人類活動影響下的1989—2019年江蘇中部海岸線變化特征研究

李明亮, 吳曙亮, 龔緒龍, 楊 磊, 茍富剛, 李 進

人類活動影響下的1989—2019年江蘇中部海岸線變化特征研究

李明亮1, 2, 3, 吳曙亮1, 2, 龔緒龍1, 2, 楊 磊1, 2, 茍富剛1, 2, 李 進1, 2

(1.江蘇省地質調查研究院, 江蘇 南京 210018; 2.國土自然資源部 地裂縫地質災害重點實驗室, 江蘇 南京 210018; 3.南京大學 地理與海洋科學學院, 江蘇 南京 210023)

海岸線是海岸帶地區重要的自然資源, 也是海洋生態系統的重要組成部分。通過分析江蘇中部海岸1989—2019年海岸線變化特點、潮灘圍墾特征以及圍填海潮灘斷面地貌響應過程, 研究人類圍填海活動對海岸線演變的影響機制。結果表明, 近30 a來江蘇中部海岸線變化具有明顯的時空不對稱性, 變化速率變異系數空間差異顯著, 岸線的向海推進是在人類圍填海活動驅動下的被動變化過程, 二者相關性系數達93%。另外, 在江蘇中部海岸圍填海對潮灘上部有促淤作用, 但也引起潮間帶下部潮灘的侵蝕, 這種“上淤下侵”的潮灘地貌格局對未來海岸線資源的可持續利用和保護提出了挑戰。

江蘇中部海岸; 圍填海; 海岸線變化; 潮灘斷面; 鹽沼濕地

海岸線是典型的海陸分界線, 具有顯著的生態系統調節功能, 同時也是重要的海岸帶自然資源[1]。海岸線一般定義為多年平均大潮高潮位的痕跡線[2], 受到海陸交互作用影響, 人類在海岸帶的開發利用活動、海洋動力環境的改變等都能對海岸線的演變產生顯著影響[3-4]。

江蘇中部海岸發育了寬廣的淤泥質潮灘, 近年來高強度的圍填?；顒与m然產生了大量的新生土地, 但各類海岸工程措施也改變了潮間帶的海洋動力格局[5-6], 不但直接造成岸線位置的劇烈變動, 而且對未來岸線的演變趨勢產生深遠影響。已有的研究多數通過遙感和GIS的手段針對江蘇海岸線的類型、長度、曲折度以及開發利用狀況的時空變化等做了較為詳細的分析[7-10], 部分研究對于海岸線演變的驅動力進行了初步分析, 指出圍墾和海岸線時空變化的關聯性, 如李行等[11]通過遙感解譯認為圍墾是造成江蘇海岸線變化的主要原因; 陳瑋彤等[12]通過研究認為圍墾是江蘇海岸帶陸地面積增加的主要原因, 但相關研究未對圍墾和岸線變化的時空關系做進一步分析。

目前, 海平面上升、海岸侵蝕逐步成為一個全球性的問題[13-14]。在高強度圍填海地區, 海岸線的向外推進和海岸侵蝕可能會同步發生, 本項研究以圍墾活動劇烈的江蘇中部海岸為例, 通過分析1989—2019年以來的圍填海進程及海岸線時空變化特征, 結合典型圍填海潮灘斷面, 研究人類圍填海驅動下的海岸線變化過程及其典型潮間帶地貌響應特征, 對于未來海岸線資源保護、修復以及可持續利用具有重要支撐作用。

