20年間鹽城海岸線變遷及影響因素分析

章 志，陳 鵬，冒士鳳，常 曼

(江蘇省海涂研究中心，江蘇 南京 210036)

引 言

海岸線對(duì)于海岸帶生態(tài)系統(tǒng)興衰、環(huán)境演變及海岸的侵蝕等均起到重要的指示作用[1]?？焖贉?zhǔn)確地測(cè)定海岸線的動(dòng)態(tài)變化，對(duì)于海域使用管理具有十分重要的意義[2]。江蘇中部地區(qū)，受1855年黃河北歸的影響，以河流輸沙作用而引起海岸線東進(jìn)，轉(zhuǎn)為以海洋動(dòng)力作用為主導(dǎo)的侵蝕，海岸線進(jìn)入調(diào)整時(shí)期。1855—1921年，“射陽(yáng)河口—埒子河口”海岸經(jīng)過(guò)了海岸塑造及巨量泥沙重新分配搬運(yùn)過(guò)程，南段海岸一直沿襲著歷史海岸淤進(jìn)狀態(tài)。20世紀(jì)70年代至今，江蘇海岸在海洋水動(dòng)力作用影響下逐漸變得更加順直流暢，但進(jìn)退變化特點(diǎn)仍基本沿襲著歷史海岸線的演變蹤跡[3]。2009年江蘇沿海開(kāi)發(fā)上升為國(guó)家戰(zhàn)略以后，受入海河流和海洋的雙重動(dòng)力作用，以及多來(lái)大規(guī)模的灘涂圍墾對(duì)海岸地貌及海岸線變化的影響，以往射陽(yáng)河口為南北沖淤的拐點(diǎn)，現(xiàn)有向南移動(dòng)的趨勢(shì)[4-6]。海岸線監(jiān)測(cè)是了解海岸沖淤變化的基礎(chǔ)，對(duì)于岸灘沖淤變化具有重要的指示意義。

海岸線測(cè)量的傳統(tǒng)方法是設(shè)置測(cè)點(diǎn)連接成海岸線，需進(jìn)行野外實(shí)地測(cè)量，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。遙感具有快速、大面積、動(dòng)態(tài)、經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)，尤其是高分辨率遙感具有較高的空間分辨率和定位精度，可彌補(bǔ)常規(guī)海岸線測(cè)量方法的不足，應(yīng)用遙感影像探測(cè)海岸帶地形信息成為海洋遙感技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)方向[7]。不同學(xué)者先后對(duì)海岸線遙感提取方法進(jìn)行了研究，一種是通過(guò)目視解譯方式，利用解譯標(biāo)志，如地物的色調(diào)、紋理、植被生態(tài)位等；另一種是基于潮位校正方法提取嚴(yán)格定義岸線[8]。對(duì)于海岸變遷研究目前主要有多重緩沖區(qū)法[9]、動(dòng)態(tài)分割法[10]、剖面計(jì)算法[11]、面積法[12]等。本文基于海岸線遙感解譯的結(jié)果，運(yùn)用海岸線變遷模型，分析了20年來(lái)鹽城海岸變遷的過(guò)程，探討引起海岸線變化的驅(qū)動(dòng)力，以期為海岸線保護(hù)、整治修復(fù)及開(kāi)發(fā)利用提供一定的決策依據(jù)和參考。

1 研究區(qū)及數(shù)據(jù)源

研究區(qū)位于江蘇省鹽城海岸區(qū)域(圖1)。海岸線北起灌河口團(tuán)港南側(cè)的“響灌線”陸域分界，南至“安臺(tái)線”陸域分界，總長(zhǎng)377.88 km，占全省海岸線的42.51%。境內(nèi)灘涂面積683萬(wàn)畝，占江蘇灘涂面積的70%，并且以每年30～75萬(wàn)畝左右的成陸速度向大海延伸。依據(jù)岸線變化情況，將研究區(qū)從北到南分為5個(gè)部分：“灌河口—廢黃河口”、“廢黃?？凇潢?yáng)河口”、“射陽(yáng)河口—新洋港”、“新洋港—斗龍港”和“斗龍港—弶港”。研究利用1997—2017年的landsat7、landsat5、landsat8數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)行列號(hào)為120/036、119/037，影像分辨率為30 m。

