基于Landsat遙感影像的黃河三角洲東營段海岸線變化分析

牛明香，王 俊

(1.中國水產(chǎn)科學研究院黃海水產(chǎn)研究所,山東 青島 266071； 2.青島海洋科學與技術試點國家實驗室海洋生態(tài)與環(huán)境科學功能實驗室，山東 青島 266237； 3.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部海洋漁業(yè)可持續(xù)發(fā)展重點實驗室，山東 青島 266071)

黃河三角洲是中國乃至世界各大河三角洲中海陸變遷最活躍的地區(qū)，在自然變化和人工干預下，黃河尾閭頻繁變遷、不斷向海延伸，自1855年以來，黃河大的改道已有10次，小的改道70多次。1976年，黃河改道清水溝流路，泥沙集中淤積，河口迅速向海延伸；1996年，黃河改道清八汊河流路，淤積形成新的沙嘴；2009年，黃河再次改道，現(xiàn)行水流路尾閭河道為東略偏北走向。在淤進造陸的同時，三角洲也受到海洋動力的侵蝕，在兩者的雙重作用下，海岸線淤進蝕退交替演變迅速，三角洲面積也逐年發(fā)生變化[1-3]。了解和掌握海岸線的動態(tài)變化特征，對于海岸帶資源使用、管理、保護和規(guī)劃具有重要意義。

黃河入海水沙是河口演變的前提。受氣候變化和人類活動的影響，黃河水沙特征不斷變化，自20世紀70年代開始下游河段出現(xiàn)斷流，入海水沙大幅度減少。1997年10月底，小浪底水利樞紐工程截流成功，黃河入海水沙環(huán)境再次改變。自1999年實施的水資源統(tǒng)一管理和調度以及2002年開始的調水調沙有效遏制了黃河斷流，黃河口水沙環(huán)境在人為作用下發(fā)生明顯改變[4]。這些水沙條件的變化必然導致河口演變的響應，改變黃河三角洲濕地的演替特征。

在氣候變化和人為干擾背景下，海岸線變遷一直是研究的熱點[5-7]。有關黃河口海岸線變遷的研究主要集中在海岸線變遷對景觀格局的影響[3,8]、海岸線變遷[9-11]及其與調水調沙的關系[12-15]等方面，著重對入?？诨螯S河三角洲不同時間、不同范圍的海岸線變遷進行了分析。本文基于1986—2015的Landsat遙感影像數(shù)據(jù)，運用GIS技術，分析了黃河三角洲東營段面積在黃河入海水沙豐富、黃河斷流、調水調沙3個典型時期的淤蝕變化及其海岸線變遷的時空異質性，可為新水沙條件下區(qū)域的海岸線管理和灘涂利用提供參考。

1 材料與方法

研究區(qū)位于山東省東營市，包含河口區(qū)、墾利區(qū)和東營區(qū)的行政區(qū)劃范圍，北臨渤海灣，東接萊州灣，其沿海岸線如圖1所示。根據(jù)海岸線特征及水沙條件，將研究區(qū)分為刁口段、東營港及鄰近岸段、入?？诙魏腿R州灣岸段4部分。

1.1 數(shù)據(jù)獲取及預處理

采用Landsat遙感影像數(shù)據(jù)監(jiān)測海岸線變遷，綜合考慮數(shù)據(jù)質量、成像時間等，收集了1986—2015年的TM、ETM和OLI數(shù)據(jù)共12幅(表1)，空間分辨率為 30 m。為保證研究時相的一致性，除1986年外，均為9、10月的數(shù)據(jù)。利用ENVI軟件，對影像數(shù)據(jù)進行幾何精校正、增強處理、噪音消除以及研究區(qū)域提取等預處理，所有影像投影到高斯-克呂格6°分帶的北京1954坐標系。

圖1 研究區(qū)示意圖

表1 用于海岸線監(jiān)測的遙感影像數(shù)據(jù)

水沙數(shù)據(jù)來源于黃河利津水文觀測站，為1982—2015年的年輸沙量和年徑流量。黃河利津水文觀測站位于黃河的最下游，其輸沙量和徑流量觀測值代表了黃河入海的輸沙量和徑流量。

