湛江市白茅海砂質岸線1987—2020年變遷分析

馮嵐 ,孫省利 ,張才學 ,陳灝

(1.廣東海洋大學海洋資源與環境監測中心 湛江 524088;2.廣東海洋大學化學與環境學院 湛江 524088)

0 引言

獨特的地理位置和組成成分使砂質海岸對外部環境有很高的靈敏性和區域差異性,自然環境和人類活動對砂質海岸的演化產生重要影響。據統計,中國70%左右的砂質海岸線以及幾乎所有開闊的淤泥質岸線均存在海岸侵蝕現象,海岸帶地區侵蝕災害已經嚴重影響附近居民的生命財產安全,對海岸線的動態監測已成為海岸帶長期發展和環境保護的一項重要內容[1-2]。

由于潮汐漲落和海水進退,海陸分界線在不斷地遷移,準確確定連續幾年的海岸線位置是定量和準確評估給定時期內海灘侵蝕或堆積的關鍵,這就需要對海岸線的位置劃分進行統一[3]。中華人民共和國國家標準《海洋學術語:海洋地質學》給出的海岸線定義為多年平均高潮位時的海陸分界線[4]。本研究以國標中對海岸線的定義為標準,基于多源遙感數據對多年海岸線的位置進行提取[5-6]。

目前基于遙感圖像提取海岸線的算法有自動解譯和目視解譯兩種,海岸線的自動提取算法主要有邊緣檢測、閾值分割法、主動輪廓法和面向對象法[7-8]。本研究在前人研究的基礎上以多源遙感數據作為數據源,采用遙感解譯和現場調查相結合的方法,利用改進的歸一化水體指數法(Modified Normalized Difference Water Index,MNDWI)、迭代式閾值法對白茅海砂質海岸的瞬時水邊線進行提取,再用潮汐模型對瞬時水邊線進行校正,得到平均大潮高潮海岸線,最后利用數字岸線分析系統(Digital Shoreline Analysis System,DSAS)的岸線端點變化速率(End Point Rate,EPR)、海岸線累計變化量(Shoreline Change Envelope,SCE)和岸線凈變化量(Net Shoreline Movement,NSM)3個統計模型對1987—2020年白茅海砂質岸線的變遷情況進行定量分析[9-10]。

1 研究區概況

本研究選擇廣東省湛江市白茅海舊燈塔附近岸 段(20°33'10.59″—20°33'31.28″N,110°29'15.46″—110°29'23.29″E)作 為 研 究 岸 段,長 度 約4 km,灘面寬約1 km。湛江市徐聞縣錦和鎮白茅村白茅海位于中國大陸最南端,廣東省西南部,地處北回歸線以南的低緯地帶,屬亞熱帶海洋季風氣候。多年平均氣溫23.6℃,年平均降水量1 417～1 802 mm,冬季盛行東北風,夏季盛行東南風,風速的季節性變化較明顯,是受熱帶氣旋影響最多的地區之一。海洋水文數據收集自白茅海北側約37 km 處的硇洲島海洋站,研究區所在海域潮汐現象主要是太平洋潮波經巴士海峽和巴林塘海峽進入南海后形成,屬于不正規半日潮。

2 數據來源與預處理

本研究數據來自中國科學院遙感與數字地球研究所和美國地質勘探局(USGS)下載的Landsat遙感影像系列、地理空間數據云獲取的先進星載熱輻射和反射儀全球數字高程模型(ASTER GDEM)30 m 分辨率數字高程數據,其他輔助數據包括“908”專項海岸成果和硇洲島北港海洋站的歷年潮汐數據。

獲取到的Landsat原始數據為標準地形校正產品,衛星參數情況如表1所示,數據已經過系統輻射校正、地面控制點幾何校正以及數據高程模型(DEM)地形校正的處理,像元精度控制在0.3個像元。為了消除影像成像過程中存在的幾何畸變和輻射量失真現象,對原始數據進行校正增強處理。2013年的Landsat8遙感影像中包含分辨率為15 m的Pan 波段,通過格拉姆-施米特(Gram-Schmidt)多光譜融合法將Pan 波段與多光譜波段進行融合,從而得到分辨率為15 m 的影像;除波段融合外本研究采用的遙感信息增強處理還有對比度增強和空間域增強處理[11]。

