1985—2020 年濱州和東營海岸線時空演變分析

王菡， 孫貴芹， 李雪飛， 劉寧， 魏瀟， 聶超輝， 孫偉， 徐艷東*

(1.山東省海洋資源與環(huán)境研究院， 山東省海洋生態(tài)修復(fù)重點實驗室， 煙臺 264006； 2.上海海洋大學(xué)海洋科學(xué)學(xué)院， 上海 201306； 3.臨沂市自然資源開發(fā)服務(wù)中心， 臨沂 276000)

海岸帶是陸地和海洋之間的過渡地帶，是典型的生態(tài)交錯帶和脆弱區(qū)，更是人類開發(fā)利用強度最高的區(qū)域之一[1]。海岸線是多年平均大潮高潮位形成的痕跡線[2]，劇烈的變化直接給潮間帶灘涂資源量、海岸帶環(huán)境以及沿海地區(qū)人民的生存和發(fā)展帶來諸多問題，其時空演變及未來發(fā)展的研究已成為中外學(xué)者關(guān)注的焦點[3-6]。20世紀(jì)海岸線變化監(jiān)測主要依托航空攝影測量技術(shù)和歷史地圖資料，21世紀(jì)以來機載雷達(dá)、遙感和地理信息系統(tǒng)(geographic information system，GIS)逐漸成為主要監(jiān)測手段[7]。

一般所稱的“黃河三角洲”多指近代黃河三角洲，是由黃河挾帶泥沙形成的沖積平原[8]，三角洲呈扇形，頂點為墾利寧海，北起套爾河口，南至支脈溝口[9]。近年來，在自然環(huán)境變化和人類活動的雙重作用下，黃河口岸線侵蝕淤積變化更為明顯，給黃河三角洲開發(fā)與保護帶來了很大的挑戰(zhàn)[10]，其海岸線演變得也到了眾多學(xué)者的關(guān)注。Fan等[11]分析了調(diào)水調(diào)沙以來三角洲岸線動態(tài)變化，發(fā)現(xiàn)冬季現(xiàn)行流路河口三角洲發(fā)生侵蝕；Jiang等[12]分析了在人類活動和自然條件的共同影響下黃河三角洲1977—2005 年不同階段呈現(xiàn)出不同演變格局；程慧等[13]采用遙感及數(shù)理統(tǒng)計的方法揭示了1976—2014 年孤東近岸海域沖淤演變過程及其影響因素；王奎峰等[14]采用一般高潮線法提取了1976—2014 年不同時期的黃河三角洲海岸線并對其變化特征進行了分析。目前，黃河三角洲的研究主要集中在不同時空范圍的海岸線變遷以及海岸線變遷與水沙的關(guān)系等，鮮見針對港口碼頭和防波堤等類型岸線變化的系統(tǒng)研究。

濱州和東營兩市位于黃河三角洲高效生態(tài)經(jīng)濟區(qū)，大部分區(qū)域?qū)儆邳S河三角洲，近年來隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，其海岸線長度和類型發(fā)生了較大變化。本研究基于遙感和GIS技術(shù)，運用人工矢量化方法提取海岸線，聚焦1985—2020 年研究時段，通過8 期歷史遙感影像對濱州和東營兩市海岸線進行遙感解譯分析，掌握海岸線時空變化特征及驅(qū)動因素，并重點關(guān)注35年來研究區(qū)域的港口碼頭、防波堤及入海口岸線的時空變化過程，以期為海洋空間資源節(jié)約集約利用、黃河流域生態(tài)保護與發(fā)展提供相應(yīng)的科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)資料

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域位于山東半島北部，包括濱州市和東營市的陸域及近岸海域，地理位置如圖1所示，總面積為17 843 km2。研究區(qū)位于黃河三角洲高效生態(tài)經(jīng)濟區(qū)和環(huán)渤海經(jīng)濟圈，區(qū)位優(yōu)越且資源豐富，分布有東營港和濱州港兩個山東省的區(qū)域性重要港口，海岸開發(fā)活動較為活躍。

