浙江省近50年大陆海岸线时空变迁分析

康波,丁家玮,王志文,2,王子豪,毛健,2,吴雪,2,许庆

(1.浙江省海洋科学院 杭州 310012;2.自然资源部海洋空间资源管理技术重点实验室 杭州 310012)

0 引言

海岸线是指平均大潮高潮位时海陆分界的痕迹线,是海陆交互作用地带[1]。海岸线的变化深刻影响海洋空间资源和生态环境。浙江省位于中国东南沿海、长江三角洲南翼,东临东海,南接福建,北与上海、江苏为邻。浙江是海洋大省,海域辽阔,海岛众多,海岸线长度与海岛个数均居全国首位。近年来,海岸线资源保护与开发利用的矛盾日渐突出,自然岸线保有率形势严峻,因此,开展海岸线时空变化研究对于浙江省海洋空间资源管理和海洋生态环境保护具有重要意义。

国内已有许多学者开展了对浙江沿海的岸线变迁情况的研究。2004年,杨金中等[2]对浙江东部穿山半岛岸线及潮滩演变的遥感调查研究表明,从20世纪60年代开始,岸线向海迁移基本上是由工业填海和围海造田所致。2005年,张华国等[3]利用1986年以来8个时相的TM/TM+遥感资料进行研究,认为1986年以来杭州湾岸线演化主要是由人工围垦和滩涂养殖引起。2006年,冯利华等[4]根据历史和实测资料研究慈溪市海岸变化过程及其成因,结果表明,慈溪滩涂在1949年之后每年平均向外推进50～100 m,其诱因是大规模的人类活动。2015年,黄承力等[5]利用6期卫星影像数据,分析了l981—2014年台州湾大陆海岸线的变迁特点和驱动力因素,认为台州湾海域大规模的围垦造陆工程是造成岸线向海推进的主要原因。以上研究主要集中在部分区域,从时间尺度上缺乏70年代初期改革开放前的数据,从解译精度上缺乏实测数据作为参考,同时对岸线变迁的驱动力分析不足。

本研究利用1970—2018年6期遥感影像,结合海岸线实测数据,通过RS和GIS技术,准确提取了浙江省海岸线的位置和类型,综合利用海岸线数字分析系统(DSAS)的多个模型进行定量分析,计算了海岸线的平均变化速率、终点变化速率等指标,客观分析了海岸线类型、空间区域和典型岸段的演替规律,从自然和人类活动两方面系统分析了浙江省海岸线变迁的驱动力因素,对浙江省海岸线的保护与修复和海洋管理部门的科学决策具有重要意义。

1 研究区概况

浙江省位于中国东南沿海中部,地理位置位于27°12'N—31°31'N和118°E—123°E之间。海域广阔,海域面积26万km2,大陆海岸线北起沪浙交界的金丝娘桥,南至浙闽交界的虎头鼻,长度居全国第五位。

2 数据来源和分析方法

2.1 数据来源

本研究收集了1970年、1980年、1990年、2000年、2010年和2018年共6期遥感影像(表1)。此外,还收集了2018年比例尺为1∶5 000的浙江省大陆岸线监测矢量数据(精度优于1 m),作为遥感影像几何精校正和岸线精度验证数据。

表1 遥感影像信息

由于各期遥感影像分辨率、坐标系、投影不同,首先对数据进行归一化处理。采用HIS变换融合方法,将高空间分辨率的全色波段镶嵌图与多光谱波段镶嵌图进行融合,利用实测岸线的坐标点,参照已配准的2018年高分遥感影像对其他影像数据进行配准,将岸线、遥感影像等数据统一为CGCS2000国家大地坐标系和高斯-克吕格投影(中央经线121.5°E)。校正后的数据空间误差小于2 m。

2.2 海岸线提取与分析

参照相关技术规范[6],将海岸线分为2类,包括自然岸线和人工岸线,其中自然岸线分为基岩岸线、砂砾质岸线和河口岸线,人工岸线分为道路、海堤、码头、船坞、防潮闸、填海造地[7]。本研究采取目视解译方法,以“908”岸线和2018年实测岸线为参考,提取各期海岸线并进行拓扑检查和精度验证,确保误差在0.5～1.0个像元以内。

目前,海岸线的分析方法主要有数字岸线分析法、面积法、动态分割法、最小二乘法和人工化指数等[8-12]。平均速率法可以充分反映各时期的海岸变化情况[13],数字岸线分析法可以利用不同模型自动计算海岸线变化率[14],得出岸线空间分布差异;人工化指数可以反映人类活动对海岸线的影响程度,体现岸线类型变化。根据浙江省大陆海岸线特点,本研究选择数字岸线分析法、面积法来分析岸线时空变化。

