基于B-L曲线的河-海划界研究

肖 锐，蒋雪中

(华东师范大学 河口海岸学国家重点实验室，上海 200062)

基于B-L曲线的河-海划界研究

肖 锐，蒋雪中*

(华东师范大学 河口海岸学国家重点实验室，上海 200062)

入海河口是河流向海洋过渡的区域，作为海岸带的一部分，具有独特性与复杂性，基于岸线形态的海岸地貌学指标与众多河口参数具有密切的联系与影响，而以地形节点作为河-海划界方案具备可行性与可操作性。在河流中心线上某点处，定义河流宽度(B)和沿河流中心线到口门处距离(L)的B=f(L)函数来实现河-海划界的定量划分，并对不同类型河口使用该函数曲线寻找地形节点进行河-海划界。结果表明：沙坝或堵塞型河口其地形节点处的河流展宽速率在-0.5～0之间；河道状河口及河网状三角洲其地形节点处的河流展宽速率在0.5～1.2之间；河口湾型河口的地形节点处的河流展宽速率在0.6～1.5之间；喇叭形三角洲河口其地形节点处的河流展宽速率在1.3～4.5之间；鸟足状三角洲和扇形三角洲的入海河口段的河流展宽速率在0～0.2之间，建议以口门处作为地形节点。应用此方法对我国大陆入海河流进行河-海划界，并进行中国大陆河口岸线长度量算，取得良好效果。

河-海划界；地貌学指标；地形节点；河流展宽速率

0 引言

海岸带已经成为人类活动的重要区域[1]，入海河口由于河流向海大量的物质输送，往往拥有丰富的自然资源，成为海岸带重要的组成部分之一，河-海划界研究也是海岸带科学管理的重要内容[2]。但是在实际实践过程中，河口受到潮汐和径流的影响，动力地貌常多变化，导致在河-海划界时还有许多模糊之处。致使诸多河口区没有明确统一的河-海分界线，也使得各个管理部门的管理范围不明确，对河口区域的开发和保护工作有很强的阻滞[3-4]。

目前关于河-海划界的理论研究多针对特定河口[4-5]。这些河口观测数据丰富，不同学科的学者可以基于各自的方法和原则，进行河-海划界研究。现在河-海划界的指标系统主要分为以下三类：地貌沉积指标系统，将拦门沙、沙坎、水下三角洲等水下地貌作为划分河-海界线的标志[6]；水文指标系统，河口区域的河水与陆架海水的混合使得其存在盐度梯度，以其多年的盐度平均值来划分河-海界线[7-8]；生物指标，依据河口区独特的生态系统结构、组成的规律性分布，采用某些特殊的生物指标来作为河口区域的海陆划界[8-10]。基于不同的方法与原则，同一河口的划界结果也有所不同，甚至存在争议。

本文尝试利用河口地形节点，提出定量的指标进行河-海划界，并针对不同类型的河口，找到其地理学上的含义，明确河-海划界规则，提高河-海划界可操作性，精确计算海岸线长度，为海岸带管理和可持续发展与保护提供数据和依据。

1 数据与方法

入海河口区域的水文环境受径潮流的影响，在河流的河口段，由于径流与潮流两种力量的相互消长，在此范围内河流慢慢展宽，常形成地形上的节点[11-13]。节点以上，河宽较小，其变化也比较平缓；节点之下，河流迅速展宽，河宽的变化也更为剧烈。同时地形节点的位置也影响着河口的水文环境与生态系统[14-15]。因而以地形节点作为河-海划界方案有理论依据，并且以地形节点作为河-海划界方案也具有实际可操作性。

尝试通过定义河流宽度B和沿河流中心线距离口门处距离L，建立函数B=f(L)来实现定量划分。利用B=f(L)函数的二阶导数来寻找B-L曲线拐点(1条B-L曲线可能出现多个拐点)，然后结合曲线拐点处的河流宽度、河流展宽速率等变量来共同限定，寻找河流地形节点，若无法找到合适的拐点就直接通过河流宽度、河流展宽速率来寻找合适位置作为地形节点，如图1所示。