1 研究區概況及數據來源

1.1 研究區概況

江蘇海岸帶位于南黃海西岸, 海岸線北起連云港繡針河口, 南至啟東長江口連興港, 行政區劃上包括連云港、鹽城、南通3市。江蘇海岸帶地勢低平, 海陸交互作用在江蘇形成了由細顆粒物質組成的粉砂淤泥質海岸, 海岸帶潮汐作用較強, 潮波系統主要為東海前進潮波和南黃海旋轉潮波, 淺海半日分潮為主, 潮差一般在2～4 m, 輻射沙脊群海域最大潮差能超過9 m[15-16]。海岸帶潮灘相對較寬, 最大寬度能達到10 km以上, 坡度平緩, 一般在3‰以下[17]。江蘇海岸地貌類型多樣, 北部海州灣主要為砂質海岸, 連島及其兩翼主要為基巖海岸, 江蘇中部海岸主要為粉砂淤泥質海岸。從海岸沖淤看, 一般認為廢黃河及其兩翼為侵蝕海岸; 從射陽河口至新洋港為沖淤過渡海岸; 新洋港河口以南為淤積海岸[18]。

20世紀80年代以來, 隨著江蘇經濟的快速發展, 對于土地資源的需求不斷加大, 通過海岸帶潮灘圍墾成為新增建設用地, 實現耕地占補平衡的重要手段, 年均潮灘圍墾面積超過30 km2, 直接造成潮灘寬度下降、坡度變陡, 生物多樣性降低[19-20]。

圖1 研究區位圖及海岸線變化統計法線分布示意圖

1.2 數據來源

1.2.1 影像數據

為準確獲取海岸帶圍填海、海岸線時空變化特征, 搜集1989年、1999年、2009年和2019年共計4個時段的覆蓋江蘇中部海岸的多源遙感影像數據(Landsat TM、Landsat OLI), 在時刻上盡量選取低潮位時段, 云量小于15%, 所有影像經過幾何精校正處理, 使用CGCS2000坐標系。

1.2.2 潮汐數據

海岸線提取所需要的潮位數據主要來自國家海洋信息中心發布的江蘇海岸3個驗潮站(射陽河口、新洋港、弶港)的潮汐表數據以及在海岸帶地區搜集到的洋口港驗潮站數據, 滿足海岸線提取所需要的潮位數據要求。

1.2.3 潮灘斷面數據

根據江蘇的圍填海強度特征, 在圍填海開發較為劇烈的鹽城弶港海岸布設了一條潮灘地形觀測斷面, 基于GPS-RTK技術, 2014—2019年開展了逐年的潮灘地形重復測量, 獲取了圍填海影響下高精度的潮灘斷面變化數據。

2 研究方法

2.1 海岸線提取及變化分析

本次研究中, 取平均大潮高潮線作為海岸線的解譯、提取標準, 對于平均大潮高潮線已經圍墾的岸段, 采用目視解譯法提取人工海堤或人工構筑物等作為岸線標志; 對于人類活動干擾較小的岸線, 首先利用已有的潮位數據, 基于T_Tide潮汐分析預報模型[21-22], 進行潮汐的調和計算和潮位預測, 然后通過遙感提取的瞬時水邊線進行潮位的插值和校正, 結合調和分析結果, 推算平均大潮高潮線, 技術路線參考崔丹丹等[23]在2017年提出的改進的水邊線算法。本次遙感解譯的誤差主要來自目視解譯誤差和潮汐調和分析誤差, 人工岸線地物特征明顯, 通過重復3次解譯提取平均值來盡量消除數字化誤差。另外, 以新洋港2014年6月1日—30日實測潮位數據進行調和分析誤差統計, 絕對誤差平均值為8.33 cm, 滿足海岸線遙感推算精度要求。

在海岸線變化分析方面, 使用美國地質調查局所提供數字岸線分析系統(Digital Shoreline Analysis System, DSAS)[24]進行分析計算。選定作為計算基準的基線, 統一設置采樣間距為1 km, 總共生成等間距法線共192條, 其中北部(射陽河口至大豐港)共74條, 中部(大豐港至南通小洋口)共83條, 南部(小洋口至洋口港)共35條, 使用終點速率法(End Point Rate, EPR)[25]計算海岸線變化速率。

2.2 圍填海信息提取

基于1989年、1999年、2009年和2019年4期遙感影像數據, 根據海岸帶不同土地利用類型的紋理和光譜特征, 采用專家目視解譯提取不同時期圍填?；顒訒r空分布特征, 本次研究未對圍填海后的土地利用類型做進一步區分。

