琼州海峡白沙门海滩冲淤的遥感分析

黄积文,朱首贤*,朱万里,张文静,张　瑰

(1.河海大学 港口海岸与近海工程学院, 江苏 南京210098；2.海南省海洋监测预报中心, 海南 海口 570311；3.解放军理工大学 气象海洋学院, 江苏 南京 211101)



琼州海峡白沙门海滩冲淤的遥感分析

黄积文1,朱首贤*1,朱万里2,张文静3,张瑰3

(1.河海大学 港口海岸与近海工程学院, 江苏 南京210098；2.海南省海洋监测预报中心, 海南 海口 570311；3.解放军理工大学 气象海洋学院, 江苏 南京 211101)

琼州海峡白沙门海滩是海口市重要旅游资源，历史研究表明自20世纪60年代以来其一直处于侵蚀退化状态。本文选取1994—2015年的19景Landsat遥感影像提取白沙门海滩水边线并计算海滩坡度，分析海滩冲淤，结果表明：1994—2008年海滩处于冲刷状态，高潮位的水边线平均向岸回退了104.71 m, 低潮位的水边线平均向岸回退了95.49 m，但是2000年附近时段的人工补沙弥补了海滩侵蚀退化；2008—2015年海滩转为淤积状态，高潮位的水边线平均向海前进了34.17 m，低潮位的水边线平均向海前进了25.52 m，海滩淤积可能是海滩东侧的新埠岛围填海工程造成的。

白沙门海滩；水边线；冲淤；遥感

0　引言

海滩是砂质海岸的重要沉积单元，也是重要的人类旅游休闲场所。近年来，随着海岸工程的增加、河流输沙的减少、气候变化及海平面上升等因素的影响，很多海滩发生了侵蚀退化现象。丰爱平 等[1]统计指出，我国有70%左右的砂质海岸遭受侵蚀，岸线蚀退率达1.0～1.5 m/a以上，严重的甚至达到了15 m/a。王颖 等[2]根据海平面上升，计算得出了中国东部重要滨海海滩的自然淹没和侵蚀的累积损失率最高达到66.1%，平均为23.7%。海滩冲淤演变分析对于海滩维护具有重要的意义。

海南省国际旅游岛建设经国务院批复提升为国家战略，滨海海滩是旅游岛建设不可缺少的重要资源。黄少敏 等[3]通过野外调查等发现海南省海岸侵蚀明显，丰爱平 等[1]也认为海南省砂质海岸中有将近一半的岸段因侵蚀而后退。白沙门海滩是海南省旅游城市海口的主要海滩之一，位置如图1所示，它位于琼州海峡南岸，东面紧邻南渡江，属于南渡江三角洲的一部分，西面为海口湾。吴创收 等[4]利用ArcGIS技术对南渡江三角洲1963，1984，1996和2003年的海图资料进行了冲淤分析；陈海洲 等[5]将白沙浅滩2009年实测-5 m等深线与不同历史时期的海图(1962，1984，2005和2007年)进行了对比；龚文平 等[6]等利用1993年和1998年实测地形图对海口湾东部水下浅滩进行了冲淤分析；周晗宇 等[7]利用1984年，1999年和2005年海图资料及2010年海滩滩面高程测量资料对海口湾海滩进行了冲淤分析。这些研究都表明白沙门海滩及其邻近海域近年来一直处于冲刷状态，威胁海口旅游事业和海南岛国际旅游岛发展战略。这些研究主要基于海图(地形图)资料分析海滩冲淤演变特征，而海图零米线以上的地形数据基本上是空白。在可见光遥感影像上，陆地和水面的图像色调存在明显差别，能够分析水陆分界线(水边线)，这些水边线可以用于零米线以上的海滩冲淤分析。另外，海图资料能够覆盖的历史年份可能不够完整，而可见光遥感影像资料比较丰富，可以弥补海图资料的不足。张晓东 等[8]采用Landsat遥感资料，比较详细地分析了海口湾海滩1994—2013年的冲淤演变特征，但是白沙门海滩缺乏相关研究。本文采用可见光遥感资料分析了白沙门海滩1994—2015年的冲淤演变特征。

