近40年来乳山湾海岸地貌演变

近40年来乳山湾海岸地貌演变

岸带是海陆之间的过渡地带。由于世界气候变化和人类活动频繁频繁的影响，许多河口岸地区突破了现有的自然状态，出现了一些变异、单调和反复变化。最近40年来,中国经济尤其是东部沿海地区经济发展迅速,沿海地区集中了全国约70%的大城市,人口密度大,人类活动强烈。因此,海岸地貌过程演变,尤其是人类活动对海岸地貌的影响,为国内外学者高度重视并予以研究。例如,最近几十年来河流入海径流以及输沙量的演变趋势及其对海湾地貌演变的影响,河流水利工程、海岸滩涂围垦等人类活动对河口海岸系统的影响。但是,目前学者主要关注长江、黄河等大河河口及其三角洲海岸,对规模较小的山地海岸及河流河口、三角洲研究甚少。胶东半岛是我国最大的半岛,全新世海平面上升后,海水沿河谷深入胶东半岛南部,形成了许多以往复潮流为特征的狭长溺谷河口海湾,其中以乳山湾最为典型。经过数千年特别是最近数百年的淤积充填,这些海湾均已经演变为大型的潮汐汊道系统,其地貌构成为狭窄的中央潮流深槽、宽阔的潮间滩涂及联系其间的潮沟系统。在最近40年中,人类活动对海湾沿岸海积平原、潮间滩涂和近岸水域的围垦、改造十分强烈,越来越成为影响海岸地貌演化的重要因素。本文以乳山湾为例,利用野外调查、遥感地貌解译、地理信息系统和基于海图数字化的DEM叠加等方法,研究其最近40年来的海岸地貌演变,探讨人类活动特别是大面积滩涂养殖对海湾地貌冲淤状态的影响。1乳山湾湾表现为乳山湾位于胶东半岛南岸,湾口朝南,口窄腹阔,口门宽0.8km,岸线长68km,海湾面积48.69km2(图1)。水深平均3m左右,最大水深约17m,位于湾口处,最大纳潮量6.8×107m3。乳山湾分为东西两汊,东汊两岸发育有较宽的砂泥质潮滩,但由于泥沙来源不足,纳潮量较大,水道内淤积较轻;西汊有乳山河注入,海湾实际上为河谷下游淹没而成。乳山河全长64km,流域面积954.3km2,泥沙较丰富。受其影响,海湾西汊淤积严重,滩宽水浅。两汊汇合处至口门为湾口段,两岸丘陵临海,岸滩狭窄,中央发育潮汐汊道(潮流深槽)。口门外水浅滩宽,有落潮三角洲,其顶部的拦门沙长1km,水深约3m。沿岸陆地地貌类型主要为海积平原和剥蚀山地,最近数十年来水土流失严重,大量泥沙随河流进入海湾。湾内局部发育有海蚀崖、海蚀平台,有些已经被海积物埋藏。潮滩广泛发育,潮滩物质以细砂和粉砂为主,坡度1/500左右。该地区潮汐类型属于正规半日潮,一个太阴日内有2次高潮、2次低潮,且2次高(低)潮的潮高近于一致。潮流运动形式基本上为往复流,余流较小,一般不超过10cm/s。乳山湾的潮流流向与实测海流一致,涨潮流向,口门外为NW偏N向,湾内为NNE到NE向;落潮流向则相反。乳山湾发展海水养殖业具有得天独厚的自然条件,且发展历史悠久。早在新石器时代就有居民以鱼贝为生。从20世纪70年代末期开始,乳山湾沿岸的滩涂养殖迅速发展。1979年冬,乳山湾万亩养虾池基地建成,1980年养虾池面积达到11776亩。进入90年代,实施“海上乳山”战略,养殖业特别是浅海增养业发展迅猛。乳山湾东汊潮滩可养殖面积2.05万亩,西汊潮滩可养殖面积0.7万亩。2数据和方法2.1数据和预处理2.1.1国内形貌:主要分为72.5万、7.5万和7.5万t所用数据源包括地形图、海图、遥感影像和野外实际调查资料。