日照滨海地区岸线和土地利用演变研究

崔妍，于迪，郝义，种衍飞，冯英明，李广雪，张蕾，杨帆，臧浩

1.中国海洋大学海底科学与探测技术教育部重点实验室，青岛 266100

2.山东省煤田地质局第一勘探队，青岛 266427

日照市位于黄海之滨，是山东省东南部的港口城市，陆地面积为5 310 km2，海洋面积为6 000 km2。日照市海岸线总长大约168.5 km，岸线最北端始于白马河口，最南段为苏鲁交界处的绣针河口。其海岸带位于黄海中部，属基岩岬角间隔的砂质海岸[1]，拥有岚山港、日照港组成的日照港口群与佛手湾、石臼湾两大天然港湾，海洋资源丰富，开发利用潜力巨大。

海岸线变化特征包括长度消长、形态演化、位置变迁以及利用类型转移等，常进行定性分析，或基于一些简单统计量如岸线长度、海陆域面积、分型维数、变化速率等进行定量分析。毋亭基于遥感影像与地形图资料提取了1940s起6个时相的中国大陆岸线数据，系统研究了70年间中国大陆海岸线长度、形态、类型等变化特征，并结合社会经济发展分析了其主要驱动因素[2]。张云等提取中国大陆20世纪90年代以来海岸线，指出中国海岸线的分形维数变化趋势与海岸线长度变化均呈线性增长[3]。其他学者也从岸线长度、形态、时空演变等角度做了大量研究[4-6]。海岸线位置变化的定量研究在岸线研究领域有十分重要的地位，基于岸线线性变化假设的简单模型法主要有基线法[7-9]、多重缓冲区法[10]、动态分隔法[11]等。基于岸线变化为非单调线性的复杂模型分析主要是局部模拟法[12]。

21世纪初，庄振业等对鲁南海岸侵蚀情况的定量研究得出此地区岸线平均蚀退率为1 m/a的结论，其主要原因是采砂和陆源输沙量的减小[13]。吕京福等采用端点法、平均速率法、线性回归法和折剪法等手段研究了日照市的两个海岸段在同一历史时期的岸线变化速率，注意到人类活动对岸线的变迁有重要作用[14]。李振函等对日照市海岸带地区的地下水特征进行了分析，总结了海水入侵情况并提出了初步治理方案[15]。

乔庆伟等通过土地利用类型的变迁探究其对日照市环境的影响[16]。雷士芬等基于2003年至2012年日照市土地利用数据，选取了22个经济社会指标，得出经济社会发展、人口及土地政策等是驱动土地利用变迁的主要因素的结论[17]。邓海清等对2011年和2013年间日照市的主要土地利用类型数量变化、土地利用动态度和土地利用类型之间的转移特征进行了研究，分析得出日照市土地利用类型转化的主要原因是城市化加快、经济水平的提高以及人口增长的结论[18]。乔芳敏以日照市东港区4期Landsat影像为数据源，对东港区的土地利用转移以及其影响因素进行了研究[19]。除土地利用外，徐文阳等[20]、孙慧[21]、张萌[22]用景观生态学的方法，探究了日照市海岸带景观格局的演变。总之，利用长时间遥感资料研究日照市土地利用及其变迁的研究工作比较缺乏，有待于进一步研究。

1 数据与方法

结合研究区实际情况，本文将日照市东港区和岚山区两个临海的完整行政区定义为滨海地区，以便于本研究中岸线和土地利用的统计计算，也使得研究结果更适用于地方部门的管理与应用。

