1986-2019 年粵東企望灣砂質(zhì)海岸線演變過程與驅(qū)動機制研究

朱蘿云，劉婷婷，凡仁福，丁圓婷，于吉濤, *

(1.河南理工大學(xué) 測繪與國土信息工程學(xué)院，河南 焦作 454000；2.海南省海洋與漁業(yè)科學(xué)院，海南 ?？?571126；3.海南師范大學(xué) 地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，海南 ?？?571158)

1 引言

全球變暖、海平面上升、海岸線后退之間存在著密切的關(guān)系，因此，海岸線被視為研究全球氣候變化重要且靈敏的“窗口”。例如，Barnard 等[1]分析了1979-2012 年環(huán)太平洋海盆48 個海灘的海岸線數(shù)據(jù)、波候數(shù)據(jù)和當(dāng)?shù)厮粩?shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)岸線侵蝕具有差異性，與厄爾尼諾-南方濤動（El Ni?o-Southern Oscillation,ENSO）的關(guān)系最為緊密。Carvalho 等[2]將1986-2018 年Landsat 影像獲取的海岸線位置數(shù)據(jù)與當(dāng)?shù)氐牟ê驍?shù)據(jù)關(guān)聯(lián)起來，證實了海岸線的年際變化與拉尼娜年發(fā)生的能量更高的風(fēng)暴事件關(guān)系更緊密。已有的研究指出，在某一時間上的海岸線位置是所有長期過程和短期過程累積的結(jié)果[3-4]，不僅包括短期的波、潮、流等過程和長期的海平面變化和河流輸沙量等因素，還包括人類活動的影響。因此，海岸線蘊含著重要的過程信息、氣候變化信息和人類活動信息，研究海岸線的變化過程并試圖揭示造成變化的驅(qū)動因素或機制是當(dāng)前研究的重點[4-6]。

目前，國內(nèi)外海岸線變化的研究主要使用歷史地圖、海圖、航空像片、衛(wèi)星遙感影像、現(xiàn)場GPS 調(diào)查等數(shù)據(jù)源，其中Landsat 系列衛(wèi)星影像得到了越來越多的應(yīng)用[7-10]。大部分研究通過提取多期（少于10 期）岸線位置數(shù)據(jù)，對生成的斷面使用端點速率（End Point Ratio,EPR）方法、線性回歸（Linear Regression Rate,LRR）方法、加權(quán)線性回歸（Weighted Liner Regression,WLR）方法等量化岸線的侵蝕或淤積速率[7,11-12]。而這樣處理可能產(chǎn)生了如下的疑問：（1）當(dāng)可用數(shù)據(jù)較多時，不同的時段是基于岸線的時間變化分析挑選出來的還是隨機挑選出來的？（2）所劃分的時段能否準(zhǔn)確刻畫海岸線的變化過程？（3）當(dāng)采用兩種或多種不同的速率計算方法（例如EPR 和LRR）時，哪種方法的結(jié)果更可靠？本質(zhì)上，EPR、LRR 和WLR 方法都假設(shè)海岸線位置隨時間恒定、勻速變化，認(rèn)為海岸線變化表現(xiàn)為線性行為。然而，海岸線特有的變化性以及偶爾發(fā)生的極端事件或人類活動又決定了這種情況極少發(fā)生[13]。例如，F(xiàn)enster 等[3]為了解海岸線演變的非線性行為，使用最小描述長度（Minimum Description Length,MDL）標(biāo)準(zhǔn)判別歷史岸線變化速率中是否發(fā)生顯著變化和什么時候發(fā)生顯著變化。Fenster 和Dolan[13]使用該方法將美國大西洋中部海岸線的大尺度趨勢逆轉(zhuǎn)（非線性變化）歸因于溫帶風(fēng)暴的頻率和等級。當(dāng)前，國內(nèi)大部分研究主要集中在對空間大尺度（全國、區(qū)域或省域）海岸線演變基本特征及驅(qū)動因素的研究[10,14-17]，且更加偏向于人類活動的影響。但人類活動（例如海岸建筑等）如何影響鄰近海岸線的演變、影響多大范圍等問題目前尚缺乏關(guān)注。

基于此，本文以粵東企望灣作為研究對象，通過提取1986-2019 年Landsat 影像（共113 景）所有可用的高潮海岸線，分析企望灣長期演變的侵蝕、淤積過程；使用線性擬合和多項式擬合方法并嘗試引入Mann-Kendall 檢驗方法，闡明海岸線演變的線性行為或非線性行為，揭示企望灣海灘演變的控制機制以及海岸工程如何影響岸線演變；同時，使用了2015-2019 年的實測剖面數(shù)據(jù)，證實企望灣近期發(fā)生的顯著淤積和侵蝕現(xiàn)象。相關(guān)研究結(jié)果對于預(yù)測未來岸線的演變和管理岸線侵蝕風(fēng)險具有重要的意義。