1.2 遙感數(shù)據(jù)來源與處理

選用美國陸地衛(wèi)星Landsat系列影像數(shù)據(jù)，自1985—2020 年每5年為一期共選取8 個時相，在保證影像質(zhì)量的前提下，盡量選擇大潮高潮時期且無云霧遮擋的影像數(shù)據(jù)，如表1所示。所有時相的遙感影像均在ENVI中進行預(yù)處理，校正配準(zhǔn)的誤差在半個像元內(nèi)，采用標(biāo)準(zhǔn)假彩色顯示，以便更容易識別影像數(shù)據(jù)，并將行政區(qū)劃矢量數(shù)據(jù)、2005 年SPOT影像、Google Earth高清影像和野外實測數(shù)據(jù)等作為岸線提取的輔助數(shù)據(jù)，以提高解譯精度。

圖1 研究區(qū)地理位置Fig.1 Location of the study area

表1 遙感影像數(shù)據(jù)信息Table 1 Remote sensing image data information

1.3 研究方法

1.3.1 海岸線提取原則及方法

根據(jù)不同類型海岸線解譯標(biāo)志，研究區(qū)海岸線類型主要有淤泥質(zhì)岸線、人工岸線和河口岸線。提取原則及解譯標(biāo)志如表2所示。

表2 海岸線分類體系表Table 2 Classification of coastline

基于ArcGIS軟件并根據(jù)不同類型海岸線在遙感影像上的特征，參考Google Earth和野外實測數(shù)據(jù)等輔助資料通過人工目視解譯獲取海岸線的位置。為保證前后兩個時期未變動海岸線位置的一致性，綜合2005 年Landsat和SPOT影像數(shù)據(jù)，通過目視解譯提取2005 年的海岸線數(shù)據(jù)，其他7 個時期的海岸線數(shù)據(jù)均以2005年矢量數(shù)據(jù)作為本地數(shù)據(jù)，只對發(fā)生變化的區(qū)域進行重繪，有效避免不同分辨率和時相的遙感影像進行岸線提取時出現(xiàn)的“雙眼皮”現(xiàn)象。

1.3.2 海岸線提取誤差分析

通常，通過遙感影像獲取的岸線受人為因素影響較大，結(jié)果與真實岸線存在差異[18]。采用較為通用的推論評估法對海岸線提取結(jié)果進行質(zhì)量評估[19]，分析岸線提取過程可能存在的誤差項，計算綜合[20]，其計算公式為

(1)

式(1)中：U表示綜合誤差，Er、Ed、Ep、Etd、Es分別為校正誤差、數(shù)字化誤差、像元誤差、潮差誤差、季節(jié)誤差。影像在校正時誤差控制在半個像元內(nèi)；海岸線的數(shù)字化嚴(yán)格按照解譯標(biāo)志來完成；保證海岸線屬性判對率；同時像元誤差控制在一個像元以內(nèi)。由于研究區(qū)大部分是人工岸線，且有淤泥質(zhì)岸線的黃河口為弱潮型河口，潮位對海岸線提取影響較小，研究選取的數(shù)據(jù)為同一個季節(jié)的遙感影像，故潮差誤差和季節(jié)性誤差可忽略不計。8期研究數(shù)據(jù)均為30 m分辨率的影像，該分辨率影像線要素提取的最大允許誤差為28.28 m[16]，結(jié)合野外實地勘測GPS數(shù)據(jù)，岸線誤差小于最大允許誤差，精度可滿足研究的需要。

1.3.3 海岸線長度變化強度

海岸線長度變化強度(length change intensity，LCI)是某一時間內(nèi)岸線長度年均變化百分比，分析岸線長度變化速度的差異[21]，其計算公式為

(2)