图1 典型河流入海口示意图Fig.1 Typical estuaries schematic

在确定研究对象后，采取如下步骤获得B-L曲线：(1)通过海图或者卫星影像获取河流的岸线形态，分别对河流的两侧岸线以合适的距离作缓冲区，获得缓冲区边界的交点，不断以不同的距离重复获取交点，然后依次连接各个交点所得到的即为河流中心线。如此获得的河流中心线可以确保线上的每一点到两条岸线的距离相等。(2)以口门处为原点O，河流中心线方向为x轴方向，沿x轴选取适当数量河流中心线上的点，每个点沿x轴到原点的距离就是参数L。依次在每个点上作河流中心线的垂线，与岸线有两个交点，通过两个交点的几何关系计算出河流宽度，即参数B。(3)以L为横坐标，B为纵坐标得到函数：

B=f(L)

(1)

对B=f(L)函数进行微分处理获得一阶导数ϑ为：

(2)

二阶导数ω为：

(3)

实践中B-L曲线均通过海图或Landsat/TM、ETM、OLI系列卫星影像获取。由美国地质调查局(United States Geological Survey，USGS)(http://glovis.usgs.gov/)提供的美国陆地资源卫星影像，具有覆盖面广，更新周期快等特点，且30 m分辨率可以清楚地提取全球的大中型河流细节，能够满足研究的数据精度要求。所下载得到的卫星影像，首先借助ENVI 5.1提供的FLAASH大气校正模块，对所有影像作大气校正处理，然后利用ENVI 5.1提供的Image to Image几何校正模块进行几何精校正，最后对几何精校正后的影像作拼接和图像增强处理。

2 不同类型河口的河-海划界

现代河口都是在冰后期海侵的基础上形成的[12-13]。基于不同的地质地形背景，形成了三种不同岸线形态的河口类型：河口湾河口、过渡型河口和三角洲河口，其中三角洲又可依据其形态不同分为：喇叭形三角洲、河网状三角洲和径流型三角洲[13,16-17]。不同类型的河口，其地形节点处的河流展宽速率范围不同、距口门处的距离范围也不同。

2.1 河口湾型河口的河-海划界

河口湾型河口，例如中国的钱塘江河口、英国的泰晤士河河口、法国的塞纳河河口等都属于此类河口，平面外形呈漏斗状，径流作用小，河流来沙较少，潮差大，潮流作用占主导优势，一般无三角洲发育，且由于潮流深入河口的影响，使得在平面河槽地形上有深入口门以内的沙坎。

以钱塘江河口为例，依据B-L曲线寻找其地形节点。通过遥感影像提取钱塘江河口的地理位置(图2)，使用上述方法量算获得B-L关系曲线，并对B-L曲线进行微分处理得到河流展宽速率曲线(图3)。如图3所示钱塘江河口沿河流中心线由口门处向里，河流宽度逐渐变小，变化速率先增大后减小，分别在距离口门56.85，104.07，127.28和154.38 km四处形成四个拐点分别对应图2中的A、B、C、D四个位置。如图在A点处以海浒新村附近河槽断面作为海陆分界线，此处的河流展宽速率为杭州湾河口区域的最大值达到2.6。以此处作为河流的海陆分界线其缺点在于：钱塘江河口属于强潮型河口，此处距离口门处仅56.85 km，进潮量远大于径流量，潮汐作用强烈，且由于海洋动力控制较强，钱塘江北岸受海岸侵蚀严重，而南岸相对处于淤长状态，岸线节点的位置不断发生变化，分界线划分在此不是十分稳定，因而不建议以此处作为钱塘江河口的海陆分界线。B点位置为澉浦长山附近的河槽断面，如以此节点位置作为海陆分界线，沿河流中心线距离口门处约104.07 km，河流展宽速率为0.65。杭州湾水下地形以此为分界线，在此界线以外为口外海滨，地势较为平坦，在澉浦以西河道抬高。因而将界线划分在此，符合钱塘江河口的水上河流岸型和水下地形，是较为理想的河-海划界方案。在C、D两点的位置分别对应大尖山和丁桥镇两处，两处的河流展宽速率分别为0.35和0.27，并未形成河流的突然性展宽。虽然D点被认为是喇叭状河口的起点，但是C、D两处已经深入口门以内，且从岸线形态和水下地形地貌的角度并未在此形成明显的海陆分界，因而也不建议以此作为钱塘江河口的河-海划界。

