基于遥感技术的昌黎黄金海岸沙丘变迁研究

薛永倩，李秀梅，姚海云，刘宪斌，赵亮

(天津科技大学海洋与环境学院 天津市 300457)

基于遥感技术的昌黎黄金海岸沙丘变迁研究

薛永倩，李秀梅，姚海云，刘宪斌，赵亮

(天津科技大学海洋与环境学院 天津市 300457)

昌黎黄金海岸沙丘的规模、气势和连续性在我国独树一帜，是世界上罕见的海岸地貌景观，也是研究海洋动力和海陆变迁等海岸地貌过程的天然实验室。本研究利用TM遥感影像和Google Earth数据，采用遥感技术对秦皇岛市昌黎黄金海岸典型海岸沙丘的移动变化做了系统的研究，得到近32年昌黎黄金海岸沙丘的时空变化规律。结果表明，新开口以北研究区的沙丘经过32年的变化大多转化为其他地物；以南的沙丘在32年间面积急剧减少，形状上由 “狭长”型变化为 “矮胖”型，重心由西南向东北转移。沙丘变化受自然和人为两方面的影响，人为因素起着主导作用。

黄金海岸；沙丘；遥感技术；转移矩阵；时空分析

海岸沙丘是砂质海岸带广泛发育的一种地貌类型，反映了陆地、大气和海洋三者之间的相互作用，海岸风沙沉积承载了海平面变化和海岸环境演变的重要信息[1-3]。昌黎黄金海岸是我国典型的风沙作用海岸，沙丘是昌黎黄金海岸国家级自然保护区必不可少的重要组成部分，是生态系统平衡的重要条件，在保护生物多样性方面起着重要的作用。关于昌黎黄金海岸沙丘的沉积特征和成因，已有学者进行了研究[4-6]，沙丘的移动变迁也有不少学者进行了探讨[7-10]，但时间上较为分散和滞后。本文采用Google Earth遥感影像资料，运用遥感技术，直观监测1984-2016年保护区内沙丘的时空变化过程，综合分析近32年来昌黎黄金海岸沙丘的时空变化规律，为当地的旅游资源和自然保护区提供必要的技术支持以及为预测未来沙丘的时空变化提供科学依据。

1 数据与方法

1.1 研究区概况

昌黎黄金海岸沙地是中国海岸带中典型的海岸沙丘分布带，地处河北省秦皇岛市昌黎县东部沿 海 ， 位 于 119°13′55′′ - 119°19′44"E、 39°28′27′ ′ - 39°40′41′′N 之间。 沙丘自东北向西南呈链状分布，北界为大蒲河，向西南延伸至滦河三角洲北侧，由新开口向南、向北分为两部分 (图1)。北部研究区介于大蒲河和新开口之间，南部研究区介于新开口和滦河三角洲北侧之间，主要位于翡翠岛，是我国重要的海洋类自然保护区，其海洋大漠风光国内独有、世界罕见。研究区属暖温带半湿润大陆性季风气候，光照充足、四季分明、雨热同季。年均气温10.1～11.0 ℃；年均降水量630 mm，较全市略少5%左右，是秦皇岛市降水较少的区域；年降水分布不均，多集中在6-8月；年均蒸发量1 580 mm；年均风速2.9 m/s。

图1 研究区范围

1.2 数据处理与方法

数据主要来源于Google Earth 影像资料，时间尺度是1984-2016年，为专题成像仪 (TM)传感器的卫星影像数据，其中2007-2016年的数据参考了Digital Global的高分辨率影像，运用RS和GIS技术对研究区进行遥感影像综合解译，提取研究区域内1984-2016年的昌黎黄金海岸沙丘，在此基础上，对32年间沙丘的变迁进行了时空分析。北部研究区沙丘经过32年转化为多种地物，因而对北部研究区运用马尔科夫模型计算1984-2016年的动态转移矩阵，研究沙丘的转换态势。南部研究区沙丘32年间的变化与北部相比速度缓慢，地物转换较为单一，因此侧重选用重心转移模型研究沙丘的移动状态。

2 结果与分析

2.1 北部研究区

根据1984年沙丘的连通性状态，将北部研究区沙丘分为两部分，一侧向陆一侧向海。在1984-2000年之间，向海一侧沙丘相比向陆一侧变化不是很大，向陆一侧沙丘由起初的完整状态逐渐变得破碎，随着时间的推移，向陆一侧的沙丘开始呈现出离散化现象，破碎程度逐渐加剧，处于极度的不稳定状态，该变化由新开口向大蒲河方向逐渐向北移动，沙丘面积不断减少，直至2000年向陆一侧的裸露沙丘已完全消失 (图2)。1984年，北部研究区的沙丘总面积为543.40 ha，到2000年仅剩157.47 ha，减少幅度达到71%。这与改革开放之后成立新开口渔港经济开发区、人类活动对该区域的沙丘的影响密不可分。

