1995—2020年浙江省大陸岸線變化及驅動因素分析

査培培, 解雪峰,2, 蔣國俊, 張建珍, 游慶龍, 吳 濤,4

(1.浙江師范大學 地理與環(huán)境科學學院, 浙江 金華 321004;2.自然資源部 海岸帶開發(fā)與保護重點實驗室,江蘇 南京 210023;3.復旦大學 大氣科學研究院 大氣與海洋科學系,上海 200433;4.浙江師范大學 省部共建非洲研究與中非合作協(xié)同創(chuàng)新中心,浙江 金華 321004)

0 引 言

海岸帶處于海陸銜接并相互作用的地帶,其生態(tài)系統(tǒng)具有復合性、邊緣性和活躍性的特征[1-2].但近年來,海岸帶生態(tài)環(huán)境所面臨的形勢愈發(fā)嚴峻,不僅自然因素降低了岸線的穩(wěn)定性,岸線自身的變化速率也遠超歷史時期的演化過程[3].同時,填海造陸、圍海養(yǎng)殖和建設港口等一系列人類開發(fā)活動導致岸線以遠大于自然環(huán)境下的演化速率而發(fā)生變化[4-5].

國外對海岸線變遷的研究主要集中在海岸線變遷模型的研究、海岸線數(shù)據(jù)的監(jiān)測、利用數(shù)學方法研究海岸線變遷的速率等方面[6].Edward[7]分析了近200年來牙買加Vere附近的海岸變遷,結果表明,海岸線具有明顯向海推進的趨勢,但速度逐漸減緩;Adrian等[8]對羅馬尼亞Sulina灣地區(qū)150年來海岸線的演變進行監(jiān)測,分析了人類活動對沿岸泥沙流的影響;Sui等[9]通過海岸線利用度指數(shù)法、海陸格局變化法和不同尺度的ICUD(international consultation on urological diseases)方法對印尼1990—2018年海岸線進行研究,揭示了海岸線的時空變化規(guī)律.

國內21世紀之后才開始有學者對海岸線時空變遷開展研究,主要是基于RS(遙感)和 GIS(地理信息系統(tǒng))手段研究典型地區(qū)的海岸線變遷過程,總結其變化規(guī)律及預測發(fā)展趨勢.董芳等[10]利用了RS和GIS技術對黃河三角洲的岸線變遷、發(fā)育演變等方面進行了研究,發(fā)現(xiàn)其陸地面積在不斷地增加,但增加速度明顯減慢;葉夢瑤等[11]分析了浙江省1990—2015年大陸岸線的時空變化特征,結果表明,浙江省大陸岸線變遷顯著,變化強度和人工化指數(shù)均呈上升趨勢;肖銳[12]選取長江口—杭州灣河口區(qū)為典型的研究區(qū)域,基于資源-過程-響應模型對海岸線變遷驅動力因素進行研究;牛明香等[13]運用GIS技術分析了黃河三角洲東營段面積的淤蝕變化、海岸線遷移特征及其時空變化規(guī)律.

目前國內外專家利用遙感影像對海岸線時空變遷的研究較多,但主要是利用各海岸線變遷模型對岸線變化特征進行探討,各變遷模型之間沒有明顯的聯(lián)系.另外對海岸線變遷的驅動因素研究相對較少,現(xiàn)有的研究多數(shù)都是從海岸線動態(tài)變化研究的基礎上進行定性分析,且主要探討人類活動的影響.因此,本文嘗試通過賦予各定量分析指標合適的權重值,將海岸線定量化分析的各項評價指標綜合起來,研究其變化規(guī)律.再從自然和社會經(jīng)濟2個方面選取合理的驅動因子,運用數(shù)學模型定量分析海岸帶的變遷.