1.1 岸线分析

选取1988、2000、2011、2018年4期秋季Landsat TM和OLI影像（表1），在对影像进行大气校正、镶嵌和几何精校正等预处理之后，结合日照市海岸带的实际情况，建立岸线分类体系（图1），提取日照市四期岸线数据。以海岸线是否仍具有自然属性为依据，将岸线分为自然岸线和人工岸线（辅助岸线为垂直于海岸线走向的线状坝，下文中未计入岸线总长度），并依据日照市的岸线具体特征，将自然岸线划分为基岩岸线、砂质岸线、河口岸线和淤泥质岸线，将人工岸线划分为港口码头岸线、养殖围堤岸线和建设围堤岸线。提取4期岸线中各类岸线的长度信息，对日照市海岸线时空变化进行分析（图2）。结合山东省煤田地质局第一勘探队《日照市海岸带海滩演变研究》项目的实测沙滩剖面数据资料，进一步研究30年多来日照市岸线的长度变化以及各类型岸线的空间分布特征，并结合岸线利用程度综合指数，分析日照市岸线结构以及多样性演变的控制因素。

图1 日照市岸线分类图Fig.1 Coastline classification of Rizhao City

图2 日照市海岸带4期岸线类型与分布Fig.2 Types and distribution of Rizhao coastline for four periods

表1 卫星数据列表Table 1 The list of satellite data used

岸线利用程度综合指数（ICUD，Index of Coastline Utilization Degree）是结合日照市海岸带的具体特征，按照人类活动的影响程度为各类型岸线赋予的综合指数[2]（公式 1）：

其数值越大，表明研究区该段岸线被人类改造的越彻底，修复回归自然岸线的可能性越小。其中，n为岸线类型数，Ai代表第i类岸线受到人为干扰的强度，Ci代表第i类岸线的百分比。在日照地区，自然岸线的利用程度综合指数均为1，人工岸线中养殖围堤岸线的指数为2，而建设围堤岸线和港口码头岸线的指数为3。基于面积法分析1988—2018年30年间以及1988—2000年、2000—2011年和2011—2018年3个时间段内日照市因岸线变迁导致的陆地面积变化，研究人类活动对海岸带陆地面积的影响。构建平行于日照市海岸带的基线并垂直于基线建立断面，计算1988—2018年30年间以及 1988—2000年、2000—2011年和 2011—2018年3个时间段的端点位置变化速率，研究日照市岸线变化的时空特征。

1.2 土地利用分析

遥感图像的监督分类是指依据各类地物标识的不同特征选择样本，利用计算机分辨影像中不同地物的样本特征，按照空间信息、光谱信息等划分规则将图像中的像元划分成不同的类别，并与地物信息一一对应，从而实现遥感图像中地物的分类[23]。基于监督分类方法，将土地利用类型划分为耕地、林地、建设用地、水体和未利用地5种类型。

对于不同年份遥感图像中海岸线的确定，在缺乏潮位资料的前提下，平均高潮线法是利用遥感手段进行海岸线监测最切实可行的方法，能够满足对海岸线观测分析的精度要求。平均高潮线一般介于高潮滩和中潮滩之间，由于潮滩物质成分的差异及暴露水上的时间不同而导致含水量不同，其光谱特征差异明显。由于TM（band 1）对水体穿透力强，同时OLI传感器新增波段海蓝波段（band 1) 主要应用海岸带观测，因此TM 741、OLI 751波段组合均能够清楚地区分海岸信息[24]。为了减轻岸线变迁对水体面积和转化面积的影响，本文选取2018年解译的岸线作为临海一侧的边界线。

采用土地利用类型的变化趋势和状态指数反映不同时期不同土地类型的面积及其之间的转化信息，得到土地利用类型转移矩阵，分析了1988—2000年、2000—2011年和2011—2018年3个时间段的土地利用变化状况及30年演变特征。

土地利用程度综合指数ILUD (Index of Land Utilization Degree)是结合日照市海岸带的具体特征，按照人类活动的影响程度为各类型土地赋予的不同人力作用强度指数[2]：

其数值越大，表明研究区该类型的土地被人类改造的越彻底，演变成为自然土地类型的可能性越小。其中，n为土地类型数，Ai代表第i类土地受到人为干扰的强度，Ci代表第i类土地的百分比。在日照地区，未利用地与水体利用程度综合指数为1，林地指数为2，耕地指数为3，建设用地指数为4。