图2 钱塘江河口的地理位置Fig.2 Geographic location of Qiantangjiang River Estuary

图3 钱塘江河口的B-L曲线和河流展宽速率Fig.3 B-L curve and the rate of river width variation for Qiantangjiang River Estuary

通过同样的方法，对国内外的多条河口湾型河口提取B-L曲线，河-海划界的结果如表1所示。分析此类河口的河-海划界结果可以发现：此类河口的地形节点比较深入口门以内，地形节点处的河流宽度与口门处的河流宽度相差甚远，地形节点处往往并不是在河流展宽速率最大位置，而是在0.6～1.5之间的范围内。

表1 河口湾型河口河-海划界方案Tab.1 Result of defining the river-sea boundary for firth estuary

2.2 过渡型河口的河-海划界

过渡型河口是处于河口湾与三角洲两大类型之间的河口类型，河口整体呈现河道形状，无明显的三角洲发育，例如射阳河、飞云江等。对于部分河口，由于流域有一定的来沙，易在口门处形成沙坝，堵塞河口，例如夹河。可以分为沙坝或堵塞河口与河道状河口分别说明。

2.2.1 沙坝或堵塞河口的河-海划界

此类河口口门处由沙坝和潟湖组成，或者有季节性沙丘堵塞河口。其形成原因大致分为两种：一是河口在形成时期，由于口门处的堆积物堆积而成；另一种是由于径流或潮流携带来的泥沙沉积发育沙嘴形成沙坝。两种情况都会导致河口在口门处的向内骤然缩窄，进而使得在口门处的河流展宽速率呈现负值。选取国内外数条河流，依据B-L曲线方法为该类河口寻找地形节点，结果如表2所示。总的来说，该类河口的地形节点位置一般是在口门处，以沙嘴连线作为河-海划界。该位置并非B-L曲线拐点，河流展宽速率一般在-0.5～0之内。

2.2.2 河道状河口与河网状三角洲的河海划界

此类型河口平面外形呈河道形状，在口门附近略呈喇叭状，径潮流均有一定势力。这种河口有两种形成方式，一是由于地形的限制，两岸由于山岭的挟持而不能自由发展，同时上游来沙很少，向海推进的速度很慢而形成；另一种是由于流域有一定的径流来沙，但径流来沙较小从而形成稳定的河网状三角洲，其河口也呈现河道形状。图4为珠江虎门河口的地理位置示意图，图5所示为其B-L曲线。由图可知，其河流展宽速率变化曲线呈现驼峰形状，变化趋势为由口门处向里先变大再变小，分别在3.49 km和29.5 km两处形成A、B两个拐点，在A点处河流展宽速率为0.56，在B点处河流展宽速率为0.71。但此类河口由于径流作用相对较强，建议选取拐点A作为珠江虎门入海口的地形节点。

表2 沙坝或堵塞河口河-海划界方案Tab.2 Result of defining the river-sea boundary for blocked estuary

图4 珠江虎门河口地理位置Fig.4 Geographic location of Humen Entrance of Zhujiang River

图5 珠江虎门河口B-L曲线和河流展宽速率Fig.5 B-L curve and the rate of river width variation for Humen Entrance of Zhujiang River

