基于RS 和GIS 的九龙江河口三角洲沉积面积时空变化研究

余锦如， 林永崇 *， 张 曼， 杨银玉， 王 菲， 廖瑾榕， 陈丽玲

（闽南师范大学历史地理学院，福建漳州363000）

河流入海口频繁受河流和海洋环境的影响， 经常发育三角洲地貌.入海三角洲是海陆相互作用的产物.其形成演化趋势体现了河流入海口沉积环境变化特征.通过对三角洲沉积时空变化趋势的研究有助于了解河口水动力特征、三角洲演化趋势.

目前已经有许多关于河口三角洲形成、演化方面的研究，而运用RS 和GIS 研究的还比较少[1].前人对三角洲的形成、演化研究主要是基于地形、地貌和沉积地层等方面，调查范围有限，时效性差，费时费力.随着现代科技的发展，RS 由于时效性较强、精度高、调查范围广阔而全面，并能够动态监测，较传统研究手段有明显的优势；而GIS 是一种十分强大的遥感数据处理平台，在分析处理遥感影像方面技术十分成熟[2].近几十年来，依托RS 和GIS 技术开展了大量的地物时空变化特征的研究[3-11]，这些研究表明RS 和GIS 技术在地物时空变化研究方面具有显著优势.因此，结合RS 与GIS 技术可高效地获取三角洲时空变化信息，增进对三角洲形成演化的理解，为河口三角洲防护提供理论依据.

九龙江是福建省第二大河，流量较大，沉积物输送能力较强，并在河口发育三角洲[12].近几十年来，九龙江河口三角洲沉积面积发生较大变化[13]，但对于其时空变化特征和主要影响因素还不清楚.本文试图运用RS 和GIS 技术分析九龙江三角洲沉积时空变化特征，并探讨其可能的影响因素.

1 研究区概况

九龙江从福建省西北流向东南，河长285.0km，流域面积约14741.0 km2，河道坡降2.0%.九龙江流域属于亚热带季风气候，年平均温度在19.9～21.1℃之间，年平均降水量约1500.0 mm，降水强度大且集中，汛期降水量达80.0%，流域降水与径流年内分配一致[14].九龙江流域地带性植被为常绿阔叶林，植被覆盖率高，但水土流失较严重[15].据浦南水文站和郑店水文站观测，九龙江含沙量较高，多年平均含沙量达0.21～0.23 kg/m3[12].

九龙江流域地势自西北向东南倾斜，上游为山地，河道坡降大；下游处于漳州平原，地势平坦、开阔，海拔一般在 100 m 以下[16].流域抗侵蚀能力弱而风化壳较深厚[17].研究区（117°47′～117°59′E、24°24′～24°30′N）位于九龙江入海口感潮带，弱谷型河口区，其口小腹大（图1）[13].三角洲西至沙洲，东至海门岛，主要由沙洲、乌礁洲、浒茂洲、岛4、玉枕洲、大涂洲、海门岛、岛8 等八个岛屿组成.九龙江干流北溪和支流西溪汇合后被沙洲、浒茂洲、乌礁洲分为北、中、南3 个支流入海[18].

图1 九龙江河口三角洲的地理位置Fig.1 Geographical location of the Jiulong River estuary delta

2 数据来源和研究方法

2.1 数据来源

美国航空航天局（NASA）从1972 年7 月23 日以来，已发射8 颗Landsat 卫星.随着技术的提高，Landsat传感器空间分辨率由最初的80.0m 提高到后来的30.0 m，其中，Landsat-7 的ETM 提高到15.0 m[19]，这为本研究提供了足够高的空间分辨率影像[19].为研究九龙江三角洲1985～2017 年8 个江心洲沉积面积时空变化特征，本文选取了8 个年份冬季Landsat 数据源（表1）.为了更好地比较三角洲沉积变迁，大多选择12 月31 日的影像（由于2016 年12 月31 日影像受云量影响较大，故选择2017 年2 月13 日的影像）.

表1 研究区遥感影像数据Tab.1 Remote sensing image data of the study area

2.2 研究方法

本研究运用GrcGIS 技术对8 个时期的Landsat 影像进行预处理，主要包括辐射矫正（辐射定标和大气矫正）、几何精矫正；高分遥感影像在此基础上还进行了正射校正，以克服地形、地物的影响；之后对遥感影像进行投影转换（采用UTM 投影，椭球体为WGS-84）.为了认识三角洲沉积面积时空变化特征，本研究依据孙富伟[20]、高燕[21]、王建步[22]等人提出的不同类型岸线遥感解译方法来确定九龙江河口三角洲岸线，在ArcGIS（ArcMap）中完成目视识别与三角洲的矢量化操作（图2）.