1　遥感水边线提取方法

目前对遥感图像提取水边线的方法主要有阈值分析法、边缘检测法以及监督分类法[9]。本文研究区是砂质海岸，水体与陆地之间的光谱特性差异比较大，可以采用简单、快捷的阈值分割法来提取水边线。利用阈值分割法提取水边线的主要过程为：在单波段阈值分割法的基础上，利用多个波段反射率之差构建水体指数，将阈值设为0，而水体指数在大于0时看作水体，小于0时则看作陆地，从而实现多波段的阈值分割。针对Landsat遥感影像的水体指数主要有归一化水体指数NDWI[10]、改进型归一化水体指数MNDWI[11]、增强型归一化水体指数EWI[12]和新型归一化水体指数NWI[13]。张晓东 等[8]就这4种方法在海口湾海滩进行了应用对比，其结果表明，在该海滩NDWI水体指数法相对其他几种方法具有更高的精度。白沙门海滩是与海口湾海滩类似的砂质海滩，本文也采用NDWI指数提取水边线，NDWI指数表达式为：

(1)

对于Landsat 4-5 TM和Landsat 7 ETM+资料，α1、α2、α4、α5和α7分别对应1、2、4、5和7波段的反射率；对于Landsat 8 OLI资料，α1、α2、α4、α5和α7分别对应Blue、Green、NIR、SWIR1和SWIR2波段的反射率。

为了检验NDWI指数在白沙门海滩提取水边线的精确度，于2015年2月6日对白沙门的水边线进行了观测。观测人员手持GPS经纬仪进行水边线观测，观测时间为9∶00—9∶15，秀英港在该时间段内的潮位为2.13～2.14 m，取均值2.14 m。查找与其相近年份的遥感影像，2015年1月25日11∶03∶09 Landsat遥感影像对应的潮位是2.09 m，与实测水边线对应的潮位很接近。采用(1)式计算该遥感影像的NDWI指数，提取水边线。图2给出了遥感水边线和实测水边线，可以看出两者拟合比较好。另外还计算了遥感水边线和实测水边线的距离，计算方法为：首先在遥感水边线上取1个点(记为A)，在实测水边线上间隔1 m取点，计算点A与实测水边线上所有点的距离，将其中的最小值作为A与实测水边线的距离；然后将遥感水边线上所有点与实测水边线的距离平均，得到遥感水边线与实测水边线的距离。计算所得到的遥感水边线和实测水边线距离为7.02 m,表明采用NDWI指数法提取白沙门海滩遥感水边线是可行的。

图2　白沙门海滩遥感水边线和实测水边线对比图Fig.2　The contrast between the measured waterline andthe remote sensing waterline in the Baishamen beach

2　白沙门海滩坡度及其附近海岸工程的遥感分析

选取1994年至2015年期间成像效果良好的Landsat影像共19景(表1)。这些遥感图像对应的潮位都来源于秀英站潮汐表，由于潮汐表资料为1 h 1个数据，采用线性插值给出遥感图像对应时刻的潮位值。

表1　遥感影像说明

表2　利用遥感水边线计算的1994—2015年白沙门海滩坡度

从遥感图像中还可以看出白沙门海滩1996—2000年人工补沙和新埠岛2008—2010年的围填工程。图3和图4分别为1996年12月14日和2000年8月19日的Landsat遥感图像，这两景图像都经过了辐射校正处理。对比图3和图4，图4中白沙门海滩的水边线(红色区域进行标注)大幅度地向海移动，向海移动的最大距离为201.87 m。图3与图4的遥感影像对应的潮位分别为2.46和0.89 m，根据表2给出的1996年和2000年海滩坡度可以确定该潮位差对应的水边线移动距离应为20.59 m。显然，这两景遥感水边线的距离不是主要由潮位差造成的。从在白沙门海滩水边线观测时的现场考察来看，该地段都是沙滩，没有其它海岸工程建筑，基本可以判断图4中水边线向海大幅度移动对应海滩修护的人工补沙。图5和图6分别是在2008年5月5日和2010年7月30日的Landsat遥感图像，也经过辐射校正处理。新埠岛围填海是海口市较大规模的围海造地工程，图5和图6的遥感水边线变化即对应该围填海工程。