圖1 研究區(qū)位置圖

2 研究方法

2.1 海岸線分類與提取

海岸線分類目前沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，參考相關(guān)學(xué)者的研究成果[13-15]，將鹽城海岸線分為人工和自然岸線。自然岸線以粉砂淤泥質(zhì)為主。遙感解譯特征如下：粉砂淤泥質(zhì)岸線，地質(zhì)類型為粉砂淤泥，灘面坡度平緩，向陸一側(cè)一般植被生長(zhǎng)茂盛，呈紅色或暗紅色，向海一側(cè)植被較為稀疏呈淺紅色或沒(méi)有植被，裸露潮灘上多有樹(shù)枝狀潮溝發(fā)育。影像中，植被茂盛與稀疏程度明顯差異處為淤泥質(zhì)岸線所在位置。河口岸線以最靠近河口的道路橋梁或防潮閘作為河海分界線或以河口突然展寬處的突出點(diǎn)連線作為河海分界線[16]。人工岸線由永久性構(gòu)筑物組成的，向陸一側(cè)不存在平均大潮高潮時(shí)海水可達(dá)的水域，其向海一側(cè)水陸分界線即是海岸線，一般包括養(yǎng)殖圍堤、鹽田圍堤、碼頭岸線、建設(shè)與交通圍堤。

2.2 岸線變遷分析方法

采用基線法，即以平行于所有歷史岸線基本走向的要素為基準(zhǔn)線，構(gòu)建垂直于基線相交的剖面，計(jì)算岸線的變化速率，剖面與岸線的交點(diǎn)構(gòu)成岸線的位置序列?；€法主要包括端點(diǎn)變化率(EPR)、線性回歸率(LRR)、最小中位數(shù)平方回歸率(LMS)3 種算法。EPR方法相對(duì)于LRR、LMS兩種方法，更能反映岸線的劇烈活動(dòng)，更能夠反映整個(gè)岸線變遷過(guò)程中的凈變遷速率[17]。因此選擇EPR算法來(lái)定量計(jì)算岸線變遷。具體過(guò)程如下：

(1)

式中，D1、D2分別為垂線與最早、晚一期岸線的交點(diǎn)到基準(zhǔn)線的距離；T1、T2為最早一期岸線時(shí)間與最晚一期岸線時(shí)間。

具體步驟如下：首先確定基線，繪制大致平行于所提取的海岸線、岸灘走向的分割基線(圖2)。其次，以間隔自北向南沿基線共生成條垂線，采樣間隔為100 m，共產(chǎn)生2486條斷面，刪除其中部分與岸線相交時(shí)不合格的垂線，使用ARCGIS軟件運(yùn)用EPR算法分析岸線變遷過(guò)程及變化速率[18]。

圖2 基線及斷面分布

3 結(jié)果與分析

3.1 岸線長(zhǎng)度及類型變化

利用上述數(shù)據(jù)與方法，提取了1997、2002、2007、2012、2017年鹽城海岸線長(zhǎng)度及岸線類型信息(圖3)。

圖3 1997-2017年岸線分布Fig.3 Coastline distribution from 1997 to 2017

提取結(jié)果表明，鹽城海岸線由人工岸線和自然岸線組成。自然岸線以粉砂淤泥質(zhì)岸線為主，人工岸線以港口、養(yǎng)殖圍堤和建設(shè)圍堤為主。20年間鹽城海岸線長(zhǎng)度整體變化不大，但岸線類型和位置變化較大。1997年岸線類型以粉砂淤泥質(zhì)岸線為主，隨著岸線人工開(kāi)發(fā)干預(yù)，自然岸線逐步萎縮，自然岸線比重由1997年75%減少到62%，與之對(duì)應(yīng)人工岸線呈加速增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)，并于2017達(dá)到1997—2017年來(lái)的最大值156.13 km。從岸線空間分布上來(lái)看，人工岸線主要分布在濱海港、射陽(yáng)港、大豐港、王港河口和條子泥，以及四卯酉河南側(cè)、王港河南側(cè)區(qū)域。

3.2 岸線進(jìn)退變化及變遷速率

計(jì)算結(jié)果如圖4和表1所示。從結(jié)果來(lái)看，海岸線向海推進(jìn)強(qiáng)度總體由北向南逐步增加，不同岸段向海推進(jìn)的強(qiáng)度不同，平均為93.01 m/a，向海推進(jìn)最大距離為10780 m，位于條子泥墾區(qū)，向岸退縮最大距離為1710 m，位于雙洋河口附近。岸段A和岸段B位于射陽(yáng)河口北側(cè)，平均變化率為-0.46 m/a，為侵蝕區(qū)域。岸段C和岸段D，侵蝕淤積交替發(fā)生，呈現(xiàn)過(guò)度變化的特征，岸線變化較小，為侵蝕淤長(zhǎng)過(guò)渡區(qū)域。岸段E向海推進(jìn)287.12 m/a，為淤積岸段。

