海工建筑对周边岸滩演变分析——以秦皇岛市为例

韩晓庆，高伟明，甄彦龙，张芸

（1.甘肃民族师范学院 历史文化系 河洮岷文化研究中心， 甘肃 合作 747000；2.河北师范大学 资源与环境科学学院 河北省环境演变与生态建设实验室， 河北 石家庄 050016）

海工建筑对周边岸滩演变分析
——以秦皇岛市为例

韩晓庆1，高伟明2，甄彦龙2，张芸2

（1.甘肃民族师范学院 历史文化系 河洮岷文化研究中心， 甘肃 合作 747000；2.河北师范大学 资源与环境科学学院 河北省环境演变与生态建设实验室， 河北 石家庄 050016）

以多期地形图、海图，多时相航空影像图、卫星遥感影像，多年实测数据为主要数据源，运用“3 S”（ GIS、RS、GPS ）技术，系统分析了河北省秦皇岛市50年来（1956年-2006年）海岸演变过程、动因及规律，探讨了海岸演变预测及对周边岸滩的影响和环境效应。结果表明，人工干预下岸滩演变对周边海滩产生较大影响，表现为改变局部流场，促进周边岸滩的发育，形成秦皇岛地区自然岸线整体侵蚀背景下的局部淤积现象，其演化特征为：海滩渐宽，年淤积量0.14 m～2.71 m。淤积速度减慢，0.04 m/a～0.7 m/a不等。坡度变缓，仅秦皇岛煤一期突码头至人工填筑地海滩坡度即降低3.8°（ 1985 年-2006 年）；岸线弧度减小，年均变化0.083°～0.415°，湾顶位置逐年W、WWS向移动；海滩组成物细化，海滩砂中值粒径年均变化0.016 mm～0.035 mm。

岸滩演变；环境效应；遥感分析

1 引 言

海岸带是海洋与陆地交接的特殊地带，是人类赖以生存和发展的重要场所，是现代经济文化发展的前沿地带。海岸带的变化，往往对海岸带地区生态环境造成严重危害，带来巨大经济损失，备受世界各国关注[1-5]。因此，加强海岸带演变研究对于沿海地区生态安全及可持续发展具有十分重要的现实意义。

2 研究区概况

河北省的岬角港湾海岸位于东经119°26.5′～119°50.7′，北纬39°48′～39°59.5′之间，分布于秦皇岛市戴河口以北，至河北省与辽宁省交界处的张庄

[6]。

河北省岬角港湾海岸绵长、开发历史悠久。从公元前215年，秦始皇东巡“之碣石”，在北戴河和山海关海岸修建了规模宏大的行宫开始，到1924年，北戴河海滨已建别墅596幢[7]。自20世纪50年代中期开始，除新开辟的旅游海滩以外，以港口及突堤式码头为代表的海上人工建筑物的修建，不断侵占沿海自然岸线，成为秦皇岛自然状态海岸逐渐减少的主要原因，至2006年，仅存42.7 km。随着70年代省内各大河流上游修建大型水库，下游入海水量及泥沙量的急剧降低，整体岸线亦逐渐由淤积转变为侵蚀[8]。但海上人工建筑的存在，改变了局部海洋动力，影响海工建筑周边海岸冲淤状况，形成整体侵蚀背景下部分淤积的独特现象。本文自北向南选取邻近人工建筑的具有代表性的8处岸段，并在此基础上分析海工建筑的修建对周边岸滩变化的影响(表1、图1)。

表 1 研究区各岸段位置及长度（2006年）Tab.1 Position and length of the study area

图 1 研究区各岸段示意图Fig.1 Sketch map of the study area

3 数据资料的选取与处理

3.1 数据资料

3.1.1 主要资料 选用覆盖研究区，比例尺分别为1:50 000的1956年、1969年、1979年的3个年份共21幅地形图，作为1979年之前提取岸线的主要依据。

