朱蘿云，劉婷婷，凡仁福，丁圓婷，于吉濤, *

(1.河南理工大學(xué) 測(cè)繪與國(guó)土信息工程學(xué)院，河南 焦作 454000；2.海南省海洋與漁業(yè)科學(xué)院，海南 海口 571126；3.海南師范大學(xué) 地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，海南 海口 571158)

1 引言

全球變暖、海平面上升、海岸線后退之間存在著密切的關(guān)系，因此，海岸線被視為研究全球氣候變化重要且靈敏的“窗口”。例如，Barnard 等[1]分析了1979-2012 年環(huán)太平洋海盆48 個(gè)海灘的海岸線數(shù)據(jù)、波候數(shù)據(jù)和當(dāng)?shù)厮粩?shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)岸線侵蝕具有差異性，與厄爾尼諾-南方濤動(dòng)（El Ni?o-Southern Oscillation,ENSO）的關(guān)系最為緊密。Carvalho 等[2]將1986-2018 年Landsat 影像獲取的海岸線位置數(shù)據(jù)與當(dāng)?shù)氐牟ê驍?shù)據(jù)關(guān)聯(lián)起來(lái)，證實(shí)了海岸線的年際變化與拉尼娜年發(fā)生的能量更高的風(fēng)暴事件關(guān)系更緊密。已有的研究指出，在某一時(shí)間上的海岸線位置是所有長(zhǎng)期過(guò)程和短期過(guò)程累積的結(jié)果[3-4]，不僅包括短期的波、潮、流等過(guò)程和長(zhǎng)期的海平面變化和河流輸沙量等因素，還包括人類(lèi)活動(dòng)的影響。因此，海岸線蘊(yùn)含著重要的過(guò)程信息、氣候變化信息和人類(lèi)活動(dòng)信息，研究海岸線的變化過(guò)程并試圖揭示造成變化的驅(qū)動(dòng)因素或機(jī)制是當(dāng)前研究的重點(diǎn)[4-6]。

目前，國(guó)內(nèi)外海岸線變化的研究主要使用歷史地圖、海圖、航空像片、衛(wèi)星遙感影像、現(xiàn)場(chǎng)GPS 調(diào)查等數(shù)據(jù)源，其中Landsat 系列衛(wèi)星影像得到了越來(lái)越多的應(yīng)用[7-10]。大部分研究通過(guò)提取多期（少于10 期）岸線位置數(shù)據(jù)，對(duì)生成的斷面使用端點(diǎn)速率（End Point Ratio,EPR）方法、線性回歸（Linear Regression Rate,LRR）方法、加權(quán)線性回歸（Weighted Liner Regression,WLR）方法等量化岸線的侵蝕或淤積速率[7,11-12]。而這樣處理可能產(chǎn)生了如下的疑問(wèn)：（1）當(dāng)可用數(shù)據(jù)較多時(shí)，不同的時(shí)段是基于岸線的時(shí)間變化分析挑選出來(lái)的還是隨機(jī)挑選出來(lái)的？（2）所劃分的時(shí)段能否準(zhǔn)確刻畫(huà)海岸線的變化過(guò)程？（3）當(dāng)采用兩種或多種不同的速率計(jì)算方法（例如EPR 和LRR）時(shí)，哪種方法的結(jié)果更可靠？本質(zhì)上，EPR、LRR 和WLR 方法都假設(shè)海岸線位置隨時(shí)間恒定、勻速變化，認(rèn)為海岸線變化表現(xiàn)為線性行為。然而，海岸線特有的變化性以及偶爾發(fā)生的極端事件或人類(lèi)活動(dòng)又決定了這種情況極少發(fā)生[13]。例如，F(xiàn)enster 等[3]為了解海岸線演變的非線性行為，使用最小描述長(zhǎng)度（Minimum Description Length,MDL）標(biāo)準(zhǔn)判別歷史岸線變化速率中是否發(fā)生顯著變化和什么時(shí)候發(fā)生顯著變化。Fenster 和Dolan[13]使用該方法將美國(guó)大西洋中部海岸線的大尺度趨勢(shì)逆轉(zhuǎn)（非線性變化）歸因于溫帶風(fēng)暴的頻率和等級(jí)。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)大部分研究主要集中在對(duì)空間大尺度（全國(guó)、區(qū)域或省域）海岸線演變基本特征及驅(qū)動(dòng)因素的研究[10,14-17]，且更加偏向于人類(lèi)活動(dòng)的影響。但人類(lèi)活動(dòng)（例如海岸建筑等）如何影響鄰近海岸線的演變、影響多大范圍等問(wèn)題目前尚缺乏關(guān)注。

基于此，本文以粵東企望灣作為研究對(duì)象，通過(guò)提取1986-2019 年Landsat 影像（共113 景）所有可用的高潮海岸線，分析企望灣長(zhǎng)期演變的侵蝕、淤積過(guò)程；使用線性擬合和多項(xiàng)式擬合方法并嘗試引入Mann-Kendall 檢驗(yàn)方法，闡明海岸線演變的線性行為或非線性行為，揭示企望灣海灘演變的控制機(jī)制以及海岸工程如何影響岸線演變；同時(shí)，使用了2015-2019 年的實(shí)測(cè)剖面數(shù)據(jù)，證實(shí)企望灣近期發(fā)生的顯著淤積和侵蝕現(xiàn)象。相關(guān)研究結(jié)果對(duì)于預(yù)測(cè)未來(lái)岸線的演變和管理岸線侵蝕風(fēng)險(xiǎn)具有重要的意義。

