杭州湾近30 年海岸线与海岸湿地变迁分析

彭小家 ，林熙戎 ，方 今 ，王 腾 ，蒋晓山

（1. 上海市海洋监测预报中心，上海 200062；2. 国家海洋局东海环境监测中心，上海 201206；3. 上海市环境监测中心，上海 200235）

党中央在十九大中提出要实施区域协调发展战略，统筹海陆统筹，加快建设海洋强国。浙江省一直是我国经济发展的重点省份，环杭州湾地区作为浙江省经济发展的前沿地带，其关注度可见一斑。随着人口的迅速增长，经济的快速发展都导致环杭州湾土地资源短缺，为了满足社会经济发展的需要，沿海地区进行大量围填海活动，使杭州湾沿岸地理条件发生巨大的变化。因此，准确地了解杭州湾地区海岸线和海岸湿地的变化，对实现经济可持续健康发展具有重要意义。

海岸线作为陆地与海洋的分界线，在我国是指多年大潮高潮位时的海陆界限[1]。研究海岸线的年际变化对海岸线所处环境的生态改变、生境变迁有重要意义。海岸线的动态变化是自然因素和人类因素共同作用的结果，自然因素包括地貌水文等，人类因素包括围填海、修建码头等，本文主要研究人类因素。根据海岸线的形态和成因，可以分为人工岸线和自然岸线，根据岸线的地质类型和生物分布状态又可以将自然岸线分为基岩岸线、砂质岸线、粉砂淤泥质岸线和生物岸线等，人工岸线可以分为防潮堤岸线、工业岸线、城镇岸线、养殖区岸线等[2]。杭州湾区域除了生物岸线外，其余类型的岸线都存在。

近年来，越来越多的国内外学者通过遥感手段对海岸线和海岸湿地的变迁进行了分析[3-10]。如20世纪80 年代，美国利用遥感动态监测对海岸带变化进行分析，目前这些数据已用于研究海岸带城市扩展、分析土地利用变化等趋势[11]。Blodget H W 等[12]通过5 期的卫星影像得出了尼罗河三角洲河嘴的海岸线演变情况，Edward Robinson[13]利用多年的航空影像图，对牙买加Vere 海岸近200 年的海岸线演变进行分析。在国内，任美锷[2]利用遥感技术对江苏省海涂资源进行调查，对辐射沙洲进行测绘。张华国等[14]利用多个时相的TM/ETM+遥感资料，调查杭州湾围垦淤涨的情况。何茂兵等[15]利用3 个陆地卫星影像提取了九段沙3 组不同高程水平的水边线，采用趋势面插值法计算了所有水边点高程。本文旨在利用长时间时间序列的遥感影像，在定量化计算岸线和滩涂变化利用率的基础上，对杭州湾近30年的海岸线变迁以及滩涂湿地的变化和驱动力进行分析。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

杭州湾位于浙江省东北部沿海，地处上海市的南端、浙江省东北部，东临舟山群岛，西至杭州市，包含钱塘江河口区，西至杭州湾钱塘江大桥，东起上海市芦潮港镇至镇海区甬江口东侧。位于29°39′～31°15′N，120°5′～122°54′E 之间，如图 1 所示[16]。

图1 研究区域位置示意图

1.2 遥感数据来源及预处理

本文采用 1990 年、1995 年、2000 年、2005 年和2011 年 Landsat ETM+以及 2017 年 Landsat8 OLI 影像，其中除了2017 年是8 个波段之外，其他的5 个年份都是7 波段。此次选取的影像质量较好，大部分影像云量几乎为0，部分影像有少量云雾，但是云雾都不在沿海滩涂海岸线附近，不影响信息的提取。研究所用影像是从地理空间数据云网站（http：//www.gscloud.cn）下载。

本研究应用ENVI5.1 和Arcgis10.3 对遥感图像进行分析与处理。首先利用ENVI5.1 对遥感影像进行几何校正，波段合成（5、4、3 波段假彩色合成）以及图像裁剪等预处理，接着把处理好的影像在Arcgis10.3 里打开，绘制研究区的范围，使用目视解译与自动解译相结合的方法，实现栅格数据向矢量数据的转换，并对生产的分类结果进行分析。通过对解译出的数据进行马尔科夫转移矩阵模型计算，从而得出研究区域不同时期海岸湿地类型转化的信息，从而更加科学合理的认识该区域滩涂湿地的演变规律，为科学合理管理和开发海岸带提供重要的数据支撑。

