1991—2018年粵港澳大灣區(qū)海岸線的時(shí)空變遷

占懿娟,吳雨凝,李暢,胡業(yè)翠

(中國地質(zhì)大學(xué)(北京)土地科學(xué)技術(shù)學(xué)院 北京 100089)

0 引言

灣區(qū)經(jīng)濟(jì)是當(dāng)今國際經(jīng)濟(jì)版圖的亮點(diǎn),具有高度開放、包容集聚、創(chuàng)新引領(lǐng)和宜居宜業(yè)等特點(diǎn),是世界一流濱海城市的顯著標(biāo)志?；浉郯拇鬄硡^(qū)是我國在綜合實(shí)力雄厚的珠江三角洲基礎(chǔ)上劃定的新發(fā)展區(qū)域,是我國參與全球競爭的重要空間載體[1],2019年《粵港澳大灣區(qū)發(fā)展規(guī)劃綱要》體現(xiàn)我國對(duì)粵港澳大灣區(qū)發(fā)展的高度重視。近年來,對(duì)粵港澳大灣區(qū)的研究內(nèi)容主要包括氣候、生態(tài)和環(huán)境[2-4]。海岸帶是海洋與陸地的過渡地區(qū)以及海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要空間載體,其環(huán)境變化會(huì)影響海岸線的空間形態(tài),因此研究海岸線的變遷不僅對(duì)海岸線的開發(fā)利用和保護(hù)具有指導(dǎo)作用[5],而且對(duì)海岸帶環(huán)境變化的研究具有重要意義[6]。本研究以粵港澳大灣區(qū)為研究對(duì)象,以其海岸線變遷強(qiáng)度、海岸線分形維數(shù)和自然岸線保有率等數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),科學(xué)分析粵港澳大灣區(qū)海岸線的時(shí)空變遷及其驅(qū)動(dòng)力,旨在為粵港澳大灣區(qū)海岸帶的開發(fā)利用和保護(hù)提供科學(xué)依據(jù),促進(jìn)粵港澳大灣區(qū)的可持續(xù)發(fā)展。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)域

粵港澳大灣區(qū)由廣州、深圳、珠海、佛山、惠州、東莞、中山、江門和肇慶9個(gè)珠三角城市以及我國香港和澳門2個(gè)特別行政區(qū)組成,大地構(gòu)造部位大致屬于華南準(zhǔn)地臺(tái)(一級(jí)單位),呈斷裂發(fā)育,故其被山地和丘陵所環(huán)繞,中心區(qū)為由西江、北江、東江和潭江等干支流沖積而成的灣內(nèi)充填式三角洲,沿海地區(qū)新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)較為活躍[7]。由于填海造地項(xiàng)目的建設(shè),珠江口地區(qū)大多為人工海岸,珠江口以東和珠江口以西地區(qū)以基巖海岸為主,海岸線蜿蜒曲折。

粵港澳大灣區(qū)是我國開放程度最高和經(jīng)濟(jì)活力最強(qiáng)的區(qū)域之一,在我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展格局中具有舉足輕重的地位,本研究的研究區(qū)域?yàn)閾碛泻０毒€的9個(gè)城市(除佛山和肇慶)。

1.2 數(shù)據(jù)來源和處理

本研究以4年(1991 年、2000 年、2011 年 和2018年)的Landsat遙感影像、相關(guān)行政區(qū)劃圖和Google Earth衛(wèi)星地圖為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源。在地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站獲取遙感影像,因研究區(qū)域范圍較大,覆蓋2 個(gè)條帶號(hào)和2 個(gè)行編號(hào)(表1)。

表1 遙感影像信息

在ENVI 5.2軟件的支持下,對(duì)遙感影像進(jìn)行融合、糾正、拼接、補(bǔ)云、鑲嵌、裁剪和勻色等預(yù)處理,得到研究區(qū)域4個(gè)年份拼接的RGB影像。將研究區(qū)域的海岸線分為人工岸線和自然岸線2 個(gè)類型,通過解譯標(biāo)志對(duì)遙感影像進(jìn)行目視解譯,得到海岸線的相關(guān)數(shù)據(jù)[8]。

由于數(shù)據(jù)條件的限制,參考已有研究經(jīng)驗(yàn)[9-10],采用目視解譯方法提取瞬時(shí)水邊線。由于無法確保該水邊線即海岸線,為減少數(shù)據(jù)誤差,盡量選取10-12月的遙感影像。利用Arcgis 10.5軟件的線性構(gòu)造功能,提取瞬時(shí)水邊線的確切位置,同時(shí)確定海岸線的類型,得到各期海岸線長度及其變化的矢量數(shù)據(jù)。利用Arcgis 10.5軟件的矢量數(shù)據(jù)長度計(jì)算功能,得到各期和各類型的海岸線總長度。