其中,地图包括1969年测1∶5万地形图4幅,1981年测1∶2.5万地形图1幅,1982年测1∶2.5万地形图3幅,1979年测1∶3万海图1幅,1997年测1∶3万海图1幅;遥感影像包括1978年的MSS影像1幅,1989年、1999年TM影像各1幅,ETM+数据2000年2幅、2001年3幅、2009年1幅。2.1.2次多项式校正数据的预处理包括地形图、海图的校正和遥感影像的预处理。其中,地形图、海图校正包含数字化、投影设置以及几何校正。首先遴选海图、地形图进行扫描数字化,得到RGB格式图像;然后设置椭球体、基准面和投影系统;最后对图进行校正,根据经纬度选择控制点,一般选择25～30个点,用二次多项式进行校正,误差控制会比较好。遥感影像的预处理包含几何校正和影像融合。几何校正过程中采用二次多项式模型,选取容易识别的地物标志(道路交叉点、固定建筑边界、水库堤坝等)作为地面控制点(GCP),每幅图像上的GCP均大于28个,并尽可能使其均匀分布。另外,在综合分析波段的相关系数、信息量及组合后的优化指数(OIF)的基础上,对遥感影像选用7、5、3波段进行假彩色合成,并用HIS(Intensity-Hue-Saturation)变换法实现不同传感器的遥感影像的融合,融合影像的多光谱信息和纹理信息较之前都有很大的提高。2.2海岸信息的提取和处理2.2.1最低低潮位岸线岸线的提取包括大潮高潮线和最低低潮线的提取。大潮高潮线即海岸线,是潮滩与陆地的分界线,随着养殖池的大面积兴建,潮滩已逐渐被养殖池代替,岸线随养殖池前缘逐渐向海移动;最低低潮线,即海图上的0m等深线,也称水边线,它代表最低潮位时潮滩、水面界线,其移动从一定程度上反映海湾的冲淤变化状况。岸线提取时,选择1969、1978、1989、1997和2009年等各年份潮位最低的遥感影像或地形图、海图。预处理后,目视解译提取影像上潮滩与陆地的分界、水面与潮滩分界(水边线),最后将岸线信息在ArcGis中进行叠加分析。2.2.2水边线校正方法在最低低潮线即水边线的提取过程中采用多种数据源,其中地形图、海图的水边线采用最低低潮线,而遥感影像的水边线取决于成像时的潮位,即使在影像选择时已尽量选择最低潮位,仍达不到理论上的最低低潮位。因此,需要对遥感影像的水边线进行校正,这对于准确解译潮滩与水面的边界也有重要意义。水边线校正采用坡度特征逐级校正的方法。首先,假设(1)研究区潮滩总体坡度特征是稳定的,忽略潮滩地貌特征在数据获取时段内的变化。本文采用的遥感影像为2000年5月4日到2001年10月14日,假定这期间的地貌变化是可以忽略的(表1);(2)影像获取时刻湾内各处的潮位相等;(3)每两条水边线之间的坡度是均匀变化的。然后,将所有影像水边线提取、叠加,建立潮滩地形模型,在每两条相邻水边线上选择特征点计算坡度特征。最后,根据此坡度将潮位较高的待校正水边线外推,并以外推后得到的水边线作为该时刻的最低低潮线。2.3海岸形态的解释2.3.1人类活动对乳山湾海岸地貌的影响海湾地貌解译主要包括1969、1978、1989、1999和2009年5期。由于本文重点揭示人类活动对乳山湾海岸地貌演变的影响,根据研究需要将地貌类型分为剥蚀山地、海积平原、潮滩、水下岸坡、沼泽等海湾自然地貌以及养殖池、盐田等人工地貌类型。