式(2)中：LCIij為第i年至第j年海岸線長度變化強度；Li為第i年海岸線的長度；Lj為第j年海岸線長度。

1.3.4 海岸線多樣性

海岸線類型多樣性指數(shù)(index of coastline type diversity，ICTD)可體現(xiàn)岸線開發(fā)方式的多樣性[22]，其計算公式為

(3)

式(3)中：Li為第i年海岸線的長度；n為海岸線類型的個數(shù)。ICTD越接近1，表明岸線類型越復(fù)雜，多樣性較高；ICTD越接近0，表明岸線類型越簡單，多樣性較低。

1.3.5 海岸線利用強度

海岸線利用程度綜合指數(shù)(index of coastline utilization degree，ICUD)表示海岸線受人為作用的影響程度[22]。參照土地利用程度綜合指數(shù)計算方法[23]，根據(jù)人類活動對海岸線的干擾程度，對不同類型的海岸線賦予不同的人為作用強度指數(shù)：淤泥質(zhì)岸線=河口岸線=1，防波堤=2，養(yǎng)殖圍堤=鹽田圍堤=3，建設(shè)圍堤=港口碼頭=交通圍堤=4。其計算公式為

(4)

式(4)中：n為海岸線的類型個數(shù)；Ai為第i種類型海岸線對應(yīng)的人力作用強度指數(shù)；Ci為第i種類型海岸線的長度百分比。ICUD越大，表示海岸線受人為作用的影響越大。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 海岸線長度時空變化

1985—2020 年海岸線提取情況如圖2所示，岸線長度變化情況如表3所示。從時間上來看，研究區(qū)岸線長度總體呈增長趨勢，由1985 年的667.16 km增加到2020 年的995.19 km，35年來共增加328.03 km，年均增加9.37 km。統(tǒng)計結(jié)果顯示，岸線長度僅在2000—2005 年長度有所減少，其中濱州段從2000 年的235.78 km減少到2005 年的135.41 km，主要原因為自然岸線以“截彎取直”的方式轉(zhuǎn)化成了人工岸線，岸線變得較為平直，曲折度降低。2005—2020 年是海岸線增長的集中時期，岸線長度共增加254.69 km，年均增加16.98 km，增長的主要原因是人為建設(shè)導(dǎo)致的岸線向海擴張，同時黃河攜帶大量泥沙入海致使入?？诋a(chǎn)生明顯的淤積，使得岸線長度增加[24]。

海岸線長度變化強度如圖3所示，1985—2020 年年均變化強度為1.40%，變化強度呈現(xiàn)先增高后下降，而后再增高又下降的特點。岸線長度1985—2000 年為增長階段，該時段是圍海養(yǎng)殖擴張時期；2000—2005 年為減少階段，變化強度為-1.48%，自然岸線轉(zhuǎn)變?yōu)槿斯ぐ毒€并向海推進，岸線曲折度降低；最高年變化強度出現(xiàn)在2005—2010 年時間段，變化強度為3.61%，該時期為岸線快速增長階段，最大驅(qū)動因素是人工岸線迅速增加；2010—2020 年為岸線緩慢增長階段，主要原因為該時期圍海養(yǎng)殖活動大幅減少。總體來說，研究區(qū)岸線增長的最大驅(qū)動因素是人類活動，除了大量養(yǎng)殖圍堤岸線的修建，濱州港和東營港的港口碼頭及防波堤建設(shè)在研究區(qū)岸線變化中均具有重要影響。

圖2 1985—2020年研究區(qū)海岸線長度變化Fig.2 Changes in the length of the coastline of the study area from 1985 to 2020

圖3 1985—2020年研究區(qū)海岸線長度變化強度Fig.3 Change intensity of coastline length in the study area from 1985 to 2020

2.2 海岸線結(jié)構(gòu)變化

海岸線結(jié)構(gòu)指某一區(qū)域不同類型岸線的長度比例，能夠反映多種作用影響下不同類型岸線的狀態(tài)[25]。在不同研究期，各類型海岸線分布及所占研究區(qū)的比重也不同如圖4和圖5所示。