1.3 研究方法

1.3.1 海岸線變遷強(qiáng)度

海岸線長度的年均變化占比可表示某時(shí)段內(nèi)各地貌岸區(qū)的海岸線變遷強(qiáng)度[11-12],便于更客觀地呈現(xiàn)各單元岸區(qū)海岸線變遷的時(shí)空差異,計(jì)算公式為:

式中:LCIij表示某單元岸區(qū)第i年至第j年的海岸線變遷強(qiáng)度;Li和Lj分別表示第i年和第j年的海岸線長度。

當(dāng)LCIij為負(fù)值時(shí)表示海岸線縮短,當(dāng)LCIij為正值時(shí)表示海岸線增長,LCIij的絕對(duì)值與海岸線變遷強(qiáng)度呈正相關(guān)。

1.3.2 海岸線分形維數(shù)

海岸線分形維數(shù)可量化表示海岸線的空間形態(tài)并展現(xiàn)海岸線的彎曲和復(fù)雜程度,且海岸線的彎曲和復(fù)雜程度與分形維數(shù)呈正相關(guān)。

基于已有研究成果[13-14],運(yùn)用網(wǎng)格法和Matlab計(jì)算研究區(qū)域各期海岸線的分形維數(shù)。運(yùn)用Arcgis 10.5軟件中的要素轉(zhuǎn)柵格工具將海岸線矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為柵格數(shù)據(jù),并將數(shù)據(jù)進(jìn)行二值化處理,從而生成覆蓋研究區(qū)域海岸線的全部正方形網(wǎng)格;統(tǒng)計(jì)不同年份的網(wǎng)格邊長對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格數(shù)目[15],對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合得到斜率的絕對(duì)值即分形維數(shù)。相關(guān)表達(dá)式為:

式中:N表示網(wǎng)格數(shù)目;ε表示網(wǎng)格邊長;K表示海岸線分形維數(shù);b表示對(duì)應(yīng)常數(shù)。

網(wǎng)格的大小會(huì)對(duì)分形維數(shù)的計(jì)算產(chǎn)生一定的影響。本研究參考基本比例尺地形圖數(shù)字化過程中的轉(zhuǎn)換公式[16]以及比例尺為1︰90萬的地圖換算得到網(wǎng)格長度,根據(jù)地圖精度粗視化最小尺度選擇180 m,允許誤差為0.2 mm。由于相關(guān)資料和分形理論對(duì)各網(wǎng)格的取值間隔沒有嚴(yán)格規(guī)定,根據(jù)本研究的具體情況,以最大值覆蓋整條曲線為限,在網(wǎng)格邊長序列值間隔較均勻的基礎(chǔ)上,選取網(wǎng)格邊長分別為180 m、500 m、1 500 m、3 000 m、6 000 m、9 000 m、15 000 m、21 000 m 和50 000 m。

1.3.3 自然岸線保有率

自然岸線在人類開發(fā)利用過程中被轉(zhuǎn)化為人工岸線,自然岸線保有率[17]可反映人類活動(dòng)對(duì)自然岸線的影響程度,計(jì)算公式為:

式中:R表示自然岸線保有率;M表示自然岸線長度;L表示海岸線總長度。

2 粵港澳大灣區(qū)海岸線的時(shí)空變遷

2.1 海岸線長度和變遷強(qiáng)度

根據(jù)海岸線遙感監(jiān)測和數(shù)據(jù)矢量化的結(jié)果,1991—2018年粵港澳大灣區(qū)海岸線(大陸岸線)不斷向海推進(jìn),空間位置變化顯著,且長度增長155.76 km(表2)。

表2 1991—2018年粵港澳大灣區(qū)海岸線長度及其變化

續(xù)表2

1991—2018年粵港澳大灣區(qū)的海岸線變遷強(qiáng)度為0.43%,其中1991—2000年較大(0.78%),后逐漸減小,2000—2011 年為0.39%,2011—2018年僅為0.03%。各地區(qū)的海岸線變遷強(qiáng)度由大到小依次為中山(1.91%)、珠海(1.46%)、澳門(0.69%)、廣州(0.61%)、深圳(0.57%)、江門(0.18%)、東莞(0.16%)、香港(0.10%)、惠州(0.03%)。

2.2 海岸線變遷引起的陸海格局變化

由于海岸線數(shù)據(jù)為非閉合的矢量數(shù)據(jù),須利用固定的邊界計(jì)算海岸線變遷造成的海岸帶面積變化,進(jìn)而計(jì)算岸灘面積。將1991年海岸線作為海岸帶的內(nèi)側(cè)邊界,將現(xiàn)有海岸線作為海岸帶的外側(cè)邊界,所形成的閉合曲線就是岸灘變化區(qū)域。

