莱州湾东岸动力地貌对陆海相互作用的响应研究

杜国云



莱州湾东岸动力地貌对陆海相互作用的响应研究

杜国云

(鲁东大学资源与环境工程学院, 山东烟台264025)

基于SRTM3_DEM、RS数据分析, 结合野外调查和前人研究结果, 作者对莱州湾东岸临海冲积-海积小平原的地貌特征及地貌发育进行了研究。研究表明: 研究区的海岸地貌结构存在横向上的沙坝-潟湖体系以及纵向上的连岛沙坝-潟湖系统; 入海河流下游具有系统性的弯曲特征, 其与横向上的沙坝-潟湖体系相对应, 是自全新世中期以来海岸带陆海相互作用最显著的河流地貌标志; 基于DEM的水文分析显示: 研究区西部存在自南而北和自东向西的地势倾斜, 王河流域与自东向西的王河下游古河道相对应, 现今河道及古河道从DEM中以不同阈值提取的河网得到表达。

DEM; 河流地貌; 沙坝-潟湖系统; 全新世; 莱州湾

海岸发育是在陆海相互作用下完成的, 全新世中晚期的海岸发育则是伴随着全球高海面(大西洋期)之后的阶段性海退过程中完成的, 并保留了丰富的海岸地貌记录、沉积记录与若干动力地貌信息, 为研究海岸地貌过程与地貌演变、海洋地貌动力来源提供了可能[1]。当前的中国河口海岸环境变异对沿海地区构成了严重的威胁[2], 海岸地貌是海岸环境的组成部分, 清晰地记录了海岸动力地貌及阶段性的演化特征, 为海岸形成的动力恢复及海岸演化的过程恢复提供了有力的证据。莱州湾东岸属于典型的沙坝-潟湖海岸, 前人对这一海岸地貌系统的特征、发育等进行了深入研究[3], 其中包括与海洋动力作用密切的羽状沙嘴研究[4]、近岸水下浅滩研究[5]和地貌演化序列研究[3]。在海岸动力地貌特征组合上，“平直沙岸”[6]和“羽状沙嘴”[4]是沿岸沙坝形成的两个纵向表现；而沙坝-瀉湖体系则表达了横向上的海岸地貌发育。然而, 莱州湾东岸入海河流的几何形态、沙坝-潟湖系统纵向地貌结构, 入海河流演变与海岸地势之间的关系等问题未见相关的研究报道。上述问题对理解研究区海岸发育过程至关重要, 有关内容基于前人的研究成果基础上, 通过DEM、RS等手段获得了直观的表达。借助数字高程和卫星遥感数据来研究海岸地貌问题是当前海岸带研究中经常采用的技术手段[7], 地形分析是DEM空间分析中的基本内容。由于地形平坦区的地形起伏不大, DEM生成的河网与实际河网会出现偏移, 需要在数据提取前进行修正[8]。本研究试图通过DEM生成的河网来分析印证平缓地势变化及可能的历史地貌演变。

1 研究区概况

莱州湾东岸南部为山地丘陵地形, 北部为临海冲-洪积、海积平原。北部大致以5 m地形等高线为界, 南侧为冲-洪积平原, 北侧为冲积海积平原两大部分。莱州湾东岸有十几条入海河流, 自西向东依次为南阳河、苏果河、王河、龙泉河、朱桥河、诸流河、界河、八里沙河、北马南河、中村河(汶泳河)、黄水河, 其中的王河、界河和黄水河为最大的3条水系。这些河流均发源于南部山地丘陵区, 向北入海, 具有流程短、径流量季节性变化大的特点。区域上以界河为界, 西部为莱州临海小冲积平原, 东部为龙口临海小冲积平原。王河发源于招远市的塔山, 经三元乡、驿道镇、平里店镇、过西镇, 到三山岛村南入渤海。全长50 km, 流域面积326.8 km2。主要支流有上庄河、迟家沟、由家沟、宋家河、老母猪河、费现河。龙泉河发源于莱州市的苗家镇, 流向NW, 到西由南侧分两支, 一支经西由, 另一支偏向东, 二支流流经单山洼, 在吴家庄子西盐田汇合, 消失在西岭一带的古沿岸堤。