2.3 典型潮灘斷面觀測

在江蘇中部弶港典型圍填海岸灘布設了一條潮間帶地貌監測斷面, 使用德國Leica公司的GPS-RTK進行地形測量與取樣。潮灘斷面長度超過3 km, 灘面測點間距控制在100 m以內, 平面誤差精度控制在1～2 cm, 高程誤差控制在1 cm。在進行高程測量的同時, 使用取樣薄片進行表層沉積物取樣, 深度控制在1～2 cm, 質量在30～100 g, 在實驗室內使用激光粒度儀進行粒徑分析。2014—2019年共完成6次圍填海典型潮灘斷面重復觀測。

3 結果與討論

3.1 海岸線時空變化特征

基于DSAS岸線分析系統, 對于獲取的192條法線進行統計分析, 得出1989年以來不同時期江蘇中部海岸線的變化速率(圖2)。從統計結果看, 1989年以來江蘇中部岸線整體上呈現快速向海推進趨勢, 平均推進速率達到201.28 m/年, 最大推進速率為447.47 m/年, 從空間分布看, 大豐港至小洋口岸段推進較快, 平均推進速率為228.4 m/年, 小洋口至洋口港平均推進速率為80.75 m/年, 射陽河口至大豐港平均推進速率為214.88 m/年。各個時期而言, 1989—1999年期間岸線呈向海推進趨勢, 平均推進速率為250.47 m/年, 變化劇烈的岸段主要分布在江蘇斗龍港兩翼和方塘河口以北岸段, 最大推進速率為742.48 m/年。方塘河口以南總體上變動幅度較小, 僅小洋口以北8 km范圍內有明顯推進, 北部的射陽河口總體上變動幅度較小; 1999—2009年期間江蘇中部岸線呈現明顯的向海推進趨勢, 平均推進速率為318.3 m/年, 最大推進速率為1 344.67 m/年, 位于射陽河口以南10 km范圍內, 該時期內向海推進岸線主要集中在射陽港、大豐港、洋口港等港口附近; 2009—2019年期間岸線的變化差異較大, 推進岸段集中在方塘河口南北兩翼, 后退岸段集中在射陽河口以南約20 km范圍內部分岸段, 其余岸段總體上變化幅度較小, 總體上看岸線趨勢仍然以向海推進為主, 平均速率為139.11 m/年, 后退岸段后退速率為7.67 m/年。

圖2 江蘇中部海岸1989—2019年海岸線變化速率統計圖

正值表示海岸線向海推進, 負值表示海岸線后退

從岸線的時空變化特征看, 江蘇中部岸線推進速率整體上呈現出先增大后減小的變化趨勢, 在不同時期、不同岸段內岸線的向海推進也呈現出明顯的差異性特征, 即江蘇中部海岸線的時空變化過程具有明顯的不均一性。從岸線變化統計圖(圖2)上可以看出, 1989年以來在大部分岸線都向海推進的同時, 少量岸段位置相對穩定, 并沒有受到附近岸線變化的影響, 從遙感影像(圖3a)上可以看到這些岸段大部分位于河口附近。此外, 在射陽河口至新洋港河口的部分岸段, 海岸線出現了侵蝕后退現象(圖3b)。使用Landsat TM、OLI影像解譯了近30 a江蘇中部海岸潮灘圍墾過程, 通過分析北部(射陽河口～大豐港)、中部(大豐港～小洋口)、南部(小洋口～洋口港) 3個岸段潮灘圍墾速率和岸線變化速率的統計關系(圖4), 發現在人類圍填海的驅動下, 江蘇中部海岸線的變化和潮灘的圍墾呈現出明顯的正相關性。