2000年后，向海一侧沙丘逐渐消亡，到2016年，北部研究区自然状态沙丘几乎完全消亡，主要变化为滩地、湿地、裸地、林地、建筑用地、河流、海水、公路、旅游用地等地物 (图3)。随着旅游业的发展，北部研究区的沙丘主要存在于人为建立的滑沙中心和沙雕大世界等旅游景点。

图2 1984-2000年北部研究区沙丘变迁图

由北部研究区1984-2016年的转移矩阵(表1)可知，1984年北部研究区内的沙丘，经过32年的变化，转化成为高尔夫球场、公路、海洋公园、建筑物、林地等地物，这些地物大多是经济发展带来的产物，其中林地所占面积最大，占原来沙丘面积的47%，其次是高尔夫球场，占原来沙丘面积的16%，而原来的沙只剩余10%，可以看出，人类活动对于沙丘的破坏是不可忽视的。值得一提的是有一部分沙变化为了海水，占原来沙面积的6%，比例虽然不是很大，但是反映出在32年间，大蒲河至新开口之间的海岸线整体是向陆地移动的，说明此地存在海岸侵蚀的现象，致使海岸线向陆方向后退。

图3 2016年北部研究区土地利用图

表1 1984-2016年北部研究区土地利用动态转移矩阵

2.2 南部研究区

南部研究区上平行海岸线、走向呈NNE-SSW 的海岸沙丘为国内规模最大、形态最为典型的横向沙脊[7]。

对1984-2016年南部研究区沙丘进行矢量提取，统计结果显示 (图4、图5):32年来沙丘的形状由最初的 “狭长”型变化成 “矮胖”型，沙丘的NNE-SSW向最大长度由11.9 km变化为7.01 km，变化速率为-0.15 km/a，2003-2008年变化速度最快，变化速率为-0.58 km/a。沙丘的面积整体呈下降趋势，2008年后基本趋于稳定。南部研究区1984年沙丘面积有1179.95 ha，2016年仅剩460.91 ha，占原来沙丘面积的39%，32年间沙丘面积变化速率最大的时间段为1987-1996年，10年间减少幅度达到35%。1984年沙丘处于完整状态，之后沙丘逐渐出现破碎化，1998年破碎程度已相当严重，以西南部和东北部破碎程度最高，西南破碎化程度尤为显著。1998年研究区东南部沙丘已经消失，2003年西南部沙丘也已消亡，之后沙丘面积继续减少，直到2008-2016年沙丘趋于稳定。

沙丘由西南向东北方向减少。从重心转移上看，32年间沙丘的空间分布发生了很大变化，总体上向北偏东30°移动了412.7 m，过程中又呈现出往复式的移动状态 (图6)。1984-2008年方向向北，1984-1998年重心转移幅度很大，向北偏东46°移动了228.24 m，1998-2003年转移幅度较小，向北偏西8°移动了64.02 m，2003-2008年转移幅度较大，向北偏东6°移动了202.66 m。2008-2016年方向向南，重心转移幅度较小，2008-2013年向南偏东27°移动了55.03 m，2013-2016年向南偏东20°移动了19.95 m。这主要是受沙丘变化的影响，1984-2008年沙丘面积的减少主要发生在南部，因而重心整体向北转移。2008-2016年沙丘面积的减少主要发生在北部，因而重心整体向南转移。

图4 1984-2016年南部研究区沙丘变迁图

图5 翡翠岛沙丘1984-2016年面积统计图

图6 南部研究区重心转移图

3 沙丘变化驱动因子

对沙丘动态变化起决定作用的是沙质沉积物的供应情况和强劲的方向恒定的风动力状况，它们是形成海岸风沙地貌的物质基础和主要动力，人为干预也对沙丘运动有着重要影响。总之，沙丘的变迁结果是在人为和自然两者因素的共同作用下形成的。

3.1 自然驱动因子

秦皇岛昌黎黄金海岸自然保护区位于中国的东部季风区，属于暖温带半湿润大陆性气候，四季分明，日照充足，气温较高，降水充沛。当地多变的风速、风向以及河流物质来源供应的不稳定对沙丘的时空变迁有着重要的影响。

研究区风向具有温带季风的特点，主风向分为两组，一组是以SW和W为主的离岸风，一组是以NE和NNE为主的向岸风[8]，这在一定程度上是研究区沙丘呈现出NNE-SSW方向分布的原因。春季 (3-5月)风速最大，夏秋最小[10]。由于风向的不稳定，沙丘形态不固定，尤其冬春大风季节气候干旱，降水较少，有利于风沙的搬运[5]，影响沙丘重心的转移。

