1976—2021年南澳岛海岸线时空演变及驱动因素分析

甯子豪,蒋昌波*,2,隆院男,3,4,伍志元,3,4,马 远

(1.长沙理工大学 水利与环境工程学院,湖南 长沙 410114; 2.湖南工业大学,湖南 株洲 412007;3.水沙科学与水灾害防治湖南省重点实验室,湖南 长沙 410114; 4.洞庭湖水环境治理与生态修复湖南省重点实验室,湖南 长沙 410114)

0 引言

海岸带位于海域和陆域的交界处,资源丰富但又受到大量人为因素干扰,因此,海岸线变化在一定程度上反映区域自然活动和人类活动对环境的影响[1]。在海岛开发过程中,海岸线易遭破坏,导致生态失衡、海水水质变差、资源枯竭等一系列问题,因此进行海岛海岸线时空演变及驱动因素分析具有重要意义。

以往海岸线的分析方法主要依据沉积地质学[2]和历史地图[3]等,受数据来源和精度的限制,难以开展较大区域岸线的分析。遥感技术(remote sensing,RS)、地理信息系统(geographic information system,GIS)和全球定位系统(global positioning system,GPS)的出现,使得大范围海岸线提取变得准确和方便。如:孙孟昊 等[4]选用Landsat卫星遥感影像,采用修正归一化水体指数MNDWI提取海陆分界线,对青岛海岸线时空格局变化进行了研究分析;李加林 等[5]基于中国东海区海岸带的遥感影像分析了大陆岸线变迁,并对其岸线利用强度进行了评价;夏涵韬 等[6]通过RS和GIS技术分析了45年来珠江三角洲海岸线变迁和开发利用空间格局;孙晓宇 等[7]通过海岸线长度和沿海地区面积变化分析了渤海湾岸线的时空变化规律;杨超 等[8]利用岸线变迁强度和分形维数对福建省海岸线的长度和形态进行了研究。

海岸线时空变迁是在自然、经济、社会等多种因素的共同作用下形成的,驱动因素分析是揭示海岸线时空演变规律和合理开发利用海岸带的关键。温馨燃 等[9]采用灰色关联分析法讨论了环渤海地区围填海活动的驱动机制;苏倩欣 等[10]通过地理探测器模型探讨了粤港澳大湾区海岸线变迁的主要驱动因素;王圳峰 等[11]采用PLSR模型从不同时空尺度上分析了福建省绿色空间的演变规律及驱动机制;李世锋 等[12]通过Logistic回归模型对彬州市土地利用变化的驱动因子进行了探讨。以往研究中,多数的研究区域为河口及海湾[13],而针对海岛的较少,并且分析指标往往不够丰富。灰色关联分析法对样本量无要求,分析结果与定性分析基本一致,已被广泛应用在各种领域中[14]。

本研究通过RS和GIS技术,使用变迁强度、分形维数、岸线利用程度综合指数和岸线结构等多个指标分析了南澳岛1976—2021年海岸线的时空演变,并且通过灰色关联分析法定量分析了自然灾害、年有效波高、国内生产总值、渔业总产值、港口货物吞吐量、人口数量以及城市化水平等指标对岸线变迁的影响程度,为海岛、海岸带的综合开发、利用以及生态修复提供参考。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

南澳岛位于广东省汕头市南澳县(116°56′—117°90′E,23°23′—23°29′N),属于亚热带季风气候区。南澳岛北濒柘林湾,南濒南海,海岸线曲折,港湾众多,其主岛呈葫芦状。

根据现行行政区划,南澳岛分为后宅镇、云澳镇和深澳镇(图1),各镇在地理位置、岸线类型及形态等方面差异明显。后宅镇位于岛左侧,靠近内陆,海岸曲折度高,多为基岩岸线;云澳镇和深澳镇位于岛右侧,以砂质岸线和基岩岸线为主,岬角与海湾相间分布。砂质海湾受波浪和潮流的长期作用,易发生侵蚀和淤积。

图1 研究区域位置

自改革开放以来,南澳岛港口、码头建设取得较大进展,1994年被国务院批准为一类开放口岸。近年来,南澳县充分利用海岛优势,提高海岸线与沿线土地的综合开发,大力发展渔业以及旅游业,使岸线资源发挥出重要的经济价值。