2 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)源

2.1 研究區(qū)概況

企望灣位于廣東省汕頭市南部（23°09′～23°14′N，116°38′～116°47′E），東起馬耳角，西至海門角，整體呈弧形，灣口朝東南開敞，從北部汕頭內(nèi)港牛田洋分汊達(dá)濠溪注入灣頂（圖1）。濠溪含沙量少，徑流輸沙量少[18]，河流供沙對海灣演變的影響有限。海灣偏西側(cè)存在1 個小型基巖岬角（虎仔山），將海灣劃分為西側(cè)海灘和東側(cè)海灘，其中虎仔山西側(cè)岸段被開發(fā)為旅游沙灘。企望灣潮汐屬于不規(guī)則半日潮，平均潮差約為1.22 m，屬于弱潮海岸。潮流運動為往復(fù)流，漲潮流向為E-ESE，落潮流向為W-WSW，漲潮歷時長于落潮歷時，平均流速為25～30 cm/s，最大流速為40～60 cm/s，潮流作用較弱[19]。影響海灣的波浪以風(fēng)浪為主，常浪向與常風(fēng)向（E-ENE）一致，但進(jìn)灣后往往發(fā)生繞射和折射，抵達(dá)口門附近的波浪幾乎全為SWS向；平均波高為0.79 m，平均最大波高為0.92 m，平均周期為7.7 s[18]。研究區(qū)夏、秋季節(jié)多臺風(fēng)，會對砂質(zhì)海岸線的短期過程產(chǎn)生顯著影響。企望灣為粵東海岸典型的岬灣砂質(zhì)海灘，海岸線演變（或海岸侵蝕）受岬灣海岸控制的特點顯著[20]。另外，海灣西東兩側(cè)分別于2007 年和2012 年建設(shè)了海岸工程，又對海岸線演變施加了顯著的人為影響。近年來虎仔山東側(cè)南山岸段年最大侵蝕距離為14.0 m，年平均侵蝕距離為8.0 m[21]。上述特點表明，以企望灣作為研究對象開展海岸線演變過程與驅(qū)動機制研究具有典型性和代表性。

圖1 研究區(qū)位置和等深線、剖面布設(shè)Fig.1 Location of the study area,and its bathymetric contours and profile arrangement

2.2 數(shù)據(jù)源

本研究數(shù)據(jù)源主要包括1986-2019 年113 景Landsat 系列陸地衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)和2015-2019年夏季企望灣4 次現(xiàn)場觀測的12 條剖面數(shù)據(jù)。Landsat 影像數(shù)據(jù)來自地理空間數(shù)據(jù)云（http://www.gscloud.cn）和美國地質(zhì)調(diào)查局官方網(wǎng)站（https://earthexplorer.usgs.gov），選擇行/列號為120/44，影像分辨率為30 m，云量低于20%且研究區(qū)無云、陰影和條帶覆蓋的影像。113 景影像成像時刻介于01:44:17-02:42:02，主要集中在02:00-02:30（GMT+8 10:00-10:30）。成像時刻潮高皆低于多年平均高潮位（圖2）。

圖2 使用的Landsat 陸地衛(wèi)星影像成像時刻潮高Fig.2 Landsat series satellite images available and tidal heights at the time of imaging

此外，本文使用了2015-2019 年夏季企望灣4 次現(xiàn)場觀測的12 條海灘剖面（P01-P12）（圖1）數(shù)據(jù)。觀測期間，使用合眾思壯RTK-GPS（國家2000 坐標(biāo)系）沿每條剖面從后濱固定點測至當(dāng)日低潮位時的涉水最深處（圖3），同時在潮間帶上部和下部各采集表層泥沙樣品1 個。

圖3 2015-2019 年夏季企望灣4 條海灘剖面地形變化情況Fig.3 The morphological changes of four beach profiles at the Qiwang Bay in the summers of 2015 to 2019

3 研究方法

3.1 高潮海岸線提取

實際應(yīng)用中對遙感海岸線提取較精確的方法一般有兩種：一種是基于計算機自動提取瞬時水邊線，然后進(jìn)行潮位校正得到平均大潮高潮線[22-23]；另一種是根據(jù)岸線特征與野外調(diào)查經(jīng)驗進(jìn)行人工目視解譯提取高潮海岸線[5-6,12,24]。前者假定潮間帶海灘坡度保持不變，通過兩期遙感海岸線和潮位之差推算出海灘坡度。然而，砂質(zhì)海灘實際的潮間帶坡度是變化的。大部分情況下海灘剖面呈上凹形，即在低潮位附近坡度小，向陸側(cè)坡度逐漸增加，這些情況都表明潮位校正方法未必可靠。另外，圖2 所示的113 景遙感影像成像時的潮高不同且都低于多年平均高潮位，表明提取瞬時水邊線也不可靠；因此，本文采用目視解譯以光譜反射率不同的亮白干沙區(qū)域與灰暗潮間帶的分界線作為解譯標(biāo)志分別提取了113 景高潮海岸線[13,25]。在ENVI 5.3 平臺下，對遙感影像進(jìn)行裁剪、輻射定標(biāo)、大氣校正等預(yù)處理。然后，在ArcGIS 平臺下對TM 和ETM+影像采用第5 波段、第4 波段、第3 波段分別定義R（紅）、G（綠）、B（藍(lán)）進(jìn)行假彩色合成提取高潮海岸線，對Landsat OLI 影像采用第4 波段、第5 波段、第6 波段的波段組合方式提取高潮海岸線。

