近33年沧州海域围填海空间格局变化分析

丁 健，常欣悦，王志芳，李 婷，高伟明*

(1．河北师范大学资源与环境科学学院，河北 石家庄 050024；2.河北省环境演变与生态建设实验室，河北 石家庄 050024)

海洋开发一直是人类追求社会经济增长的必然选择[1]。沿海产业迅速发展、人口急剧增长以及城市扩张致使沿海地区土地资源逐渐紧张，围填海的开发利用已经成为缓解沿海地区经济发展和土地矛盾的主要途径[2]。人类意志下的、规模化的围填海开发利用活动在创造经济效益的同时也对海岸带自然环境产生诸多影响[3]。

国内外许多学者已经运用多种手段，对不同围填海地区进行了各种研究[4]。刘伟等(2008)在调研我国围填海现状后探讨了我国围填海的问题及调控对策[5]。苏涛等(2018)从海洋生物与生态环境等方面分析了大规模围填海对广西近海生态环境和生物资源的影响，并提出初步的管理对策[6]。Meng等(2017)利用GIS分析了我国围填海地区的时空变化特征和驱动因素[7]。李静(2008)结合资源经济学方法和生态学方法，对河北省围填海的社会经济效益和生态环境损害效应进行了综合评估和比较分析[8]。段金娟(2013)分析了河北省围填海整体现状并提出围填海管理建议[9]。为保证合理开发利用海岸带资源，推动沿海地区可持续发展，对围填海空间进行科学的规划、开发和监控是极其必要的[10]。

近33年来，沧州市沿海地区发展迅速，作为河北省沿海经济建设的重要区域之一，围填用海区集中了航运、制盐、滩涂养殖等多种海洋产业，经济收益不断提高，围填海面积进一步增长。然而，对河北省沧州近岸海域围填海区域演变特征和空间格局进行深入分析的相关文献还较少。因此，本研究将基于沧州海域1985—2018年遥感影像，从人工岸线比例、围填海强度与类型多样性、景观尺度和空间质心转移情况等方面构建围填海空间特征演变分析模型，定量分析沧州近岸海域围填海空间开发利用水平与时空变化特征，为该区域进行生态环境保护，推进相关产业可持续发展提供科学依据[11]。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

本研究所选择的研究范围为河北省沧州市所辖近岸海域，研究区位于华北平原东端，环渤海地区中心位置(图1)。气候类型为暖温带半湿润季风气候，气候适宜，年平均气温12.9 ℃，年平均降水量为567.8 mm。研究区地理位置优越，交通便利，地表径流密度高，入海河流较多。研究区海岸线较为平直，以粉砂淤泥质岸滩为主。伴随着经济社会高速发展，海洋产业逐渐多样化，近33年来研究区围填海面积迅速增加；围填海开发利用创造了经济效益，但同时也必然会对该区域海洋生态环境造成影响。

图1 研究区示意图Fig.1 Schematic diagram of research area

1.2 数据来源与处理

本研究以1985年海岸线作为基期海岸线，以沧州市所辖海域为研究区。选取1985、1993、1998、2003、2010、2018年6期Landsat TM/ETM+/OLI影像，原始影像来源于地理空间数据云网站( http：//www.gscloud.cn，表1)。选取含云量<5%的高质量影像，对遥感影像进行大气校正与几何校正，校正精度小于0.1；再进行波段合成与裁剪；在提取不同类型围填海要素时分别使用凸显各类空间要素特征的波段组合，可以得到更加精确的影像，以适用于各类围填海要素的识别特征。再提取研究区海岸带利用类型影像特征并参考历史文献建立各类围填海类型解译标志。在遥感影像达到可分类标准之后，应用面向对象的遥感分类方法进行信息提取。

表1 卫星遥感数据表Tab.1 Data of satellite remote sensing

面向对象遥感分类方法将对象作为基本分类单元，结合不同对象的地物光谱、空间几何、质地、纹理等特征，可以得到比传统分类方法精度更高的土地利用类型信息。本研究应用集成于ENVI中的基于样本的面向对象分类工具，首先对分类的基本类型进行划分与确定，通过人机交互方式对遥感图像中不同地物选取合适的分割尺度和合并尺度，比较不同波段组合对分类精度的影响，并根据研究对象的基本类型选择相对应的分类样本训练区，再选取不同对象的地物光谱、空间几何、质地、纹理特征，最后选择分类精确度最高的支持向量机算法(SVM)进行分类并得到分类结果[12]。重复以上步骤得到每年的分类结果，计算分类精度矩阵并参考历史文献，历年整体分类精度范围为88%～93%，满足本次研究需要。

