基于遥感的黄河三角洲海岸线变化研究

2012-03-14栗云召于君宝韩广轩王永丽张志东

海洋科学 2012年4期

栗云召,于君宝韩广轩王永丽,张志东

(1.中国科学院烟台海岸带研究所,滨海湿地生态实验室,山东省海岸带环境过程重点实验室山东烟台264003;2.中国科学院研究生院北京 100049)

海岸带是响应全球气候变化最迅速、生态环境最敏感、最脆弱的地带[1],在全球气候变化的背景下,国际地圈生物圈计划(IGBP)将海岸带陆海相互作用(LOICZ)作为其核心计划之一,其研究的重心就是居于界面位置的海岸带[2]。位于河海交接区域的河口三角洲,是海岸带重要而特殊的组成部分,同时受到河流和海洋动力的双重作用,对陆海相互作用的响应更为显著,其直观表现就是岸线的形状与长度变化和区域面积变化。

对海岸线的提取可以通过现场探测技术进行,但现场探测方法必须做大量的野外工作,耗时费力,工作周期长,不利于大面积探测和应用推广[3]。相比而言,遥感技术感测范围广、更新时间短,具有强大的数据获取能力,能够直观地反应海岸线的岸相特征,适于海岸线的提取。随着遥感技术在水陆岸线提取方面的理论的成熟,利用遥感技术检测岸线变化在国内外得到了广泛应用[3-9]。

黄河是世界上入海泥沙通量最高的河流[4],入海口水浅坡缓,易于淤积,近百余年来,黄河尾闾摆动比较频繁[5-6],使得黄河三角洲的陆海变迁比较显著,海岸形态变化剧烈。而黄河三角洲是我国重要的油气产区,同时是我国三大河口三角洲湿地之一[7],为东北亚内陆和环太平洋鸟类的迁徙提供了重要的停歇地和越冬地[8]。及时、准确地监测黄河三角洲的岸线变化及演变趋势,对合理地开发利用该区域的资源和管理保护其生态环境具有重要的指导意义。何庆成[9]、董方[10]、薛允传[11]等分别采用遥感和GIS相结合的方法对黄河三角洲1976年改道清水沟流路以来的岸线及淤蚀变化情况作了研究;常军[12]、崔步礼[13]等则在通过遥感检测黄河三角洲岸线变化的基础上,从黄河的来水来沙量等水文状况变化方面对黄河三角洲岸线变迁作了分析,并得出了保证黄河三角洲冲淤平衡的水沙量,预测了黄河随未来来水来沙量的不同而可能发生的淤蚀情况,这些研究为黄河三角洲的岸线变化及淤蚀变化等方面的研究提供了参考。

本文在前人研究的基础上,根据黄河三角洲淤蚀变化的集中区域,着重从三角洲的三个亚区域的岸线变迁、面积及淤蚀变化方面出发,分析三角洲1989年到2009年的岸线演变情况、面积变化及淤蚀剧烈程度,从而为该区域的相关研究和管理提供参考和依据。

1 研究区域概况

黄河三角洲包括古代、近代和现代三角洲,本文的研究区域以垦利县渔洼村为顶点,北到挑河口,南到永丰河口,东到海岸,主要部分为现代黄河三角洲。在此研究区内,依据黄河现在和过去入海的流路[14],分别以东港高速、黄河北岸沟渠大堤为界将研究区分为刁口河流路区、神仙沟流路区和清水沟流路区三个亚区域(图1)。研究区域主要是三角洲冲积平原,地势平坦,海拔多在 10 m 以下,年均气温12.8℃,年均降水 550～600 mm,降水量季节变化和年际变化大[5]。海岸区域主要是泥质粉砂质海岸和人工海堤,其中清水沟流路区主要是泥质粉砂质海岸,神仙沟流路区主要是人工海堤,刁口河流路区主要为人工海岸和泥质粉砂质海岸。

图1 研究区域Fig.1 Location of the study area

2 研究方法

2.1 数据准备及预处理

本文以Landsat TM/ETM+ 数据为数据源,具体采用的数据见表1。将所有影像以东营市1 :50000地形图为基准进行几何精校正,像元误差保证在 1个像元内;然后在ENVI软件里创建研究区掩模,提取研究区(包括海域部分)。