2 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)源

2.1 研究區(qū)概況

企望灣位于廣東省汕頭市南部（23°09′～23°14′N(xiāo)，116°38′～116°47′E），東起馬耳角，西至海門(mén)角，整體呈弧形，灣口朝東南開(kāi)敞，從北部汕頭內(nèi)港牛田洋分汊達(dá)濠溪注入灣頂（圖1）。濠溪含沙量少，徑流輸沙量少[18]，河流供沙對(duì)海灣演變的影響有限。海灣偏西側(cè)存在1 個(gè)小型基巖岬角（虎仔山），將海灣劃分為西側(cè)海灘和東側(cè)海灘，其中虎仔山西側(cè)岸段被開(kāi)發(fā)為旅游沙灘。企望灣潮汐屬于不規(guī)則半日潮，平均潮差約為1.22 m，屬于弱潮海岸。潮流運(yùn)動(dòng)為往復(fù)流，漲潮流向?yàn)镋-ESE，落潮流向?yàn)閃-WSW，漲潮歷時(shí)長(zhǎng)于落潮歷時(shí)，平均流速為25～30 cm/s，最大流速為40～60 cm/s，潮流作用較弱[19]。影響海灣的波浪以風(fēng)浪為主，常浪向與常風(fēng)向（E-ENE）一致，但進(jìn)灣后往往發(fā)生繞射和折射，抵達(dá)口門(mén)附近的波浪幾乎全為SWS向；平均波高為0.79 m，平均最大波高為0.92 m，平均周期為7.7 s[18]。研究區(qū)夏、秋季節(jié)多臺(tái)風(fēng)，會(huì)對(duì)砂質(zhì)海岸線的短期過(guò)程產(chǎn)生顯著影響。企望灣為粵東海岸典型的岬灣砂質(zhì)海灘，海岸線演變（或海岸侵蝕）受岬灣海岸控制的特點(diǎn)顯著[20]。另外，海灣西東兩側(cè)分別于2007 年和2012 年建設(shè)了海岸工程，又對(duì)海岸線演變施加了顯著的人為影響。近年來(lái)虎仔山東側(cè)南山岸段年最大侵蝕距離為14.0 m，年平均侵蝕距離為8.0 m[21]。上述特點(diǎn)表明，以企望灣作為研究對(duì)象開(kāi)展海岸線演變過(guò)程與驅(qū)動(dòng)機(jī)制研究具有典型性和代表性。

圖1 研究區(qū)位置和等深線、剖面布設(shè)Fig.1 Location of the study area,and its bathymetric contours and profile arrangement

2.2 數(shù)據(jù)源

本研究數(shù)據(jù)源主要包括1986-2019 年113 景Landsat 系列陸地衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)和2015-2019年夏季企望灣4 次現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)的12 條剖面數(shù)據(jù)。Landsat 影像數(shù)據(jù)來(lái)自地理空間數(shù)據(jù)云（http://www.gscloud.cn）和美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局官方網(wǎng)站（https://earthexplorer.usgs.gov），選擇行/列號(hào)為120/44，影像分辨率為30 m，云量低于20%且研究區(qū)無(wú)云、陰影和條帶覆蓋的影像。113 景影像成像時(shí)刻介于01:44:17-02:42:02，主要集中在02:00-02:30（GMT+8 10:00-10:30）。成像時(shí)刻潮高皆低于多年平均高潮位（圖2）。

圖2 使用的Landsat 陸地衛(wèi)星影像成像時(shí)刻潮高Fig.2 Landsat series satellite images available and tidal heights at the time of imaging

此外，本文使用了2015-2019 年夏季企望灣4 次現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)的12 條海灘剖面（P01-P12）（圖1）數(shù)據(jù)。觀測(cè)期間，使用合眾思?jí)裄TK-GPS（國(guó)家2000 坐標(biāo)系）沿每條剖面從后濱固定點(diǎn)測(cè)至當(dāng)日低潮位時(shí)的涉水最深處（圖3），同時(shí)在潮間帶上部和下部各采集表層泥沙樣品1 個(gè)。

圖3 2015-2019 年夏季企望灣4 條海灘剖面地形變化情況Fig.3 The morphological changes of four beach profiles at the Qiwang Bay in the summers of 2015 to 2019

3 研究方法

3.1 高潮海岸線提取

實(shí)際應(yīng)用中對(duì)遙感海岸線提取較精確的方法一般有兩種：一種是基于計(jì)算機(jī)自動(dòng)提取瞬時(shí)水邊線，然后進(jìn)行潮位校正得到平均大潮高潮線[22-23]；另一種是根據(jù)岸線特征與野外調(diào)查經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行人工目視解譯提取高潮海岸線[5-6,12,24]。前者假定潮間帶海灘坡度保持不變，通過(guò)兩期遙感海岸線和潮位之差推算出海灘坡度。然而，砂質(zhì)海灘實(shí)際的潮間帶坡度是變化的。大部分情況下海灘剖面呈上凹形，即在低潮位附近坡度小，向陸側(cè)坡度逐漸增加，這些情況都表明潮位校正方法未必可靠。另外，圖2 所示的113 景遙感影像成像時(shí)的潮高不同且都低于多年平均高潮位，表明提取瞬時(shí)水邊線也不可靠；因此，本文采用目視解譯以光譜反射率不同的亮白干沙區(qū)域與灰暗潮間帶的分界線作為解譯標(biāo)志分別提取了113 景高潮海岸線[13,25]。在ENVI 5.3 平臺(tái)下，對(duì)遙感影像進(jìn)行裁剪、輻射定標(biāo)、大氣校正等預(yù)處理。然后，在ArcGIS 平臺(tái)下對(duì)TM 和ETM+影像采用第5 波段、第4 波段、第3 波段分別定義R（紅）、G（綠）、B（藍(lán)）進(jìn)行假彩色合成提取高潮海岸線，對(duì)Landsat OLI 影像采用第4 波段、第5 波段、第6 波段的波段組合方式提取高潮海岸線。

