任宗海, 戰(zhàn) 超, 余建奎, 耿文倩, 曹 印, 王 慶

近50年來刁口廢棄亞三角洲海岸線變遷速率分析

任宗海, 戰(zhàn) 超, 余建奎, 耿文倩, 曹 印, 王 慶

(魯東大學(xué) 海岸研究所, 山東 煙臺(tái) 264025)

刁口亞三角洲自廢棄以來海岸地貌發(fā)生了巨大變化, 監(jiān)測(cè)海岸線的變化對(duì)于保護(hù)和開發(fā)海岸帶具有重要意義。本文以1976—2021年間典型年份的Landsat遙感影像和Google Earth高分辨率影像為數(shù)據(jù)源, 通過RS、GIS技術(shù)對(duì)刁口廢棄亞三角洲地區(qū)的岸線進(jìn)行提取, 最后用數(shù)字岸線分析系統(tǒng)對(duì)1976—2021年間的海岸線變遷進(jìn)行定量分析。結(jié)果顯示: 1976—2021年間海岸線以均值–23.24 m/a的速率向陸蝕退, 侵蝕程度逐年減弱, 且海岸線時(shí)空變化特征顯著。就侵蝕程度而言, 刁口河口及東側(cè)爛泥灣地區(qū)侵蝕強(qiáng)度最大(–165.49 m/a), 挑河口—刁口河口岸段次之(–127.61 m/a), 東北側(cè)防海大堤岸段最小(–80.66 m/a)。1976—1986年研究區(qū)岸段處于快速侵蝕狀態(tài), 蝕退面積達(dá)102.7 km2; 1986—2006年處于持續(xù)侵蝕后退狀態(tài), 蝕退面積約為88.79 km2; 2006—2016年基本達(dá)到?jīng)_淤平衡狀態(tài), 2016年面積和2006年相差不大; 自2016年呈現(xiàn)緩慢蝕退狀態(tài), 年均蝕退速率為僅2.51 km2。岸線長(zhǎng)度總體上表現(xiàn)為減少趨勢(shì), 但在1996年成為最低點(diǎn)后有所增加。刁口廢棄亞三角洲海岸線變化主要受入海水沙、人類活動(dòng)和海洋動(dòng)力作用侵蝕的影響。

刁口廢棄亞三角洲; Landsat; 海岸線; 數(shù)字岸線分析系統(tǒng); 修正歸一化水體指數(shù)

全球約70%的人口生活在海岸帶地區(qū)[1], 這些是沿海地區(qū)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)最頻繁、最活躍的地區(qū)。三角洲地處海洋與陸地相互作用的區(qū)域, 是一個(gè)復(fù)雜的自然綜合體[2]。黃河三角洲最近數(shù)十年來地貌不斷演化, 海岸線變化迅速且復(fù)雜。黃河口每次遷移都會(huì)形成新的河口及亞三角洲, 廢棄河口及亞三角洲則受到海洋侵蝕作用強(qiáng)烈后退[3]。黃河三角洲刁口流路于1964年1月在羅家屋子破冰改道北上形成, 河口在黃河水沙以及異重流和切變峰的作用下迅速向海淤積形成刁口亞三角洲葉瓣[4-8], 且在大量入海泥沙堆積的背景下發(fā)育有典型的淤泥質(zhì)海岸和寬廣平坦的潮間灘涂。刁口亞三角洲由于1976年黃河改道清水溝流路后失去水沙來源, 海洋動(dòng)力侵蝕作用遠(yuǎn)大于河流造陸作用, 陸上和水下三角洲遭受強(qiáng)烈侵蝕[9]。三角洲建造本是河流泥沙輸入、搬運(yùn)和堆積的結(jié)果, 河流入海泥沙的變化必然會(huì)深刻影響廢棄三角洲的地貌演變。2011年水利部將刁口河道作為黃河清水溝河道建成后的備用河道。在保證黃河下游防洪安全的前提下, 根據(jù)一定的條件從刁口河道進(jìn)行生態(tài)引水, 防止刁口河口岸線的侵蝕[10]。研究廢棄亞三角洲地區(qū)的岸線演變可進(jìn)一步掌握三角洲廢棄后海岸線的變化特征及規(guī)律, 對(duì)保護(hù)現(xiàn)有岸線、重啟刁口備用流路以及海岸帶的開發(fā)利用等方面具有重要的理論及現(xiàn)實(shí)意義。