卫星影像选用自20世纪70年代以来的MSS、TM、ETM+、SPOT遥感资料作为主要数据源。其中，1979年为MSS影像，分辨率80 m，2000年后为ETM+影像，分辨率15 m，2006年为SPOT影像，分辨率2.5 m，其余皆为TM影像，分辨率为30 m，8个时段共11景。

3.1.2 辅助资料 除采用上述资料外，还采用部分年份的航空图片、海图作为提取岸线信息的参考资料。

3.2 数据处理

本研究将上述资料校正到同一坐标系下，以3期地形图、8期卫星遥感图作为主要的数据来源，并将1979年地形图与1979年遥感影像图相互参考得出此年份岸线的相关信息，作为地形图与遥感影像两种不同数据源的衔接。

3.2.1 地形图处理 首先，将地形图以200 dpi进行扫描[9,10]，然后利用MAPGIS 6.6的投影变换系统提供的生成标准图框功能，设置与扫描地形图相同的比例尺、椭球参数、地理坐标的标准图框，并转存为200 dpi的.tiff格式的标准图框图像，作为几何校正的参考图像。经ERDAS Image 8.6（以下简称ERDAS）的Mosaic Images 功能，运行Mosaic 工具输出.img格式的拼接图像。最后将覆盖研究区的多幅图像拼接成全景地形图[11-12]。

3.2.2 遥感影像处理 利用 ERDAS 中的选择多项式变换（Polynlmial）作为几何校正模型(纠正变换函数)。选取判断图像与校正参考依据对应的同名点——GCP 点，用于控制计算、建立转换模型及多项式方程。采用最近邻点内插法（Nearest Neighbor）进行数字图像重采样，得到校正后的影像数据，并检验误差是否在允许范围内。利用ERDAS软件中的Dataprep模块中的Moisic Image功能，将多幅图像拼接成整体，便于直观的观察研究区域及下一步信息的提取[13-15]。

3.2.3 岸线信息提取

3.2.3.1 地形图岸线信息的提取 在制作地形图时，岸线位置即采用大潮高潮线位置确定，除个别地区如河口等，须遵照上述岸线界定标准外，绝大部分地区的岸线可按照当时地形图上标注的位置来确定。

3.2.3.2 遥感影像图岸线信息的提取 将遥感影像图进行增强处理，并选取适当的波段，使水陆界线明显，同时参照海图、航空图像等资料，用于修改岸线的细部，通过目视解译最终确定岸线所在位置，从而形成不同年份，不同时段的岸线资料。

4 演变结果及环境效应分析

4.1 演变结果

通过上述研究方法，结果表明：河北省岬角港湾海岸整体逐年向海推进，年均变化0.4m～33 m 。1956年—1969年、1969年—1979年，是统计的数据内变化幅度最小的两个年份，其速率分别为：2 m/a和0.4 m/a（表2），与其他年份的数据相比，海向推进的速度较小。

自 80 年代，岸线向海推进的速率亦大幅增长，1979年—1987年为24 m/a，是1969年—1979年的60倍。至1991年岸线向海推进达到最高峰，为33 m/a。

之后增长速度有所减缓，至2000年，其向海推进速度已达历年人为作用影响下的最低值——13 m/a。2000年—2006年，年均向海推进32 m，其中前期变化速度较慢为19 m/a，后期速度增长较快，年均海向推进51 m，其速率在所有统计年份为最高。

表 2 河北省岬角港湾海岸距离变化表Tab.2 Changes of distension in rocky coast of Hebei Province

1956年—2006年，河北省岬角港湾海岸向海推进共计782 m，年均变化15.6 m/a；其中，1956年—1979年，岸线向海推进 27 m，年均变化1 m/a；1979年—2006年，其间岸线向海推进755 m，年均变化28 m/a，其增长速度几乎为前者的28倍。

4.2 岸线演变对周边岸滩影响分析

4.2.1 港口工程岸线变化对周边岸滩影响分析

4.2.1.1 人工岬角港湾 港口工程及其他突入海中的人工建筑物，如突堤码头、栈桥码头、伸向海中的防波堤及人工填筑区等，与其之间自然岸滩形成岬角港湾。在人工岬角处波浪辐聚，波能集中；在港湾处随着波浪辐散及水深变浅，波能扩散，波浪携沙力亦有所降低，泥沙逐渐沉积，促使港湾处岸滩发育。