表1 衛星參數

3 研究方法

3.1 岸線提取方法

首先利用ENVI軟件對多期遙感影像進行預處理,使用改進的歸一化水體指數法(MNDWI)[12]進行多波段運算來增強影像中的水體信息,再利用MATLAB軟件通過迭代式閾值分析法以灰度直方圖信息為主導,用多個閾值將圖像分級,將同質區域劃分并提取出感興趣的目標物體后進行二值化[13],再將二值化后的圖像在ArcGIS軟件中進行邊緣連續、矢量化、剔除多余斑塊等處理,得到研究區的瞬時水邊線[14]。研究區地勢平坦,受潮汐影響較大,得到的瞬時水邊線須經過潮汐校正才能得到平均大潮高潮時的海岸線位置[15],潮汐校正的原理如圖1 所示。瞬時水邊線校正距離(L)計算公式為[16-17]:

圖1 潮汐校正原理

L=(H2-H1)/tan(θ)

式中:H1為瞬時水邊線對應的瞬時潮高;H2為平均大潮高朝線對應的平均大潮高潮潮高;θ為岸灘坡度;L為海岸線潮汐校正距離[16-17]。

利用GDEMDEM 30 m 數據在ArcGIS軟件中處理計算得到研究區海岸帶的平均坡度為1.48°,根據硇洲島北港海洋站的歷年潮汐數據得到白茅海多年年平均大潮高潮為3.96 m,根據瞬時水邊線校正公式計算得到歷年瞬時水邊線潮汐校正距離如表2所示。

表2 歷年瞬時水邊線校正距離

3.2 海岸線變遷情況研究方法

本研究利用ArcGIS Desktop中的數字海岸線分析系統(DSAS)擴展插件對海岸線的變遷情況進行定量分析[18]。首先建立假設基線,然后生成以20 m為間隔從南向北生成201個有效橫斷剖面,創建橫斷面特征類后利用不同的統計模型對海岸線的時空變化進行分析[19]。為了與原始海岸線保有較好的彎曲度,本研究采用緩沖區的方法生成基線[20],之后利用的統計模型為DSAS 中EPR、SCE和NSM 3個參數,整篇文章從岸線變化距離測量和速率變化統計兩個角度對白茅海海岸線的變遷情況進行分析。DSAS 統計模型的3 個參數中EPR反映了每個橫斷剖面的年變化速率,表征某一時期內人類對其開發利用強度;SCE 統計了每個橫斷剖面離基線最近和最遠的海岸線之間的距離,即為海岸線的最大變化范圍;NSM 統計了時間序列上最近和最遠的兩期海岸線的凈變化距離,以此來表征海岸線多年的凈變化量[21-23]。

4 岸線提取結果與分析

4.1 岸線提取精度驗證

得到的白茅海歷年海岸線如圖2所示,為確保利用遙感影像提取的海岸線具有可信度,本研究以“908”專項修測岸線作為標準參考值,對2005年提取校正的海岸線進行精度驗證[11],以20 m 為間距生成橫斷面,經計算得出岸線偏差距離均值和均方根誤差(RMSE)分別為20.9 m 和25.0 m。

圖2 不同年份白茅海海岸線

圖3 白茅海岸線各橫斷剖面的EPR

4.2 岸線提取結果分析

對EPR、SCE、NSM 的結果相關性檢驗,3個參數在0.01級別具有顯著相關性。1987—2020年,白茅海海岸線以-4.29 m/年的年平均變化速率向陸侵蝕后退。由不同統計模型空間量化圖可以看出(圖4—圖6),白茅海海岸線變遷呈現出較為明顯的區域性和階段性。1987—2020年白茅海海岸線各橫斷剖面EPR均為負值(圖5),表明研究區岸段各橫斷剖面處均為侵蝕后退狀態;79～87號橫斷剖面年平均侵蝕速率較快,為-7.08 m/年;189～201號橫斷剖面處岸線年平均侵蝕速率較慢,為-1.63 m/年。

圖4 白茅海岸線各橫斷剖面EPR

圖5 不同時期白茅海各橫斷剖面EPR

圖6 白茅海岸線各橫斷剖面SCE、NSM

1987—1991年、1991—2000 年、2000—2005 年、2005—2010年、2010—2020年5個時期白茅海海岸線年平均變化速率分別為-18.23 m/年、2.06 m/年、-4.31 m/年、0.31 m/年、-7.22 m/年,1987—1991年和2010—2020年兩個時期白茅海海岸線年侵蝕速率較高,1991—2000 年和2005—2010年兩個時期白茅海海岸線出現堆積現象。