由于浙江省海岸線覆蓋廣,具有海岸曲折、灘涂廣闊、港口眾多及生物種類豐富等特點,所以近幾十年來隨著沿海經(jīng)濟的發(fā)展,其大陸岸線出現(xiàn)過度開發(fā)、資源短缺等現(xiàn)象.因此,以浙江省為研究對象,掌握其大陸岸線變遷特征及影響因素,采取合理有效的開發(fā)措施,對實現(xiàn)海岸帶的科學化管理和可持續(xù)發(fā)展具有現(xiàn)實意義.

1 研究區(qū)域

浙江省地跨北緯27°02′～31°11′,東經(jīng)118°01′～123°10′[14],地處亞熱帶季風氣候區(qū),年氣溫適中,降雨充沛,氣候資源配置豐富[15].其大陸岸線位于全國海岸帶中段,分布于6個地級市.本研究根據(jù)以上6個地級市的區(qū)(縣)進行劃分,將研究區(qū)細分為27個研究單元,又依據(jù)大陸岸線特征概括為6個岸段,如圖1所示[16-19].

注： 基于自然資源部標準地圖服務網(wǎng)審圖號為浙S(2021)41號標準地圖制作,底圖邊界無修改,下同

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與預處理

從地理空間數(shù)據(jù)云中選取1995年、2005年、2015年和2020年4期遙感影像數(shù)據(jù),為了使提取的海岸線更加精確、減少誤差,盡量選取月份相近的數(shù)據(jù),以及同一潮位的數(shù)據(jù).在相關軟件中對原始影像進行幾何精校正和圖像增強后人工目視提取大陸岸線.具體操作步驟如下：1)將研究區(qū)圖層與1995年合成后的假彩色影像疊加,并結合單波段影像,目視解譯獲取1995年岸線;2)以1995年岸線為基準,疊加2005年影像,對比2期影像,修改岸線發(fā)生變化的部分,獲取2005年岸線,以此類推獲取2015年和2020年的岸線[20].

由于受到潮汐作用和風暴潮等影響,海岸線時刻處于變化之中.因此,遙感影像中的海岸線為瞬時水邊線[21-22].所以本文借助往年地形圖,分析當?shù)爻毕?guī)律,在目視解譯過程中盡量保證提取的岸線最大接近平均高潮位線.但由于影像數(shù)據(jù)分辨率存在局限性,所以,本文根據(jù)浙江省《海岸線調查統(tǒng)計技術規(guī)范》及實地考察結果,對浙江省海岸線的分類結果如表1所示[23].

表1 岸線的類型及劃定方法[22-24]

2.2 海岸線定量分析方法

2.2.1 海岸線變遷強度

為客觀比較各個時期海岸線長度變化速率的時空差異,采用某一時段內海岸線長度的年平均變化百分比來表示海岸線的變遷強度[19],公式如下：

(1)

式(1)中：Iij表示某一研究區(qū)第i年至第j年岸線變遷強度;Li和Lj分別表示第i年和第j年的岸線長度.正值表示岸線增長;負值表示岸線縮短.絕對值越大表示岸線變遷越明顯.

2.2.2 海岸線人工化指數(shù)

岸線人工化是指在人類活動的影響下導致自然岸線轉變成人工岸線的過程[11].而人類活動對岸線的影響程度可以用人工化指數(shù)來表示,公式如下：

(2)

式(2)中：H表示人工化指數(shù);N表示某區(qū)域人工岸線長度;L為該區(qū)域岸線總長度.

2.2.3 岸灘區(qū)域面積變化速率

為了體現(xiàn)海岸線變化的速率,采用某一時段內2條海岸線圍成面積的年平均單位變化百分比來表示海岸線的變化速率[25],公式如下：

(3)

式(3)中：ν表示岸灘區(qū)域面積變化速率;Sij表示某一研究區(qū)第i年與第j年岸線圍成的面積;Li表示第i年的岸線長度.