数字岸线分析法是由美国地质调查局(USGS)基于ArcGIS平台研发的数字岸线分析系统(Digital Shoreline Analysis System,DSAS)4.3版 本[15]。DSAS通过回归分析方法计算海岸线的变化速率,工作原理:①创建基线(Baseline),基线为陆上、海上和中岸的组合;②海岸线的设置,所有海岸线都必须位于同一个图层中;③生成切线,设置横断面长度为6 000 m,间隔为600 m,表示每隔600 m基线向海岸线生成一条横切面,共生成横切面2 000余条;④通过交点与海岸线的距离计算海岸线的变化;⑤计算岸线变化速率,利用统计模型[终点变迁速率(EPR)、净岸线移动距离(NSM)]表征相邻两期岸线的变化。在DSAS分析系统计算中,NSM表征两期海岸线的净变化距离,用m表示;EPR表征海岸线的每年的变化速率,用m/a表示,正值表示向海推进,负值表示侵蚀[16-18]。

式中:i为最远年份海岸线与剖面线相交的点;j为最近年份海岸线与剖面线相交的点;E(i,j)为自最远年份海岸线到最近年份海岸线的终点变化率,即EPR;di和dj分别为最远年份和最近年份的海岸线距离海岸线基线距离;ΔY(j,i)为最近年份与最远年份之间的时间间隔。

为了分析海岸线类型的变化,引入岸线人工化指数(IA),主要反映人类活动对岸线的影响程度[19]。IA计算公式为:

式中:IA为岸线人工化指数;N为人工岸线长度;L为海岸线总长度。IA越大,表明海岸线人工化程度越高。

3 海岸线变化结果分析

3.1 海岸线长度和围填海分析

根据遥感影像的解译和矢量化统计结果,1970年、1980年、1990年、2000年、2010年和2018年海岸线类型统计表如表2。

表2 浙江省各类型海岸线长度统计 km

人工岸线以海堤和填海造地为主。从1970年至今约50年中,浙江省大陆岸线发生了剧烈的变迁,围填海、围海养殖等开发活动导致海岸线持续向海推进,围填海工程造成部分海岛灭失,像玉环岛等岛屿就是在大规模的围填海过程中连岛成陆。

海岸线长度方面,近50年间浙江省大陆海岸线长度总体呈明显递减趋势,共减少了186.74 km(图1a)。从时间序列来看,1970年以来,浙江省共围填海约14.77万hm2,浙江省海岸线的变迁幅度与围填海开发强度具有较高的一致性(图1b),这说明浙江省大陆岸线变迁首要因素为围填海工程,5个时期变化规律为减少-增加-增加-增加-减少。从围填海规模和时间来看,1970—1980年、2000—2010年和2010—2018年3个时期围填海活动较为剧烈。1970—1980年围填海面积为2.99万hm2,这一时期随着改革开放,沿海经济迅速发展,围海养殖、围填海活动频繁,实施了杭州湾南岸围垦工程、三门湾胡陈港和大塘港堵港蓄淡工程、隘顽湾围海养殖、漩门一期工程和乐清清江岸滩围涂等工程;1980—2000年,围填海活动有所减缓;2000—2018年,随着滩涂围垦、区域建设用海等积极的围填海管控政策的出台,围填海规模达到顶峰,围填海面积为9.37万hm2,在这两个时期主要实施了杭州湾南岸、宁海下洋涂、临海北洋涂、台州湾十一塘、漩门三期、龙湾二期和苍南江南涂等大规模的围填海工程。

图1 1970—2018年浙江省围填海面积及海岸线长度变化

3.2 海岸线类型变化和人工化指数

从岸线类型方面看,浙江省大陆海岸线分为自然岸线和人工岸线,以人工岸线为主。从不同类型的岸线变化长度来看,自然岸线减少趋势明显,从1970年的1 059.54 km减少到2018年的678.17 km,变化率为36%。其中基岩岸线占比最高,主要分布在杭州湾以南,长度减少了378.81 km,砂砾质岸线占比次之,但浙江省砂砾质岸线资源总体较少,2018年长度为31.03 km,长度减少了6.86 km。人工岸线趋势化较为严重,近50年间人工岸线由1970年的1 276.75 km增加到2018年的1 473.85 km,变化率为15.44%。

从人工化指数方面看,浙江省大陆岸线人工化程度除了20世纪80年代略有下降,基本呈逐年上升趋势,由1970年的54.65%增加到2018年的68.49%,而人工岸线长度与人工化指数趋势基本一致,呈逐年增长趋势。这主要是人工岸线截弯取直,平直化严重,导致海岸线总长度减少(图2)。

