江蘇中部海岸潮溝形態(tài)對灘涂圍墾的響應(yīng)

時海東，沈永明*，康敏

(1.南京師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京 210023)

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江蘇中部海岸潮溝形態(tài)對灘涂圍墾的響應(yīng)

時海東1，沈永明1*，康敏1

(1.南京師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京 210023)

摘要：根據(jù)2001-2013年江蘇中部海岸的遙感影像和野外觀測數(shù)據(jù)，對灘涂圍墾影響下潮溝的形態(tài)演變過程進行分析。結(jié)果顯示，研究區(qū)潮溝在大規(guī)模灘涂圍墾影響下整體有明顯的退化和消亡趨勢，潮溝集水面積由2001年的293.94 km2逐漸降低到2013年的103.40 km2，潮溝長度隨著其集水面積的縮減呈冪函數(shù)減小(R2=0.98)，而潮溝寬度隨著潮溝長度和集水面積的變小呈指數(shù)方式變窄(R2分別為0.87、0.93)，總體上研究區(qū)每圍墾1 km2灘涂，潮溝長度和寬度分別減小約2.60 km和0.67 m，在整個灘涂圍墾過程中，落潮后期潮灘的主要排水方式逐漸由潮溝排水向灘面排水方式轉(zhuǎn)變。江蘇中部海岸潮溝形態(tài)在統(tǒng)計上具有多尺度分形結(jié)構(gòu)，總體上研究區(qū)分緯值從大到小依次為潮溝分維值、各潮溝系統(tǒng)分維值、單支潮溝分維值。研究區(qū)潮溝的分維值(無標(biāo)度區(qū)間25～210內(nèi))在灘涂圍墾影響下呈波動性降低，由2001年的1.26逐漸降低到2013年的1.13，各潮溝系統(tǒng)的分維值隨著其分汊個數(shù)減少呈線性降低(R2=0.89)，各單支潮溝的分維值隨著其蜿蜒性減小呈線性降低(R2=0.86)。根據(jù)潮溝的退化和消亡過程反推潮溝的起源和發(fā)育過程，本研究認為研究區(qū)最早出現(xiàn)的一類潮溝可能是陸源水流侵蝕型潮溝，而灘面水流沖刷型和潮流輻聚侵蝕型潮溝是隨著潮灘淤積變寬過程逐漸發(fā)育的，其最初的發(fā)育形態(tài)可能是潮灘下部的沖刷凹地。

關(guān)鍵詞：潮溝；灘涂圍墾；地貌演變；江蘇中部海岸

1引言

作為潮灘上典型的沉積地貌單元，潮溝伴隨潮灘的形成而出現(xiàn)，在潮灘沉積和水流作用下逐漸發(fā)育成熟[1—2]。潮溝雖然在世界各地河口三角洲、平原海岸、海灣、潟湖以及沙洲淺灘上廣泛發(fā)育，但多數(shù)已處于均衡或準(zhǔn)均衡狀態(tài)[3—5]，獲得其早期發(fā)育過程和后期消亡過程的實測數(shù)據(jù)較困難[6—7]。較多學(xué)者根據(jù)衛(wèi)片、航片和野外觀測數(shù)據(jù)對潮溝形態(tài)進行描述[8—9]，分析潮溝發(fā)育中期的形態(tài)演變過程[10—11]，對影響潮溝發(fā)育的環(huán)境因子(如潮灘地形、沉積物粒徑、水動力、鹽沼植被、底棲動物、風(fēng)暴潮、海平面變化等[12—18])進行探討，或根據(jù)概念模型[19—21]、數(shù)學(xué)模型[22—24]、實驗室模擬數(shù)據(jù)[25—27]對潮溝起源和早期發(fā)育過程進行研究，關(guān)于潮溝退化或消亡過程的報道相對較少。近年來，隨著各地灘涂圍墾活動的快速進行，潮灘上潮溝形態(tài)發(fā)生較大變化，尤其在沖淤較強的海岸地區(qū)，其整體上呈現(xiàn)退化和消亡趨勢，并在局部產(chǎn)生新的潮溝系統(tǒng)[28—32]，這為研究潮溝早期發(fā)育過程或后期消亡過程提供了新信息源。陳才俊[28]、黃海軍和樊輝[29]、Hood[30]、Symonds和Collins[31]、吳德力等[32]分析了灘涂圍墾前后潮溝的形態(tài)變化和發(fā)育特征，而大規(guī)模圍墾期間潮溝的形態(tài)演變過程有待進一步研究。