受自然因素以及人類活動(dòng)的影響, 海岸線變遷一直以來都是人們研究的熱點(diǎn)[11-15]。近幾十年來, 許多學(xué)者針對(duì)黃河三角洲地區(qū)海岸線變化方面做過不少研究, 主要集中在海岸線變遷對(duì)陸地景觀格局的影響[16-18]、海岸線變遷以及海岸線變化與黃河水沙關(guān)系的響應(yīng)[19-22]等方面, 對(duì)入?？诩包S河三角洲海岸線演變進(jìn)行研究。平均高潮線與低潮線之間的潮間灘涂, 是淤泥質(zhì)海岸的重要組成部分, 直接反映了海域和陸域空間范圍的此消彼長(zhǎng)[23, 24]。從前人研究來看, 對(duì)黃河三角洲海岸線的研究大多集中在大的空間尺度上, 對(duì)具體的廢棄亞三角洲海岸線演變的定量化分析較少, 且海岸線的提取大多采用平均高潮線法。這種方法受潮汐及海平面的影響較小, 雖能夠準(zhǔn)確地反映平均大潮高潮時(shí)水陸的分界線[25], 但不能完整反映出潮灘的地貌沖淤演變。本文以刁口廢棄亞三角洲為研究對(duì)象, 時(shí)間跨度近50年, 基于RS、GIS技術(shù), 采用修正歸一化水體指數(shù)法(Modified Normalized Difference Water Index, MNDWI)對(duì)不同年份中的低潮線進(jìn)行提取, 采用數(shù)字岸線分析系統(tǒng)(Digital Shoreline Analysis System, DSAS)對(duì)海岸線變遷以及海岸潮間灘涂沖淤演變進(jìn)行定量研究。

1 研究區(qū)概況

黃河三角洲(118°7′—119°10′E, 36°55′—38°10′N)地處山東省東營(yíng)市黃河入海口處, 瀕臨渤海灣與萊州灣, 由黃河入海泥沙沖淤造陸形成。黃河三角洲包含多個(gè)亞三角洲, 亞三角洲的形成與黃河改道密切相關(guān)。黃河三角洲的發(fā)育經(jīng)歷了古代、近代和現(xiàn)代3個(gè)階段[26]。現(xiàn)代黃河三角洲形成于1953年7月至今, 以漁洼為頂點(diǎn), 北起挑河口, 南至宋春榮溝, 陸上面積約為2 500 km2(圖1)。刁口亞三角洲由1964—1976年刁口河作為黃河主河道行水時(shí)期淤積造陸形成。刁口亞三角洲以漁洼(西河口附近)為頂點(diǎn), 以刁口河為中軸, 東到五號(hào)樁東北部, 西到挑河口, 位于黃河三角洲的北部。

圖1 研究區(qū)地理位置

該三角洲地區(qū)位于溫帶季風(fēng)氣候區(qū)內(nèi), 季風(fēng)性特征明顯。波浪主要以風(fēng)浪為主, 受季風(fēng)性氣候影響, 夏季在東南風(fēng)的影響下以東南向浪為主, 冬季在東北風(fēng)的影響下以東北向浪為主。余流以風(fēng)生流為主, 夏季東南風(fēng)吹動(dòng)表層余流向北流動(dòng), 冬季西北風(fēng)吹動(dòng)表層余流向南流動(dòng), 底層余流為補(bǔ)償流[27, 28]。行水期河口潮流以平行于河道的往復(fù)流為主, 口門兩側(cè)海岸則為大致平行岸線的往復(fù)流。刁口亞三角洲為典型的扇形三角洲, 屬于弱潮型海岸, 大部分岸段為不正規(guī)半日潮[8]。1964年1月始黃河經(jīng)刁口流路注入渤海灣, 至1967年歸股并汊形成單一穩(wěn)定的河道[29], 至1975年主槽進(jìn)一步萎縮, 河口及河道內(nèi)淤積, 河段發(fā)生出汊且出汊點(diǎn)不斷上提。刁口流路行水11年零5個(gè)月, 據(jù)統(tǒng)計(jì)年均來沙量10.8億t, 年均來水量424億m3。在刁口流路行水期間, 超過71億t的泥沙在河流入?？谔幭蛲庥俜e延伸, 塑造了刁口亞三角洲[30]。由于1987年?yáng)|北部防海大堤和東營(yíng)港的建設(shè), 此岸段在建成后岸線穩(wěn)定, 因此研究區(qū)岸線選取挑河口(118°36′55″E, 38°05′32″N)至東營(yíng)港北部防海大堤觀測(cè)點(diǎn)(118°53′11″E, 38°08′00″N)附近(圖1)。研究區(qū)范圍內(nèi)的岸線在1976—2021年間變化明顯, 為了提高岸線研究的準(zhǔn)確性和便捷性, 將該岸段劃分成3個(gè)亞段。根據(jù)海岸的侵蝕情況將研究區(qū)范圍內(nèi)的岸線從西向東分為: 挑河口—刁口河口岸段(a)、刁口河?xùn)|側(cè)爛泥灣岸段(b)、防海大堤岸段(c)(圖2)。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本文的數(shù)據(jù)來自地理空間數(shù)據(jù)云(http://www. gscloud.cn/search)和美國(guó)地質(zhì)勘探局(http://glovis. usgs.gov/)下載的Landsat系列遙感影像和黃河三角洲的前人的古海岸線及古河道研究成果[7]。為最小化海岸線邊界的誤差, 遙感影像盡可能選取低潮時(shí)、沒有云霧和風(fēng)暴潮影響的影像[31]。本文中選用的遙感影像數(shù)據(jù)如表1所示。