2.2.4 沿海區(qū)域開發(fā)利用強度

海岸帶開發(fā)利用強度是以海岸線為基礎向內作緩沖區(qū),利用緩沖區(qū)內各土地利用類型的面積及其分級指數(shù),定量表征不同土地類型對海岸帶資源環(huán)境的影響程度[11],公式如下：

(4)

式(4)中：A為沿海區(qū)域開發(fā)利用強度;n為土地利用類型的種類;Si為研究區(qū)內第i種土地利用類型面積占比;Pi為第i級分級指數(shù).A值越大,表明沿海區(qū)域開發(fā)利用的強度越大.

2.2.5 人類干擾程度綜合指數(shù)

人類干擾程度綜合指數(shù)包括海岸線定量化分析的各項評價指標,通過賦予每個指標不同的權重值(見表2),并對全部的權重值和指數(shù)相乘的結果進行累加.

表2 各項指標權重

由于指標性質不同,量綱不一致,先將人工化指數(shù)和開發(fā)利用強度轉化成年平均變化數(shù)值,然后采用極差標準化方法進行標準化處理[26],公式如下：

(5)

最后將標準化的數(shù)值與各項權重相乘累加,公式如下：

(6)

式(6)中：Z為人類干擾程度綜合指數(shù);Fi和Wi分別為第i個指標指數(shù)及其所對應的權重.

2.3 灰色關聯(lián)度模型

2.3.1 灰色關聯(lián)度原理

灰色關聯(lián)分析方法是以因素之間發(fā)展趨勢的相似或相異程度(即“灰色關聯(lián)度”)作為衡量因素間關聯(lián)程度的一種方法[27],其計算過程大致分為4個步驟：

第1步：確定反映系統(tǒng)行為特征的參考數(shù)列和影響系統(tǒng)行為的比較數(shù)列.

設參考數(shù)列為Y={Y(k)|k=1,2,…,n};比較數(shù)列為Xi={Xi(k)|k=1,2,…,n},i=1,2,…,m.

第2步：變量的無量綱化.

k=1,2,…,n,i=0,1,2,…,m.

(7)

第3步：計算關聯(lián)系數(shù)εi(k).

(8)

式(8)中,p為分辨系數(shù),取值區(qū)間為(0,1),具體取值可視情況而定,通常情況下p=0.5[28].

第4步：計算關聯(lián)度ri.

(9)

根據(jù)相關系數(shù)的大小,將關聯(lián)度劃分為5個等級,具體如表3所示.

2.3.2 驅動因素選取

海岸線變遷是由多種因素相互作用的結果[29-30].本文根據(jù)浙江省的地貌特征,從自然和社會經(jīng)濟2個角度出發(fā),選取年降水量(mm)、年均溫度(℃)、GDP(億元)、年末人口總數(shù)(萬人)、漁業(yè)生產總量(t)、漁業(yè)養(yǎng)殖面積(hm2)及居民用地面積(km2)[29-32]7個驅動因子.這些指標數(shù)據(jù)均來自各地級市歷年統(tǒng)計年鑒.由于本研究時間跨度較大,而早期統(tǒng)計年鑒數(shù)據(jù)不完善,且研究期間浙江省行政區(qū)劃有所調整,所以部分數(shù)據(jù)無法查閱,故本文選取數(shù)據(jù)較為完善的研究單元(15個)進行分析.

表3 關聯(lián)度大小和關聯(lián)強度的關系

3 討論與分析

3.1 浙江省大陸岸線變化分析

3.1.1 大陸岸線長度變化分析

1995—2020年,浙江省大陸岸線逐漸向海域一側推進,各類型岸線均發(fā)生了不同強度的變化,但總長度無明顯變化.究其原因,是圍海養(yǎng)殖、填海造陸等人類活動把原本彎曲的自然岸線變成平直的人工岸線,導致岸線變短;但后期的圍墾活動在原本岸線基礎上向海推進,或在距大陸較近的島嶼間修筑堤壩,導致島嶼連接形成半島,使岸線增長[33].具體見圖2.

