近40 a來三門灣海岸線時空變化遙感監測與分析

陳曉英, 張 杰, 馬 毅, 崔廷偉

(國家海洋局第一海洋研究所, 山東 青島 266061)

進入21世紀以來, 隨著陸域空間資源的日益緊張, 世界各國紛紛把目光投向蔚藍色的海洋, 國際間的海洋競爭已呈白熱化。放眼國內, 沿海各地也處處涌動著藍色經濟的開發浪潮, 岸線資源利用的范圍和規模迅速擴大, 作為難以再生的寶貴資源, 岸線必須加強保護, 有序開發, 合理利用。三門灣是浙江省三大港灣之一, 是浙江省對外開放的前沿地帶,具有獨特的開發優勢和巨大的發展潛力。了解三門灣海岸線的現狀和動態變化對于實現三門灣岸線資源的科學規劃、合理開發具有重要的意義。

遙感具有大面積、同步、快速獲取地面信息的技術優勢, 能做到大范圍、長時間序列監測, 已成為海岸線監測的重要手段, 在國內外海岸線研究中有著廣泛的應用。SemihEkercin[1]利用 Landsat衛星影像, 對土耳其愛琴海西岸的海岸線變化進行了分析,研究表明該區域在海陸相互作用下, 26 a里海岸線最大位移距離達200多米; Virdis等[2]使用了1955～2010年的航空相片、衛星影像等多時相數據集, 針對意大利撒丁島西北的普拉塔莫納—莫里扎沙灘上 300 m寬的侵蝕區域展開分析, 發現由土地利用變化和上游建壩所導致的主要河流流量的驟減是岸線變遷的主要因素。近年來, 隨著國內對海灣地區開發利用熱情的日益攀升, 海灣海岸線變遷得到普遍關注[3-6],海灣海岸土地利用/覆蓋研究也逐漸成為熱點話題,吳季秋等[7]以八門灣為研究區, 采用遙感(Remote Sensing, RS)和地理信息系統(Geographic Information System, GIS)相結合的技術, 提取了 1988年、1998年和2009年3 a的土地利用/覆蓋空間格局信息, 研究其土地利用變化動態度, 并分析了自然驅動因素和社會經濟驅動因素的作用。針對三門灣, 國內的研究工作多集中在水動力、漁業資源、生態環境等方面[8-11],對海岸線的演變、現狀及開發的全面研究較少。

本文旨在利用1973～2013年4期Landsat衛星數據, 在定量獲取三門灣大陸海岸線相關數據、解譯岸線變化區域內土地利用類型的基礎上, 實現近 40 a來環三門灣地區岸線變遷遙感監測以及海岸開發方式的系統分析。

1 研究區概況

三門灣位于浙江省中部沿海, 居全國岸線之中心, 地理坐標在 28°57′～29°22′N, 121°25′～121°58′E[12](圖1)。三門灣地跨寧波市象山縣、寧海縣和臺州市三門縣, 灣口北起炮臺山東南角, 中端為燕坤山島南嘴,西至青峙山島東嘴, 是呈西北-東南向的半封閉溺谷型海灣, 潮流屬往復流, 潮汐為正規半日潮, 冬季多北、東北風, 夏季多東南風, 夏秋之際多臺風, 年降水量約1 400 mm。三門灣岸線曲折, 港汊縱橫如樹枝狀深入內陸, 入灣河流均為短小的山溪性河流, 港汊之間普遍發育有舌狀潮灘, 灣內島嶼羅列, 有大小島嶼 130余個。沿岸主要港口有灣東側的石浦港以及西側的健跳港, 灣內重要水道有貓頭水道、蛇蟠水道、石浦水道等。

2 數據與方法

2.1 數據處理

本文研究選用 1973年 Landsat MSS、1987年Landsat TM、2000年LandsatETM+和2013年Landsat OLI 4期影像作為岸線變遷分析數據源(表1)。以國家測繪專項正射校正后的SPOT-5影像為基準, 分別對4期影像進行配準, 選用二次多項式校正, 雙線性插值采樣, 配準精度控制在0.5個像元內。校正后的影像均采用高斯-克呂格投影和WGS-84坐標系。

圖1 研究區地理位置圖Fig.1 Geographical position of Sanmen Bay

表1 遙感影像數據信息Tab.1 Information of remote sensing images

2.2 岸線提取方法與精度驗證

中華人民共和國國家標準《海洋學術語海洋地質學》(GB/T 18190-2000)規定: “海岸線即海陸分界線, 在我國系指多年大潮平均高潮位時海陸分界線”[13]。本文岸線提取采用人機交互解譯的方法, 從影像中提取了三門灣大陸多年大潮平均高潮位的痕跡線。為降低提取過程中的人為誤差, 確保未發生變遷的岸段岸線位置不變, 首先提取了2000年的海岸線, 然后基于2000年提取結果修編得到其余3期岸線。鑒于研究區內海岸線主要為人工岸線與基巖岸線, 本文未考慮潮汐對海岸線信息提取的影響。

