陳 勇，何中發(fā)，黎 兵，趙寶成

上海市地質(zhì)調(diào)查研究院，上海 200072

0 引言

在長江流域“蓄、攔、引、調(diào)”等人類工程活動以及地質(zhì)環(huán)境變遷的新形勢下，長江口入海泥沙量呈顯著下降趨勢，對長江口灘涂地貌的發(fā)育與演化產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響［1］。潮溝作為崇明東灘發(fā)育的典型地貌因子，是潮灘與外海進(jìn)行物質(zhì)和能量交換的主要通道，它通過不斷地側(cè)向遷移、擺動來改造或破壞潮坪沉積，同時影響灘地的穩(wěn)定性。因此，通過對潮溝空間分布與影響因子進(jìn)行研究，可以更深刻地了解潮灘地貌形態(tài)特征及其發(fā)育演變的規(guī)律性，對海岸工程建設(shè)、灘涂資源的合理開發(fā)以及潮坪沉積的分析均有重要意義。近年來，涉及潮溝研究的學(xué)術(shù)成果為數(shù)眾多，主要形成了以斷面法為代表的常規(guī)實(shí)地調(diào)查［2－3］與遙感調(diào)查兩大研究思路［4－6］。前者調(diào)查精度高，通過準(zhǔn)確獲取灘面、潮溝的幾何特征，斷面地形、溝深、表層沉積物特征等綜合信息，開展了深入的潮溝特征及演化機(jī)理定性研究，極大提升了對潮溝及其環(huán)境效應(yīng)的認(rèn)識，這種方法在局部“點(diǎn)”上具有較大優(yōu)勢。但由于潮灘通達(dá)性差、野外實(shí)地調(diào)查諸多不便、成本高、調(diào)查周期長等原因，增加了研究數(shù)據(jù)的獲取難度；且僅根據(jù)不同時期較短時間內(nèi)測量的有限幾條斷面數(shù)據(jù)，缺乏對大范圍空間特征的整體把握。后者是獲取地貌特征的有效手段［7－8］，有著快捷、經(jīng)濟(jì)的優(yōu)勢，能快速獲取潮灘的時空分布及演化特征，進(jìn)而對演化特征開展定量分析；但目前多停留在幾何形態(tài)特征分析階段，還缺乏對幾何形態(tài)形成機(jī)理及影響因素的深入探討。由于潮溝發(fā)育影響因素復(fù)雜［9］，加之兩種手段各具局限性，目前還未見通過定量分析手段研究潮溝的形成及其驅(qū)動因素的成果發(fā)表。

崇明東灘作為長江口最大的邊灘，是崇明國家級鳥類自然保護(hù)區(qū)以及崇明國家地質(zhì)公園的核心組成部分，潮溝的發(fā)育與演化對灘涂生態(tài)保護(hù)、地質(zhì)遺跡景觀等均產(chǎn)生著重要的影響。基于此，筆者以遙感、GIS等技術(shù)為手段，通過對潮溝的解譯及多項(xiàng)影響因素的提取，開展了潮溝發(fā)育與影響因素相關(guān)性分析，旨在明確崇明東灘潮溝的現(xiàn)狀以及影響其發(fā)育的主要因素，進(jìn)而為灘涂的開發(fā)與保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

崇明東灘位于長江入海口、崇明島的最東端（121°47′-122°05′E，31°25′-31°38′N）。長江河口是世界上最大的河口之一，多年平均潮差2.6m，最大潮差4.6～6.0m，為中等強(qiáng)度潮汐，日不等現(xiàn)象明顯，口門平均波高和最大波高分別為1.0和6.2 m［2］。長江下瀉的巨量泥沙其中近一半沉積于河口區(qū)［10－11］。東灘是長江口地區(qū)最大的一塊濕地，是長江口最大的淤積帶。東灘形成的歷史較短，是由長江流域來沙在江海交互作用下不斷加積而成的泥質(zhì)潮灘。近幾十年岸線推進(jìn)速率達(dá)200～300m／a，潮間帶面積約230km2［12］。東灘灘寬坡緩，由于灘涂圍墾修筑海堤使潮上帶缺失，潮灘最大寬度達(dá)13 km以上，平均高潮位以上的灘坡坡度為0.2%，平均高潮位以下的灘坡坡度為0.6%。鹽沼帶植被廣泛發(fā)育，植被有良好的分帶性，從岸向海依次發(fā)育蘆葦群落、互花米草群落、海三棱藨草群落。外來物種互花米草已與蘆葦和海三棱藨形成競爭態(tài)勢。東灘潮溝主要分布在潮間帶上部或高潮灘部位，它們起源于岸邊低洼地區(qū)。由岸向海，淺而窄的樹枝狀小潮溝不斷匯聚，形成寬而深的大潮溝，然后在潮間帶變寬、變淺，最終消失。近年來，長江來沙量呈銳減趨勢，潮間帶的淤積速率已大大降低，部分岸段已處于侵蝕狀態(tài)［12］。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)源