統(tǒng)計結(jié)果表明，1985 年海岸線主要以淤泥質(zhì)岸線為主，占總長度的76.28%，至2020 年發(fā)展為以人工岸線為主，占岸線總長度的83.15%。35年間淤泥質(zhì)岸線的比重減少了59.9個百分點，主要是大量自然岸線被開發(fā)為人工岸線；河口岸線整體趨于平穩(wěn)狀態(tài)，岸線長度和位置未發(fā)生較大改變；研究區(qū)鹽田圍堤岸線占岸線總長度的最高比例為5.07%，最少時是2005年無此類型岸線；建設(shè)圍堤岸線分布在黃河口的北部，占岸線總長度的最高比例為17.37%；交通圍堤岸線整體變化不大；1985—2005 年為圍海養(yǎng)殖擴張期，養(yǎng)殖圍堤岸線長度持續(xù)增長，2005—2020 年養(yǎng)殖圍堤岸線比重有所減少，但仍為占比最大的類型，該類型岸線主要分布在研究區(qū)北部和黃河口南部；港口碼頭岸線在35年間由9.47 km增加到158.20 km，岸線所占比例由1.42%增加到15.90%，自2005 年起增長明顯，原因是濱州港和東營港的建設(shè)，其中，濱州港自2007 年開始大規(guī)模開發(fā)建設(shè)，東營港始建于1984 年，但由于航道和港池淤積使得前期建設(shè)緩慢，自2010 年起開始大規(guī)模開發(fā)建設(shè)；防波堤是保護沿海港口不可少的工程，隨著港口碼頭建設(shè)，防波堤工程也配套跟進，使得防波堤岸線不斷增長，所占岸線比例從1985 年的7.89%增加到2020 年的22.85%。綜上，養(yǎng)殖圍堤岸線、港口碼頭岸線和防波堤等人類活動是導(dǎo)致人工岸線長度和比例增加的主要原因。

表3 1985—2020年研究區(qū)分區(qū)域海岸線長度統(tǒng)計Table 3 Statistics on the length of coastline in the study area from 1985 to 2020

圖4 1985—2020年研究區(qū)海岸線類型變化圖Fig.4 Changes of coastline types in the study area from 1985 to 2020

圖5 1985—2020年研究區(qū)各類型海岸線長度比例Fig.5 Proportion of various types of coastline in the study area from 1985 to 2020

2.3 海岸線多樣性和利用強度

海岸線類型多樣性指數(shù)(ICTD)和岸線利用程度綜合指數(shù)(ICUD)變化情況如圖6所示。結(jié)果表明，35年間ICTD平均在0.4以上，且呈先增加后減少再增加的特點。ICUD呈現(xiàn)先增加后減少的特點，減少不明顯，由1985 年的145.98增加到2010 年的271.84而后再減少到2020 年的268.30，人類活動對海岸線變遷的干擾作用在增大。1985—1995 年ICTD和ICUD持續(xù)增加，表明岸線類型復(fù)雜化，且人類干擾作用加大，這是由于養(yǎng)殖圍堤和建設(shè)圍堤岸線長度的增長，使得岸線多樣性增加；ICTD在2000 年和2005 年略微下降后又上升，原因為人工岸線長度不斷增加；ICUD在1985—2010 年大幅度升高，表明海岸線受人為影響的作用變大，主要為人工岸線比例持續(xù)增長，其他類型岸線長度減少，ICUD在2015 年和2020 年有所降低，該時期自然岸線(淤泥質(zhì)岸線)占比有所增加。

圖6 1985—2020年研究區(qū)海岸線類型多樣性指數(shù)和利用程度綜合指數(shù)變化Fig.6 Changes diversity index and comprehensive utilization index of coastline in the study area from 1985 to 2020