1.2 研究方法

由于近紅外波段的水體反射率明顯單一并低于其他地物，采用閾值法即可進行水陸邊界的劃分。但由此直接獲取的水陸邊界線是衛(wèi)星成像時的瞬時水邊線，水陸邊界線的位置受潮汐、地形等因素的影響變化較大，瞬時水邊線法不能真實反映海岸線的變化。因此，進行不同年份的海岸線遙感監(jiān)測，需要有一個統(tǒng)一的標準。關于海岸線的提取，國內外學者結合研究區(qū)實際情況給出了相應的提取原則和方法[16-20]，但在缺乏潮位和地形資料的前提下，平均高潮線法[21-22]是海岸線監(jiān)測切實可行的方法，能夠滿足宏觀分析所需的精度[23]，因此本文采用平均高潮線法進行海岸線信息提取。

平均高潮線一般介于高潮灘和中潮灘之間，由于潮灘物質成分的差異及暴露水上時間不同而導致含水量不同，其光譜特征差異明顯，TM 751、OLI 751波段組合均能清楚地區(qū)分海岸信息。利用ENVI軟件，首先進行非監(jiān)督分類完成水陸分離，再利用交互式后處理操作對海岸線提取結果進行逐景影像優(yōu)化處理，即可獲得時間序列的研究區(qū)海岸線信息。交互式后處理操作主要通過人工判讀完成對河口以及近岸渾濁水域的解譯，河口處需要保留大型河口港灣特征和小河齊陸地基線。最后將分類后的圖像轉換為shp文件，通過ArcGIS空間分析，獲得各時期海岸線的時空變化。

根據(jù)預先劃定的4個分區(qū)(圖1)，在ArcGIS中人為建立各分區(qū)邊界，并用建立的邊界文件進行區(qū)域分割，獲得各分區(qū)面積；對各分區(qū)不同年份的面積變化進行分析，獲得各分區(qū)的淤積面積、蝕退面積。

利用相關關系圖分析入海口段面積變化與黃河入海水沙量的關系。

2 結果與分析

2.1 研究區(qū)面積變化

黃河泥沙淤積在海岸帶造陸，而海水的侵蝕則不停地蝕退陸地，泥沙淤積和海水侵蝕并存，使得研究區(qū)面積不斷發(fā)生變化。如表2所示，1986—2015年淤積和蝕退交替進行，研究區(qū)總體上處于輕微蝕退狀態(tài)。研究區(qū)面積變化規(guī)律大致如下：1986—1997年處于連續(xù)蝕退階段，蝕退面積達 180 km2，平均蝕退速率為16.36 km2/a；1997—2006年先淤積，之后保持相對穩(wěn)定，淤積和蝕退交替進行，2006年較1997年面積增加了約176 km2；2006—2015年面積總體不斷縮小，2015年略有回升，但較2006年面積減少約60 km2。以研究時段內前一年的數(shù)據(jù)為基礎，利用兩個年份間的面積變化分析研究區(qū)面積的淤蝕動態(tài)。不同時段，研究區(qū)淤積和蝕退發(fā)生情況不同，2011—2013年蝕退最為嚴重，平均蝕退速率達45.13 km2/a，其次為1991—1997年；1997—1999年淤積最多，平均淤積速率為91.09 km2/a。

表2 1986—2015年研究區(qū)及各分區(qū)面積變化

2.2 海岸線時空演變

根據(jù)ArcGIS空間分析結果和分割區(qū)域面積統(tǒng)計，得到各分區(qū)海岸線時空分布及面積變化。

a. 刁口段。1986—1997年，刁口段海岸線大幅度向內陸蝕退，蝕退面積達138 km2，且1991—1997年退化速度最快，為123 km2，平均退化速率達 20.5 km2/a(圖2(a)，表2)。1999—2006年，總體為輕微蝕退狀態(tài)，蝕退面積僅為48 km2，其中2001—2004年為淤積階段(圖2(b)，表2)。2008—2015年，海岸線處于淤進狀態(tài)，淤積面積僅為 24 km2；其中，2008—2011年和2013—2015年的海岸線幾乎沒有變化，僅2011—2013年海岸線有淤進(圖2(c)，表2)。圖2(d)為1986—2015年刁口段海岸線變化，清楚地表明了海岸線先蝕退后淤進、蝕退大于淤進的變化趨勢。