人工岬角港湾分为两种，一种是两端岬角皆为人工建筑，称之为人工—人工岬角港湾，与之相对的另一种人工岬角港湾则表现为，一端是人工建筑，另一端则为自然岬角，即自然—人工岬角港湾。研究区域中，3、4、8属前一种类型，1、7属后者。

（1）人工—人工岬角港湾

第 3 岸段，海岸整体呈缓慢淤进趋势，1979年—1987年为岸滩发育之初、海向淤进速度较快时期，海滩宽度整体增加2 m，年均变化0.25 m，岸滩弧度减少0.03 π（ 表 3 ）。自弧顶向东、西两侧淤进量渐大，其中，近西侧填筑地岬角处变化最明显，最宽处增加9.6 m，年均淤进1.2 m。东侧近秦皇岛煤港处海滩宽度由19 m增至24 m，年均0.63 m；1987年—1998年，岸滩增长速度有所减缓，年均淤进0.18 m，与前期相比减少28%，岸滩弧度减至0.141 π。西侧最宽处增加7 m，东侧淤进3 m，年均增长0.27 m；1998年—2006年，岸滩增长速度持续下降，年均淤进仅0.13 m，同期岸滩弧度减少0.015 π，即2.7°。

表 3 秦皇岛煤码头西—填筑地岸滩变化统计表Tab.3 Coastal changes between the west of coal dock and the stuff area

海滩整体淤积的同时，还表现出西侧岬角处淤进速度优于东侧的特点，至2006年西侧岸滩最宽处已增至42 m，东侧则为28 m。湾顶位置逐年西移，与1979年相比，2006年湾顶西向移动7 m（图2）。

图 2 秦皇岛煤码头西—填筑地岸滩变化Fig.2 Coastal changes between the west of coal dock and the stuff area

（2）自然——人工岬角港湾

以第1、7段岸线为代表。自然条件下的第 1段岸线，除受波浪传播过程中港湾处波能辐散，造成该区域淤积外，由于山海关船厂防波堤拦截部分西向传播的沿岸流，其西侧产生不完全波影区，并发生波浪绕射作用，波能沿波峰线作侧向传递进入波影区，能量大为减少，泥沙在此沉降，海滩自建港后逐年淤积。绕过防波堤的沿岸流直接冲刷湾顶区域海滩，造成岸滩的侵蚀。此后沿岸流携带侵蚀的泥沙物质西向移动，受老龙头岬角处的阻滞作用，并在此沉积。但该处海滩旅游价值较高，在逐年人工填沙护滩等人为作用的影响下，使得岸滩整体仍呈海向淤积态势。1979年—1987年岸滩演变以快速海向淤进为主，整体变化速度0.94 m/a，海滩弧度减少 0.005 π，即0.9°。弧顶以西岸滩淤进速度为1.88 m/a，是东部增长速度的5倍；1987年—1998年，岸滩整体海向推进速度有所减缓，年均0.57 m。其中，弧顶西部岸滩最宽处增至68 m，年均淤进1.45 m，同期东部最宽处仅23 m，为西部岸滩的1/3；1998年—2006年，海向淤进3.1 m，变化速度持续降低，为0.39 m/a，与前期相比下降23%。西部最宽处为75 m，位于锦铁疗养院海滩，东部最宽处位于交通部职工疗养所外侧海滩，为24 m，年均淤进仅0.14 m（表4、图3）。

表 4 山海关船厂西侧—老龙头东北角岸滩变化Tab.4 Coastal changes between the west of Shanhaiguan dockyard and the northeast of Laolongtou

图 3 山海关船厂西侧—老龙头东北角岸滩变化Fig.3 Coastal changes between the west of Shanhaiguan dockyard and the northeast of Laolongtou