3.2 基于斷面的速率計算和擬合方法

本文使用了美國地質(zhì)調(diào)查局推薦的數(shù)字岸線分析系統(tǒng)（Digital Shoreline Analysis System,DSAS）在ArcGIS 平臺下自西向東生成了224 條斷面（斷面間距50 m），其中，西側(cè)海灘標(biāo)記為T01-T167，東側(cè)海灘標(biāo)記為T168-T224。對于每一條斷面的岸線速率計算，本文采用了EPR 和LRR 方法[26]。此外，為了進(jìn)一步研究海岸線的變化過程，本文提取了每一條斷面上所有的岸線位置數(shù)據(jù)（113 個），分別采用線性擬合方法（y=ax+b）和二階多項式擬合方法（y=ax2+bx+c）判斷海岸線變化的線性行為或非線性行為。

3.3 Mann-Kendall（M-K）檢驗

Mann-Kendall（M-K）檢驗方法是檢驗長時間變化趨勢的有效方法之一，優(yōu)點是樣本不需要遵循某一特定的分布，受異常值的影響小。該方法在水文、氣象學(xué)中得到了廣泛應(yīng)用。為了深入探究企望灣海岸線較長期的演變過程與趨勢變化，本文嘗試引入MK 檢驗進(jìn)一步揭示海岸線演變的線性行為或非線性行為，尤其關(guān)注趨勢逆轉(zhuǎn)或顯著變化（例如侵蝕到淤積的轉(zhuǎn)換、淤積加速或侵蝕加速等），其計算原理見文獻(xiàn)[27]。

4 結(jié)果

4.1 長期海岸線變化特征

通過EPR 和LRR 方法計算了1986-2019 年企望灣海岸線的進(jìn)退情況（圖4）。EPR 方法的結(jié)果（圖4a）表明，108 條斷面發(fā)生侵蝕（占48.2%），116 條斷面發(fā)生淤積（占51.8%）。龍頭山東側(cè)（T01-T07 斷面）發(fā)生淤積，平均淤積速率為0.4 m/a，最大淤積速率為0.5 m/a（T03 斷面）；競海村至中海度假區(qū)岸段（T08-T111 斷面）發(fā)生侵蝕，平均侵蝕速率為1.1 m/a，最大侵蝕速率為2.2 m/a（T38 斷面）；虎仔山西側(cè)（T112-T167 斷面）發(fā)生淤積，平均淤積速率為2.3 m/a，最大淤積速率為5.5 m/a（T166 斷面）。南山岸段（T168-T181 斷面）發(fā)生侵蝕，平均侵蝕速率為1.8 m/a，最大侵蝕速率為2.8 m/a（T168 斷面）；西嶼西側(cè)（T182-T224 斷面）發(fā)生淤積，平均淤積速率為4.0 m/a，最大淤積速率為5.7 m/a（T202 斷 面）。LRR 方法的結(jié)果（圖4b）則表明，共有113 條斷面發(fā)生侵蝕（占50.4%），111 條斷面發(fā)生淤積（占49.6%）。龍頭山東側(cè)（T01-T14 斷面）發(fā)生淤積，平均淤積速率為0.8 m/a，最大淤積速率為1.4 m/a（T01 斷面）；競海村至中海度假區(qū)岸段（T15-T115 斷面）發(fā)生侵蝕，平均侵蝕速率為1.0 m/a，最大侵蝕速率為1.7 m/a（T36 斷面）；虎仔山西側(cè)（T116-T167 斷面）發(fā)生淤積，平均淤積速率為1.3 m/a，最大淤積速率為2.9 m/a（T166 斷面）。南山岸段（T168-T179 斷面）發(fā)生侵蝕，平均侵蝕速率為1.3 m/a，最大侵蝕速率為2.1 m/a（T168 斷面）；西嶼西側(cè)（T180-T224 斷面）發(fā)生淤積，平均淤積速率為3.1 m/a，最大淤積速率為4.5 m/a（T203 斷面）。

圖4 1986-2019 年企望灣海岸線進(jìn)退情況Fig.4 Shoreline advance and recession of the Qiwang Bay during 1986 to 2019

綜上所述，EPR 和LRR 方法都揭示了研究區(qū)近30 年來在沿岸自西向東方向上所經(jīng)歷的“淤積-侵蝕-淤積-侵蝕-淤積”的空間變化特征，僅從結(jié)果本身，無法評價孰優(yōu)孰劣。兩種方法所得到的趨勢基本一致，但侵蝕岸段與淤積岸段的轉(zhuǎn)換位置存在差異，平均或最大侵蝕和淤積速率也不同。