为了提高解译精度,在多次到乳山湾进行野外地貌调查的基础上,结合遥感影像彩色合成以及地形图确立了最终的解译标志(表2)。2.3.2解译结果及分析采用人工目视解译法对遥感图像进行海岸地貌信息提取,并用ArcGis储存海岸地貌信息,并到野外进行实地验证和修正。解译结果利用ArcMap软件进行海湾地貌制图、数据统计与分析处理,建立不同时期海湾地貌类型转移矩阵。另外,在进行地貌类型面积统计时,对剥蚀山地等在最近40年时间尺度上变化不明显的地貌类型不予统计,只统计海湾地貌和人工地貌。2.4冲淤量化图的生成将不同时期的海图叠加,分析海湾地貌冲淤演化。首先,将1979年和1997年海图数字化,进行不同坐标系、比例尺海图之间的转换与统一,确定研究范围并提取、裁出。其次,从不同时期海图上提取研究范围内的海岸线、等深线和全部离散等深点。然后,将以上空间地理数据在ArcGis中采用Kriging插值,生成不同时期的不规则三角形网(TIN)、数字地形模型(DEM)。最后,在ENVI中利用Bandmath波段运算分别对不同时期的DEM模型进行空间分析和叠加分析,计算侵蚀、淤积量及冲淤速率,得到冲淤量化图;根据其冲淤变化速率将其分为9个等级,并最终在Matlab中统计冲淤面积及体积。2.5潮落潮不对称比率据乳山湾1969、1979年的地形图,用Matlab计算海湾低潮平均水深(x);根据地貌解译结果,计算海湾不同时期的低、高潮面积比(λ),即水面/(潮滩+水面)面积的比值;然后,按Dronkers的方法计算涨(落)潮不对称比率(γ)即Dronkers潮汐不对称比率,揭示各海湾涨(落)潮流不对称状态和地貌冲淤状态及其演变趋势。根据Dronkers提出的涨(落)潮不对称比率(γ)的计算公式:γ=(h+ah-a)2SlwShw(式2-1)h=a+vlwSlw(式2-2)其中,h为海湾平均水深,v为低潮时海水体积,a是潮幅(半潮差),Slw是低潮时海湾面积,Shw为高潮时海湾面积。将式(2-2)代入式(2-1)化简得到:γ=(1+Δhx)2(1-λ)(式2-3)其中,Δh为海湾湾口处潮差,统一取值为乳山口海洋站最大潮差观测值;x为低潮时海湾平均水深;λ为海湾滩涂/(滩涂+水面)的比值;γ为涨(落)潮不对称比率。当γ>1时,海湾处于涨潮不对称状态;反之,当γ<1时,海湾处于落潮不对称状态。最后,通过分析潮汐不对称比率的变化,来研究20世纪80年代以前,即大面积滩涂围垦养殖以前的海湾地貌冲淤变化状态。3结果3.1海岸土地开发3.1.1自然状态的热辐合最近40年来,大潮高潮线变化的总趋势是,随着潮滩的开发不断向海移动,在许多岸段人工修建的盐田、养殖池前缘成为新的海岸线。在1978年到1989年之间,由于人类活动对潮滩的大面积开发,导致岸线尤其是大面积潮滩分布的区域岸线向海推进十分明显,并且随着养殖池等的不断修建,岸线逐渐呈现规则的锯齿状,即养殖池的轮廓(图2)。最近40年来最低低潮线的变化趋势,在自然状态下水边线向海推进显著(图3)。而1978年人类活动参与以后,水边线的推进程度明显变小。由此可推断,自然状态下海湾淤积显著,人类活动参与后,淤积程度减缓。随着低高潮线位置的移动,低高潮之间的潮间带面积比也随之改变。最近40年来,乳山湾低高潮面积比呈现先降低—后迅速增高—保持稳定的变化趋势(表3)。