近50年来刁口废弃亚三角洲海岸线变迁速率分析

任宗海, 战 超, 余建奎, 耿文倩, 曹 印, 王 庆

近50年来刁口废弃亚三角洲海岸线变迁速率分析

任宗海, 战 超, 余建奎, 耿文倩, 曹 印, 王 庆

(鲁东大学 海岸研究所, 山东 烟台 264025)

刁口亚三角洲自废弃以来海岸地貌发生了巨大变化, 监测海岸线的变化对于保护和开发海岸带具有重要意义。本文以1976—2021年间典型年份的Landsat遥感影像和Google Earth高分辨率影像为数据源, 通过RS、GIS技术对刁口废弃亚三角洲地区的岸线进行提取, 最后用数字岸线分析系统对1976—2021年间的海岸线变迁进行定量分析。结果显示: 1976—2021年间海岸线以均值–23.24 m/a的速率向陆蚀退, 侵蚀程度逐年减弱, 且海岸线时空变化特征显著。就侵蚀程度而言, 刁口河口及东侧烂泥湾地区侵蚀强度最大(–165.49 m/a), 挑河口—刁口河口岸段次之(–127.61 m/a), 东北侧防海大堤岸段最小(–80.66 m/a)。1976—1986年研究区岸段处于快速侵蚀状态, 蚀退面积达102.7 km2; 1986—2006年处于持续侵蚀后退状态, 蚀退面积约为88.79 km2; 2006—2016年基本达到冲淤平衡状态, 2016年面积和2006年相差不大; 自2016年呈现缓慢蚀退状态, 年均蚀退速率为仅2.51 km2。岸线长度总体上表现为减少趋势, 但在1996年成为最低点后有所增加。刁口废弃亚三角洲海岸线变化主要受入海水沙、人类活动和海洋动力作用侵蚀的影响。

刁口废弃亚三角洲; Landsat; 海岸线; 数字岸线分析系统; 修正归一化水体指数

全球约70%的人口生活在海岸带地区[1], 这些是沿海地区经济活动最频繁、最活跃的地区。三角洲地处海洋与陆地相互作用的区域, 是一个复杂的自然综合体[2]。黄河三角洲最近数十年来地貌不断演化, 海岸线变化迅速且复杂。黄河口每次迁移都会形成新的河口及亚三角洲, 废弃河口及亚三角洲则受到海洋侵蚀作用强烈后退[3]。黄河三角洲刁口流路于1964年1月在罗家屋子破冰改道北上形成, 河口在黄河水沙以及异重流和切变峰的作用下迅速向海淤积形成刁口亚三角洲叶瓣[4-8], 且在大量入海泥沙堆积的背景下发育有典型的淤泥质海岸和宽广平坦的潮间滩涂。刁口亚三角洲由于1976年黄河改道清水沟流路后失去水沙来源, 海洋动力侵蚀作用远大于河流造陆作用, 陆上和水下三角洲遭受强烈侵蚀[9]。三角洲建造本是河流泥沙输入、搬运和堆积的结果, 河流入海泥沙的变化必然会深刻影响废弃三角洲的地貌演变。2011年水利部将刁口河道作为黄河清水沟河道建成后的备用河道。在保证黄河下游防洪安全的前提下, 根据一定的条件从刁口河道进行生态引水, 防止刁口河口岸线的侵蚀[10]。研究废弃亚三角洲地区的岸线演变可进一步掌握三角洲废弃后海岸线的变化特征及规律, 对保护现有岸线、重启刁口备用流路以及海岸带的开发利用等方面具有重要的理论及现实意义。

