1995—2020年浙江省大陆岸线变化及驱动因素分析

査培培, 解雪峰,2, 蒋国俊, 张建珍, 游庆龙, 吴 涛,4

(1.浙江师范大学 地理与环境科学学院, 浙江 金华 321004;2.自然资源部 海岸带开发与保护重点实验室,江苏 南京 210023;3.复旦大学 大气科学研究院 大气与海洋科学系,上海 200433;4.浙江师范大学 省部共建非洲研究与中非合作协同创新中心,浙江 金华 321004)

0 引 言

海岸带处于海陆衔接并相互作用的地带,其生态系统具有复合性、边缘性和活跃性的特征[1-2].但近年来,海岸带生态环境所面临的形势愈发严峻,不仅自然因素降低了岸线的稳定性,岸线自身的变化速率也远超历史时期的演化过程[3].同时,填海造陆、围海养殖和建设港口等一系列人类开发活动导致岸线以远大于自然环境下的演化速率而发生变化[4-5].

国外对海岸线变迁的研究主要集中在海岸线变迁模型的研究、海岸线数据的监测、利用数学方法研究海岸线变迁的速率等方面[6].Edward[7]分析了近200年来牙买加Vere附近的海岸变迁,结果表明,海岸线具有明显向海推进的趋势,但速度逐渐减缓;Adrian等[8]对罗马尼亚Sulina湾地区150年来海岸线的演变进行监测,分析了人类活动对沿岸泥沙流的影响;Sui等[9]通过海岸线利用度指数法、海陆格局变化法和不同尺度的ICUD(international consultation on urological diseases)方法对印尼1990—2018年海岸线进行研究,揭示了海岸线的时空变化规律.

国内21世纪之后才开始有学者对海岸线时空变迁开展研究,主要是基于RS(遥感)和 GIS(地理信息系统)手段研究典型地区的海岸线变迁过程,总结其变化规律及预测发展趋势.董芳等[10]利用了RS和GIS技术对黄河三角洲的岸线变迁、发育演变等方面进行了研究,发现其陆地面积在不断地增加,但增加速度明显减慢;叶梦瑶等[11]分析了浙江省1990—2015年大陆岸线的时空变化特征,结果表明,浙江省大陆岸线变迁显著,变化强度和人工化指数均呈上升趋势;肖锐[12]选取长江口—杭州湾河口区为典型的研究区域,基于资源-过程-响应模型对海岸线变迁驱动力因素进行研究;牛明香等[13]运用GIS技术分析了黄河三角洲东营段面积的淤蚀变化、海岸线迁移特征及其时空变化规律.

目前国内外专家利用遥感影像对海岸线时空变迁的研究较多,但主要是利用各海岸线变迁模型对岸线变化特征进行探讨,各变迁模型之间没有明显的联系.另外对海岸线变迁的驱动因素研究相对较少,现有的研究多数都是从海岸线动态变化研究的基础上进行定性分析,且主要探讨人类活动的影响.因此,本文尝试通过赋予各定量分析指标合适的权重值,将海岸线定量化分析的各项评价指标综合起来,研究其变化规律.再从自然和社会经济2个方面选取合理的驱动因子,运用数学模型定量分析海岸带的变迁.

由于浙江省海岸线覆盖广,具有海岸曲折、滩涂广阔、港口众多及生物种类丰富等特点,所以近几十年来随着沿海经济的发展,其大陆岸线出现过度开发、资源短缺等现象.因此,以浙江省为研究对象,掌握其大陆岸线变迁特征及影响因素,采取合理有效的开发措施,对实现海岸带的科学化管理和可持续发展具有现实意义.

1 研究区域

浙江省地跨北纬27°02′～31°11′,东经118°01′～123°10′[14],地处亚热带季风气候区,年气温适中,降雨充沛,气候资源配置丰富[15].其大陆岸线位于全国海岸带中段,分布于6个地级市.本研究根据以上6个地级市的区(县)进行划分,将研究区细分为27个研究单元,又依据大陆岸线特征概括为6个岸段,如图1所示[16-19].

