崇明东滩潮沟发育特征及其影响因素定量分析

陈 勇，何中发，黎 兵，赵宝成

上海市地质调查研究院，上海 200072

0 引言

在长江流域“蓄、拦、引、调”等人类工程活动以及地质环境变迁的新形势下，长江口入海泥沙量呈显著下降趋势，对长江口滩涂地貌的发育与演化产生了深远的影响［1］。潮沟作为崇明东滩发育的典型地貌因子，是潮滩与外海进行物质和能量交换的主要通道，它通过不断地侧向迁移、摆动来改造或破坏潮坪沉积，同时影响滩地的稳定性。因此，通过对潮沟空间分布与影响因子进行研究，可以更深刻地了解潮滩地貌形态特征及其发育演变的规律性，对海岸工程建设、滩涂资源的合理开发以及潮坪沉积的分析均有重要意义。近年来，涉及潮沟研究的学术成果为数众多，主要形成了以断面法为代表的常规实地调查［2－3］与遥感调查两大研究思路［4－6］。前者调查精度高，通过准确获取滩面、潮沟的几何特征，断面地形、沟深、表层沉积物特征等综合信息，开展了深入的潮沟特征及演化机理定性研究，极大提升了对潮沟及其环境效应的认识，这种方法在局部“点”上具有较大优势。但由于潮滩通达性差、野外实地调查诸多不便、成本高、调查周期长等原因，增加了研究数据的获取难度；且仅根据不同时期较短时间内测量的有限几条断面数据，缺乏对大范围空间特征的整体把握。后者是获取地貌特征的有效手段［7－8］，有着快捷、经济的优势，能快速获取潮滩的时空分布及演化特征，进而对演化特征开展定量分析；但目前多停留在几何形态特征分析阶段，还缺乏对几何形态形成机理及影响因素的深入探讨。由于潮沟发育影响因素复杂［9］，加之两种手段各具局限性，目前还未见通过定量分析手段研究潮沟的形成及其驱动因素的成果发表。

崇明东滩作为长江口最大的边滩，是崇明国家级鸟类自然保护区以及崇明国家地质公园的核心组成部分，潮沟的发育与演化对滩涂生态保护、地质遗迹景观等均产生着重要的影响。基于此，笔者以遥感、GIS等技术为手段，通过对潮沟的解译及多项影响因素的提取，开展了潮沟发育与影响因素相关性分析，旨在明确崇明东滩潮沟的现状以及影响其发育的主要因素，进而为滩涂的开发与保护提供科学依据。

1 研究区概况

崇明东滩位于长江入海口、崇明岛的最东端（121°47′-122°05′E，31°25′-31°38′N）。长江河口是世界上最大的河口之一，多年平均潮差2.6m，最大潮差4.6～6.0m，为中等强度潮汐，日不等现象明显，口门平均波高和最大波高分别为1.0和6.2 m［2］。长江下泻的巨量泥沙其中近一半沉积于河口区［10－11］。东滩是长江口地区最大的一块湿地，是长江口最大的淤积带。东滩形成的历史较短，是由长江流域来沙在江海交互作用下不断加积而成的泥质潮滩。近几十年岸线推进速率达200～300m／a，潮间带面积约230km2［12］。东滩滩宽坡缓，由于滩涂围垦修筑海堤使潮上带缺失，潮滩最大宽度达13 km以上，平均高潮位以上的滩坡坡度为0.2%，平均高潮位以下的滩坡坡度为0.6%。盐沼带植被广泛发育，植被有良好的分带性，从岸向海依次发育芦苇群落、互花米草群落、海三棱藨草群落。外来物种互花米草已与芦苇和海三棱藨形成竞争态势。东滩潮沟主要分布在潮间带上部或高潮滩部位，它们起源于岸边低洼地区。由岸向海，浅而窄的树枝状小潮沟不断汇聚，形成宽而深的大潮沟，然后在潮间带变宽、变浅，最终消失。近年来，长江来沙量呈锐减趋势，潮间带的淤积速率已大大降低，部分岸段已处于侵蚀状态［12］。

2 数据与方法

2.1 数据源

采用数据源包括：2007年表层沉积物粒度数据；2008年低潮期航空遥感影像，空间分辨率0.25 m；2009年10月Landsat TM-卫星影像数据，轨道号138／038；2011年7月潮滩地形实测数据，采用PTKDGPS测量方法，测线间隔1.2km，采样间距20m。

2.2 方法

对航片影像进行几何纠正后，在ArcGIS中采用人机交互解译提取出长度大于5m的潮沟，形成潮沟空间分布矢量图。然后对矢量图按照20m×20m网格统计单位格内潮沟的长度，形成潮沟发育密度等值线图。