其中,从1969年到1978年,呈显著的减小趋势。这表明在人类大面积滩涂围垦以前,自然状态下的海湾处于快速淤积状态。从1978年到1989年,在大面积的潮滩被围垦开发后,比值又逐渐增加并恢复到1969年水平。自1989年以后,由于湾内滩涂围垦面积变化缓慢,低高潮面积一直保持在0.35左右浮动,比值趋于稳定。3.1.2潮滩、潮滩面积变化最近40年来,乳山湾不同类型地貌的面积均有变化,最显著的是潮滩和养殖池,养殖池大量增加,潮滩大量减小(图4a)。1969年自然状态下,养殖池尚未出现,潮滩面积为57.8km2。到1978年,水下岸坡面积减小,潮滩面积略有增加,海积平原面积增加,并且水下岸坡减小面积与潮滩、海积平原增加面积相当,表明这10年自然状态下,海湾淤积,水下岸坡转化为潮滩,潮滩转化为海积平原。到1989年,人类活动大面积开发潮滩,影响强烈,潮滩面积急速减小为33.21km2,年均减少1.2km2,养殖池迅速增加到30.71km2,年均增加2.7km2。这一时期海湾地貌面积变化最显著。到2009年,地貌面积变化开始减缓。这主要由于潮滩基本被开发殆尽,人类活动减弱所导致的,此时养殖池面积增加到最大达38.81km2,而潮滩面积减少到最小,为27.74km2。3.1.3湾主要地貌转化期1978-2002年最近40年来,乳山湾主要地貌转化表现为潮滩、水下岸坡以及海积平原向养殖池的转化(表4)。从1969年到2009年,潮滩有31.3km2净转化为养殖池,水下岸坡有2.73km2净转化为养殖池,海积平原有0.98km2净转化为养殖池。此外,水下岸坡有9.41km2净转化为潮滩,海湾处于淤积状态。从1969年到1978年,乳山湾主要地貌转化表现为潮滩向海积平原的转入、水下岸坡向潮滩的转入(表5)。其中,水下岸坡有11.49km2净转化为潮滩,而潮滩有6.97km2净转化为海积平原。这一时期,乳山湾处于自然未开发状态,水下岸坡、潮滩和海积平原之间物质交换频繁,且水下岸坡面积减小,海湾淤积。从1978年到1989年,主要地貌转化为潮滩和海积平原向养殖池的转入,养殖池总转入量为28.21km2。其中潮滩向养殖池净转入20.35km2,占72.14%.海积平原向养殖池转入3.24km2,占11.49%。沼泽也集中在这一时期转入,占到总转化量的10.9%。这些转化都是由于人类活动对潮间滩涂的围垦开发,尤其是养殖池的大量兴建导致的,并且人类活动在此期间开发强度最大,对地貌的改变也最显著。从1989年到2009年,地貌转化仍发生在潮滩与养殖池、海积平原与养殖池之间,但转化程度减缓,变化不显著。其中,1978年到1989年养殖池的增长速率为2.94km2/a,而1989年到2009年增长速率急剧减少,为0.41km2/a。主要原因是1989年以后适宜围垦的大面积潮滩基本已被开发殆尽,人类活动强度显著降低。3.1.4养殖池的出现1969年,乳山湾各地貌类型呈圈层分布,总体以水下岸坡为中心向陆依次为潮滩、海积平原、剥蚀山地,水下岸坡与潮滩、潮滩与海积平原在空间上彼此相邻。而海岸地貌的演变趋势是水下岸坡不断转化为潮滩,滩涂转化为海积平原。到1978年,人类活动对海湾进行少量开发,盐田、养殖池零星分布,但圈层结构变化不显著。