4.2 不同時段海岸線變化特征

圖5 給出了企望灣不同時段海岸線的侵蝕或淤積情況。其中，1986-1995 年間發(fā)生淤積的岸段有中海度假區(qū)岸段（T53-T56 斷面、T108-T137 斷面）、虎仔山西側(cè)（T141-T167 斷面）、西嶼西側(cè)（T181-T211 斷面），共93 條斷面，平均淤積速率為1.9 m/a；虎仔山西側(cè)T149 斷面出現(xiàn)最高的淤積（5.4 m/a），西嶼西側(cè)T190 斷面出現(xiàn)次高的淤積（4.5 m/a）。其他131 條斷面發(fā)生侵蝕，平均侵蝕速率為1.7 m/a；龍頭山東側(cè)T01 斷面出現(xiàn)最高的侵蝕（5.9 m/a），西嶼西側(cè)T218 斷面出現(xiàn)次高的侵蝕（4.8 m/a）。這一時期與1986-2019 年的趨勢進(jìn)行對比，差異性主要表現(xiàn)為龍頭山至中海度假區(qū)岸段整體遭受侵蝕，而西嶼西側(cè)岸段發(fā)生侵蝕（圖5a）。

圖5 LRR 方法計算的企望灣不同時段海岸線進(jìn)退情況Fig.5 Shoreline advance and recession during different periods calcultated by LRR method at the Qiwang Bay

1996-2005 年間發(fā)生淤積的岸段有中海度假區(qū)岸段（T52-T59 斷 面、T78-T84 斷 面、T104-T107 斷面）、虎仔山西側(cè)（T116-T167 斷面）、西嶼西側(cè)（T173-T214 斷面、T217 斷面、T223-T224 斷面），共116 條斷面，平均淤積速率為1.2 m/a；虎仔山西側(cè)T154 斷面出現(xiàn)最高的淤積（3.6 m/a），西嶼西側(cè)T202 斷面出現(xiàn)次高的淤積（3.2 m/a）。其他108 條斷面發(fā)生侵蝕，平均侵蝕速率為1.0 m/a；龍頭山東側(cè)T01 斷面出現(xiàn)最高的侵蝕（2.9 m/a），競海村岸段T38斷面出現(xiàn)次高的侵蝕（2.5 m/a）。這一時期與1986-2019 年的趨勢進(jìn)行對比，差異性主要表現(xiàn)為競海村至中海度假區(qū)岸段基本上依然遭受侵蝕，而南山岸段與1986-1995 年相比侵蝕速率減緩，趨向于穩(wěn)定（圖5b）。

2006-2015 年間發(fā)生淤積的岸段有龍頭山東側(cè)（T01-T30 斷面）、中海度假村岸段（T102-T113 斷面）、虎仔山西側(cè)（T121-T135 斷面、T150-T167 斷面）、西嶼西側(cè)（T175-T224 斷面），共125 條剖面，平均淤積速率為2.7 m/a;龍頭山東側(cè)T02 斷面出現(xiàn)最高的淤積（8.0 m/a），西嶼西側(cè)T224 斷面出現(xiàn)次高的淤積（7.6 m/a）。其他99 條斷面發(fā)生侵蝕，平均侵蝕速率為1.1 m/a；中海度假區(qū)岸段T53 斷面出現(xiàn)最高的侵蝕（3.0 m/a），T77 斷面上出現(xiàn)次高的侵蝕（1.8 m/a）。這一時期與1986-2019 年的趨勢相比基本一致，但是數(shù)值差異較大；另外，與1986-1995 年、1996-2005 年相比，龍頭山東側(cè)岸段開始發(fā)生顯著淤積，而虎仔山西側(cè)淤積速率顯著降低，但是西嶼西側(cè)顯著淤積（圖5c）。

2015-2019 年間發(fā)生淤積的岸段有龍頭山東側(cè)（T08-T13 斷面）、虎仔山西側(cè)（T105-T167 斷面）、西嶼西側(cè)（T182-T224 斷面），共計112 條剖面，平均淤積速率為12.0 m/a；虎仔山西側(cè)T166 斷面出現(xiàn)最高的淤積（26.7 m/a），西嶼西側(cè)T203 斷面出現(xiàn)次高的淤積（23.6 m/a）。其他112 條斷面發(fā)生侵蝕，平均侵蝕速率為3.3 m/a；南山岸段T169 斷面出現(xiàn)最高的侵蝕（10.0 m/a），中海度假區(qū)岸段T65 斷面出現(xiàn)次高的侵蝕（5.7 m/a）。這一時期與1986-2019 年的趨勢進(jìn)行對比，差異性主要表現(xiàn)為競海村至中海度假區(qū)岸段整體處于侵蝕狀態(tài)（圖5d）。

綜上所述，4 個時段所得到的岸線進(jìn)退情況表明，研究區(qū)的某些區(qū)域存在侵蝕-淤積的逆轉(zhuǎn)（例如龍頭山東側(cè)岸段、西嶼西側(cè)岸段等），也表明EPR 或LRR 方法無法準(zhǔn)確刻畫岸線的演變過程。