江蘇中部海岸是我國典型的淤長型粉砂淤泥質(zhì)中、強潮平原海岸，寬闊的潮灘上潮溝系統(tǒng)廣泛發(fā)育，是研究我國海岸潮溝地貌特征的重要區(qū)域之一[13]，近年來隨著該區(qū)灘涂圍墾活動的持續(xù)進行，潮溝形態(tài)呈現(xiàn)出一定的退化和消亡趨勢。本文選擇江蘇中部從斗龍港至梁垛河口之間面積約為470 km2的潮灘為研究區(qū)，擬通過統(tǒng)計2000年以來各圍墾階段潮溝的長度、寬度、密度、集水面積、分形維數(shù)等參數(shù)信息，定量描述該區(qū)潮溝的退化和消亡過程，分析灘涂圍墾活動對潮溝形態(tài)變化的影響，并根據(jù)新形成的潮溝系統(tǒng)和野外觀測數(shù)據(jù)，對潮溝發(fā)育和形態(tài)演變過程進行探討。

2數(shù)據(jù)與方法

2.1數(shù)據(jù)來源與處理

本文所用數(shù)據(jù)主要來源于美國國家航空航天局NASA的陸地衛(wèi)星Landsat TM/ETM+遙感影像，行列號為119/37，影像的空間和時間分辨率分別為30 m×30 m和16 d，成像時間見表1。并分別于2012年12月和2013年4月對江蘇大豐、如東的潮灘潮溝地貌在匡圍前后的形態(tài)變化特征進行觀測，以輔助影像的解譯和分析。所用影像統(tǒng)一采用橫軸墨卡托51°N帶投影(UTM 51N)，WGS84基準(zhǔn)面，使用ENVI 4.7軟件對影像進行幾何精校正(精度控制在一個像元以內(nèi))。由于研究區(qū)潮溝線狀地物特征明顯，選用TM/ETM+5、TM/ETM+4和TM/ETM+3波段進行RGB標(biāo)準(zhǔn)假彩色合成，結(jié)合野外觀測在ArcGIS 9.3中進行常規(guī)的目視解譯[33]，對提取要素(圍墾區(qū)、潮溝、潮灘等)進行矢量化，統(tǒng)計不同時期各矢量要素的變化特征。

表1　主要遙感影像的成像時間

2.2研究方法

在描述潮溝平面形態(tài)的眾多參數(shù)中，潮溝長度、寬度、集水面積、潮溝密度和分形維數(shù)等對灘涂圍墾的響應(yīng)較大，本文主要對這些參數(shù)在圍墾期間的變化特征進行了統(tǒng)計。其中，潮溝長度由潮溝中軸線法[34]進行描述和統(tǒng)計；考慮到潮位變化對潮溝口寬度的較大影響，潮溝寬度根據(jù)潮溝口最低部(喇叭口以上)位置潮溝主干的寬度進行計算；潮溝集水區(qū)域[35—36]基于研究區(qū)潮溝系統(tǒng)的分汊性和匯水特征來描述(分汊性：每個潮溝系統(tǒng)由一條主潮溝和一系列不同級別的支潮溝組成，主支潮溝相互連通呈樹枝狀分布；匯水特征：落潮后期灘面薄層水流向附近的潮溝，細潮溝里的水流向支潮溝，繼而匯入主潮溝)，如圖1所示，將潮溝口、各支潮溝的尾梢頂點及堤壩連線所圍區(qū)域表示為潮溝系統(tǒng)的集水區(qū)域，集水區(qū)域的邊界在向海一側(cè)緊鄰潮溝，向岸一側(cè)到達圍墾堤壩前沿，左右兩側(cè)則以支潮溝尾梢頂點的連線為準(zhǔn)，集水區(qū)域的面積即為潮溝的集水面積；潮溝密度[37]是描述潮溝發(fā)育密集程度的參數(shù)，本文分別用潮溝長度與其集水面積之比(潮溝密度Ⅰ)和潮溝長度與潮灘面積之比(潮溝密度Ⅱ)來定義；潮溝分維值[38—41]是度量潮溝形態(tài)復(fù)雜性的參數(shù)，用數(shù)盒子方法進行統(tǒng)計。

