近33年滄州海域圍填?？臻g格局變化分析

丁 健，常欣悅，王志芳，李 婷，高偉明*

(1．河北師范大學資源與環(huán)境科學學院，河北 石家莊 050024；2.河北省環(huán)境演變與生態(tài)建設(shè)實驗室，河北 石家莊 050024)

海洋開發(fā)一直是人類追求社會經(jīng)濟增長的必然選擇[1]。沿海產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展、人口急劇增長以及城市擴張致使沿海地區(qū)土地資源逐漸緊張，圍填海的開發(fā)利用已經(jīng)成為緩解沿海地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展和土地矛盾的主要途徑[2]。人類意志下的、規(guī)?；膰詈ｉ_發(fā)利用活動在創(chuàng)造經(jīng)濟效益的同時也對海岸帶自然環(huán)境產(chǎn)生諸多影響[3]。

國內(nèi)外許多學者已經(jīng)運用多種手段，對不同圍填海地區(qū)進行了各種研究[4]。劉偉等(2008)在調(diào)研我國圍填?，F(xiàn)狀后探討了我國圍填海的問題及調(diào)控對策[5]。蘇濤等(2018)從海洋生物與生態(tài)環(huán)境等方面分析了大規(guī)模圍填海對廣西近海生態(tài)環(huán)境和生物資源的影響，并提出初步的管理對策[6]。Meng等(2017)利用GIS分析了我國圍填海地區(qū)的時空變化特征和驅(qū)動因素[7]。李靜(2008)結(jié)合資源經(jīng)濟學方法和生態(tài)學方法，對河北省圍填海的社會經(jīng)濟效益和生態(tài)環(huán)境損害效應進行了綜合評估和比較分析[8]。段金娟(2013)分析了河北省圍填海整體現(xiàn)狀并提出圍填海管理建議[9]。為保證合理開發(fā)利用海岸帶資源，推動沿海地區(qū)可持續(xù)發(fā)展，對圍填?？臻g進行科學的規(guī)劃、開發(fā)和監(jiān)控是極其必要的[10]。

近33年來，滄州市沿海地區(qū)發(fā)展迅速，作為河北省沿海經(jīng)濟建設(shè)的重要區(qū)域之一，圍填用海區(qū)集中了航運、制鹽、灘涂養(yǎng)殖等多種海洋產(chǎn)業(yè)，經(jīng)濟收益不斷提高，圍填海面積進一步增長。然而，對河北省滄州近岸海域圍填海區(qū)域演變特征和空間格局進行深入分析的相關(guān)文獻還較少。因此，本研究將基于滄州海域1985—2018年遙感影像，從人工岸線比例、圍填海強度與類型多樣性、景觀尺度和空間質(zhì)心轉(zhuǎn)移情況等方面構(gòu)建圍填?？臻g特征演變分析模型，定量分析滄州近岸海域圍填海空間開發(fā)利用水平與時空變化特征，為該區(qū)域進行生態(tài)環(huán)境保護，推進相關(guān)產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供科學依據(jù)[11]。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本研究所選擇的研究范圍為河北省滄州市所轄近岸海域，研究區(qū)位于華北平原東端，環(huán)渤海地區(qū)中心位置(圖1)。氣候類型為暖溫帶半濕潤季風氣候，氣候適宜，年平均氣溫12.9 ℃，年平均降水量為567.8 mm。研究區(qū)地理位置優(yōu)越，交通便利，地表徑流密度高，入海河流較多。研究區(qū)海岸線較為平直，以粉砂淤泥質(zhì)岸灘為主。伴隨著經(jīng)濟社會高速發(fā)展，海洋產(chǎn)業(yè)逐漸多樣化，近33年來研究區(qū)圍填海面積迅速增加；圍填海開發(fā)利用創(chuàng)造了經(jīng)濟效益，但同時也必然會對該區(qū)域海洋生態(tài)環(huán)境造成影響。