将提取到的原始结果导入ArcGIS，结合Google Earth、资源卫星等多期遥感影像，进行人工判读并校正。以沧州海域专项调查数据、遥感数据，辅以海洋专项调查给出的岸线利用分类和《海域使用分类体系》[13]确定的用海类型进行分类，结合野外调查结果与前人研究成果[14]的基础上获取原始海岸线并得到不同年份围填海的具体情况。将研究区内围填海类型划分为围海养殖用海、生产设施建设用海(包括居民生产生活用地和含有其他工业用地的造地用海)、围填未利用区域、港口用海4个二级类型，最终得到研究区6期33年来的围填海时空变化信息。

1.3 研究方法：

1.3.1 人工岸线比例 人工岸线比例是指人工岸线长度占所要进行评价海岸的大陆岸线总长度的比例[15]，计算公式为：

(1)

式(1)中：a为人工岸线比例；h为所评价海域的人工岸线总长度(km)；H为该区域内大陆海岸线总长度(km)。a越大，表示该区域内人工岸线比例越高。

1.3.2 围填海强度指数 围填海强度指数是反映在一定区域内围填海规模大小的指标，实际意义是指在围填海区域内，一定长度的岸线上所拥有围填海区域的总面积，计算公式为：

(2)

式(2)中：Ri为某一类型岸段的围填海强度(hm2/km)；i代表某类岸线类型；Si，j为i类岸段的j分段拥有的围填海区域总面积(hm2)，n为i类岸段的j分岸段数，Li，j为i类岸段分段岸线的基期年份的海岸线长度(km)[16]。根据计算结果并参考研究区岸段的围填海工程布局的实际情况，按照一定梯度确定围填海强度等级划分指标[17](表2)：

表2 围填海强度指数等级评价表Tab.2 Reference for rating form of reclamation intensity index

1.3.3 用海类型多样性指数 使用用海类型多样性指数来体现某一海域开发利用结构的均衡性，指数值越大，说明用海类型越均衡[18]。其计算方式如下:

(3)

式(3)中：GM为用海类型多样性指数；n为该海域所包含的用海类型数；Si为该海域内第i种用海类型的总面积(km2)。GM值在0～1之间，当海域内只有一种用海类型时GM值为0；GM值越接近于1，说明该海域的开发利用类型越多样，海域开发面积越均衡，用海方式越合理。

1.3.4 空间质心转移模型 围填海的空间质心计算原理与土地利用类型质心分布公式[19]相似，计算公式如下：

(4)

式(4)中：Xt、Yt分别为在t年某种围填海类型质心的坐标；Cti表示某种围填海类型在第t年第i个区域的面积(km2)；Xi、Yi分别为该类型第i个区域质心的坐标，通过质心计算得到不同时期围填海类型质心的位置，通过获取质心迁移程度和方向，进一步分析围填海开发的空间变化规律[20]。

1.3.5 景观聚集度分析 聚集度指数(AI)和蔓延度指数(CONTAG)可以用来描述耕地在斑块类型和景观水平上的变化特征，围填海景观类型的聚集程度可以使用景观格局指标中的聚集度指数和蔓延度指数来分析[21]。通过选取斑块与景观尺度上不同时期各种类型围填海景观聚集度指数和蔓延度指数来反映围填海景观中类型的非随机性或聚集程度，可以分析出研究区内围填海区域的发展和变化情况[22]。