總體來看,1991—2018年粵港澳大灣區(qū)海岸線變遷引起的陸域擴(kuò)張面積為482.68 km2,侵蝕面積為16.20 km2,凈增面積為466.48 km2。其中,1991—2000 年陸域面積變化最大,擴(kuò)張面積為300.31 km2,侵蝕面積為1.74 km2,凈增面積為298.57 km2,凈增速為33.17 km2/a;2000—2011年陸域擴(kuò)張面積為163.38 km2,侵蝕面積為6.45 km2,凈增面積為156.93 km2,凈增速為14.27 km2/a;2011—2018 年陸域面積變化最小,擴(kuò)張面積為17.24 km2,侵蝕面積為8.00 km2,凈增面積為9.24 km2,凈增速為1.32 km2/a。

2.3 海岸線分形維數(shù)

總體來看,由于自然營力和人類活動(dòng)的綜合影響,1991—2018年粵港澳大灣區(qū)的海岸線分形維數(shù)平均值為1.14,且呈持續(xù)上升的趨勢,但變化速率逐漸減緩,其中最大值為2018年的1.15。

海岸線分形維數(shù)的市級(jí)差異較大。①東莞、廣州和澳門總體較小,且在1.00左右波動(dòng)。其中:廣州最小,但后期有所上升;東莞前期下降,但2000年后呈持續(xù)上升狀態(tài);澳門前期緩慢上升,但2011年由1.04降至0.94。②中山、江門和深圳為1.00～1.50。其中:中山一直上升;江門前期較小,且在上升后又持續(xù)下降;深圳在1.08左右有較小波動(dòng),近期表現(xiàn)為下降。③香港、惠州和珠海較大且大于平均值。其中:香港穩(wěn)定在1.20左右;惠州有較小波動(dòng),但相對(duì)穩(wěn)定在1.15左右;珠海由1.11持續(xù)上升至1.16。

2.4 自然岸線保有率

總體來看,1991—2018年粵港澳大灣區(qū)的自然岸線保有率呈下降趨勢,總下降幅度為24.05%。其中,1991—2000年下降幅度最大(18.37%),此后下降幅度驟降至3.23%,2011—2018年下降幅度有小幅回升(3.86%)。

自然岸線保有率的市級(jí)差異較大,但在差異中存在規(guī)律,主要可分為4個(gè)類型。①平穩(wěn)且保持較高水平,自然岸線保有率均高于0.5(香港);②平穩(wěn)但保持較低水平(東莞、廣州和中山);③總體呈下降趨勢,下降速率前期較高,而后期趨于0(江門和深圳);④總體呈下降趨勢,下降速率前期較高,而中后期有小幅度回升(惠州和珠海)。值得說明的是,澳門的海岸線較短,且對(duì)現(xiàn)有精度的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后認(rèn)為其均為人工岸線,即自然岸線保有率為0,故不作具體討論。

3 粵港澳大灣區(qū)海岸線變遷的驅(qū)動(dòng)力

3.1 人為因素

海岸線變遷反映土地利用強(qiáng)度變化,同時(shí)土地利用強(qiáng)度可在一定程度上用自然岸線保有率表征。因此,本研究在自然岸線保有率分類的基礎(chǔ)上分析海岸線變遷驅(qū)動(dòng)力的人為因素。

(1)平穩(wěn)且保持較高水平,即香港。香港和東莞同處珠江口地區(qū),自然因素的影響機(jī)制和影響程度相近,但二者的自然岸線保有率差異巨大。究其原因,二者的經(jīng)濟(jì)發(fā)展階段不同,并體現(xiàn)在政策導(dǎo)向不同。香港較高的自然岸線保有率得益于其長期以來注重環(huán)境保護(hù):一方面,避免采用低效和不可持續(xù)的土地利用方式,提高土地利用效率,如積極發(fā)展高效的駁船運(yùn)輸[18];另一方面,嚴(yán)格保護(hù)自然岸線,于1990年完成移沙補(bǔ)灘工程,使長期以來受到侵蝕的優(yōu)良海濱沙灘——淺水灣重新煥發(fā)生機(jī),并貫徹可持續(xù)發(fā)展的利用方針。多措并舉,保持高水平的自然岸線保有率和優(yōu)良的生態(tài)環(huán)境。

(2)平穩(wěn)但保持較低水平,包括東莞、廣州和中山。研究期內(nèi)3個(gè)城市的自然岸線保有率均無顯著變化,表明自然岸線和人工岸線保持相對(duì)平衡。3個(gè)城市同屬珠江口地區(qū),1995—2005年珠江口地區(qū)的圍填海面積達(dá)208 km2,以漁業(yè)養(yǎng)殖為主,其次為建設(shè)用地,面積占比分別為75.3%和17.3%[19]。然而珠江口灘涂濕地土壤受重金屬污染嚴(yán)重,不宜直接作為耕地或用于水產(chǎn)養(yǎng)殖[20],從客觀來看這也是研究期內(nèi)3個(gè)城市的自然岸線保有率保持平穩(wěn)的原因之一。2000—2010年珠江口地區(qū)海岸線向海擴(kuò)張的趨勢大幅減緩[21],這種減緩的趨勢一直持續(xù)到2017年[22]。