2 研究方法

本研究以DEM为数据源, 以SRTM3为主要分析数据, 空间分辨率为3弧秒, 地表分辨率90 m, 该数据是目前应用最广、数据质量较高的DEM数据。同时亦采用了1︰50000矢量化地形图生成的DEM, 地形图为航拍(1969a)获得, 受人类活动干扰少, 分辨率和对真实地形信息的获取明显高于SRTM3, 特别是对研究河流下游主河道弯曲变化反映突出。并配合以地物识别占优势的Alos多光谱卫星图像, 地表分辨率为10 m, 其对地物信息反映较好。

河网的提取作为DEM数据分析的目标之一, 整个过程是在ARCGIS中的水文分析模块中完成的。首先通过洼地分析生成无洼地的DEM, 这一过程属于DEM数据的常规处理。河网提取通过无洼地的DEM生成的累积流量栅格数据以一定的阈值提取。累积流量阈值的设定采用试验的方法, 经过试验, 阈值取≥1500~2000时, 提取的河网与实际河网比较一致。1︰50000矢量化地形图生成中, 首先扫描地形图获得地形图栅格数据, 然后在MAPGIS中对地形图等高线进行矢量化, 然后生成DEM。对多光谱卫星图像, 先进行3/4/2假彩色合成, 后做目视解译。

3 结果与讨论

3.1 基于地形图的河流几何分析

对研究区主要河流的几何特征研究发现, 一些入海河流的下游段(10m等高线以下)存在明显的转折弯曲现象, 如王河、朱桥河、八里沙河、北马南河、中村河(汶泳河), 大致以中部的界河为界, 界河以西的入海河流的下游段均呈现出自北西方向突然转向南北向~北东向的弯曲变化, 其中的王河和朱桥河表现突出。如王河由北西方向经河口, 突然转向南北方向, 后经三山岛入海。龙泉河河道由原来的北西方向, 流经西由以后, 突然转向北东方向。朱桥河、诸流河两河道分别在吴家庄子、丁家庄子出现转折; 界河以东河流下游段呈现由北北西方向突然转向北西方向的转折, 其中入龙口湾的八里沙河和北马南河表现最突出, 或出现较明显的转折(如中村河, 黄水河支流的绛水河)(图1)。

3.2 基于DEM的海岸地势分析与水系提取

研究区地势的最终表达是通过由SRTM3_DEM水文分析所提取的河网来表示的。

对比DEM生成的水系与图1中的水系, 表明来自不同数据源的水系特征与空间展布基本一致, 但在水系下游临海段存在明显的偏移, 尤其是在刁龙嘴至石虎嘴之间入海的王河、龙泉河和朱桥河的水网关系明显不一致(图2, 并参照图1)。前者, 至少包括王河和朱桥河两条河流, 是独立的两条水系; 后者, 王河、龙泉河和朱桥河三条河流归并到一个流域内, 特别是在近岸, 朱桥河、龙泉河两条河流“汇入”西侧的王河, 累积流量阈值≥1500时(图2A), 显示出临岸地势自东向西由高到低。随着累积流量阈值的增加, 如累积流量阈值≥100000(图2B)时, 王河过河口附近向西入海。

3.3 海岸地貌结构分析

莱州湾东岸为沙坝-潟湖海岸。在沙坝-潟湖体系中, 地貌结构要素包括基岩岛、沙坝、潟湖, 基岩岛隶属于基岩地貌要素, 沙坝和潟湖则是海岸地貌系统发育过程中紧密相连的两大要素。海岸地貌结构在空间上可区分为横向海岸地貌结构和纵向海岸地貌结构, 横向上, 自古海岸线[9]向海方向依次出现古海蚀崖(包括沿岸沙堤在内的古海滨)、潟湖、沿岸沙地(或沙坝); 纵向上, 呈现基岩岛后方的连岛沙坝与潟湖洼地间列的格局(图3)。研究区横向沙坝系统主要有3条: 自南而北, 第一条沙坝位于古海蚀崖所处的古岸线上, 包括大沙岭村、西岭村, 以及河口以北的沿岸沙堤; 第二条沙坝位于仓东村西南的太平湾北侧、仓东东侧至三山岛、单山洼北侧至西海岭、海北嘴东南至石虎嘴南侧一线, 该沙坝系统在仓东至三山岛、三山岛至海北嘴、海北嘴至石虎嘴以及石虎嘴以东均表现出明显的弧顶朝南的古海湾特征; 第三条沙坝位于现代海岸附近, 虽然有一定的弯曲变化, 但较之南侧的古沙坝体系更为平直。第一、二条沙坝之间为规模较大的潟湖洼地, 局部区域的影像颜色较深, 形状不规整, 自东向西为朱桥河洼、单山洼、仓东东南洼和太平湾现代海湾洼地, 其中单山洼为潟湖洼地; 第二、三条沙坝之间为发育较窄的长条形、月牙形洼地, 影像上为深色调, 系绿色植被强反射所致。纵向沙坝为连岛沙坝, 研究区段内的基岩岛包括仓东村基岩岛、三山岛、海北嘴和石虎嘴, 其中, 仓东村基岩岛消亡于古海岸沙坝-潟湖系统中, 其他3个基岩岛目前仍处在临海位置。以上4个基岩岛的后方均发育连岛沙坝, 陆地卫星影像上呈现白色的高亮度区域, 其上也混杂着村镇人工建筑物形成的高反射部分, 这些部位与两侧潟湖洼地区偏深暗色的低反射区明显不同。仓东村基岩岛后方的连岛沙坝发育在横向上的第一条沙坝和第二条沙坝之间的潟湖洼地, 石虎嘴后方连岛沙坝发育在第二条沙坝与第三条沙坝之间, 其他两条连岛沙坝贯通整个沙坝-潟湖区域。