2 日照市岸线演变特征

2.1 日照市岸线空间结构变化分析

1988、2000、2011 和2018年日照市海岸线总长度分别为92.14、102.73、117.45、158.84 km，岸线曲折程度不断增加，导致海岸线长度持续增长（表2）。1988—2018年共30年间，日照市人工岸线长度和占比都逐年增长，人工岸线占比由38.24%增长至74.57%。

表2 1988—2018年日照市岸线长度分类统计Table 2 Length of Rizhao coastline from 1988 to 2018 km

日照市的自然岸线以砂质岸线为主，其长度在1988—2011年处于持续减少的状态，只在2011—2018年有3.40%的小幅度回升，主要是南部岚山港处淤积形成沙滩所致。

日照市的人工岸线以港口码头岸线变化最为剧烈。1988—2018年日照市港口码头岸线急剧增加，由1988年的10.67 km增长到2018年的81.15 km，增长幅度达661%，年平均增长速率为2.35 km/a（表3）。

表3 1988—2018年日照市岸线年平均变化速率Table 3 Average annual change rate of Rizhao coastline from 1988 to 2018 km/a

为更好地衡量研究区岸线演变的趋势和程度，选取岸线类型多样性指数（ICTD）作为指标，其计算方法为[2]：

式中，n为岸线类型的数量，Li为第i种类型岸线的长度。ICTD接近于0，表示研究区岸线结构复杂程度较低，多样性不高；ICTD接近于1，表示区域内岸线结构复杂程度较高，多样性就高。因此，当研究区岸线类型较少或者某一种岸线长度占比过大时，岸线结构均衡性降低，表明岸线结构健康度较低。

30年间，岸线的多样性指数在1988—2000年、2000—2011年、2011—2018年间呈现先增后减的趋势（图3）。1988年，日照市岸线以砂质岸线为主，占比达54.13%，岸线结构不均衡，多样性指数为0.65；2000年，砂质岸线占比下降，养殖围堤岸线和港口码头岸线占比增长显著，岸线结构较1988年更为均衡，岸线多样性指数也增至0.71；2011年，砂质岸线占比持续下降，同时建设围堤岸线占比超过10%，港口码头岸线占比上升，岸线多样性基本保持不变，多样性指数为0.72；至2018年，港口码头岸线占比达51.09%，岸线结构失衡，岸线多样性指数下降至0.67。由岸线多样性指数的变化以及港口码头岸线和建设围堤岸线占比的上升可知，人类活动是岸线多样性变化的主要原因，人类社会经济发展的需求是岸线结构变化的主要驱动力。

图3 日照市岸线结构以及多样性变化Fig.3 The change of structure and diversity of Rizhao coastline

2.2 陆地进退面积和岸线端点速率变化分析

海岸线及陆地面积的变化反映了人类活动对海岸带的影响以及砂质岸线的蚀退。1988—2018年，日照市岸线向海前进面积远大于向陆后退面积，向海前进区域主要分布于日照港和岚山港的人工建筑（包含港口码头和建设围堤，如图4），向陆后退区域则分布于河口和砂质岸线；因养殖围堤岸线扩张形成的港池面积总计2.532 km2，分布在日照岸线北段白马河口的养殖池以及岸线中段傅瞳河口北部。

图4 1988—2018年日照市陆地面积变化图Fig.4 Land area change of Rizhao from 1988 to 2018

日照市陆地前进面积在1988—2018年间增长明显，主要分布于日照港以及岚山港（包含建设围堤、港口码头和人造沙滩等），后退面积总体较小，主要分布于砂质海岸、河口、养殖围堤和废弃的养殖池等。这一变化在2011—2018年间尤为明显：日照市陆地向海前进面积约为15.572 km2，向陆后退面积仅为0.838 km2，这说明砂质海岸的蚀退和人类对于海岸线的建设和改造活动是日照市陆地面积变化的原因。