以同样的方法获取国内外数个河道状河口和河网状河口的划界结果如表3所示。此类河口的外形呈现河道状，因而河流展宽速率较小，其B-L曲线上的拐点个数较多，但在大部分的拐点处的河流展宽速率很小(0.3以下)，可视为河流的自然摆动造成的河流展宽速率变化，不宜作为河-海划界方案。若基于B-L曲线的二阶导数不能找到合适拐点作为地形节点，则以河流展宽速率最大位置作为河-海划界方案，其地形节点处河流展宽速率大致在0.5～1.2这个范围之间。

表3 河道状河口与河网状河口河-海划界方案Tab.3 Result of defining the river-sea boundary for the channel-form estuary and interconnected estuary

2.3 喇叭形三角洲河口的河-海划界

喇叭形三角洲河口平面形态呈现漏斗状，径流含沙量较大，河口区域潮差大、潮流强、波能相对较低，容易形成潮流沙脊，发育成为三角洲。我国长江口为最典型的喇叭形三角洲河口(图6)，徐六泾是长江口三级分汊四口入海的起点，也是长江口区域的地形节点，影响和制约着长江下游河段的发育，在徐六泾之后河流突然展宽，流速放缓，同时由于潮流作用使得河槽发育，河口区域呈现江心洲河型。依据其B-L曲线(图 7)，长江口在徐六泾以下河段，其河流宽度变化较为平缓，虽有数个拐点但是其河流展宽速率均较小，不宜作为地形节点。以徐六泾(即图中所示B点位置)处的河槽断面作为长江口的河-海分界线是适当的。

使用同样的方法对国内外多条同类型河口通过提取B-L曲线进行河-海划界，其结果如表4所示。此类河口的地形节点的位置与河口湾型三角洲的地形节点同样都是深入口门以内，但在形成机制上有所差异。喇叭形三角洲是由于流域来沙较多导致两侧岸线发育，不断向海推进，使得地形节点深入河流；河口湾型河口则是由于流域来沙较少，潮流作用较强，使得地形节点不断深入河流发育。除此之外喇叭形三角洲地形节点处的河流展宽速率一般为1.3～4.5，相对河口湾型较大。造成这一规律的原因可能是由于河心洲的存在，河道束窄，水流不断向两岸侵蚀。

图6 长江河口地理位置Fig.6 Geographic location of Changjiang River Estuary

图7 长江河口B-L曲线和河流展宽速率Fig.7 B-L curve and the rate of river width variation for Changjiang River Estuary

表4 喇叭形三角洲河口河-海划界方案Tab.4 Result of defining the river-sea boundary for funnel-shaped delta

2.4 径流型三角洲河口的河-海划界

此类三角洲的前缘潮差小，波能低，动力不足，径流作用相对较强。径流出口后流速降低，而泥沙含量较大，泥沙就地沉积形成新月形的堆积体，当堆积体壅高，水位上升，在一定条件下水流会冲出一条新水道，接着在另一个较为低洼的地方形成新的新月形堆积体，循环此规律发展下去，经过多次改道就会形成扇形三角洲，例如黄河三角洲、尼罗河三角洲等。

图8 黄河河口地理位置Fig.8 Geographic location of Yellow River Estuary

以黄河三角洲为例，其以渔洼为顶点向海呈扇形发育，河槽多有改道(图8)。图9为黄河口入海河道的B-L曲线及河流展宽速率图。黄河口由口门向内河道宽度逐渐变小，但变化幅度较小，河流展宽速率也仅仅在口门附近能达到0.9。因而建议保持河口扇形三角洲的形状，以口门处作为黄河口的河-海界线。

除此之外还有鸟足状三角洲。此类三角洲由于其径流作用较强，且径流来沙较多，使得河网形成不稳定，而易形成狭长的入海通道，密西西比河是此类三角洲的典型代表。通过提取其B-L曲线得到河流展宽速率曲线也较为平滑，因而建议以口门处的岬角连线作为河-海划界方案。