1.3 研究方法

1.3.1 海岸线提取原则与方法 通过ENVI5.1 对6期的海岸线影像进行目视解译对岸线类型进行区分，然后在Arcgis 中对6 期海岸线的矢量图进行叠置，得到1990—2017 年杭州湾海岸线变迁图。

1.3.2 湿地提取原则与方法 对海岸湿地变迁进行研究，第一步就是要进行湿地分类。由于“同物异谱和同谱异物”，湿地遥感分类的精度问题一直是湿地遥感的瓶颈之一。目前，湿地遥感分类常用的方法是计算机解译和人工目视解译。计算机解译有监督分类和非监督分类2 种。通过查阅相关文献，发现目视解译在国内外相关研究中仍是普遍采用的方法[17-21]。本文通过结合杭州湾实际勘察获取的数据、GoogleEarth 历史影像，以及监督分类对湿地的识别能力，将海岸湿地分为沿海滩涂、河口湿地、建筑用地、养殖区、农业用地和居民用地。利用ENVI5.1 和 Arcgis10.3 对杭州湾 1990—2017 年的湿地矢量信息进行提取，从而获得湿地资源的年际变化。

1.3.3 马尔科夫模型介绍 马尔科夫法是以俄罗斯数学家A.A.Markov 名字命名的一种方法，它将时间序列看作一个随机的过程，通过对事物不同状态的初始概念和状态之间转移概念的研究，确定状态变化趋势，以预测事物的未来[1]。

2 研究与分析

2.1 海岸线长度与位置变化

本文利用 Arcgis 软件对 1990 年、1995 年、2000年、2005 年、2011 年和 2017 年 6 个时期的杭州湾海岸线进行提取后进行叠置，得到了杭州湾6 个时相的海岸线变迁图（图2）。

图2 杭州湾海岸线变迁图

杭州湾是我国典型强潮河口海湾[14]，同时，杭州湾也是我国经济最发达的区域之一，依托长三角经济体，以及杭州宁波等城市的发展，经济开发活动极为频繁。由图2 可知，在这30 年间，杭州湾尤其是杭州湾南岸进行了大规模的围垦工程。自“十一五”时期起，中国进入了围填海造地面积增长最迅速的时期，根据国家海洋局《海域使用管理公报》公布的数据，近年来，全国每年的填海量都在1 万hm2左右。在沿海地区一、二线城市，围海造地低廉的成本与毗邻土地高价之间存在巨大的利润，使得一些地方加大围填海的力度，因此防潮堤岸线和围垦养殖区岸线长度迅速增加[22]，一些粉砂淤泥质岸线和砂质岸线转变为人工岸线，导致自然岸线呈递减趋势，人工岸线呈增加趋势。

由图2 可以看出，杭州湾北岸的海岸线近30年整体变化不大，但是在嘉兴区域由于地理位置的影响以及围海造田等，在2000—2011 年期间入海沉积物堆积，使得陆地面积持续增加，致使海岸线不断向海扩张。而在奉贤金山区域，由于上海迅速发展，人口不断增加加大对土地的压力，人均土地的匮乏迫使陆地向海洋扩张。由于大量的围海造田导致许多近海海域被陆地所取代，且随着沿海城市的发展不断向海扩张。芦潮港区域由于长江从上游携带大量泥沙在下游由于流速放缓造成沉积，为芦潮港的围海造田提供有利的条件，同时港口堤坝的建设等也加速了海岸线的向外扩张。

而杭州湾南岸近30 年整体变化较大，如宁波区域规则化的海水养殖岸线取代了自然弯曲的海岸线，而钱塘江区域地势平坦，曹娥江和钱塘江两江的泥沙淤积形成大量的平原，便于围垦，主要用于农田和水产养殖。在自然作用和人类活动的双重影响下，海岸线的向海扩张速度在这30 年间明显加快。

