1975—2020年煙臺芝罘灣海灣形態(tài)變化及驅動因素

王 菡,劉 寧,薛 巖,孫貴芹,魏 瀟,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)修復重點實驗室,山東 煙臺 264006;2. 上海海洋大學海洋科學學院,上海 201306; 3. 煙臺經濟技術開發(fā)區(qū)海洋經濟發(fā)展局,山東 煙臺 264006)

海灣為三面環(huán)陸的海洋,是海水深入陸地形成明顯水曲的海域,通常以灣口兩個海角連線作為最外部的分界線[1]。海灣處于海洋與陸地的過渡區(qū)域,常年受海陸雙重影響,同時蘊藏大量資源,具有獨特的自然環(huán)境和明顯的區(qū)位優(yōu)勢,是海洋最易受人類活動影響的部分[2]。隨著現(xiàn)代海洋開發(fā)的迅速興起,海灣的開發(fā)利用漸成體系,成為海岸帶綜合開發(fā)利用的主要場所。對大型海灣通常進行復合式開發(fā),并依托沿海開放城市形成經濟發(fā)達的城市連綿區(qū);對較小的海灣則利用其具備的某種資源優(yōu)勢進行針對性的開發(fā)利用[3]。

海灣變化是一個動態(tài)且連續(xù)的過程,影響著生態(tài)系統(tǒng)服務功能的變化,主要表現(xiàn)為圍填海等開發(fā)活動占用潮間帶或海域空間資源,進而改變近岸海域水動力條件[4-5]、景觀格局破碎化[6]、優(yōu)勢種演替和群落結構變化[7]、生物多樣性降低等,并對水環(huán)境、沉積環(huán)境及生態(tài)系統(tǒng)產生直接、顯著、長期且不可逆的影響[8-10]。國內外學者在傳統(tǒng)方法的基礎上借鑒其他學科的研究手段和方法,對海灣形態(tài)變化進行了深入研究。文獻[11]通過斜形和斜形系統(tǒng)對水下三角洲、陸架邊緣和大陸邊緣進行分析。文獻[12]評估海平面上升和海岸變化對墨西哥灣脆弱性的影響特征。文獻[13]以印度古吉拉特邦海岸1990、2001和2014年Landsat TM/OLI影像為數(shù)據(jù)源,研究了岸線和土地利用變化對海灣的影響。文獻[14]基于遙感影像與地形圖等資料提取了1940—2014年7個時期中國大陸85個海灣的空間信息,分析了我國主要海灣形態(tài)變化。文獻[15]基于20世紀90年代以來6個時期的Landsat TM/OLI遙感影像數(shù)據(jù),通過海灣岸線與灣面形態(tài)分析了東海區(qū)主要海灣的變化特征,探討圍填海強度與海灣形態(tài)變化之間的相關性。文獻[16]利用Landsat遙感影像分析了2010—2020年中國沿海主要海灣形態(tài)變化特征。目前,對于海灣變化的研究多集中于岸線變遷和開發(fā)利用程度等方面,而聚焦小區(qū)域進行長時間序列的海灣形態(tài)變化研究相對較少。

芝罘灣位于山東省煙臺市,屬于北黃海海域,近年來在社會經濟快速發(fā)展的推動下,其海灣形態(tài)發(fā)生了較大變化。文獻[17]從海岸線和海灣形態(tài)兩個方面,分析了在人類活動影響下芝罘灣1976—2016年海岸線的時空變化特征及趨勢。文獻[18]分析了芝罘灣1975—2015年海岸線時空變化,對圍填?；顒舆M行開發(fā)強度評價和潛力預測。文獻[19]通過芝罘灣1985—2017年的水體、沉積物和海洋生物等實測數(shù)據(jù)并參考歷史調查資料,分析了近年來大規(guī)模圍填海工程對其灣內生態(tài)環(huán)境的影響。港口建設在芝罘灣開發(fā)中占主導地位,但目前尚無專門針對港口碼頭變化影響海灣形態(tài)的研究。為進一步認識港口碼頭對芝罘灣形態(tài)的影響,本文基于遙感和GIS技術,分析芝罘灣1975—2020年海灣形態(tài)時空變化特征及驅動因素,重點關注45年來研究區(qū)港口碼頭的時空變化對海灣形態(tài)的影響,以期從海灣形態(tài)變化的角度為研究區(qū)未來合理開發(fā)利用和保護修復提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)源