4.3 線性或非線性變化行為和M-K 趨勢檢驗

為了揭示海岸線更詳細(xì)的變化過程，本文對每條斷面上所有的岸線位置數(shù)據(jù)采用線性擬合和二項式擬合方法評價岸線變化的線性行為或非線性行為。如圖6 所示，224 條斷面在沿岸方向上整體表現(xiàn)出7 種長期趨勢特征。對于西側(cè)海灘，主要表現(xiàn)為4 種長期趨勢特征。例如，龍頭山東側(cè)岸段（T01-T31 斷面）為開口向上的二項式形態(tài)，自西向東二項式系數(shù)A逐漸降低（圖6a 中的0.214 降至圖6b 中的0.113），長期趨勢逐漸趨于線性。競海村至中海度假區(qū)岸段（T32-T109 斷面）呈現(xiàn)斜率較大的線性降低趨勢（圖6c），并且向東斜率逐漸減小。汕頭市風(fēng)箏沖浪俱樂部岸段（T110-T123 斷面）則為斜率很小的線性趨勢（圖6d），可能指示著該岸段的穩(wěn)定；虎仔山西側(cè)岸段（T124-T167 斷面）自西向東非線性趨勢越來越顯著（圖6e），表現(xiàn)為二項式系數(shù)A升高。而東側(cè)海灘則主要表現(xiàn)為3 種長期趨勢特征。其中，南山岸段（T168-T179 斷面）則表現(xiàn)出侵蝕加劇的非線性趨勢（圖6f），即后期的斜率明顯大于前期。南山岸段東側(cè)（T180-T183 斷面）岸段為斜率很小的線性趨勢（圖6g），指示著該岸段的穩(wěn)定。西嶼西側(cè)岸段（T184-T224 斷面）則表現(xiàn)為自西向東非線性趨勢越來越顯著（圖6h）。其中，二項式擬合效果更好的斷面約有128 條，占57.1%，而線性擬合效果更好的斷面約有96 條，占42.9%。

圖6 采用線性擬合方法和二項式擬合方法得到斷面的長期趨勢特征Fig.6 Long-term trend characteristics of individual intersect obtained by the methods of linear and binomial fitting

上述結(jié)果揭示了企望灣某些岸段在時間上發(fā)生了趨勢“逆轉(zhuǎn)”，例如龍頭山東側(cè)岸段、虎仔山西側(cè)岸段、西嶼西側(cè)岸段，表現(xiàn)為海岸帶前期穩(wěn)定或遭受侵蝕而后期發(fā)生淤積；也揭示出了南山岸段存在侵蝕“加速度”，即前期遭受侵蝕，且后期的侵蝕更加強烈。為了得到發(fā)生顯著變化的時間，本文嘗試引入M-K 檢驗方法反演具體斷面上岸線更詳細(xì)的變化過程，不僅關(guān)注趨勢發(fā)生顯著變化的時間，還關(guān)注趨勢的顯著性檢驗。圖7 以8 條斷面為例闡述對海岸線中長期演變的M-K 趨勢檢驗。龍頭山東側(cè)T01 斷面的UF統(tǒng)計量在x=2 004.937（對應(yīng)2004 年12 月8日）和x=2 007.282（對應(yīng)2007 年4 月13 日）（即x是以數(shù)字代表的年份，后同）出現(xiàn)顯著侵蝕趨勢最大值，且都通過了0.01 水平的顯著性檢驗；而x=2 018.408（對應(yīng)2018 年5 月29 日）淤積趨勢有稍減緩的趨勢。整體而言，x=2 007.282 所處的時間基本上可以將斷面劃分成前期線性侵蝕和后期線性淤積兩個階段（圖7a）。龍頭山東側(cè)T24 斷面的UF統(tǒng)計量在x=2 004.937（對應(yīng)2004 年12 月8 日）出現(xiàn)侵蝕趨勢最大值，但該侵蝕趨勢一直較穩(wěn)定的持續(xù)到x=2 008.88（對應(yīng)2008 年11 月17 日），且都通過了0.01 水平的顯著性檢驗；然后轉(zhuǎn)向淤積趨勢，但該淤積趨勢沒有通過0.05 水平的顯著性檢驗（圖7b）。T01 斷面和T24 斷面海岸線的演變過程類似，但發(fā)生趨勢逆轉(zhuǎn)的時間T24 斷面滯后于T01 斷面，且T24 斷面后期的淤積趨勢不如T01 斷面顯著。競海村岸段T35 斷面的UF統(tǒng)計量整體呈現(xiàn)線性下降趨勢，并且通過了0.01 水平的顯著性檢驗；但圖中兩個下箭頭位置所指示的時段，反映了短期過程對長期侵蝕趨勢的影響（圖7c）。汕頭市風(fēng)箏沖浪俱樂部岸段T116 斷面的UF統(tǒng)計量整體呈現(xiàn)一定的線性下降趨勢，但是沒有通過0.05 水平的顯著性檢驗，可以認(rèn)為該岸段穩(wěn)定（圖7d）。虎仔山西側(cè)岸段T158 斷面的UF統(tǒng)計量在x=2 004.937（對應(yīng)2004 年12 月8 日）之前趨勢較穩(wěn)定，隨后開始朝向淤積狀態(tài)；圖中兩個上箭頭位置所對應(yīng)的時段，則反映了短期過程對長期淤積趨勢的影響，在x=2 014.575（對應(yīng)2014 年7 月29 日）之后淤積趨勢越來越顯著（通過了0.01 水平的顯著性檢驗）（圖7e）。南山岸段T169 斷面的UF統(tǒng)計量整體呈現(xiàn)顯著的侵蝕趨勢一直到x=2 004.937，圖中兩個下箭頭位置指示了該段時間內(nèi)侵蝕趨勢較穩(wěn)定的持續(xù)到x=2 013.655（對應(yīng)2013 年8 月27 日），隨后侵蝕進(jìn)一步加速（圖7f）。南山岸段東側(cè)T180 斷面的UF統(tǒng)計量雖然具有一個先侵蝕后淤積的趨勢，通過0.05 水平（持續(xù)時間較短）但沒有通過0.01 水平的顯著性檢驗，表明岸段較為穩(wěn)定（圖7g）。西嶼西側(cè)岸段T218 斷面的UF統(tǒng)計量在x=2 007.94（對應(yīng)2007 年12 月9 日）出現(xiàn)顯著的侵蝕趨勢最大值；隨后轉(zhuǎn)向淤積趨勢，圖中兩個上箭頭位置指示了1 個約兩年的趨勢穩(wěn)定時期，一直到x=2 013.589（對應(yīng)2013 年8 月3 日），隨后該斷面繼續(xù)淤積且淤積情況越來越顯著（圖7h）。