(a) 1986—1997年

(b) 1999—2006年

(c) 2008—2015年

(d) 1986—2015年

b. 東營港及鄰近岸段。圖3和表2清楚地反映了東營港及鄰近岸段海岸線時空變化及區(qū)域面積變化情況。1986—1997年，港口及鄰近岸段海岸線并不穩(wěn)定，尤其是港口左側、港口和油田之間的區(qū)域各年變化不一，但區(qū)域面積基本穩(wěn)定。1999—2006年，由于人工堤岸的修建，港口段和油田段海岸線穩(wěn)定，其他岸段略有變化；總體來講，海岸線向陸地蝕退14 km2。2008—2015年，港口段右側海岸線沖淤變化較大，其他岸段基本無變化，總體趨勢為向外淤進，淤積面積達15 km2。從1986—2015年整體變化來看，除1986年外，其他3個時段港口段和油田段海岸線穩(wěn)定，僅港口段兩側區(qū)域出現(xiàn)淤蝕變化，1986—2015年該區(qū)域總體面積基本穩(wěn)定。

(a) 1986—1997年

(b) 1999—2006年

(c) 2008—2015年

(d) 1986—2015年

c. 入?？诙?。不同年份，沙嘴附近海岸線變化特征不同(圖4)。1986—1997年，南部(清水溝流路)沙嘴明顯向東淤積擴張；1996年，黃河人工向北改道清八汊河流路，1997年北部沙嘴開始形成。區(qū)域呈現(xiàn)先淤積后蝕退的趨勢，1986—1989年，淤積面積達34 km2，平均淤積速率為11.3 km2/a，之后蝕退大于淤積，區(qū)域總面積變小。口門南側區(qū)域蝕退嚴重，因此，盡管沙嘴逐年向海延伸，但從1986—1997年凈淤積面積僅為9 km2(圖4(a)，表2)。1999—2006年，黃河改道后，清水溝流路的海水侵蝕大于淤積，南部沙嘴逐漸退縮，行水河道的北部沙嘴快速向海淤積擴張，由于淤積侵蝕程度不同，沙嘴的方向略有變化；其間，沙嘴呈現(xiàn)逐年淤積的趨勢，1999—2006年平均淤積速率達7.9 km2/a(圖4(b)，表2)。2008—2015年，南部沙嘴進一步退縮，北部沙嘴繼續(xù)淤積擴張，但淤積速率明顯變慢，自2011年開始，北部沙嘴方向明顯改變，整體方向由東向改為北向；區(qū)域呈現(xiàn)先蝕退后淤積的特征，但淤積遠遠弱于蝕退，整個區(qū)域面積減少60 km2(圖4(c)，表2)。圖4(d)表明了1986—2015年黃河入?？诤０毒€的整體變化情況，南部沙嘴先淤積擴張再退縮，北部沙嘴1997年開始形成，之后不斷淤積擴張，但淤積速率逐漸變慢，且北部沙嘴的方向逐漸向北偏移。1986年以來，入海口段呈現(xiàn)先淤積后蝕退的態(tài)勢，以2006年區(qū)域面積最大，之后退縮，總體上淤積大于蝕退，入?？诙斡俜e面積達58 km2(圖4(d)，表2)。

(a) 1986—1997年

(b) 1999—2006年

(c) 2008—2015年

(d) 1986—2015年

d. 萊州灣岸段。萊州灣岸段海岸線年間淤進與蝕退交替進行(圖5)，總體上為蝕退狀態(tài)，蝕退面積達44 km2(表2)。1986—1997年，海岸線逐年蝕退，平均蝕退速率達4 km2/a，蝕退幅度最大；1999—2006年，海岸線相對穩(wěn)定，年間淤蝕面積略有變化；2008—2015年，海岸線呈現(xiàn)先淤進后蝕退的趨勢，總體蝕退面積為25 km2(表2)。

(a) 1986—1997年

(b) 1999—2006年

(c) 2008—2015年

(d) 1986—2015年

2.3 水沙條件對海岸線的影響

研究區(qū)內入海口段的面積變化與黃河入海水沙關系最為密切，且存在滯后效應，因此進行入海口段面積變化與水沙關系分析時，年徑流量和輸沙量的分析從1982年開始，以便更好地理解黃海入海水沙的累積影響。由圖6(a)可知，利津站水沙年間波動劇烈，最大年徑流量為491億m3(1983年)，而最小年徑流量僅為19億m3(1997年)；最大年輸沙量為10.2億m3(1983年)，最小年輸沙量為0.16億m3(1997年)。水沙變化趨勢基本一致，總體均呈先減少后增加和豐枯交替的特征。1986—1997年，徑流量和輸沙量均為逐漸減少趨勢，1997年兩者均處在最低值，在徑流量和輸沙量不斷減少的情況下，入?？诙蚊娣e有所減小。1997—2006年，年徑流量處于增加趨勢，輸沙量也是先增加后減少，其間入海口段面積不斷增大，總體上淤積大于蝕退。2006年之后，水沙輸入量年間交替變化，差異并不顯著，入海口段面積也呈淤蝕交替的趨勢。