1988—2018 年间，日照市岸线总体变化趋势以向海前进为主（图5），前进岸线的比例达65.55%。其中前进速率较大的断面分布于日照港（109-127号断面，图5d）以及岚山港（13-30号断面、42-46号断面和50-53号断面，图5a-c），由遥感图像上可确定岸线前进速率较大的区域位于港口码头以及建设围堤处。后退断面占比为34.45%，分布于少数砂质岸线、白马河河口（图5e）以及废弃的养殖池区域，岸线后退速率最大值可达82.49 m/a。30年间，日照市海岸线向海前进的平均速率为17.67 m/a，向陆后退的平均速率为6.26 m/a。

图5 1988—2018年日照岸线端点速率变化离岸距离表示基线由南向北的距离，基线长6.21×105 m，共208个断面，断面起点为山东与江苏交界处的绣针河口，终点为白马河口，断面间隔为300 m，沿基线由南向北标号为1—208；a—e为5个典型的端点速率变化区域。Fig.5 The change rate of coastline endpoints from 1988 to 2018The offshore distance refers to the distance from south to north of the baseline, which is 6.21×105m long with a total of 208 transects.The starting point of the transect is Xiuzhen River Estuary at the junction of Shandong Province and Jiangsu Province, and the north end is Baima River Estuary.The transects are separated by 300 m and are labeled 1-208 from south to north.The area a, b, c, d and e are five typical regions of endpoint rate variation.

3 土地利用结构变化分析

按照自然科学的意义来说，海岸带是海洋向陆地过渡的区域，但在本研究中，以日照市东港区和岚山区两个滨海行政区内的海岸带为整体探讨范围；以两个行政区域内的耕地、林地、建设用地和水体面积等土地类型，作为探讨陆域土地利用变化的范围，以便从实际应用角度上为当地管理部门提供参考。

由图6和图7可知，1988—2018年东港区和岚山区土地利用的整体特征表现为：耕地面积基本未变，建设用地面积大幅度增加，达343.23 km2；林地面积减幅超过50%，水体和未利用地变化幅度不大，总体面积稳定。耕地、林地及建设用地三者间的相互转化贯穿整个研究阶段，建设用地面积处于持续增加的状态，其主要来源为耕地转化；而林地与建设用地和耕地的转化则处于此消彼长的发展状态中。

图6 日照市4期土地利用类型图Fig.6 The land utse in Rizhao for the four periods

图7 1988—2018年土地利用结构变化Fig.7 The structural changes in land use from 1988 to 2018

3.1 各阶段土地利用结构转化

1988—2000 年、2000—2011年和2011—2018年3个时段中，各类型土地均发生了相互转化的现象。

耕地面积先是在1988—2000年呈现小幅度增长，随后在2000—2011年和2011—2018年两个阶段中均有小幅度下降。整体来看，耕地主要与林地以及建设用地相互转化，1988—2000年增长的耕地面积主要来源于林地，转出面积为184.4 km2，主要转化为建设用地。2000—2011年，耕地面积变化不大，主要转化为建设用地以及林地，转化面积分别为129.65和53.03 km2，同时有126.64 km2的建设用地和31.76 km2的林地转化为耕地，整体上实现了动态平衡。2011—2018年，耕地面积继续减小，但幅度不大，减小的耕地主要转化为建设用地以及林地，面积分别为162.95 和99.55 km2，占2011年耕地面积的12.72%和7.77%。同时81.27 km2的建设用地和20.27 km2的林地转化为耕地。建设用地的面积在1988—2000年有大幅度上升，面积增幅达49%，增加面积主要来自耕地的转化，2000年建设用地的总面积为349.37 km2，耕地转化面积占比52.78%。2000—2011年和2011—2018年，建设用地面积均有下降，主要是与耕地的相互转化，其中2000—2011年与耕地相互转化的面积基本相同，2011—2018年转为耕地的面积达81.27 km2，耕地转入的面积为162.95 km2，耕地转入面积占2018年建设用地面积的33.41%。

林地面积在1988—2000年下降了约40%，在2000—2011年和2011—2018年则分别增长了约40%和42%。1988—2000年，林地面积下降的主要原因是转出为耕地和建设用地，而2000—2011年和2011—2018年林地增加面积的来源主要为耕地，2011年和2018年分别有32.96%和44.12%的林地来自于耕地的转化。3个时段林地的主要转出类型均为耕地和建设用地。