进入80年代后,海湾地貌空间结构发生了显著变化,原来在空间上相邻、有密切转化关系的海积平原与潮滩、水下岸坡与潮滩之间,出现了大面积成带状分布的养殖池,这主要是由强烈的人类活动开发所导致的。显然,呈带状分布的养殖池,在很大程度上割断了海积平原与潮滩、潮滩与水下岸坡之间的动力、沉积联系,必然影响到自然的地貌转化过程。一方面,养殖池的出现阻断了潮滩向平原的转换,但是又使得岸线向海推进。另一方面,养殖池的出现使得海湾的纳潮量发生变化,这必然影响到潮汐汊道的冲淤变化。自1969年以来,潮汐汊道由原来宽阔的单一宽水道,逐渐分支分汊,变细变长,发育为复杂的潮汐汊道系统(图4a-e)。到2009年,水道面已经很狭窄,低潮时很多汊道都已经萎缩消失。3.1.5潮间浅变期29—落潮三角洲演变乳山湾自乳山口到口门段的潮汐汊道,为水深且急的潮流深槽,但落潮流流出口门进入宽阔海域后,流速发生骤减。因此,在口门外堆积大量沉积物,形成了落潮三角洲(如图1中图3所示位置),其最浅处已至水深0m以上,在低潮时可大片露出成为潮间浅滩。最近40年来,落潮三角洲发生了明显的变化(图5),总的趋势是:从1969年到1978年落潮三角洲面积显著增加,而1978年到1982年面积大幅度减小,直至1989年潮间浅滩全部消失,1989年到1999年潮间浅滩再次出现并且面积不断增大,1999年到2009年面积继续增加但变化不显著。1969年乳山湾内处在未开发阶段,海湾自然淤积速度较快,河流输沙量大,此时养殖池面积较小且分布零散,平原与潮滩、潮滩与水下岸坡间物质交换顺畅,因此大量泥沙随潮流流出湾外,流速降低堆积在口门外。至1978年口门外潮间浅滩低潮时出露水面且面积较大。80年代初乳山湾被大量开发,水利及养殖池的大量兴建,养殖池、水库等形成“隔离带”阻断了相邻地貌圈层之间的物质交换,拦截了大量泥沙,入海泥沙大量减少,且除洪水季节外河流几乎没有流量,随潮流流出口门堆积的泥沙量减少,因此1978年到1982年间口门外潮间浅滩面积迅速减小,直到1989年全部消失。此后,由于河流来沙量的减少,乳山湾泥沙补给平衡发生变化,河流输沙不再是乳山湾泥沙的主要来源。而波浪搅动海底在破碎带会产生一定量的泥沙,这些泥沙在潮流作用下发生运移,成为后期乳山湾泥沙来源的一个重要方面。另外,乳山湾海岸为基岩海岸,长年在浪和流的作用下,海岸遭受侵蚀,产生一些泥沙向湾内运移,构成海湾的另一物质来源,但其数量不大。因此,1989年以后潮间浅滩逐渐显露主要来源于乳山湾海底泥沙向湾内的输移,在口门外发生堆积,且乳山湾外包含大量粉细沙物质,是乳山湾口门附近沿岸输沙的主要沙源。3.2海湾的冲洪状况是发展的3.2.1涨落潮不对称比率根据海洋站的实地观测资料,乳山湾湾口的最大潮差(Δh)为4.31m(王文海,1993)。而经计算,低潮时水深x1969年为1.73m,1978年为3m。由此,将Δh和表3中λ的数值代入式(2-3),得到1969年、1978年时乳山湾的涨(落)潮不对称比率(γ)分别为4.02、1.43。按照Dronkers的划分标准,乳山湾在人类活动参与以前,即1969到1978年的涨落潮不对称比率均大于1,但不对称比率从1969年的4.02显著下降至1978年的1.43。