圖2 1995—2020年浙江省不同類型大陸岸線變化

由圖2可知,各研究單元岸線長短不一,岸線最長的象山縣與最短的鹿城區(qū)相差300多km.而且岸線類型的分布也存在差異,基巖岸線和基巖淤泥質岸線主要分布在三門灣、臺州灣和樂清灣岸段,其中象山縣和蒼南縣占比最大,且砂質岸線僅存在于這2個研究單元內.海塘岸線和土堤岸線分布于整個研究區(qū),其中杭州灣岸段各研究單元主要由海塘岸線組成.總體來看存在自然岸線逐漸向人工岸線轉變的趨勢,但轉化速度逐漸變緩.

3.1.2 大陸岸線變遷強度分析

為了更加直觀地對比不同時段大陸岸線長度變遷的時空差異,由式(1)計算得出研究地區(qū)27個研究單元的岸線變遷強度,具體見表4.

25年間浙江省大陸岸線整體變遷強度為0.01%,且各時段變遷強度均不明顯.從空間上看,1995—2020年,柯橋區(qū)和上虞區(qū)的大陸岸線長度呈負增長,鎮(zhèn)海區(qū)、路橋區(qū)和龍港市呈正增長,變遷強度絕對值均高達2.00%以上.其中路橋區(qū)和龍港市主要是在2005—2015年發(fā)生變化,對比2期影像發(fā)現(xiàn),其變化原因均是由大規(guī)模修筑堤壩港口、將周圍島嶼連接形成半島所致.從時間上看,部分研究單元雖整體變遷強度不大,但期間大陸岸線長度卻發(fā)生明顯變化,如：余姚市整體變遷強度只有0.13%,但各時段的變遷強度分別達3.63%,1.37%和-6.68%.

3.1.3 大陸岸線人工化指數(shù)分析

岸線變遷強度只能體現(xiàn)岸線長度的變化情況,不能看出人工岸線和自然岸線之間的變換特征.因此,引入人工化指數(shù),分析浙江省大陸岸線類型受人類活動的變化情況,具體見表5.

1995—2020年,浙江省大陸岸線總體人工化指數(shù)由0.57增長到0.69,這說明在人類活動的影響下,部分自然岸線逐漸轉變?yōu)槿斯ぐ毒€,但增長趨勢逐漸緩慢.尤其是2015—2020年,人工化指數(shù)總體無增長,這主要與2018年《國務院關于加強濱海濕地保護嚴格管控圍填海的通知》等關于海岸帶區(qū)域的政策有關,其中部分研究單元人工岸線的增長可能是由2018年政策實施之前已完工的圍海養(yǎng)殖等人類活動所導致[34].

表4 1995—2020年浙江省大陸岸線變遷強度 單位：%

絕大多數(shù)研究單元的自然岸線與人工岸線都是此消彼長的關系,但由于沿海地區(qū)圍填海方式及程度不同,各研究單元人工岸線增長幅度不一致.其中上升幅度最大的為平陽縣,且在2005—2020年2個時段上升幅度均居首位, 這表明平陽縣影響岸線變遷的人類活動最為劇烈.另外,2005—2015年,路橋區(qū)人工化指數(shù)出現(xiàn)明顯下降,通過對比影像發(fā)現(xiàn),沿海區(qū)域開發(fā)將周邊島嶼連接形成半島,在人工岸線增長的同時增加大量自然岸線,使其總體人工化指標有所下降.

3.1.4 岸灘區(qū)域面積變化速率分析

岸線變化不僅體現(xiàn)在長度和類型上,也體現(xiàn)在岸線變遷所引起的海岸陸地的變化上.

由于大陸岸線屬于非閉合的矢量數(shù)據(jù),所以利用ArcMap 10.2將每個時段的2條大陸岸線相互結合所圍成的部分轉化為面要素(見圖3),計算出各研究單元面要素的面積,見圖4.

