滩涂围垦生态性分形探讨

胡明华

(浙江省围垦局,浙江 杭州 310014)

1 问题的提出

滩涂围垦是人类最简单初级的利用海洋形式。根据浙江省土地利用形势和沿海、沿江、海岛岸线及滩涂自然形态,生态型围垦开发利用滩涂及其后备资源,应是浙江省可持续利用海洋、发展海洋经济的必然之选。科学合理开发利用滩涂资源,注重滩涂湿地保护和深化浅海近岸利用,使人类在陆域得到不断拓展的同时,催生新的近岸生态圈,使滩涂湿地的自然属性得到延伸,有赖于广泛领域的深化推进。近年来,分形理论被普遍运用于分析海岸线、海岛、港湾区域的相关问题。在分形模型的基础上,宏观的“分形维数”、中微观的“形状指数”等量化指标对浙江省滩涂生态型围垦利用具有现实指导意义。

2 海岸线的分形结构及分形理论的初步理解

海岸线作为曲线,其特征是极不规则、极不光滑的,呈现极其复杂的变化。不能从形状和结构上区分这部分海岸与那部分海岸有什么本质的不同,这种几乎同样程度的不规则性和复杂性,说明海岸线在形貌上是自相似的,也就是局部形态和整体形态的相似。这种部分与整体以某种方式相似的形体称为分形。自然海岸线被认为是具典型自相似性的分形结构物,运用分形维数可以表达海岸线的曲折度与形态变化的规律;分形理论作为一种方法论和认识论,有多方面的启示:一是分形整体与局部形态的相似,启发人们通过认识部分来认识整体,从有限中认识无限;二是分形揭示了介于整体与部分、有序与无序、复杂与简单之间的新形态、新秩序;三是分形从一特定层面揭示了世界普遍联系和统一的图景[1]。

“分形维数”能表达海岸线的形态变化特征。不同海岸线的结构形态不同,其长度随量测尺度的变化率也有所不同;而某一岸线测量长度随比例尺的改变发生规则性变化,这个变化率就是分形维数D。具体地说,海岸线的测算长度与量测尺度在对数坐标下近似直线的关系。因此有分形维数D的计算式:

式中:A为相应几何形状区块面积(m2);P为相应几何形状量测尺度(m),即每段海岸线都有不同分形维数D,而在该段岸线下细分出来的岸线特征是大致相同的。海岸线的分形维数 D=1～ 2。D愈大,岸线形态结构愈曲折、破碎,相应生态环境更有利。

“形状指数”能表达局部海岸线(港湾、河口、海岛)形状的复杂程度,是经过某种数学转化的区域的边长与面积之比,通过计算某一区块形状与相同面积的圆或正方形之间的偏离程度来测量其形状复杂程度。结构最紧凑而又简单的圆或正方形,具有较强可比性,常用来作标准化边长和面积。因此,常见的形状指数S有2种计算方式:

以圆为参照形状:S=0.282P/A1/2

以正方形为参照形状:S=0.25P/A1/2

式中:P为区域周长(m);A为区域面积(m2)。计算时,应根据区域的平面形态确定参照的几何形状和相应的计算式。海岸带的形状指数S≥1,通常用来描述海岸带(海岛)结构与空间格局特征。

形态指数S=0.25P/A1/2应用在港湾、海岸等研究时,也被称为海岸线生长指数,相对于一定容量的港湾、海洋,反映了海岸带结构上各群落的潜在发展性。而S=0.282P/A1/2则更多地应用于岛屿研究,这个比例可以用来描述海岛岸线、岛屿、沙洲等组成结构的群落的复杂度;当然还要考虑海岛面积大小。

