胶东半岛近海海域悬浮泥沙时空变化研究

孟灵，毕晓丽，屈凡柱

（1.中国科学院烟台海岸带研究所，山东 烟台 264003；2.中国科学院研究生院，北京 100049）

胶东半岛近海海域悬浮泥沙时空变化研究

孟灵1，2，毕晓丽1，屈凡柱1，2

（1.中国科学院烟台海岸带研究所，山东 烟台 264003；2.中国科学院研究生院，北京 100049）

利用2003-2009年春季的MODIS影像，基于修正的TASSAN模型反演了胶东半岛近岸海域的悬浮泥沙浓度，利用GIS空间分析工具分析了悬浮泥沙的空间变化特征。结果表明：从2003-2009年研究区内整体含沙量逐年递增；区域含沙量近岸高、外海低；半岛北部毗邻海域含沙量自西向东依次递减，南部海岸带地区无规律性变化。胶东半岛海岸带悬浮泥沙的时空变化特征同海岸线类型及用海类型有密切联系。

悬浮泥沙；TASSAN模型；遥感反演；胶东半岛

Abstract：Based on a revised Tassan model，concentration of solid suspended matter（SSC） in the coastal zone of Jiaodong Peninsula was retrieved by Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer（MODIS） images from 2003 to 2009.The spatial and temporal characteristics of SSC in the study area were also analyzed by GIS spatial analysis tools.The results showed that total SSC values had increased annually，which were generally higher in the near shore areas than that in the open sea.Particularly，the SSC values had decreased from west to east in the northern coastal area of Jiaodong Peninsula，while they had no clear trends in the southern coastal zone.The spatio-temporal changes of SSC in Jiaodong Peninsula were closely related to the coastline types and the sea-use types.

Keywords：solid suspended matter（SSM）； TASSAN model； retrieving of remote sensing； Jiaodong Peninsula

悬浮泥沙的分布和输送在海洋环境、海洋生态学以及工程建港考虑淤积等领域的研究具有重要的意义（鲍献文等，2010）。黄、渤海毗邻陆架区海域是世界上悬沙含量最高的海域之一，此海域悬浮体数量大、浓度高、物源丰富多样，而且海域内悬沙浓度和时空分布受世界上含沙量最大的河流——黄河入海所携带含沙量的影响，悬沙浓度时空易变性和浓度变化明显（杨作升等，1992）。

国内外众多学者对黄东海陆架区悬沙季节变化及其影响因素（秦蕴珊等，1963；秦蕴珊等，1982；孙效功等，2000；刘芳等，2006）、黄河入海泥沙对黄、渤海悬沙时空变化的影响（张经等 ，1985； Martin et al，1993； Milliman et al，1987；王海龙等，2009；陈晓玲等，2005） 开展了大量的研究工作。比如秦蕴珊于20世纪60年代对中国陆棚海悬沙做的开创性研究（秦蕴珊等，1963），Martin等人（1993） 和Milliman等人（1987）针对黄河入海泥沙对邻近海域影响做了监测研究。以上这些研究大都基于实测数据，这种常规的调查方法需要采样船出海实测，费时费力。而且这种方法只能获得在时间、空间分布上很离散的、少量点的数据。利用实测数据难以实现对大范围、长时间尺度的悬浮泥沙动态监测。近几年随着遥感技术和悬沙浓度反演精度的提高，众多学者尝试利用覆盖面大、同步性和连续性好、信息丰富的多时相卫星遥感影像实现河口及海域悬沙分布状况和动态变化监测。如邢飞等基于TM数据针对江苏近岸海域悬沙时空分布特征进行了研究（邢飞等，2010）。

随着海岸带地区经济发展和城市化水平的提高，原有的大量的自然海岸线受人为干扰影响越来越严重，岸线特征的改变对海岸带水体悬浮泥沙含量的时空分布特征和运移规律等产生重要的影响。但是，由于涉及较宽的时空尺度，在对泥沙悬浮含量的影响因素的分析中，岸线特征的作用往往被忽略。

本文拟以胶东半岛邻近海域为研究对象，利用MODIS数据研究该区海域悬沙浓度的时空变化，主要目的是从海岸线类型和用海类型两个方面探讨其对于悬沙时空动态分布的影响作用，以此丰富黄渤海悬沙动态监测研究内容，同时也为悬浮泥沙影响因素的分析提供新的思路。