1.2 数据来源与处理

卫星遥感数据源于美国地质勘探局官网(http://glovis.usgs.gov)及地理空间数据云官网(https://www.gscloud.cn)。选取1976 年、1986年、1996年、2001年、2008年、2013年、2017年和2021年共8个时期的Landsat影像(表1)。卫星在获取遥感影像时会受大气散射、云、雾等因素的干扰,导致数据存在误差,因此需对获取的卫星遥感数据进行大气校正、几何校正、图像增强与变化和图像裁剪等预处理,优化海岸线提取的精确度。南澳岛海域有效波高数据来源于国家海洋科学数据中心(https://mds.nmdis.org.cn/),台风数据来源于中国天气网,人口数量、国内生产总值、渔业总产值、港口货物吞吐量、城市化水平等指标数据来源于广东省汕头市统计局。

表1 数据来源与说明

2 研究方法

2.1 海岸线分类及提取

海岸线的分类体系较为多元[15],根据《海岸带调查技术规程》[16],以平均大潮高潮线为基准[17],按照颜色、曲折程度、形状等方面的差异,将海岸线分为自然岸线和人工岸线,根据解译特征将自然岸线细分为基岩岸线和砂质岸线,将人工岸线细分为港口码头岸线、建设岸线和渔业岸线,共5个类型,分类依据见表2。

表2 海岸线分类依据

根据改进的归一化水体指数法提取海陆分界线[4],同时基于岸线周围地物的波谱信息进行单波段边缘检测[18],使水陆界线区别更加明显。在上述基础上进行目视解译,借助南澳岛地质资料及野外实地观测数据等辅助数据进行修正,并提取南澳岛岸线的类型及位置分布信息。

2.2 海岸线变迁分析

2.2.1 海岸线变迁强度

利用某一时间段内海岸线长度变化百分比来反映变迁强度[8],计算公式如下:

(1)

式中:LCInm是n—m时间段内海岸线长度的变化,Lm、Ln分别表示对应m、n年份的海岸线长度。

2.2.2 分形维数

分形维数反映海岸线形态的不规则程度,分形维数越高,表示海岸线形态越复杂、不规则,反之,海岸线形态越简单、规则。通过网格法[19]计算,利用ArcGIS 10.8将岸线数据转化为栅格类型,分别取 30 m 的1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、20、30、40倍作为网格边长ε,生成覆盖研究区域岸线的正方形网格,提取各正方形数目N(ε),绘制ε与N(ε)关系曲线并进行线性拟合,斜率绝对值即为分形维数F,公式如下:

lnN(ε)=-Fln(ε)+B

(2)

式中:N(ε)为网格数目,F为分形维数,B为常数,ε为网格边长。

2.2.3 岸线利用程度综合指数

岸线利用程度综合指数(index of coastline utilization degree, ICUD)反映海岸线受人类活动的影响程度,ICUD数值越大,表示影响越大。参照土地利用程度综合指数定义和计算方法[20-22],对不同类型岸线对应的人类利用程度指数进行赋值[23]。ICUD计算公式如下:

(3)

式中:n为海岸线类型数;Ai为第i类海岸线对应的人类利用程度指数, 取值见表3;Ci为第i类海岸线的长度百分比。

表3 不同类型岸线对应的人类利用程度指数赋值

2.2.4 岸线结构

岸线结构反映区域内各类海岸线的占比,某一类岸线的占比越高,区域内岸线的多样性越低,越接近于单一结构[24]。岸线结构模型具体如表4所示。

2.2.5 海岸带陆域面积变化

利用ArcGIS 10.8计算不同年份海岸带陆域面积,当海岸线向海域一侧推进时,陆域面积增加,反之,陆域面积减少,公式如下:

ΔS=S1-S2

(4)

式中:S1为陆域增加面积;S2为陆域减少面积;ΔS为陆域面积的净变化量,正值表示研究区岸线总体向海推进,负值表示研究区岸线总体向陆蚀退。

2.3 驱动因素分析

采用灰色关联分析法研究南澳岛海岸线时空变迁的驱动因子。将自然因素、社会经济因素作为特征序列(Ak),其中A1为台风次数,A2为年有效波高,A3为国内生产总值,A4为渔业总产值,A5为港口货物吞吐量,A6为人口数量,A7为城市化水平;各年份(1976年、1986年、1996年、2001年、2008年、2013年、2017年和2021年)海岸线长度作为对比序列(Bk),计算两序列的关联度,具体公式见文献[25]。灰色关联度值在0～1之间,值越大,代表关联性越好。