為確保岸線提取精度, 本文利用“我國近海海洋綜合調查與評價專項”(簡稱“908專項”)三門灣地區修測岸線對2000年的提取結果進行了精度驗證。選取908修測岸線相對于本文2000年岸線未發生變遷的岸段, 利用Arcgis在2000年岸線上每隔100 m選擇一個點(圖2), 共 552個點, 計算每個點到修測岸線的最短距離, 求取最短距離的均方根誤差。通過計算, 均方根誤差為 21 m, 即在一個像元之內, 精度滿足本文研究需要。

2.3 岸線變遷分析方法

本文在岸線信息提取結果的基礎上, 通過 GIS軟件定量獲取了三門灣岸線長度以及海岸帶陸域變遷面積, 分別對1973～2013年三門灣整體、沿岸各縣級市(象山縣、寧海縣、三門縣)進行岸線時空變化特征分析, 并針對研究區特點對海岸帶新增土地利用方式進行分類, 探討研究區海岸開發方式的轉變特征。各土地利用類型及其說明如表2所示, 依此分類既有利于分析海岸線變化的影響因素, 也利于監測海岸資源利用與管理。本文在分析陸域變遷時, 因圍填海而與大陸相連的海島不計入新增土地面積。

圖2 部分驗證點分布示意圖Fig.2 Distribution of part of the verification points

3 結果與分析

3.1 岸線變遷總體情況

1973～2013年4 期三門灣大陸海岸線及陸地增加面積提取結果見圖3、圖4, 相關數據列入表3。1973～2013年三門灣岸線總長度減少40.18 km, 40 a來平均減少速度 1.00 km/a。1973～1987年、1987～2000年岸線長度分別減少40.77、16.03 km, 2000～2013年期間岸線長度增加16.62 km(圖5)。在研究時段前期和中期, 三門灣沿海三縣岸線長度均成下降趨勢(圖6), 前期寧海縣減少最為明顯, 為29.74 km, 中期象山縣減少最多, 為7.05 km; 研究時段后期, 象山縣、寧海縣岸線長度繼續小幅度減少, 三門縣岸線長度明顯增長, 2000年之后共增長了19.04 km。

表2 新增土地利用分類Tab.2 Classification of new land use

表3 岸線長度變化及陸地增加面積統計Tab.3 Statistics of changes of coastline length and land area

影響岸線長度變化的因素有很多。三門灣海涂寬廣, 港汊縱橫, 一方面, 在人為開發作用下, 曲折的淤泥質海岸和海灣被圍墾, 成為農作物、果樹種植基地或海產品養殖池塘, 一些深入內陸的港汊被攔海筑壩用以蓄淡, 都會使得海岸線變短; 另一方面,港口區域碼頭擴建、“凸”字形圍海養殖以及灣內一些近岸島嶼受開發作用影響, 與大陸相連成為陸地一部分, 從而又會導致海岸線增長。

海岸線在空間上的變化會直接導致海岸帶陸域面積發生變化。1973～2013年, 三門灣岸線總體以人工圍海造地和海岸開發產生的向海延伸為主, 40 a來三門灣沿岸陸域面積共增加 155.89 km2, 平均增速為3.9 km2/a。從時間分布上來看, 2000～2013年陸域面積增幅最大, 達91.68 km2, 占40 a來新增土地總面積的 58.8%, 其次是 1973～1987年, 新增土地54.83 km2; 空間分布上, 近 60%的新增土地分布于寧海縣, 新增面積達89.44 km2。

圖3 三門灣大陸海岸線40 a變遷Fig.3 Coastline changes of the Sanmen Bay in past 40 years

圖4 1973～2013年三門灣沿岸新增陸地區域Fig.4 New land area along the coast from 1973 to 2013

圖5 三門灣海岸線總長度變化趨勢圖Fig.5 Length change trend of the Sanmen Bay coastline

3.2 沿海各縣海岸線變遷及驅動力分析

3.2.1 象山縣岸段

象山縣岸段1973年、1987年、2000年及2013年海岸線長度分別為110.12、102.58、95.53、94.09 km,長度持續減少, 40 a來共減少16.03 km。

圖6 三門灣沿海三縣海岸線長度分布圖Fig.6 Length distribution of coastline in three coastal counties

1973～1987 年是象山縣岸線向海延伸最為明顯的時段, 此期間陸域面積增加15.67 km2, 占近40 a來該岸段陸域總增加面積的 80%, 新增土地多為農業用地, 主要分布在岳井洋北段兩岸; 另外, 為增加淡水資源, 滿足周邊區域灌溉用水需求, 1975年該縣對位于西南部的岳井洋支流-大塘港成功進行了堵港蓄淡, 建成大塘港水庫, 致使岸線發生較為顯著的改變, 如今該水庫已成為象山縣中南部地區的重要供水水源。