采用數(shù)據(jù)源包括：2007年表層沉積物粒度數(shù)據(jù)；2008年低潮期航空遙感影像，空間分辨率0.25 m；2009年10月Landsat TM-衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，軌道號138／038；2011年7月潮灘地形實(shí)測數(shù)據(jù)，采用PTKDGPS測量方法，測線間隔1.2km，采樣間距20m。

2.2 方法

對航片影像進(jìn)行幾何糾正后，在ArcGIS中采用人機(jī)交互解譯提取出長度大于5m的潮溝，形成潮溝空間分布矢量圖。然后對矢量圖按照20m×20m網(wǎng)格統(tǒng)計單位格內(nèi)潮溝的長度，形成潮溝發(fā)育密度等值線圖。

潮灘發(fā)育樹枝狀潮溝和起伏不平的潮灘皆屬于不規(guī)則圖形，對于不規(guī)則圖形，筆者在Matlab軟件的支持下采用盒子維來研究潮溝的幾何形態(tài)。其原理是對于一個平面載體中的分形集圖形，采用邊長為r的正方形盒子覆蓋，得到需要覆蓋圖形的非空盒子數(shù)，然后逐步縮小盒子的邊長r［13］。計算公式如下：

式中：D為分維值；r為覆蓋分形集圖形的正方形盒子的邊長；N（r）為所需寬度為r的正方形盒子非空覆蓋集的數(shù)量。在本次計算中：先將潮溝矢量圖導(dǎo)成1∶20 000柵格圖，分辨率為300dpi；然后取邊長為r的2個像元；隨后邊長呈幾何級數(shù)增加，求得一系列的r和對應(yīng)的N（r）；最后以lnN（r）為縱坐標(biāo)，lnr為橫坐標(biāo)，由作出的雙對數(shù)圖的斜率取負(fù)來計算D。

由于植被在整個1年的生長周期中光譜特性幾乎處于連續(xù)的變化狀態(tài)中，且航片由于本身波段有限，加之后續(xù)處理過程中波譜信息損失嚴(yán)重，而陸地衛(wèi)星影像在提取長江口潮灘植被中具有良好的應(yīng)用效果［14］，因此本研究選擇了2009年秋季TM數(shù)據(jù)來進(jìn)行植被信息提取。對影像進(jìn)行輻射糾正與幾何糾正后，計算了研究區(qū)歸一化植被指數(shù)［15］（normalized difference vegetation index，NDVI），同時采用纓帽變換［16］提取出土壤濕度與綠度指數(shù)。纓帽變換是將TM圖像除熱紅外的6個波段壓縮成3個分量。其中：綠色植被指數(shù)分量反映了綠色生物量的特征；土壤特征分量反映了可見光和近紅外與較長的紅外差值，它對土壤濕度最為敏感。

同時，利用潮灘高程數(shù)據(jù)通過80m×80m Kriging插值構(gòu)建潮灘DEM模型。粒度數(shù)據(jù)處理則采用對采樣點(diǎn)中值粒徑進(jìn)行空間插值，形成中值粒徑等值線圖。

待各項(xiàng)指標(biāo)提取完畢之后，按照潮溝分支，劃分出A，B，C，…，V共22個不同的潮溝單位，對各單位中的影響因子進(jìn)行統(tǒng)計，計算各指標(biāo)平均值。最后，采用線性回歸統(tǒng)計與因子分析研究各指標(biāo)與潮溝發(fā)育的關(guān)系。

3 結(jié)果

從潮溝遙感解譯成果圖（圖1）中可以看出：由于人工堤壩對自然潮溝的切斷影響，目前崇明東灘現(xiàn)存的潮溝均發(fā)育于人工堤壩附近，流經(jīng)潮坪的上部和中部，往往在潮坪的中下部呈淺的喇叭狀溝口，然后消失；其總的流向大致垂直岸線，和潮坪面的傾斜方向一致，在平面上呈樹枝狀水系。按照潮溝分支級數(shù)，南部潮溝普遍發(fā)育5級分支，最長的主潮溝I可達(dá)4.8km，呈蛇曲型橫向擺動，溝擺動幅度可達(dá)數(shù)百米，潮溝之間間隔很小，形態(tài)復(fù)雜；北部潮溝則分級較少，一般在3級左右，主潮溝呈順直型，不同潮溝之間距離大。潮溝發(fā)育影響因子空間分布特征圖（圖2）表現(xiàn)出區(qū)內(nèi)潮溝中南部高，南部次之，北部低的特征；南部統(tǒng)計單元格中最大潮溝密度可達(dá)64.3km／km2，略高于江蘇鹽沼潮間帶潮溝密度（50 km／km2）［17］。