從海岸線變遷變化趨勢(shì)來(lái)看，岸段A侵蝕速率越來(lái)越小，由1997—2002年-5.44 m/a的侵蝕轉(zhuǎn)為2012—2017年12.23 m/a的弱淤積；岸段B侵蝕越來(lái)越強(qiáng)，由1997—2002年淤積 28.14m/a轉(zhuǎn)為2012—2017年-26.25 m/a的侵蝕；岸段C侵蝕越來(lái)越強(qiáng)，由1997—2002年淤積86.96 m/a到2012—2017年-7.76 m/a的侵蝕。岸段D同樣侵蝕越來(lái)越強(qiáng)，由1997—2002年淤積243.71 m/a到2012—2017年-117.19 m/a的侵蝕。岸段E淤積較強(qiáng)，但是幅度在減小，由1997—2002年384.81 m/a下降到2012—2017年227.81 m/a，下降了40.8%。

分析1997—2017年海岸線斷面變化情況， 2002—2007年岸線向海推進(jìn)65.82 m/a，2012—2017年海岸線變化率為-7.76 m/a，在斷面號(hào)56處(圖4)海岸線變化轉(zhuǎn)為負(fù)數(shù)，據(jù)此，鹽城海岸南北沖淤的拐點(diǎn)南移至射陽(yáng)河口以南7 km射陽(yáng)鹽場(chǎng)附近。

總之，鹽城海岸整體穩(wěn)定性在增加，強(qiáng)侵蝕、強(qiáng)淤積岸段在減少；部分岸段采取了人工防護(hù)，海岸穩(wěn)定。廢黃河口北側(cè)侵蝕速率趨緩，廢黃河口南側(cè)到扁擔(dān)港之間侵蝕加劇了，雙洋港到射陽(yáng)河口岸段淤積逐漸減緩。射陽(yáng)河口往南岸線整體向海前進(jìn)，但是前進(jìn)幅度在逐年減小。

注：“-”表示侵蝕，“+”表示淤積

4 岸線變遷影響因素

4.1 自然因素

岸線變化的自然因素主要是泥沙供給和水動(dòng)力沖刷，海岸的侵蝕淤積是泥沙供給與動(dòng)力沖刷之間平衡的結(jié)果，泥沙供給能補(bǔ)償動(dòng)力沖刷的泥沙損失，岸線便處于穩(wěn)定，否則會(huì)海岸發(fā)生會(huì)侵蝕淤積。鹽城廢黃河口海岸原為古黃河入?？冢?855年黃河北歸，陸域供沙斷絕，沖淤平衡被打破，海岸在潮汐、波浪和風(fēng)暴潮的沖刷導(dǎo)致缺沙的海岸發(fā)生侵蝕。

目前鹽城海岸線自然因素為主引起的變化主要位于廢黃河口到射陽(yáng)河口岸段和新洋港至龍港岸段。海岸侵蝕最嚴(yán)重的區(qū)域位于廢黃河口南側(cè)的雙洋港和扁擔(dān)河口，該岸段雖然進(jìn)行了養(yǎng)殖圍堤，但受波浪風(fēng)暴潮影響，大量圍堤被沖垮，海岸線不斷改變后退，侵蝕造成的最大后退距離達(dá)到1700 m。扁擔(dān)河口北側(cè)(圖5a)，2017年相對(duì)1997年侵蝕后退750 m。雙洋港北側(cè)(圖5b)1997—2017年侵蝕導(dǎo)致岸線變化十分劇烈，2017年相比1997年岸線后退187 m；雙洋港南側(cè)(圖5c)2017年相對(duì)2012年侵蝕后退220 m。位于鹽城國(guó)家級(jí)珍禽自然保護(hù)區(qū)的新洋港至斗龍港岸段，由于禁止任何形式的建設(shè)開(kāi)發(fā)，主要是自然因素引起的海岸線來(lái)回?cái)[動(dòng)，擺動(dòng)幅度在-130～130 m之間。