潮滩发育树枝状潮沟和起伏不平的潮滩皆属于不规则图形，对于不规则图形，笔者在Matlab软件的支持下采用盒子维来研究潮沟的几何形态。其原理是对于一个平面载体中的分形集图形，采用边长为r的正方形盒子覆盖，得到需要覆盖图形的非空盒子数，然后逐步缩小盒子的边长r［13］。计算公式如下：

式中：D为分维值；r为覆盖分形集图形的正方形盒子的边长；N（r）为所需宽度为r的正方形盒子非空覆盖集的数量。在本次计算中：先将潮沟矢量图导成1∶20 000栅格图，分辨率为300dpi；然后取边长为r的2个像元；随后边长呈几何级数增加，求得一系列的r和对应的N（r）；最后以lnN（r）为纵坐标，lnr为横坐标，由作出的双对数图的斜率取负来计算D。

由于植被在整个1年的生长周期中光谱特性几乎处于连续的变化状态中，且航片由于本身波段有限，加之后续处理过程中波谱信息损失严重，而陆地卫星影像在提取长江口潮滩植被中具有良好的应用效果［14］，因此本研究选择了2009年秋季TM数据来进行植被信息提取。对影像进行辐射纠正与几何纠正后，计算了研究区归一化植被指数［15］（normalized difference vegetation index，NDVI），同时采用缨帽变换［16］提取出土壤湿度与绿度指数。缨帽变换是将TM图像除热红外的6个波段压缩成3个分量。其中：绿色植被指数分量反映了绿色生物量的特征；土壤特征分量反映了可见光和近红外与较长的红外差值，它对土壤湿度最为敏感。

同时，利用潮滩高程数据通过80m×80m Kriging插值构建潮滩DEM模型。粒度数据处理则采用对采样点中值粒径进行空间插值，形成中值粒径等值线图。

待各项指标提取完毕之后，按照潮沟分支，划分出A，B，C，…，V共22个不同的潮沟单位，对各单位中的影响因子进行统计，计算各指标平均值。最后，采用线性回归统计与因子分析研究各指标与潮沟发育的关系。

3 结果

从潮沟遥感解译成果图（图1）中可以看出：由于人工堤坝对自然潮沟的切断影响，目前崇明东滩现存的潮沟均发育于人工堤坝附近，流经潮坪的上部和中部，往往在潮坪的中下部呈浅的喇叭状沟口，然后消失；其总的流向大致垂直岸线，和潮坪面的倾斜方向一致，在平面上呈树枝状水系。按照潮沟分支级数，南部潮沟普遍发育5级分支，最长的主潮沟I可达4.8km，呈蛇曲型横向摆动，沟摆动幅度可达数百米，潮沟之间间隔很小，形态复杂；北部潮沟则分级较少，一般在3级左右，主潮沟呈顺直型，不同潮沟之间距离大。潮沟发育影响因子空间分布特征图（图2）表现出区内潮沟中南部高，南部次之，北部低的特征；南部统计单元格中最大潮沟密度可达64.3km／km2，略高于江苏盐沼潮间带潮沟密度（50 km／km2）［17］。

图1 潮沟遥感解译成果Fig.1 Tidal creeks interpreted from aerial image

图2 利用RS与GIS技术提取的潮沟发育影响因子分布Fig.2 Deriving factors for tidal creek development extracted using RS and GIS techniques

利用Matlab程序计算了不同潮沟单元的分维值。研究区内潮沟分维值为1.093 3～1.614 7（表1）。其按照数值大小可以分为3个梯次：1）以D、F、H、I为代表的中南部区域分维值均在1.500 0以上，是研究区潮沟分维值最高的地区；2）以G、J、K、L、N、P为代表的中部地区，分维值为＞1.300 0～1.500 0，是潮沟分维值的次高值区；3）其余为分维值最小区域，分维值约为1.100 0～1.300 0。

表1 潮沟分形计算结果Table1 Fractal dimensions of different tidal creek units

归一化植被指数是表征植被长势的有效因子，植被长势越好，植被指数越大。归一化植被指数（图2B）显示：崇明东滩的植被在东北部地区发育最好；中部次之；南部由于长期以来为水牛放牧区，受牛群放牧、啃食和踩踏影响，加之由于盐度分布南北差异导致的互花米草在南部难以生长，植被发育最差。该结果与前人研究结果一致［18］。