图9 黄河河口B-L曲线和河流展宽速率Fig.9 B-L curve and the rate of river width variation for Yellow River Estuary

3 中国大陆河口岸线长度的量测

基于B-L曲线的河-海划界，能够更为准确地进行国内外各类型河口的河-海界限的划分，而现阶段针对中国大陆海岸线长度的量算过程中，对河口区域尚无统一标准，因而造成量算结果缺乏可对比性，本文拟采用B-L曲线方法对中国大陆入海河口进行河-海划界，并量算中国大陆河口岸线长度。

3.1基于Landsat系列遥感影像解译的年中国大陆河口海岸线长度

本文收集了中国大陆沿岸Landsat系列卫星影像169景，其中1980年33景、1990年34景、2000年34景、2010年34景、2015年34景，完整覆盖中国大陆入海河口地区。采用ENVI 5.1进行几何校正和大气校正，基于ArcGIS 10.2平台固定比例尺为1∶10 000进行目视解译，获取海岸线的位置信息。在此基础上依据B-L曲线方法选取河-海划界指标进行各类型河口的河-海划界。由此获得1980年、1990年、2000年、2010年和2015年中国河口岸线长度分别为118.03，121.64，120.18，121.18和122.87 km。

图10 遥感提取岸线与真实岸线误差统计Fig.10 Error statistics of remote sensing extracted shoreline and the real shoreline

3.2 精度分析与比较

使用海图提取岸线对基于遥感影像提取的岸线进行精度检验。收集了由中华人民共和国海事局测绘的中国东海沿海地区1∶150 000比例尺海图15幅、1∶120 000比例尺海图9幅，海图测量年份为2014年或2015年，基于ArcGIS 10.2平台对海图进行精配准，数字化提取海岸线。以200 m为间隔将提取的两条海岸线进行标准化平均分割，计算对应点之间的距离，反映二者之间的偏离因子(定义向海一侧为正)。图10所示为遥感图像提取海岸线与海图提取海岸线相对距离的频数分布，误差主要集中在-25～30 m之间，平均值为6.2 m，标准差为27.43 m。由此可知，基于遥感影像提取的海岸线存在较小的误差，精度较高。

与相关研究结果对比分析，其中许宁计算1980年、1990年、2000年、2010年和2015年中国大陆河口岸线长度为99.70，102.90，98.90，96.20和95.5 0 km[18];高义计算1980年、1990年、2000年和2010年中国大陆河口海岸线长度分别为140.60，132.70，137.80和131.80 km[19]；张云计算1990年、2000年、2007年和2012年中国大陆河口岸线长度为156.1，146.4，137.3和127.3 km[20]。与之相比较，本文使用B-L曲线方法提取的海岸线基于地形节点河-海界线划分，位置较为固定，量算结果稳定性更高；且针对各类型河口，均具有明确的参数规律，因而河-海划界更为合理。

4 结论

入海河口是一个复杂而又独特的区域，难以找到一个合适的指标体系来作为河-海划界的指标参数，基于地貌形态的B-L曲线方法能够较好地综合各个要素的影响，通过简单的操作寻找到河流入海区域的地形节点。

针对不同类型的河口，基于B-L曲线寻找地形节点的方法和结果有所不同。总的来说分为如下几种情况：

(1)河口湾型河口，依据河口的B-L曲线寻找拐点，拐点可能不止一处，需要依据拐点处的河流展宽速率、到口门处的距离、河流宽度以及结合河口规模与所处的潮汐情况，从数个拐点中挑选出合适位置作为河-海划界方案，一般其地形节点处的河流展宽速率在0.6～1.5之间。

(2)河道状河口，依据B-L曲线寻找拐点，以拐点处即为地形节点作为河口的河-海划界方案。同时若所寻找的拐点处的河流展宽速率不符合作为地形节点的要求，以口门处或河流展宽速率最大处作为河口的河-海划界方案，一般其地形节点处的河流展宽速率在0.5～1.2之间。