圖5 典型岸段侵蝕嚴(yán)重年份的海岸線變化

4.2 人為因素

岸線變化的人為因素表現(xiàn)為農(nóng)業(yè)圍墾、港口與海岸防護(hù)工程的建設(shè)等人工構(gòu)筑物建設(shè)導(dǎo)致的岸線向海前進(jìn)和向陸后退。2017年鹽城海岸線人工岸線的比例達(dá)到38%，人工岸線類型以港口岸線，圍墾和防波堤為主。鹽城海岸的人類活動(dòng)以射陽(yáng)河口為界，北側(cè)以海岸防護(hù)工程為主，南側(cè)是以農(nóng)業(yè)圍墾為主，還包括濱海港、射陽(yáng)港、大豐港為中心港口建設(shè)岸線利用為主導(dǎo)致岸線的人工化。

廢黃河口北側(cè)修建了濱海防波堤，岸線保持穩(wěn)定，比如六合莊岸段護(hù)坡工程建設(shè)[19]，歷經(jīng)多次臺(tái)風(fēng)、風(fēng)暴潮，岸線仍然穩(wěn)定。港口建設(shè)主要為濱海港、射陽(yáng)港、大豐港港口的建設(shè)導(dǎo)致海岸線持續(xù)向海前進(jìn)，比如大豐港建設(shè)導(dǎo)致1997—2017年岸線向海推進(jìn)9.5 km，陸域面積增加59.09 km2(圖6)。

此外，由于鹽城南側(cè)為淤積型海岸，為圍墾提供了有利條件，圍墾加速了圍墾區(qū)潮灘淤積速率，改變了潮灘剖面形態(tài)，導(dǎo)致海岸線格局發(fā)生變化[20]。2010年由于受《江蘇沿海灘涂圍墾開(kāi)發(fā)利用規(guī)劃綱要》規(guī)劃的270萬(wàn)畝圍墾計(jì)劃的影響，該時(shí)期為填海造地最快的一個(gè)時(shí)期，工程建設(shè)導(dǎo)致人工岸線的快速向海推進(jìn)和岸線的平直化。比如條子泥圍墾工程自2002年開(kāi)始建設(shè)，圍墾增加面積增加到2017年的125 km2，自然岸線轉(zhuǎn)為人工岸線，人工岸線增加了22 km，岸線向海推進(jìn)最大10.78 km，圍墾速度達(dá)到6.85 km2/a(圖6)。

圖6 1997—2017年大豐港、梁垛河、條子泥圍墾情況

5 結(jié)論

利用1997、2002、2007、2012和2017年遙感影像數(shù)據(jù)提取了海岸線，結(jié)合數(shù)字海岸線分析系統(tǒng)，利用EPR模型定量計(jì)算了海岸線變遷速率，分析了岸線變化的驅(qū)動(dòng)力。結(jié)論如下：

(1)1997到2017年，鹽城海岸線長(zhǎng)度變化不大，但位置變化較大。20年來(lái)鹽城海岸線人工化程度在逐步增強(qiáng)。人工岸線由1997年264.10 km增加到2017年303.10 km。自然岸線以粉砂淤泥質(zhì)為主，人工岸線以港口岸線、養(yǎng)殖圍堤岸線為主，主要分布在濱海港、射陽(yáng)港、大豐港、王港河口和條子泥，以及四卯酉河南側(cè)、王港河南側(cè)區(qū)域。

(2)鹽城海岸線向岸后退與向海推進(jìn)并存。向岸后退岸段位于灌河口到射陽(yáng)河口之間，以廢黃河口為中心，南到射陽(yáng)河口，20年間平均變化率分別為-0.56 m/a和-0.35 m/a，廢黃河北側(cè)海岸侵蝕趨緩，南側(cè)侵蝕加劇。向海推進(jìn)岸段分布于射陽(yáng)河口南側(cè)，20年間平均變化率為140.6 m/a，每5年變化率為305.16 m/a、160.79 m/a、121.02 m/a和102.86 m/a，海岸淤長(zhǎng)速度在減緩，岸線向海推進(jìn)幅度在逐年減小，南北沖淤拐點(diǎn)向南擴(kuò)展至射陽(yáng)鹽場(chǎng)附近。

(3)鹽城海岸線變化是人為和自然因素的共同影響的結(jié)果。以射陽(yáng)河口為界，泥沙和動(dòng)力作用導(dǎo)致的海岸侵蝕是射陽(yáng)河口北側(cè)岸線向岸退縮的主要原因，農(nóng)業(yè)圍墾、港口建設(shè)和海岸防護(hù)工程的建設(shè)，是岸線人工化和向海推進(jìn)的主要原因。