海岸沙坝-潟湖带内的河流流向“摆动”显示了与沙坝-潟湖系统相对应的变化, 以王河和朱桥河表现最为突出。从卫星影像上看, 王河、朱桥河二条河流在流经第一道沙坝海岸和第二道沙坝后流向都有明显的改变, 两条河流过第一道沙坝后均向东偏转, 过第二道沙坝后均向西偏转。在朱桥河的A、B、C、D 4个标志点中, C点是河道最大弯曲点, C点的上、下游两段位于潟湖洼地, B点位于横向上的第二道沙坝, 是横向上的第一道洼地与第二道洼地之间的连接点, 在此也出现了河流的明显转折现象。这表明了海岸沙坝-潟湖系统与河道之间存在着空间上的密切关系, 在海岸地貌演化中具有同步性和阶段性。

3.4 海岸地貌演化

研究区海岸第四系研究表明, 全新统分为3套地层: 下部为早全新世陆相地层; 中部为中全新世潟湖浅海相地层; 上部为陆相冲积地层[10-11]。综合研究区古岸线研究、潟湖沉积及年代学等研究成果[12-13](表1), 莱州湾东岸全新世中期以来, 海岸演化经历了全新世中期古海岸地貌发育阶段、沙坝-潟湖系统阶段和全新世后期冲积平原与现代沙坝海岸3个阶段。

表1 莱州湾东岸部分年代数据

表中的代号(y61等)为钻孔编号; 表中的虚线处无年代数据

第一阶段, 距今7 500~5 500 a, 相当于大西洋期, 此时, 全球处于冰后期高海面时期, 莱州湾东岸形成了最大的海侵线, 古岸线位于徐家、过西(据调查, 过西镇河口村北曾存在3道岭, 应为古河道迁移形成的沿岸沙堤)、后邓、单山北侧、西岭村、大沙岭村一线, 并向北东方向延伸。沿岸沙坝、古海蚀崖勾勒出了古岸线位置, 最有意义的是王河故道作为地上悬河显示了高海平面的存在。此时在古岸线以北形成了滨浅海环境, 在后邓、王河边、单山北侧、仓东村南钻孔显示地表以下3~5 m为潮间带、浅海环境, 该海域受水下沙坝的分割, 形成了向西开口的水下海湾地形, 根据14C年龄, 此时处于全新世中期的后期阶段。诸流河、淘金河下游冲积阶地属于此阶段的河流堆积体(表1)。由古岸线轮廓、离岸基岩岛的存在, 来自陆地河流所携大量泥沙, 在海浪和沿岸流的作用下, 形成了水下纵向沙堤和横向连岛沙堤的雏形。

第二阶段, 沙坝-潟湖阶段, 是研究区海岸地貌发育的主体阶段。距今4 400~2 700 a, 潟湖洼地沉积层埋深在0.1~2.4 m。此时, 海岸第二道沙坝、第三道沙坝南侧部分, 以及陆连岛后方的沙坝大部分已经露出水面, 沙坝之间的小海湾向潟湖方向演化, 持续时间约2000 a。