土壤湿度因子结果（图2C）显示：由于南部地区植被覆盖度下降，土壤裸露面积增大，造成了土壤湿度指数增加，与实际情况一致；崇明东滩沉积物以粉砂为主，其次是细砂，泥较少，沉积物的平均粒径从低潮滩向高潮滩逐渐减小，由低潮滩到高潮滩沉积物颗粒逐渐变细。图2D显示，表层沉积物平均粒径从潮滩北部向南部有逐渐加大的趋势，反映了水动力从北向南逐渐增强的特征。

通过由潮滩高程信息建立的DEM模型结果显示：区内地势平坦，由陆向海缓倾，坡度较小，最大坡度约0.7%。南北方向潮滩高程差异也仅存细微差异，南部地表粗糙度略大于北部地区。潮沟基本发育在高潮滩地区。为进一步研究不同区域地形变化，在北、中、南部地区做了3条高程剖面，这些剖面均跨越主潮沟。结果显示，剖面低值区与潮沟的位置吻合，北部地区高程差异为0.2m，南部地区约为0.7m，反映了潮沟深度呈现南深北浅的特征。

4 讨论

4.1 潮沟空间分布特征

近10年来，由于崇明东滩自然保护区的设立，潮滩处于自然发育、演化的状态，为潮沟的发育与影响因素研究提供了一个优良场所。分维值是分形几何学中提出的尺度变化下的不变量［19］，自提出以来，一直是地球科学领域研究的热点。前人对分形特征大量的研究成果表明，分维值不仅可以研究几何特征，且隐含着丰富的地质与物理信息。冯金良等［20］、高义等［21］从海岸线分维值挖掘出了其地质意义；戴志军等［22］通过对华南海岸的分形研究，结合海岸动力地貌泥沙供给对海岸稳定性进行了评价。潮沟是滩涂与海洋进行物质和能量交换的通道，是潮流与径流共同作用的产物，其分维值不仅反映水动力条件，也能对人类围垦活动、滩涂冲淤以及潮滩底质有一定的表征。崇明东滩潮沟在成因上属于滩面水流冲刷型［9］，当近岸水动力条件较强时，滩面流水能量加强，滩面侵蚀加剧，会造成潮沟冲刷深度加大，潮沟分支增多，在潮沟几何形态上的反映就是变得“复杂”，即分维值较高；崇明东滩水动力条件南强北弱，是导致中南部地区分维值高于北部的重要原因。潮沟的分维值对潮滩底质条件差异也有一定反映：潮滩沉积物越细，固结越紧密，抗侵蚀越强，潮滩越不发育；东滩底质南粗北细，与北部分维值低、中南部偏高较为一致。此外，北部植被覆盖度大，植物根系的护滩作用也是造成北部潮沟分维值低的重要因素。潮沟随着年龄的增长其分维值会逐渐增大［23］，即潮沟变得更加复杂，崇明东滩南部的团结沙围垦时间最晚，潮沟年龄相对较小，可能是造成南部虽然水动力较强、植被稀疏，但分维值依然较低的主要原因。

水陆相互作用是潮沟形态形成的塑造力。因长江口泥沙的持续供给，N、M、J、K是东滩淤涨最为迅速的地区，也是水平淤积速率最大的地区［18］，作为潮沟单元面积相对较大的地区，分维值也呈现较高值（图3），两者显示出较好的正相关性。在通常情况下，当沉积速率很高时，不断沉降的泥沙可以填没微型浅洼地，保持潮坪面的平整性。在原有潮沟的源头，不断沉降的泥沙可以埋没源头，抑制溯源侵蚀［9］；这似乎与该区情况相矛盾，造成这种情况的合理解释可能是泥沙来源以及沉积速率不是本区潮沟发育的主要影响因素。由此，可以进一步推测，在当前长江来沙减少的背景下，东滩潮沟的发育不会受到明显影响。

东滩潮沟单元分维值为1.093 3～1.614 7，大于与研究区位置接近的长江口另外一个滩涂九段沙潮沟的1.2～1.4［6］；这可能与九段沙面积小、区域之间水动力条件相近、植被覆盖差异小，以及人类干扰相对低有关。与渤海辽东湾的盖州滩＜1.5的分维值［5］和黄河三角洲1.00～1.51的分维值相比［19］，崇明东滩分维值总体与这些地区较为接近。

潮沟密度是单位面积内的潮沟长度，代表潮沟的发育强度。在研究区内潮沟密度呈现中南部高、南部次之、北部最低的特点，而分维值呈现中南部高，北、南端低的格局，二者略有差异（图3），滩涂围垦以及2001年南部堤坝的建设等人类活动是造成这种情况的主要原因。

