劉 勇,黃海軍,劉艷霞,嚴(yán)立文

(1．中國科學(xué)院 海洋研究所,海洋地質(zhì)與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東 青島,266071;2．中國科學(xué)院 研究生院,北京100049)

黃河自1855年銅瓦廂決口徙奪大清河注入渤海以來,其攜帶的巨量泥沙及頻繁的尾閭擺動(dòng)已塑造了約6 000 km2的近代三角洲體系(圖1)。新生的三角洲陸地地勢寬闊低洼,淺海灘涂資源廣闊,如今面積仍在逐年緩慢遞增,為此黃河三角洲區(qū)域也成為了我國土地增長最快的地區(qū)[1]。這些具有“藍(lán)色土地”之稱的獨(dú)特的新生濕地,不僅擁有種類繁多、數(shù)量巨大的生態(tài)環(huán)境資源,而且為沿海漁業(yè)生產(chǎn)、發(fā)展水產(chǎn)養(yǎng)殖、開發(fā)農(nóng)業(yè)種植、鹽田修建及工業(yè)用地等提供了寶貴的土地資源,具有重大的保護(hù)和開發(fā)價(jià)值。關(guān)于本區(qū)土地利用變化監(jiān)測已有許多研究[2-4]。然而黃河三角洲作為陸海相互作用的前沿地帶,生消演變異常劇烈,特別是 1990年以后,黃河入海水沙量銳減,然而人類活動(dòng)及海洋動(dòng)力因素等仍持續(xù)作用,黃河三角洲的土地利用狀況及灘涂演變必將表現(xiàn)出新的特征。本文借助大范圍、多時(shí)相的遙感數(shù)據(jù)與實(shí)地調(diào)查資料,通過遙感與GIS相結(jié)合,充分挖掘遙感影像中灘涂分布與演化信息,探明黃河三角洲灘涂資源生消演替狀況,為合理利用及保護(hù)黃河三角洲灘涂資源提供科學(xué)依據(jù)。

圖1 研究區(qū)范圍及黃河三角洲灘涂分段位置圖Fig.1 Study area of the modern Yellow River Delta

灘涂即淤泥質(zhì)潮灘(tidal mud flat),亦稱海涂。為坡度較緩、營養(yǎng)物質(zhì)豐富、生物種類較多的低能量海洋環(huán)境。從開發(fā)利用的角度看,灘涂包括未被開發(fā)的生長著一些低等植物的潮上帶及低潮時(shí)仍難以出露的水下淺灘,即包括潮上帶和潮下帶可供開發(fā)利用的部分[5]。灘涂是海陸交匯的特殊地帶,受潮汐周期性變化的影響而出現(xiàn)淹沒和出露的交替性變化。根據(jù)灘涂自然因素及開發(fā)利用的原則,將灘涂研究范圍界定為大陸河川徑流及其所挾帶泥沙、營養(yǎng)物質(zhì)和污染物質(zhì)明顯擴(kuò)散的范圍,也是當(dāng)前沿岸經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的主要范圍,即以 0 m 等深線為界,向海推至-6 m等深線以內(nèi)為灘涂海域部分、向陸延伸1～5 km范圍內(nèi)為灘涂依托陸域部分(或以第一條沿海道路、濱海堤壩為界),主要是未開發(fā)利用的淤泥質(zhì)潮灘。

1 黃河三角洲灘涂信息提取

1.1 數(shù)據(jù)及處理方法

本文所用的數(shù)據(jù)有:1989年和2000年陸地衛(wèi)星影像、2003年數(shù)字化地形圖及數(shù)字高程數(shù)據(jù)、20世紀(jì)80年代1 :20萬山東省海岸帶土地利用圖集以及黃河三角洲海圖等(表1)。

表1 數(shù)據(jù)源列表Tab.1 Data source list

圖像處理方式主要包括:圖像剪裁以獲得感興趣區(qū)域;選用信息量豐富的5,4,3波段的假彩色合成,該合成圖像不僅信息量豐富,且能較好地顯示各種地物影像特征的差別;利用地形圖對(duì)兩不同時(shí)相的TM/ETM+影像進(jìn)行幾何精校正,校正結(jié)果滿足誤差的限定范圍,以便下一步兩期影像對(duì)比變化分析。具體操作流程如圖2所示。灘涂海域分界線即-6 m和0 m等深線是利用通過矢量化獲得的海圖已知等深點(diǎn)插值得到的。