1.1 研究區(qū)概況

芝罘灣位于煙臺芝罘區(qū)北部,口門北起芝罘島東南角,南至東炮臺山,為“U”形開敞式海灣。海灣灣口向東,水域開闊,水深條件好,適宜港口建設,煙臺港位于海灣西南部,可停泊萬噸級貨輪[20],在環(huán)渤海經濟中具有重要戰(zhàn)略地位,也被列為21世紀海上絲綢之路的重要節(jié)點。

1.2 數(shù)據(jù)源

使用數(shù)據(jù)來自美國地質調查局和地理空間數(shù)據(jù)云兩個網站,包括1975—2020年成像的Landsat MSS/TM/ETM+/OLI系列傳感器影像數(shù)據(jù),以5年為一期共10個時期,數(shù)據(jù)信息見表1。利用ENVI軟件進行幾何校正與配準、去條帶處理、假彩色合成等預處理得到用于解譯的遙感影像,便于提取海灣岸線,并利用2019年高分影像和野外實測數(shù)據(jù)等為解譯提供支持;同時結合《中國海灣志-第三分冊》《煙臺港史》和《煙臺港灣開發(fā)研究》等文獻資料,研究煙臺港建設和發(fā)展對海灣面積和形態(tài)變化的影響。

表1 遙感影像數(shù)據(jù)信息

2 研究方法

2.1 岸線開發(fā)利用程度指數(shù)

海灣開發(fā)利用程度指數(shù)可反映研究區(qū)不同時期岸線開發(fā)程度的動態(tài)特征。岸線開發(fā)利用程度指數(shù)值越大,表明岸線開發(fā)利用程度越高,人類活動對海灣岸線的影響越強烈[21]。其公式為

(1)

式中,I為岸線開發(fā)利用程度指數(shù);n為岸線類型個數(shù);Ai為第i類岸線對應的人力作用強度指數(shù),該指數(shù)依據(jù)人類活動對岸線的影響程度,將港口碼頭岸線、其他人工岸線和自然岸線的指數(shù)值確定為3、2、1;Ci為第i類岸線的長度比。

2.2 海灣形狀指數(shù)

海灣形狀指數(shù)是通過岸線長度和海灣面積大小的變化定量刻畫各種內外力相互作用的強度和發(fā)展過程,可反映海灣發(fā)展演變過程和水動力學特征[22]。其值越小,表明海灣越趨近于圓形,形狀越簡單[23]。其公式[14]為

(2)

式中,SIB為海灣形狀指數(shù);A和P分別為海灣口門線與海灣岸線形成的封閉性圖斑面積(m2)和周長(m)。

2.3 海灣重心及其變化

海灣重心為在二維平面空間計算的海灣幾何質心,其平面坐標可利用ArcGIS軟件計算獲得。通過分析各個時期芝罘灣重心空間變化的方向、路徑及距離,可定量刻畫芝罘灣每個研究時段的形態(tài)變化特征[14,22]。

3 結果與討論

3.1 海灣岸線開發(fā)利用程度時空變化特征

海灣地區(qū)擁有明顯的區(qū)位優(yōu)勢和豐富的自然資源條件,是人類活動和工農(漁)業(yè)發(fā)展的聚集地,但過度的開發(fā)利用和自然條件改變導致海灣形態(tài)發(fā)生較大變化。海灣開發(fā)利用程度指數(shù)統(tǒng)計情況如圖1所示。結果表明:1975—2015年間,研究區(qū)海灣岸線開發(fā)利用程度指數(shù)均有所增加,2020年較2015年略有減少,說明研究期間海灣開發(fā)利用行為一直存在,且開發(fā)強度總體增加。具體特征表現(xiàn)為:1975—1980年海灣的岸線開發(fā)利用程度指數(shù)均低于150,屬于輕度開發(fā)利用狀態(tài);1980—1985年岸線開發(fā)利用程度增加明顯,由140增加至184;1990年以來,海灣海岸線開發(fā)利用程度進入快速發(fā)展階段,1990—2015年開發(fā)利用程度指數(shù)呈不斷增加的趨勢,由196增加至241;但在2015—2020年開發(fā)利用程度指數(shù)略微有所減少,由241減少至239。當研究區(qū)海灣人類建設活動強度加大時,同時段內海灣開發(fā)強度指數(shù)也顯著增加[24]。