3 结果与分析

3.1 海岸线变化

3.1.1 海岸线长度变化

通过对海岸线的提取和修正,发现1976—2021年南澳岛海岸线长度总体呈现上升趋势,各镇差异较明显(图2,表5)。

表5 1976—2021年南澳岛海岸线长度变化

图2 南澳岛海岸线时空演变

截至2021年,南澳岛海岸线总长度为87.01 km,较1976年,共增长11.06 km,年均增长245.78 m。根据图3,1976—2021年南澳岛海岸线变迁强度均值为0.29%,呈现波动起伏状态。

从时间变化来看,南澳岛海岸线共出现三次大幅度增长。1986—1996年间,海岸线长度共增加4.01 km,变迁强度出现第一个峰值(0.52%);2001—2008年间,海岸线增速达到522.86 m/a,超过年均增长水平(245.78 m/a)的两倍,变迁强度到达最高点0.65%;2017—2021年,海岸线长度有部分增长,净增长1.69 km,变迁强度出现第三个峰值(0.50%)。

从空间上来看,1976—2021年间后宅镇海岸线长度增长最为剧烈,在2021年已达到46.86 km,平均年增长219.33 m,其变迁强度在三个镇中最大(图3),并且在2001—2008年间出现1.03%的超高值。云澳镇海岸线长度呈现先减后增的变化趋势,变化幅度较小,45年间仅增长0.53 km。1976—2021年云澳、深澳两镇的岸线变迁强度仅有0.07%和0.05%,且均曾出现负增长现象,其中云澳镇岸线变迁强度在2013—2017年间出现较大幅度下降(图3)。

3.1.2 海岸线形态变化

1976—2021年间,南澳岛海岸线的分形维数总体呈现逐年增加的趋势,均值为1.048(图4),分形维数共增加0.024。1976—2017年间,后宅镇海岸线分形维数呈持续增长趋势,共增长0.042;2017—2021年,分形维数有所降低。云澳镇海岸线分形维数在研究时段一直处于小幅波动状态,未发生明显变化,仅增长0.005。深澳镇海岸线分形维数则呈现先降低后升高的趋势,共增长0.010。

3.1.3 海岸线类型变化

分析了45年来南澳岛海岸线类型变化(图5～图7),总体来看,自然岸线(基岩岸线和砂质岸线)始终占主导地位,但不断衰退,占比从94.50%减少至60.35%,人工岸线(渔业岸线、港口码头岸线和建设岸线)则不断增长,由初始的5.50%(4.18 km)增长至39.65%(34.50 km),年平均转化长度为673.78 m。

图5 1976—2021年南澳岛不同类型海岸线时空演变

图6 1976—2021年南澳岛海岸线类型变化

图7 1976—2021年南澳岛各镇海岸线类型变化

由于港口码头大多建设在基岩海岸区域,1976—2021年期间,随着南澳岛港口码头岸线增长(净增长33.21%),基岩岸线不断衰退,净减少31.85%。建设岸线从2008年开始增长,截至2021年增长至1.75%。渔业岸线和砂质岸线总体呈衰退现象,但从2017年开始,砂质岸线略有增长。研究时期内南澳岛海岸线演变呈现总体不断增长、类型趋于多元的发展态势。

从各类型海岸线的镇区分布来看(图7),后宅镇海岸线演变最为剧烈,49.5%的自然岸线转变成人工岸线,深澳镇及云澳镇海岸线类型变化幅度较小。

图3 1976—2021年南澳岛海岸线变迁强度

图4 1976—2021年南澳岛海岸线分形维数时空变化

3.1.4 海岸线利用程度变化

1976—2021年南澳岛岸线利用程度综合指数(ICUD)结果表明(图8),45 年来南澳岛ICUD呈上升趋势,2021年ICUD值增长至233.01。其中,1986—1996年、2001—2008年及2013—2017年三个时间段的增长幅度较大。从各镇来看,后宅镇的岸线利用程度最大,2021年ICUD值达到277.15,超过南澳岛的整体变化程度,而云澳、深澳两镇的岸线利用程度则相对较低。

图8 1976—2021年南澳岛岸线利用程度综合指数变化

从表6来看,1976—1986年南澳岛海岸线整体结构为单一型,岸线的主体类型为基岩,1996—2021年期间,形成以基岩、港口码头和砂质岸线为主体的三元结构。后宅镇海岸线结构在1976—1986年期间为单一型,岸线主体类型为基岩,从1996年开始,港口码头岸线占比不断增加,岸线结构成为二元型。云澳镇海岸线在1976—2008年期间为二元结构,主体类型为基岩和砂质岸线,2013年后港口码头岸线大幅增加,形成三元结构。深澳镇海岸线结构在1976—2013年期间均为单一型,主体类型为基岩,2017年后,港口码头岸线和砂质岸线占比增加,形成三元结构。