2 结果与讨论

2.1 围填海空间结构与分布特征

沧州近海海域集中分布了4个主要的围填海类型，即围海养殖用海、生产设施建设用海、港口用海以及围填未利用区域(表3)。1985—2018年，沧州近海海域围填海面积不断增加，1985年沧州海域围填海海域面积为0.726 km2，分布在研究区北部。到2018年，沧州海域已进行开发利用的海域面积为133.989 km2，以港口用海增加最多，增加面积为67.796 km2，占新增围填海总面积的49.26%，围填养殖用海新增面积37.750 km2，占新增围填海面积总量的27.43%，主要原因是沧州成立渤海经济区，大力推进沧州黄骅港建设，并结合当地自然条件进一步推进海洋产业特别是围海养殖业的发展。生产设施建设用海的增加主要在黄骅港区附近，由于海洋产业的逐步推进以及沿海新兴城市面积逐渐扩张，亟需大量土地空间用于相关产业生产建设，因此，在2003年后研究区内生产设施建设用地面积快速增加。新增港口用海区主要集中在黄骅港附近海域，黄骅港作为河北冀东南地区运距最短的出海口，在上世纪90年代后发展迅速，以航运业为主，多功能于一身的发展定位要求黄骅港进行大面积的扩建。由于沧州近海以粉砂淤泥质海岸为主，航道淤积现象严重，因此港口采取向深海区围填、深挖大面积海域的方式进行建设和扩展[23]。围海养殖用海面积持续增加，2010年围填养殖用海面积是1993年的3.44倍，主要集中分布于研究区北部、南排河入海口两侧。分析原因是沧州沿海地区入海河流众多，可以为近岸海域带来丰富的营养盐类，有利于浮游生物生长，鱼虾类的饵料丰富，适合发展海洋养殖产业。围填海养殖业的发展使沧州近海海域得到了有效的开发利用。围填未利用区域作为生产建设活动的后备土地资源，在新增围填海类型中增长迅速，大部分位于黄骅港与渤海新区建成区交接处，作为港口经济和海洋产业的后备土地资源，产生和转化为其他土地类型的速度较快，因此变化较大。各类型围填海随年份的变化情况如图2所示。

表3 沧州海域1985—2018年围填海利用面积变化Tab.3 Changes in the area of sea reclamation in Cangzhou from 1985 to 2018

图2 不同时期沧州海域围填海开发利用分布Fig.2 Development and utilization distribution of sea reclamation areas in Cangzhou at different periods

2.2 围填海空间利用水平分析

遥感提取到的原始海岸线总长度为50.746 km，自然岸线主要为粉砂淤泥质海岸，海岸线人为开发活动剧烈，自然岸线逐年增长；人工岸线占用比例近年来持续增长，岸线开发强度逐年增大，33年间由3.30%增长到98.78%，在2018年达到最高并逐渐接近饱和；沧州市大力推进养殖业的发展，大量人工围堤向海域方向推进，围海养殖区新增大量人工养殖围堤，连同港口设施与临海工业生产设施等人工构筑物共同导致人工岸线比例不断提高。港口用海面积在2003年以后快速增长，使人工岸线比例迅速提高。在1985—2010年间围填用海类型多样性指数不断提高，说明该海域用海方式逐渐规范，围填用海类型逐渐多样，用海类型相对合理，围填用海区域得到均衡发展。围填海类型多样性指数在2010年达到最大值，说明围填海开发利用结构相对合理；2018年围填海类型多样性有所下降，推测究其原因为2010—2018年间黄骅港港口建设用海大面积增长，港口用海对研究区围填海建设的贡献率超过其他围填海利用类型，对研究区内围填海开发利用结构产生影响，导致多样性指数下降。在围填海强度指数方面，沧州海域1998年前的指数值波动较小，1998—2018年呈增长趋势，主要是由于研究区围海养殖业的迅速发展及港口用地大面积的增加，导致围填海强度不断增大。1985—2018年，研究区围填海强度持续增长，说明沧州海域开发程度逐渐提高，围填海强度增速不断加快。根据围填海强度指数等级评价表(表2)，可以推断出1985—1998年，研究区内围填海强度等级为1～2级，围填用海面积较低，围填海开发利用压力较小，近海海域有待开发；1998—2010年，沧州市沿海地区围填海等级为3级，说明研究区近岸海域开发程度达到中等强度，围填海开发具有一定压力；到了2018年，沧州市沿海地区围填海等级达到4级(表4)，围填海开发压力逐渐凸显，应适当控制围填海规模，加强对围填海区域的合理规划和集约利用，避免对近岸海洋资源和生态环境造成严重影响[24]。

表4 围填海空间利用水平分析表Tab.4 Utilization level of reclamation space

2.3 景观聚集度分析

在景观类型水平上，聚集度指数AI的变化情况由图3可得，沧州沿海地区围填海景观蔓延度指数先升高后下降再升高，围填海景观斑块连通性变化较大。围填海景观聚集度指数在1985—1993年间变化较大，其他时段变化幅度较小。围填海斑块类型变化特征与景观破碎度的变化特征相似[25]。在景观水平上，由蔓延度指数CONTAG的变化特征(图3)可以看出，沧州沿海地区围填海景观蔓延度逐年波动，景观蔓延度指数在2003年达到最低，可能与围填海类型结构调整有关，从1993年起，景观蔓延度与聚集度的变化趋势基本一致。围填海景观聚集程度较高，各种围填用海类型布局较为合理[3]。

图3 围填海景观聚集特征分析Fig.3 Analysis of gathering characteristics of reclamation landscape