注： 基于自然资源部标准地图服务网审图号为浙S(2021)41号标准地图制作,底图边界无修改,下同

2 数据与方法

2.1 数据来源与预处理

从地理空间数据云中选取1995年、2005年、2015年和2020年4期遥感影像数据,为了使提取的海岸线更加精确、减少误差,尽量选取月份相近的数据,以及同一潮位的数据.在相关软件中对原始影像进行几何精校正和图像增强后人工目视提取大陆岸线.具体操作步骤如下：1)将研究区图层与1995年合成后的假彩色影像叠加,并结合单波段影像,目视解译获取1995年岸线;2)以1995年岸线为基准,叠加2005年影像,对比2期影像,修改岸线发生变化的部分,获取2005年岸线,以此类推获取2015年和2020年的岸线[20].

由于受到潮汐作用和风暴潮等影响,海岸线时刻处于变化之中.因此,遥感影像中的海岸线为瞬时水边线[21-22].所以本文借助往年地形图,分析当地潮汐规律,在目视解译过程中尽量保证提取的岸线最大接近平均高潮位线.但由于影像数据分辨率存在局限性,所以,本文根据浙江省《海岸线调查统计技术规范》及实地考察结果,对浙江省海岸线的分类结果如表1所示[23].

表1 岸线的类型及划定方法[22-24]

2.2 海岸线定量分析方法

2.2.1 海岸线变迁强度

为客观比较各个时期海岸线长度变化速率的时空差异,采用某一时段内海岸线长度的年平均变化百分比来表示海岸线的变迁强度[19],公式如下：

(1)

式(1)中：Iij表示某一研究区第i年至第j年岸线变迁强度;Li和Lj分别表示第i年和第j年的岸线长度.正值表示岸线增长;负值表示岸线缩短.绝对值越大表示岸线变迁越明显.

2.2.2 海岸线人工化指数

岸线人工化是指在人类活动的影响下导致自然岸线转变成人工岸线的过程[11].而人类活动对岸线的影响程度可以用人工化指数来表示,公式如下：

(2)

式(2)中：H表示人工化指数;N表示某区域人工岸线长度;L为该区域岸线总长度.

2.2.3 岸滩区域面积变化速率

为了体现海岸线变化的速率,采用某一时段内2条海岸线围成面积的年平均单位变化百分比来表示海岸线的变化速率[25],公式如下：

(3)

式(3)中：ν表示岸滩区域面积变化速率;Sij表示某一研究区第i年与第j年岸线围成的面积;Li表示第i年的岸线长度.

2.2.4 沿海区域开发利用强度

海岸带开发利用强度是以海岸线为基础向内作缓冲区,利用缓冲区内各土地利用类型的面积及其分级指数,定量表征不同土地类型对海岸带资源环境的影响程度[11],公式如下：

(4)

式(4)中：A为沿海区域开发利用强度;n为土地利用类型的种类;Si为研究区内第i种土地利用类型面积占比;Pi为第i级分级指数.A值越大,表明沿海区域开发利用的强度越大.

2.2.5 人类干扰程度综合指数

人类干扰程度综合指数包括海岸线定量化分析的各项评价指标,通过赋予每个指标不同的权重值(见表2),并对全部的权重值和指数相乘的结果进行累加.

表2 各项指标权重

由于指标性质不同,量纲不一致,先将人工化指数和开发利用强度转化成年平均变化数值,然后采用极差标准化方法进行标准化处理[26],公式如下：

(5)

最后将标准化的数值与各项权重相乘累加,公式如下：

(6)

式(6)中：Z为人类干扰程度综合指数;Fi和Wi分别为第i个指标指数及其所对应的权重.

2.3 灰色关联度模型

2.3.1 灰色关联度原理

灰色关联分析方法是以因素之间发展趋势的相似或相异程度(即“灰色关联度”)作为衡量因素间关联程度的一种方法[27],其计算过程大致分为4个步骤：

第1步：确定反映系统行为特征的参考数列和影响系统行为的比较数列.