受自然因素以及人类活动的影响, 海岸线变迁一直以来都是人们研究的热点[11-15]。近几十年来, 许多学者针对黄河三角洲地区海岸线变化方面做过不少研究, 主要集中在海岸线变迁对陆地景观格局的影响[16-18]、海岸线变迁以及海岸线变化与黄河水沙关系的响应[19-22]等方面, 对入海口及黄河三角洲海岸线演变进行研究。平均高潮线与低潮线之间的潮间滩涂, 是淤泥质海岸的重要组成部分, 直接反映了海域和陆域空间范围的此消彼长[23, 24]。从前人研究来看, 对黄河三角洲海岸线的研究大多集中在大的空间尺度上, 对具体的废弃亚三角洲海岸线演变的定量化分析较少, 且海岸线的提取大多采用平均高潮线法。这种方法受潮汐及海平面的影响较小, 虽能够准确地反映平均大潮高潮时水陆的分界线[25], 但不能完整反映出潮滩的地貌冲淤演变。本文以刁口废弃亚三角洲为研究对象, 时间跨度近50年, 基于RS、GIS技术, 采用修正归一化水体指数法(Modified Normalized Difference Water Index, MNDWI)对不同年份中的低潮线进行提取, 采用数字岸线分析系统(Digital Shoreline Analysis System, DSAS)对海岸线变迁以及海岸潮间滩涂冲淤演变进行定量研究。

1 研究区概况

黄河三角洲(118°7′—119°10′E, 36°55′—38°10′N)地处山东省东营市黄河入海口处, 濒临渤海湾与莱州湾, 由黄河入海泥沙冲淤造陆形成。黄河三角洲包含多个亚三角洲, 亚三角洲的形成与黄河改道密切相关。黄河三角洲的发育经历了古代、近代和现代3个阶段[26]。现代黄河三角洲形成于1953年7月至今, 以渔洼为顶点, 北起挑河口, 南至宋春荣沟, 陆上面积约为2 500 km2(图1)。刁口亚三角洲由1964—1976年刁口河作为黄河主河道行水时期淤积造陆形成。刁口亚三角洲以渔洼(西河口附近)为顶点, 以刁口河为中轴, 东到五号桩东北部, 西到挑河口, 位于黄河三角洲的北部。

图1 研究区地理位置

该三角洲地区位于温带季风气候区内, 季风性特征明显。波浪主要以风浪为主, 受季风性气候影响, 夏季在东南风的影响下以东南向浪为主, 冬季在东北风的影响下以东北向浪为主。余流以风生流为主, 夏季东南风吹动表层余流向北流动, 冬季西北风吹动表层余流向南流动, 底层余流为补偿流[27, 28]。行水期河口潮流以平行于河道的往复流为主, 口门两侧海岸则为大致平行岸线的往复流。刁口亚三角洲为典型的扇形三角洲, 属于弱潮型海岸, 大部分岸段为不正规半日潮[8]。1964年1月始黄河经刁口流路注入渤海湾, 至1967年归股并汊形成单一稳定的河道[29], 至1975年主槽进一步萎缩, 河口及河道内淤积, 河段发生出汊且出汊点不断上提。刁口流路行水11年零5个月, 据统计年均来沙量10.8亿t, 年均来水量424亿m3。在刁口流路行水期间, 超过71亿t的泥沙在河流入海口处向外淤积延伸, 塑造了刁口亚三角洲[30]。由于1987年东北部防海大堤和东营港的建设, 此岸段在建成后岸线稳定, 因此研究区岸线选取挑河口(118°36′55″E, 38°05′32″N)至东营港北部防海大堤观测点(118°53′11″E, 38°08′00″N)附近(图1)。研究区范围内的岸线在1976—2021年间变化明显, 为了提高岸线研究的准确性和便捷性, 将该岸段划分成3个亚段。根据海岸的侵蚀情况将研究区范围内的岸线从西向东分为: 挑河口—刁口河口岸段(a)、刁口河东侧烂泥湾岸段(b)、防海大堤岸段(c)(图2)。

2 数据与方法

2.1 数据来源

本文的数据来自地理空间数据云(http://www. gscloud.cn/search)和美国地质勘探局(http://glovis. usgs.gov/)下载的Landsat系列遥感影像和黄河三角洲的前人的古海岸线及古河道研究成果[7]。为最小化海岸线边界的误差, 遥感影像尽可能选取低潮时、没有云雾和风暴潮影响的影像[31]。本文中选用的遥感影像数据如表1所示。