4.2.1.2 形成波影区 突于海中的码头或防波堤在其下游形成的隐蔽的波影区，处于该区域的波浪，流速减慢、携沙力降低，大量的泥沙在此范围内近岸沉降，海滩淤积，并由人工建筑根部向远处淤积量逐渐减少，以至岸滩变化平衡。

以第5、6段岸线为代表。建于20世纪90年代初的第6处海岸防波堤，使其西侧局部海域的ENE向主波浪大为减弱，并由SSW向波浪取代，促使防波堤西侧局部岸段产生向东北方向运移的泥沙流，进而使防波堤西侧海滩逐年淤积。

1991年—1998年，波影区岸滩淤积量较大，整体变化速度达2.7 m/a，岸线弧度减少0.028 π；1998年—2006年，岸滩淤进14 m，年均1.8 m，较前期速度减缓26 %，岸线弧度减少0.046 π，即8.28°（表5）。

表 5 汤河西侧海上运动中心西侧波影区岸滩变化Tab.5 The coastal change of the west of sea sport center in Tang River

防波堤西侧为1954年修筑的战备碉堡，当时距海岸线约170 m，之后因海滩连年受蚀后退，碉堡逐渐侵入海中，至1985年距岸线约40 m。20世纪90年代初水上运动基地防波堤的修建改变了沿岸水动力条件，使该处海滩由侵蚀转为淤积，至1991 年12月，该碉堡又重新现于沙滩之上，且距水边线51 m；至1998年该碉堡所在地（原碉堡被炸掉，并在其底座之上修建一凉亭）距水边线已达85m，淤积速度近 5 m/a；2006年间距进一步扩大，为105 m （图4）。亦即防波堤的修建，使海滩在1991年—2006年间重新淤长约145 m，年均淤进量近10 m。

图 4 汤河西侧海上运动中心西侧波影区岸滩变化Fig.4 The coastal change of the west of sea sport center in Tang River

4.2.1.3 对沿岸泥沙的拦截 河流入海的泥沙及海岸遭侵蚀而形成的砂砾，在沿岸泥沙流的作用下为沿岸各地海滩的发育不断提供沙源。一旦突于海中的突堤码头及防波堤截断了沿岸泥沙运移，将会对海滩发育带来影响。通常情况下，此类港口工程来沙一侧海滩淤长，而另一侧除工程根部波影区可能淤积外，下游地区海滩则因沙源亏损而遭侵蚀。

以第2段岸线为代表。第2段岸线东侧紧邻石河，沿岸流携带入海泥沙西向运移，使本段岸滩逐年淤进。1975年石河水库的修建，其下游入海水量及泥沙量逐年减少，本区域亦停止以河口及西侧地区为中心海向淤进，变为逐年侵蚀。侵蚀的泥沙为沿岸流所携带，至20世纪80年代末修建的沙河口东侧防浪堤，受其阻挡逐渐淤积。

2003年，于石河原西侧出海口以西1 000 m处，修建一海上公园平台，向海最远端180 m，其东侧阻挡部分沿岸流，并逐渐淤积。至2006年，紧邻平台东侧根部淤积最大处为40 m，西侧波影区淤积约5 m。平台西侧500m 处海滩开始出现侵蚀，蚀退最大变化速度为1 m/a，与未建此平台前相比，侵蚀速度增加 0.4 m/a。至沙河口东部沟渠寨渔港防波堤，阻滞西向沿岸流，其东侧又出现部分淤积，最宽处近20 m。渔港防波堤西侧原为沙河入海口，属堆积岸滩受蚀严重，细小颗粒泥沙皆被波浪掏蚀，冲刷至水下岸坡及下游，仅留颗粒较大的砾石，形成独特的砾石滩地貌。

5 岸滩变化特征及原因分析

5.1 海滩渐宽，淤进速度减慢，坡度变缓

在所统计的上述岸滩中，除第2段部分岸线出现侵蚀外，其余各段均为淤积岸滩，年淤积量0.14 m～2.71 m不等。其中，第6 岸线淤积速度居各岸段之首，1991年—2006年，淤积量达 33 m，年均海向推进2.2 m，淤积速度之所以如此之快，除受其他各处岸滩所处的波影区海洋动力较弱的影响外，最主要是由其独特的地理位置所致。该区域主要物源地——汤河紧邻其东，入海泥沙在西向沿岸流的携带下首先在此处沉降，加之 SSW 向次主向波浪将越过防波堤的泥沙流再次运移至附近岸滩，造成本段岸滩快速淤积。