表6 1976—2021年南澳岛岸线结构

3.1.5 海岸带面积变化

根据计算结果,1976—2021年期间南澳岛海岸带变化如图9所示。

从整体来看,南澳岛45年内海岸带面积呈现扩张趋势,增长速率先增后减。1986—1996年期间,南澳岛总体扩张面积达到1.54×106m2。2008—2013年期间,人工岸线不断增长,面积扩张速率再次大幅度提升。结合海岸线时空演变(图2和图5)可知,研究期间南澳岛海岸带面积向海扩张的主要原因是港口码头等人工岸线增加并向海推进。

从局部来看,由于后宅镇区域地质、海域水深等自然条件良好[26],同时靠近内陆地区,开发程度较大,大量港口码头在此选址,使得大部分基岩岸线转化为人工岸线,且岸线总体处于扩张状态,与南澳岛整体变化趋势较为接近。云澳镇和深澳镇多为砂质岸线,易受台风、波浪潮流等自然因素的影响,多为侵蚀状态。

3.2 驱动因素分析

海岛海岸线变迁是多种因素耦合和相互作用的结果,与自然因素和社会经济因素都有着密切关系。海岸线长度与影响因子之间灰色关联度值见表7。自然因素中台风(自然灾害)和年有效波高与海岸线长度的关联度均较大,社会因素中人口数量与海岸线长度的关联度最大。

表7 1976—2021年南澳岛海岸线长度与影响因子的关联度

3.2.1 自然因素

从灰色关联度值来看,台风(自然灾害)是影响南澳岛海岸线长度变化最主要的自然因素。台风过境后会在短时间内形成强降雨,向海洋输送大量泥沙,导致海岸线的形态及长度发生一定程度改变[27],特别是砂质岸线。2008年云澳镇和深澳镇的砂质岸线长度较2001年均有减少,分别从6.23 km和2.76 km减少至5.43 km和2.52 km,其中2001年、2006年均有台风侵袭南澳岛。波浪对岸线的冲刷与泥沙搬运,是一种长期累积作用[28],最终导致海岸线出现显著的侵蚀或淤积。这些自然因素的耦合作用使海岸线长度发生着不同程度的变化。

3.2.2 社会因素

灰色关联度分析显示,人口数量是驱动南澳岛海岸线变化的最主要社会因素。随着人口的增长,居民生产生活用地、沿海公共设施、旅游景观建设以及港口码头建设增多,岸线的开发利用程度不断提升,使得人工岸线不断增长,向海扩张速率大幅提升,进而造成海岸线形态的变迁[7]。

1986—1996年间,南澳岛先后建设了前江码头、鹿仔坑码头等大型港口码头,导致海岸线长度和面积剧烈增长,海岸线结构从单一型演化为三元结构。同样,2001—2008年间,前江码头的扩建以及数座新型深水大吨位港口码头的陆续建成[29],也导致了海岸线长度的剧烈变化和分形维数的增长。2017—2021年,随着“蓝色海湾”整治行动的开展,大规模的违规建筑物被拆除,恢复了部分砂质岸线,海岸线在长度和曲折程度上均发生变化[29-30]。

4 结论

本文通过提取南澳岛1976—2021年海岸线,分析了海岸线的时空演变特征,并运用灰色关联分析法,揭示了自然因素和社会经济因素对海岸线变化的影响,结论如下。

1)近45年来南澳岛整体海岸线变迁显著,主要经历三个阶段:1986—1996年间,海岸线长度净增长4.01 km,海岸带面积净增长1.54×106m2,岸线形态向“不规则”趋势变化,分形维数增长剧烈,从单一岸线结构演变成三元岸线结构;2001—2008年间,海岸线长度增速超过年均水平,长度变化最为剧烈;2017—2021年间,随着对南澳岛海湾的整治修复,砂质岸线占比呈增长趋势,自然岸线减少速率变缓。

2)在空间上,后宅镇海岸线长度增长剧烈,年均增长219.33 m,自然岸线向人工岸线的转化比率最高,其岸线利用程度综合指数大于其他两镇;云澳和深澳两镇海岸线类型大多为基岩岸线和砂质岸线,受波浪潮流等自然因素影响较大,海岸线长度先减后增,演变较为缓慢。

3)台风(自然灾害)及人口数量是南澳岛海岸线演变主要驱动因子,岸线变迁受到自然和社会经济的双重影响。