2.2 研究方法

海岸線的提取主要有計(jì)算機(jī)自動(dòng)提取和目視解譯兩種方法[32]。本文中岸線的提取采用人機(jī)交互式, 對(duì)遙感影像采用自動(dòng)提取與目視解譯相結(jié)合的方法。由于刁口廢棄亞三角洲地區(qū)潮間灘涂面積較廣, 高潮線所處區(qū)域水動(dòng)力條件較弱, 岸線變化較為穩(wěn)定, 且高潮線附近人類活動(dòng)較多, 不能準(zhǔn)確反映在自然條件下海岸線的動(dòng)態(tài)演變。因此, 本文通過修正歸一化水體指數(shù)(MNDWI)對(duì)低潮線進(jìn)行提取, 將低潮線作為地貌形態(tài)演變的岸線。MNDWI法在歸一化水體指數(shù)(NDWI)考慮植被因素的基礎(chǔ)上增加了土壤和建筑物因素, 提高了岸線提取的精度, 是分離水體和陸地的重要數(shù)學(xué)方法[33]。王李娟等[34]分別對(duì)黃河三角洲地區(qū)的人工海岸和淤泥質(zhì)的海岸線進(jìn)行岸線提取, 通過研究對(duì)比發(fā)現(xiàn)修正歸一化水體指數(shù)法比Sobel算子法誤差僅高0.007%左右。利用水體指數(shù)法提取影像的直方圖影像值介于–1～1, 負(fù)值為背景地物, 正值為水體信息。經(jīng)MNDWI處理后影像中的水體顯示出較高亮度, 所對(duì)應(yīng)的MNDWI值高, 而非水體則顯示出較低亮度, 據(jù)此將水體指數(shù)閾值由0開始做適當(dāng)提高, 通過對(duì)比選擇合適的閾值(0.96)對(duì)生成的水陸二值化圖像提取出最外側(cè)的水陸邊界, 最后將提取出的岸線添加到校正后的影像中進(jìn)行修正。結(jié)果驗(yàn)證采用長(zhǎng)度相對(duì)誤差的方法, 相對(duì)誤差= (測(cè)量值–真值)/真值×100%, 將目視解譯提取的岸線長(zhǎng)度作為真值, MNDWI提取出的岸線長(zhǎng)度作為測(cè)量值, 在目視解譯過程中和結(jié)束后通過Google Earth和GPS野外定位對(duì)解譯結(jié)果進(jìn)行修正。經(jīng)驗(yàn)證, 水體指數(shù)提取所得最小誤差0.3%, 在合理范圍內(nèi)?？紤]到遙感影像中不同時(shí)期不同潮位對(duì)海岸線提取的影響, 本文中采用一年中不同時(shí)期低潮位下海岸線的平均位置代指本年中的海岸線。具體而言, 將一年中下載得到的不同時(shí)間的遙感影像利用MNDWI法提取出岸線后進(jìn)行空間疊加, 后基于DSAS建立垂直于所有岸線的斷面并計(jì)算斷面上交點(diǎn)的平均位置, 最后將每個(gè)平均交點(diǎn)位置相連。

圖2 經(jīng)MNDWI和二值化處理后的影像與原遙感影像對(duì)比圖

本文中首先利用ENVI 5.3軟件對(duì)遙感影像進(jìn)行預(yù)處理(圖2), 將影像進(jìn)行輻射定標(biāo)、FLASSH大氣校正和幾何精校正, 經(jīng)校正后的影像誤差控制在0.5個(gè)像元內(nèi)。將分類處理后得到的圖像導(dǎo)入到ArcMap 10.2, 并對(duì)二值化后的影像進(jìn)行邊緣增強(qiáng)處理。遙感影像、海岸線、ArcMap中數(shù)據(jù)框的坐標(biāo)統(tǒng)一采用為WGS-84空間坐標(biāo)系、UTM Zone 50N地圖投影, 利用線性拉伸進(jìn)行光譜增強(qiáng)和平滑濾波進(jìn)行空間增強(qiáng)處理。海岸線提取時(shí)將明顯突出海岸伸向海中的人工建筑物裁掉, 取與兩側(cè)岸線向平, 潮溝和河口取與溝口與河口岸線向平, 最后對(duì)提取出來的岸線進(jìn)行適當(dāng)?shù)钠交幚怼?976年下載得到的影像為landsat2影像, 對(duì)此采用目視解譯的方法提取岸線。根據(jù)landsat影像各個(gè)波段的波譜特征, 在進(jìn)行1976年刁口廢棄亞三角洲岸線的遙感解譯時(shí), 選用遙感影像中的4、3、2波段合成假彩色圖像, 并對(duì)各波段權(quán)值參數(shù)進(jìn)行調(diào)整, 最終得到研究區(qū)岸段的海陸分界線。

修正歸一化水體指數(shù)():

式中,代表影像的綠光波段,為影像的中紅外波段, 分別對(duì)應(yīng)著Landsat4/5 TM影像的2和5波段, Landsat8 OLI影像的3和6波段。