圖1 潮溝遙感解譯成果Fig.1 Tidal creeks interpreted from aerial image

圖2 利用RS與GIS技術(shù)提取的潮溝發(fā)育影響因子分布Fig.2 Deriving factors for tidal creek development extracted using RS and GIS techniques

利用Matlab程序計算了不同潮溝單元的分維值。研究區(qū)內(nèi)潮溝分維值為1.093 3～1.614 7（表1）。其按照數(shù)值大小可以分為3個梯次：1）以D、F、H、I為代表的中南部區(qū)域分維值均在1.500 0以上，是研究區(qū)潮溝分維值最高的地區(qū)；2）以G、J、K、L、N、P為代表的中部地區(qū)，分維值為＞1.300 0～1.500 0，是潮溝分維值的次高值區(qū)；3）其余為分維值最小區(qū)域，分維值約為1.100 0～1.300 0。

表1 潮溝分形計算結(jié)果Table1 Fractal dimensions of different tidal creek units

歸一化植被指數(shù)是表征植被長勢的有效因子，植被長勢越好，植被指數(shù)越大。歸一化植被指數(shù)（圖2B）顯示：崇明東灘的植被在東北部地區(qū)發(fā)育最好；中部次之；南部由于長期以來為水牛放牧區(qū)，受牛群放牧、啃食和踩踏影響，加之由于鹽度分布南北差異導(dǎo)致的互花米草在南部難以生長，植被發(fā)育最差。該結(jié)果與前人研究結(jié)果一致［18］。

土壤濕度因子結(jié)果（圖2C）顯示：由于南部地區(qū)植被覆蓋度下降，土壤裸露面積增大，造成了土壤濕度指數(shù)增加，與實(shí)際情況一致；崇明東灘沉積物以粉砂為主，其次是細(xì)砂，泥較少，沉積物的平均粒徑從低潮灘向高潮灘逐漸減小，由低潮灘到高潮灘沉積物顆粒逐漸變細(xì)。圖2D顯示，表層沉積物平均粒徑從潮灘北部向南部有逐漸加大的趨勢，反映了水動力從北向南逐漸增強(qiáng)的特征。

通過由潮灘高程信息建立的DEM模型結(jié)果顯示：區(qū)內(nèi)地勢平坦，由陸向海緩傾，坡度較小，最大坡度約0.7%。南北方向潮灘高程差異也僅存細(xì)微差異，南部地表粗糙度略大于北部地區(qū)。潮溝基本發(fā)育在高潮灘地區(qū)。為進(jìn)一步研究不同區(qū)域地形變化，在北、中、南部地區(qū)做了3條高程剖面，這些剖面均跨越主潮溝。結(jié)果顯示，剖面低值區(qū)與潮溝的位置吻合，北部地區(qū)高程差異為0.2m，南部地區(qū)約為0.7m，反映了潮溝深度呈現(xiàn)南深北淺的特征。