图2 1970—2018年浙江省岸线类型及人工化指数

3.3 海岸线变化速率分析

3.3.1 变化速率分析

在DSAS分析中计算了浙江省沿海5个不同时期的海岸线变化,分别为1970—1980年、1980—1990年、1990—2000年、2000—2010年 和2010—2018年。在计算EPR和NSM的基础上,发现浙江省沿海岸线在不同年份不同时间具有不同的特征,但总体呈现向海推进的趋势(表3)。

表3 浙江省岸线变化趋势

1970—1980年浙江省海岸线年变化速率18.12 m/a,总体以增长为主,年变化最大的区域位于杭州湾、三门湾和乐清湾,平均变化率分别为28.09 m/a、25.45 m/a、26.57 m/a。其中最大增长率和最大侵蚀率均出现在三门湾区域,分别为1 234.42 m/a和-76.95 m/a。象山港、椒江口和瓯江口的平均变化较小,尤其是瓯江口,基本处于平衡状态,平均变化率为-0.06 m/a,最大增长率为3.46 m/a,最大侵蚀率为-8.78 m/a。

1980—1990年,浙江省沿海岸线总体变化较小,年变化速率为5.67 m/a,较1970—1980年有明显的下降。其中,平均变化速率最大的是杭州湾,变化速率为15.97 m/a,最大增长率为186.54 m/a,最大侵蚀率为-35.11 m/a。平均变化速率最小的是瓯江口,为-0.47 m/a,总体呈现轻微的侵蚀状态,最大增长率为0.28 m/a,最大侵蚀率为-3.86 m/a。

1990—2000年,浙江省沿海岸线总体继续呈现向海推进的态势,年变化速率为11.73 m/a。其中,平均变化速率最大的是乐清湾地区,为29.76 m/a,最大增长率为787.44 m/a,最大侵蚀率为-15.15 m/a。平均变化速率最小的是象山港区域,为2.01 m/a,最大增长率为166.86 m/a,最大侵蚀率为-18.63 m/a。

2000—2010年,浙江省岸线变化最大,年变化速率达到了43.04 m/a。杭州湾、三门湾和椒江口均呈现明显的增长状态,平均分别为160.46 m/a、30.64 m/a、47.21 m/a。其中最大增长率和最大侵蚀率分别出现在三门湾和杭州湾地区,分别为1 007.37 m/a和-32.39 m/a。平均变化速率最小的是瓯江口区域,为4.7m/a,总体仍呈现向海推进的状态,最大增长率为88.03 m/a,最大侵蚀率为-11.74 m/a。

2010—2018年,浙江省岸线年变化率与2000—2010年相比出现了显著的下降,为32.13 m/a。其中平均变化速率最大的分别为杭州湾和瓯江口,分别为74.90 m/a和51.17 m/a,其中最大变化率和最大侵蚀率均出现在杭州湾,分别为594.58 m/a和-67.27 m/a。象山港、三门湾、椒江口和乐清湾的平均变化率较小,基本处于平衡状态或轻微的增长状态,分别为1.81 m/a、0.81 m/a、0.43 m/a、1.75 m/a。

3.3.2 变化趋势分析

为了客观描述全省岸线的增长-侵蚀状态,根据EPR数值特征,对岸线进行分类,主要表现岸线的增长-侵蚀变化趋势。综合岸线解译误差、岸线变化特征将海岸线变化趋势分为3类:淤进(EPR≥5 m/a)、平衡(-5 m/a≤EPR＜5 m/a)、蚀退(EPR＜-5 m/a)[20]。

1970—2018年共分为5个时期,综合来看,处于平衡状态的岸线在各期占比最高,均在70%以上,处于淤进状态的岸线占比次之,处于蚀退状态的岸线占比最低(图3)。处于淤进状态的岸线经历了急速下降-持续增加-下降的变化过程。第一个阶段为20世纪70年代到80年代,处于淤进状态的岸线由27.44%下降到13.12%;第二阶段为80年代到21世纪初10年,处于淤进状态的岸线占比持续增加,由13.12%增加到24.38%;第三阶段为2000—2010年到2010—2018年,处于淤进状态的岸线占比有所下降,由24.38%增加到16.78%。处于蚀退状态的岸线占比均低于6%,最高为1990—2000年的5.83%,最低为2010—2018年的2.2%。处于平衡状态的岸线占比均在70%以上,最高为1980—1990年的82.55%。

图3 1970—2018年浙江省岸线状态占比

3.4 变迁原因分析

海岸线变迁受自然因素和人为因素等多方面的影响。自然因素主要包括泥沙运移、海平面上升、河流改道和地形地势变化;人为因素主要包括围填海、海水养殖和海岸工程建设等。其中,人为因素,尤其是因为城市发展需要进行的大规模围填海,是造成浙江省大陆海岸线变迁的主要原因。