海岸線的定量化分析采用由美國(guó)地質(zhì)勘探局(United States Geological Survey, USGS)推薦的數(shù)字海岸線分析系統(tǒng)(DSAS)。數(shù)字岸線分析系統(tǒng)通過回歸分析方法計(jì)算出海岸線的終點(diǎn)變化速率(End Point Rate, EPR)、岸線凈遷移距離(Net Shoreline Movement, NSM)[35], 從而定量揭示大范圍、長(zhǎng)時(shí)間序列的海岸線變遷歷史[12, 36]。將提取出來的岸線導(dǎo)入到個(gè)人地理數(shù)據(jù)庫(kù)中, 利用DSAS模型分別計(jì)算1976—1986年、1986—1996年、1996—2006年、2006—2016年、2016—2021年以及1976—2021年的岸線變化。通過在岸線周圍建立緩沖區(qū)的方法得到基線, 基線為緩沖區(qū)最外側(cè)的邊界線, 并對(duì)基線進(jìn)行平滑處理, 務(wù)必保證生成的切線能夠與最遠(yuǎn)處的海岸線相交, 由陸側(cè)向海側(cè)、由東向西生成切線。由于受海岸強(qiáng)烈侵蝕的影響, 海岸線形狀變化不規(guī)則, 切線生成后存在重疊及錯(cuò)交的部分, 對(duì)其進(jìn)行調(diào)整, 保留正常保準(zhǔn)的切線, 計(jì)算EPR、NSM。

3 結(jié)果與討論

3.1 岸線長(zhǎng)度變化

近50年來, 研究區(qū)內(nèi)岸線長(zhǎng)度總體上表現(xiàn)為減少趨勢(shì), 但在1996年成為最低點(diǎn)后有所增加, 這與海岸侵蝕導(dǎo)致海岸帶曲折有關(guān)。1976年以來刁口流路由于來水來沙銳減, 河口三角洲地區(qū)由河流淤積造陸轉(zhuǎn)變?yōu)楹Ｑ笄治g后退, 表現(xiàn)出強(qiáng)烈的蝕退特征。2021年與1976年相比(圖3、表2), 岸線減少了18 197.39 m, 年均減少404.38 m, 爛泥灣岸段岸線變化最為明顯。1976—1986年間, 三角洲發(fā)育過程中向海延伸增加的岸線在斷流初期受到強(qiáng)烈的海洋侵蝕作用導(dǎo)致其迅速向陸蝕退減少, 1986年與1976年相比岸線減少了22 510.63 m, 年均減少2 251.06 m, 為近50年來岸線減少最顯著的階段。1986—1996年間, 岸線進(jìn)一步蝕退。1987年建成防海大堤, 大壩自修建起在災(zāi)害性天氣的情況下就開始發(fā)揮作用, 有效阻擋了海岸侵蝕。由于大堤建于中潮灘, 其外側(cè)仍有部分灘涂, 在此階段外側(cè)區(qū)域仍受到侵蝕。1996年與1986年相比岸線僅減少了1 313.23 m。1996—2006年間, 刁口河口兩側(cè)原淤進(jìn)岸段在此階段內(nèi)也處于蝕退狀態(tài); 爛泥灣岸段由于受到強(qiáng)烈的海洋侵蝕作用, 岸線內(nèi)凹更加明顯, 1996年后逐漸發(fā)育成口袋型; 防海大堤岸段到2006年岸線基本與人工岸線重合。與1996年相比, 2006年岸線長(zhǎng)度增加了4 347.42 m。2006—2021年間, 各岸段蝕退程度逐漸減緩, 岸線長(zhǎng)度基本處于動(dòng)態(tài)平衡的狀態(tài)中。刁口河口西側(cè)岸段基本穩(wěn)定, 防海大堤岸段保持不變, 爛泥灣岸段繼續(xù)向陸蝕退內(nèi)凹。與2006年相比, 2021年岸線僅增加1 279.05 m。

圖3 1976—2021年刁口廢棄亞三角洲海岸線

表2 研究區(qū)岸線長(zhǎng)度(m)

3.2 海岸蝕淤變化

黃河攜帶的大量泥沙是河口三角洲造陸的主要物質(zhì)來源, 而1976年黃河人工爆破改行清水溝流路, 使得刁口流路水沙供應(yīng)斷絕。失去黃河泥沙補(bǔ)給的刁口廢棄亞三角洲由于受到海水的侵蝕則不停地向陸地蝕退, 使得研究區(qū)面積不斷發(fā)生變化。

如圖4所示, 1976—2021年研究區(qū)總體上處于蝕退狀態(tài)。研究區(qū)面積變化大致如下: 1976—1986年處于迅速蝕退階段, 蝕退面積達(dá)102.7 km2, 平均蝕退速率為–8.9 km2/a。河口兩側(cè)部分岸段出現(xiàn)了淤進(jìn), 淤積面積為13.69 km2。1986—2006年為持續(xù)蝕退階段, 面積總體不斷減少, 但在1986—1996年略有淤積。此階段內(nèi)蝕退面積約88.79 km2/a, 淤積面積為5.42 km2, 年均凈蝕退面積為4.17 km2。2006—2016年淤積和蝕退交替進(jìn)行, 基本為沖淤平衡階段。由于海岸工程建設(shè)、黃河“生態(tài)補(bǔ)水”戰(zhàn)略以及圍填海等人類活動(dòng)的影響, 刁口段海岸線有所淤進(jìn)。此階段海岸蝕退面積為7.52 km2, 淤進(jìn)面積為6.06 km2, 年均凈沖淤速率為0.15 km2/a。2016—2021年為緩慢蝕退階段, 即總體蝕退, 蝕退程度減緩。此階段內(nèi)蝕退面積為12.58 km2, 年均蝕退速率僅2.51 km2。