4.2 潮沟发育影响因素相关性分析

利用因子分析方法，计算潮沟几何特征与影响因素之间的相关性（表2）。从表中可以看出，归一化植被指数与绿度相关性最强，相关系数R达0.996 4，而二者计算的均是植被覆盖信息，指标内涵完全一致，一定程度上也印证了统计方法的有效性。

图3 潮沟单元密度、面积与分维值对比图Fig.3 Comparison with creek density，fractal dimension and area of each creek system

表2 潮沟发育影响因子协方差矩阵Table2 Covariance matrix calculated from driving factors of tidal creeks

从表2中还可以看出，相比其他影响因素，潮沟密度与绿度、归一化植被指数、沉积物粒度相关性较高，R分别为－0.910 6、－0.891 9与0.873 4。植被发育制约着潮沟的发育已被前人的研究成果所证实［24－25］。这是因为植物的出现降低了水流的能量，潮流进入盐沼后，植物茎叶阻挡导致流速减小，侵蚀作用降低；同时由于植物根系的固滩作用，也使滩面不易侵蚀，所以植被发育的地方往往潮沟密度较小。表层沉积物的粒径与水动力强弱的表征，以及从潮滩北部向南部沉积物粒度逐渐变粗的趋势，反映了水动力从北向南逐渐增强。长江北支的水动力是以潮流为主、潮汐性质为辅的非正规浅海半日潮，潮波具有明显的驻波性质：北支下段潮流涨潮流速一般大于落潮流速；南支处在长江河口的过渡段，潮流和径流共同存在，流速明显高于北部，水动力条件越强，对潮滩的侵蚀越强烈。同时，平均粒度细代表黏质组分增多，流水侵蚀黏土质点需要较高的流速，黏土可以胶结沙粒，尤其在潮间带，沙泥沉积物由于出露而干结，抗侵蚀能力也明显增强。所以当潮坪沉积具有较高的含泥量时，潮坪沉积不易被侵蚀，不易产生潮沟或形成大潮沟，这较好地解释了北部颗粒细、潮沟不发育的现象。

在起伏明显的潮坪面上，落潮以后，在低洼处可以截留较多的海水，这些浅洼处常可成为一些潮沟的源头。从这些源头开始，落潮后的滩面水流渐渐刻蚀出潮沟的雏形；所以起伏愈明显，潮沟愈发育［9］。但在本地区，由于潮滩整体非常平滑，该指标对潮沟的影响不甚明显，与潮沟的发育密度相关性较低。

表层沉积物粒度在地物波谱反射率上具有较明显的诊断信息［26］，而土壤湿度信息与沉积相特征具有一定的相关性，Choi等［27］的研究成果表明，潮沟发育与沉积相具有较好的相关性，由此可以推断，潮沟的发育应该与区内的土壤湿度信息具有良好的相关性，但因子分析的结果却与推断不一致。造成这种情况的原因可能是Ryu等［26］研究的区域主要是光滩地区，且退潮后潮滩暴露地表较长时间，与本文的研究条件不符，同时缨帽变换提取的湿度指标在潮滩地区也存在较大的误差。

值得注意的是，分维值与潮沟密度关系不甚紧密，相关系数仅为0.339 3，两者的内涵可能也存在一定的差异；密度反映更多的是潮沟发育的强度，与易发程度有关，而分维值反映的是复杂程度，受演化时间长短的影响较大。这也是南部地区潮沟密度大、但分维值较低的原因。

5 结论

1）崇明东滩共发育22条一级潮沟，按一级潮沟进行单元划分，各潮沟单元分维值约为1.100 0～1.620 0；在空间上分维值呈现中南部高，北、南端低的格局；潮沟发育密度最高达到64.3km／km2，潮沟密度分布中南部高，南部次之，北部最低。

2）潮滩植被及由水动力条件导致的底质差异是影响崇明东滩潮沟发育的主导因素，而潮沟发育与地形、沉积速率关系不甚密切。由此可以推断，在长江口来沙量减少的背景下，东滩沉积速率会发生一定的变化，但该区潮沟地质景观不会出现大的改变。增加植被覆盖度是维持滩涂稳定性的有效手段。

3）人类活动（围垦）影响了潮沟的发育，堤坝的修建是造成潮沟分维值与潮沟密度在空间上相关性不强的主要原因。

由于数据的限制，本文只提取了一个年份的潮沟信息，在后续的工作中，有必要对多个年份的潮沟演化规律做深入研究，进一步探讨形成机理与影响因素，以期更好地为滩涂的保护与开发提供科学依据。

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