為進一步明晰水沙變化與入海口段面積變化的關系，將不同年份的入海口段面積、徑流量和輸沙量分別與前一年份的數(shù)據(jù)進行對比，獲得各年份的增加和減少情況如圖6(b)所示。1989—2001年，黃河入?？诙蚊娣e變化和徑流量、輸沙量的增減趨勢一致；自2004年開始，入海口段面積的增減和徑流量、輸沙量的變化關系不明顯。

(a) 徑流量、輸沙量和入?？诙蚊娣e

(b) 徑流量、輸沙量和入海口段面積變化

3 討 論

3.1 研究區(qū)面積變化

黃河泥沙淤積在海岸帶造陸，海洋動力作用又不斷侵蝕，黃河三角洲面積在河流泥沙淤積和海洋動力侵蝕的雙重作用下不斷發(fā)生變化。研究表明：20世紀90年代以前黃河三角洲面積增加大于減少，而之后則減少大于增加[24]，近年來海岸線的長度雖然發(fā)生了很大的變化，但總體面積并沒有顯著增長[3,25]；且1986—1995年淤積面積小于蝕退面積，三角洲處于蝕退狀態(tài)，1996—2013年黃河三角洲總體呈現(xiàn)向海延伸的變化，陸地面積略微增加[10]。本研究亦得到類似的結果，1986—2015年研究區(qū)面積縮小，整體處于輕微蝕退狀態(tài)；但整個研究時段內面積變化規(guī)律大致如下：1986—1997年急劇蝕退，1997—2006年淤積后相對穩(wěn)定，2006—2015年輕微蝕退。研究區(qū)的面積變化尤其是入海口段的面積變化與黃河入海徑流量和輸沙量關系密切。黃河入海水沙在20世紀80—90年代顯著減少，尤其是1986年后，持續(xù)枯水少沙。據(jù)利津站水沙觀測數(shù)據(jù)，1997年黃河斷流長達202 d；1986—1997年淤積面積遠遠小于蝕退面積，研究區(qū)總面積急劇減少，到1997年達到最低值(表2)。自1999年流域實行統(tǒng)一水資源配置，2002年開始又實施調水調沙，入海水沙量增多，1997—2006年研究區(qū)面積有所增加。自2006年開始，黃河入海水沙量呈現(xiàn)減少趨勢并且年間波動較大，相應時段內的研究區(qū)面積也出現(xiàn)輕微減少趨勢。1989—2001年黃河入?？诙蚊娣e增減與入海水沙增減趨勢一致，但自2004年后，其關系并不顯著(圖6(b))。黃河自2002年開始實施調水調沙，入海水沙模式與之前有所不同，這是可能原因之一；同時，入?？诘挠傥g變化涉及多方面的因素[1]，具體原因尚需進一步探討。

3.2 海岸線變遷的時空異質性

黃河三角洲各海岸段的底質、地形、地貌、水動力學特征、沖淤狀態(tài)等各有差別[26]，由此導致海岸線的演化具有明顯的時空異質性。王苗苗等[10]將東營市境內的岸段分為6個部分，分析了1979—2013年黃河三角洲海岸線變遷的時空異質性，本文根據(jù)岸段特點，將整個岸段分為4個部分，雖然用的數(shù)據(jù)年份不同，具體年份之間無法進行比較，但時段內的變化趨勢基本一致。

a. 刁口段為蝕退型海岸，1976年黃河改道清水溝流路后，該岸段失去了水沙來源的有效補給，加之沉積物以粉砂為主，處于松散狀態(tài)，穩(wěn)定性差[27]，海洋動力的侵蝕導致海岸線極易發(fā)生蝕退。本文結果表明，1986—1997年，刁口段面積大幅度蝕退，蝕退速率在所有時段中最高；1999—2006年，面積持續(xù)減少，但減少幅度降低；2008—2015年，海岸線輕微淤進。這與改道初期侵蝕較快、以后逐漸減緩的研究結論[2,28-29]一致。另外，自2010年開始，黃河三角洲實施“生態(tài)補水”戰(zhàn)略，刁口河流路恢復過水，生態(tài)補水的同時帶來泥沙淤積，這也是近年來刁口段海岸線輕微淤進的原因。