圖4 研究區(qū)沖淤面積變化

不同時(shí)段, 研究區(qū)淤積和蝕退發(fā)生情況不同。1976—2021年總蝕退面積約為211.29 km2, 淤積面積為25.17 km2, 年均凈蝕退面積為4.14 km2。1976—1986年蝕退最為嚴(yán)重, 其次為1996—2006年; 2006—2016年淤積基本達(dá)到平衡狀態(tài)后侵蝕程度趨緩。其中, 1976—1996年河口兩側(cè)部分岸段出現(xiàn)淤進(jìn), 其淤積泥沙來自往復(fù)流作用下輸運(yùn)的三角洲前緣被侵蝕泥沙。1996年后岸段不再出現(xiàn)淤進(jìn)反而轉(zhuǎn)為蝕退, 說明三角洲前緣的泥沙基本侵蝕殆盡, 兩側(cè)原淤進(jìn)岸段由于缺少泥沙來源進(jìn)入蝕退階段。

3.3 岸線時(shí)空演變速率分析

刁口廢棄亞三角洲的岸線蝕退具有明顯的區(qū)域性和階段性(表3)。1976—2021年研究區(qū)海岸線變化并不穩(wěn)定, 其清楚地表明了海岸線先蝕退后穩(wěn)定趨緩、蝕退大于淤進(jìn)的變化趨勢(shì), 各區(qū)域各階段變化不一(圖5、圖6)。1976—1996年, 研究區(qū)各岸段向陸蝕退曲率變化較小, 1996年后向陸蝕退曲率變化較大, 表明岸線侵蝕更加曲折、破碎。

表3 研究區(qū)岸段EPR均值(m/a)

圖5 1976—2021年研究區(qū)岸線蝕退速率

1976—1986年三角洲最初廢棄的十年間岸線急劇向陸蝕退。研究區(qū)岸線最大蝕退速率達(dá)570.79 m/a, 平均蝕退速率為231.74 m/a。防海大堤岸段和爛泥灣岸段平均蝕退速率分別為240.58 m/a和 348.98 m/a; 刁口河口兩側(cè)部分岸段由于受到河口往復(fù)流的作用, 被侵蝕的泥沙向河口兩側(cè)擴(kuò)散, 導(dǎo)致岸線有所淤進(jìn)。其中挑河口—二河口岸段淤進(jìn)幅度相對(duì)較大, 平均淤進(jìn)距離達(dá)819.03 m, 挑河口—刁口河口岸段平均蝕退速率為156.45 m/a。1986—1996年處于蝕退—淤進(jìn)的過程, 以蝕退為主, 岸線平均蝕退速率由231.74 m/a到–104.21 m/a。1987年由于東營(yíng)港及其附近防海大堤的建設(shè), 岸線在其建成后逐步穩(wěn)定, 其他岸段繼續(xù)發(fā)生侵蝕變化。防海大堤岸段平均蝕退速率減少為82.40 m/a; 爛泥灣岸段和挑河口—刁口河口岸段平均蝕退速率分別為145.2 m/a、73.78 m/a, 挑河口—刁口河口部分岸段微弱淤進(jìn)。1996—2006年岸線平均蝕退速率由–104.21 m/a到–241.78 m/a, 表明岸線整體的侵蝕程度增強(qiáng)。由于大堤建于中潮灘, 其東側(cè)的灣口處在建成后仍受到侵蝕, 防海大堤岸段平均蝕退速率為91.71 m/a。爛泥灣岸段EPR均值由–145.2 m/a到–253.23 m/a, 此區(qū)域在1996年北部修建的人工海堤被破壞后, 既無海岸工程保護(hù)又無泥沙補(bǔ)充, 導(dǎo)致侵蝕程度進(jìn)一步增強(qiáng), 岸線逐漸向陸內(nèi)凹發(fā)展。隨著三角洲的侵蝕, 泥沙輸運(yùn)、堆積作用逐漸減弱, 刁口河口兩側(cè)原淤進(jìn)岸段也進(jìn)入侵蝕階段, 挑河口—刁口河口岸段岸EPR值均值由–73.78 m/a到–246.48 m/a。2006—2016年岸段有沖有淤, 基本處于相對(duì)平衡的狀態(tài), 岸線幾乎沒有發(fā)生變化。由于填海采油、調(diào)水調(diào)沙、海岸工程建設(shè)等人類活動(dòng)的影響導(dǎo)致岸線向海延伸。2010年實(shí)施的“生態(tài)補(bǔ)水”戰(zhàn)略, 刁口河流路恢復(fù)過水的同時(shí)帶來泥沙淤積, 導(dǎo)致刁口段海岸線輕微淤進(jìn)。此階段內(nèi)岸線EPR均值為15.95 m/a, 表明岸線整體處于微弱淤進(jìn)狀態(tài)中。2016—2021年各岸段向陸蝕退變緩, 部分岸段時(shí)沖時(shí)淤, 此階段內(nèi)岸線平均蝕退速率為102.56 m/a。