圖1 1975—2020年芝罘灣海灣岸線開發(fā)利用程度和海灣面積變化

3.2 海灣面積時空變化特征

利用ArcGIS軟件的空間分析模塊計算各時期的海灣面積及其變化,45年來面積變化情況如圖1所示。結果表明:45年來海灣面積共減少了8.82 km2,占1975年總面積的25.99%,呈逐年減少的趨勢。具體而言,1975—2000年芝罘灣海灣面積減少較為明顯,1975年海灣面積為33.93 km2,到2000年面積為27.30 km2,年均減少速率為0.27 km2/a;2000—2020年海灣面積減少速率相對減慢,由27.30 km2減少至25.11 km2,減少速率為0.11 km2/a。從空間上看,海灣面積減少主要表現(xiàn)在芝罘灣北部和西部。整體而言,45年間芝罘灣海灣面積一直保持減少的趨勢,約為0.20 km2/a,且隨著海灣開發(fā)利用強度的加大,海灣面積逐漸變小。

3.3 海灣形狀指數(shù)時空變化特征

研究區(qū)各時期的海灣形狀指數(shù)計算情況如圖2所示。結果表明:45年來海灣的形狀指數(shù)由1.33增加至2.23,其中,1975—1995年和2005—2020年海灣形態(tài)指數(shù)增長較快,1995—2005年海灣形態(tài)指數(shù)增長較慢,但總體呈增大的態(tài)勢,其形狀變得復雜,主要原因為養(yǎng)殖圍堤、港口碼頭建設等工程增加了海灣岸線的復雜性。

圖2 1975—2020年芝罘灣海灣形態(tài)指數(shù)變化

3.4 海灣重心位移特征

各時期海灣重心坐標、不同時段重心位移距離和速率統(tǒng)計結果如表2和圖3所示。1975—2020年海灣重心位移距離為647.79 m,速率為14.40 m/a,呈整體向東(海洋)趨勢,其重心處于較為活躍的狀態(tài)。1995—2000年重心向海移動距離最大為223.97 m,位移速率為44.79 m/a;其次是1980—1985年,重心向海移動距離為162.55 m,位移速率為32.51 m/a;2010—2015年海灣重心移動距離最小為17.33 m,位移速率為3.47 m/a。芝罘灣重心整體上呈不斷背陸向海移動的特征,不同研究期重心位移方向和距離呈現(xiàn)較強的時空差異性,但總體上海灣面積萎縮方向與岸線空間位置的移動方向相一致。

圖3 1975—2020年芝罘灣海灣重心偏移變化

表2 1975—2020年芝罘灣海灣重心偏移情況

3.5 驅動因素

近45年芝罘灣海灣形態(tài)發(fā)生了很大變化,各類型海岸線占比變化情況及海岸線變化情況如圖4和圖5所示。

圖4 1975—2020年芝罘灣各類型海岸線占比變化

圖5 1975—2020年芝罘灣海岸線和港口變化

(1)芝罘灣灣外有著名的煙威漁場[20],水產資源豐富,改革開放以來,在海洋捕撈業(yè)發(fā)展的同時,海水養(yǎng)殖業(yè)也快速發(fā)展,圍海養(yǎng)殖區(qū)面積不斷擴大,主要集中在海灣北部。遙感解譯結果如圖4所示,1975—1990年其他人工岸線增加明顯,而其他人工岸線中主要為養(yǎng)殖圍堤岸線,修建養(yǎng)殖圍堤是北岸海岸線變化的主要因素。芝罘灣北部養(yǎng)殖面積擴大使得海灣面積減小,岸線向海擴張,海灣形態(tài)隨之發(fā)生變化。