1 研究区概况

胶东半岛位于山东省胶莱谷地以东，是胶莱河以东的半岛地区。胶东半岛西北临渤海、黄海与辽东半岛相对，东临黄海与朝鲜半岛和日本岛隔海相望（图1）。半岛的西北内陆与华北平原连接，面积约为3.4万km2，是我国最大的半岛。半岛海岸蜿蜒曲折，港湾岬角交错，岛屿罗布，是华北沿海良港集中地区。胶东半岛地区多年平均年径流量一般为100～300 mm，汛期6-9月的径流量占全年径流量的84%～86%。半岛地区水系发育，北流入渤、黄海的有界河、黄水河、大沽夹河、沁水河、辛安河等水系；南流入黄海的有大沽河、五龙河、母猪河、乳山河等水系（百度百科网，胶东半岛）。

本研究中，为了更好的研究海水中悬沙时空动态分布，除涵盖胶东半岛毗邻海域之外，还包括了莱州湾和黄河三角洲的部分海域。

2 数据来源及分析方法

2.1 数据前期处理

本研究采用MODIS Aqua L1B 1km数据，获取遥感影像的时间分别为2003年4月5日、2004年4月3日、2005年4月15日、2006年4月2日2007年4月3日、2008年3月24日和2009年3月14日，分别代表2003-2009年春季的海域状况。MODIS影像选取时尽量选择研究区无云或少云的影像。对获取的MODIS影像进行几何校正、辐射定标、大气校正、海域提取、云掩膜处理和图像裁剪。MODIS数据云掩膜处理操作用来保证分析的影像资料是在晴空下得到的。

MODIS数据利用其自带的经纬度信息，采用Geographic Lat/Lon投影进行几何校正，同时进行双眼皮校正。对几何校正后的图像进行辐射定标。辐射定标计算公式为：

式中：R为遥感图像像元点反射率值；DN值为1B数据存储值；Scales和Offsets值分别为反射率缩放系数和偏移值，可以在MODIS数据头文件中得到。

对辐射定标后的MODIS数据利用基于MODTRAN4大气辐射传输模型为基础的FLAASH大气校正模型进行大气校正，从而获取遥感各像元反射率值。最后对MODIS数据进行海域提取、云掩膜处理和图像裁剪操作。以上对MODIS数据的处理均在软件ENVI4.7软件中实现。

2.2 悬沙浓度的反演

在悬沙浓度反演中，Tassan等人针对地中海地区的悬浮物建立的比值模型由于其较高的反演精度和普适性而被广泛应用（Tassan，1994）。唐军武等人对Tassan模型进行了修正，使其能够适用于我国黄海、东海海域，修正后的模型（式3）反演结果与实测值相关系数高达0.79，反演精度满足研究需求（Tang et al，2004；Zhang et al，2010）。因此，本文利用修正后的Tassan模型实现研究区域悬浮泥沙浓度的反演。反演模型为：

式中：S代表悬浮泥沙浓度，Rrs（488）、Rrs（555）、Rrs（645）分别对应488 nm、555 nm、645 nm波段的遥感反射率。

2.3 GIS空间分析

空间分析是基于地理对象的位置和形态特征的空间数据分析技术，其目的在于提取和传输空间信息，是地理信息系统的主要特征（梁艳平，2003）。

（1）为了更好的说明胶东半岛海域悬沙浓度时空分布规律，本文利用ARCGIS空间分析模块分别在胶东半岛北部沿岸和胶东半岛南部沿岸选取了6个城市样点和6个非城市样点，提取各样本点毗邻25 km×50 km海域内悬沙浓度均值，比较各样点毗邻海域悬沙浓度的差异（图2）。其中，北部沿岸城市样点分别为：龙口（C-1）、烟台（C-2）、威海（C-3），对应非城市样点分别为L-1、L-2、L-3；南部沿岸城市样点分别为：荣成（C-4）、乳山（C-5）、青岛（C-6），对应非城市样点分别为L-4、L-5、L-6。

图2 样点图

（2）为了研究海岸特征对悬浮泥沙含量影响，根据岸线信息将海岸线分为非永久性人工岸线（FYJ）、粉砂淤泥质岸线（FS）、基岩岸线JY、砂质岸线（SZ） 和永久性人工岸线（YJ）5大类。同时按照人类开发利用情况将用海类型划分为滨海旅游（A）、船舶和电厂工业（B）、海岸防护工程（C）、海水养殖业（D）、海洋交通运输（E）、未开发（F）、盐业（G）、渔业基础设施（H） 共8种主要用海类型。基于研究区近海泥沙分布经验常识和数据源精度限制我们提取了近海方向50 km缓冲区内的悬浮泥沙浓度，利用空间分析模块针提取并统计不同岸线类型和用海类型矢量图层的浓度信息，分析岸线类型和用海类型对近岸海域悬浮泥沙时空分布的影响。