圖1 研究區(qū)示意圖Fig.1 Schematic diagram of research area

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

本研究以1985年海岸線作為基期海岸線，以滄州市所轄海域為研究區(qū)。選取1985、1993、1998、2003、2010、2018年6期Landsat TM/ETM+/OLI影像，原始影像來源于地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站( http：//www.gscloud.cn，表1)。選取含云量<5%的高質(zhì)量影像，對遙感影像進行大氣校正與幾何校正，校正精度小于0.1；再進行波段合成與裁剪；在提取不同類型圍填海要素時分別使用凸顯各類空間要素特征的波段組合，可以得到更加精確的影像，以適用于各類圍填海要素的識別特征。再提取研究區(qū)海岸帶利用類型影像特征并參考歷史文獻建立各類圍填海類型解譯標志。在遙感影像達到可分類標準之后，應用面向?qū)ο蟮倪b感分類方法進行信息提取。

表1 衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)表Tab.1 Data of satellite remote sensing

面向?qū)ο筮b感分類方法將對象作為基本分類單元，結(jié)合不同對象的地物光譜、空間幾何、質(zhì)地、紋理等特征，可以得到比傳統(tǒng)分類方法精度更高的土地利用類型信息。本研究應用集成于ENVI中的基于樣本的面向?qū)ο蠓诸惞ぞ?，首先對分類的基本類型進行劃分與確定，通過人機交互方式對遙感圖像中不同地物選取合適的分割尺度和合并尺度，比較不同波段組合對分類精度的影響，并根據(jù)研究對象的基本類型選擇相對應的分類樣本訓練區(qū)，再選取不同對象的地物光譜、空間幾何、質(zhì)地、紋理特征，最后選擇分類精確度最高的支持向量機算法(SVM)進行分類并得到分類結(jié)果[12]。重復以上步驟得到每年的分類結(jié)果，計算分類精度矩陣并參考歷史文獻，歷年整體分類精度范圍為88%～93%，滿足本次研究需要。

將提取到的原始結(jié)果導入ArcGIS，結(jié)合Google Earth、資源衛(wèi)星等多期遙感影像，進行人工判讀并校正。以滄州海域?qū)ｍ椪{(diào)查數(shù)據(jù)、遙感數(shù)據(jù)，輔以海洋專項調(diào)查給出的岸線利用分類和《海域使用分類體系》[13]確定的用海類型進行分類，結(jié)合野外調(diào)查結(jié)果與前人研究成果[14]的基礎(chǔ)上獲取原始海岸線并得到不同年份圍填海的具體情況。將研究區(qū)內(nèi)圍填海類型劃分為圍海養(yǎng)殖用海、生產(chǎn)設(shè)施建設(shè)用海(包括居民生產(chǎn)生活用地和含有其他工業(yè)用地的造地用海)、圍填未利用區(qū)域、港口用海4個二級類型，最終得到研究區(qū)6期33年來的圍填海時空變化信息。

1.3 研究方法：

1.3.1 人工岸線比例 人工岸線比例是指人工岸線長度占所要進行評價海岸的大陸岸線總長度的比例[15]，計算公式為：

(1)

式(1)中：a為人工岸線比例；h為所評價海域的人工岸線總長度(km)；H為該區(qū)域內(nèi)大陸海岸線總長度(km)。a越大，表示該區(qū)域內(nèi)人工岸線比例越高。

1.3.2 圍填海強度指數(shù) 圍填海強度指數(shù)是反映在一定區(qū)域內(nèi)圍填海規(guī)模大小的指標，實際意義是指在圍填海區(qū)域內(nèi)，一定長度的岸線上所擁有圍填海區(qū)域的總面積，計算公式為：

(2)

式(2)中：Ri為某一類型岸段的圍填海強度(hm2/km)；i代表某類岸線類型；Si，j為i類岸段的j分段擁有的圍填海區(qū)域總面積(hm2)，n為i類岸段的j分岸段數(shù)，Li，j為i類岸段分段岸線的基期年份的海岸線長度(km)[16]。根據(jù)計算結(jié)果并參考研究區(qū)岸段的圍填海工程布局的實際情況，按照一定梯度確定圍填海強度等級劃分指標[17](表2)：