2.2 研究方法

海岸线的提取主要有计算机自动提取和目视解译两种方法[32]。本文中岸线的提取采用人机交互式, 对遥感影像采用自动提取与目视解译相结合的方法。由于刁口废弃亚三角洲地区潮间滩涂面积较广, 高潮线所处区域水动力条件较弱, 岸线变化较为稳定, 且高潮线附近人类活动较多, 不能准确反映在自然条件下海岸线的动态演变。因此, 本文通过修正归一化水体指数(MNDWI)对低潮线进行提取, 将低潮线作为地貌形态演变的岸线。MNDWI法在归一化水体指数(NDWI)考虑植被因素的基础上增加了土壤和建筑物因素, 提高了岸线提取的精度, 是分离水体和陆地的重要数学方法[33]。王李娟等[34]分别对黄河三角洲地区的人工海岸和淤泥质的海岸线进行岸线提取, 通过研究对比发现修正归一化水体指数法比Sobel算子法误差仅高0.007%左右。利用水体指数法提取影像的直方图影像值介于–1～1, 负值为背景地物, 正值为水体信息。经MNDWI处理后影像中的水体显示出较高亮度, 所对应的MNDWI值高, 而非水体则显示出较低亮度, 据此将水体指数阈值由0开始做适当提高, 通过对比选择合适的阈值(0.96)对生成的水陆二值化图像提取出最外侧的水陆边界, 最后将提取出的岸线添加到校正后的影像中进行修正。结果验证采用长度相对误差的方法, 相对误差= (测量值–真值)/真值×100%, 将目视解译提取的岸线长度作为真值, MNDWI提取出的岸线长度作为测量值, 在目视解译过程中和结束后通过Google Earth和GPS野外定位对解译结果进行修正。经验证, 水体指数提取所得最小误差0.3%, 在合理范围内。考虑到遥感影像中不同时期不同潮位对海岸线提取的影响, 本文中采用一年中不同时期低潮位下海岸线的平均位置代指本年中的海岸线。具体而言, 将一年中下载得到的不同时间的遥感影像利用MNDWI法提取出岸线后进行空间叠加, 后基于DSAS建立垂直于所有岸线的断面并计算断面上交点的平均位置, 最后将每个平均交点位置相连。

图2 经MNDWI和二值化处理后的影像与原遥感影像对比图

本文中首先利用ENVI 5.3软件对遥感影像进行预处理(图2), 将影像进行辐射定标、FLASSH大气校正和几何精校正, 经校正后的影像误差控制在0.5个像元内。将分类处理后得到的图像导入到ArcMap 10.2, 并对二值化后的影像进行边缘增强处理。遥感影像、海岸线、ArcMap中数据框的坐标统一采用为WGS-84空间坐标系、UTM Zone 50N地图投影, 利用线性拉伸进行光谱增强和平滑滤波进行空间增强处理。海岸线提取时将明显突出海岸伸向海中的人工建筑物裁掉, 取与两侧岸线向平, 潮沟和河口取与沟口与河口岸线向平, 最后对提取出来的岸线进行适当的平滑处理。1976年下载得到的影像为landsat2影像, 对此采用目视解译的方法提取岸线。根据landsat影像各个波段的波谱特征, 在进行1976年刁口废弃亚三角洲岸线的遥感解译时, 选用遥感影像中的4、3、2波段合成假彩色图像, 并对各波段权值参数进行调整, 最终得到研究区岸段的海陆分界线。

修正归一化水体指数():

式中,代表影像的绿光波段,为影像的中红外波段, 分别对应着Landsat4/5 TM影像的2和5波段, Landsat8 OLI影像的3和6波段。

海岸线的定量化分析采用由美国地质勘探局(United States Geological Survey, USGS)推荐的数字海岸线分析系统(DSAS)。数字岸线分析系统通过回归分析方法计算出海岸线的终点变化速率(End Point Rate, EPR)、岸线净迁移距离(Net Shoreline Movement, NSM)[35], 从而定量揭示大范围、长时间序列的海岸线变迁历史[12, 36]。将提取出来的岸线导入到个人地理数据库中, 利用DSAS模型分别计算1976—1986年、1986—1996年、1996—2006年、2006—2016年、2016—2021年以及1976—2021年的岸线变化。通过在岸线周围建立缓冲区的方法得到基线, 基线为缓冲区最外侧的边界线, 并对基线进行平滑处理, 务必保证生成的切线能够与最远处的海岸线相交, 由陆侧向海侧、由东向西生成切线。由于受海岸强烈侵蚀的影响, 海岸线形状变化不规则, 切线生成后存在重叠及错交的部分, 对其进行调整, 保留正常保准的切线, 计算EPR、NSM。