1987～2000 年、2000～2013年象山縣岸段陸域面積分別增加1.96、2.18 km2, 區域內大部分岸線無變化, 僅個別岸段因圍墾養殖而發生岸線向海推移。

3.2.2 寧海縣岸段

寧海縣岸段是三門灣沿岸40 a來變遷最為劇烈的地區。該岸段1973年、1987年、2000年及2013年海岸線長度分別為129.47, 99.73, 95.31, 94.33 km,岸線長度整體呈下降趨勢, 40 a來共減少35.14 km。

1973～1987 年, 引起岸線變遷的首要因素是農業圍墾, 此期間該岸段陸域面積增加 35.86 km2, 其中農業用地占 60.6%。其次為堵港蓄淡工程, 占地31.0%, 位于此岸段的最大的一座海塘型水庫-胡陳港水庫于1973年動工, 1979年竣工驗收, 功能集灌溉、排澇、防洪、御潮為一體。

1987～2000 年, 寧海縣大部分岸段岸線無變化,陸地向海推進明顯減緩, 新增土地4.13 km2, 多用做圍墾養殖, 主要分布于縣西部力洋港-青山港之間的部分岸段。

2000～2013 年, 寧海縣岸線長度雖然變化不大,但岸線位置卻大幅向海推進, 陸域面積增幅高達49.45 km2, 占40 a來寧海縣沿岸總增加面積的55.3%。大型圍墾工程是導致該期間陸域擴張的主要原因,浙江的土地資源較少, 無論是發展工業還是農業,圍墾灘涂都是一個較好的彌補土地的方式。作為浙江省灘涂資源最為豐富的區域之一, 2000年之后寧海縣共策劃圍墾三塊灘涂, 其中蛇蟠涂圍墾工程(圖7)作為寧波市新世紀重點工程于2003年9月正式動工, 目前已完成, 圍墾面積2.08萬畝; 下洋涂圍墾工程于 2007年開工建設, 現已實現全線封閉, 將于2015年正式完工, 圍墾面積5.4萬畝, 是浙江省最大的一次性圍墾工程(圖8)。另外, 雙盤三山涂圍墾項目也于2013年啟動, 計劃圍涂面積5.64萬畝。

圖7 寧海縣蛇蟠涂圍墾工程變遷示意圖Fig.7 Shepantu reclamation in Ninghai County

圖8 寧海縣下洋涂圍墾工程變遷示意圖Fig.8 Xiayangtu reclamation in Ninghai County

3.2.3 三門縣岸段

三門縣岸段1973年、1987年、2000年及2013年海岸線長度分別為150.96, 147.47, 142.91, 161.95 km,岸線長度呈現前期和中期下降、后期明顯增加趨勢,40 a來岸線長度整體增加了10.99 km。

1973～1987 年, 三門縣岸段岸線變遷較小, 陸域面積新增3.30 km2, 其中近50%為新圍填尚未利用地,余者多為農業用地, 主要分布于六敖鎮和健跳鎮的局部岸段, 另外, 位于健跳港上游的羅岙水庫于1979年完工建成, 也使得岸線較為明顯地向海推進。

1987～2000 年, 三門縣大部分岸段無變遷, 僅旗門港、健跳港等區域的少部分岸段因圍填養殖而發生明顯變遷。該時期, 三門縣陸域面積新增3.29 km2,幾乎全部為養殖用地。

2000～2013 年是三門縣岸段陸域擴張最為顯著的時段, 此期間岸線長度增長 19.04 km, 新增土地40.05 km2。位于縣東北部的晏站涂圍墾工程是導致該時期陸域面積猛增的主要因素, 此工程是三門縣迄今為止圍墾面積最大的省重點圍墾工程, 于 2003年底動工, 2009年7月竣工, 圍涂面積1.91萬畝, 規劃用于濱海新城建設, 是三門縣“開發三港, 建設三城”戰略的重要組成部分。晏站涂圍成后, 與東側花鼓漫島及周圍萬余畝養殖圍塘連成一體, 岸線大幅向海推進(圖9)。另外, “三港三城”戰略的實施, 帶動了海游港、健跳港沿岸港口、電力資源的開發, 隨著2009年三門核電一期、2012年牛山涂火電項目的開工建設, 相關岸段岸線外推。

圖9 三門縣晏站涂圍墾工程變遷示意圖Fig.9 Yanzhantu reclamation in Sanmen County

3.3 三門灣海岸開發方式特征

三門灣內多種資源共存, 宜于圍涂墾種、水產養殖、港口開發、電力建設及堵港蓄淡等, 因此, 三門灣的開發得到水利、水產、電力、農業、交通以及海洋等多種行業的關注。為進一步了解三門灣沿岸對土地的需求以及海岸開發方式的轉變特征, 基于衛星遙感影像目視解譯了新增土地利用類型。各時間段內因海岸開發而增加的不同土地利用類型面積如圖10所示。