表2 圍填海強度指數(shù)等級評價表Tab.2 Reference for rating form of reclamation intensity index

1.3.3 用海類型多樣性指數(shù) 使用用海類型多樣性指數(shù)來體現(xiàn)某一海域開發(fā)利用結(jié)構(gòu)的均衡性，指數(shù)值越大，說明用海類型越均衡[18]。其計算方式如下:

(3)

式(3)中：GM為用海類型多樣性指數(shù)；n為該海域所包含的用海類型數(shù)；Si為該海域內(nèi)第i種用海類型的總面積(km2)。GM值在0～1之間，當海域內(nèi)只有一種用海類型時GM值為0；GM值越接近于1，說明該海域的開發(fā)利用類型越多樣，海域開發(fā)面積越均衡，用海方式越合理。

1.3.4 空間質(zhì)心轉(zhuǎn)移模型 圍填海的空間質(zhì)心計算原理與土地利用類型質(zhì)心分布公式[19]相似，計算公式如下：

(4)

式(4)中：Xt、Yt分別為在t年某種圍填海類型質(zhì)心的坐標；Cti表示某種圍填海類型在第t年第i個區(qū)域的面積(km2)；Xi、Yi分別為該類型第i個區(qū)域質(zhì)心的坐標，通過質(zhì)心計算得到不同時期圍填海類型質(zhì)心的位置，通過獲取質(zhì)心遷移程度和方向，進一步分析圍填海開發(fā)的空間變化規(guī)律[20]。

1.3.5 景觀聚集度分析 聚集度指數(shù)(AI)和蔓延度指數(shù)(CONTAG)可以用來描述耕地在斑塊類型和景觀水平上的變化特征，圍填海景觀類型的聚集程度可以使用景觀格局指標中的聚集度指數(shù)和蔓延度指數(shù)來分析[21]。通過選取斑塊與景觀尺度上不同時期各種類型圍填海景觀聚集度指數(shù)和蔓延度指數(shù)來反映圍填海景觀中類型的非隨機性或聚集程度，可以分析出研究區(qū)內(nèi)圍填海區(qū)域的發(fā)展和變化情況[22]。

2 結(jié)果與討論

2.1 圍填?？臻g結(jié)構(gòu)與分布特征

滄州近海海域集中分布了4個主要的圍填海類型，即圍海養(yǎng)殖用海、生產(chǎn)設(shè)施建設(shè)用海、港口用海以及圍填未利用區(qū)域(表3)。1985—2018年，滄州近海海域圍填海面積不斷增加，1985年滄州海域圍填海海域面積為0.726 km2，分布在研究區(qū)北部。到2018年，滄州海域已進行開發(fā)利用的海域面積為133.989 km2，以港口用海增加最多，增加面積為67.796 km2，占新增圍填?？偯娣e的49.26%，圍填養(yǎng)殖用海新增面積37.750 km2，占新增圍填海面積總量的27.43%，主要原因是滄州成立渤海經(jīng)濟區(qū)，大力推進滄州黃驊港建設(shè)，并結(jié)合當?shù)刈匀粭l件進一步推進海洋產(chǎn)業(yè)特別是圍海養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展。生產(chǎn)設(shè)施建設(shè)用海的增加主要在黃驊港區(qū)附近，由于海洋產(chǎn)業(yè)的逐步推進以及沿海新興城市面積逐漸擴張，亟需大量土地空間用于相關(guān)產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)建設(shè)，因此，在2003年后研究區(qū)內(nèi)生產(chǎn)設(shè)施建設(shè)用地面積快速增加。新增港口用海區(qū)主要集中在黃驊港附近海域，黃驊港作為河北冀東南地區(qū)運距最短的出?？?，在上世紀90年代后發(fā)展迅速，以航運業(yè)為主，多功能于一身的發(fā)展定位要求黃驊港進行大面積的擴建。由于滄州近海以粉砂淤泥質(zhì)海岸為主，航道淤積現(xiàn)象嚴重，因此港口采取向深海區(qū)圍填、深挖大面積海域的方式進行建設(shè)和擴展[23]。圍海養(yǎng)殖用海面積持續(xù)增加，2010年圍填養(yǎng)殖用海面積是1993年的3.44倍，主要集中分布于研究區(qū)北部、南排河入?？趦蓚?cè)。分析原因是滄州沿海地區(qū)入海河流眾多，可以為近岸海域帶來豐富的營養(yǎng)鹽類，有利于浮游生物生長，魚蝦類的餌料豐富，適合發(fā)展海洋養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)。圍填海養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展使滄州近海海域得到了有效的開發(fā)利用。圍填未利用區(qū)域作為生產(chǎn)建設(shè)活動的后備土地資源，在新增圍填海類型中增長迅速，大部分位于黃驊港與渤海新區(qū)建成區(qū)交接處，作為港口經(jīng)濟和海洋產(chǎn)業(yè)的后備土地資源，產(chǎn)生和轉(zhuǎn)化為其他土地類型的速度較快，因此變化較大。各類型圍填海隨年份的變化情況如圖2所示。