2.4 围填海空间质心转移分析

利用ArcGIS10.2软件计算出每种围填海类型的空间质心，得到1985—2018年沧州海域各类型围填海质心的迁移与分布示意图(图4)：

图4 1985—2018 年沧州市各类型围填海质心的迁移趋势Fig.4 Migration trend for types of reclamation centers in Cangzhou from 1985 to 2018

围海养殖用海的质心1985—2018年间持续向东南方向迁移(图5)，说明围海养殖区域由沧州北部海域向南部海域发展，随着围海养殖区的大量增加，沿岸可围海养殖用海逐渐饱和，质心迁移距离逐渐减少并有进一步远离海岸的趋势。1985—1993年、1993—1998年、1998—2003年分别迁移4.314、2.941、1.295 km，2003—2018年共迁移了1.350 km。城镇建设的质心由向西北发展转为向东南发展，由于后期黄骅港周边的开发建设，2003年前生产设施建设用海质心向西北方向迁移，1993—2003年总迁移量为6.327 km，2003—2018年连续向东南方向迁移16.499 km。围填未利用区域的质心经历多次反方向迁移，1993—1998年间向东南方向迁移14.245 km，1998—2003年间向北迁移了2.336 km，2003—2010年向东南方向迁移7.439 km，2010—2018年向西北方向迁移25.988 km。主要原因为围填未利用区域变动性较大，沧州海域海洋开发建设活动旺盛，围填未利用区域的产生和转化速度较快。起始时期由于围填未利用区域主要转化为围海养殖用海，围海养殖由北部海域逐渐发展，因此质心向西北方向移动；中期由于黄骅港以及相关产业设施的建设，围填未利用区域的质心逐渐向东南方向迁移；在后期由于黄骅港及周边设施建设，围填未利用区域转化为其他用海类型，面积大量减少，导致围填未利用区域的质心再次向西北方向迁移。港口随着海洋运输业的发展，持续向用海洋深处推进，港口用海的质心在1998—2003年间向东北方向迁移1.987 km，2003—2010年间向西北方向迁移1.799 km，2010—2018年向东北方向迁移了2.887 km，港口航运去面积达到了67.79 km2。综上所述，沧州海域1985—2018年围填海质心不断向东南方向移动，说明沧州海域的围填海逐渐向东南方向发展，围填海区域逐渐由近岸向远海发展。

图5 1985—2018 年沧州市各类型围填海质心的迁移变化Fig.5 Migration and changes for types of reclamation centers in Cangzhou from 1985 to 2018

3 结论

(1)沧州海域围填海空间开发利类型逐渐趋于合理，围填海面积增速较快，围填海总面积由1985年的0.726 km2增加到2018年的137.78 km2。新增面积大部分位于南部海域的港口区，其余新增面积主要分布在北部海域，以围填养殖用海为主，其余为生产设施建设用海和围填未利用区域，逐渐形成以北部围填海养殖区和南部的港口工业区相结合的围填海利用格局。

(2)沧州海域的空间利用水平方面，人工岸线比例逐渐升高，并在2003年以后增长较快，在2018年达到总海岸线长度的98.78%；从围填用海类型多样性指数来看，在2010年用海类型多样性指数达到最高，说明围填用海开发利用类型较为合理；在2010年后，用海类型多样性指数下降，主要原因在于沧州南部海域港口建设活动快速发展，占围填海总面积比重上升。

(3)沧州海域围填海强度，随着围海养殖用海和港口用海等进一步扩张，近岸海域围填海强度逐渐上升，2003—2010年围填海强度达到3级(适中规模)；2018年围填海强度指数达到274.55，围填海开发强度等级达到4级。已开发围填用海区域对海岸与近岸海域的资源、环境影响逐渐加剧，海岸带与近海海域后续开发所受压力逐渐凸显。后续的开发利用应注重对已围填海区域的合理规划，促进近海海域资源的集约利用，倡导海洋经济可持续发展。

(4)沧州海域围填海景观聚集度与围填海景观蔓延度指数均较高，两者变化趋势基本一致，说明各种围填用海类型布局与演变较为合理，各类型围填海区域基本得到充分利用，近岸海域开发程度较高。

(5)沧州海域围填海景观空间质心转移特征，1985—2018年围填海景观空间质心逐渐向东南方向迁移，并逐渐由近岸向远海地区移动，主要驱动力为南部海域大规模港口建设，围填海规模逐渐超过围填养殖产业区。这说明沧州海域的围填海开发重点逐渐向东南方向迁移，从以围海养殖占优势到以发展港口和沿海经济为主的发展演变模式。