhuǎn)移矩陣模型計算，從而得出研究區(qū)域不同時期海岸濕地類型轉(zhuǎn)化的信息，從而更加科學(xué)合理的認識該區(qū)域灘涂濕地的演變規(guī)律，為科學(xué)合理管理和開發(fā)海岸帶提供重要的數(shù)據(jù)支撐。

1.3 研究方法

1.3.1 海岸線提取原則與方法 通過ENVI5.1 對6期的海岸線影像進行目視解譯對岸線類型進行區(qū)分，然后在Arcgis 中對6 期海岸線的矢量圖進行疊置，得到1990—2017 年杭州灣海岸線變遷圖。

1.3.2 濕地提取原則與方法 對海岸濕地變遷進行研究，第一步就是要進行濕地分類。由于“同物異譜和同譜異物”，濕地遙感分類的精度問題一直是濕地遙感的瓶頸之一。目前，濕地遙感分類常用的方法是計算機解譯和人工目視解譯。計算機解譯有監(jiān)督分類和非監(jiān)督分類2 種。通過查閱相關(guān)文獻，發(fā)現(xiàn)目視解譯在國內(nèi)外相關(guān)研究中仍是普遍采用的方法[17-21]。本文通過結(jié)合杭州灣實際勘察獲取的數(shù)據(jù)、GoogleEarth 歷史影像，以及監(jiān)督分類對濕地的識別能力，將海岸濕地分為沿海灘涂、河口濕地、建筑用地、養(yǎng)殖區(qū)、農(nóng)業(yè)用地和居民用地。利用ENVI5.1 和 Arcgis10.3 對杭州灣 1990—2017 年的濕地矢量信息進行提取，從而獲得濕地資源的年際變化。

1.3.3 馬爾科夫模型介紹 馬爾科夫法是以俄羅斯數(shù)學(xué)家A.A.Markov 名字命名的一種方法，它將時間序列看作一個隨機的過程，通過對事物不同狀態(tài)的初始概念和狀態(tài)之間轉(zhuǎn)移概念的研究，確定狀態(tài)變化趨勢，以預(yù)測事物的未來[1]。

2 研究與分析

2.1 海岸線長度與位置變化

本文利用 Arcgis 軟件對 1990 年、1995 年、2000年、2005 年、2011 年和 2017 年 6 個時期的杭州灣海岸線進行提取后進行疊置，得到了杭州灣6 個時相的海岸線變遷圖（圖2）。

圖2 杭州灣海岸線變遷圖

杭州灣是我國典型強潮河口海灣[14]，同時，杭州灣也是我國經(jīng)濟最發(fā)達的區(qū)域之一，依托長三角經(jīng)濟體，以及杭州寧波等城市的發(fā)展，經(jīng)濟開發(fā)活動極為頻繁。由圖2 可知，在這30 年間，杭州灣尤其是杭州灣南岸進行了大規(guī)模的圍墾工程。自“十一五”時期起，中國進入了圍填海造地面積增長最迅速的時期，根據(jù)國家海洋局《海域使用管理公報》公布的數(shù)據(jù)，近年來，全國每年的填海量都在1 萬hm2左右。在沿海地區(qū)一、二線城市，圍海造地低廉的成本與毗鄰?fù)恋馗邇r之間存在巨大的利潤，使得一些地方加大圍填海的力度，因此防潮堤岸線和圍墾養(yǎng)殖區(qū)岸線長度迅速增加[22]，一些粉砂淤泥質(zhì)岸線和砂質(zhì)岸線轉(zhuǎn)變?yōu)槿斯ぐ毒€，導(dǎo)致自然岸線呈遞減趨勢，人工岸線呈增加趨勢。

由圖2 可以看出，杭州灣北岸的海岸線近30年整體變化不大，但是在嘉興區(qū)域由于地理位置的影響以及圍海造田等，在2000—2011 年期間入海沉積物堆積，使得陸地面積持續(xù)增加，致使海岸線不斷向海擴張。而在奉賢金山區(qū)域，由于上海迅速發(fā)展，人口不斷增加加大對土地的壓力，人均土地的匱乏迫使陸地向海洋擴張。由于大量的圍海造田導(dǎo)致許多近海海域被陸地所取代，且隨著沿海城市的發(fā)展不斷向海擴張。蘆潮港區(qū)域由于長江從上游攜帶大量泥沙在下游由于流速放緩造成沉積，為蘆潮港的圍海造田提供有利的條件，同時港口堤壩的建設(shè)等也加速了海岸線的向外擴張。

而杭州灣南岸近30 年整體變化較大，如寧波區(qū)域規(guī)則化的海水養(yǎng)殖岸線取代了自然彎曲的海岸線，而錢塘江區(qū)域地勢平坦，曹娥江和錢塘江兩江的泥沙淤積形成大量的平原，便于圍墾，主要用于農(nóng)田和水產(chǎn)養(yǎng)殖。在自然作用和人類活動的雙重影響下，海岸線的向海擴張速度在這30 年間明顯加快。