3.2 基于斷面的速率計(jì)算和擬合方法

本文使用了美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局推薦的數(shù)字岸線分析系統(tǒng)（Digital Shoreline Analysis System,DSAS）在ArcGIS 平臺(tái)下自西向東生成了224 條斷面（斷面間距50 m），其中，西側(cè)海灘標(biāo)記為T(mén)01-T167，東側(cè)海灘標(biāo)記為T(mén)168-T224。對(duì)于每一條斷面的岸線速率計(jì)算，本文采用了EPR 和LRR 方法[26]。此外，為了進(jìn)一步研究海岸線的變化過(guò)程，本文提取了每一條斷面上所有的岸線位置數(shù)據(jù)（113 個(gè)），分別采用線性擬合方法（y=ax+b）和二階多項(xiàng)式擬合方法（y=ax2+bx+c）判斷海岸線變化的線性行為或非線性行為。

3.3 Mann-Kendall（M-K）檢驗(yàn)

Mann-Kendall（M-K）檢驗(yàn)方法是檢驗(yàn)長(zhǎng)時(shí)間變化趨勢(shì)的有效方法之一，優(yōu)點(diǎn)是樣本不需要遵循某一特定的分布，受異常值的影響小。該方法在水文、氣象學(xué)中得到了廣泛應(yīng)用。為了深入探究企望灣海岸線較長(zhǎng)期的演變過(guò)程與趨勢(shì)變化，本文嘗試引入MK 檢驗(yàn)進(jìn)一步揭示海岸線演變的線性行為或非線性行為，尤其關(guān)注趨勢(shì)逆轉(zhuǎn)或顯著變化（例如侵蝕到淤積的轉(zhuǎn)換、淤積加速或侵蝕加速等），其計(jì)算原理見(jiàn)文獻(xiàn)[27]。

4 結(jié)果

4.1 長(zhǎng)期海岸線變化特征

通過(guò)EPR 和LRR 方法計(jì)算了1986-2019 年企望灣海岸線的進(jìn)退情況（圖4）。EPR 方法的結(jié)果（圖4a）表明，108 條斷面發(fā)生侵蝕（占48.2%），116 條斷面發(fā)生淤積（占51.8%）。龍頭山東側(cè)（T01-T07 斷面）發(fā)生淤積，平均淤積速率為0.4 m/a，最大淤積速率為0.5 m/a（T03 斷面）；競(jìng)海村至中海度假區(qū)岸段（T08-T111 斷面）發(fā)生侵蝕，平均侵蝕速率為1.1 m/a，最大侵蝕速率為2.2 m/a（T38 斷面）；虎仔山西側(cè)（T112-T167 斷面）發(fā)生淤積，平均淤積速率為2.3 m/a，最大淤積速率為5.5 m/a（T166 斷面）。南山岸段（T168-T181 斷面）發(fā)生侵蝕，平均侵蝕速率為1.8 m/a，最大侵蝕速率為2.8 m/a（T168 斷面）；西嶼西側(cè)（T182-T224 斷面）發(fā)生淤積，平均淤積速率為4.0 m/a，最大淤積速率為5.7 m/a（T202 斷 面）。LRR 方法的結(jié)果（圖4b）則表明，共有113 條斷面發(fā)生侵蝕（占50.4%），111 條斷面發(fā)生淤積（占49.6%）。龍頭山東側(cè)（T01-T14 斷面）發(fā)生淤積，平均淤積速率為0.8 m/a，最大淤積速率為1.4 m/a（T01 斷面）；競(jìng)海村至中海度假區(qū)岸段（T15-T115 斷面）發(fā)生侵蝕，平均侵蝕速率為1.0 m/a，最大侵蝕速率為1.7 m/a（T36 斷面）；虎仔山西側(cè)（T116-T167 斷面）發(fā)生淤積，平均淤積速率為1.3 m/a，最大淤積速率為2.9 m/a（T166 斷面）。南山岸段（T168-T179 斷面）發(fā)生侵蝕，平均侵蝕速率為1.3 m/a，最大侵蝕速率為2.1 m/a（T168 斷面）；西嶼西側(cè)（T180-T224 斷面）發(fā)生淤積，平均淤積速率為3.1 m/a，最大淤積速率為4.5 m/a（T203 斷面）。

圖4 1986-2019 年企望灣海岸線進(jìn)退情況Fig.4 Shoreline advance and recession of the Qiwang Bay during 1986 to 2019

綜上所述，EPR 和LRR 方法都揭示了研究區(qū)近30 年來(lái)在沿岸自西向東方向上所經(jīng)歷的“淤積-侵蝕-淤積-侵蝕-淤積”的空間變化特征，僅從結(jié)果本身，無(wú)法評(píng)價(jià)孰優(yōu)孰劣。兩種方法所得到的趨勢(shì)基本一致，但侵蝕岸段與淤積岸段的轉(zhuǎn)換位置存在差異，平均或最大侵蝕和淤積速率也不同。

4.2 不同時(shí)段海岸線變化特征

圖5 給出了企望灣不同時(shí)段海岸線的侵蝕或淤積情況。其中，1986-1995 年間發(fā)生淤積的岸段有中海度假區(qū)岸段（T53-T56 斷面、T108-T137 斷面）、虎仔山西側(cè)（T141-T167 斷面）、西嶼西側(cè)（T181-T211 斷面），共93 條斷面，平均淤積速率為1.9 m/a；虎仔山西側(cè)T149 斷面出現(xiàn)最高的淤積（5.4 m/a），西嶼西側(cè)T190 斷面出現(xiàn)次高的淤積（4.5 m/a）。其他131 條斷面發(fā)生侵蝕，平均侵蝕速率為1.7 m/a；龍頭山東側(cè)T01 斷面出現(xiàn)最高的侵蝕（5.9 m/a），西嶼西側(cè)T218 斷面出現(xiàn)次高的侵蝕（4.8 m/a）。這一時(shí)期與1986-2019 年的趨勢(shì)進(jìn)行對(duì)比，差異性主要表現(xiàn)為龍頭山至中海度假區(qū)岸段整體遭受侵蝕，而西嶼西側(cè)岸段發(fā)生侵蝕（圖5a）。