依据昌黎黄金海岸沙丘沙的粒度分布和矿物组成等的分析[11，12]，昌黎黄金海岸沿岸沙丘的沙源主要为滦河入海泥沙。研究区共有大小9条河流，除了滦河为常年河流之外，其余均为季节性河流，这些河流携带的泥沙都不同程度的为研究区沙丘的发育提供了物质来源。但是由于部分年份或者季节性的断流，河流的物质来源失去了保障，所以河流的断流也是沙丘减少的一个原因。

3.2 人为驱动因子

北部研究区的沙丘在32年间的变化是最大的，1984年的大面积沙丘到2016年时几乎消亡了，这和人类的活动密不可分。在1984-2000年之间，裸露沙地大多数变化为了有林沙地，主要受人为植树造林防沙固沙的影响[10]。1998年昌黎新开口渔港经济开发区成立[13]，经济开始处于高速发展阶段，人类活动更为频繁，铁路、公路、建筑物等设施不断扩建，旅游业也更加兴旺。修建挡沙墙和道路、停车场、淋浴室等海滩旅游设施，阻隔了部分海滩沙在风的作用下向陆运移[14]。旅游季节，大量游客在海滩上活动，将海滩上较细的沙粒翻起并随水流进入海中，造成海滩沙粒的粗化[15]，不利于沙粒的启动，影响沙丘的供给。不合理的人工采沙使海滩沙量不断减少，直接破坏了海岸及海边景观，造成了岸线后退和海滩的下蚀现象。

南部研究区沙丘在这32年来的变化也是惊人的。这里建有翡翠岛生态游乐园，每年有大量的游客到此游玩，过多的游客将海岸沙滩沙频繁踩踏，风不易吹动海滩沙向沙丘移动，翡翠岛沙丘沙源减少。南部研究区沙丘的减少主要在南部研究区西南端，正是由于人工植树造林，导致沙丘出现了破碎化，其连通性被打破，沙丘在植被的分割下破碎程度越来越大，沙丘开始处于不稳定的状态，渐渐地由沙地转化为了有林沙地再到林地[10]。20世纪80年代后，滦河干流潘家口水库、大黑汀水库、滦河支流青龙河上的桃林口水库先后蓄水投入运行，加上引滦入津、引滦入唐工程的实施[16]，使得滦河入海径流量和泥沙量急剧减少，这样沙丘形成的物质来源就失去了保障，从而影响了沙丘的发育。沙量的减少使得海岸动力与泥沙的相对平衡被打破，造成了海岸线的后退现象[17]。

总之，研究区沙丘的变迁受自然和人为两方面的影响，最主要是人为造成的。经济的发展，不合理的人工采沙，以及滦河上游大型水利设施的建设引滦入津、引滦入唐等工程的实施，对于研究区沙丘的物质来源的阻断是研究区沙丘沙量减少的主要原因。

4 结论与展望

本文通过3S技术对昌黎黄金海岸沙丘进行分析，研究表明:

(1)北部研究区沙丘在32年来几乎消亡。1984-2000年间北部研究区向陆一侧沙丘完全消亡，向海一侧沙丘变化不大。2000-2016年，随着经济高速发展，北部研究区沙丘几乎完全消亡，仅剩1984年的10%。北部研究区沙丘主要转化为了高尔夫球场、林地、公路、海水、河流、滑沙场、建筑物、海洋公园等主要地物。沙丘的破碎化现象是由新开口向大蒲河方向发生的，并逐渐消亡。

(2)1984-2016年间，南部研究区沙丘面积一直处于减少趋势，但在2008年以后这种趋势得到了控制，沙丘面积变化速率最大的阶段为1987-1996年。南部研究区沙丘重心由西南向东北转移，过程中呈现出往复式的移动状态。

(3)翡翠岛沙丘的高度呈现出波浪式的下降趋势，受当地风向、降水以及人类活动等影响，一般一年中前半年沙丘要高于后半年。

沙丘变化受自然和人为两方面的影响，人为因素起着主导作用。20世纪90年代滦河建设大量水利设施使得沙丘形成的物质来源阻断；当地旅游业的快速发展直接影响了沙丘的自然发育和演变；人工采沙致使海岸动力与泥沙的相对平衡被打破，造成海岸线后退和海滩的下蚀。十三五规划 (2016-2020)坚持陆海统筹，提出加强海岸带保护与修复，主张因地制宜建设海岸景观。在国家政策的推动下，更应对昌黎黄金海岸保护区加强管理，建立健全的相关法律法规，在固沙的前提下，合理采沙，合理发展旅游经济，定期开放旅游景点，平衡自然与经济利益之间的矛盾，促进旅游业的可持续发展，维持现有海岸沙丘地貌及其稳定性，保护沙丘生态环境。

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2017-08-31

国家重点研发计划 (2016YFC1401602)；2016“大学生创新创业训练计划”。