滩涂围垦必然改变局部海岸带结构,应尽量保持岸线、岛屿的复杂性,使形态指数不至于过快降低,少破坏海岸、滨海滩涂湿地的环境异质性,维持生物多样性和湿地生态环境。

3 浙江省海岸带与港湾形状

1980—1985年,曾进行过大规模的全国海岸带和海涂资源综合调查。浙江省调查范围包括了大陆海岸线以上向大陆延展10 km左右保持行政区域完整的陆域,大陆海岸线以下20 m等深线及岛屿周围浅于20m等深线的水域。涵盖了浙江省近岸滩涂与海岸带结构内容。成果显示浙江省有大陆海岸线1 840.1 km,海岛岸线4 301.2 km,滩涂2 444 km2,20m等深线浅海23 504 km2。

3.1 主要港湾岸线及外界

(1)杭州湾。杭州湾为河口湾,浙江省境内河口外岸线长192.2 km。杭州湾内界为钱塘江河口线,即澉浦长山东南咀至余姚西三闸连线;杭州湾外界为上海南汇芦漕港闸(东侧灯塔)与甬江口外长跳咀连线,此界为历史沿用界,以东为舟山群岛海域。整个杭州湾水深在8 m左右,地形宽广平坦。

(2)象山港。象山港伸入陆地较深,岸线长280.5 km。划定的外界是:由口门南侧象山县钱仓北面青湾山东咀过牙牌礁,至雷古山南端,再由雷古山北端向北偏东至青龙门水道北侧的汀子山灯标,由此向东北方向引线切过青龙、捕蛇山东侧与郭巨乡东边的石门坑山咀。

(3)三门湾外界。三门湾也是伸入陆地较远的海湾,湾内有港汊和舌状滩地,岸线长303.8 km。划定的外界是;由南面的三门县沿赤乡东部牛密塘东南咀向东北,至三门岛南面的叶坤山东南端,再由此向东北过草鞋婆屿至象山县南田岛南面的南山急流咀,由此过金七门沿南田岛东岸北上,经下湾门、东门、铜瓦门诸水道,至铜瓦门北侧灯标,将石浦港包括在三门湾之内。

(4)浦坝港外界。岸线长56.0 km。浦坝港的口门界线分北南2段,北口门界自沿赤乡牛头门山东南咀至壳塘山岛东北咀灯标连线,即俗称的牛头门。过口门壳塘山岛外缘接南口门界。南口门界自壳塘山岛南山咀向南偏西过长腰礁,连至朱门山东北小门山北咀。

(5)乐清湾外界。岸线长184.7 km。划定的外界在大岩头至乌星屿,过北小门山至岐头一线。

(6)大渔湾外界。岸线长47.2 km。由大渔乡东南长基咀向西南过官山岛至信智东北的大门山咀。

(7)北关港外界。岸线长7.2 km。北关港位于霞关乡的东部,其南口门为南关岛南端的东鼻头与北关岛南端连线,东北口门为北关岛北端与小槽南山连线。

(8)沿浦湾(霞关港)外界。岸线长22.3 km。地处浙江最南端,界线由浙闽2省交界处的虎头鼻向东南至南关岛西北侧的贼仔岙鼻,过岛转向东北,经门仔屿到下瑶洞南咀头。

(9)浙江省内还有约750 km其它岸线。包括台州湾、隘顽湾和温州湾等,由于无明显完整的湾形或平直面临东海,湾外岛屿稀疏,且离大陆颇远,对湾内避风挡浪作用不明显,难以划出合适的外界。

此外,浙江省有钱塘江、甬江、椒江、瓯江、飞云江、鳌江等独流入海,河口线是一个不断变化的不固定边界。根据浙江省具体情况,界线一般定在河口段与外海滨区的分界处,界址点取在径流影响微弱、岸线急剧展宽部河口两侧突出的沙咀、岬角等特征地貌或天然转折处。定界时还注重了灯标等人工建筑物标志、行政区界线、部门与地方惯用界及历史沿用界等因素。