圖5 LRR 方法計(jì)算的企望灣不同時(shí)段海岸線進(jìn)退情況Fig.5 Shoreline advance and recession during different periods calcultated by LRR method at the Qiwang Bay

1996-2005 年間發(fā)生淤積的岸段有中海度假區(qū)岸段（T52-T59 斷 面、T78-T84 斷 面、T104-T107 斷面）、虎仔山西側(cè)（T116-T167 斷面）、西嶼西側(cè)（T173-T214 斷面、T217 斷面、T223-T224 斷面），共116 條斷面，平均淤積速率為1.2 m/a；虎仔山西側(cè)T154 斷面出現(xiàn)最高的淤積（3.6 m/a），西嶼西側(cè)T202 斷面出現(xiàn)次高的淤積（3.2 m/a）。其他108 條斷面發(fā)生侵蝕，平均侵蝕速率為1.0 m/a；龍頭山東側(cè)T01 斷面出現(xiàn)最高的侵蝕（2.9 m/a），競(jìng)海村岸段T38斷面出現(xiàn)次高的侵蝕（2.5 m/a）。這一時(shí)期與1986-2019 年的趨勢(shì)進(jìn)行對(duì)比，差異性主要表現(xiàn)為競(jìng)海村至中海度假區(qū)岸段基本上依然遭受侵蝕，而南山岸段與1986-1995 年相比侵蝕速率減緩，趨向于穩(wěn)定（圖5b）。

2006-2015 年間發(fā)生淤積的岸段有龍頭山東側(cè)（T01-T30 斷面）、中海度假村岸段（T102-T113 斷面）、虎仔山西側(cè)（T121-T135 斷面、T150-T167 斷面）、西嶼西側(cè)（T175-T224 斷面），共125 條剖面，平均淤積速率為2.7 m/a;龍頭山東側(cè)T02 斷面出現(xiàn)最高的淤積（8.0 m/a），西嶼西側(cè)T224 斷面出現(xiàn)次高的淤積（7.6 m/a）。其他99 條斷面發(fā)生侵蝕，平均侵蝕速率為1.1 m/a；中海度假區(qū)岸段T53 斷面出現(xiàn)最高的侵蝕（3.0 m/a），T77 斷面上出現(xiàn)次高的侵蝕（1.8 m/a）。這一時(shí)期與1986-2019 年的趨勢(shì)相比基本一致，但是數(shù)值差異較大；另外，與1986-1995 年、1996-2005 年相比，龍頭山東側(cè)岸段開(kāi)始發(fā)生顯著淤積，而虎仔山西側(cè)淤積速率顯著降低，但是西嶼西側(cè)顯著淤積（圖5c）。

2015-2019 年間發(fā)生淤積的岸段有龍頭山東側(cè)（T08-T13 斷面）、虎仔山西側(cè)（T105-T167 斷面）、西嶼西側(cè)（T182-T224 斷面），共計(jì)112 條剖面，平均淤積速率為12.0 m/a；虎仔山西側(cè)T166 斷面出現(xiàn)最高的淤積（26.7 m/a），西嶼西側(cè)T203 斷面出現(xiàn)次高的淤積（23.6 m/a）。其他112 條斷面發(fā)生侵蝕，平均侵蝕速率為3.3 m/a；南山岸段T169 斷面出現(xiàn)最高的侵蝕（10.0 m/a），中海度假區(qū)岸段T65 斷面出現(xiàn)次高的侵蝕（5.7 m/a）。這一時(shí)期與1986-2019 年的趨勢(shì)進(jìn)行對(duì)比，差異性主要表現(xiàn)為競(jìng)海村至中海度假區(qū)岸段整體處于侵蝕狀態(tài)（圖5d）。

綜上所述，4 個(gè)時(shí)段所得到的岸線進(jìn)退情況表明，研究區(qū)的某些區(qū)域存在侵蝕-淤積的逆轉(zhuǎn)（例如龍頭山東側(cè)岸段、西嶼西側(cè)岸段等），也表明EPR 或LRR 方法無(wú)法準(zhǔn)確刻畫(huà)岸線的演變過(guò)程。

4.3 線性或非線性變化行為和M-K 趨勢(shì)檢驗(yàn)