圖10 各時期新增土地利用類型面積對比Fig.10 Comparison of new land use area in different periods

40 a來三門灣岸線變遷導致沿岸陸地面積新增155.89 km2。1973～1987年間新增土地 54.83 km2, 其中 34.41 km2為農用地, 占該時期增加土地面積的62.8%, 其次為堵港蓄淡水庫用地, 占 23.8%;1987～2000年期間新增土地9.38 km2, 其中95.5%用做為養殖池塘, 其余為農用地; 2000～2013年新增土地 91.68 km2, 近前、中期新增土地面積總和的 1.5倍, 其中農用地所占比例最大, 占該時期新增土地面積的 53%, 面積達 48.56 km2, 其次為養殖池塘29.72 km2, 再次為建設用地12.29 km2, 港口碼頭用地 1.11 km2。

3個時段相比, 可以看出三門灣海岸開發方式時間異質性顯著:

1) 圍涂墾植和堵港蓄淡是三門灣資源的傳統開發項目, 具有悠久的歷史, 自 1950年以來, 便成為糧棉等經濟作物和柑橘等水果的種植基地, 并開展了淡水養殖。因此在研究時段早期, 三門灣沿岸開發以圍墾造田、興修水利為主, 兼有小片圍墾養殖;

2) 20世紀80年代后期至20世紀末, 三門灣海岸開發幅度減小, 且方式較為單一, 以灘涂的養殖業發展為重, 在鞏固傳統貝藻類養殖的同時積極發展魚蝦類養殖, 不斷擴大養殖面積, 新增土地幾乎全部為養殖用地;

3) 進入21世紀以來, 三門灣海岸開發規模大幅增長, 圍墾造田和養殖依然是海岸開發的主要方式,但隨著近年來城市化進程的提速和經濟結構的調整,用于城鎮、電力、濱海產業等建設的圍填海規模迅速增加, 同時, 老港改造和碼頭擴建也加快了步伐,海岸開發方式呈現多樣化。

4 結論與討論

本文利用 1973～2013年間的遙感影像, 以人機交互方式完成了4期三門灣地區海岸線位置、長度、海岸帶新增土地利用類型等信息的提取, 基于提取結果按照縣級市分岸段進行了岸線時空變遷分析,探討了三門灣海岸開發方式。主要結論如下:

1) 1973～2013年, 三門灣大陸岸線總體因人工圍海造地和海岸開發而不斷向海推進, 40 a來岸線總長度減少40.18 km, 平均減少速度1.00 km/a, 沿岸陸域面積增加155.89 km2, 平均增速為3.90 km2/a。時間分布上, 2000～2013年向海擴張最為顯著, 陸域面積增幅達 91.68 km2; 空間上, 近 60%的新增土地分布于寧海縣。

2) 40 a來, 象山縣岸段岸線長度減少16.03 km,陸域面積增加19.81 km2, 農業圍墾和堵港工程使得該岸段 1973～1987年岸線變化最為明顯; 寧海縣岸段在三門灣沿岸三縣中岸線變遷最為劇烈, 岸線長度共減少 35.14 km, 陸域面積增加 89.44 km2,2000～2013年間變化最為顯著, 蛇蟠涂、下洋涂兩大圍墾工程的實施, 是導致該時期岸線大幅向海推進的首要因素; 三門縣岸段岸線長度整體增加10.99 km,陸域面積增加 46.64 km2, 晏站涂圍墾工程導致2000～2013年該縣岸線變遷最為明顯, 陸域擴張迅速。

3) 三門灣海岸開發方式時間異質性顯著。早期,三門灣沿岸開發以圍墾造田、堵港蓄淡為主; 20世紀80年代后期至20世紀末, 海岸開發幅度減小, 且方式較為單一, 以灘涂的養殖業發展為重; 進入 21世紀以來, 三門灣海岸開發規模大幅增長, 圍墾造田和養殖依然是海岸開發的主要方式, 同時, 城鎮、工業等建設用地規模迅增, 港口碼頭建設也加快了步伐, 海岸開發方式呈現多樣化。

受影像分辨率所限, 文中目視解譯結果存在一定的偏差, 但總體上, 監測分析結果能真實地反映三門灣地區岸線變化的規模、趨勢以及沿海開發現狀。隨著開發力度和密度的逐漸加大, 如何持續有效地利用海灣資源, 實現社會、經濟、生態的協調發展,將有待深入研究。

致謝: 本文所用Landsat影像由USGS網站(http: //www.usgs.gov)下載。

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