3.2 主要港湾滩涂及浅海面积

根据上述原则确定外界的主要港湾滩涂和浅海面积见表1。

表1 沿海各主要港湾滩涂及浅海面积 km2

3.3 浙江省海岸分形维数及主要港湾形状指数

为便于说明海岸线及其近海、滩涂湿地的景观结构复杂度及与其生态功能的关系,通常可用海岸分形维数和港湾形状指数来表示。浙江沿海岛屿较多、港汊丰富、浅海、滩涂结构比较破碎,仅用岸线的分形维数难以表达海岸线景观地貌的真实状态,用形状指数能更直观地说明港湾、海岛岸线的复杂程度。据计算,浙江省海岸线分形维数为1.20,与高义等 “苏北—杭州湾沉降段分形维数为1.177,浙东—桂南隆起段分形维数则达1.239”相一致[2];浙江省内主要港湾以1986年岸线内外同幅(长)控制,正方形为参照,形状指数分别为:杭州湾2.04、象山港5.91、三门湾5.46、浦坝港3.71、乐清湾 4.29、大渔湾 3.45、沿浦湾2.43。如结合近期航测影像,外折线包络进行计算,则浙江省内主要港湾形状指数:杭州湾1.42、象山港3.01、三门湾4.37、乐清湾2.73。反映出浙江沿海开发 (包括围垦)造成相关港湾形状指数减小的态势。

4 滩涂围垦生态性指标量化控制

4.1 滩涂围垦总体规划应重视维持岸线结构格局

滩涂围垦总体规划是科学开发利用滩涂资源的基本依据。全面落实科学发展观,坚持滩涂资源可持续开发利用,要求规划项目布局时,不至于改变浙江省海岸线分形维数,维持不小于1.20。通过河口外延、岸线外凸优化等区域结构碎化,进一步改善浙江省岸线结构。

4.2 优化围垦项目空间设计,使新形成的岸线更富生态性

优化围垦项目空间设计,使新形成的岸线更富生态性可以从2方面入手:

(1)围垦项目堤线平面布局,严格控制裁弯取直,鼓励内凹外凸线形,确保项目所处岸线 (港湾、海岛)形状指数不降低,并有所增大。还可通过堤线保护、促淤堤、保滩丁坝等多种方式,促成所处岸线 (港湾、海岛)长度不减小。

(2)优化塘闸结构、通畅内外空间生态交流。主要有降低海堤绝对高度、平缓边坡、宽浅闸室等利于生态交流的措施。垦区的水面率应不小于12%。

4.3 主要港湾形状指数建议控制值

考虑到防洪减灾、水资源综合利用及河口治理,河口湾形状指数可适度减小;半封闭式港湾、海岛倾向于现状维持。因此,浙江省主要港湾形状指数建议控制值为:杭州湾1.3、象山港3.0、三门湾4.0、乐清湾 2.5。浙江省沿海重点保护对象为象山港、三门湾是现实的。

5 结 语

近几年来,浙江省在滩涂围垦与生态相容、重要港湾滩涂开发利用与保护、围垦工程堤线及建筑物景观生态、生态围垦评价指标体系、低坝宽平台亲水性海堤、新建海堤结构优化等滩涂资源生态型围垦利用方面进行了不断探索和实践。占全省围垦面积1/3的垦区湿地水面[3]、沿海蜿蜒岸线催生了新的近岸生态圈,使滨海滩涂湿地的属性得到自然延伸。在大力发展海洋经济的新时期,滩涂围垦利用一定要更加注重人涂和谐,维护海岸形态及港湾、海岛形状,为浙江省可持续利用海洋滩涂,发展海洋经济作出应有贡献。

[1]曼德布罗特.分形理论[M/OL].http://baike.baidu.com/view/86848.htm.

[2]高义,苏奋振,周成虎,等.基于分形的中国大陆海岸线尺度效应研究 [J].地理学报,2011(03):331-339.

[3]朱志豪,赵敏,胡明华.滩涂及围垦区湿地状况分析与研究——浙江省滨海及围垦区湿地状况调查报告 [R].杭州:浙江省围垦局,2007.