為了揭示海岸線更詳細(xì)的變化過(guò)程，本文對(duì)每條斷面上所有的岸線位置數(shù)據(jù)采用線性擬合和二項(xiàng)式擬合方法評(píng)價(jià)岸線變化的線性行為或非線性行為。如圖6 所示，224 條斷面在沿岸方向上整體表現(xiàn)出7 種長(zhǎng)期趨勢(shì)特征。對(duì)于西側(cè)海灘，主要表現(xiàn)為4 種長(zhǎng)期趨勢(shì)特征。例如，龍頭山東側(cè)岸段（T01-T31 斷面）為開(kāi)口向上的二項(xiàng)式形態(tài)，自西向東二項(xiàng)式系數(shù)A逐漸降低（圖6a 中的0.214 降至圖6b 中的0.113），長(zhǎng)期趨勢(shì)逐漸趨于線性。競(jìng)海村至中海度假區(qū)岸段（T32-T109 斷面）呈現(xiàn)斜率較大的線性降低趨勢(shì)（圖6c），并且向東斜率逐漸減小。汕頭市風(fēng)箏沖浪俱樂(lè)部岸段（T110-T123 斷面）則為斜率很小的線性趨勢(shì)（圖6d），可能指示著該岸段的穩(wěn)定；虎仔山西側(cè)岸段（T124-T167 斷面）自西向東非線性趨勢(shì)越來(lái)越顯著（圖6e），表現(xiàn)為二項(xiàng)式系數(shù)A升高。而東側(cè)海灘則主要表現(xiàn)為3 種長(zhǎng)期趨勢(shì)特征。其中，南山岸段（T168-T179 斷面）則表現(xiàn)出侵蝕加劇的非線性趨勢(shì)（圖6f），即后期的斜率明顯大于前期。南山岸段東側(cè)（T180-T183 斷面）岸段為斜率很小的線性趨勢(shì)（圖6g），指示著該岸段的穩(wěn)定。西嶼西側(cè)岸段（T184-T224 斷面）則表現(xiàn)為自西向東非線性趨勢(shì)越來(lái)越顯著（圖6h）。其中，二項(xiàng)式擬合效果更好的斷面約有128 條，占57.1%，而線性擬合效果更好的斷面約有96 條，占42.9%。

圖6 采用線性擬合方法和二項(xiàng)式擬合方法得到斷面的長(zhǎng)期趨勢(shì)特征Fig.6 Long-term trend characteristics of individual intersect obtained by the methods of linear and binomial fitting

上述結(jié)果揭示了企望灣某些岸段在時(shí)間上發(fā)生了趨勢(shì)“逆轉(zhuǎn)”，例如龍頭山東側(cè)岸段、虎仔山西側(cè)岸段、西嶼西側(cè)岸段，表現(xiàn)為海岸帶前期穩(wěn)定或遭受侵蝕而后期發(fā)生淤積；也揭示出了南山岸段存在侵蝕“加速度”，即前期遭受侵蝕，且后期的侵蝕更加強(qiáng)烈。為了得到發(fā)生顯著變化的時(shí)間，本文嘗試引入M-K 檢驗(yàn)方法反演具體斷面上岸線更詳細(xì)的變化過(guò)程，不僅關(guān)注趨勢(shì)發(fā)生顯著變化的時(shí)間，還關(guān)注趨勢(shì)的顯著性檢驗(yàn)。圖7 以8 條斷面為例闡述對(duì)海岸線中長(zhǎng)期演變的M-K 趨勢(shì)檢驗(yàn)。龍頭山東側(cè)T01 斷面的UF統(tǒng)計(jì)量在x=2 004.937（對(duì)應(yīng)2004 年12 月8日）和x=2 007.282（對(duì)應(yīng)2007 年4 月13 日）（即x是以數(shù)字代表的年份，后同）出現(xiàn)顯著侵蝕趨勢(shì)最大值，且都通過(guò)了0.01 水平的顯著性檢驗(yàn)；而x=2 018.408（對(duì)應(yīng)2018 年5 月29 日）淤積趨勢(shì)有稍減緩的趨勢(shì)。整體而言，x=2 007.282 所處的時(shí)間基本上可以將斷面劃分成前期線性侵蝕和后期線性淤積兩個(gè)階段（圖7a）。龍頭山東側(cè)T24 斷面的UF統(tǒng)計(jì)量在x=2 004.937（對(duì)應(yīng)2004 年12 月8 日）出現(xiàn)侵蝕趨勢(shì)最大值，但該侵蝕趨勢(shì)一直較穩(wěn)定的持續(xù)到x=2 008.88（對(duì)應(yīng)2008 年11 月17 日），且都通過(guò)了0.01 水平的顯著性檢驗(yàn)；然后轉(zhuǎn)向淤積趨勢(shì)，但該淤積趨勢(shì)沒(méi)有通過(guò)0.05 水平的顯著性檢驗(yàn)（圖7b）。T01 斷面和T24 斷面海岸線的演變過(guò)程類(lèi)似，但發(fā)生趨勢(shì)逆轉(zhuǎn)的時(shí)間T24 斷面滯后于T01 斷面，且T24 斷面后期的淤積趨勢(shì)不如T01 斷面顯著。競(jìng)海村岸段T35 斷面的UF統(tǒng)計(jì)量整體呈現(xiàn)線性下降趨勢(shì)，并且通過(guò)了0.01 水平的顯著性檢驗(yàn)；但圖中兩個(gè)下箭頭位置所指示的時(shí)段，反映了短期過(guò)程對(duì)長(zhǎng)期侵蝕趨勢(shì)的影響（圖7c）。汕頭市風(fēng)箏沖浪俱樂(lè)部岸段T116 斷面的UF統(tǒng)計(jì)量整體呈現(xiàn)一定的線性下降趨勢(shì)，但是沒(méi)有通過(guò)0.05 水平的顯著性檢驗(yàn)，可以認(rèn)為該岸段穩(wěn)定（圖7d）。虎仔山西側(cè)岸段T158 斷面的UF統(tǒng)計(jì)量在x=2 004.937（對(duì)應(yīng)2004 年12 月8 日）之前趨勢(shì)較穩(wěn)定，隨后開(kāi)始朝向淤積狀態(tài)；圖中兩個(gè)上箭頭位置所對(duì)應(yīng)的時(shí)段，則反映了短期過(guò)程對(duì)長(zhǎng)期淤積趨勢(shì)的影響，在x=2 014.575（對(duì)應(yīng)2014 年7 月29 日）之后淤積趨勢(shì)越來(lái)越顯著（通過(guò)了0.01 水平的顯著性檢驗(yàn)）（圖7e）。南山岸段T169 斷面的UF統(tǒng)計(jì)量整體呈現(xiàn)顯著的侵蝕趨勢(shì)一直到x=2 004.937，圖中兩個(gè)下箭頭位置指示了該段時(shí)間內(nèi)侵蝕趨勢(shì)較穩(wěn)定的持續(xù)到x=2 013.655（對(duì)應(yīng)2013 年8 月27 日），隨后侵蝕進(jìn)一步加速（圖7f）。南山岸段東側(cè)T180 斷面的UF統(tǒng)計(jì)量雖然具有一個(gè)先侵蝕后淤積的趨勢(shì)，通過(guò)0.05 水平（持續(xù)時(shí)間較短）但沒(méi)有通過(guò)0.01 水平的顯著性檢驗(yàn)，表明岸段較為穩(wěn)定（圖7g）。西嶼西側(cè)岸段T218 斷面的UF統(tǒng)計(jì)量在x=2 007.94（對(duì)應(yīng)2007 年12 月9 日）出現(xiàn)顯著的侵蝕趨勢(shì)最大值；隨后轉(zhuǎn)向淤積趨勢(shì)，圖中兩個(gè)上箭頭位置指示了1 個(gè)約兩年的趨勢(shì)穩(wěn)定時(shí)期，一直到x=2 013.589（對(duì)應(yīng)2013 年8 月3 日），隨后該斷面繼續(xù)淤積且淤積情況越來(lái)越顯著（圖7h）。