表5 1995—2020年浙江省大陸岸線人工化指數(shù)

從圖4可看出,慈溪市岸灘面積變化最大,達271.75 km2,占整個浙江省岸灘面積的21.63%.另外3個時間段的岸灘面積之和大于1995—2020年岸灘面積.這說明在自然環(huán)境和人類活動干擾下,浙江省大陸岸線在不斷向海擴張的同時也發(fā)生了部分侵蝕和退縮現(xiàn)象.

根據(jù)岸灘面積結合大陸岸線長度,得到各研究單元各時段的大陸岸線岸灘區(qū)域面積變化速率.由圖5知,1995—2020年岸灘區(qū)域面積變化速率最大的是慈溪市,為14.55%;其次是余姚市、上虞區(qū)和龍灣區(qū),分別為11.99%,9.56%和9.24%.2005—2015年是各研究單元岸灘區(qū)域面積年平均變化速率最快的時間段,其中余姚市高達20.13%.而2015—2020年是岸灘區(qū)域面積變化最慢的時間段,各研究單元變化速率均不明顯,最高為余姚市,僅有4.75%.

圖3 1995—2020年浙江省岸灘區(qū)域面積變化空間分布

圖4 1995—2020年浙江省岸灘區(qū)域面積變化

圖5 1995—2020年浙江省岸灘區(qū)域面積變化速率

3.1.5 沿海區(qū)域開發(fā)利用強度分析

以各時期大陸岸線為基礎分別向陸一側做緩沖區(qū),緩沖距離設為5 km,裁剪得到各時期沿海區(qū)域的土地利用數(shù)據(jù).按照土地利用類型將土地利用程度分為4級并賦值[35],具體見表6.

計算出各研究單元緩沖區(qū)內各土地利用類型的面積占比,結合分級指數(shù)得到開發(fā)利用強度.

表6 土地類型及利用程度分級賦值表

25年間浙江省沿海區(qū)域整體開發(fā)利用強度增長不明顯,由2.76增長至2.84.其中大多數(shù)研究單元的沿海區(qū)域開發(fā)利用強度呈持續(xù)增長趨勢,這主要是由于岸區(qū)內的圍海養(yǎng)殖和各類工業(yè)發(fā)展使其農業(yè)用地和城鎮(zhèn)用地面積不斷提高.同時,由于圍填海的影響,沿海區(qū)域位置隨岸線推進變化劇烈,導致其開發(fā)利用強度變化不穩(wěn)定,部分研究單元甚至呈現(xiàn)持續(xù)下降趨勢.具體見圖6.

圖6 1995—2020年浙江省沿海區(qū)域開發(fā)利用強度

3.1.6 人類干擾程度綜合指數(shù)

將所有的評價結果通過ArcGIS的自然間斷法對人類干擾程度的等級進行劃分,得到5個不同的等級,具體的結果如圖7所示[23].

圖7中,從左到右分別是浙江省3個時段的人類干擾程度空間分布圖.從整體上來看,浙江省人類干擾程度呈先加劇后緩和的趨勢.3個時段的重度和極度總占比分別為25.9%,33.3%和22.2%,且均主要集中分布在杭州灣南岸,少數(shù)散落分布在甌江口—沙埕港岸段.1995—2005年和2015—2020年,浙江省人類干擾程度主要均以輕、微度為主,占比均達60%以上,且主要集中分布在象山灣、三門灣、臺州灣和樂清灣岸段.2005—2015年,人類干擾程度加劇明顯,主要以中、極度為主,二者總占比在上一時段的基礎上增加87.5%,其中中度分布零散,各岸段均有.從各研究單元來看,上虞區(qū)、余姚市、慈溪市和鎮(zhèn)海區(qū)25年間人類干擾程度保持著重度和極度的水平,對比其大陸岸線變化情況,發(fā)現(xiàn)主要是由岸線長度變遷引起岸灘區(qū)域面積變化速率呈現(xiàn)較高水平所導致.