图2 遥感影像显示的各类岸线特征Fig.2 Various types of shoreline displayed on remote sensing images

3 结果与分析

3.1 1985～2017 九龙江三角洲沉积面积时间变化特征

总体上看（图3），研究区8 个岛屿沉积的总面积从1985-2017 年呈现增加的趋势，由67.0 km2增加到83.0 km2，32 年总共增加了16.0 km2，增幅达24.0%，其中1990 年至2010 年期间增长较快.

1985 年8 个岛屿面积差异较大，其中岛4 和岛8 大部分是近一二十年形成的（图3）.总体上看，8 个岛屿沉积面积随时间推移都呈增加趋势.从增加速率来看，8 个岛屿面积与总面积变化趋势基本一致，在1995～2010 年变化明显较快.大部分岛屿面积在不同时期都呈增加趋势，但增加速率不一致，其中岛4、岛8 和浒茂洲增加较快，而沙洲和海门岛增加较慢，甚至在2010 年后呈减少趋势.

图3 1985～2017 年九龙江河口三角洲各岛屿沉积面积时间变化特征Fig.3 Temporal variation characteristics of sedimentary area of the Jiulong River estuary delta from 1985 to 2017

图4 1985～2017 年九龙江河口三角洲空间变化特征Fig.4 Spatial variation characteristicsof the Jiulong River estuary delta from 1985 to 2017

3.2 1985～2017 年九龙江三角洲沉积面积空间变化特征

从空间变化来看（图4），1985-2017 年九龙江三角洲岛4 和岛8 各个方向沉积面积都有较大变化，尤其是洲尾部分有继续扩张的趋势.浒茂洲、大涂洲和玉枕洲沉积面积主要是在洲尾处出现显著增加，而洲头部位变化不明显.沙洲、乌礁洲和海门岛没有显著的扩张或退缩，洲头和洲尾都未出现显著变化.

总体上看，1985-2017 年九龙江河口三角洲从洲尾向下游呈扩张趋势.三角洲沉积在河道急剧变宽的部位扩张明显，如在茂洲、大涂洲和玉枕洲洲尾以及岛4 和岛8 位置河道展宽，沉积面积出现明显的扩张.而其它部位变化不太明显， 1985-2017 年三角洲侵蚀后退的情况很少.

4 讨论

4.1 1985～2017 年九龙江三角洲沉积面积时空变化的因子分析

河流入海三角洲沉积面积时空变化可能受到自然和人为两方面因素的影响，自然因素包括流域植被特征、河流径流量、含沙量、水动力特征及河床水位升降等，直接影响河流的蚀积作用.而人为因素主要是人类活动导致的水土流失、河流中修建堤坝等改变河流沉积物含量、水动力特征等，间接影响三角洲发育.从1985～2017 年九龙江三角洲沉积面积变化看，都是从洲尾向下游扩展，这种变化趋势与河口三角洲沉积学原理显示的基本一致.

4.1.1 沉积地形

首先，从河口地形来看，九龙江入海口为弱谷型河口，三角洲区域河道较狭窄、流速较大而不利于沉积.到了三角洲下游河道展宽，对上游水流起到分散作用、减缓流速，从而促进沉积物沉积.其次，由于三角洲的阻挡，洲尾水动力较弱，并且三角洲处于平原区，地势平坦，能有效减缓水动力，促进沉积作用.

另外，由于九龙江三角洲处于河流入海口感潮带内，频繁受到潮汐作用影响，加上三角洲下游河道开阔、地势平坦，有利于潮汐形成顶托作用，从而减缓河水流速、减弱河流水动力，最终促进河流沉积.

4.1.2 河流沉积物补给条件

九龙江流域虽然植被覆盖率较高，但河流上、中游处于山地和丘陵区，多高山陡坡，河流比降较大，因此有利于发生侵蚀作用[15].另外，流域处于亚热带季风区，降水量大且集中，在雨季容易造成较大的地表径流，一旦流域植被遭受破坏，容易加剧水土流失.

福建省也是水土流失较为严重的地区[15].各河段存在不同程度的植被破坏，尤其是漳州段，破坏面积达956.1 km2，占流域植被破坏面积的63.65%[23].“十二五”规划末期北溪流域水土流失达813.0 km2，占流域面积的8.54%[24].其中新罗区、华安县和漳平市等流域属于国家级水土流失重点治理区[15].另外，据浦南水文站观测数据，九龙江北溪1952-2005 年平均年输沙量为210.0×107 kg[16].并且集中的降水导致夏季形成较强的地表径流，从而使85.0%～90.0%的输沙过程主要集中在雨季[12].

九龙江流域严重的水土流失为河流提供大量的沉积物补给[14].根据河流侵蚀模数和输沙量关系（图3，5）[16]，1985 年至2005 年期间，流域侵蚀模数与三角洲扩张速率呈较显著正相关关系[16].因此，九龙江充足的河流沉积物是近30 年三角洲发育的重要因素.

4.1.3 河流水文特征

九龙江流域地势西北高东南低，河流自西向东流.上游河道坡降大，有较强的侵蚀输送动力；下游河道坡降显著减小，有利于发生沉积作用.