圖7 M-K 趨勢(shì)檢驗(yàn)得到具體斷面的變化趨勢(shì)及顯著性檢驗(yàn)Fig.7 The changing trend and significance test of specific transect obtained by M-K trend detecting method

綜上所述，M-K 趨勢(shì)檢驗(yàn)?zāi)軌蜉^好地揭示出斷面上海岸線的長(zhǎng)期變化過(guò)程。識(shí)別趨勢(shì)的逆轉(zhuǎn)，不僅有助于科學(xué)合理的劃分研究時(shí)段，也有助于探討造成趨勢(shì)逆轉(zhuǎn)背后的驅(qū)動(dòng)因素或機(jī)制；并且，對(duì)于發(fā)生趨勢(shì)逆轉(zhuǎn)的岸段，其近期趨勢(shì)對(duì)于預(yù)測(cè)岸線未來(lái)的演變可能更有意義。

4.4 近期實(shí)測(cè)海灘地貌與岸線特征

對(duì)企望灣布設(shè)的12 條海灘剖面在2015-2019 年夏季先后開(kāi)展了4 次野外觀測(cè)工作，海灘剖面地形變化如圖3 所示，海灣潮間帶平均坡度（4 次觀測(cè)平均）和表層泥沙平均粒徑（2015-2017 年3 次觀測(cè)平均）如表1 所示。西側(cè)海灘整體以存在水下沙壩地形為特征，其中，龍頭山至中海度假區(qū)岸段以橫向沙壩為主，虎仔山西側(cè)岸段則以沿岸沙壩為主；東側(cè)海灘南山岸段以橫向沙壩為特征，西嶼西側(cè)岸段則以反射特征為特點(diǎn)。競(jìng)海村岸段和南山岸段潮間帶寬度較小，一般小于15 m（圖3a，圖3c）；而虎仔山西側(cè)岸段和西嶼西側(cè)岸段寬度往往大于30 m（圖3b，圖3d），甚至有時(shí)超過(guò)50 m。表1 表明，競(jìng)海村岸段和南山岸段坡度陡，由中砂組成，而虎仔山西側(cè)岸段和西嶼西側(cè)岸段坡度較緩，由細(xì)砂所組成。

表1 企望灣潮間帶海灘平均坡度和泥沙粒徑的沿岸變化Table 1 Longshore variation in average beach gradient and sediment size from the intertidal beach at the Qiwang Bay

將近5 年通過(guò)實(shí)測(cè)剖面得到的高潮線位置分別采用EPR 和LRR 方法進(jìn)行計(jì)算（所得高潮線位置數(shù)據(jù)分別為EPR 值和LRR 值），并與近5 年22 期遙感海岸線位置數(shù)據(jù)計(jì)算得到的EPR 值和LRR 值進(jìn)行對(duì)比。由表2 可知，近5 年來(lái)競(jìng)海村岸段和南山岸段均遭受侵蝕，而虎仔山西側(cè)岸段和西嶼西側(cè)岸段發(fā)生淤積；其中，實(shí)測(cè)岸線的LRR 值與遙感海岸線的LRR 值趨勢(shì)比較一致（侵蝕或淤積），整體而言數(shù)值更加接近；但在侵蝕岸段兩個(gè)值之間的偏差較大，而在淤積岸段偏差較小。這主要是由于計(jì)算實(shí)測(cè)岸線的LRR 值只使用了4 個(gè)岸線位置，有限的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)會(huì)導(dǎo)致擬合結(jié)果的不確定性。此外，結(jié)果對(duì)比也反映了較陡、較窄的潮間帶比較緩、較寬的潮間帶不確定性更高。圖3b 和圖3d 直觀地反映了虎仔山西側(cè)岸段和西嶼西側(cè)岸段發(fā)生淤積的事實(shí)，不僅表現(xiàn)為岸線向海推進(jìn)，也表現(xiàn)為潮上帶泥沙的明顯堆積；虎仔山西側(cè)岸段已形成典型的風(fēng)沙地貌，以新月形沙丘為特征（圖8d 至圖8f）。圖8a 至圖8c 則證實(shí)了競(jìng)海村至中海度假區(qū)岸段海岸線顯著的后退，早期濱海建造的房屋一部分已位于沙灘之上且遭受了嚴(yán)重毀壞。圖3c和圖8g 至圖8i 則反映了南山岸段顯著的侵蝕，不僅表現(xiàn)為岸線顯著后退，也表現(xiàn)為后濱泥沙整體喪失而向陸后退。