水体面积在1988—2000年、2000—2011年和2011—2018年均有所下降，3个时段中未转出面积分别为80.16%、87.92%、73.76%，转出的面积占比不大。转出类型主要为耕地和建设用地。未利用地整体面积较小，主要于于建设用地以及耕地相互转化。

3.2 1988—2018年土地利用结构的转化

结合表4和图8可得，1988—2018年日照市东港区及岚山区的各类土地之间的转化情况为：

图8 1988—2018年土地利用结构转化图Fig.8 Conversion of the land use structure of Rizhao from 1988 to 2018

表4 1988—2018年土地利用面积转移矩阵Table 4 Conversion of the land use areas from 1988 to 2018 km2

（1）土地利用的整体特征：耕地面积基本未变；建设用地面积增加343.23 km2；林地面积大幅减小，减幅超过50%，水体和未利用地面积也略有减小。

（2）耕地、林地、建设用地三者间的相互转化贯穿整个研究阶段，并最终反映在1988—2018年的长时间跨度中。由耕地转化而来的建设用地，占2018年建设用地面积的45.98%，这也是耕地面积减少、建设用地面积增加的最主要来源。林地与建设用地和耕地的转化则处于此消彼长的发展状态中，林地的减少主要原因是转化为耕地和建设用地。

（3）水体面积整体呈不断减小的发展趋势，主要受耕地和建设用地的相互转化影响，这与研究区内河道的干涸情况、伴随经济发展而兴起的填海造陆工程以及养殖业的发展有关。

（4）未利用地与耕地、建设用地相互转化，整体上面积占比很小，主要取决于建设用地及耕地的利用情况。

4 讨论

综上所述，日照海岸带地区变化的突出特点是砂质海岸的后退、人工构筑物的大量修建以及建设用地的扩张。结合岸线综合利用指数和土地综合利用指数，从自然和社会经济两方面对日照市海岸带演变进行分析。

4.1 自然因素对海岸带演变的影响

风暴潮带来的增水和大浪会在短期内增强海洋动力，使波浪影响范围扩大到沙滩后部的风成沙丘和软质海崖，更多的泥沙颗粒被带走，岸线发生后退并发育侵蚀陡坎[25]。宫立新的研究表明，由夏季台风所引起的风暴潮和风暴浪，会在短期内对海岸造成快速侵蚀[26]。在2011年、2012年和2014年夏季，日照地区曾有台风过境的记录，由于山东半岛特殊的海岸线走势，这几次台风对日照海岸带的砂质岸线造成了严重的破坏和侵蚀[27]。基于山东省煤田地质局第一勘探队针对日照市海滩观测剖面进行的长期监测数据，日照市海滨国家森林公园沙滩剖面和万平口沙滩剖面都在台风过境后有较明显的侵蚀结果（表5）。2018年8月台风“温比亚”和2019年8月台风“利奇马”过境后，森林公园沙滩剖面曾出现侵蚀与淤积交替出现的情况（森林公园沙滩剖面中部，见表5），可能与该处水动力条件较强，波浪作用往复冲刷搬运沙滩有关，说明沙滩存在一定程度的自我修复功能，但总体上处于侵蚀状态。推测台风带来的增水和大浪会在短期内增强海洋动力，将低潮线附近的泥沙颗粒推送到滩肩处，并带走滩面及低潮线附近的泥沙颗粒，使岸线发生后退并发育侵蚀陡坎。万平口沙滩剖面总体上侵蚀面积较小，但下切程度深，台风过境沙滩几乎未出现自我修复，可能与“黄海之眼”等建设工程的修建有关，使得大量海滩的沉积物收支失衡，海滩自我调整功能被破坏，风暴侵蚀过后海滩难以恢复原状。