3 结果与讨论

3.1 岸线长度变化

近50年来, 研究区内岸线长度总体上表现为减少趋势, 但在1996年成为最低点后有所增加, 这与海岸侵蚀导致海岸带曲折有关。1976年以来刁口流路由于来水来沙锐减, 河口三角洲地区由河流淤积造陆转变为海洋侵蚀后退, 表现出强烈的蚀退特征。2021年与1976年相比(图3、表2), 岸线减少了18 197.39 m, 年均减少404.38 m, 烂泥湾岸段岸线变化最为明显。1976—1986年间, 三角洲发育过程中向海延伸增加的岸线在断流初期受到强烈的海洋侵蚀作用导致其迅速向陆蚀退减少, 1986年与1976年相比岸线减少了22 510.63 m, 年均减少2 251.06 m, 为近50年来岸线减少最显著的阶段。1986—1996年间, 岸线进一步蚀退。1987年建成防海大堤, 大坝自修建起在灾害性天气的情况下就开始发挥作用, 有效阻挡了海岸侵蚀。由于大堤建于中潮滩, 其外侧仍有部分滩涂, 在此阶段外侧区域仍受到侵蚀。1996年与1986年相比岸线仅减少了1 313.23 m。1996—2006年间, 刁口河口两侧原淤进岸段在此阶段内也处于蚀退状态; 烂泥湾岸段由于受到强烈的海洋侵蚀作用, 岸线内凹更加明显, 1996年后逐渐发育成口袋型; 防海大堤岸段到2006年岸线基本与人工岸线重合。与1996年相比, 2006年岸线长度增加了4 347.42 m。2006—2021年间, 各岸段蚀退程度逐渐减缓, 岸线长度基本处于动态平衡的状态中。刁口河口西侧岸段基本稳定, 防海大堤岸段保持不变, 烂泥湾岸段继续向陆蚀退内凹。与2006年相比, 2021年岸线仅增加1 279.05 m。

图3 1976—2021年刁口废弃亚三角洲海岸线

表2 研究区岸线长度(m)

3.2 海岸蚀淤变化

黄河携带的大量泥沙是河口三角洲造陆的主要物质来源, 而1976年黄河人工爆破改行清水沟流路, 使得刁口流路水沙供应断绝。失去黄河泥沙补给的刁口废弃亚三角洲由于受到海水的侵蚀则不停地向陆地蚀退, 使得研究区面积不断发生变化。

如图4所示, 1976—2021年研究区总体上处于蚀退状态。研究区面积变化大致如下: 1976—1986年处于迅速蚀退阶段, 蚀退面积达102.7 km2, 平均蚀退速率为–8.9 km2/a。河口两侧部分岸段出现了淤进, 淤积面积为13.69 km2。1986—2006年为持续蚀退阶段, 面积总体不断减少, 但在1986—1996年略有淤积。此阶段内蚀退面积约88.79 km2/a, 淤积面积为5.42 km2, 年均净蚀退面积为4.17 km2。2006—2016年淤积和蚀退交替进行, 基本为冲淤平衡阶段。由于海岸工程建设、黄河“生态补水”战略以及围填海等人类活动的影响, 刁口段海岸线有所淤进。此阶段海岸蚀退面积为7.52 km2, 淤进面积为6.06 km2, 年均净冲淤速率为0.15 km2/a。2016—2021年为缓慢蚀退阶段, 即总体蚀退, 蚀退程度减缓。此阶段内蚀退面积为12.58 km2, 年均蚀退速率仅2.51 km2。