图3　1996年12月14日的遥感影像Fig.3　The remote sensing image on December 14, 1996

图4　2000年8月19日的遥感影像Fig.4　The remote sensing image on August 19, 2000

图5　2008年5月5日的遥感影像Fig.5　The remote sensing image on May 5, 2008

图6　2010年7月30日的遥感影像Fig.6　The remote sensing image on July 30, 2010

3　海滩冲淤特征遥感分析

海滩冲淤分析方法：找出2景成像时间间隔长、相同潮位的遥感水边线，根据这2景遥感水边线的位置变化，确定它们所处时间段的海滩冲淤。如果遥感

水边线向海前进，则为海滩淤积；如果遥感水边线向岸回退，则为海滩冲刷。这2景遥感水边线进退距离记为L，向海前进取为正值，向岸回退取为负值。但是实际分析中很难找到两景完全相同潮位的遥感水边线，需要根据它们的潮位差ΔZ和海滩坡度α订正L。订正值为Ld=ΔZ/tanα，实际进退距离为L实=L-Ld。如前所分析，不同年份的海滩坡度略有差别，因此可以取这2景遥感水边线对应年份海滩坡度的平均值。根据水边线的实际进退距离还可以近似给出每年的进退速率，由进退速率判断海滩冲淤的快慢。根据表1的资料情况，白沙门海滩冲淤遥感分析分为1994—1996年、1996—2000年、2000—2002年、2002—2004年、2004—2006年、2006—2008年、2008—2012年和2012—2015年这8个时间段。

首先分析高潮位附近海滩的冲淤，每次取出的2幅遥感影像的潮位值尽量相近，并作订正处理。表3给出了白沙门高潮位海滩冲淤的遥感分析结果，可以看出：1994—1996年、2000—2002年、2002—2004年、2004—2006年和2006—2008年高潮位海滩处于冲刷状态，2008—2012年和2012—2015年高潮位海滩转为淤积状态。根据上面对图3和图4的分析，1996-2000年高潮位水边线的大幅度向海前进是人工补沙造成，因此不作冲淤判断。剔除掉1996-2000年人工补沙的影响，2008年以前高潮位海滩处于冲刷状态，高潮位水边线平均向岸回退了104.71 m；2008年以后高潮位海滩处于淤积状态，高潮位水边线平均向海前进了34.17 m。从表3还可以看出，高潮位海滩的冲刷或淤积速度在不同年份存在差异，2000—2008年期间海滩冲刷速度在逐减减小，2008—2015年期间海滩淤积速度也在逐渐减小。

表3　白沙门高潮位海滩冲淤遥感分析结果

考虑白沙门海滩1996—2000年人工补沙和新埠岛2008—2010年围填工程，将上述8个时间段合并为4个时间段，即1994—1996年、1996—2000年、2000—2008年和2008—2015年，分别在这4个时间段分析高潮位遥感水边线的变化。图7a给出了1994和1996年高潮位遥感水边线，在白沙门海滩东北角有小范围的淤积，其他区域都是冲刷，经潮差订正后的水边线平均向岸回退20.61 m，向岸回退的最大距离为77.68 m，而向海前进的最大距离为24.15 m。图7b给出了1996和2000年高潮位遥感水边线，整个海滩都向海扩张，经潮差订正后的水边线平均向海前进了72.87 m，向海前进的最大距离为201.87 m,向海前进的最小距离为8.24 m。图7c给出了2000和2008年高潮位遥感水边线，白沙门海滩西部淤积，东部冲刷，冲刷比淤积更为明显，经潮差订正后的水边线平均向岸回退84.10 m，向岸回退的最大距离为234.38 m，向海前进的最大距离为65.65 m。图7d给出了2008和2015年高潮位遥感水边线，在海滩东北角有小范围的冲刷，其他区域都是淤积，经潮差订正后的水边线平均向海前进了34.17 m，向海前进的最大距离为90.27 m，向岸回退的最大距离为29.75 m。