圖1　2002年研究區(qū)的潮溝系統(tǒng)及其集水區(qū)域Fig.1　Tidal creek systems and their catchments of the study area in 2002

3結(jié)果分析

3.1潮溝長度對灘涂圍墾的響應(yīng)

如圖2所示，隨著灘涂圍墾面積的增加，研究區(qū)潮溝長度呈減小趨勢，總體上平均每圍墾1 km2灘涂，潮溝長度減小約2.60 km。根據(jù)潮溝長度在圍墾期間的減小速率將灘涂圍墾過程大致分為3個時期：高潮帶圍墾時期(2001—2005年)，中潮帶中上部圍墾時期(2005—2008年)和中潮帶下部至低潮帶圍墾時期(2008—2013年)。3個時期平均每圍墾1 km2灘涂，潮溝長度分別減小約1.18、5.25和1.71 km，其減小速率可能與潮溝密度的分布特征有關(guān)。圖3為3個時期研究區(qū)潮溝的分布及變化情況。

① y=-1.18x+847.69，R2=0.799 6;② y=-5.25x+1 379.10，R2=0.944 3;③ y=-1.71x+737.81，R2=0.882 8;④ y=-2.60x+952.24，R2=0.949 9圖2　潮溝形態(tài)對灘涂圍墾的響應(yīng)Fig.2　The respond of tidal creeks’ pattern to the reclamation

根據(jù)圖2和圖3可知，灘涂圍墾活動對潮溝長度變化產(chǎn)生了較大影響。其具體影響方式包括兩個方面(圖4)，一是受灘涂圍墾活動直接影響，圍墾匡圍的潮溝長度不斷增大，研究區(qū)平均每圍墾1 km2灘涂，圍墾匡圍消失的潮溝長度增加約3.32 km；二是受灘涂圍墾活動間接影響，堤壩外新生了部分潮溝，使研究區(qū)堤壩外的潮溝長度有所增大，但每年新增的潮溝長度隨著圍墾進程逐漸變小。

3.2潮溝寬度對灘涂圍墾的響應(yīng)

如圖5所示，隨著灘涂圍墾面積的增加，研究區(qū)無徑流潮溝寬度呈減小趨勢，含徑流潮溝寬度先是減小，后期有所增大，總體上平均每圍墾1 km2灘涂，低潮帶每條潮溝的寬度平均減小約0.67 m。含徑流潮溝寬度在中潮帶下部至低潮帶圍墾時期有增大的趨勢，這可能與灘涂圍墾使河流作用逐漸代替潮汐作用控制了含徑流潮溝寬度有關(guān)。

根據(jù)圖5可知，灘涂圍墾活動對潮溝寬度變化產(chǎn)生了較大影響。根據(jù)研究區(qū)潮溝寬度與潮溝長度和集水面積之間存在的線性關(guān)系(圖6)，可將其影響過程表述如下：灘涂圍墾使潮溝長度和集水面積不斷縮小，落潮后期潮溝所接受的水量隨之減少，水動力減弱，潮溝寬度變窄。

3.3潮溝密度對灘涂圍墾的響應(yīng)

如圖7所示，隨著灘涂圍墾面積的增加，研究區(qū)潮溝密度總體上呈先增加后減小趨勢，這種變化趨勢可能與研究區(qū)潮溝密度分布分帶性特征有關(guān)。圍墾初期高潮帶、中潮帶和低潮帶潮溝密度分別為0.88、1.87和1.07 km/km2，即高潮帶潮溝密度較小，高潮帶圍墾使堤壩外潮溝密度呈增大趨勢；中潮帶潮溝密度較大，中潮帶圍墾使堤壩外潮溝密度呈減小趨勢；低潮帶多為潮溝主干，低潮帶圍墾使潮溝密度Ⅰ(單位集水區(qū)內(nèi)潮溝長度)有所增大，使潮溝密度Ⅱ(單位潮灘上潮溝長度)繼續(xù)減小，其中的差異可能與低潮帶圍墾較大程度地減小了潮溝集水面積有關(guān)。