(3)總體呈下降趨勢,下降速率前期較高,而后期趨于0,包括江門和深圳。在研究期前期,2個(gè)城市的經(jīng)濟(jì)均呈現(xiàn)高速發(fā)展的勢頭,1978—2015年江門以圍墾養(yǎng)殖和工程建設(shè)為主的海岸線開發(fā)利用活動(dòng)持續(xù)增加,截至2015 年的海岸線占比分別為25.88%和21.64%[9];深圳作為我國首個(gè)經(jīng)濟(jì)特區(qū),在研究期前期處于高速發(fā)展時(shí)期,1988—1998年工程建設(shè)海岸線占比增長近1倍,1998—2008年圍墾養(yǎng)殖海岸線占比下降且人工岸線整體呈縮短趨勢,此后人工岸線仍呈增長趨勢。

(4)總體呈下降趨勢,下降速率前期較高,而中后期有小幅度回升,包括惠州和珠海。在研究期前期,此類數(shù)據(jù)的特征與第三類數(shù)據(jù)大致相似,其人為驅(qū)動(dòng)力也以經(jīng)濟(jì)發(fā)展為主,但在研究期中后期的情況有所不同。例如:惠州的經(jīng)濟(jì)發(fā)展導(dǎo)致海岸帶生態(tài)環(huán)境被嚴(yán)重破壞,2010年后惠州海岸帶的生態(tài)安全指數(shù)大多明顯下降,并于2013 年達(dá)到低谷,2013年的生態(tài)安全等級(jí)處于較危險(xiǎn)和預(yù)警級(jí)別[23];2011 年《惠州市環(huán)境保護(hù)和生態(tài)建設(shè)“十二五”規(guī)劃》發(fā)布并實(shí)施,但惠州的自然岸線保有率再次大幅下降。

3.2 自然因素

海岸線變遷易受自然因素的影響,粵港澳大灣區(qū)海岸線變遷的自然因素主要包括3個(gè)方面。①地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)。廣州、東莞和江門處于地殼較穩(wěn)定地區(qū),地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)稀疏且活動(dòng)性弱;而香港和澳門地處斷裂帶,地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)頻繁,主要表現(xiàn)為地震和沿海地面沉降,對(duì)不同地區(qū)的海岸線產(chǎn)生不同程度的影響。②海平面上升侵蝕。粵港澳大灣區(qū)的地勢西北高、東南低,且海岸帶地勢較低平,易受溫室效應(yīng)引起的冰川融化和海平面上升的影響;加上臺(tái)風(fēng)的影響,海水對(duì)海岸帶的侵蝕強(qiáng)度加大,導(dǎo)致海岸線變遷。③泥沙入海?；浉郯拇鬄硡^(qū)擁有我國第二大河流——珠江,珠江年平均懸移質(zhì)輸沙量為8 359萬t;由于氣候變化、龍灘截流和西江流域多級(jí)水庫聯(lián)合調(diào)水[24],珠江的入海泥沙量大幅減少,對(duì)珠江口地區(qū)海岸線的影響尤為顯著。

4 結(jié)語

本研究提取1991—2018年粵港澳大灣區(qū)的海岸線長度數(shù)據(jù),進(jìn)而計(jì)算海岸線變遷強(qiáng)度和分形維數(shù);通過辨識(shí)人工岸線和自然岸線,從人為因素和自然因素2個(gè)方面分析海岸線變遷的驅(qū)動(dòng)力。

粵港澳大灣區(qū)是世界第四大灣區(qū),發(fā)展?jié)摿Σ豢晒懒?但圍墾造陸等人類活動(dòng)已造成海岸帶生態(tài)環(huán)境出現(xiàn)問題,可能阻礙其發(fā)展。因此,分析海岸線的時(shí)空變遷可對(duì)海岸帶的開發(fā)利用和保護(hù)提供科學(xué)指導(dǎo)。根據(jù)研究結(jié)果,本研究對(duì)粵港澳大灣區(qū)的發(fā)展提出建議。①保證自然岸線保有率總體不低于37%,重視海岸線的生態(tài)價(jià)值;②制定統(tǒng)一的海岸線規(guī)劃和管理政策,并根據(jù)各城市的實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整,以政策為導(dǎo)向,加強(qiáng)對(duì)海岸線的規(guī)劃和管理;③避免過度開發(fā)利用自然岸線,提高已有人工岸線的開發(fā)利用效率,實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展。