九龙江流域处于东亚季风区，年降水量1400.0～1800.0 mm，降水集中在夏季.河流水量受东亚季风降水影响，汛期径流量超过全年总径流量的80.0%[16].根据浦南水文观测站资料，年径流量或者月径流量较多时，河流的输沙量也较高[16]，这表明九龙江河流输沙能力对下游沉积物数量具有重要影响.

另外，九龙江三角洲处于河口感潮带内，涨潮时海水会逆流而上.由于海水中含有大量的电解质，其与淡水接触时容易促使水体中挟带的胶体发生凝聚并沉积[21], 从而促进了三角洲洲尾开阔处发生沉积作用.

4.1.4 植被覆盖特征

据第八次全国森林资源清查数据，福建省森林面积约8.0×104km2，森林覆盖率超过65.95%，部分城市甚至高达75.0%～80.0%， 全国植被覆盖率排名第二.福建省良好的植被覆盖有利于抑制地表侵蚀作用，但是由于处于亚热带季风气候区，风化作用强烈、加上降水量大且集中，一旦植被遭受破坏，容易造成侵蚀作用.而正如前面阐述的目前九龙江流域由于植被破坏导致的水土流失较为严重.

红树林是分布于低纬度低能海岸潮间带区域的植物群落，具有很强的适应海水高盐环境的能力[25].红树林能够减弱水动力，防止径流对近海湿地侵蚀和促进沉积作用[26].九龙江三角洲分布着大面积红树林，例如，浒茂洲上的紫泥镇分布着福建省面积最大的红树林.结合遥感影像解译结果和野外实地调查发现，从1985 年至2017 年九龙江三角洲红树林范围有向洲尾下游方向扩张趋势， 而三角洲也在同一区域扩张，这表明红树林的发育有利于河流沉积作用，促进了三角洲扩张，并且这种扩张趋势仍然在持续.

4.1.5 人类活动影响

九龙江流域面积广，沿岸居民聚集，由于人类不合理活动导致水土流失[13].另外，随着城市化进程的加快，流域内进行了大规模的水力、交通、城建等基础设施建设，据调查，九龙江沿江企业、小型矿场、砂石场等多达1500 多家[14]，其中工矿、城建和交通等工程建设容易造成土壤侵蚀和生态破坏.不合理的人为活动是造成水土流失的重要原因，同时也可能间接地导致九龙江河口三角洲沉积面积的扩大.因此，人类活动对九龙江三角洲面积变化产生了一定影响.

上述分析表明，1985-2017 年九龙江河口三角洲面积呈从洲尾向下游扩展趋势，这是受自然因素和人类活动共同影响的结果，其中自然因素起到主要作用.

4.2 九龙江三角洲扩张趋势

三角洲的演化主要是受河流的侵蚀和沉积作用的影响.在沉积物充足前提下， 当侵蚀动力较强时发生侵蚀作用，三角洲范围减小；当沉积动力较强时，沉积物发生沉积，三角洲较为发育.

九龙江三角洲的地形、地势和植被状况等有利于洲尾区域沉积作用，并且在短期内这种地形、地势和植被状况导致的沉积作用不会有较大的变化.而三角洲洲尾红树林将随着三角洲扩张而扩张， 这反过来促进三角洲沉积面积的增加.另外，在实地调查中发现，九龙江三角洲洲头岸边有人工建筑的堤坝，可以长期有效阻止河流对三角洲的侵蚀作用.

从九龙江北溪流域水土流失情况来看， 目前九龙江流域水土流失较为严重.而短时间内流域水土流失将会一直存在，加上人类活动间接补给河流沉积物，这些为九龙江三角洲沉积提供充足的沉积物.

从水文特征来看，由于受东亚季风控制，九龙江流域年降水量较稳定，且主要集中在雨季.这种降水特征短时间内不会有显著变化，这使河流径流不会发生显著变化，因此能够持续地维持河流沉积物的输送.

总体上看，在短期内九龙江三角洲有从洲尾向下游发育的趋势.

5 结论

本文运用RS 和GIS 技术提取了1985-2017 年九龙江河口三角洲沉积面积时空变化信息， 探讨了其时空变化的影响因素及未来发展趋势，得出如下结论：

1）1985-2017 年期间三角洲沉积面积总体上呈从洲尾向下游扩张的趋势， 总增幅达24.0%， 其中1990 年至2010 年期间增长较快.各个岛屿变化趋势虽然略有差异，但总体上一致.

2）九龙江三角洲沉积面积变化受到自然和人为因素共同影响，其中河口水动力是三角洲沉积面积扩张的主要原因，而河口地形、地势、沉积物补给、红树林、潮汐等自然因素共同影响沉积动力特征.

3）根据1985～2017 年九龙江三角洲沉积面积变化趋势、流域的气候、水文等自然特征，结合河口沉积学原理表明，在短期内九龙江三角洲有继续从洲尾向下游发育的趋势.