圖6 研究區(qū)岸線EPR變化折線圖

a. 挑河口-刁口河口岸段; b. 刁口河?xùn)|側(cè)爛泥灣岸段; c. 防海大堤岸段

2021年與1976年相比, 岸線EPR變化速率各個(gè)橫斷面均為負(fù)值, 最大蝕退速率達(dá)287.5 m/a, 平均蝕退速率為123.24 m/a。其中防海大堤岸段因受海岸工程保護(hù)的影響, 海岸侵蝕較其他岸段較弱, 平均蝕退速率為80.66 m/a; 爛泥灣岸段侵蝕最強(qiáng), 平均蝕退速率為165.49 m/a, 平均蝕退距離達(dá)7 259.77 m。

3.4 海岸侵蝕演變分析

刁口廢棄亞三角洲海岸侵蝕主要受海洋動(dòng)力作用和人類活動(dòng)的影響。刁口亞三角洲自廢棄后海陸交互作用顯著, 且沉積物結(jié)構(gòu)松散, 易被海水沖刷, 在波流等海洋動(dòng)力的作用下極易發(fā)生蝕退[8]。海洋動(dòng)力作用對(duì)海岸侵蝕的影響主要表現(xiàn)為波浪掀沙、潮流輸沙。波浪在海岸侵蝕中的主要作用為將結(jié)構(gòu)松散、密度差的泥沙掀起、沖走, 留下固結(jié)度強(qiáng)密度大的泥沙。潮流和余流的主要作用就是將掀起的泥沙向外海輸運(yùn)、沉積。加之, 刁口廢棄亞三角洲屬于典型的淤泥質(zhì)海岸。對(duì)于淤泥質(zhì)海岸而言, 波浪在海岸侵蝕中的作用更加顯著[37]。廢棄河口外波浪以風(fēng)浪為主, 受季風(fēng)的影響風(fēng)向有所不同, 常浪向主要為NE、SE和NW向。冬季受盛行的北風(fēng)影響, 波浪作用最強(qiáng)[24, 38, 39]。河口三角洲在行水期向海淤積延伸凸起的地形使波浪在廢棄的河口匯合, 增強(qiáng)了波浪和潮流作用[40, 41]。波浪作用增強(qiáng)直接導(dǎo)致了三角洲被侵蝕沉積物的再懸浮; 潮流作用不僅促進(jìn)了沉積物的再懸浮, 而且將懸浮的沉積物沿海岸從廢棄的三角洲向外搬運(yùn)[42]。同時(shí), 刁口廢棄亞三角洲海岸線總體上為E—W走向。以118.5°E為界, 以東呈西北—東南走向, 以西呈西南—東北走向, 且均面對(duì)常浪和強(qiáng)浪向, 從而加大了海岸的侵蝕程度[29, 43]。另外, 風(fēng)暴潮是導(dǎo)致刁口廢棄亞三角洲海洋動(dòng)力作用增強(qiáng)的又一重要因素。1992年9月1日(9216號(hào)臺(tái)風(fēng))的特大型風(fēng)暴潮和發(fā)生于1997年8月(9711號(hào)臺(tái)風(fēng))的特大型風(fēng)暴潮以及2003年10月11—12日發(fā)生的一般型風(fēng)暴潮加劇了波浪、潮流的侵蝕作用, 導(dǎo)致刁口廢棄亞三角洲地區(qū)海岸遭到嚴(yán)重的侵蝕。在強(qiáng)烈的水動(dòng)力作用下, 刁口廢棄亞三角洲泥沙不斷被侵蝕、搬運(yùn), 海岸急劇向陸蝕退。風(fēng)暴潮過后由于缺乏物源的補(bǔ)充, 進(jìn)一步加劇了海岸的蝕退程度, 從而導(dǎo)致1996—2006年岸段平均蝕退速率增強(qiáng)。同時(shí), 在世界海平面上升的背景下, 據(jù)《中國(guó)海平面公報(bào)》記載, 20世紀(jì)以來黃渤海海平面整體呈現(xiàn)上升趨勢(shì), 平均每年上升約3.1 mm, 且北黃海的上升幅度大于南黃海的上升幅度。海平面的上升使得海洋侵蝕動(dòng)力作用增強(qiáng), 從而加劇了海岸侵蝕。