4 討論

4.1 潮溝空間分布特征

近10年來，由于崇明東灘自然保護(hù)區(qū)的設(shè)立，潮灘處于自然發(fā)育、演化的狀態(tài)，為潮溝的發(fā)育與影響因素研究提供了一個優(yōu)良場所。分維值是分形幾何學(xué)中提出的尺度變化下的不變量［19］，自提出以來，一直是地球科學(xué)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。前人對分形特征大量的研究成果表明，分維值不僅可以研究幾何特征，且隱含著豐富的地質(zhì)與物理信息。馮金良等［20］、高義等［21］從海岸線分維值挖掘出了其地質(zhì)意義；戴志軍等［22］通過對華南海岸的分形研究，結(jié)合海岸動力地貌泥沙供給對海岸穩(wěn)定性進(jìn)行了評價。潮溝是灘涂與海洋進(jìn)行物質(zhì)和能量交換的通道，是潮流與徑流共同作用的產(chǎn)物，其分維值不僅反映水動力條件，也能對人類圍墾活動、灘涂沖淤以及潮灘底質(zhì)有一定的表征。崇明東灘潮溝在成因上屬于灘面水流沖刷型［9］，當(dāng)近岸水動力條件較強(qiáng)時，灘面流水能量加強(qiáng)，灘面侵蝕加劇，會造成潮溝沖刷深度加大，潮溝分支增多，在潮溝幾何形態(tài)上的反映就是變得“復(fù)雜”，即分維值較高；崇明東灘水動力條件南強(qiáng)北弱，是導(dǎo)致中南部地區(qū)分維值高于北部的重要原因。潮溝的分維值對潮灘底質(zhì)條件差異也有一定反映：潮灘沉積物越細(xì)，固結(jié)越緊密，抗侵蝕越強(qiáng)，潮灘越不發(fā)育；東灘底質(zhì)南粗北細(xì)，與北部分維值低、中南部偏高較為一致。此外，北部植被覆蓋度大，植物根系的護(hù)灘作用也是造成北部潮溝分維值低的重要因素。潮溝隨著年齡的增長其分維值會逐漸增大［23］，即潮溝變得更加復(fù)雜，崇明東灘南部的團(tuán)結(jié)沙圍墾時間最晚，潮溝年齡相對較小，可能是造成南部雖然水動力較強(qiáng)、植被稀疏，但分維值依然較低的主要原因。

水陸相互作用是潮溝形態(tài)形成的塑造力。因長江口泥沙的持續(xù)供給，N、M、J、K是東灘淤漲最為迅速的地區(qū)，也是水平淤積速率最大的地區(qū)［18］，作為潮溝單元面積相對較大的地區(qū)，分維值也呈現(xiàn)較高值（圖3），兩者顯示出較好的正相關(guān)性。在通常情況下，當(dāng)沉積速率很高時，不斷沉降的泥沙可以填沒微型淺洼地，保持潮坪面的平整性。在原有潮溝的源頭，不斷沉降的泥沙可以埋沒源頭，抑制溯源侵蝕［9］；這似乎與該區(qū)情況相矛盾，造成這種情況的合理解釋可能是泥沙來源以及沉積速率不是本區(qū)潮溝發(fā)育的主要影響因素。由此，可以進(jìn)一步推測，在當(dāng)前長江來沙減少的背景下，東灘潮溝的發(fā)育不會受到明顯影響。

東灘潮溝單元分維值為1.093 3～1.614 7，大于與研究區(qū)位置接近的長江口另外一個灘涂九段沙潮溝的1.2～1.4［6］；這可能與九段沙面積小、區(qū)域之間水動力條件相近、植被覆蓋差異小，以及人類干擾相對低有關(guān)。與渤海遼東灣的蓋州灘＜1.5的分維值［5］和黃河三角洲1.00～1.51的分維值相比［19］，崇明東灘分維值總體與這些地區(qū)較為接近。

潮溝密度是單位面積內(nèi)的潮溝長度，代表潮溝的發(fā)育強(qiáng)度。在研究區(qū)內(nèi)潮溝密度呈現(xiàn)中南部高、南部次之、北部最低的特點(diǎn)，而分維值呈現(xiàn)中南部高，北、南端低的格局，二者略有差異（圖3），灘涂圍墾以及2001年南部堤壩的建設(shè)等人類活動是造成這種情況的主要原因。

4.2 潮溝發(fā)育影響因素相關(guān)性分析

利用因子分析方法，計算潮溝幾何特征與影響因素之間的相關(guān)性（表2）。從表中可以看出，歸一化植被指數(shù)與綠度相關(guān)性最強(qiáng)，相關(guān)系數(shù)R達(dá)0.996 4，而二者計算的均是植被覆蓋信息，指標(biāo)內(nèi)涵完全一致，一定程度上也印證了統(tǒng)計方法的有效性。

圖3 潮溝單元密度、面積與分維值對比圖Fig.3 Comparison with creek density，fractal dimension and area of each creek system

表2 潮溝發(fā)育影響因子協(xié)方差矩陣Table2 Covariance matrix calculated from driving factors of tidal creeks