从多年统计数据显示，各段岸线淤进速度皆有所减缓，变化速度0.04 m/a～0.7 m/a不等。其中，第3段岸线，1979年—2006年，淤进速度为0.18 m/a，1998年—2006年仅为0.04 m/a，为同期相同类型各岸段淤积速度最慢的区域。其原因为，本段岸滩虽东有秦皇岛煤码头、西有填筑地庇护，水动力条件微弱，易于泥沙物质的沉降，但距本区域主要的泥沙物质来源地——石河已较远，且沿岸泥沙流在西向移动过程中，受秦皇岛煤港、油港，尤其是煤五期及辅建区（后者海向推进近 3 km ）的阻滞作用，加之中途基本没有物源补给，沿岸流所携泥沙含量已非常低，故淤积量与其他地区岸滩相比较低。新开河位于其西侧，但其入海水量及泥沙量已极少，且在西向沿岸流的作用下，基本补给了第4段岸滩的发育，泥沙极少到达本区域，也进一步致使第 3 段海滩淤积缓慢。

此外，坡度逐渐变缓也是各岸段表现出的共同特征。以第3段岸滩为例，据1985年海滩剖面测量资料，海滩平均坡度为5°30′，在1995年野外调查时，海滩坡度降为2°30′(低潮线附近坡度较大)，2006年岸线调查时显示海滩平均坡度已为1°42′，21年间坡度降低3.8°，年均变化0.18°。前10年坡度降低速度为 0.3°/a，后期为0.08°/a，前后相比变化速度降低0.22°/a。

5.2 岸线弧度减小，湾顶位置W、WWS向移动

岸线整体弧度的计算，主要与两个因素有关，其一为界定所在岸线的范围，其二是岸线两端连线与弧顶距离。前者在人为规定好后基本不变，后者则随岸滩变化而变化，成为决定弧度变化的关键因素。第1段岸滩，1979 年岸线弧度为0.18 π，至1987 年减少为0.175 π，1998年减至0.171 π，2006年测量岸线弧度为0.166 π。1979年～2006年，岸线弧度共减少0.012 π，年均变化 0.083°；第3段岸线在此期间共减少 0.06 π，变化速度为0.415 °/a；第6段岸线变化速度较快，为0.318 °/a（表6），其他各岸段亦与之相似。其原因主要由于岸滩的逐年淤积，导致岸线两端连线与弧顶距离不断缩减，使岸线弧度逐渐减小。

表 6 1979年—2006年部分岸线弧度统计表Tab.6 Statistics of the coastal radian from 1979 to 2006

随着岸线弧度逐渐减小，滩面变化还表现出湾顶位置逐年W、WWS向移动的趋势，人工岬角海湾尤为明显，如第 1、3、4、7、8等段岸线。第1段岸滩湾顶位置，1979年—1987年移动54 m，1987年—1998年西向变化速度为4.2 m/a，1998年—2006年移动20 m。1979年—2006年WWS向变化共120 m，年均4.4 m，其余各段变化速度3.1 m/a～3.8 m/a不等，且随着时间的推移，湾顶位置移动速度明显降低。其原因主要由于岸滩在西向沿岸流的作用下，湾顶及西侧海滩不断受蚀，冲刷的泥沙西向漂移过程中，在西侧岬角处受阻沉降，逐年淤张，湾顶位置亦随之不断西向移动。