这表明,人类活动参与之前,自然状态下的乳山湾明显受涨潮不对称控制,海湾净淤积且淤积速率较快,但涨潮不对称程度在减弱,海湾净淤积速率减缓。3.2.2冲淤分布及冲淤量分析海图叠加得到1979——1997年乳山湾平均冲淤速率分布图,并根据其冲淤速率大小分为9个等级(图6)。结果显示,口门处侵蚀最为严重,局部侵蚀速率超过20cm/a;而在口门外西南岸则出现明显的淤积,且淤积速率最大超过40cm/a;东汊淤积明显,速度大致为1～10cm/a,但淤积主要发生在潮汐汊道内,潮滩基本没有变化;在东汊汊道北侧,也有一狭长带状区域呈侵蚀状态,一直延伸到乳山口。西汊大部分地区则没有明显的冲淤变化,但在西汊汊道所在位置,有小面积零星的淤积区域。显然,乳山湾地貌冲淤的规律分布与潮流的特性密切相关。在乳山湾内涨潮流为NNE、NE向,沿东汊汊道上行,在科氏力作用下向右偏移,因此,涨潮流携带泥沙主要堆积在东汊汊道南侧,发生淤积;而落潮流为SW向,在科氏力作用下,潮流会带走汊道偏北侧的大量泥沙,使北侧发生侵蚀。在湾外,口门处峡道效应明显,落潮流流速较大,冲刷强烈,侵蚀严重。当落潮流流出湾口,呈放射状入海。其中,S偏W向落潮流由于科氏力的作用向右偏,将大量泥沙堆积在口门正前方,淤积形成落潮三角洲;SE向落潮流在科氏力作用下,在落潮三角洲东侧发生淤积。而涨潮流在科氏力作用下的偏移方向与落潮流正好相反,涨潮时,NW、NE向涨潮流均会向左偏移,携带泥沙入湾,与落潮流交叉分布。因此,乳山湾口门外冲淤放射状交替分布。另外,利用matlab对叠加结果进行运算,得到各等级冲淤面积及体积变化量(表7)。结果显示,总的淤积面积为6466404m2,但总的侵蚀面积为1988468m2,只占淤积总面积的1/3倍。而体积淤积量更是达到侵蚀量的8倍。显然,乳山湾不仅淤积面积大,淤积体积更大。这表明,人类活动参与后乳山湾海底呈现明显的淤积状态。4潮滩、潮滩转化为海积沉积为一种突发事件,形成了单一的生长格局,并向养殖池的方向配置注意1969年,乳山湾还处在未开发阶段。自然状态下乳山湾地貌以水下岸坡为中心呈圈层结构分布,水下岸坡、潮滩和海积平原之间物质交换频繁。这一时期,乳山湾涨(落)潮不对称比率(γ)为4.02,受涨潮不对称控制,不对称程度显著,海湾发生净淤积,且淤积速率较快,低潮面/(低潮面+潮滩)比值为0.33。1969—1978年,人类活动对乳山湾开发很少,海湾仍处于自然状态。地貌圈层结构仍可保持,地貌转化趋势为水下岸坡转化为潮滩、潮滩转化为海积平原,10年的自然淤积导致低潮面/(低潮面+潮滩)比值急剧减小为0.24。而1978年,涨落潮不对称比率(γ)急剧减小为1.43,虽然仍受涨潮不对称控制,但不对称程度已显著降低,海湾淤积减缓。这一时期,海湾已逐步演变为大型的潮汐汊道系统,其地貌构成为狭窄的中央潮流深槽、宽阔的潮间滩涂以及联系其间的潮沟系统。70年代末、80年代初,人类活动开始大量参与到海湾开发中,大面积养殖池的兴建导致潮滩被大量开发,岸线不断向海推进,海湾纳潮量减小。而且,养殖池的出现打破了原来海湾的沉积模式,阻碍了内部的物质交换,导致低潮面/(低潮面+潮滩)比值迅速增大为0.35,恢复到1969年时的比值。海图叠加结果显示,人类活动参与以后,乳山湾内呈现明显的淤积状态。显然,1989年乳山湾涨(落)不对称比率γ仍然大于1,海湾受涨潮不对称控制