表3 滄州海域1985—2018年圍填海利用面積變化Tab.3 Changes in the area of sea reclamation in Cangzhou from 1985 to 2018

圖2 不同時期滄州海域圍填海開發(fā)利用分布Fig.2 Development and utilization distribution of sea reclamation areas in Cangzhou at different periods

2.2 圍填?？臻g利用水平分析

遙感提取到的原始海岸線總長度為50.746 km，自然岸線主要為粉砂淤泥質(zhì)海岸，海岸線人為開發(fā)活動劇烈，自然岸線逐年增長；人工岸線占用比例近年來持續(xù)增長，岸線開發(fā)強度逐年增大，33年間由3.30%增長到98.78%，在2018年達到最高并逐漸接近飽和；滄州市大力推進養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展，大量人工圍堤向海域方向推進，圍海養(yǎng)殖區(qū)新增大量人工養(yǎng)殖圍堤，連同港口設(shè)施與臨海工業(yè)生產(chǎn)設(shè)施等人工構(gòu)筑物共同導致人工岸線比例不斷提高。港口用海面積在2003年以后快速增長，使人工岸線比例迅速提高。在1985—2010年間圍填用海類型多樣性指數(shù)不斷提高，說明該海域用海方式逐漸規(guī)范，圍填用海類型逐漸多樣，用海類型相對合理，圍填用海區(qū)域得到均衡發(fā)展。圍填海類型多樣性指數(shù)在2010年達到最大值，說明圍填海開發(fā)利用結(jié)構(gòu)相對合理；2018年圍填海類型多樣性有所下降，推測究其原因為2010—2018年間黃驊港港口建設(shè)用海大面積增長，港口用海對研究區(qū)圍填海建設(shè)的貢獻率超過其他圍填海利用類型，對研究區(qū)內(nèi)圍填海開發(fā)利用結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，導致多樣性指數(shù)下降。在圍填海強度指數(shù)方面，滄州海域1998年前的指數(shù)值波動較小，1998—2018年呈增長趨勢，主要是由于研究區(qū)圍海養(yǎng)殖業(yè)的迅速發(fā)展及港口用地大面積的增加，導致圍填海強度不斷增大。1985—2018年，研究區(qū)圍填海強度持續(xù)增長，說明滄州海域開發(fā)程度逐漸提高，圍填海強度增速不斷加快。根據(jù)圍填海強度指數(shù)等級評價表(表2)，可以推斷出1985—1998年，研究區(qū)內(nèi)圍填海強度等級為1～2級，圍填用海面積較低，圍填海開發(fā)利用壓力較小，近海海域有待開發(fā)；1998—2010年，滄州市沿海地區(qū)圍填海等級為3級，說明研究區(qū)近岸海域開發(fā)程度達到中等強度，圍填海開發(fā)具有一定壓力；到了2018年，滄州市沿海地區(qū)圍填海等級達到4級(表4)，圍填海開發(fā)壓力逐漸凸顯，應適當控制圍填海規(guī)模，加強對圍填海區(qū)域的合理規(guī)劃和集約利用，避免對近岸海洋資源和生態(tài)環(huán)境造成嚴重影響[24]。