從不同時期來看, 江蘇中部海岸的圍填海具有明顯的空間差異性, 這和海岸線變化的空間不均一性是一致的。1989—1999年期間, 研究區的圍填?？偯娣e為394.89 km2, 圍填?；顒又饕l生在方塘河口以北海岸, 其中射陽河口～大豐港圍填海速率為20.16 km2/年, 同期岸線推進速率為223.69 m/年; 大豐港～小洋口圍填海速率為19.03 km2/年, 同期岸線推進速率為223.15 m/年; 小洋口～洋口港圍填海速率為0.30 km2/年, 同期岸線推進速率為6.48 m/年, 海岸線的變化是受到人類圍填?；顒域寗酉碌谋粍酉蛲馔七M過程, 和圍墾的面積、空間分布密切相關。1999—2009年期間, 研究區圍填?？偯娣e為816.66 km2, 整個研究區圍填海較為普遍且圍墾的面積較大、寬度較寬, 如大豐港在此期間的圍墾寬度超過8 km。從岸段看, 射陽河口～大豐港圍填海速率達到31.19 km2/年, 同期岸線推進速率308.92 m/年; 大豐港～小洋口圍填海速率為33.56 km2/年, 同期岸線推進速率281.78 m/年; 小洋口～洋口港圍填海速率為16.92 km2/年, 同期岸線推進速率為191.73 m/年, 總體上該段時間內圍填海速率和岸線向外推進速率均達到峰值。2009—2019年期間, 研究區圍填?？偯娣e241.18 km2, 相比以往面積銳減, 圍填區主要集中在方塘河口南北兩翼, 其余岸段圍填海面積較小。從岸段看, 射陽河口～大豐港圍填海速率為3.07km2/年, 同期岸線推進速率19.34 m/年, 在新洋港北部部分岸段出現了退墾, 圍墾區受到海洋動力作用泥沙被侵蝕導致岸線后退, 平均后退速率達到8.75 m/年; 大豐港～小洋口圍填海速率為13.90 km2/年,同期岸線推進速率為182.91 m/年; 小洋口～洋口港圍填海速率為7.15 km2/年, 同期岸線推進速率為43.6 m/年。通過擬合上述岸段不同時期圍填海速率和岸線變化速率, 二者線性相關性達93%, 表明人類主導的圍填海活動在近30 a的時間尺度內造成了江蘇中部海岸線在時間和空間變化上的不均一性。

圖3 江蘇中部海岸1989年以來潮灘圍墾和岸線變化空間分布特征

圖4 潮灘圍墾速率和海岸線變化速率統計關系圖

另外, 從海岸線的自然演化過程來看, 岸線的變化主要和海岸海洋動力過程相關, 如海岸物質組成、泥沙供給、海岸潮汐、波浪以及極端天氣等均可以在不同的時間尺度上影響海岸沖淤。在江蘇中部海岸, 海岸帶的底質基本上為淤泥質粉砂, 潮間帶寬度較寬、坡度平緩, 鹽沼植被隨著海岸的淤漲逐步向外擴展, 這些特征可以作為分析海岸線自然變化的定量標志。江蘇海岸在1982年開始引種互花米草(Loisel)[26], 在新洋港～斗龍港岸段存在著大片的鹽沼濕地, 1989年以來受到人類圍墾影響較小, 目前屬于鹽城世界自然遺產保護區核心區。通過分析新洋港口～斗龍港口鹽沼岸線的變化速率發現, 1989—2019年期間的平均推進速率為291.61 m/年, 1989—1999年期間推進速率為352.16 m/年, 1999—2009推進速率為273.9 m/年, 2009至2019年推進速率為169.43 m/年, 推進速率迅速變小, 與整個中部海岸先大后小的岸線變化趨勢差異明顯。從數據對比上可以看出, 除1999—2009年間, 其余時間段新洋港口～斗龍港口自然岸線推進速率均大于整體平均值。