(3)沙坝或堵塞河口，此类河口的河-海划界一般在口门沙嘴处，此处的河流展宽速率一般在-0.5～0之间。

(4)三角洲河口，其中喇叭形三角洲依据其B-L曲线能找到一个河流拐点，此拐点位置即河口区域的地形节点，作为河口的河-海划界方案，此类河口地形节点处的河流展宽速率一般在1.3～4.5之间；河网状三角洲依据其不同的入海口分别作B-L曲线，依据拐点寻找地形节点作为河-海划界方案，如果不能找到合适的拐点则以口门处连线作为河-海划界方案，其地形节点处的河流展宽速率为0.5～1.2，与河道状河口一致；鸟足状三角洲和扇形三角洲的B-L曲线难以找到拐点，或者拐点处的河流展宽速率都小于0.2，应以最大河流展宽速率处作为地形节点，即口门处作为河-海划界方案。

采用B-L曲线的方法对中国大陆入海河口进行统一河-海划界，在此基础上通过解译遥感影像提取海岸线，2015年中国大陆河口岸线长度为122.87 km。

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Studyondefiningtheriver-seaboundarybasedonB-Lcurve

XIAO Rui, JIANG Xue-zhong*

(StateKeyLaboratoryofEstuarineandCoastalResearch,EastChinaNormalUniversity,Shanghai200062,China)

Estuary is a transitional area from river to sea, which represent an environment with complex essential factors, so they are highly different from each other in terms of the patterns of temporal and spatial variability of the processes. Generally, there are many parameters to define the boundary between the river and the sea. The relationship among the demarcation methods based on the geometric and geomorphologic character and other estuarine parameters was analyzed. For each of these, a geomorphic node may be the most suitable method to determine the location of boundary. At a point on the river centerline, a function ofB=f(L) was defined, whereBis the channel width at this point andLis the distance from this point to the entrance of estuary along the central axis of the river. By constructing a mapping function, the geomorphic node can be found and the quantitative segmentation of the boundary between the river and the sea can be realized. For different kind of estuaries, theB-Lcurve was constructed to defined the river-sea boundary based on the geomorphic node. The result show that for the blocked estuary the rates of river width variation at the geomorphic node are -0.5 to 0. For the channel-form estuary and interconnected estuary, the rates of river width variation at the geomorphic node are 0.5 to 1.2. For the firth estuary，the rates of river width variation at the geomorphic node are 0.6 to 1.5. For the funnel-shaped delta, the rates of river width variation at the geomorphic node are 1.3 to 4.5. For the bird-foot delta and fan delta，the rates of river width variation are always 0 to 0.2, and the entrance of estuary is regarded as geomorphic node. ThisB-Lcurve is applied to measure and calculate the length of estuary shoreline of China mainland, and some perfect results are acquired.

river-sea boundary; geomorphological parameters; geomorphic node; rate of river width variation

肖锐，蒋雪中.基于B-L曲线的河-海划界研究[J].海洋学研究,2017,35(3):42-53,

10.3969/j.issn.1001-909X.2017.03.006.

XIAO Riu, JIANG Xue-zhong. Study on defining the river-sea boundary based onB-Lcurve [J].Journal of Marine Sciences,2017,35(3):42-53, doi:10.3969/j.issn.1001-909X.2017.03.006.

2016-12-02

2017-04-12

国家自然科学基金项目资助(41376098，41476077)

肖锐(1991-)，男，湖北荆州市人，主要从事河口变化分析和遥感应用方面的研究。 E-mail:495934257@qq.com

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蒋雪中(1974-)，男，副教授，主要从事河口海岸变化与GIS & RS应用研究。E-mail: xzjiang@sklec.ecnu.edu.cn

P737.12+1

A

1001-909X(2017)03-0042-12

10.3969/j.issn.1001-909X.2017.03.006