表5 日照市森林公园沙滩剖面和万平口沙滩剖面对台风的侵蚀响应结果Table 5 Erosion response of beach transects to typhoon in Forest Park and Wanpingkou

海平面上升是一种缓慢的海岸侵蚀自然因素，短时期造成的侵蚀量较小，但从长时间尺度上来看，海平面上升所造成的侵蚀不容小觑。庄振业等的研究表明，鲁南砂质海岸地带侵蚀总量的10%由海平面上升造成，山东省沿岸海平面上升的速率约为2.5 mm/a[13]。海平面上升对日照市砂质海岸的演变存在一定影响。

4.2 社会发展因素对海岸带演变的影响

1950年以后，日照市主要河流上游开始水库建设，水库的调蓄作用减轻了洪水对河床的冲刷，同时对泥沙起拦截作用，河流输沙能力急剧减少，造成了沙滩的侵蚀剥离，砂质岸线不断后退。

1988—2018 年，日照市人工岸线占比逐年增加，自然岸线急剧缩减，岸线综合利用指数由1988年的 156.45上升至2018年的238.76（图9），表明30年间日照市岸线受人类干扰程度不断增大。1988—2000年，日照市养殖业快速兴起，港口建设也蓬勃发展，砂质岸线不断转化为养殖围堤岸线和港口码头岸线，岸线综合利用指数上升至173.45。2000—2011年，日照港和岚山港建设发展迅速，陆地向海扩张加速，港口码头岸线和建设围堤岸线长度迅速增加，岸线综合利用指数进一步上升至216.96。2011—2018年，港口建设继续发展，港口码头岸线占比超过50%，岸线综合利用指数上升至238.76。

图9 日照市岸线结构和综合利用指数（ICUD）Fig.9 Coastline structure and index of coastline utilization degree of Rizhao City

近30年是我国经济发展的腾飞期，日照市经济水平、人口数量迅猛增长。人口的不断增加，一方面会催生对耕地面积的需求，另一方面又会对活动空间提出更多的要求。而经济增长与土地利用的开发，利用率和利用程度等都存在着重要的关系。经济发展繁荣时期，生产投资、厂房建筑用地、生活设施及交用运输用地都会迅速增加；农业用地不断转为非农业用地；与之相反，经济发展停滞时期，土地的利用率也会大幅度降低。日照市土地利用综合指数（图10）在1988—2018年的30年间整体呈上升趋势，表明日照市土地结构受人为影响不断加深。1988—2000年，日照市东港区和岚山区的耕地和建设用地面积上升，林地面积减少，土地利用综合指数由276.13上升至300.48。2000—2011年，耕地与建设用地面积基本持平，土地利用综合指数基本保持不变；2011—2018年，建设用地面积增加，土地利用综合指数增加。

图10 日照市土地利用结构和土地综合利用指数（ILUD）Fig.10 Land use structure and index of land utilization degree of Rizhao City

综合以上分析，自然因素对日照市海岸带的影响局限于砂质海岸，而人工因素对日照市海岸线变化及土地利用均有深刻影响。总体来说，日照市滨海地区海岸带的岸线及土地利用结构的演变由人工因素主导。

5 结论

（1）人类活动驱动下，日照市岸线长度整体呈显著增加趋势，人工岸线由1988年占岸线总长度的38.24%增加至2018年的74.57%，港口码头岸线增长最显著，年平均增加速率为2.35 km/a。在自然因素控制下，砂质岸线长度显著减少，年平均减速为0.56 km/a。

（2）日照岸线以向海扩张为主，扩张最剧烈的地区为日照港以及岚山港，其中2011—2018年向海扩张速度最快，表明随着经济的高速发展，人类活动对海岸线的影响愈加剧烈。

（3）日照东港区和岚山区耕地面积基本保持不变；建设用地面积大幅增加，增加面积为343.23 km2；林地面积减幅超过50%，而水体和未利用地变化幅度不大，总体面积稳定。其中，建设用地的增加面积主要来自林地和耕地的转化，表明在1988—2018年的30年间，人类地面建设活动是日照市土地类型转化的主要驱动力。