圖2 遙感圖像處理流程圖Fig.2 Remote sensing image processing flow chart

1.2 灘涂信息提取

不同地貌部位灘涂的地形、植被特征及其在遙感影像上的光譜特征如下。

平均大潮高潮線與平均小潮高潮線之間的灘涂灘面平時(shí)出露,特大高潮時(shí)被海水淹沒。黃河三角洲高潮位灘涂主要植被類型以蘆葦、堿蓬和檉柳為主,在 TM 遙感影像假彩色合成圖上色彩和紋理特征明顯,并且覆蓋度比較高。

平均小潮高潮線與平均小潮低潮線之間的灘涂,是潮流和波浪作用十分活躍的地帶,灘面上侵蝕地貌相當(dāng)發(fā)育,潮溝密布。該區(qū)植被較稀疏,類型以蘆葦和堿蓬為主,在 TM 遙感影像假彩色合成圖上呈暗褐色。

平均小潮低潮線與平均大潮低潮線之間的地帶為低潮位灘涂,經(jīng)常性地淹沒在海水之中,植被覆蓋度很低。低潮時(shí),在TM遙感影像假彩色合成圖以灰色為主。

盡管灘涂分布具有高、中、低分布的特點(diǎn),然而在遙感圖像中很難提取低潮位灘涂,且高潮位多已被開發(fā)利用,故在遙感圖像中提取灘涂信息主要是潮間帶灘涂。灘涂的海域部分信息的獲取是在分類數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上利用海圖提取0 m和-6 m等深線來完成的。

根據(jù)影像中灘涂的光譜和紋理等信息特征,采用基于先驗(yàn)知識(shí)的監(jiān)督分類方法與目視解譯相結(jié)合進(jìn)行遙感圖像分類,進(jìn)而提取灘涂專題信息。該方法充分利用遙感影像解譯標(biāo)志和其他輔助數(shù)據(jù)(如DEM數(shù)據(jù)等),在GIS輔助下采用人機(jī)交互的方式得到分類結(jié)果,具有速度快和易于實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn)。

利用與遙感影像成像相近時(shí)期的土地利用現(xiàn)狀圖進(jìn)行比對(duì),結(jié)合更高精度的遙感影像和野外實(shí)地調(diào)查對(duì)解譯分類結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證,修正解譯圖中難分、錯(cuò)分的部分地物,以提高分類精度。圖3是黃河三角洲地區(qū) 1989年landsat TM影像和 2000年landsat ETM+影像剪切得到的感興趣區(qū)及其相對(duì)應(yīng)的遙感影像分類結(jié)果圖。利用80年代后期土地利用詳查圖對(duì)比驗(yàn)證了1989年分類結(jié)果,表明分類結(jié)果的精度達(dá)到80%以上。

圖3 黃河三角洲兩不同時(shí)期原始影像和土地利用類型解譯圖Fig.3 The Yellow River Delta original RS images and land use interpretation maps in 1989 and 2000

2 黃河三角洲不同行政區(qū)域?yàn)┩孔兓治?/h2>

黃河三角洲的灘涂主要分布在黃河口 140 a來改道的范圍內(nèi),大部分在東營市,小部分在濱州市。通過不同時(shí)相遙感影像灘涂信息的提取,在分類圖上疊加行政界線,得到1989年至2000年11 a間近代黃河三角洲不同行政區(qū)域岸段灘涂面積變化(圖4)。從圖4中可見,黃河三角洲沿海各區(qū)域 2000年的灘涂面積較之1989年呈總體下降趨勢,減少總量246.42 km2。 其中東營市河口區(qū)的灘涂面積最大,達(dá)1 400 km2,面積減少量也是最大的,為188.06 km2。沾化縣和墾利區(qū)灘涂面積略有減少,而東營區(qū)和廣饒縣的灘涂面積基本沒有變化。