图4 研究区冲淤面积变化

不同时段, 研究区淤积和蚀退发生情况不同。1976—2021年总蚀退面积约为211.29 km2, 淤积面积为25.17 km2, 年均净蚀退面积为4.14 km2。1976—1986年蚀退最为严重, 其次为1996—2006年; 2006—2016年淤积基本达到平衡状态后侵蚀程度趋缓。其中, 1976—1996年河口两侧部分岸段出现淤进, 其淤积泥沙来自往复流作用下输运的三角洲前缘被侵蚀泥沙。1996年后岸段不再出现淤进反而转为蚀退, 说明三角洲前缘的泥沙基本侵蚀殆尽, 两侧原淤进岸段由于缺少泥沙来源进入蚀退阶段。

3.3 岸线时空演变速率分析

刁口废弃亚三角洲的岸线蚀退具有明显的区域性和阶段性(表3)。1976—2021年研究区海岸线变化并不稳定, 其清楚地表明了海岸线先蚀退后稳定趋缓、蚀退大于淤进的变化趋势, 各区域各阶段变化不一(图5、图6)。1976—1996年, 研究区各岸段向陆蚀退曲率变化较小, 1996年后向陆蚀退曲率变化较大, 表明岸线侵蚀更加曲折、破碎。

表3 研究区岸段EPR均值(m/a)

图5 1976—2021年研究区岸线蚀退速率

1976—1986年三角洲最初废弃的十年间岸线急剧向陆蚀退。研究区岸线最大蚀退速率达570.79 m/a, 平均蚀退速率为231.74 m/a。防海大堤岸段和烂泥湾岸段平均蚀退速率分别为240.58 m/a和 348.98 m/a; 刁口河口两侧部分岸段由于受到河口往复流的作用, 被侵蚀的泥沙向河口两侧扩散, 导致岸线有所淤进。其中挑河口—二河口岸段淤进幅度相对较大, 平均淤进距离达819.03 m, 挑河口—刁口河口岸段平均蚀退速率为156.45 m/a。1986—1996年处于蚀退—淤进的过程, 以蚀退为主, 岸线平均蚀退速率由231.74 m/a到–104.21 m/a。1987年由于东营港及其附近防海大堤的建设, 岸线在其建成后逐步稳定, 其他岸段继续发生侵蚀变化。防海大堤岸段平均蚀退速率减少为82.40 m/a; 烂泥湾岸段和挑河口—刁口河口岸段平均蚀退速率分别为145.2 m/a、73.78 m/a, 挑河口—刁口河口部分岸段微弱淤进。1996—2006年岸线平均蚀退速率由–104.21 m/a到–241.78 m/a, 表明岸线整体的侵蚀程度增强。由于大堤建于中潮滩, 其东侧的湾口处在建成后仍受到侵蚀, 防海大堤岸段平均蚀退速率为91.71 m/a。烂泥湾岸段EPR均值由–145.2 m/a到–253.23 m/a, 此区域在1996年北部修建的人工海堤被破坏后, 既无海岸工程保护又无泥沙补充, 导致侵蚀程度进一步增强, 岸线逐渐向陆内凹发展。随着三角洲的侵蚀, 泥沙输运、堆积作用逐渐减弱, 刁口河口两侧原淤进岸段也进入侵蚀阶段, 挑河口—刁口河口岸段岸EPR值均值由–73.78 m/a到–246.48 m/a。2006—2016年岸段有冲有淤, 基本处于相对平衡的状态, 岸线几乎没有发生变化。由于填海采油、调水调沙、海岸工程建设等人类活动的影响导致岸线向海延伸。2010年实施的“生态补水”战略, 刁口河流路恢复过水的同时带来泥沙淤积, 导致刁口段海岸线轻微淤进。此阶段内岸线EPR均值为15.95 m/a, 表明岸线整体处于微弱淤进状态中。2016—2021年各岸段向陆蚀退变缓, 部分岸段时冲时淤, 此阶段内岸线平均蚀退速率为102.56 m/a。