(2)芝罘灣沿岸有美麗的自然景色和人文景觀,其南部區(qū)域主要以自然岸線為主,優(yōu)質的濱海沙灘推動了海水浴場建設,促進了芝罘灣濱海旅游業(yè)發(fā)展。海水浴場和旅游設施的建設導致南岸自然岸線占比減少,但整體而言南部岸線變化不明顯,對海灣形態(tài)變化影響也較小。

(3)芝罘灣是環(huán)渤海的一個重要物資集散地,優(yōu)良的自然條件使其成為建設港口、發(fā)展海上運輸?shù)睦硐雸鏊?975—2020年芝罘灣海岸線空間分布、各類型占比變化和港口填海情況如圖4和圖5所示。20世紀70年代煙臺開始了“大建港”,港口碼頭岸線占比逐年增加,海灣岸線不斷向海推進。1981—1985年,煙臺港南部的浮碼頭和南護岸相繼改建完成,港口碼頭岸線占比由16%增加到32%,該時期海灣岸線向海推進,海灣重心向東北方向偏移且偏移量較大。1985—1995年,一突堤和二突堤相繼建成,港口碼頭岸線占比由32%增加到44%,期間西部岸線整體向海推進,海灣面積不斷減少,海灣形態(tài)指數(shù)增大,海灣形狀復雜性提高。1995—2005年,修建四突堤和南側順岸碼頭,港口碼頭岸線占比增加了5%。2005—2010年,三突堤的建成使得港口碼頭岸線增加,海灣岸線持續(xù)向海推進,海灣面積進一步減少,海灣重心向海移動且重心偏移量較為明顯。2010年國家對圍填海實行指標化管理[17],港口碼頭岸線增加的速度相對減慢,其岸線增長不明顯?？傮w而言,芝罘灣西部岸線的時空變化呈現(xiàn)不斷向海推進的趨勢,且主要集中在港口碼頭建設時期。由于海灣內較高強度的港口碼頭建設,使得芝罘灣海灣形態(tài)發(fā)生了很大的變化,岸線不斷向海擴張且港口碼頭岸線增加顯著,原本簡單平滑的岸線變得曲折復雜,可見港口碼頭建設是芝罘灣形態(tài)變化的最大驅動因素。港口碼頭建設使得海灣形態(tài)指數(shù)增大,海灣面積減少,海灣重心不斷向海移動。因此,1980—2010年煙臺港的建設(填海造地建設港口碼頭)是芝罘灣海灣形態(tài)變化的主要驅動因素。

4 結 論

本文利用遙感和GIS,以煙臺市芝罘灣為研究對象,基于10個時相的Landsat遙感影像,從岸線開發(fā)利用程度、海灣面積、海灣形態(tài)指數(shù)、海灣重心4個方面分析了1975—2020年海灣時空動態(tài)特征,主要結論如下:

(1)1975—2020年間,芝罘灣岸線主要受人為因素的影響整體向海推進,開發(fā)利用程度呈整體增加態(tài)勢。尤其是1990年以來,海灣岸線開發(fā)利用整體進入較快的發(fā)展階段,港口碼頭建設成為最主要的開發(fā)利用方式。

(2)1975—2020年間,芝罘灣海灣面積隨時間不斷變化,總體呈下降趨勢,海灣面積45年來減少了8.82 km2,減少速率為0.20 km2/a,減少最快時間段為1975—2000年,面積減少主要驅動因素為近岸圍海養(yǎng)殖(1975—1990年)和港口碼頭建設(1980—2010年)。

(3)芝罘灣海灣形狀指數(shù)45年來由1.33增加到2.23,海灣形狀整體呈現(xiàn)復雜化趨勢,重心整體向海位移了647.79 m,總體上表現(xiàn)為不斷背陸向海移動的特征,且海灣面積萎縮變化方向與岸線空間位置的移動方向一致。