圖8 企望灣典型侵蝕（a-c，g-i）和淤積（d-f）岸段的特征Fig.8 Erosion (a-c,g-i) and accretion (d-f) characteristics of typical segments at the Qiwang Bay

表2 近5 年實(shí)測(cè)岸線位置數(shù)據(jù)和遙感岸線位置數(shù)據(jù)使用EPR 和LRR 方法計(jì)算的岸線變化速率值對(duì)比Table 2 Comparison of the values of shoreline change rate by the methods of EPR and LRR using measured shoreline position data and remote sensing shoreline position data in recent five years

5 討論

企望灣屬于弱潮海岸（潮差小于2 m），但虎仔山西側(cè)岸段和西嶼西側(cè)岸段因潮間帶泥沙較細(xì)、坡度較緩導(dǎo)致潮間帶寬度往往大于30 m（圖3），這表明利用計(jì)算機(jī)提取瞬時(shí)水邊線的方法在企望灣不一定可靠。表1 展示了企望灣潮間帶海灘坡度的沿岸變化和垂岸變化，表明采用潮汐校正瞬時(shí)海岸線推算出大潮平均高潮線的做法也很難保證岸線提取的準(zhǔn)確性[22-23]。因此，本文采用了目視解譯方法提取高潮海岸線。對(duì)于岸線提取結(jié)果精度評(píng)估，侯西勇等[28]提出了“理論最大允許誤差”的概念及計(jì)算方法判斷岸線的精度水平。本文據(jù)此對(duì)2016 年、2017 年和2019 年8 月實(shí)測(cè)的36 個(gè)控制點(diǎn)和高潮點(diǎn)（圖3）與3 期遙感影像（2016年10 月14 日、2017 年10 月25 日 和2019 年9 月29日）提取的高潮海岸線進(jìn)行誤差分析，均方根誤差（Root Mean Squared Error,RMSE）分 別 為31.37 m、37.89 m和22.17 m，平均值為31.15 m，誤差水平約為1 個(gè)像元。因?yàn)闆](méi)有做到同步觀測(cè)，該評(píng)價(jià)結(jié)果可能包括因臺(tái)風(fēng)事件等造成的高潮海岸線變化。因此，為了降低提取過(guò)程中存在的不確定性[9-10]，本文增加了遙感影像的數(shù)量（超過(guò)100 景）。

本文采用線性擬合和非線性擬合方法評(píng)價(jià)了海岸線演變的線性或非線性行為。結(jié)果表明，超過(guò)半數(shù)（57.1%）斷面上的海岸線變化主要表現(xiàn)為非線性行為，這也反映了EPR 和LRR 方法的不可靠性。而對(duì)于長(zhǎng)期表現(xiàn)出線性變化行為的海岸線，也可能受到短期過(guò)程或極端事件的影響（圖7c），相比于LRR 方法，EPR 方法由于只使用了兩個(gè)岸線位置會(huì)產(chǎn)生更大的不可靠性。

對(duì)于龍頭山東側(cè)岸段、虎仔山西側(cè)岸段、西嶼西側(cè)岸段前期與后期變化特征逆轉(zhuǎn)的區(qū)域，為了更準(zhǔn)確地劃分“前期”與“后期”之間的時(shí)間，本文嘗試引入的M-K 趨勢(shì)檢驗(yàn)可以較好地揭示海岸線詳細(xì)的演變過(guò)程和趨勢(shì)特征。對(duì)于具有線性變化行為或比較穩(wěn)定的區(qū)域（例如競(jìng)海村至中海度假區(qū)岸段、汕頭市風(fēng)箏沖浪俱樂(lè)部岸段和南山岸段東側(cè)），所有的數(shù)據(jù)都對(duì)長(zhǎng)期趨勢(shì)有所貢獻(xiàn)；而對(duì)于具有非線性變化行為的區(qū)域（例如龍頭山東側(cè)岸段、虎仔山西側(cè)岸段、西嶼西側(cè)岸段等），當(dāng)對(duì)未來(lái)岸線位置進(jìn)行預(yù)測(cè)時(shí)，應(yīng)該重點(diǎn)考慮后期數(shù)據(jù)。這一處理也糾正了目前很多研究中對(duì)于研究時(shí)段的劃分缺乏依據(jù)的問(wèn)題[7,11-12]。

由4.3 節(jié)可知，龍頭山東側(cè)岸段在2007-2008 年自西向東依次發(fā)生了趨勢(shì)逆轉(zhuǎn)（侵蝕-淤積）。遙感影像顯示，企望灣西側(cè)在2007 年建設(shè)了防波堤。該工程建設(shè)影響了龍頭山東側(cè)岸段的海岸線演變（大約為1.55 km）；造成該區(qū)域海岸線自西向東依次發(fā)生趨勢(shì)逆轉(zhuǎn)（時(shí)間響應(yīng)逐漸滯后），并且該工程對(duì)越靠近西側(cè)的岸線影響越大，淤積越顯著。西側(cè)海灘的競(jìng)海村至中海度假區(qū)岸段和虎仔山西側(cè)岸段以及東側(cè)海灘南山岸段和西嶼西側(cè)岸段的變化特征，表明了企望灣近期存在著顯著自西向東的沿岸輸沙。因小型基巖岬角（虎仔山）對(duì)西側(cè)泥沙的阻擋，導(dǎo)致西側(cè)海灘和東側(cè)海灘都具有這種空間分布特征，其中汕頭市風(fēng)箏沖浪俱樂(lè)部岸段和南山岸段東側(cè)則表現(xiàn)出“樞紐”作用，這兩個(gè)岸段海岸線比較穩(wěn)定。