近50年來, 研究區(qū)各岸段海岸線變化幅度不同, 具有顯著的時(shí)空分布差異。1976—2021年研究區(qū)內(nèi)岸線變化幅度最大、侵蝕最強(qiáng)的為b段, 其次為a段(圖6)。c段在1987年防海大堤建成后, 由于中潮灘堤外仍存在部分灘涂, 因此在1996—2006年間仍受到侵蝕作用。在2006年后堤外灘涂基本被侵蝕, 岸線逐漸趨于穩(wěn)定。從侵蝕變化幅度來看, 1976—1996年岸線變化幅度較小, 1996年后岸線變化曲率增大, 與此同時(shí)在1996年后岸線長(zhǎng)度有所增加(表2), 這可能與海洋動(dòng)力作用侵蝕導(dǎo)致海岸曲折、破碎有關(guān)。其中, a段部分岸段在1976—1996年期間岸線變遷表現(xiàn)為正值, 在1996年后又轉(zhuǎn)為負(fù)值(圖6)。這是由于廢棄初期三角洲前緣向海延伸區(qū)域被嚴(yán)重侵蝕, 被侵蝕泥沙一部分向海輸運(yùn), 一部分在沿岸潮流的作用向沿岸輸移并沉積; 到1996年刁口河口附近EPR值不再是最低, 說明此時(shí)河口三角洲前緣泥沙基本侵蝕殆盡, 河口侵蝕作用相對(duì)減弱, 從而導(dǎo)致向沿岸輸運(yùn)的泥沙減少, 自此原淤積岸段轉(zhuǎn)為侵蝕岸段。2006—2016年此階段內(nèi)以0值為界, EPR正負(fù)值大體相等, 基本處于沖淤動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。同時(shí), 刁口河口附近EPR出現(xiàn)正值, 岸線略有淤進(jìn), 這與此階段內(nèi)黃河調(diào)水調(diào)沙導(dǎo)致廢棄河口重新來水來沙有關(guān)。2002年黃河流域開始調(diào)水調(diào)沙, 其中2002— 2015年共計(jì)調(diào)水調(diào)沙232天。2006—2016年該階段黃河調(diào)水調(diào)沙和2010年開始實(shí)施的“生態(tài)補(bǔ)水”戰(zhàn)略使刁口流路重新過水, 顯著改善了刁口廢棄亞三角洲的侵蝕狀況。2010—2015年刁口流路共補(bǔ)水13 073.3萬m3。隨著黃河水沙的減少以及目前實(shí)施的生態(tài)調(diào)水的輸沙量不足以補(bǔ)充其海岸被侵蝕的泥沙。因此, 2016—2021年水沙來源再次減少后, 岸線再次轉(zhuǎn)為侵蝕狀態(tài)。由于刁口流路的廢棄, 在未來階段內(nèi)仍然會(huì)繼續(xù)受到侵蝕作用。

人類活動(dòng)對(duì)刁口廢棄亞三角洲地貌演變的影響主要表現(xiàn)在黃河調(diào)水調(diào)沙、圍填養(yǎng)殖、圍海采油、海岸工程建設(shè)等方面。隨著三角洲的廢棄, 三角洲地區(qū)的人類活動(dòng)也不斷增多。刁口廢棄亞三角洲工程活動(dòng)的修建, 在一定程度上加劇了海岸的侵蝕。如1995年在廢棄河口區(qū)域?yàn)椴捎突顒?dòng)修建的公路路堤, 加劇了該區(qū)的岸灘侵蝕[44]。1987年?yáng)|營(yíng)港附近中潮灘上修建的防海大堤, 使得該區(qū)域由自然岸線轉(zhuǎn)變?yōu)槿斯ぐ毒€, 改變了原有海洋與岸灘的泥沙交換方式, 有效阻擋了岸線的蝕退。1990年在廢棄河口東側(cè)爛泥灣岸段修建了海堤, 導(dǎo)致海洋動(dòng)力在水平上的侵蝕作用減弱, 波浪無法繼續(xù)向陸蝕退, 從而導(dǎo)致海岸垂直侵蝕作用加強(qiáng)。近岸受到侵蝕虧損的泥沙不能通過岸線后退方式得到補(bǔ)充, 進(jìn)而通過侵蝕垂直方向上堤前泥沙來達(dá)到泥沙輸運(yùn)平衡[45], 使得海岸由原本的橫向侵蝕向縱向下蝕轉(zhuǎn)變。直到1996年由于海浪的強(qiáng)侵蝕作用導(dǎo)致海堤破壞。爛泥灣地區(qū)由于缺乏泥沙補(bǔ)充和人工岸線保護(hù), 岸線急劇后退從而出現(xiàn)蝕退速率曲線突然變陡的現(xiàn)象, 逐步發(fā)育成向陸內(nèi)凹的爛泥灣。2001年黃河實(shí)施調(diào)水調(diào)沙以及“生態(tài)補(bǔ)水”的戰(zhàn)略以來, 刁口河及入海水量增加, 海岸有所淤進(jìn)。由于河道為階段性供水, 河道來水量有限, 泥沙供給不足, 因此三角洲淤積作用并不明顯。1990年起, 在挑河口—刁口河口岸段的中潮灘上修建了大量養(yǎng)殖池, 到2021年養(yǎng)殖池面積從37.60 km2增加到62.13 km2。養(yǎng)殖池的修建使得潮灘由自然演變狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槿斯じ深A(yù)狀態(tài), 養(yǎng)殖池外側(cè)的人工岸線在一定程度上防止侵蝕(圖7)。養(yǎng)殖池的建設(shè)切斷了原來潮上帶—潮間帶的動(dòng)力、泥沙交換, 導(dǎo)致強(qiáng)波浪和風(fēng)暴潮發(fā)生時(shí)海岸的消能作用減弱, 波能強(qiáng)烈沖刷海岸, 從而導(dǎo)致海岸侵蝕加劇; 非強(qiáng)浪時(shí)對(duì)潮間帶—潮下帶的泥沙補(bǔ)充功能減弱, 近岸水下岸坡水動(dòng)力作用增強(qiáng), 海岸泥沙發(fā)生虧損, 從而加劇了海岸侵蝕。同時(shí), 由于飛雁灘地區(qū)圍海采油等工程建設(shè), 海域利用面積的增多導(dǎo)致岸線向海出現(xiàn)淤進(jìn), 對(duì)岸線的蝕退起到一定的保護(hù)作用。