2.2 海岸线的确定

海岸线包括大陆海岸线和岛屿海岸线[6],目前对海岸线具体位置的确定基于研究目的不同而存在一定的差异,关于岸线的认定有以下5种观点:(1)低潮线;(2)沿海岸滩与平均海平面的交线;(3)平均高潮线;(4)多年大潮高潮线或痕迹线;(5)最大风暴潮所能达到的位置[15-16]。近些年来,海平面上升成为许多研究的焦点,海平面上升会影响海岸线的确定,但是在较短的时间尺度内,由海平面上升造成的确定海岸线的误差可以忽略不计,此外,水陆边界线受潮汐的影响也很大。对于水陆边界线的确定,经过分析比较,黄河水利委员会勘察设计院认为同月同潮位法较为理想,但满足此条件的遥感影像不多。为此,本文采用研究区海洋潮流发生一般高潮时,取海水所淹没的平均界线(平均高潮线)方法来提取岸线。研究表明,平均高潮线与同月潮位法相比,两种方法的分析结果相近,能满足宏观分析所需的精度[15],而平均高潮线可以通过光谱分类的方法来确定,在短期内,平均高潮线受潮汐和海平面的影响相对较小,可以忽略。平均高潮线介于高潮滩与中潮滩之间,由于潮滩组分的差异及暴露于水上时间长度不同,高潮滩与低潮滩的含水量不同,在光谱中表现出不同特征,此外,高、低潮滩上植被的长势及地貌的不同都成为识别平均高潮线的解译标志[12]。本文在岸线提取时,遵循以下原则:(1)提取的岸线主要是大陆岸线,不包括小岛及与大陆分离的滩涂;(2)将明显突出海岸伸向海中的人工堤坝岸线截取掉,取与岸线相平;(3)潮沟和河口取与沟口和河口岸线相平。

2.3 岸线提取方法

在岸线提取过程中,本文参考樊彦国[17]等人对黄河三角洲海岸线提取方法的论述,采用光谱分类的方法,利用计算机自动提取,结合人工修正,以平均高潮线为岸线,对黄河三角洲的岸线进行提取。

岸线提取分三个阶段。第一阶段,首先对研究区遥感影像进行缨帽变换,然后取缨帽变换的亮度分量、绿度分量和湿度分量进行图像组合,对重新组合后的图像实施边缘增强,然后进行非监督分类,分类取20～25类;第二阶段,对分类结果进行分类后合并,最终合并为两类,生成二值图,然后将生成的二值图转化为矢量数据;第三阶段,在 ARCGIS软件里将生成的矢量图进行处理,提取岸线,得到研究区域的面积和岸线长度数据,然后采用空间分析工具对黄河三角洲的面积变化进行提取,得到黄河三角洲两年份之间的重合区域面积、淤积区域面积和蚀退面积等数据,并以年均淤蚀面积和的值表示该区域的蚀退强度,年均淤蚀面积占重合面积的百分比来表示该区域的相对淤蚀强度。

表1 遥感影像数据信息Tab.1 Information of remote sensing images

3 结果与讨论

3.1 黄河三角洲岸线长度及形状变化

黄河三角洲海岸线形状变化:如图2所示,刁口河流路区和清水沟流路区的海岸线形状变化比较明显,具体表现为:随时间推移,刁口河流路区的岸线整体向内陆方向收缩,岸线曲折性变大。由于没有稳定的水沙补给,刁口河流路区的海岸线从1976年黄河改道以来整体一直处于蚀退状态。刁口河入海口区域的飞雁滩油田区,由于有公路和堤坝等人工设施防护,蚀退相对较小,其余区域,尤其是一千二管理站北部的滩涂,蚀退较大。至 2009年,一千二管理站以北滩涂在图上呈现明显的“凹”形形态。清水沟流路区岸线由 1989年开始,先向东南部淤积,形成一个沙嘴;2000年以后该沙嘴逐步向后蚀退,同时现行河口区又形成一个新的沙嘴,岸线曲折性开始变大;新沙嘴先向东扩展,2006年后又改向东北部扩展。这些变化主要是由黄河尾闾摆动引起的。1976年以后,黄河取清水沟河道入海,虽然没有发生大的改道,但小的尾闾摆动一直存在。1996年7月,黄河由清 8断面经人工改道转向东北方向入海[14],使得 1976年以来冲积形成的大沙嘴得不到泥沙补充,逐年消退;同时,在大沙嘴的东北方向,黄河泥沙淤积而形成了现在的小沙嘴。黄河于 2007年8月在河门处改行北汊道生成了现行河道,因此,从图2上看小沙嘴在2006年到2009年整体是向东北发育,同时东部的淤积部分迅速地蚀退。神仙沟流路区的岸线除神仙沟的入海口处在1989年到2000年有较明显蚀退外,其余区域变化不明显。这主要是由于20世纪 80年代以来,人工堤坝的修建减小了海浪侵蚀,同时陆上也没有大的水沙输入,使这段岸线变化不大。