東側(cè)海灘西嶼西側(cè)岸段的長(zhǎng)期演變趨勢(shì)與龍頭山東側(cè)岸段類(lèi)似（前期侵蝕后期淤積），應(yīng)歸因于企望灣東側(cè)2012 年修建的向海延伸很長(zhǎng)的防波堤。由4.3 節(jié)可知，西嶼西側(cè)岸段（T218 斷面）開(kāi)始發(fā)生顯著淤積的時(shí)間為2013 年8 月3 日，南山岸段（T169 斷面）發(fā)生侵蝕加速的時(shí)間為2013 年8 月27 日，虎仔山西側(cè)岸段（T158 斷面）則在2014 年7 月29 日后淤積越來(lái)越顯著。這表明，東側(cè)防波堤發(fā)揮了控制性“岬角”的作用，改變了岬灣海灘原有的長(zhǎng)期平面形態(tài)?；诖耍疚氖褂昧酸禐澈┢胶馄矫嫘螒B(tài)模型（Model for Equilibrium Planform of BAY Beach,MEPBAY）軟件[29]模擬了“岬角”變動(dòng)前后企望灣長(zhǎng)期的平衡平面形態(tài)。如圖9 所示，東側(cè)防波堤建設(shè)前，模擬的海岸線在岬角以西位于實(shí)際海岸線陸側(cè)，表明企望灣處于一種動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。東側(cè)防波堤建成后，模擬的海岸線在岬角以西位于實(shí)際海岸線海側(cè)，表明海灣處于一種不穩(wěn)定狀態(tài)。這表明，東側(cè)防波堤建成后，導(dǎo)致西側(cè)海灘由競(jìng)海村至中海度假區(qū)岸段經(jīng)汕頭市風(fēng)箏沖浪俱樂(lè)部岸段向虎仔山西側(cè)岸段堆積泥沙，但因虎仔山岬角的阻擋，泥沙無(wú)法繼續(xù)向東搬運(yùn)；而這進(jìn)一步導(dǎo)致了東側(cè)海灘南山岸段近期發(fā)生顯著侵蝕，經(jīng)南山岸段東側(cè)向西嶼西側(cè)岸段堆積泥沙。所以，東側(cè)防波堤的建設(shè)導(dǎo)致企望灣處于不穩(wěn)定狀態(tài)，沿岸流控制著泥沙自西向東搬運(yùn)，試圖重塑企望灣新的平衡平面形態(tài)，影響范圍約為 9.65 km。

圖9 MEPBAY 軟件模擬東側(cè)防波堤建設(shè)前后對(duì)海灣平衡平面形態(tài)的影響（a：動(dòng)態(tài)平衡；b：不穩(wěn)定）Fig.9 Modelling the impact of the absence and presence of the east breakwater on headland-bay equilibrium plan-form by the software of MEPBAY (a:dynamic equilibrium;b:unstable state)

此外，本文使用了M-K 檢驗(yàn)對(duì)單個(gè)斷面逐一進(jìn)行了趨勢(shì)識(shí)別并測(cè)定了發(fā)生趨勢(shì)顯著變化的時(shí)間，發(fā)現(xiàn)海灣東側(cè)防波堤的修建導(dǎo)致海岸線自東向西在時(shí)間上依次滯后響應(yīng)。這表明，相鄰斷面上的岸線位置變化具有空間相關(guān)性。Frazer 等[30]和Genz 等[31]也指出，單個(gè)斷面上岸線位置的變化非獨(dú)立事件，而是與相鄰斷面上岸線位置的變化有關(guān)。因此，今后將繼續(xù)探索沿岸方向上包含海岸線速率變化相關(guān)性的方法。

6 結(jié)論

本文使用了1986-2019 年113 景的Landsat 影像數(shù)據(jù)提取高潮海岸線，開(kāi)展了海灣尺度下海岸線的中長(zhǎng)期演變過(guò)程與驅(qū)動(dòng)機(jī)制研究，主要得到如下結(jié)論：

（1）以中間小型基巖岬角為界劃分出的西側(cè)海灘在空間上具備4 個(gè)特征：前期侵蝕后期淤積、一直侵蝕、較穩(wěn)定、前期侵蝕或穩(wěn)定而后期淤積；東側(cè)海灘在空間上則具備3 個(gè)特征：前期侵蝕后期侵蝕加劇、較穩(wěn)定和前期侵蝕后期淤積。

（2）超過(guò)半數(shù)的區(qū)域海岸線演變表現(xiàn)出非線性行為，表明EPR 和LRR 方法的不可靠性；而對(duì)于主要表現(xiàn)為線性變化行為的海岸線，LRR 方法因使用了更多的岸線位置數(shù)據(jù)點(diǎn)會(huì)更具可靠性。

（3）M-K 趨勢(shì)檢驗(yàn)可以較好地識(shí)別海岸線的中長(zhǎng)期趨勢(shì)變化并進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，解決了已有研究中對(duì)研究時(shí)段的劃分缺乏依據(jù)的問(wèn)題；而近5 年的實(shí)測(cè)剖面數(shù)據(jù)證實(shí)了M-K 趨勢(shì)檢驗(yàn)所得到的近期海灘侵蝕和淤積的事實(shí)。

（4）東側(cè)防波堤的建設(shè)影響的海岸范圍約為9.65 km，表現(xiàn)為海岸線的響應(yīng)時(shí)間自東向西滯后。該防波堤影響海岸線的主要原因是造成了控制性“岬角”位置的變動(dòng)，導(dǎo)致岬灣海灘平面形態(tài)變?yōu)椴环€(wěn)定狀態(tài)，自西向東的沿岸輸沙過(guò)程和中間小型基巖岬角的阻擋主要控制著海岸線演變的空間特征。