b. 由于人工堤壩的修建，1986—2015年東營港及鄰近岸段海岸線總體變化不大，面積基本穩(wěn)定。1986年，港口和油田中間的海岸線呈自然狀態(tài)，其他年份海岸線均為堤壩，這是因為1988年樁西油田建成之后，海岸線基本被固定下來[1]。也有研究表明，受渤海冷流南下的影響，現(xiàn)行河口區(qū)域的入海水沙通過潮流和風力的作用很難輸運到該區(qū)域而導致區(qū)域潮灘未出現(xiàn)淤積[30]。由于海洋動力的作用，輕微的淤積和蝕退發(fā)生的區(qū)域僅出現(xiàn)在港口兩側。

c. 入?？诙问茄芯科趦茸兓顬閯×业膮^(qū)域。1976年黃河改道清水溝流路，1986年之前屬于改道初期，黃河入海水沙量大，行水河口在行水流路初期延伸較快[30]，該時段清水溝流路附近海岸線呈明顯向海延伸變化，淤積面積最大，海岸線增長速率最快[10]。1986—1997年，黃河入海水沙持續(xù)減少，尤其是1997年的持續(xù)斷流，黃河入海水沙跌至低谷，這使得入海口門雖然繼續(xù)向深水區(qū)延伸，但沙嘴兩側區(qū)域特別是沙嘴南側受到海洋的動力作用，侵蝕程度不斷增大，致使該區(qū)域面積呈微弱向海擴張的態(tài)勢。1996年黃河入海口改道清八汊河流路后，北部逐漸形成沙嘴。1999—2006年，由于黃河水資源統(tǒng)一管理和調度政策以及調水調沙的實施，入海水沙增加，黃河入海年均徑流量和年均輸沙量分別為 124.42億m3和1.57億t。行水河口(清八汊河流路)不斷淤積，老河口(清水溝流路)因失去水沙供應，海洋動力作用使其受到持續(xù)侵蝕。該區(qū)域總體呈淤積趨勢，其面積較上一時期(1986—1997年)增加了 114 km2。由于新形成的河口不斷向海淤積、延伸和擺動，致使行水河道入?？诜较虿粩嘧兓?，2009年開始，黃河入?？诟牡罏槠弊呦?。2008—2015年，黃河入海年均徑流量和年均輸沙量分別為177.98億m3和1.01億t，雖然年均徑流量較上一時期(1999—2006年)增加，但輸沙量卻減少了36%。在海洋動力作用下，無水沙來源的清水溝流路進一步蝕退，清八汊河流路雖有淤積，但淤積速度較改道初期變緩，一是由于黃河來水來沙量減少，同時也可能與沙嘴附近的海域地形、潮流特點及泥沙的擴散方向等多種因素有關[1]，該區(qū)域總面積減少。

d. 萊州灣岸段在研究時段內(1986—2015年)面積略有減少。其面積變化趨勢與入?？诙晤愃?，均在1997年最低，之后波動變化，2013年面積顯著減少。這種變化一方面由于防潮岸堤的構建，使得海岸線的蝕退得到有效控制，面積變化較??；另一方面，該區(qū)域淤積的泥沙主要來自黃河入?？谀嗌?，黃河入海水沙減少時，該區(qū)域的泥沙來源同時減少，且黃河改道清八汊河流路后，輸送到萊州灣岸段的泥沙減少。

4 結 論

a. 1986—2015年，研究區(qū)內海岸線淤進與蝕退交替進行，總體處于輕微蝕退狀態(tài)。面積變化規(guī)律大致為：1986—1997年持續(xù)蝕退，1997—2006年淤積后面積基本穩(wěn)定，2006—2015年輕微蝕退。

b. 各岸段變化特征不同，刁口段海岸線先蝕退后淤進，總體上為蝕退狀態(tài)；東營港及鄰近岸段海岸線基本穩(wěn)定；萊州灣岸段處于輕微蝕退狀態(tài)；入?？诙魏０毒€變化最為復雜，總體向海淤進延伸，行水河道不斷淤積，非行水河道不斷蝕退。

c. 研究區(qū)面積尤其是入?？诙蚊娣e變化與黃河入海水沙關系密切，但淤蝕變化同時與海域地形、泥沙擴散方向等諸多因素有關，因此，面積變化與徑流量、泥沙量變化并不完全一致。