圖7 1995—2020年浙江省人類干擾程度空間分布

3.2 浙江省大陸岸線變遷驅動因素分析

以大陸岸線長度為因變量Y,各驅動因素為自變量,分別計算出各個研究單元的關聯(lián)度(見表7).

從平均值來看,按7個指標與岸線長度的關聯(lián)度由大到小排序為年末人口總數(shù)、年平均溫度、年降水量、漁業(yè)養(yǎng)殖面積、漁業(yè)生產總量、居民用地面積和GDP.

從各研究單元來看,兩大自然因素與大陸岸線長度變化關系強烈,各研究單元關聯(lián)度均高達0.90以上.主要由于溫度升高導致海平面上升,而降水量的不斷增加導致大量淤泥河沙流入海岸帶周圍,最終引起大陸岸線的變化.另外,GDP對大陸岸線變化的影響不明顯,年末人口總數(shù)、漁業(yè)生產總量和養(yǎng)殖面積對大陸岸線變化的影響尤為明顯.其中人口總數(shù)的灰色關聯(lián)度最大,各研究單元均高達0.94以上.隨著人口的增加,為了滿足居民日漸增強的需求,沿海區(qū)域通過圍海養(yǎng)殖和修筑堤壩擴大漁業(yè)養(yǎng)殖面積,從而增加漁業(yè)生產總量,同時伴隨著運輸?shù)缆沸藿ê宛B(yǎng)殖區(qū)開發(fā)等人類活動,最終導致大陸岸線逐漸擴張,岸線長度增加.

平湖市、海寧市和慈溪市的居民用地面積與大陸岸線變化的灰色關聯(lián)度較大,分別為0.96,0.96和0.97.1995—2020年,3個區(qū)(縣)的居民用地面積分別從81.85,143.32和162.53 km2增長至174.82,272.36和353.68 km2.這意味著隨著住房、交通等需求的增長,沿海區(qū)域通過填海造陸增加居民用地面積,大陸岸線向海域不斷擴張,但同時岸線化曲為直,最終導致大陸岸線長度小幅度增加.

表7 大陸岸線長度與驅動因素的關聯(lián)度

4 結論與展望

本文在RS和GIS技術的支持下,對浙江省大陸岸線的時空變化特征進行了定量分析.并通過灰色關聯(lián)度模型探討影響大陸岸線變化的驅動因子,試圖找到自然生態(tài)過程中人為干擾和大陸岸線變化之間的關系.主要得到以下結論：

1)1995—2020年,浙江省大陸岸線變遷強度和人工化指數(shù)總體均呈增長趨勢,同時大多數(shù)研究單元的沿海區(qū)域開發(fā)利用強度逐漸加強,其中2005—2015年是岸灘區(qū)域面積變化速率最快的時段.

2)1995—2020年,浙江省大陸岸線人類干擾程度先加劇后減緩,1995—2005年和2015—2020年主要以輕、微度為主;2005—2015年人類干擾程度加劇,主要以中、極度為主.

3)關聯(lián)度均值由大到小排序為年末人口總數(shù)、年平均溫度、年降水量、漁業(yè)養(yǎng)殖面積、漁業(yè)生產總量、居民用地面積和GDP.

根據(jù)對浙江省大陸岸線的研究結果,圍繞 “十四五”規(guī)劃,深入推進建設海洋強省,著力發(fā)展海洋經(jīng)濟、海洋創(chuàng)新、海洋港口、海洋開發(fā)和海洋生態(tài)文明等領域,全方位形成參與國際海洋競爭與合作的新優(yōu)勢,逐漸將浙江省海岸帶打造成生態(tài)環(huán)境優(yōu)美、功能布局有序、特色風貌突出、經(jīng)濟蓬勃發(fā)展的宜居宜業(yè)的現(xiàn)代化濱海地區(qū).