图2 现代黄河三角洲岸线变化过程Fig.2 Coastline migrations of the Yellow River Delta

海岸线的长度变化方面:取Lmax为 1989年至2009年20 a间各区域岸线最大值,Lmin为1989年至2009年间各区域岸线最小值,K为Lmax与相应的Lmin的差值。黄河三角洲各年份面积、岸线长度详见表2,1989年至 2009年间,刁口河流路区的K值为31.57 km;清水沟流路区,K值为60.24 km;神仙沟流路区,K值为7.7 km。表明清水沟流路区在1989年到2009年岸线长度变化最大,其次为刁口河流路区,神仙沟流路区岸线长度变化最小,其长度变化仅相当于清水沟流路区长度变化的12.78%。岸线长度变化最大的是现行黄河河道区,长度变化最小的是人工堤岸段,这说明黄河造陆和人为干扰对岸线长度变化的影响是两个重要方面。

表2 黄河三角洲各年份面积、岸线长度Tab.2 Areas and coastline lengths of the Yellow River Delta

3.2 黄河三角洲面积及淤蚀变化

在刁口河流路区,面积变化除1989年至1992年和2004年至2006年段为正值外,其他年份均为负值,1989年至2009年间年面积平均变化值为-3.02 km2,其面积共减少了61.36 km2(表3)。从淤蚀变化方面来说,刁口河流路区在1992年至2004年和2006年至2009年期间,蚀退区域面积比较大,淤积区域面积比较小;1989年到1992年和2004年至2006年淤积区域面积比较大,蚀退区域面积比较小(表4)。淤蚀面积速度在1989年至1992年和2006年至2009年期间相对较大,说明1989年至2009年间该区域的淤蚀变化剧烈程度是“剧烈-平缓-剧烈”,从年均淤蚀面积占重合面积的比重来看,该比例值亦经历了由大到小再到大的过程,说明该区淤蚀强度和相对淤蚀强度的变化是一致的。在清水沟流路区,面积变化速度在2006年至2009年间为负值,其余年份均为正值,且在2004年至2006年间面积增长速度最为明显,达到了16.11 km2/a,1989年至2009年间面积年平均变化值为8.69 km2,1989年至2009年,其面积共增加了176.67 km2(表3)。清水沟流路区的淤蚀变化相对剧烈,统计年间发生蚀退和淤积的区域面积都比较大,其中2006年至2009年间发生蚀退的区域面积达到了46.24 km2,同时发生淤积的区域面积为23.07 km2(表4)。从淤蚀速度来看,清水沟流路区的淤蚀强度自1992年以来,就一直在增强,2004年以后强度增加更是明显,2006年到2009年间,清水沟流路区的年均淤蚀速度达到了25.96 km2/a(表4);而年均淤蚀面积占重合面积的比例,从总体上来看,经历了“小-大”的过程。在神仙沟流路区,除2004年至2006年间面积变化为正,其余年份均为负值,但变化值比较小,1989年至 2009年间,其面积变化平均值为-0.38 km2/a,20 a间共减少了7.72 km2(表3)。神仙沟流路区发生淤蚀的区域面积、淤蚀速度和淤蚀面积占重合面积的比例都相对较小,说明该区岸线比较稳定(表4)。从黄河三角洲整体上来看,1989年至2009年间,其面积总共增加了107.58 km2,面积平均增长率为5.29 km2/a(表3)。从其淤蚀情况来看,2004年至2006年间,其蚀退面积最小;1992年至 2000年间,淤积面积最大。但从淤蚀强度来看,2006年至2009年的淤蚀强度最强,2000年至2004年淤蚀强度最弱。从1989年至2009年,黄河三角洲的淤蚀强度总体上经历了“缓和-剧烈”的过程。相对淤蚀强度(淤蚀面积占重合面积的比例)则经历了“剧烈-缓和-剧烈”的过程(表4)。淤蚀强度与相对淤蚀强度并不重合,1989年至2009年,黄河三角洲发生淤蚀变化的区域的面积增加了,但是发生淤蚀变化的区域与未发生淤蚀变化的区域的比重由大到小,再到更大,说明发生淤蚀变化的区域所涉及的空间范围相对扩大了。各年份的淤蚀空间变化情况见图3。