2.4 黃河口岸線時空變化

河口是海洋和陸地相互作用、物質(zhì)交換最頻繁的地區(qū)[26]，日益加劇的人類活動對河口海岸地區(qū)的生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生了很大影響。黃河口在自然和人為因素影響下曾多次改道，致使黃河三角洲海岸線演變更加劇烈和復(fù)雜，重點從刁口河段和入?？诙畏治鳇S河口1985—2020年的海岸線變遷。如圖7所示，1976 年黃河經(jīng)人工改道由清水溝入海，原刁口河流路廢棄，清水溝廢棄流路是1976—1996 年入海流路，后于1996 年經(jīng)人工改道由清8斷面入海，現(xiàn)行流路清8斷面是由清水溝廢棄流路改道[27]。

圖7 黃河口流路變遷圖Fig.7 Map of river course change of the Yellow River Estuary

1985—2020 年刁口河段岸線變遷情況如圖8(a)所示。1985—1995 年間海岸線以海洋侵蝕為主，大幅度向內(nèi)陸蝕退。1976 年黃河改道清水溝，刁口河流路廢棄在失去泥沙補給和海水侵蝕的雙重作用下，該流路附近海岸線發(fā)生不同程度的蝕退，蝕退較厲害的是刁口河?xùn)|側(cè)。在2005—2020 年岸線有輕微的淤進狀態(tài)，原因是自2010 年起實施了黃河三角洲生態(tài)調(diào)水，刁口河流路恢復(fù)過水，為該段帶來了泥沙。整體來說，35年來刁口河段的海岸線先向陸侵蝕而后再向海淤進，侵蝕速度大于淤進速度。

入?？诙畏譃榍逅疁蠌U棄流路和現(xiàn)行流路清8斷面兩個部分，如圖8(b)所示，1985—2020 年不同時段的沙嘴海岸線變化形態(tài)不同。入?？谇逅疁蠌U棄流路在1985—2000 年海岸線不斷向海擴張，且淤進較為明顯。黃河自1976 年改道清水溝流路，黃河攜帶大量泥沙，致使南部沙嘴不斷地向東擴張淤進。1996 年經(jīng)人工改道清8斷面流路后，北部開始出現(xiàn)形成入海口現(xiàn)行流路清8斷面。南部區(qū)域因失去了泥沙補給，岸線向陸蝕退比較嚴(yán)重，北部因黃河入海帶來大量泥沙，淤積程度明顯。

2.5 海岸線時空變化驅(qū)動因素分析

研究區(qū)在1985—2020 年間海岸線發(fā)生了明顯的變化，主要表現(xiàn)為向海擴張，海岸線總長度約增加了328.03 km，受到了自然因素和人為因素的雙重影響，自然因素主要為河口淤積和蝕退，人為因素為圍海養(yǎng)殖、港口碼頭建設(shè)和防波堤建設(shè)等。

(1)河口淤積和蝕退等自然因素。在35年海岸線變化過程中，自然岸線變化以黃河口較為顯著，黃河尾閭河道擺動使得入?？谖恢冒l(fā)生改變，其岸線演變受到黃河水沙條件的影響較大。刁口河流路在黃河改道后失去泥沙補給，該段岸線呈現(xiàn)蝕退現(xiàn)象，自2002 年實施黃河三角洲生態(tài)調(diào)水，該流路恢復(fù)過水并帶來泥沙，有輕微淤進，但整體蝕退大于淤進。入?？诙文喜繀^(qū)域在1985—2010 年淤積明顯，岸線快速向海推進，2010 年左右入?？谙虮睌[動，北部區(qū)域沙嘴急劇擴張，南部區(qū)域沙嘴失去泥沙補給出現(xiàn)蝕退現(xiàn)象。

圖8 1985—2020年刁口河和入海口段海岸線變化Fig.8 Changes in the coastline of the Diaokou River and its estuary from 1985 to 2020