设参考数列为Y={Y(k)|k=1,2,…,n};比较数列为Xi={Xi(k)|k=1,2,…,n},i=1,2,…,m.

第2步：变量的无量纲化.

k=1,2,…,n,i=0,1,2,…,m.

(7)

第3步：计算关联系数εi(k).

(8)

式(8)中,p为分辨系数,取值区间为(0,1),具体取值可视情况而定,通常情况下p=0.5[28].

第4步：计算关联度ri.

(9)

根据相关系数的大小,将关联度划分为5个等级,具体如表3所示.

2.3.2 驱动因素选取

海岸线变迁是由多种因素相互作用的结果[29-30].本文根据浙江省的地貌特征,从自然和社会经济2个角度出发,选取年降水量(mm)、年均温度(℃)、GDP(亿元)、年末人口总数(万人)、渔业生产总量(t)、渔业养殖面积(hm2)及居民用地面积(km2)[29-32]7个驱动因子.这些指标数据均来自各地级市历年统计年鉴.由于本研究时间跨度较大,而早期统计年鉴数据不完善,且研究期间浙江省行政区划有所调整,所以部分数据无法查阅,故本文选取数据较为完善的研究单元(15个)进行分析.

表3 关联度大小和关联强度的关系

3 讨论与分析

3.1 浙江省大陆岸线变化分析

3.1.1 大陆岸线长度变化分析

1995—2020年,浙江省大陆岸线逐渐向海域一侧推进,各类型岸线均发生了不同强度的变化,但总长度无明显变化.究其原因,是围海养殖、填海造陆等人类活动把原本弯曲的自然岸线变成平直的人工岸线,导致岸线变短;但后期的围垦活动在原本岸线基础上向海推进,或在距大陆较近的岛屿间修筑堤坝,导致岛屿连接形成半岛,使岸线增长[33].具体见图2.

图2 1995—2020年浙江省不同类型大陆岸线变化

由图2可知,各研究单元岸线长短不一,岸线最长的象山县与最短的鹿城区相差300多km.而且岸线类型的分布也存在差异,基岩岸线和基岩淤泥质岸线主要分布在三门湾、台州湾和乐清湾岸段,其中象山县和苍南县占比最大,且砂质岸线仅存在于这2个研究单元内.海塘岸线和土堤岸线分布于整个研究区,其中杭州湾岸段各研究单元主要由海塘岸线组成.总体来看存在自然岸线逐渐向人工岸线转变的趋势,但转化速度逐渐变缓.

3.1.2 大陆岸线变迁强度分析

为了更加直观地对比不同时段大陆岸线长度变迁的时空差异,由式(1)计算得出研究地区27个研究单元的岸线变迁强度,具体见表4.

25年间浙江省大陆岸线整体变迁强度为0.01%,且各时段变迁强度均不明显.从空间上看,1995—2020年,柯桥区和上虞区的大陆岸线长度呈负增长,镇海区、路桥区和龙港市呈正增长,变迁强度绝对值均高达2.00%以上.其中路桥区和龙港市主要是在2005—2015年发生变化,对比2期影像发现,其变化原因均是由大规模修筑堤坝港口、将周围岛屿连接形成半岛所致.从时间上看,部分研究单元虽整体变迁强度不大,但期间大陆岸线长度却发生明显变化,如：余姚市整体变迁强度只有0.13%,但各时段的变迁强度分别达3.63%,1.37%和-6.68%.

3.1.3 大陆岸线人工化指数分析

岸线变迁强度只能体现岸线长度的变化情况,不能看出人工岸线和自然岸线之间的变换特征.因此,引入人工化指数,分析浙江省大陆岸线类型受人类活动的变化情况,具体见表5.