前述, DEM分析结果与现代河流流经位置存在不一致现象, 这一事实表明, 入海河流并非在现有的地形基础上发育起来的, 而卫星影像中显示出的河道基本上沿连岛沙坝延伸, 考虑连岛沙坝前方基岩岛对波浪产生的折射作用, 可以推断, 入海河流应在沙坝水下阶段已经发育, 并沿连岛沙坝向基岩岛附近的波影区靠拢, 导致了河流总体向偏东方向转折。

第三阶段, 现代沙坝海岸发育阶段。此时海岸第二道沙坝已经形成, 伴随着海浪的作用, 海岸带泥沙不断淤积, 海湾弧度不断降低, 趋于平直, 潟湖由咸水湖向淡水湖演变。该阶段的持续时间约2 000 a。现代海岸沙坝约3 m深见大批东汉(公元0~200 a) 五铢钱, 证明沙坝自2000年前形成, 东汉以来连续向海淤宽约200 m[13]。

王河在历史上至少出现过2次改道。一次是自河口向西入海, 改道向北入海, 保留了现在的古河道(图3); 另一次是自单山东侧流路改道为单山西侧流路, 此次改道发生在1893年之后。据《莱州市市志》记载, 王河旧称“万岁河”, 源于西汉武帝元封二年(前109年)出巡到此, 在今王河南岸罗台村建万岁亭[14]。1893年绘制的“掖县疆域图”中显示, 清代的王河上游穿行在天齐山、崮山、圣山、陡山、万河北源、活火洞之山间, 经过贾邓, 绕过西由-单山、从东北侧入海, 其与现在的龙泉河一致(图4)。这一事实说明1893年的莱州疆域图中的万岁河的确是现在的龙泉河, 不是现在的王河。现在的王河应当是旧万岁河改道而成, 龙泉河可能是古王河改道后废弃的河道。

4 结论

莱州湾东岸入海河流下游存在较系统的几何弯曲, 河道下游转折弯曲变化与典型的海岸沙坝-潟湖系统相对应, 是海岸阶段性演化的地貌表现。

莱州湾海岸地貌结构分为横向海岸沙坝-潟湖系统和纵向连岛沙坝-潟湖系统, 近岸基岩岛的存在是上述海岸地貌结构形成的重要基础之一。

SRTM3_DEM在提取河网时, 部分河道在临海段落与实际存在偏差以及河网跨流域的现象。但是, 在阈值较大时所提取的河网与实际河道趋于一致, 阈值较大时提取的河网被限定到流域内, 在本研究中与历史上的古河道一致, 通过DEM提取的河网反映了研究区自东向西和自南向北的地势降低趋势。

王河的在历史时期河道曾多次改道, 至少发生过2次改道。河口向西的古河道现有保存较好的古河道沉积体可以证实, 但清代以后的改道事件只有文献资料, 有待于进一步的野外资料印证。

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Dynamic geomorphological response to land–sea interaction on the eastern coast, Laizhou Bay

DU Guo-yun

(School of Resources and Environmental Engineering, Ludong University, Yantai 264025, China)

Based on SRTM3_DEM and RS analyses, field survey data and previous studies, this study examines the geomorphic features and landform growth of the coastal alluvialmarine plain on the east coast of Laizhou Bay. The results show that the geomorphologic structure of the coast occurs as a barrier-lagoon system in the transverse direction and a tombolo-lagoon system in the longitudinal direction. Systematic bending characteristics occur in the downstream channels of the rivers as they enter the sea, which correspond with the barrier-lagoon system. This is the most significant sign of fluvial geomorphological response to coastal land-ocean interaction since the mid-Holocene. Hydrologic analysis of the DEM shows that the terrain inclines in two directions, from east to west and south to north, and the watershed extraction from the Wanghe river corresponds to the watershed extraction downstream of the Wanghe paleochannel from east to west. This results in the expression of the current channel and paleochannel manifesting by different threshold values.

DEM; river geomorphology; barrier–lagoon system; Holocene; Laizhou Bay

(本文编辑: 谭雪静)

[Natural Science Foundation of Shandong Province, No. ZR2013DL006]

Dec. 9, 2014

P931.1

A

1000-3096(2016)08-0070-06

10.11759/hykx/20141209

2014-12-09;

2016-06-08

山东省自然科学基金资助项目(ZR2013DL006)

杜国云(1962-), 男, 山东省招远市人, 硕士, 教授, 主要从事海岸带过程与自然地理环境方面的教学与研究, E-mail: Duguoyun2003@163.com