圖7 1990年和2021年遙感影像對(duì)比圖

4 結(jié)論

本文通過對(duì)1976年以來刁口廢棄亞三角洲海岸線的變遷分析, 得出結(jié)論如下:

1976—2021年, 研究區(qū)內(nèi)海岸線總體上以蝕退為主, 潮灘面積減少幅度較大。面積變化大致為: 1976—1986年, 面積大幅度減少, 蝕退速率最高; 1986—2006年, 面積持續(xù)減少, 但減少幅度降低; 2006—2016年, 海岸線有所淤進(jìn), 淤積后面積基本穩(wěn)定; 2016—2021年, 面積繼續(xù)減少, 侵蝕程度趨緩。岸線長(zhǎng)度總體上表現(xiàn)為減少趨勢(shì), 但在1996年成為最低點(diǎn)后有所增加。隨著三角洲的侵蝕, 其侵蝕程度會(huì)逐年減弱。

各岸段岸線時(shí)空變化特征不同。1976—2021年間海岸線以均值–123.24 m/a的速率向陸蝕退。刁口河口及東側(cè)爛泥灣地區(qū)侵蝕強(qiáng)度最大, 挑河口—刁口河口岸段次之, 東北側(cè)防海大堤岸段最小。1976—1986年岸段處于快速蝕退狀態(tài); 1986—2006年處于持續(xù)蝕退狀態(tài); 2006—2016年基本達(dá)到?jīng)_淤平衡狀態(tài); 2016年后侵蝕程度趨緩。

來水來沙、海洋動(dòng)力作用和人類活動(dòng)是導(dǎo)致刁口廢棄亞三角洲地區(qū)海岸侵蝕的主要因素, 其大部分岸段處于較高等級(jí)的蝕退階段, 急需保護(hù)和修復(fù)。

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Analysis of coastline changes in the abandoned sub-delta of Diaokou over the past 50 years

REN Zong-hai, ZHAN Chao, YU Jian-kui, GENG Wen-qian, CAO Yin, WANG Qing

(Institute of Coastal Research, Ludong University, Yantai 264025, China)

The coastal geomorphology of Diaokou sub-delta has changed dramatically since its abandonment, and monitoring the changes of shoreline is important for the protection and development of the coastal zone. In this paper, Landsat remote sensing images and Google Earth images of typical years between 1976 and 2021 were used as data sources to extract shorelines in the abandoned sub-delta of Diaokou by RS and GIS techniques. Finally, the shoreline changes from 1976 to 2021 were quantitatively analyzed by Digital Shoreline Analysis System (DSAS). The results showed that the shoreline retreated to land with a mean value of –123.24m/a during 1976—2021, and the degree of erosion decreased year by year, and the spatial and temporal variation of shorelines was significant. In terms of erosion intensity, Diaokou River estuary and the eastern ruddy bay have the highest erosion intensity (–165.49 m/a), the Tiaohe River-Diaokou River port section has the second highest (–127.61 m/a), and the northeastern coast defense dike section has the lowest (–80.66 m/a). From 1976 to 1986, the shoreline of the study area was rapidly erosion, with an erosion area of 102.7 km2; from 1986 to 2006, it was in a state of continuous erosion and retreat, with an erosion area of 88.79 km2; from 2006 to 2016, it basically reached a state of equilibrium between erosion and siltation, and the area in 2016 was not much different from that in 2006; since 2016, it has been in a state of slow erosion and retreat. The overall trend of shoreline length is decreasing, but it has increased after the lowest in 1996. The shoreline changes of the abandoned delta of Diaokou are mainly influenced by river water and sediment, human activities and ocean dynamics.

Diaokou abandoned sub-delta; Landsat; shoreline; DSAS; MNDWI

Mar. 27, 2022

P737.12

A

1000-3096(2022)12-0008-12

10.11759/hykx20220327001

2022-03-27;

2022-07-11

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41901006); NSFC—山東聯(lián)合基金資助項(xiàng)目(U1706220); 山東高校青創(chuàng)科技團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目(2020KJH002); 山東省基金資助項(xiàng)目(ZR2019BD005)

[National Natural Science Foundation of China, No. 41901006; NSFC—Shandong Joint Fund, No. U1706220; Shandong University Youth Innovation and Technology Team, No. 2020KJH002; Shandong Provincial Fund, No. ZR2019BD005]

任宗海(1998—), 男, 山東青島人, 碩士研究生, 主要從事海岸地貌方面研究, E-mail: renzonghai0807@163.com; 王慶(1968—),通信作者, E-mail: schingwang@126.com

(本文編輯: 譚雪靜)