如圖8所示，研究潮溝長度∑L與潮灘面積或集水面積A之間存在著冪函數(shù)關(guān)系，∑L=aAb。在潮溝長度與集水面積的關(guān)系中，參數(shù)b的變化范圍在1±0.03內(nèi)，這與Marani等[37]及吳曉東和高抒[15]研究結(jié)果較一致，在一定程度上說明本文統(tǒng)計潮溝集水面積所用的方法具有一定的可靠性。根據(jù)圖1可知，研究區(qū)潮溝的集水區(qū)域多集中在潮灘中上部，在高潮帶和中潮帶平均每圍墾1 km2灘涂，潮溝集水面積減少約0.96 km2，即在潮灘上部約96%的灘面薄層水由潮溝系統(tǒng)排入外海。若用潮溝集水面積與潮灘總面積之比來評估潮溝排水作用的大小，那么在高潮帶向中低潮帶圍墾過程中潮溝排水作用大小由最初的70%逐漸降低到40%左右，這在一定程度上說明大規(guī)模灘涂圍墾使潮溝排水作用逐漸減弱，落潮后期潮灘的主要排水方式由潮溝排水逐漸向灘面排水方式轉(zhuǎn)變，從側(cè)面反映了研究區(qū)潮溝系統(tǒng)的退化和消亡趨勢。

圖3　研究區(qū)潮溝的分布及變化情況Fig.3　The distribution and variation of tidal creek in the study area

① y=3.32x-111.08，R2=0.998 3；② y=89.04ln(x)-253.80，R2=0.732 4圖4　潮溝長度與圍墾面積之間的關(guān)系Fig.4　The relationship between the tidal creeks’ length and reclamation area

① y=-21.588x+348 2.3，R2=0.979 1；② y=-6.225 1x+2 043.8，R2=0.979 2；③ y=5.869 2x-250.3，R2=0.861 0；④ y=0.076 3x2-28.42x+3 582.3，R2=0.972 7；⑤ y=-7.754 4x+1 558.2，R2=0.985 0；⑥ y=-8.406 9x+2 048.8，R2=0.959 8；⑦ y=-4.139 7x+1 310.4，R2=0.796 0；⑧ y=-4.286x+1 356.8，R2=0.913 2圖5　潮溝寬度對灘涂圍墾的響應(yīng)Fig.5　The respond of tidal creeks’ width to the reclamation

圖6　潮溝寬度與上游潮溝長度和集水面積之間的關(guān)系Fig.6　The relationship between the tidal creeks’ width and the upstream tidal creeks’ length or watershed area

圖7　潮溝密度對灘涂圍墾的響應(yīng)Fig.7　The respond of tidal creeks’ density to the reclamation

圖8　潮溝長度與潮灘面積和集水面積之間的關(guān)系Fig.8　The relationship between the tidal creeks’ length and the area of the tidal flat or the watershed area of tidal creek

3.4潮溝分維值對灘涂圍墾的響應(yīng)

如圖9所示，隨著灘涂圍墾面積的增加，研究區(qū)潮溝分維值在一條直線和一條拋物線相交區(qū)域內(nèi)呈波動性下降，總體上平均每圍墾1 km2灘涂，潮溝分維值減小約0.006維。潮溝分維值的快速降低反映了研究區(qū)潮溝系統(tǒng)的退化和消亡趨勢[40]，而潮溝分形維數(shù)在降低過程中所表現(xiàn)的波動性變化可能與潮溝密度分布和灘涂圍墾有關(guān)。

① y=-0.006x+1.295 5，R2=0.962 8；② y=-5×10-6x2+0.01x+1.232 9，R2=0.979 9圖9　研究區(qū)潮溝分維值對灘涂圍墾的響應(yīng)Fig.9　The respond of tidal creeks’ fractal dimension value to the reclamation in the study area

在計算潮溝分維值時，用正方形盒子將研究區(qū)潮溝覆蓋起來，發(fā)現(xiàn)所得非空盒子數(shù)N(r)與盒子邊長r之間存在一定的標(biāo)度關(guān)系N(r)～r-D，其中1.129 6