图7　高潮位遥感水边线Fig.7　The remote sensing waterlines near high tide level

再分析低潮位附近海滩的冲淤，每次取出的2幅遥感影像的潮位值同样尽量相近，并作订正处理。表4为白沙门低潮位海滩冲淤的遥感分析结果，从表4可以看出，剔除掉1996—2000年人工补沙的影响，2008年以前低潮位海滩处于冲刷状态，水边线平均向岸回退了95.49 m，海滩冲刷速度在逐渐减小；2008年以后低潮位海滩处于淤积状态，水边线平均向海前进了25.52 m。

表4　白沙门低潮位海滩冲淤遥感分析结果

图8a给出了1994和1996年低潮位遥感水边线，在白沙门海滩东北角有小范围的淤积，其他区域都是冲刷，经潮差订正后的水边线平均向岸回退22.69 m，向岸回退的最大距离为105.44 m，而向海前进的最大距离为41.56 m。图8b给出了1996和2000年低潮位遥感水边线，整个海滩都向海扩张，经潮差订正后的水边线平均向海前进了87.63 m，向海前进的最大距离为222.72 m,向海前进的最小距离为12.59 m。图8c给出了2000和2008年低潮位遥感水边线，海滩东部冲刷，西部淤积，冲刷比淤积更加明显，经潮差订正后的水边线平均向岸回退72.80 m，向岸回退的最大距离为239.68 m，向海前进的最大距离为89.77 m。图8d给出了2008和2015年低潮位遥感水边线，在白沙门海滩东北角有小范围的冲刷，其他区域都是淤积，主要表现为淤积，经潮差订正后的水边线平均向海前进了25.52 m,向海前进的最大距离为105.13 m，向岸回退的最大距离为43.48 m。

图8　低潮位遥感水边线Fig.8　The remote sensing waterlines near low tide level

4　海滩冲淤的可能原因分析

一些学者分析认为自20世纪60年代以来白沙门海滩所在的南渡江三角洲及其邻近的海口湾处于侵蚀退化状态，并探讨了它们侵蚀退化的原因。南渡江三角洲和海口湾的泥沙来源主要有河流输沙、海域来沙和沿岸输沙。在数百年来海湾形态基本稳定的情况下海域来沙不多[7]。南渡江三角洲和海口湾之间沿岸输沙的主方向为自东向西，南渡江河口及其以东海岸侵蚀物被输往海口湾[6,14-15]。南渡江是海南岛最大的河流，它的入海沙量自1969年建松涛水库和筑龙塘拦水坝后不断减少，由1956—1969年的44.03×104t·a-1降到1998—2007年的11.09×104t·a-1，它是南渡江三角洲侵蚀的主要原因[4]。海口地区建筑用沙、新埠岛和海甸岛围填工程及其它筑堤吹填工程用沙主要来源于南渡江三角洲[15]，直接造成了南渡江三角洲侵蚀[4-5]，也造成海口湾侵蚀[7]。本文的遥感分析结果表明白沙门海滩1994—2008年处于冲刷状态，也可以用这些机制解释。

本文遥感分析结果还表明白沙门海滩2008—2015年转为淤积状态，下面进一步分析其可能原因。白沙门海滩所在的南渡江三角洲沿岸输沙受潮流影响，也受波浪产生的波生沿岸流影响，波浪还通过掀沙作用影响沿岸输沙。一般认为琼州海峡主要受东西向往复流支配：涨潮流以西向流为主，落潮流则以东向流为主，涨潮东流和落潮西流则历时较短，全潮优势流为西向流[14]。图9是根据窦红刚的海口地区数值模拟结果[16]绘制的南渡江三角洲及其附近海域2005年9月27日涨急和落急时的潮流场。在南渡江三角洲，涨急的潮流主要沿海岸线向西，落急的潮流主要沿海岸向东，且西向流速大于东向流速。2008—2010年新埠岛围填工程使得局部的海岸线向海凸出，将对新埠岛围填工程西侧白沙门海区的潮流产生影响，可能减弱潮流场，减少该海区泥沙搬运，有利于白沙门海滩的泥沙淤积。南渡江三角洲的波浪以风浪为主，常浪向为ENE，占30.1%，次常浪向为NE，占22.9%，这些浪向与海岸线方向很接近[4]。新埠岛围填工程对于从ENE或NE向白沙门海区传播的波浪具有阻挡作用，可能会削弱白沙门海区的波浪，从而削弱波生沿岸流，也削弱波浪掀沙能力，减弱泥沙向其它海区的输运，有利于白沙门海滩的淤积。