1995—2020年,浙江省大陆岸线总体人工化指数由0.57增长到0.69,这说明在人类活动的影响下,部分自然岸线逐渐转变为人工岸线,但增长趋势逐渐缓慢.尤其是2015—2020年,人工化指数总体无增长,这主要与2018年《国务院关于加强滨海湿地保护严格管控围填海的通知》等关于海岸带区域的政策有关,其中部分研究单元人工岸线的增长可能是由2018年政策实施之前已完工的围海养殖等人类活动所导致[34].

表4 1995—2020年浙江省大陆岸线变迁强度 单位：%

绝大多数研究单元的自然岸线与人工岸线都是此消彼长的关系,但由于沿海地区围填海方式及程度不同,各研究单元人工岸线增长幅度不一致.其中上升幅度最大的为平阳县,且在2005—2020年2个时段上升幅度均居首位, 这表明平阳县影响岸线变迁的人类活动最为剧烈.另外,2005—2015年,路桥区人工化指数出现明显下降,通过对比影像发现,沿海区域开发将周边岛屿连接形成半岛,在人工岸线增长的同时增加大量自然岸线,使其总体人工化指标有所下降.

3.1.4 岸滩区域面积变化速率分析

岸线变化不仅体现在长度和类型上,也体现在岸线变迁所引起的海岸陆地的变化上.

由于大陆岸线属于非闭合的矢量数据,所以利用ArcMap 10.2将每个时段的2条大陆岸线相互结合所围成的部分转化为面要素(见图3),计算出各研究单元面要素的面积,见图4.

表5 1995—2020年浙江省大陆岸线人工化指数

从图4可看出,慈溪市岸滩面积变化最大,达271.75 km2,占整个浙江省岸滩面积的21.63%.另外3个时间段的岸滩面积之和大于1995—2020年岸滩面积.这说明在自然环境和人类活动干扰下,浙江省大陆岸线在不断向海扩张的同时也发生了部分侵蚀和退缩现象.

根据岸滩面积结合大陆岸线长度,得到各研究单元各时段的大陆岸线岸滩区域面积变化速率.由图5知,1995—2020年岸滩区域面积变化速率最大的是慈溪市,为14.55%;其次是余姚市、上虞区和龙湾区,分别为11.99%,9.56%和9.24%.2005—2015年是各研究单元岸滩区域面积年平均变化速率最快的时间段,其中余姚市高达20.13%.而2015—2020年是岸滩区域面积变化最慢的时间段,各研究单元变化速率均不明显,最高为余姚市,仅有4.75%.

图3 1995—2020年浙江省岸滩区域面积变化空间分布

图4 1995—2020年浙江省岸滩区域面积变化

图5 1995—2020年浙江省岸滩区域面积变化速率

3.1.5 沿海区域开发利用强度分析

以各时期大陆岸线为基础分别向陆一侧做缓冲区,缓冲距离设为5 km,裁剪得到各时期沿海区域的土地利用数据.按照土地利用类型将土地利用程度分为4级并赋值[35],具体见表6.

计算出各研究单元缓冲区内各土地利用类型的面积占比,结合分级指数得到开发利用强度.

表6 土地类型及利用程度分级赋值表

25年间浙江省沿海区域整体开发利用强度增长不明显,由2.76增长至2.84.其中大多数研究单元的沿海区域开发利用强度呈持续增长趋势,这主要是由于岸区内的围海养殖和各类工业发展使其农业用地和城镇用地面积不断提高.同时,由于围填海的影响,沿海区域位置随岸线推进变化剧烈,导致其开发利用强度变化不稳定,部分研究单元甚至呈现持续下降趋势.具体见图6.

图6 1995—2020年浙江省沿海区域开发利用强度

3.1.6 人类干扰程度综合指数

将所有的评价结果通过ArcGIS的自然间断法对人类干扰程度的等级进行划分,得到5个不同的等级,具体的结果如图7所示[23].