圖10　潮溝分維值與潮溝分汊性和蜿蜒性之間的關(guān)系Fig.10　The relationship between the tidal creeks’ fractal dimension value and the tidal creeks’ bifurcation or meandering

4討論

4.1灘涂圍墾對潮溝形態(tài)的影響

潮溝各形態(tài)參數(shù)之間是一個相互關(guān)聯(lián)的體系，在該體系中，任何一個參數(shù)的改變對其他參數(shù)都會產(chǎn)生一定影響，其影響程度一般由各形態(tài)參數(shù)之間的相關(guān)性所決定，而其影響過程往往是由潮灘水流對沉積物的搬運和堆積來完成的。潮溝長度、寬度和集水面積之間的相關(guān)性較大(R2分別為0.98和0.93)，灘涂圍墾切斷了部分潮溝長度，侵占了其集水面積，使落潮后期潮溝的納潮水量隨之減小，低潮帶水動力強度減弱，潮溝淤積作用增強，寬度變窄。潮溝系統(tǒng)的分維值與潮溝分汊性和潮溝密度的相關(guān)性較大(R2=0.89)，灘涂圍墾切斷了部分支潮溝，使潮溝交匯點個數(shù)隨之減少，分維值總體呈現(xiàn)降低趨勢，灘涂圍墾過程也改變了堤壩外潮灘水動力環(huán)境，使局部潮灘區(qū)新生了部分潮溝，新生潮溝可能是引起研究區(qū)潮溝分維值呈波動性降低的原因，而研究區(qū)潮溝密度和分汊性的潮灘分帶性差異，即中潮帶潮溝的密度和分汊率明顯大于高潮帶和低潮帶，可能是導(dǎo)致圍墾中期潮溝分維值波動幅度變大的原因。

4.2潮溝的起源和發(fā)育過程

江蘇中部海岸潮溝系統(tǒng)根據(jù)成因分為灘面水流沖刷型、陸源水流侵蝕繼承型和潮流輻聚侵蝕型潮溝[12]。若根據(jù)潮溝退化和消亡過程反推該區(qū)潮溝的起源和發(fā)育過程，陸源水流侵蝕繼承型潮溝可能是研究區(qū)最早出現(xiàn)的一類潮溝，它們是從入海河口(如斗龍港、王港河、川東港和東臺河等)隨著海岸淤積過程逐漸過渡延伸而來，并在后期大規(guī)模灘涂圍墾影響下又逐漸向入海河口退化，是研究區(qū)最先出現(xiàn)和最后消失的一類潮溝。灘面水流沖刷型和潮流輻聚侵蝕型潮溝則是在潮灘淤長過程中逐漸發(fā)育的，其早期發(fā)育過程可描述如下(圖11)：隨著海岸的淤積過程潮灘寬度不斷增大，落潮后期灘面水流對低潮灘的沖刷強度逐漸增強，當(dāng)潮灘寬度增大到一定程度后，低潮灘下部開始出現(xiàn)較多的沖刷凹地，一些凹地在潮灘淤長過程中因匯水性較差而淤積消失，一些匯水性較好的凹地則不斷向岸延展伸長，并在潮灘微地貌的影響下出現(xiàn)分汊型沖溝，各沖溝支汊不斷溯源侵蝕發(fā)育成灘面水流沖刷型或潮流輻聚侵蝕型潮溝系統(tǒng)。影像分析發(fā)現(xiàn)隨著灘涂圍墾面積的不斷增加研究區(qū)堤壩外潮灘寬度快速變小，當(dāng)潮灘平均寬度減小到3～5 km時，低潮帶下部開始出現(xiàn)較多新發(fā)育的沖溝(圖3，2005年)，這些沖溝隨著堤壩外潮灘寬度繼續(xù)減小而逐漸消失，即研究區(qū)海岸潮灘寬度淤長到3～5 km的階段可能是灘面水流沖刷型或潮流輻聚侵蝕型潮溝開始快速發(fā)育的時期。