图6 研究区岸线EPR变化折线图

a. 挑河口-刁口河口岸段; b. 刁口河东侧烂泥湾岸段; c. 防海大堤岸段

2021年与1976年相比, 岸线EPR变化速率各个横断面均为负值, 最大蚀退速率达287.5 m/a, 平均蚀退速率为123.24 m/a。其中防海大堤岸段因受海岸工程保护的影响, 海岸侵蚀较其他岸段较弱, 平均蚀退速率为80.66 m/a; 烂泥湾岸段侵蚀最强, 平均蚀退速率为165.49 m/a, 平均蚀退距离达7 259.77 m。

3.4 海岸侵蚀演变分析

刁口废弃亚三角洲海岸侵蚀主要受海洋动力作用和人类活动的影响。刁口亚三角洲自废弃后海陆交互作用显著, 且沉积物结构松散, 易被海水冲刷, 在波流等海洋动力的作用下极易发生蚀退[8]。海洋动力作用对海岸侵蚀的影响主要表现为波浪掀沙、潮流输沙。波浪在海岸侵蚀中的主要作用为将结构松散、密度差的泥沙掀起、冲走, 留下固结度强密度大的泥沙。潮流和余流的主要作用就是将掀起的泥沙向外海输运、沉积。加之, 刁口废弃亚三角洲属于典型的淤泥质海岸。对于淤泥质海岸而言, 波浪在海岸侵蚀中的作用更加显著[37]。废弃河口外波浪以风浪为主, 受季风的影响风向有所不同, 常浪向主要为NE、SE和NW向。冬季受盛行的北风影响, 波浪作用最强[24, 38, 39]。河口三角洲在行水期向海淤积延伸凸起的地形使波浪在废弃的河口汇合, 增强了波浪和潮流作用[40, 41]。波浪作用增强直接导致了三角洲被侵蚀沉积物的再悬浮; 潮流作用不仅促进了沉积物的再悬浮, 而且将悬浮的沉积物沿海岸从废弃的三角洲向外搬运[42]。同时, 刁口废弃亚三角洲海岸线总体上为E—W走向。以118.5°E为界, 以东呈西北—东南走向, 以西呈西南—东北走向, 且均面对常浪和强浪向, 从而加大了海岸的侵蚀程度[29, 43]。另外, 风暴潮是导致刁口废弃亚三角洲海洋动力作用增强的又一重要因素。1992年9月1日(9216号台风)的特大型风暴潮和发生于1997年8月(9711号台风)的特大型风暴潮以及2003年10月11—12日发生的一般型风暴潮加剧了波浪、潮流的侵蚀作用, 导致刁口废弃亚三角洲地区海岸遭到严重的侵蚀。在强烈的水动力作用下, 刁口废弃亚三角洲泥沙不断被侵蚀、搬运, 海岸急剧向陆蚀退。风暴潮过后由于缺乏物源的补充, 进一步加剧了海岸的蚀退程度, 从而导致1996—2006年岸段平均蚀退速率增强。同时, 在世界海平面上升的背景下, 据《中国海平面公报》记载, 20世纪以来黄渤海海平面整体呈现上升趋势, 平均每年上升约3.1 mm, 且北黄海的上升幅度大于南黄海的上升幅度。海平面的上升使得海洋侵蚀动力作用增强, 从而加剧了海岸侵蚀。