图9　南渡江三角洲及其附近海域2005年9月27日流场图Fig.9　The flow field diagram of Nandujiang Delta and the adjacent area on September 27, 2005

5　结论

本文采用NDWI指数提取了1994—2015年白沙门海滩19景Landsat遥感影像的水边线，利用这些遥感水边线分析了海滩坡度和海滩冲淤，还通过遥感影像分析了海滩人工补沙和新埠岛围填海工程建设情况，得到以下结论：

(1)在2000年前后海滩坡度有明显差异，2000年之前海滩坡度为4.05°～4.69°,2000年之后海滩坡度为6.28°～6.86°。遥感图像分析表明2000年附近时段白沙门海滩存在人工补沙，可能改变了海滩坡度。

(2)2008年之前海滩处于冲刷状态，高潮位的水边线平均向岸回退了104.71 m, 低潮位的水边线平均向岸回退了95.49 m，但是2000年附近时段的人工补沙弥补了海滩侵蚀退化；2008年之后海滩转为淤积状态，高潮位的水边线平均向海前进了34.17 m，低潮位的水边线平均向海前进了25.52 m。过去的研究表明自20世纪60年代以来包含白沙门海滩在内的南渡江三角州一直处于侵蚀退化状态，本文研究结果给出了不同认识。

(3)对白沙门海滩冲淤的原因进行初步分析表明，2008年之前海滩冲刷可能与南渡江水库及海岸工程建设有关，2008年之后海滩淤积可能与2008—2010年新埠岛围填工程有关。

在后续研究中还需要结合白沙门海滩及其附近海域的数值模拟，更深入地分析其冲淤特征与动力机制，为海滩旅游资源的保护和更好的利用提供依据。

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The analysis of erosion and accretion in the Baishamen beach of the Qiongzhou Channel by remote sensing

HUANG Ji-wen1, ZHU Shou-xian*1, ZHU Wan-li2, ZHANG Wen-jing3, ZHANG Gui3

(1.CollegeofHarbour,CoastalandOffshoreEngineering,HohaiUniversity,Nanjing210098,China;2.MarineMonitoringandForecastingCenterofHainanProvince,Haikou570311,China; 3.InstituteofMeteorologyandOceanography,PLAUniversityofScienceandTechnology,Nanjing211101,China)

The Baishamen beach of the Qiongzhou Channel is an important resource for the Haikou city's tourism, but the previous researches presented that it has been in erosion from 1960. The waterlines in 19 Landsat sensing images from 1994 to 2015 were extracted, which were used to calculate the beach slope and analyze the beach erosion and accretion. The results show that the beach was mainly in erosion from 1994 to 2008, the waterline moved 104.71 m to the shore near the high tidal level and 95.49 m to the shore near the low tidal level, but the artificial sand filling in the time around 2000 compensated the erosion. While the beach was mainly in accretion from 2008 to 2015, the waterline moved 34.17 m to the sea near the high tidal level and 25.93 m to the sea near the low tidal level, which may be induced by the Xinbu Island enclose engineering.

Baishamen beach; waterline; erosion and accretion; remote sensing

2016-02-24

2016-07-12

国家自然科学基金项目资助(41206163,41376012,41076048);中央高校基本科研业务费项目资助(2011B05714,2014B06514)

黄积文(1990-)，男，湖北蕲春县人，主要从事河口海岸水沙运动方面的研究。E-mail:505539074@qq.com

朱首贤(1972-)，男，副教授，主要从事海洋动力学与数值模式，河口海岸水沙运动与海洋遥感方面的研究。

E-mail:zhushouxian@vip.sina.com

TP75;P737.1

A

1001-909X(2016)03-0043-08

10.3969/j.issn.1001-909X.2016.03.007

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