黃河三角洲灘涂的形成是多種驅(qū)動(dòng)力綜合作用的結(jié)果,按照自然生態(tài)景觀,可分為泥質(zhì)灘涂、砂質(zhì)灘涂和生物灘涂。同一類型灘涂有多種開發(fā)利用方式,黃河三角洲灘涂的利用方式如圖5所示。盡管黃河現(xiàn)行入?？诘臇|營區(qū)灘涂總面積在 1989～2000年間變化很小,但其利用方式有很大的變化。從圖5可知,淺海漁業(yè)、水產(chǎn)養(yǎng)殖、農(nóng)業(yè)種植、鹽田、自然保護(hù)區(qū)及工業(yè)用地是其主要的開發(fā)利用方式。運(yùn)用ENVI軟件中的變化監(jiān)測模塊計(jì)算得到其灘涂土地利用類型轉(zhuǎn)換矩陣(表2)和灘涂與其他土地利用類型間的轉(zhuǎn)換關(guān)系,可知1989～2000年間,黃河三角洲灘涂向其他土地利用方式轉(zhuǎn)化結(jié)果如下:15.9%轉(zhuǎn)變?yōu)榱植莸?12%轉(zhuǎn)變?yōu)楹Ｓ?7%轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌玫?包括已圍待用地),6.3%轉(zhuǎn)變?yōu)轲B(yǎng)殖、鹽田用地,1.1%轉(zhuǎn)變?yōu)樗?主要是河流水系);1989～2000年間,各類型土地向?yàn)┩哭D(zhuǎn)化結(jié)果為36.5%的海域、6.5%的水域、2.5%的林草地轉(zhuǎn)變?yōu)闉┩?同時(shí)有 1.3%的養(yǎng)殖、鹽田用地轉(zhuǎn)化為灘涂。

1989～2000年間,受人為因素影響灘涂被圍墾改造活動(dòng)劇烈,175.3 km2灘涂轉(zhuǎn)化為林草地,69.6 km2轉(zhuǎn)化為養(yǎng)殖、鹽田用地。此期間養(yǎng)殖、鹽田面積共增加了55.8 km2,主要是由灘涂轉(zhuǎn)化而來。反觀其他類型土地向?yàn)┩康霓D(zhuǎn)化特點(diǎn),80.9 km2的海域轉(zhuǎn)化為灘涂。河流水系和林草地等土地類型轉(zhuǎn)化為灘涂,說明黃河三角洲部分岸段潮溝萎縮,林草地減少。除受海洋動(dòng)力侵蝕,灘涂轉(zhuǎn)變?yōu)楹Ｓ蛲?越來越多的流域大型水庫建設(shè),入海泥沙減少,降低了黃河的造陸能力,是灘涂面積減少的重要原因。

圖4 1989～2000年間黃河三角洲不同行政區(qū)域?yàn)┩孔兓疐ig.4 Variation of the tidal flat of the Yellow River Delta in different administrative regions between 1989 and 2000

3 黃河三角洲不同自然岸段灘涂分布及演變特點(diǎn)

根據(jù)黃河三角洲海岸形成時(shí)間、淤進(jìn)和蝕退的特點(diǎn),本區(qū)灘涂可分為以下 3個(gè)自然岸段,其 1989年和2000年的灘涂對(duì)比變化見表3。

圖5 黃河三角洲灘涂類型及開發(fā)利用方式Fig.5 The main application modes and type of tidal flat in the Yellow River Delta

表2 1989～2000年灘涂、土地類型轉(zhuǎn)換矩陣Tab.2 Land using type conversion matrix

表3 不同時(shí)期黃河三角洲3自然岸段灘涂面積變化對(duì)比Tab.3 Comparison of the changes of the tidal flat of the Yellow River Delta in three natural coasts,1989 and 2000

套爾河口—神仙溝:本岸段為黃河三角洲的組成部分,植物有檉柳、蘆葦和耐鹽草類,不宜耕種,現(xiàn)經(jīng)人工改造成大面積鹽田、蝦池和油田等工礦用地,自然灘涂主要為近河口段的濕地與三角洲河間洼地。刁口河流路各口門附近由于1976年入海泥沙補(bǔ)給源中斷后,潮流風(fēng)浪侵蝕強(qiáng)烈,潮灘上部寬度較小,最窄處寬僅 500 m,該段潮溝發(fā)育程度較低;本區(qū)以西岸段,河流改道與成陸較長,高潮灘發(fā)育成熟,寬度較大,灘涂上除潮溝上段兩岸有葦叢外,大部分地面植被稀少。1976年黃河改道清水溝行水后,西側(cè)岸段灘涂上的潮溝發(fā)育受到抑制;雖然其東面的挑河還處于發(fā)育階段,但是灘涂人工圍墾及部分岸段的蝕退日益嚴(yán)重,至2000年人工堤壩向海外移,原來天然韻律型岸線被平直的人工岸線取代,灘涂面積減少[6]。1989年該岸段灘涂面積為1 632.57 km2,占黃河三角洲灘涂總面積的48%,灘涂面積最大;到 2000年,該岸段灘涂面積和所占比重分別減少了203.41km2和2%。