對比海岸線變化空間分布特征(圖2), 可以看出每個時期的岸線推進并非南北同步的, 差異非常顯著, 除墾區外大部分岸線變幅較小。通過計算岸線變化速率的變異系數(為不同時期岸線變化速率標準差和平均值的比值, 反映不同時期內岸線變化的波動強度), 發現新洋港口～斗龍港之間人工干預較少鹽沼的變異系數較小(圖5), 一般在0.4以下, 另外南部的幾個圍墾較少的河口如方塘河口等變異系數也較小, 其余岸段變異系數均較大且無明顯的空間分布規律, 表明江蘇中部海岸的向外推進是在人類圍填?；顒又鲗碌囊环N被動、隨機的變化過程。另外, 1999—2009年整體岸線推進速率顯著大于未圍墾鹽沼推進速率, 表明該時期存在過渡圍墾現象, 這也是2009年以后鹽沼岸線及其余岸段向外推進速率急劇下降的重要原因。

圖5 海岸變化速率變異系數空間分布圖

3.2 圍填海影響下的潮灘斷面侵淤特征

海岸線本質上是海陸交互作用的痕跡線, 一般以平均高潮線作為海岸線標志, 在江蘇中部海岸, 受到人類大規模圍填海影響, 平均高潮線大部分和海堤重合, 在嚴禁圍填海背景下, 潮灘侵淤不但影響海堤穩定性, 對于未來岸線的推進或者后退同樣至關重要。本次研究以中部海岸近年來圍填海較為劇烈的條子泥潮灘為例, 通過對2013年7月圍堤合龍后海岸潮灘斷面多次重復觀測和取樣分析, 發現圍填海工程能對潮灘的沖淤變化產生顯著影響。在圍堤合龍后3 a時間內(2014—2016年), 第一次測量斷面形態平緩(圖6a), 坡度為0.44‰, 斷面中上部發育多個小型溝槽。隨時間推移, 圍堤前部快速淤高, 溝槽消失, 斷面逐步從雙凸演化為上凸形態, 坡度變陡, 2016年實測坡度為0.96‰, 在此期間潮灘斷面整體上淤積為主。從2015年9月開始斷面下部開始侵蝕, 范圍逐步向上擴展, 至2016年6月斷面下部1 km范圍內均為侵蝕, 平均侵蝕速率為16.69 cm/年, 但在此期間上部持續淤高, 平均淤積速率為38.14 cm/年。在圍堤合龍后6 a時間內(2017—2019年), 斷面的坡度繼續變大, 2019年實測坡度為1.5‰, 斷面侵蝕開始擴大到斷面中上部。整體上看(圖6b), 2014—2019年斷面整體平均淤積速率4.27 cm/年, 中下部平均侵蝕速率達21.66 cm/年, 斷面上部平均淤積速率達到19.82 cm/年(圖6b)。

圖6 條子泥潮灘圍填海斷面高程分布圖

注: 黑線框內為觀測期內潮灘沖淤變動較小位置

從岸線圍填后的潮灘沖淤變化來看, 圍填海初期人工岸線外部潮灘呈現普遍淤積狀況, 這和陳才俊[27]、汪亞平[5]等在江蘇中部海岸觀測的結果是一致的。在潮灘圍墾初期, 海堤對潮波的反射削弱了潮流搬運能力, 引起泥沙在堤前持續淤積, 造成了新的潮灘斷面上部開始逐步淤高。對整個潮灘斷面而言, 更多的物質向上部輸運, 打破了原有的動力-地貌平衡, 為維持越來越陡的地貌形態(圖6a), 泥沙在垂向潮流的作用下從最易侵蝕的下部逐步向中上部輸運直到地貌形態和潮波能量達到一個新的均衡態, 在這個過程中, 斷面的中部區域可能同時發生著泥沙的“源-匯”過程, 該處侵蝕的泥沙是上部的“源”, 同時也成為下部侵蝕泥沙的“匯”, 進而能保持一個相對的穩態, 到圍墾后約4～5 a的時間斷面的地貌也趨近于均衡態[28-29]。從2014年以來的觀測結果看, 潮灘中上部離岸1 100～1 300 m范圍內地形總體上變幅較小(圖6虛線框), 淤積和侵蝕對該區域影響較小, 表明此處是整個斷面沖淤轉換的過渡帶, 整個斷面圍繞過渡帶形成的“上淤下侵”的演變格局是近岸潮灘對圍填海活動的地貌響應模式, 隨著上部淤高到平均高潮線附近, 開始發育互花米草鹽沼(圖7), 進一步促進了上部斷面的淤漲, 逐步形成新的岸線。需要關注的是, 人類圍填海活動雖然一定程度上促進了岸線的向海推進, 但是也造成了岸線前部潮灘的侵蝕。對于江蘇海岸而言, 海平面上升和泥沙物源減少都是未來海岸帶管理者需要考慮的實際問題, 在這個背景下, 海岸岸線-潮灘地貌系統的穩定性或許會面臨更大的挑戰。