由表1 可知，1990—2017 年岸线长度总体上变化不大，减少了12 km，岸线的组成以人工岸线为主，且人工岸线所占比例呈增加趋势。岸线总长度在1995 年达到最大值442.9 km。其中，1990—1995年岸线总长度变长，这是由于人类不断开发进行围海造田，加速沙洲形成，而沙洲意外区域被建成堤坝，如此往复使得岸线长度持续增加，人类可利用岸线也在逐渐增加，因此人工岸线的长度增加较快。1995 年之后，岸线总长度就在不断减少，这是由于自然岸线逐渐被侵蚀，如一些粉砂淤泥质岸线和砂质岸线等由于易围垦等特点被转化成人工岸线。

自然岸线的长度从2000 年后逐年递减，人工岸线的长度则呈波动式增加，由1990 年的287.9 km增加至2017 年的321.8 km，增长33.9 km，变化率为11.8%。而自然岸线由1990 年的112.5 km 锐减到2017 年的66.6 km，减少45.9 km，变化率为40.8%。这是由于随着人们越来越重视海洋以及沿海经济的发展，在该区域开展了大量的人类活动，导致很多的自然岸线转变为人工岸线，如围填海，修建码头等。这样就使得自然岸线逐年减少，人工岸线逐年增加。

表1 杭州湾近30 年岸线总长度对比

总体而言，杭州湾南岸的海岸线在这近30 年间弯曲程度增加，海岸线也变得更加复杂，海岸线的变化有向海扩张和向陆缩减两种形式，向海扩张是主要形式。北岸由于受经济发展人为影响因素很大，自然的海岸线逐渐被人工堤坝取代，人工堤坝的形状是规则工整的，并不会随着时间的变化而变化。

2.2 海岸线类型比例变化

杭州湾海岸带 1990 年、1995 年、2000 年、2005年、2011 年和2017 年海岸线各时期类型长度统计图如表2 和图3 所示。

由表2 我们可以看到，自然岸线从1990 年的112.5 km 下降到 2017 年的 66.6 km， 变化率为40.8%，而人工岸线从1990 年的287.9 km 增长至2017 年的321.8 km，变化率为11.8%，由此可以看出，杭州湾的自然岸线变迁强烈，变化速率也分布不均。

表2 杭州湾各时期各类型海岸线长度统计

图3 杭州湾不同时期各岸线长度统计图

由图3 也可以看出，防潮堤岸线和工业总体呈增长趋势，这是由于杭州湾北岸属于侵蚀型海岸，不利于围填。杭州湾北岸的深水岸段有利于建设港口，如芦潮港、乍浦港等，港口、工业、城镇建设和旅游用地等使得杭州湾北岸大量的自然岸线向人工岸线转化。近30 年来，芦潮港附近的围填主要用于港口和深水港后方配套设施的建设，金山奉贤的碧海金沙等旅游场所的建设，上海金山嘴工业区的建设等都使得自然岸线转化成人工岸线。因此工业岸线和防潮堤岸线在这30 年间都有大幅度上升，如工业岸线从1990 年的6.6 km 增长到2017 年的83 km，而防潮堤岸线则从1990 年的91.1 km，增加至2017 年的有利于围填造陆、岸滩养殖。这是因为粉砂淤泥质岸线也呈增长趋势，这主要发生在杭州湾南岸，这是由于南岸属于淤涨型海岸，加上地势平坦，从长江携带来的大量泥沙在此处淤积，因此粉砂淤泥质岸线从1990 年的1.1 km 增长至2017 年的12.4 km。

2.3 滩涂湿地演变

根据6 期遥感图像的湿地提取，可以得出杭州湾近30 年海岸湿地变化以及空间分布图，如图4所示。

图4 杭州湾不同时期滩涂类型解译

表3 杭州湾近30 年湿地面积统计

通过表3 可以看出，杭州湾1990—2017 年湿地面积变化显著，总体上增加了510.9 km2，变化率为71.9%，从1995 年以后湿地总面积逐年增加，其中，自然湿地面积在逐年降低，而非自然湿地的面积却在逐年增加，这是由于该区域经济活动频繁，在人类活动作用下，许多天然湿地被开发为港口，养殖区等，转化为非自然湿地。