近50年来, 研究区各岸段海岸线变化幅度不同, 具有显著的时空分布差异。1976—2021年研究区内岸线变化幅度最大、侵蚀最强的为b段, 其次为a段(图6)。c段在1987年防海大堤建成后, 由于中潮滩堤外仍存在部分滩涂, 因此在1996—2006年间仍受到侵蚀作用。在2006年后堤外滩涂基本被侵蚀, 岸线逐渐趋于稳定。从侵蚀变化幅度来看, 1976—1996年岸线变化幅度较小, 1996年后岸线变化曲率增大, 与此同时在1996年后岸线长度有所增加(表2), 这可能与海洋动力作用侵蚀导致海岸曲折、破碎有关。其中, a段部分岸段在1976—1996年期间岸线变迁表现为正值, 在1996年后又转为负值(图6)。这是由于废弃初期三角洲前缘向海延伸区域被严重侵蚀, 被侵蚀泥沙一部分向海输运, 一部分在沿岸潮流的作用向沿岸输移并沉积; 到1996年刁口河口附近EPR值不再是最低, 说明此时河口三角洲前缘泥沙基本侵蚀殆尽, 河口侵蚀作用相对减弱, 从而导致向沿岸输运的泥沙减少, 自此原淤积岸段转为侵蚀岸段。2006—2016年此阶段内以0值为界, EPR正负值大体相等, 基本处于冲淤动态平衡状态。同时, 刁口河口附近EPR出现正值, 岸线略有淤进, 这与此阶段内黄河调水调沙导致废弃河口重新来水来沙有关。2002年黄河流域开始调水调沙, 其中2002— 2015年共计调水调沙232天。2006—2016年该阶段黄河调水调沙和2010年开始实施的“生态补水”战略使刁口流路重新过水, 显著改善了刁口废弃亚三角洲的侵蚀状况。2010—2015年刁口流路共补水13 073.3万m3。随着黄河水沙的减少以及目前实施的生态调水的输沙量不足以补充其海岸被侵蚀的泥沙。因此, 2016—2021年水沙来源再次减少后, 岸线再次转为侵蚀状态。由于刁口流路的废弃, 在未来阶段内仍然会继续受到侵蚀作用。

人类活动对刁口废弃亚三角洲地貌演变的影响主要表现在黄河调水调沙、围填养殖、围海采油、海岸工程建设等方面。随着三角洲的废弃, 三角洲地区的人类活动也不断增多。刁口废弃亚三角洲工程活动的修建, 在一定程度上加剧了海岸的侵蚀。如1995年在废弃河口区域为采油活动修建的公路路堤, 加剧了该区的岸滩侵蚀[44]。1987年东营港附近中潮滩上修建的防海大堤, 使得该区域由自然岸线转变为人工岸线, 改变了原有海洋与岸滩的泥沙交换方式, 有效阻挡了岸线的蚀退。1990年在废弃河口东侧烂泥湾岸段修建了海堤, 导致海洋动力在水平上的侵蚀作用减弱, 波浪无法继续向陆蚀退, 从而导致海岸垂直侵蚀作用加强。近岸受到侵蚀亏损的泥沙不能通过岸线后退方式得到补充, 进而通过侵蚀垂直方向上堤前泥沙来达到泥沙输运平衡[45], 使得海岸由原本的横向侵蚀向纵向下蚀转变。直到1996年由于海浪的强侵蚀作用导致海堤破坏。烂泥湾地区由于缺乏泥沙补充和人工岸线保护, 岸线急剧后退从而出现蚀退速率曲线突然变陡的现象, 逐步发育成向陆内凹的烂泥湾。2001年黄河实施调水调沙以及“生态补水”的战略以来, 刁口河及入海水量增加, 海岸有所淤进。由于河道为阶段性供水, 河道来水量有限, 泥沙供给不足, 因此三角洲淤积作用并不明显。1990年起, 在挑河口—刁口河口岸段的中潮滩上修建了大量养殖池, 到2021年养殖池面积从37.60 km2增加到62.13 km2。养殖池的修建使得潮滩由自然演变状态转变为人工干预状态, 养殖池外侧的人工岸线在一定程度上防止侵蚀(图7)。养殖池的建设切断了原来潮上带—潮间带的动力、泥沙交换, 导致强波浪和风暴潮发生时海岸的消能作用减弱, 波能强烈冲刷海岸, 从而导致海岸侵蚀加剧; 非强浪时对潮间带—潮下带的泥沙补充功能减弱, 近岸水下岸坡水动力作用增强, 海岸泥沙发生亏损, 从而加剧了海岸侵蚀。同时, 由于飞雁滩地区围海采油等工程建设, 海域利用面积的增多导致岸线向海出现淤进, 对岸线的蚀退起到一定的保护作用。

图7 1990年和2021年遥感影像对比图

4 结论

本文通过对1976年以来刁口废弃亚三角洲海岸线的变迁分析, 得出结论如下:

1976—2021年, 研究区内海岸线总体上以蚀退为主, 潮滩面积减少幅度较大。面积变化大致为: 1976—1986年, 面积大幅度减少, 蚀退速率最高; 1986—2006年, 面积持续减少, 但减少幅度降低; 2006—2016年, 海岸线有所淤进, 淤积后面积基本稳定; 2016—2021年, 面积继续减少, 侵蚀程度趋缓。岸线长度总体上表现为减少趋势, 但在1996年成为最低点后有所增加。随着三角洲的侵蚀, 其侵蚀程度会逐年减弱。

各岸段岸线时空变化特征不同。1976—2021年间海岸线以均值–123.24 m/a的速率向陆蚀退。刁口河口及东侧烂泥湾地区侵蚀强度最大, 挑河口—刁口河口岸段次之, 东北侧防海大堤岸段最小。1976—1986年岸段处于快速蚀退状态; 1986—2006年处于持续蚀退状态; 2006—2016年基本达到冲淤平衡状态; 2016年后侵蚀程度趋缓。

来水来沙、海洋动力作用和人类活动是导致刁口废弃亚三角洲地区海岸侵蚀的主要因素, 其大部分岸段处于较高等级的蚀退阶段, 急需保护和修复。

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Analysis of coastline changes in the abandoned sub-delta of Diaokou over the past 50 years

REN Zong-hai, ZHAN Chao, YU Jian-kui, GENG Wen-qian, CAO Yin, WANG Qing

(Institute of Coastal Research, Ludong University, Yantai 264025, China)

The coastal geomorphology of Diaokou sub-delta has changed dramatically since its abandonment, and monitoring the changes of shoreline is important for the protection and development of the coastal zone. In this paper, Landsat remote sensing images and Google Earth images of typical years between 1976 and 2021 were used as data sources to extract shorelines in the abandoned sub-delta of Diaokou by RS and GIS techniques. Finally, the shoreline changes from 1976 to 2021 were quantitatively analyzed by Digital Shoreline Analysis System (DSAS). The results showed that the shoreline retreated to land with a mean value of –123.24m/a during 1976—2021, and the degree of erosion decreased year by year, and the spatial and temporal variation of shorelines was significant. In terms of erosion intensity, Diaokou River estuary and the eastern ruddy bay have the highest erosion intensity (–165.49 m/a), the Tiaohe River-Diaokou River port section has the second highest (–127.61 m/a), and the northeastern coast defense dike section has the lowest (–80.66 m/a). From 1976 to 1986, the shoreline of the study area was rapidly erosion, with an erosion area of 102.7 km2; from 1986 to 2006, it was in a state of continuous erosion and retreat, with an erosion area of 88.79 km2; from 2006 to 2016, it basically reached a state of equilibrium between erosion and siltation, and the area in 2016 was not much different from that in 2006; since 2016, it has been in a state of slow erosion and retreat. The overall trend of shoreline length is decreasing, but it has increased after the lowest in 1996. The shoreline changes of the abandoned delta of Diaokou are mainly influenced by river water and sediment, human activities and ocean dynamics.

Diaokou abandoned sub-delta; Landsat; shoreline; DSAS; MNDWI

Mar. 27, 2022

P737.12

A

1000-3096(2022)12-0008-12

10.11759/hykx20220327001

2022-03-27;

2022-07-11

国家自然科学基金资助项目(41901006); NSFC—山东联合基金资助项目(U1706220); 山东高校青创科技团队项目(2020KJH002); 山东省基金资助项目(ZR2019BD005)

[National Natural Science Foundation of China, No. 41901006; NSFC—Shandong Joint Fund, No. U1706220; Shandong University Youth Innovation and Technology Team, No. 2020KJH002; Shandong Provincial Fund, No. ZR2019BD005]

任宗海(1998—), 男, 山东青岛人, 硕士研究生, 主要从事海岸地貌方面研究, E-mail: renzonghai0807@163.com; 王庆(1968—),通信作者, E-mail: schingwang@126.com

(本文编辑: 谭雪静)