5.3 海滩组成物细化

海上人工建筑引起的海滩淤积，其地貌特征是变宽、变缓，而沉积学特征则表现为海滩砂细化。根据蒋忠信[16]、冯金良[17]、高伟明[7]等人，同一地点附近前后共20年的海滩砂粒度分析资料表明，受海上人工建筑影响，其周边岸滩沉积物逐渐细化。其中，山海关船厂防波堤西侧，1985 年海滩中潮位砂中值粒径为0.494 5 mm，10年后变为0.215 2 mm，至2006年是0.077 6 mm；石河口西700 m附近，1985年岸滩沉积物中值粒径为 0.4282 mm，至 2006 年细化为0.093 3 mm；1985 年—1995 年，煤一期突码头西侧海滩中潮位砂中值粒径减少0.265 8 mm，1995年—2006年，减少0.186 5 mm；汤河口西侧海滩，1985年岸滩沉积物中值粒径为0.757 8 mm，至1995年减少0.541 mm，2006年海滩砂中值粒径进一步减少，为0.022 4 mm（ 表 7 ）。

表 7 1985年-2006年部分海滩砂中值粒径统计表Tab.7 Statistics of the median grain diameter on the beach from 1985 to 2006

在所统计的4处人工建筑附近海滩中，1985年汤河口西粒径最粗，其原因为当时海上运动中心并未建成，在西向沿岸流的作用下，汤河入海较大粒径泥沙部分淤积于出海口西侧，使之滩面较粗。经10年波浪作用，1995年海滩组成物质已较均一，在所统计的数据中相差仅0.000 6 mm。至2006年，除石河口西 700 m处海滩外，自北向南中潮位砂中值粒径逐渐变细，石河口西海滩组成物质较粗的原因为沿岸流携带石河入海泥沙西向运动，至2003年修建的海上公园平台附近，受其阻挡海洋动力减弱，颗粒较大的泥沙首先沉降并逐渐淤积，自东至西颗粒物逐渐变细。

致谢：河北省地理科学研究所顾建清研究员参加野外调查与测量工作，提供相关数据，并对研究方法提出改进建议，在此表示衷心的感谢。

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Analysis on the beach evolvement of the building on the sea——a case study of Qinhuangdao city

HAN Xiao-qing1, GAO Wei-ming2, ZHEN Yan-long2, ZHANG Yun2

(1.Center For Culture Studies of He-Tao-Min Area, History and Culture Department, Gansu Normal University for Nationalities, Hezuo 747000, China; 2.Hebei Key Laboratory of Environmental Change and Ecological Construction, College of Resources and Environmental Science, Hebei Normal University, Shi Jiazhuang 050016, China)

The data of this paper was mainly from relief maps, charts, remote sensing imagines and the field data of different years and areas in Hebei Province from 1956 to 2006.Combined with the “3 S” technology, the condition of shoreline evolvement had been concluded after comparing above materials.The results of the study show that it was that the natural shoreline, replaced by the artificial activities gradually, became the main factors affecting the shoreline evolvement.Another character was that the changing areas mainly lied in the regions where the ports were, such as the region from Tanghe to Shahe which was affected little by the human beings.Shoreline evolvement had changed the local circulation and the development of surrounding beach.The phenomenon of partial deposition was formed with the whole erosion condition.The evolvement characters as followed: For one thing, the beach became more and more width with the speed of 0.14 m/a～2.71 m/a.The sedimentation got more and more faintness with the the speed of 0.04 m/a～0.7 m/a.Moreover, slope of the beach became slower and slower.For example, it had slowed down by 3.8°nearby the beach from the first coal port of Qinhuangdao to the filling area between 1985 and 2006.For another, the radian of the coastline was reduced about 0.083°～0.415°per year, and the top position of the bay moved towards to W and WWS year by year.The third, the component of beach was thinner and thinner with the speed of 0.016 mm/a～0.035 mm/a.

Coastal Evolvement；Environment Effects；Remote Sensing Analysis

P753

A

1001-6932(2011)02-0214-07

2010-03-10；收修改稿日期：2010-09-09

国家海洋局908专项资助（HE908-01-03-04）。

韩晓庆（1981-），男，山东莱州人，讲师，硕士，研究方向为基于遥感的环境演变分析。电子邮箱：xqhan312@126.com 。

高伟明，教授。电子邮箱：gaowmd@263.net。