通过图5 可以看出，沿海滩涂面积从1990 年后开始迅速减少，一直呈下降的趋势，从1990 年的438.1 km2减少到 2017 年的 210.8 km2，而河口湿地面积本来占比不多，1990 年面积为130.8 km2，到了2017 年仅剩20.1 km2。相反，建设用地的面积增长迅速，从 1990 年的 30.9 km2增长到 2017 年的385.6 km2，变化率为114%。其次是农业用地增幅也比较大，从1990 年后就一直在增加，一直到2005年后增长幅度开始放缓。接着是养殖区，其面积除了在2000—2011 年期间有过缓慢的下降之外，其他时间段都在增加。

图5 杭州湾不同时期海岸湿地面积统计图

为了进一步揭示海岸湿地各类型之间的演变规律，通过马尔科夫转移矩阵模型记性计算，得出了杭州湾不同时期海岸湿地类型的转移矩阵表，见表4。

表4 不同时期海岸湿地类型转移矩阵

(e)2011—2017 年类型 居民用地 农业用地 沿海滩涂 养殖区 河口湿地 建设用地 合计转换居民用地 68.3 0 0 0 0 0 0农业用地 0 292.0 0 2.3 0 0 2.3沿海滩涂 5.2 2.1 202.0 4.9 0 0 12.2养殖区 0 0 0 0 0 0 0河口湿地 0 0 0 0 20.2 0.3 0.3建设用地 0 0 0 10.2 0 395.0 10.2

在1990—1995 年（表4-a），杭州湾发生转化面积最大的是沿海滩涂，转化面积为11 km2，主要转化为建设用地，面积为10.8 km2。

在1995—2000 年（表4-b），杭州湾发生转化面积最大的是沿海滩涂，转化面积为93.9 km2，主要转化为农业用地，面积为43 km2。

在2000—2005 年（表4-c），杭州湾发生转化面积最大的是农业用地，转化面积为51 km2，主要转化为建设用地，面积为31 km2。

在2005—2011 年（表4-d），杭州湾发生转化面积最大的是农业用地，转化面积为10 km2，主要转化为建设用地，面积为10 km2。

在2011—2017 年（表4-e），杭州湾发生转化面积最大的是沿海滩涂，转化面积为12.2 km2，主要转化为居民用地为5.2 km2。

选取的5 个时间段中，结合杭州湾当地经济的发展，可以得出发生转化面积最大的是沿海滩涂，主要转化为建设用地，这也与当地围垦造陆用于经济发展的趋势相吻合。

3 结论

本文利用多时相影像数据提取杭州湾近30 年的海岸线和海岸湿地数据，通过对海岸线长度和类型的以及海岸湿地面积类型的分析，研究了杭州湾近30 年的变迁过程，并分析了影响变迁的主要因素。

（1）杭州湾岸线长度从1990 年的400.4 km 减少至2017 年的388.4 km，减少了12 km，变化率为3%，其中，自然岸线长度从112.5 km 下降至66.6 km，减少了45.9 km，变化率为40.8%，而人工岸线则从287.9 km 增长至321.8 km，增长了33.9 km，变化率为12%。海岸线的长度数据表明，杭州湾海岸线的变化并不随着时间持续的增长或者下降，这与不同时期自然因素和人文因素变化密切相关。研究表明，杭州湾1990—2017 年海岸线有向海扩张和向陆缩减两种形式，其中，杭州湾北岸岸线位置变化不大，南岸以向海扩张为主。这是由于北岸受人为要素影响较大，自然的海岸线逐渐被人工堤坝取代，人工堤坝的形状是规则的，不会随着时间的推移而变化，而南岸海岸线弯曲程度主要受自然因素影响较多，因此弯曲程度增加，海岸线也变得更加复杂。由此可以认为，杭州湾岸线位置变化是由自然因素和人为因素共同作用决定。

（2）从选取的5 个时间段可以看出，杭州湾海岸线和海岸湿地的变化主要受到人为因素的影响，自然岸线整体呈减少趋势，人工岸线呈增加趋势，岸线总长度变化不大；海岸湿地的总面积呈增长趋势，从1990 年的 710.6 km2增加至 2017 年的 1 221.5 km2。其中，自然湿地的面积逐年减少，30 年间从568.9 km2下降至230.9 km2，而人工湿地的面积却大幅度增加，从 141.7 km2增加至 990.6 km2。