3 结果和讨论

3.1 悬浮泥沙时空分布规律

利用Tassan模型反演的近岸海域悬沙浓度分布结果与刘芳（2006）、邢飞等（2010） 的研究结果基本一致（图3），说明反演的精度能够满足实际监测的需要并做进一步分析。反演结果表明近岸海域悬浮泥沙浓度较高，从陆到海悬浮泥沙浓度递减（图3）。胶东半岛邻近海域悬沙浓度存在四个高值区，分别为莱州湾海域、成山头附近海域、鳌山岛海域和胶州湾海域。莱州湾海域浓度最高，悬沙浓度最大可达849 mg/L。成山头附近海域为次高值区，悬沙浓度大于100 mg/L，并以岸线为中心向海扩散，呈马鞍状形态。鳌山岛海域、胶州湾海域每年春季也存在一个浓度大于100 mg/L的高值区，但是范围远小于莱州湾海域和成山头附近海域。

2003-2009年间胶东半岛沿岸海域悬沙浓度呈明显的递增趋势，悬沙浓度高值区范围不断向海扩散，尤其是成山头附近海域。究其原因是莱州湾中高悬沙区域在受到山东半岛北部沿岸流的作用下，不断从莱州湾沿着山东半岛北部海岸线向东运移。进一步分析表明，在胶东半岛北部海域，悬沙浓度自西向东依次递减，而且此海域内悬沙浓度呈现明显的年际递增现象。尤其对于L-1和龙口（C-1）两个距离莱州湾最近的样点，相比于其它样点浓度变化更为剧烈（图4（a））。

胶东半岛北部悬沙时空分布的主要因素为黄河入海泥沙、黄海北部水团和山东半岛北部沿岸流的作用，莱州湾湾内聚集的黄河入海泥沙在沿岸流的携带下自西向东流动的过程中，由于受到北黄海冷水团的作用。流幅不断减小，流速不断减弱，因而使山东半岛北部沿岸悬沙自东向西减少（鲍献文等，2010）。这种长年存在的山东半岛北部沿岸流同时也是造成莱州湾内泥沙自西向东运移的主导因素。黄河泥沙入海量的减少使得黄河入海口附近海域悬沙浓度逐年递减。

图3 基于MODIS的2003—2009年山东省毗邻海域悬浮泥沙浓度

在胶东半岛南部，悬沙浓度变化的规律性异质性强。荣成（C-4）、L-4和L-5点毗邻海域悬沙浓度较高，乳山（C-5）、青岛（C-6） 和L-6点毗邻海域悬沙浓度较低。荣成（C-4）和L-4点位于老铁山悬沙浓度高值区处，L-5点毗邻海域位于鳌山岛海域悬沙高值区范围。荣成（C-4）、L-4、乳山（C-5）三样点毗邻海域悬沙浓度年际变化趋势大抵相同。位于鳌山湾附近的L-5样点毗邻海域悬沙浓度呈年递减趋势。青岛（C-6）、L-6样点毗邻海域大致呈一个年际递增趋势（图4（b））。

图4（a）胶东半岛北部沿岸样点毗邻海域悬沙浓度时空变化图；（b）胶东半岛南部沿岸样点毗邻海域悬沙浓度时空变化图

以荣成（C-4）、L-4、乳山（C-5） 为代表样点的毗邻海域悬沙浓度的高低主要受到成山头海域的影响。成山头附近海域高值区是由其淤泥质海底、流经此的山东半岛北上沿岸流、山东半岛东向沿岸流、黄海暖流等因素相互作用影响形成的。由于大洋环流系统存在一些随机性，因而成山岛附近海域悬沙浓度常年较高但是在时间尺度上规律性不明显。

胶东半岛南部，城市区域的悬浮泥沙浓度比周边非城市区的浓度要高，说明在胶东半岛南部在悬沙浓度的时空变化可能与陆源物质的输入、城市化发展等因素影响有关。至于这些因素如何影响此海域的悬沙分布还需进一步验证。

3.2 不同海岸线类型及海岸带用海类型对悬沙浓度影响研究

悬浮泥沙的时空分布通常受到径流、潮汐、海岸地貌、海底底质类型、潮流、水团、盐淡水混合及风浪作用等多种因素的影响（秦蕴珊等，1982；张经等，1985）。前人大都基于以上某一因素研究悬沙时空分布特征，如杨作升等对于黄、东海毗邻海域悬浮体与水团对应关系的研究（杨作升等，1991）。