表4 圍填?？臻g利用水平分析表Tab.4 Utilization level of reclamation space

2.3 景觀聚集度分析

在景觀類型水平上，聚集度指數(shù)AI的變化情況由圖3可得，滄州沿海地區(qū)圍填海景觀蔓延度指數(shù)先升高后下降再升高，圍填海景觀斑塊連通性變化較大。圍填海景觀聚集度指數(shù)在1985—1993年間變化較大，其他時段變化幅度較小。圍填海斑塊類型變化特征與景觀破碎度的變化特征相似[25]。在景觀水平上，由蔓延度指數(shù)CONTAG的變化特征(圖3)可以看出，滄州沿海地區(qū)圍填海景觀蔓延度逐年波動，景觀蔓延度指數(shù)在2003年達到最低，可能與圍填海類型結(jié)構(gòu)調(diào)整有關(guān)，從1993年起，景觀蔓延度與聚集度的變化趨勢基本一致。圍填海景觀聚集程度較高，各種圍填用海類型布局較為合理[3]。

圖3 圍填海景觀聚集特征分析Fig.3 Analysis of gathering characteristics of reclamation landscape

2.4 圍填海空間質(zhì)心轉(zhuǎn)移分析

利用ArcGIS10.2軟件計算出每種圍填海類型的空間質(zhì)心，得到1985—2018年滄州海域各類型圍填海質(zhì)心的遷移與分布示意圖(圖4)：

圖4 1985—2018 年滄州市各類型圍填海質(zhì)心的遷移趨勢Fig.4 Migration trend for types of reclamation centers in Cangzhou from 1985 to 2018

圍海養(yǎng)殖用海的質(zhì)心1985—2018年間持續(xù)向東南方向遷移(圖5)，說明圍海養(yǎng)殖區(qū)域由滄州北部海域向南部海域發(fā)展，隨著圍海養(yǎng)殖區(qū)的大量增加，沿岸可圍海養(yǎng)殖用海逐漸飽和，質(zhì)心遷移距離逐漸減少并有進一步遠離海岸的趨勢。1985—1993年、1993—1998年、1998—2003年分別遷移4.314、2.941、1.295 km，2003—2018年共遷移了1.350 km。城鎮(zhèn)建設(shè)的質(zhì)心由向西北發(fā)展轉(zhuǎn)為向東南發(fā)展，由于后期黃驊港周邊的開發(fā)建設(shè)，2003年前生產(chǎn)設(shè)施建設(shè)用海質(zhì)心向西北方向遷移，1993—2003年總遷移量為6.327 km，2003—2018年連續(xù)向東南方向遷移16.499 km。圍填未利用區(qū)域的質(zhì)心經(jīng)歷多次反方向遷移，1993—1998年間向東南方向遷移14.245 km，1998—2003年間向北遷移了2.336 km，2003—2010年向東南方向遷移7.439 km，2010—2018年向西北方向遷移25.988 km。主要原因為圍填未利用區(qū)域變動性較大，滄州海域海洋開發(fā)建設(shè)活動旺盛，圍填未利用區(qū)域的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)化速度較快。起始時期由于圍填未利用區(qū)域主要轉(zhuǎn)化為圍海養(yǎng)殖用海，圍海養(yǎng)殖由北部海域逐漸發(fā)展，因此質(zhì)心向西北方向移動；中期由于黃驊港以及相關(guān)產(chǎn)業(yè)設(shè)施的建設(shè)，圍填未利用區(qū)域的質(zhì)心逐漸向東南方向遷移；在后期由于黃驊港及周邊設(shè)施建設(shè)，圍填未利用區(qū)域轉(zhuǎn)化為其他用海類型，面積大量減少，導致圍填未利用區(qū)域的質(zhì)心再次向西北方向遷移。港口隨著海洋運輸業(yè)的發(fā)展，持續(xù)向用海洋深處推進，港口用海的質(zhì)心在1998—2003年間向東北方向遷移1.987 km，2003—2010年間向西北方向遷移1.799 km，2010—2018年向東北方向遷移了2.887 km，港口航運去面積達到了67.79 km2。綜上所述，滄州海域1985—2018年圍填海質(zhì)心不斷向東南方向移動，說明滄州海域的圍填海逐漸向東南方向發(fā)展，圍填海區(qū)域逐漸由近岸向遠海發(fā)展。