從表2中還可以看出，相比其他影響因素，潮溝密度與綠度、歸一化植被指數(shù)、沉積物粒度相關(guān)性較高，R分別為－0.910 6、－0.891 9與0.873 4。植被發(fā)育制約著潮溝的發(fā)育已被前人的研究成果所證實(shí)［24－25］。這是因?yàn)橹参锏某霈F(xiàn)降低了水流的能量，潮流進(jìn)入鹽沼后，植物莖葉阻擋導(dǎo)致流速減小，侵蝕作用降低；同時由于植物根系的固灘作用，也使灘面不易侵蝕，所以植被發(fā)育的地方往往潮溝密度較小。表層沉積物的粒徑與水動力強(qiáng)弱的表征，以及從潮灘北部向南部沉積物粒度逐漸變粗的趨勢，反映了水動力從北向南逐漸增強(qiáng)。長江北支的水動力是以潮流為主、潮汐性質(zhì)為輔的非正規(guī)淺海半日潮，潮波具有明顯的駐波性質(zhì)：北支下段潮流漲潮流速一般大于落潮流速；南支處在長江河口的過渡段，潮流和徑流共同存在，流速明顯高于北部，水動力條件越強(qiáng)，對潮灘的侵蝕越強(qiáng)烈。同時，平均粒度細(xì)代表黏質(zhì)組分增多，流水侵蝕黏土質(zhì)點(diǎn)需要較高的流速，黏土可以膠結(jié)沙粒，尤其在潮間帶，沙泥沉積物由于出露而干結(jié)，抗侵蝕能力也明顯增強(qiáng)。所以當(dāng)潮坪沉積具有較高的含泥量時，潮坪沉積不易被侵蝕，不易產(chǎn)生潮溝或形成大潮溝，這較好地解釋了北部顆粒細(xì)、潮溝不發(fā)育的現(xiàn)象。

在起伏明顯的潮坪面上，落潮以后，在低洼處可以截留較多的海水，這些淺洼處?？沙蔀橐恍┏睖系脑搭^。從這些源頭開始，落潮后的灘面水流漸漸刻蝕出潮溝的雛形；所以起伏愈明顯，潮溝愈發(fā)育［9］。但在本地區(qū)，由于潮灘整體非常平滑，該指標(biāo)對潮溝的影響不甚明顯，與潮溝的發(fā)育密度相關(guān)性較低。

表層沉積物粒度在地物波譜反射率上具有較明顯的診斷信息［26］，而土壤濕度信息與沉積相特征具有一定的相關(guān)性，Choi等［27］的研究成果表明，潮溝發(fā)育與沉積相具有較好的相關(guān)性，由此可以推斷，潮溝的發(fā)育應(yīng)該與區(qū)內(nèi)的土壤濕度信息具有良好的相關(guān)性，但因子分析的結(jié)果卻與推斷不一致。造成這種情況的原因可能是Ryu等［26］研究的區(qū)域主要是光灘地區(qū)，且退潮后潮灘暴露地表較長時間，與本文的研究條件不符，同時纓帽變換提取的濕度指標(biāo)在潮灘地區(qū)也存在較大的誤差。

值得注意的是，分維值與潮溝密度關(guān)系不甚緊密，相關(guān)系數(shù)僅為0.339 3，兩者的內(nèi)涵可能也存在一定的差異；密度反映更多的是潮溝發(fā)育的強(qiáng)度，與易發(fā)程度有關(guān)，而分維值反映的是復(fù)雜程度，受演化時間長短的影響較大。這也是南部地區(qū)潮溝密度大、但分維值較低的原因。

5 結(jié)論

1）崇明東灘共發(fā)育22條一級潮溝，按一級潮溝進(jìn)行單元劃分，各潮溝單元分維值約為1.100 0～1.620 0；在空間上分維值呈現(xiàn)中南部高，北、南端低的格局；潮溝發(fā)育密度最高達(dá)到64.3km／km2，潮溝密度分布中南部高，南部次之，北部最低。

2）潮灘植被及由水動力條件導(dǎo)致的底質(zhì)差異是影響崇明東灘潮溝發(fā)育的主導(dǎo)因素，而潮溝發(fā)育與地形、沉積速率關(guān)系不甚密切。由此可以推斷，在長江口來沙量減少的背景下，東灘沉積速率會發(fā)生一定的變化，但該區(qū)潮溝地質(zhì)景觀不會出現(xiàn)大的改變。增加植被覆蓋度是維持灘涂穩(wěn)定性的有效手段。

3）人類活動（圍墾）影響了潮溝的發(fā)育，堤壩的修建是造成潮溝分維值與潮溝密度在空間上相關(guān)性不強(qiáng)的主要原因。

由于數(shù)據(jù)的限制，本文只提取了一個年份的潮溝信息，在后續(xù)的工作中，有必要對多個年份的潮溝演化規(guī)律做深入研究，進(jìn)一步探討形成機(jī)理與影響因素，以期更好地為灘涂的保護(hù)與開發(fā)提供科學(xué)依據(jù)。

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