海域中悬沙浓度变化是水动力作用下泥沙输移、沉积和再悬浮等运动过程的直接表现，海洋的主要的水动力因素——波浪和水流等都是季节性变动的，因此同一季节不同水动力因素对于悬沙浓度空间变化的作用大致是相同的（陈沈良等，2004）。

不同的岸线类型和用海类型改变了悬沙影响因素的自然分布特征和原有运动轨迹，进而间接的导致悬沙分布特征发生改变。

本研究基于2003、2006、2009年同一时段悬沙分布信息分析海岸线和用海类型对于悬沙空间分布的影响而不考虑其它水动力条件是可行的。

图5（a） 可以看出：岸线为粉砂淤泥质的海岸带地区近海悬浮泥沙浓度最高，非永久性和永久性人工岸线次之，砂质岸线和基岩岸线对近岸水体中悬沙含量影响最小。各种类型的岸线对于岸段内悬沙的影响主要源于波浪和海流对于海岸的侵蚀作用，粉砂淤泥质海岸最易侵蚀，砂质岸线和基岩岸线相对来说质地比较坚硬、致密，侵蚀作用比较微弱。

针对各种海岸带地区用海方式（图5（b）），用于制盐业、海水养殖业和未开发岸段海域中悬沙浓度较高，用于滨海旅游、船舶和电厂工业、海岸防护工程、海洋交通运输和渔业基础设施岸段海域中悬沙浓度较低。上述研究结果不难看出不同用海类型与海域中悬沙浓度的高低相关性显著。利用海水进行制盐工业时海域中悬沙浓度最高，用于制盐工业的岸段临近海域内悬沙浓度高的原因在于制盐本身的工序，利用海水晒盐，粗盐从海水中结晶出来的时候夹带的泥沙和杂质又会重新投入邻近海域，进而会增大此海域的悬沙浓度。而用于海水养殖作业的岸段，由于海水养殖而产生很多残留物和排泄物，必然会增大海水的浑浊度，在海洋水色反演上表现为悬沙浓度较高。其他用海类型由于所占比例较少对海域中悬沙浓度影响则不是特别明显。总之，在海岸带区域发展过程中，区域尺度上高强度的人工干扰越来越影响到近岸海域悬沙浓度和分布特征。

图5（a）各岸线类型毗邻海域悬沙浓度变化

4 结论

本次研究利用Tassan模型和MODIS影像反演研究区近海海域悬沙浓度，并对反演结果进行分析，得出的结论如下：

（1） 利用MODIS数据基于Tassan模型反演的近岸海域悬沙浓度时空分布规律与前人研究结果一致，说明利用遥感影像分析近岸海域悬沙浓度时空变化的可行性。

（2）悬沙浓度空间上的总体分布趋势为沿岸高，从近岸到远海悬沙浓度递减。研究区内每年春季存在四个悬沙高浓度区。胶东半岛北部海域悬沙浓度自西向东依次减少。胶东半岛南部海域没有明显的递增或递减趋势，距离成山头海域附近的荣成（C-4） 和L-4毗邻海域、位于鳌山头海域的L-5毗邻海域悬沙浓度值较高。

（3）2003-2009年间胶东半岛沿岸及大洋海域悬沙浓度均有不同程度的增加，悬沙不断向海扩散。莱州湾内高浓度悬沙顺着山东半岛北部沿岸向东部海域运移。胶东半岛北部样点毗邻海域悬沙浓度呈明显的年际递增趋势；胶东半岛南部样点毗邻海域悬沙随时间的变化规律性不明显。

（4）除自然因素影响外，胶东半岛海岸带悬浮泥沙时空变化同现阶段城市发展、海岸线类型和海岸带地区用海类型等人类干扰有密切联系。

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（本文编辑：郭筝）

Spatial and temporal analysis of solid suspended matter in inshore waters of Jiaodong Peninsula

MENG Ling1，2，BI Xiao-li1，QU Fan-zhu1，2
（1.Yantai Institute of Coastal Zone Research，Chinese Academy of Sciences，Yantai 264003，China；2.Graduate University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China）

TP79

A

1001-6932（2012）05-0581-07

2011-10-31；

2012-07-02

中国科学院知识创新工程重要方向项目（kzcx2-yw-224）。

孟灵（1987-），女，硕士研究生，主要从事海洋遥感研究。电子邮箱：lmeng@yic.ac.cn。

毕晓丽，博士，副研究员。电子邮箱：xlbi@yic.ac.cn。