图7中,从左到右分别是浙江省3个时段的人类干扰程度空间分布图.从整体上来看,浙江省人类干扰程度呈先加剧后缓和的趋势.3个时段的重度和极度总占比分别为25.9%,33.3%和22.2%,且均主要集中分布在杭州湾南岸,少数散落分布在瓯江口—沙埕港岸段.1995—2005年和2015—2020年,浙江省人类干扰程度主要均以轻、微度为主,占比均达60%以上,且主要集中分布在象山湾、三门湾、台州湾和乐清湾岸段.2005—2015年,人类干扰程度加剧明显,主要以中、极度为主,二者总占比在上一时段的基础上增加87.5%,其中中度分布零散,各岸段均有.从各研究单元来看,上虞区、余姚市、慈溪市和镇海区25年间人类干扰程度保持着重度和极度的水平,对比其大陆岸线变化情况,发现主要是由岸线长度变迁引起岸滩区域面积变化速率呈现较高水平所导致.

图7 1995—2020年浙江省人类干扰程度空间分布

3.2 浙江省大陆岸线变迁驱动因素分析

以大陆岸线长度为因变量Y,各驱动因素为自变量,分别计算出各个研究单元的关联度(见表7).

从平均值来看,按7个指标与岸线长度的关联度由大到小排序为年末人口总数、年平均温度、年降水量、渔业养殖面积、渔业生产总量、居民用地面积和GDP.

从各研究单元来看,两大自然因素与大陆岸线长度变化关系强烈,各研究单元关联度均高达0.90以上.主要由于温度升高导致海平面上升,而降水量的不断增加导致大量淤泥河沙流入海岸带周围,最终引起大陆岸线的变化.另外,GDP对大陆岸线变化的影响不明显,年末人口总数、渔业生产总量和养殖面积对大陆岸线变化的影响尤为明显.其中人口总数的灰色关联度最大,各研究单元均高达0.94以上.随着人口的增加,为了满足居民日渐增强的需求,沿海区域通过围海养殖和修筑堤坝扩大渔业养殖面积,从而增加渔业生产总量,同时伴随着运输道路修建和养殖区开发等人类活动,最终导致大陆岸线逐渐扩张,岸线长度增加.

平湖市、海宁市和慈溪市的居民用地面积与大陆岸线变化的灰色关联度较大,分别为0.96,0.96和0.97.1995—2020年,3个区(县)的居民用地面积分别从81.85,143.32和162.53 km2增长至174.82,272.36和353.68 km2.这意味着随着住房、交通等需求的增长,沿海区域通过填海造陆增加居民用地面积,大陆岸线向海域不断扩张,但同时岸线化曲为直,最终导致大陆岸线长度小幅度增加.

表7 大陆岸线长度与驱动因素的关联度

4 结论与展望

本文在RS和GIS技术的支持下,对浙江省大陆岸线的时空变化特征进行了定量分析.并通过灰色关联度模型探讨影响大陆岸线变化的驱动因子,试图找到自然生态过程中人为干扰和大陆岸线变化之间的关系.主要得到以下结论：

1)1995—2020年,浙江省大陆岸线变迁强度和人工化指数总体均呈增长趋势,同时大多数研究单元的沿海区域开发利用强度逐渐加强,其中2005—2015年是岸滩区域面积变化速率最快的时段.

2)1995—2020年,浙江省大陆岸线人类干扰程度先加剧后减缓,1995—2005年和2015—2020年主要以轻、微度为主;2005—2015年人类干扰程度加剧,主要以中、极度为主.

3)关联度均值由大到小排序为年末人口总数、年平均温度、年降水量、渔业养殖面积、渔业生产总量、居民用地面积和GDP.

根据对浙江省大陆岸线的研究结果,围绕 “十四五”规划,深入推进建设海洋强省,着力发展海洋经济、海洋创新、海洋港口、海洋开发和海洋生态文明等领域,全方位形成参与国际海洋竞争与合作的新优势,逐渐将浙江省海岸带打造成生态环境优美、功能布局有序、特色风貌突出、经济蓬勃发展的宜居宜业的现代化滨海地区.