由表1 可知，1990—2017 年岸線長度總體上變化不大，減少了12 km，岸線的組成以人工岸線為主，且人工岸線所占比例呈增加趨勢。岸線總長度在1995 年達到最大值442.9 km。其中，1990—1995年岸線總長度變長，這是由于人類不斷開發(fā)進行圍海造田，加速沙洲形成，而沙洲意外區(qū)域被建成堤壩，如此往復(fù)使得岸線長度持續(xù)增加，人類可利用岸線也在逐漸增加，因此人工岸線的長度增加較快。1995 年之后，岸線總長度就在不斷減少，這是由于自然岸線逐漸被侵蝕，如一些粉砂淤泥質(zhì)岸線和砂質(zhì)岸線等由于易圍墾等特點被轉(zhuǎn)化成人工岸線。

自然岸線的長度從2000 年后逐年遞減，人工岸線的長度則呈波動式增加，由1990 年的287.9 km增加至2017 年的321.8 km，增長33.9 km，變化率為11.8%。而自然岸線由1990 年的112.5 km 銳減到2017 年的66.6 km，減少45.9 km，變化率為40.8%。這是由于隨著人們越來越重視海洋以及沿海經(jīng)濟的發(fā)展，在該區(qū)域開展了大量的人類活動，導(dǎo)致很多的自然岸線轉(zhuǎn)變?yōu)槿斯ぐ毒€，如圍填海，修建碼頭等。這樣就使得自然岸線逐年減少，人工岸線逐年增加。

表1 杭州灣近30 年岸線總長度對比

總體而言，杭州灣南岸的海岸線在這近30 年間彎曲程度增加，海岸線也變得更加復(fù)雜，海岸線的變化有向海擴張和向陸縮減兩種形式，向海擴張是主要形式。北岸由于受經(jīng)濟發(fā)展人為影響因素很大，自然的海岸線逐漸被人工堤壩取代，人工堤壩的形狀是規(guī)則工整的，并不會隨著時間的變化而變化。

2.2 海岸線類型比例變化

杭州灣海岸帶 1990 年、1995 年、2000 年、2005年、2011 年和2017 年海岸線各時期類型長度統(tǒng)計圖如表2 和圖3 所示。

由表2 我們可以看到，自然岸線從1990 年的112.5 km 下降到 2017 年的 66.6 km， 變化率為40.8%，而人工岸線從1990 年的287.9 km 增長至2017 年的321.8 km，變化率為11.8%，由此可以看出，杭州灣的自然岸線變遷強烈，變化速率也分布不均。

表2 杭州灣各時期各類型海岸線長度統(tǒng)計

圖3 杭州灣不同時期各岸線長度統(tǒng)計圖

由圖3 也可以看出，防潮堤岸線和工業(yè)總體呈增長趨勢，這是由于杭州灣北岸屬于侵蝕型海岸，不利于圍填。杭州灣北岸的深水岸段有利于建設(shè)港口，如蘆潮港、乍浦港等，港口、工業(yè)、城鎮(zhèn)建設(shè)和旅游用地等使得杭州灣北岸大量的自然岸線向人工岸線轉(zhuǎn)化。近30 年來，蘆潮港附近的圍填主要用于港口和深水港后方配套設(shè)施的建設(shè)，金山奉賢的碧海金沙等旅游場所的建設(shè)，上海金山嘴工業(yè)區(qū)的建設(shè)等都使得自然岸線轉(zhuǎn)化成人工岸線。因此工業(yè)岸線和防潮堤岸線在這30 年間都有大幅度上升，如工業(yè)岸線從1990 年的6.6 km 增長到2017 年的83 km，而防潮堤岸線則從1990 年的91.1 km，增加至2017 年的有利于圍填造陸、岸灘養(yǎng)殖。這是因為粉砂淤泥質(zhì)岸線也呈增長趨勢，這主要發(fā)生在杭州灣南岸，這是由于南岸屬于淤漲型海岸，加上地勢平坦，從長江攜帶來的大量泥沙在此處淤積，因此粉砂淤泥質(zhì)岸線從1990 年的1.1 km 增長至2017 年的12.4 km。

2.3 灘涂濕地演變

根據(jù)6 期遙感圖像的濕地提取，可以得出杭州灣近30 年海岸濕地變化以及空間分布圖，如圖4所示。

圖4 杭州灣不同時期灘涂類型解譯

表3 杭州灣近30 年濕地面積統(tǒng)計

通過表3 可以看出，杭州灣1990—2017 年濕地面積變化顯著，總體上增加了510.9 km2，變化率為71.9%，從1995 年以后濕地總面積逐年增加，其中，自然濕地面積在逐年降低，而非自然濕地的面積卻在逐年增加，這是由于該區(qū)域經(jīng)濟活動頻繁，在人類活動作用下，許多天然濕地被開發(fā)為港口，養(yǎng)殖區(qū)等，轉(zhuǎn)化為非自然濕地。