圖7 M-K 趨勢檢驗得到具體斷面的變化趨勢及顯著性檢驗Fig.7 The changing trend and significance test of specific transect obtained by M-K trend detecting method

綜上所述，M-K 趨勢檢驗?zāi)軌蜉^好地揭示出斷面上海岸線的長期變化過程。識別趨勢的逆轉(zhuǎn)，不僅有助于科學(xué)合理的劃分研究時段，也有助于探討造成趨勢逆轉(zhuǎn)背后的驅(qū)動因素或機制；并且，對于發(fā)生趨勢逆轉(zhuǎn)的岸段，其近期趨勢對于預(yù)測岸線未來的演變可能更有意義。

4.4 近期實測海灘地貌與岸線特征

對企望灣布設(shè)的12 條海灘剖面在2015-2019 年夏季先后開展了4 次野外觀測工作，海灘剖面地形變化如圖3 所示，海灣潮間帶平均坡度（4 次觀測平均）和表層泥沙平均粒徑（2015-2017 年3 次觀測平均）如表1 所示。西側(cè)海灘整體以存在水下沙壩地形為特征，其中，龍頭山至中海度假區(qū)岸段以橫向沙壩為主，虎仔山西側(cè)岸段則以沿岸沙壩為主；東側(cè)海灘南山岸段以橫向沙壩為特征，西嶼西側(cè)岸段則以反射特征為特點。競海村岸段和南山岸段潮間帶寬度較小，一般小于15 m（圖3a，圖3c）；而虎仔山西側(cè)岸段和西嶼西側(cè)岸段寬度往往大于30 m（圖3b，圖3d），甚至有時超過50 m。表1 表明，競海村岸段和南山岸段坡度陡，由中砂組成，而虎仔山西側(cè)岸段和西嶼西側(cè)岸段坡度較緩，由細(xì)砂所組成。

表1 企望灣潮間帶海灘平均坡度和泥沙粒徑的沿岸變化Table 1 Longshore variation in average beach gradient and sediment size from the intertidal beach at the Qiwang Bay

將近5 年通過實測剖面得到的高潮線位置分別采用EPR 和LRR 方法進(jìn)行計算（所得高潮線位置數(shù)據(jù)分別為EPR 值和LRR 值），并與近5 年22 期遙感海岸線位置數(shù)據(jù)計算得到的EPR 值和LRR 值進(jìn)行對比。由表2 可知，近5 年來競海村岸段和南山岸段均遭受侵蝕，而虎仔山西側(cè)岸段和西嶼西側(cè)岸段發(fā)生淤積；其中，實測岸線的LRR 值與遙感海岸線的LRR 值趨勢比較一致（侵蝕或淤積），整體而言數(shù)值更加接近；但在侵蝕岸段兩個值之間的偏差較大，而在淤積岸段偏差較小。這主要是由于計算實測岸線的LRR 值只使用了4 個岸線位置，有限的數(shù)據(jù)個數(shù)會導(dǎo)致擬合結(jié)果的不確定性。此外，結(jié)果對比也反映了較陡、較窄的潮間帶比較緩、較寬的潮間帶不確定性更高。圖3b 和圖3d 直觀地反映了虎仔山西側(cè)岸段和西嶼西側(cè)岸段發(fā)生淤積的事實，不僅表現(xiàn)為岸線向海推進(jìn)，也表現(xiàn)為潮上帶泥沙的明顯堆積；虎仔山西側(cè)岸段已形成典型的風(fēng)沙地貌，以新月形沙丘為特征（圖8d 至圖8f）。圖8a 至圖8c 則證實了競海村至中海度假區(qū)岸段海岸線顯著的后退，早期濱海建造的房屋一部分已位于沙灘之上且遭受了嚴(yán)重毀壞。圖3c和圖8g 至圖8i 則反映了南山岸段顯著的侵蝕，不僅表現(xiàn)為岸線顯著后退，也表現(xiàn)為后濱泥沙整體喪失而向陸后退。