圖5 1985—2018 年滄州市各類型圍填海質(zhì)心的遷移變化Fig.5 Migration and changes for types of reclamation centers in Cangzhou from 1985 to 2018

3 結(jié)論

(1)滄州海域圍填?？臻g開發(fā)利類型逐漸趨于合理，圍填海面積增速較快，圍填?？偯娣e由1985年的0.726 km2增加到2018年的137.78 km2。新增面積大部分位于南部海域的港口區(qū)，其余新增面積主要分布在北部海域，以圍填養(yǎng)殖用海為主，其余為生產(chǎn)設(shè)施建設(shè)用海和圍填未利用區(qū)域，逐漸形成以北部圍填海養(yǎng)殖區(qū)和南部的港口工業(yè)區(qū)相結(jié)合的圍填海利用格局。

(2)滄州海域的空間利用水平方面，人工岸線比例逐漸升高，并在2003年以后增長較快，在2018年達到總海岸線長度的98.78%；從圍填用海類型多樣性指數(shù)來看，在2010年用海類型多樣性指數(shù)達到最高，說明圍填用海開發(fā)利用類型較為合理；在2010年后，用海類型多樣性指數(shù)下降，主要原因在于滄州南部海域港口建設(shè)活動快速發(fā)展，占圍填?？偯娣e比重上升。

(3)滄州海域圍填海強度，隨著圍海養(yǎng)殖用海和港口用海等進一步擴張，近岸海域圍填海強度逐漸上升，2003—2010年圍填海強度達到3級(適中規(guī)模)；2018年圍填海強度指數(shù)達到274.55，圍填海開發(fā)強度等級達到4級。已開發(fā)圍填用海區(qū)域?qū)０杜c近岸海域的資源、環(huán)境影響逐漸加劇，海岸帶與近海海域后續(xù)開發(fā)所受壓力逐漸凸顯。后續(xù)的開發(fā)利用應注重對已圍填海區(qū)域的合理規(guī)劃，促進近海海域資源的集約利用，倡導海洋經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展。

(4)滄州海域圍填海景觀聚集度與圍填海景觀蔓延度指數(shù)均較高，兩者變化趨勢基本一致，說明各種圍填用海類型布局與演變較為合理，各類型圍填海區(qū)域基本得到充分利用，近岸海域開發(fā)程度較高。

(5)滄州海域圍填海景觀空間質(zhì)心轉(zhuǎn)移特征，1985—2018年圍填海景觀空間質(zhì)心逐漸向東南方向遷移，并逐漸由近岸向遠海地區(qū)移動，主要驅(qū)動力為南部海域大規(guī)模港口建設(shè)，圍填海規(guī)模逐漸超過圍填養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)區(qū)。這說明滄州海域的圍填海開發(fā)重點逐漸向東南方向遷移，從以圍海養(yǎng)殖占優(yōu)勢到以發(fā)展港口和沿海經(jīng)濟為主的發(fā)展演變模式。