进一步分析表明:黄河三角洲的面积变化主要是由刁口河流路区和清水沟流路区决定的(图2),这些区域的大部分岸线是泥质粉砂质海岸,可塑性较容易,淤蚀变化较强。刁口河流路区的淤蚀强度经历了“剧烈-缓和-剧烈”的过程,其中2000年至2004年期间淤蚀强度最为缓和;清水沟流路区的淤蚀强度则一直处于增强过程,2004年到2009年,其淤蚀强度稳定的维持在一个较高水平(表4),相关研究的结果表明,引起这些变化的主要因素有黄河的水沙量变化、降水变化和人为引水量变化等。20世纪80年代中后期以来,特别是1996年到2002年间,黄河三角洲的来水来沙量明显低于黄河多年来的平均值[18-20],且多年存在断流问题加剧,断流天数增长,断流河道增长。与此同时,黄河的人为引水量一直处于上升趋势中[19-20]。2002年黄河实施调水调沙之后,黄河的入海水沙量都有了一定的提高。同时2000年以后,黄河下游的降雨量也高于往年的平均值[21],黄河水资源公报显示:黄河下游2003年至2008年该区域降水平均值达到729.4 mm,高出该区域多年平均降水量约100 mm,这对黄河三角洲的发育比较有利。经相关性分析,清水沟流路区年均淤蚀面积和的值与现代黄河三角洲该值的变化有很强的相关性,两者相关性达到 0.962(P<0.01,双维检验);神仙沟流路区则岸线变化很小,面积变化不明显,对黄河三角洲淤蚀变化影响很小;刁口河流路区的淤蚀强度变化较明显,但其值亦达不到清水沟流路区该值的 1/3,不能够成为影响黄河三角洲淤蚀强度变化的主要区域。上述分析表明:清水沟流路区的淤蚀变化状况与黄河三角洲之间有显著的关系,清水沟流路区的淤蚀变化直接影响着黄河三角洲的淤蚀变化。

表3 黄河三角洲面积变化情况Tab.3 Area variations of the Yellow River Delta

表4 现代黄河三角洲整体淤蚀情况Tab.4 Variations of the erosion and accumulation in the Yellow River Delta

图3 黄河三角洲不同年份淤蚀变化Fig.3 Variations of the Yellow River Delta in different years

4 结论

黄河三角洲的岸线在 1989年至 2009年间发生了比较大的变化,变化主要发生在北部的刁口河流路区和南部清水沟流路区。北部岸线无海堤防护的区域整体向内陆收缩,南部及东部入海口区域整体上处于扩张状态,但2006年至2009年,清水沟流路区南部岸线亦呈蚀退状况,神仙沟流路区因主要是人工堤坝,岸线变化不明显。从面积变化上来看,黄河三角洲整体上处于增长趋势,但2006年至2009年,黄河三角洲面积减少了。从区域上来说,黄河三角洲的淤蚀强度与清水沟流路区有着密切的关系,清水沟流路区的淤蚀变化显著的影响着整个黄河三角洲的淤蚀变化。从淤蚀变化强度来看,黄河三角洲的淤蚀强度在1989年至2009年间的经历了“和缓-剧烈”的演变过程;2004年以来,黄河三角洲的淤蚀强度稳定在较高的水平,每年发生淤积、蚀退的区域的面积的值明显高于2004年以前,这种高强度的淤蚀变化带来的是区域生态环境的不稳定变化,长期发展下去有可能影响整个区域的经济与社会发展,应引起政府及人们的关注。

[1]李学杰．应用遥感方法分析珠江口伶仃洋的海岸线变迁及其环境效应[J]．地质通报,2007,26(2):215-222．

[2]戴志军,李春初,陈锦辉．华南海岸带陆海相互作用研究[J]．地理科学进展,2004,23(5):10-16．

[3]于杰,杜飞雁,陈国宝,等．基于遥感技术的大亚湾海岸线的变迁研究[J]．遥感技术与应用,2009,24(4):512-516．

[4]许炯心．黄河三角洲造陆速率对夏季风强度变化和人类活动的响应[J]．海洋学报(中文版),2007,29(5):88-94．

[5]张晓龙．现代黄河三角洲滨海湿地环境演变及退化研究[D].青岛:中国海洋大学,2005．

[6]叶庆华,陈沈良,黄翀,等．近、现代黄河尾闾摆动及其亚三角洲体发育的景观信息图谱特征[J]．中国科学,2007,37(6):813-823.

[7]贺强,崔保山,赵欣胜,等．水、盐梯度下黄河三角洲湿地植物种的生态位[J]．应用生态学报,2008,19(5):969-975．

[8]王玉珍．黄河三角洲湿地资源及生物多样性研究[J]．安徽农业科学,2007,35(6):1745-1746．

[9]何庆成,张波,李采．基于RS、GIS集成技术的黄河三角洲海岸线变迁研究[J]．中国地质,2006,33(5):1118-1123．

[10]董芳,赵庚星,田文新,等．基于遥感和GIS的黄河三角洲淤蚀动态研究[J]．西北农林科技大学学报(自然科学版),2003,31(1):53-56．

[11]薛允传,马圣媛,周成虎．基于遥感和GIS的现代黄河三角洲岸线变迁及发育演变研究[J]．海洋科学,2009,33(5):36-40．

[12]常军,刘高焕,刘庆生．黄河三角洲海岸线遥感动态监测[J]．地球信息科学,2004,6(1):94-98．