根據各剖面SCE、NSM 折線圖(圖6),1987—2020年白茅海海岸線出現明顯的變化,海岸線變遷距離最大達249.46 m;NSM 凈變化量為負,再次表明白茅海海岸線整體向陸侵蝕后退。綜合SCE 和NSM 數據,可以看出在190～202 號橫斷剖面,NSM 絕對值小于SCE,表明該處岸段存在侵蝕和堆積現象。

白茅海海岸線在不同時期有不同的變遷特征,整體上海岸線表現出顯著的侵蝕后退現象,且不同橫斷剖面存在明顯的差異,結合現場調查情況發現岸線變化最為劇烈的區域為白茅海舊燈塔附近的岬灣處。根據EPR這一統計值,將海岸線侵蝕/堆積情況分成7類[22],建立海岸線侵蝕/堆積等級表(表3),研究區岸段屬于極高侵蝕狀態,亟須修復和保護。

表3 海岸線侵蝕/堆積等級

4.3 岸線變遷原因分析

白茅海海岸線的變遷受到自然和人為多種因素的影響,從海岸的物質構成上來說,通過岸灘沉積物采樣分析,白茅海海岸帶主要是由中砂和細砂構成的海岸,容易受到風和波浪的作用。舊燈塔附近有一處岬角,灘外具有數百畝的巖礁,起著減浪、消浪的作用,對后方海灘和附近岸灘的水動力環境產生影響[24]。

從全球變化的背景來說,白茅海海岸帶駭然面對廣闊的南海海域,受海浪侵蝕、海平面上升的作用顯著,所處的雷州半島三面環海,與多數過境熱帶氣旋路線正交,是受熱帶氣旋影響最多和最嚴重的地區之一,據統計每年登陸或影響雷州半島的臺風平均為3.93次[25],風暴潮每增加一次,海岸侵蝕加寬0.5 m[26]。根據自然資源部海洋預警監測司《2019 年中國海平面公報》結果顯示,1980—2019年,南海沿海海平面上升速率為3.5 mm/年,2019年,南海沿海海平面較常年高77 mm,未來30年南海沿海海平面將上升50～180 mm,極大增強了海岸的侵蝕作用[27]。改革開放以來,為了發展沿海經濟,白茅海海岸帶地區進行大規模開發,20世紀80—90年代初期白茅海海岸蝦池、鹽池大規模出現,白茅村東南靠海部分和東北部,養殖蝦塘密布,基本上是占用了防風林建立起來的,蝦塘排放廢水對海岸沖刷切割,蝦塘養殖的大規模開發是造成1987—1991年白茅海海岸帶大幅度侵蝕后退重要原因。

2009年至今徐聞已擁有16個風電項目,遍布該縣沿海鄉鎮。2017 年11月10日廣東粵電湛江外羅海上風電項目工程核準,12月28日項目開工,到2019 年年 底,已 有36 臺5.5 MW 風機,1 座220 kV海上升壓站和陸上集控中心投入使用,涉海面積約92 km2,場址最近端距離錦和鎮陸岸20 km,最遠端距離陸岸35 km。風電場建立在帶來新能源的同時,也會對所在海域的水動力環境、風要素等產生影響[28],也是造成岸灘變遷的重要因素。

5 結論

(1)1987—2020年,白茅海海岸線以-4.29 m/年的年平均變化速率向陸侵蝕后退。

(2)1987—1991 年、1991—2000 年、2000—2005年、2005—2010年、2010—2020年白茅海海岸線年平均變化速率分別為-18.23 m/年、2.06 m/年、-4.31 m/年、0.31 m/年、-7.22 m/年。

(3)1987—2020年白茅海海岸線變遷距離最大為249.46 m;NSM 凈變化量為負。190～202號橫斷剖面處岸段存在侵蝕和堆積現象。

(4)根據現場調查岸線變化最為劇烈的區域為白茅海舊燈塔附近的岬灣處,部分岸段存在侵蝕和堆積兩種現象,白茅海砂質岸線侵蝕等級為極高侵蝕,亟須修復和保護。