圖8 企望灣典型侵蝕（a-c，g-i）和淤積（d-f）岸段的特征Fig.8 Erosion (a-c,g-i) and accretion (d-f) characteristics of typical segments at the Qiwang Bay

表2 近5 年實測岸線位置數(shù)據(jù)和遙感岸線位置數(shù)據(jù)使用EPR 和LRR 方法計算的岸線變化速率值對比Table 2 Comparison of the values of shoreline change rate by the methods of EPR and LRR using measured shoreline position data and remote sensing shoreline position data in recent five years

5 討論

企望灣屬于弱潮海岸（潮差小于2 m），但虎仔山西側(cè)岸段和西嶼西側(cè)岸段因潮間帶泥沙較細(xì)、坡度較緩導(dǎo)致潮間帶寬度往往大于30 m（圖3），這表明利用計算機提取瞬時水邊線的方法在企望灣不一定可靠。表1 展示了企望灣潮間帶海灘坡度的沿岸變化和垂岸變化，表明采用潮汐校正瞬時海岸線推算出大潮平均高潮線的做法也很難保證岸線提取的準(zhǔn)確性[22-23]。因此，本文采用了目視解譯方法提取高潮海岸線。對于岸線提取結(jié)果精度評估，侯西勇等[28]提出了“理論最大允許誤差”的概念及計算方法判斷岸線的精度水平。本文據(jù)此對2016 年、2017 年和2019 年8 月實測的36 個控制點和高潮點（圖3）與3 期遙感影像（2016年10 月14 日、2017 年10 月25 日 和2019 年9 月29日）提取的高潮海岸線進(jìn)行誤差分析，均方根誤差（Root Mean Squared Error,RMSE）分 別 為31.37 m、37.89 m和22.17 m，平均值為31.15 m，誤差水平約為1 個像元。因為沒有做到同步觀測，該評價結(jié)果可能包括因臺風(fēng)事件等造成的高潮海岸線變化。因此，為了降低提取過程中存在的不確定性[9-10]，本文增加了遙感影像的數(shù)量（超過100 景）。

本文采用線性擬合和非線性擬合方法評價了海岸線演變的線性或非線性行為。結(jié)果表明，超過半數(shù)（57.1%）斷面上的海岸線變化主要表現(xiàn)為非線性行為，這也反映了EPR 和LRR 方法的不可靠性。而對于長期表現(xiàn)出線性變化行為的海岸線，也可能受到短期過程或極端事件的影響（圖7c），相比于LRR 方法，EPR 方法由于只使用了兩個岸線位置會產(chǎn)生更大的不可靠性。

對于龍頭山東側(cè)岸段、虎仔山西側(cè)岸段、西嶼西側(cè)岸段前期與后期變化特征逆轉(zhuǎn)的區(qū)域，為了更準(zhǔn)確地劃分“前期”與“后期”之間的時間，本文嘗試引入的M-K 趨勢檢驗可以較好地揭示海岸線詳細(xì)的演變過程和趨勢特征。對于具有線性變化行為或比較穩(wěn)定的區(qū)域（例如競海村至中海度假區(qū)岸段、汕頭市風(fēng)箏沖浪俱樂部岸段和南山岸段東側(cè)），所有的數(shù)據(jù)都對長期趨勢有所貢獻(xiàn)；而對于具有非線性變化行為的區(qū)域（例如龍頭山東側(cè)岸段、虎仔山西側(cè)岸段、西嶼西側(cè)岸段等），當(dāng)對未來岸線位置進(jìn)行預(yù)測時，應(yīng)該重點考慮后期數(shù)據(jù)。這一處理也糾正了目前很多研究中對于研究時段的劃分缺乏依據(jù)的問題[7,11-12]。

由4.3 節(jié)可知，龍頭山東側(cè)岸段在2007-2008 年自西向東依次發(fā)生了趨勢逆轉(zhuǎn)（侵蝕-淤積）。遙感影像顯示，企望灣西側(cè)在2007 年建設(shè)了防波堤。該工程建設(shè)影響了龍頭山東側(cè)岸段的海岸線演變（大約為1.55 km）；造成該區(qū)域海岸線自西向東依次發(fā)生趨勢逆轉(zhuǎn)（時間響應(yīng)逐漸滯后），并且該工程對越靠近西側(cè)的岸線影響越大，淤積越顯著。西側(cè)海灘的競海村至中海度假區(qū)岸段和虎仔山西側(cè)岸段以及東側(cè)海灘南山岸段和西嶼西側(cè)岸段的變化特征，表明了企望灣近期存在著顯著自西向東的沿岸輸沙。因小型基巖岬角（虎仔山）對西側(cè)泥沙的阻擋，導(dǎo)致西側(cè)海灘和東側(cè)海灘都具有這種空間分布特征，其中汕頭市風(fēng)箏沖浪俱樂部岸段和南山岸段東側(cè)則表現(xiàn)出“樞紐”作用，這兩個岸段海岸線比較穩(wěn)定。