(2)圍海養(yǎng)殖、港口碼頭和防波堤建設(shè)等人為因素。與自然因素相比，人為因素對研究區(qū)的海岸線變化影響較大。35年來人工岸線占岸線總長度的比例由22.95%增加到83.15%，海岸開發(fā)活動主要呈現(xiàn)為以圍海養(yǎng)殖為主向圍海養(yǎng)殖、港口碼頭、防波堤為主轉(zhuǎn)變的特征。研究區(qū)有豐富的灘涂資源，適合養(yǎng)殖，1985—2005 年是圍海養(yǎng)殖擴張期，主要是灘涂轉(zhuǎn)變?yōu)閲鷫B(yǎng)殖用地，養(yǎng)殖圍堤岸線占岸線總長度的比例由6.15%增加到45.25%，期間建設(shè)了位于黃河入?？诒眰?cè)沿岸的孤東海堤，保障了研究區(qū)內(nèi)油田生產(chǎn)活動。2005—2015 年是填海造地擴張期，受城市化進程和海洋經(jīng)濟快速發(fā)展的驅(qū)動，研究區(qū)內(nèi)的濱州港和東營港都得到了大規(guī)模開發(fā)建設(shè)，防波堤工程也配套跟進，港口碼頭岸線和防波堤岸線所占比例不斷增加，岸線不斷向海擴張，曲折度升高。2018 年國家出臺最嚴(yán)圍填海管控措施，大規(guī)模圍填?；顒拥玫娇刂?，研究區(qū)2015—2020 年研究區(qū)岸線總體上增加不明顯。

2.6 海岸線長度和類型討論

目前學(xué)界較為認(rèn)可的海岸線定義方法有兩種，一種是將最大潮高潮所形成的海陸分界痕跡線作為海岸線位置[28]；另一種是將海岸線限定為平均大潮高潮時形成的痕跡線[29]。2019 年山東省發(fā)布的《海岸線調(diào)查技術(shù)規(guī)范》中，海岸線定義采用第二種方法，岸線類型包括自然岸線(基巖岸線、砂質(zhì)岸線、粉砂淤泥質(zhì)岸線)、人工岸線和其他岸線(河口岸線、具有自然岸灘形態(tài)和生態(tài)功能的海岸線)[30]。在提取研究區(qū)海岸線時，采用最大潮高潮線法并將最大潮高潮露出水面的狹長形港口堤壩視為海岸線，為減小誤差，在收集影像數(shù)據(jù)時盡可能保證季節(jié)時間一致，另外由于遙感影像分辨率的限制，未考慮具有自然岸灘形態(tài)和生態(tài)功能的海岸線，所以本文提取的海岸線長度和類型與行政部門公布的長度和類型存在一定的差異。

3 結(jié)論

以濱州和東營兩市陸域和近岸海域作為研究區(qū)，基于遙感和GIS技術(shù)提取1985—2020 年海岸線，分析了研究區(qū)35年間海岸線的時空變化特征及驅(qū)動因素，得到如下主要結(jié)論。

(1)研究區(qū)35年間海岸線變化形式表現(xiàn)為向海擴張和向陸縮減，以向海擴張為主。

(2)研究區(qū)35年間海岸線向陸縮減，主要由于淤泥質(zhì)岸線的縮減，1976 年和1996 年黃河入海流路發(fā)生兩次大的變化，原入海口入海泥沙大量減少致使廢棄流路岸線受到侵蝕。

(3)從岸線類型上看，自然岸線主要為淤泥質(zhì)岸線，且該岸線長度不斷減少。在人工岸線中養(yǎng)殖圍堤岸線最多，養(yǎng)殖圍堤是研究區(qū)最重要的海域開發(fā)利用方式。2005 年以來港口和防波堤類型的海岸線快速增長，分別由2005 年的20.22 km和69.17 km增加到2020 年的158.20 km和237.45 km。

(4)研究區(qū)35年間黃河口海岸線的變遷呈明顯時空差異性，岸線變化的最大驅(qū)動因素是受黃河入?？诹髀纷冞w影響，廢棄流路受侵蝕導(dǎo)致岸線蝕退，現(xiàn)行流路的海岸線不斷向海淤進。