圖7 斷面上部發育的互花米草鹽沼

4 結論

1989—2019年期間江蘇中部海岸線具有時空變化的不均一性, 海岸線的平均向海推進速率為201.28 m/年, 但在不同時期、不同岸段的變化速率差異顯著, 海岸線變化速率變異系數差異較大, 總體來看, 大豐港至小洋口岸段屬于岸線變化較為劇烈區域。

1989年以來江蘇中部海岸圍填海面積為1 452.72 km2, 人類圍填海速率和岸線變化速率二者相關性系數達93%, 結合岸線變化變異系數空間分布特征, 認為主要是人類圍墾活動驅動了近30 a來江蘇中部海岸線的向海推進。

在江蘇中部海岸, 圍填海促進了岸線的推進, 但同時也造成潮間帶岸灘中下部的侵蝕, 這種“上淤下侵”的潮灘地貌過程對于未來岸線以及潮灘資源的可持續利用提出挑戰。建議下階段根據海平面上升情景以及海岸帶開發利用規劃對海岸線的演變趨勢做進一步分析。

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Characteristics of coastline change under the influence of human activities in central Jiangsu Province from 1989 to 2019

LI Ming-liang1, 2, 3, WU Shu-liang1, 2, GONG Xu-long1, 2, YANG-lei1, 2,GOU Fu-gang1, 2, LI Jin1, 2

(1.Geological Survey of Jiangsu Province, Nanjing 210018, China; 2.Key Laboratory of Earth Fissures Geological Disaster, Ministry of Natural Resources, Nanjing 210018, China; 3.School of Geographic and Oceanic Sciences, Nanjing University, Nanjing 210023, China)

central Jiangsu coast; tidal flat reclamation; coastline change; tidal flat profile; saltmarsh wetland

The coastline is an important natural resource in coastal areas, which is also a crucial part of the coastal ecosystem.By analyzing the characteristics of coastline change processes from 1989 to 2019 in central Jiangsu province and the reclamation processes and tidal flat profile morphological response process to human tidal reclamation, this work studies the influence of human reclamation on the coastline evolution.Results show that the change in the coastline has an obvious asymmetry in time and space and the coefficient of variation of accretion speed is significantly different in different parts of the coast.All the above data prove that the change in the coastline is a passive process driven by human reclamation, and the two have positive relativity as high as 93%.However, tidal reclamation has the effect of cement accretion and can also cause the erosion of the lower tidal flat.This “accretion in the higher part and erosion in the lower part” makes a challenge for future coastline sustainable usage and protection.

[Comprehensive Geological Survey Project of Jiangsu Coastal Area, No.20120223; The Chinese Geological Survey Project, No.1212011220005; Lianyungang Urban Geological Survey Project, No.20170821; Special Project for the Development of Jiangsu Natural Resources (No.JSZRHYKJ202106)]

May 12, 2021

P748

A

1000-3096(2022)03-0060-09

10.11759/hykx/20210512003

2021-05-12;

2021-08-23

江蘇沿海地區綜合地質調查項目(20120223); 中國地質調查局項目(1212011220005); 連云港城市地質調查項目(20170821); 江蘇省自然資源發展專項(JSZRHYKJ202106)

李明亮(1988—), 男, 河南信陽人, 碩士研究生, 工程師, 從事海岸帶沉積動力學研究, E-mail: limingliang_vp@hotmail.com; 吳曙亮(1963—), 通信作者, E-mail: 864825951@qq.com

(本文編輯: 譚雪靜)