通過圖5 可以看出，沿海灘涂面積從1990 年后開始迅速減少，一直呈下降的趨勢，從1990 年的438.1 km2減少到 2017 年的 210.8 km2，而河口濕地面積本來占比不多，1990 年面積為130.8 km2，到了2017 年僅剩20.1 km2。相反，建設(shè)用地的面積增長迅速，從 1990 年的 30.9 km2增長到 2017 年的385.6 km2，變化率為114%。其次是農(nóng)業(yè)用地增幅也比較大，從1990 年后就一直在增加，一直到2005年后增長幅度開始放緩。接著是養(yǎng)殖區(qū)，其面積除了在2000—2011 年期間有過緩慢的下降之外，其他時間段都在增加。

圖5 杭州灣不同時期海岸濕地面積統(tǒng)計圖

為了進一步揭示海岸濕地各類型之間的演變規(guī)律，通過馬爾科夫轉(zhuǎn)移矩陣模型記性計算，得出了杭州灣不同時期海岸濕地類型的轉(zhuǎn)移矩陣表，見表4。

表4 不同時期海岸濕地類型轉(zhuǎn)移矩陣

(e)2011—2017 年類型 居民用地 農(nóng)業(yè)用地 沿海灘涂 養(yǎng)殖區(qū) 河口濕地 建設(shè)用地 合計轉(zhuǎn)換居民用地 68.3 0 0 0 0 0 0農(nóng)業(yè)用地 0 292.0 0 2.3 0 0 2.3沿海灘涂 5.2 2.1 202.0 4.9 0 0 12.2養(yǎng)殖區(qū) 0 0 0 0 0 0 0河口濕地 0 0 0 0 20.2 0.3 0.3建設(shè)用地 0 0 0 10.2 0 395.0 10.2

在1990—1995 年（表4-a），杭州灣發(fā)生轉(zhuǎn)化面積最大的是沿海灘涂，轉(zhuǎn)化面積為11 km2，主要轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地，面積為10.8 km2。

在1995—2000 年（表4-b），杭州灣發(fā)生轉(zhuǎn)化面積最大的是沿海灘涂，轉(zhuǎn)化面積為93.9 km2，主要轉(zhuǎn)化為農(nóng)業(yè)用地，面積為43 km2。

在2000—2005 年（表4-c），杭州灣發(fā)生轉(zhuǎn)化面積最大的是農(nóng)業(yè)用地，轉(zhuǎn)化面積為51 km2，主要轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地，面積為31 km2。

在2005—2011 年（表4-d），杭州灣發(fā)生轉(zhuǎn)化面積最大的是農(nóng)業(yè)用地，轉(zhuǎn)化面積為10 km2，主要轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地，面積為10 km2。

在2011—2017 年（表4-e），杭州灣發(fā)生轉(zhuǎn)化面積最大的是沿海灘涂，轉(zhuǎn)化面積為12.2 km2，主要轉(zhuǎn)化為居民用地為5.2 km2。

選取的5 個時間段中，結(jié)合杭州灣當(dāng)?shù)亟?jīng)濟的發(fā)展，可以得出發(fā)生轉(zhuǎn)化面積最大的是沿海灘涂，主要轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地，這也與當(dāng)?shù)貒鷫ㄔ礻懹糜诮?jīng)濟發(fā)展的趨勢相吻合。

3 結(jié)論

本文利用多時相影像數(shù)據(jù)提取杭州灣近30 年的海岸線和海岸濕地數(shù)據(jù)，通過對海岸線長度和類型的以及海岸濕地面積類型的分析，研究了杭州灣近30 年的變遷過程，并分析了影響變遷的主要因素。

（1）杭州灣岸線長度從1990 年的400.4 km 減少至2017 年的388.4 km，減少了12 km，變化率為3%，其中，自然岸線長度從112.5 km 下降至66.6 km，減少了45.9 km，變化率為40.8%，而人工岸線則從287.9 km 增長至321.8 km，增長了33.9 km，變化率為12%。海岸線的長度數(shù)據(jù)表明，杭州灣海岸線的變化并不隨著時間持續(xù)的增長或者下降，這與不同時期自然因素和人文因素變化密切相關(guān)。研究表明，杭州灣1990—2017 年海岸線有向海擴張和向陸縮減兩種形式，其中，杭州灣北岸岸線位置變化不大，南岸以向海擴張為主。這是由于北岸受人為要素影響較大，自然的海岸線逐漸被人工堤壩取代，人工堤壩的形狀是規(guī)則的，不會隨著時間的推移而變化，而南岸海岸線彎曲程度主要受自然因素影響較多，因此彎曲程度增加，海岸線也變得更加復(fù)雜。由此可以認為，杭州灣岸線位置變化是由自然因素和人為因素共同作用決定。

（2）從選取的5 個時間段可以看出，杭州灣海岸線和海岸濕地的變化主要受到人為因素的影響，自然岸線整體呈減少趨勢，人工岸線呈增加趨勢，岸線總長度變化不大；海岸濕地的總面積呈增長趨勢，從1990 年的 710.6 km2增加至 2017 年的 1 221.5 km2。其中，自然濕地的面積逐年減少，30 年間從568.9 km2下降至230.9 km2，而人工濕地的面積卻大幅度增加，從 141.7 km2增加至 990.6 km2。