神仙溝—小島河:為現(xiàn)行黃河入海及以淤積為主的岸段。黃河每年輸送大量泥沙到河口三角洲及近岸海域,其中1/3以上的泥沙沉積在下游沿程河道及沿岸地區(qū),在三角洲及其前沿海域形成寬緩的平拋物型海灘剖面[7]。此外該岸段北部由于油田開發(fā)的需要,自20世紀(jì)80年代以來三角洲沿岸均已修建高規(guī)格的防潮堤,其岸線變化、灘面演化主要限于防潮堤向海側(cè)的范圍內(nèi),特別是孤東人工大堤修建后,致使其近岸淺水區(qū)由建堤前的向海淤進(jìn)轉(zhuǎn)為蝕退[8]。黃河從清水溝行水至2000年期間,清水溝一帶沖淤互有,總體表現(xiàn)為淤積,而南岸較之北岸更為劇烈。1996年人工調(diào)整黃河從清 8出汊口入海,現(xiàn)行清 8河口區(qū)表現(xiàn)為迅速淤進(jìn),形成明顯的沙嘴。廢棄的清水溝老河口則由淤積變?yōu)榭焖傥g退。該岸段2000年比1989年的灘涂面積略減少了11.42 km2。

小島河—淄脈溝口:本岸段為黃河在20世紀(jì)30年代入海形成的,廢棄時(shí)間較長,本區(qū)塑造灘涂的主要?jiǎng)恿Τ绷?在其長期改造下,該岸段具有發(fā)育較寬大、平坦的高潮灘,寬度一般在1～3 km之間,同時(shí)還發(fā)育了密集的潮水支溝水系。該岸段灘涂面積有所減少,從1989年的509.27 km2減少到2000年的477.71 km2,而所占比重卻均為15%,變化很小。從兩期遙感圖像上可以看出該岸段早在1989年就建有大面積的養(yǎng)殖池和鹽田,其穩(wěn)定的人工岸堤限制了灘涂的演變。

4 結(jié)語

通過對(duì)近代黃河三角洲1989年和2000年兩個(gè)時(shí)相遙感影像的增強(qiáng)處理、基于專家知識(shí)的監(jiān)督分類方法與目視解譯完成了黃河三角洲土地利用分類。通過野外驗(yàn)證,該分類方法速度快且滿足應(yīng)用的要求。

按照不同行政區(qū)域和自然岸段分別統(tǒng)計(jì)了 1989年和2000年黃河三角洲的灘涂分布與面積變化,對(duì)灘涂與其他類型土地之間的相互轉(zhuǎn)化關(guān)系等進(jìn)行了計(jì)算與分析,得出灘涂利用方式轉(zhuǎn)換、面積的演變特征,發(fā)現(xiàn) 1989～2000年間,黃河三角洲中潮位灘涂(15.9%)主要向其他土地利用類型中的林草地轉(zhuǎn)換;而向?yàn)┩哭D(zhuǎn)換的主要是其他土地類型中的林草地(6.5%)?？傮w上灘涂面積呈減少趨勢,減少面積為246.42 km2,灘涂面積減少最多的岸段為套爾河口—神仙溝。

對(duì)黃河三角洲灘涂變化原因進(jìn)行了初步分析,黃河三角洲灘涂的演化與區(qū)內(nèi)人類活動(dòng)關(guān)系密切,灘涂不斷被圍墾、養(yǎng)殖以及曬鹽所代替,人類活動(dòng)極大的改變了灘涂發(fā)育演變的自然規(guī)律。人類活動(dòng)作用下本區(qū)灘涂的演化規(guī)律有待進(jìn)一步研究。

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