3.4.1 自然因素

海岸线变迁是海岸带冲淤演变的直接体现,是河流、潮汐、海流、波浪及风暴潮等水动力条件在特定海平面变化背景和海陆边界条件下共同作用的结果。浙江省地处长江口南,省内有钱塘江、椒江、瓯江等河流,输沙量在一定程度上影响海岸线淤进的速度。浙江省水文局和中国水利部发布的《中国河流泥沙公报》统计结果显示,三峡水电站等大型水库建设导致浙江入海河流年输沙量总体上明显地减少,导致浙江省河口区因输沙的减少而使海岸线受到了侵蚀[21]。另外,从中长期看,海平面上升是引起大范围岸线内移的重要因素,《2020年中国海平面公报》显示,1980—2020年近40年间东海海平面上升了136 mm[22]。除此之外,河流改道、地形地势变化都会在一定程度上改变海岸的蚀淤状态,影响了海岸线的变迁。

3.4.2 人为因素

人类活动对于大陆海岸线的改变和利用从未间断,特别是1949年以来各地围海造堤、建塘修坝和拦闸蓄水等活动直接改变着浙江省海岸线的位置和类型。浙江沿岸滩涂资源非常丰富,利用丰富的滩涂资源进行围垦造地一直是浙江省缓解人多地少矛盾的主要措施。20世纪50年代至70年代,浙江省逐渐扩大了围海范围,即从高滩围海发展到中、低滩促淤围海,围垦速度达到0.933万hm2/a,主要用于农业生产,表现为拦闸蓄水、围海造堤。1980—2000年,随着改革开放的深入,第二产业、第三产业迅速发展,传统养殖业兴起,围海养殖、围填海活动进一步加剧。1996年浙江省出台的《浙江省滩涂围垦管理条例》和2006年国家海洋局印发的《关于加强区域建设用海管理工作的若干意见》极大地促进了围填海工程的实施,2000—2015年围填海活动达到顶峰。随着2016年《海岸线保护与利用管理办法》和2018年《关于加强滨海湿地保护严格管控围填海的通知》等海岸线、围填海管控政策的出台,海岸线变化趋于稳定。

4 结论与建议

本研究基于6期遥感资料,以实测数据为参考,利用数字海岸线分析系统(DSAS)对浙江省1985—2018年的大陆海岸线进行提取及定量计算岸线变化速率,分析岸线变化的特征和趋势,得出结论如下。

(1)近50年来,浙江省大陆海岸线呈明显递减趋势,海岸线的平均变化率为22.14 m/a,海岸线总长减少了184.27 km,自然岸线减少了381.37 km,人工岸线增加了197.10 km,海岸线整体向海推进,共形成围填海约14.77万hm2,1970—1980年、2000—2010年和2010—2018年围填海活动最为剧烈。

(2)浙江省大陆海岸线以人工岸线为主,自然岸线保有量逐年降低,岸线人工化趋势明显,人工岸线截弯取直,平直化严重。人工化指数除了20世纪80年代略有下降,基本呈逐年上升趋势,由1970年的54.65%增加到2018的68.49%,人工岸线长度与人工化指数趋势具有较强的一致性。

(3)海岸线向海推进趋势明显,平均变化率为26.72 m/a,1980—1990年平均变化率最低,为6.45 m/a,2000—2010年平均变化率最高为49.88 m/a。海岸线变化主要发生在杭州湾、象山港、三门湾、台州湾、乐清湾和瓯江口岸段。从海岸线的增长-侵蚀变化趋势来看,处于平衡状态的岸线在各期占比最高,均在70%以上,处于淤进状态的岸线占比次之,处于蚀退状态的岸线占比最低。

(4)浙江省大陆海岸线变迁受自然因素和人为因素等多方面的影响。人为因素尤其是因为城市发展需要进行的大规模围填海是造成浙江省大陆海岸线变迁的主要原因,2000—2015年围填海活动达到顶峰。随着2016年《海岸线保护与利用管理办法》和2018年《关于加强滨海湿地保护严格管控围填海的通知》等海岸线、围填海管控政策的出台,海岸线变化趋于稳定。

海岸线是具有重要生态价值的海洋空间资源,一旦破坏极难恢复。为有效保护和改善海岸线的状况,除了出台严格管控围填海和海岸线保护政策外,应该建立海岸线退缩制度,同时,将生态价值高、自然禀赋好的自然岸线纳入生态红线保护。此外,还要开展基于自然的海岸线生态保护与修复,尤其是加强受损岸线修复和人工岸线生态恢复,不断提高自然岸线保有率。