東側(cè)海灘西嶼西側(cè)岸段的長期演變趨勢與龍頭山東側(cè)岸段類似（前期侵蝕后期淤積），應(yīng)歸因于企望灣東側(cè)2012 年修建的向海延伸很長的防波堤。由4.3 節(jié)可知，西嶼西側(cè)岸段（T218 斷面）開始發(fā)生顯著淤積的時間為2013 年8 月3 日，南山岸段（T169 斷面）發(fā)生侵蝕加速的時間為2013 年8 月27 日，虎仔山西側(cè)岸段（T158 斷面）則在2014 年7 月29 日后淤積越來越顯著。這表明，東側(cè)防波堤發(fā)揮了控制性“岬角”的作用，改變了岬灣海灘原有的長期平面形態(tài)。基于此，本文使用了岬灣海灘平衡平面形態(tài)模型（Model for Equilibrium Planform of BAY Beach,MEPBAY）軟件[29]模擬了“岬角”變動前后企望灣長期的平衡平面形態(tài)。如圖9 所示，東側(cè)防波堤建設(shè)前，模擬的海岸線在岬角以西位于實際海岸線陸側(cè)，表明企望灣處于一種動態(tài)平衡狀態(tài)。東側(cè)防波堤建成后，模擬的海岸線在岬角以西位于實際海岸線海側(cè)，表明海灣處于一種不穩(wěn)定狀態(tài)。這表明，東側(cè)防波堤建成后，導(dǎo)致西側(cè)海灘由競海村至中海度假區(qū)岸段經(jīng)汕頭市風(fēng)箏沖浪俱樂部岸段向虎仔山西側(cè)岸段堆積泥沙，但因虎仔山岬角的阻擋，泥沙無法繼續(xù)向東搬運；而這進(jìn)一步導(dǎo)致了東側(cè)海灘南山岸段近期發(fā)生顯著侵蝕，經(jīng)南山岸段東側(cè)向西嶼西側(cè)岸段堆積泥沙。所以，東側(cè)防波堤的建設(shè)導(dǎo)致企望灣處于不穩(wěn)定狀態(tài)，沿岸流控制著泥沙自西向東搬運，試圖重塑企望灣新的平衡平面形態(tài)，影響范圍約為 9.65 km。

圖9 MEPBAY 軟件模擬東側(cè)防波堤建設(shè)前后對海灣平衡平面形態(tài)的影響（a：動態(tài)平衡；b：不穩(wěn)定）Fig.9 Modelling the impact of the absence and presence of the east breakwater on headland-bay equilibrium plan-form by the software of MEPBAY (a:dynamic equilibrium;b:unstable state)

此外，本文使用了M-K 檢驗對單個斷面逐一進(jìn)行了趨勢識別并測定了發(fā)生趨勢顯著變化的時間，發(fā)現(xiàn)海灣東側(cè)防波堤的修建導(dǎo)致海岸線自東向西在時間上依次滯后響應(yīng)。這表明，相鄰斷面上的岸線位置變化具有空間相關(guān)性。Frazer 等[30]和Genz 等[31]也指出，單個斷面上岸線位置的變化非獨立事件，而是與相鄰斷面上岸線位置的變化有關(guān)。因此，今后將繼續(xù)探索沿岸方向上包含海岸線速率變化相關(guān)性的方法。

6 結(jié)論

本文使用了1986-2019 年113 景的Landsat 影像數(shù)據(jù)提取高潮海岸線，開展了海灣尺度下海岸線的中長期演變過程與驅(qū)動機制研究，主要得到如下結(jié)論：

（1）以中間小型基巖岬角為界劃分出的西側(cè)海灘在空間上具備4 個特征：前期侵蝕后期淤積、一直侵蝕、較穩(wěn)定、前期侵蝕或穩(wěn)定而后期淤積；東側(cè)海灘在空間上則具備3 個特征：前期侵蝕后期侵蝕加劇、較穩(wěn)定和前期侵蝕后期淤積。

（2）超過半數(shù)的區(qū)域海岸線演變表現(xiàn)出非線性行為，表明EPR 和LRR 方法的不可靠性；而對于主要表現(xiàn)為線性變化行為的海岸線，LRR 方法因使用了更多的岸線位置數(shù)據(jù)點會更具可靠性。

（3）M-K 趨勢檢驗可以較好地識別海岸線的中長期趨勢變化并進(jìn)行顯著性檢驗，解決了已有研究中對研究時段的劃分缺乏依據(jù)的問題；而近5 年的實測剖面數(shù)據(jù)證實了M-K 趨勢檢驗所得到的近期海灘侵蝕和淤積的事實。

（4）東側(cè)防波堤的建設(shè)影響的海岸范圍約為9.65 km，表現(xiàn)為海岸線的響應(yīng)時間自東向西滯后。該防波堤影響海岸線的主要原因是造成了控制性“岬角”位置的變動，導(dǎo)致岬灣海灘平面形態(tài)變?yōu)椴环€(wěn)定狀態(tài)，自西向東的沿岸輸沙過程和中間小型基巖岬角的阻擋主要控制著海岸線演變的空間特征。