5結(jié)論

(1)根據(jù)潮溝的分汊性和匯水特征，將研究區(qū)潮溝口、各支潮溝尾梢頂點及堤壩連線所圍區(qū)域表示為潮溝系統(tǒng)的集水區(qū)域，使用這種方法所計算的研究區(qū)潮溝集水面積與潮溝長度和潮溝寬度之間存在較好的相關(guān)性(R2分別為0.98和0.93)。

(2)潮溝各形態(tài)參數(shù)之間是一個相互關(guān)聯(lián)的體系。潮溝長度隨著其集水面積的縮減呈冪函數(shù)減小(R2=0.98)，潮溝寬度隨著潮溝長度和集水面積的變小呈指數(shù)方式變窄(R2分別為 0.87和0.93)；潮溝系統(tǒng)分維值隨著其分汊個數(shù)減少而線性降低(R2=0.89)，單支潮溝分維值隨著其蜿蜒性減小而線性降低(R2=0.86)。

(3)研究區(qū)潮溝形態(tài)在大規(guī)模灘涂圍墾影響下呈現(xiàn)明顯的退化和消亡趨勢。總體上每圍墾1 km2灘涂，潮溝長度、寬度和分維值分別減小約2.60 km、0.67 m和0.006維；用潮溝集水面積與潮灘面積之比來評估潮溝排水作用的大小，得出落潮后期潮灘主要排水方式由潮溝排水逐漸向灘面排水方式轉(zhuǎn)變。

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收稿日期：2015-03-23；

修訂日期：2015-05-26。

基金項目：氣候變化重大基礎(chǔ)研究項目(2013CB956503);國家自然科學(xué)基金項目(40973053)。

作者簡介：時海東(1990—), 男, 江蘇省東臺市人, 主要研究方向為海岸地貌學(xué)。E-mail:15189832427@163.com *通信作者：沈永明, 教授。E-mail:yongmsh@163.com

中圖分類號:P748

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：0253-4193(2016)01-0106-10

Rapid response of tidal creek network patterns to the reclamation on the central Jiangsu coast

Shi Haidong1，Shen Yongming1，Kang Min1

(1.CollegeofGeographicScience，NanjingNormalUniversity，Nanjing210023，China)

Abstract:Tidal creek system，one of the most particular geomorphology units in muddy flat，is widely developed on central Jiangsu coast. This paper focuses on their evolutionary process in response to reclamation activities using TM/ETM+data of 2001-2013 and field investigation. The watershed area of tidal creeks decreased from 293.94 km2 in 2001 to 103.40 km2 in 2013 following sequential reclamation，which caused the decreasing of tidal creeks’ length with power function and tidal creeks’ width with exponential function. The average change rate of tidal creeks’ length and width was 2.60 km and 0.67 m with 1 km2 reclamation. The drainage pattern of tidal flat was changed from tidal creeks to beach，which implied that the tidal creeks systems in study area have a retrograde and demise tendency. The fractal dimension value D of each single tidal creeks and tidal creek systems were calculated from box-counting method. Results of calculation and analysis indicated that the fractal dimension value D in the region is greater than that of each tidal creek systems，followed by each single tidal creek. The fractal dimension value D in the region is positively correlated with the bifurcation ratio of tidal creek systems，and decreased from 1.26 in 2001 to 1.13 in 2013 with influences of reclamation. The fractal dimension value D of single tidal creek is positively correlated with the meandering of tidal creek. According to the retrograde and demise process of tidal creeks studied the results suggested that the tidal creek inheriting the runoff from land was the earliest tidal creeks，followed by the tidal creek scoured by the currents on tidal flat and tidal creek scoured by the converged tidal currents，whose primary form could be eroded indentation.

Key words:tidal creeks; reclamation; morphologic evolution; Jiangsu coast

時海東，沈永明，康敏. 江蘇中部海岸潮溝形態(tài)對灘涂圍墾的響應(yīng)[J]. 海洋學(xué)報，2016，38(1): 106-115，doi：10.3969/j.issn.0253-4193.2016.01.010

Shi Haidong，Shen Yongming，Kang Min. Rapid response of tidal creek network patterns to the reclamation on the central Jiangsu coast[J]. Haiyang Xuebao，2016，38(1):106-115，doi：10.3969/j.issn.0253-4193.2016.01.010