近50年来刁口废弃亚三角洲海岸线变迁速率分析_任宗海.pdf

8 海洋科学/2022 年/第 46 卷/第 12 期 近 50 年来刁口废弃亚三角洲海岸线变迁速率分析 任宗海,战 超,余建奎,耿文倩,曹 印,王 庆(鲁东大学 海岸研究所,山东 烟台 264025)摘要:刁口亚三角洲自废弃以来海岸地貌发生了巨大变化,监测海岸线的变化对于保护和开发海岸带具有重要意义。本文以 19762021 年间典型年份的 Landsat 遥感影像和 Google Earth 高分辨率影像为数据源,通过 RS、GIS 技术对刁口废弃亚三角洲地区的岸线进行提取,最后用数字岸线分析系统对19762021 年间的海岸线变迁进行定量分析。结果显示:19762021 年间海岸线以均值23.24 m/a 的速率向陆蚀退,侵蚀程度逐年减弱,且海岸线时空变化特征显著。就侵蚀程度而言,刁口河口及东侧烂泥湾地区侵蚀强度最大(165.49 m/a),挑河口刁口河口岸段次之(127.61 m/a),东北侧防海大堤岸段最小(80.66 m/a)。19761986 年研究区岸段处于快速侵蚀状态,蚀退面积达 102.7 km2;19862006 年处于持续侵蚀后退状态,蚀退面积约为 88.79 km2;20062016 年基本达到冲淤平衡状态,2016 年面积和 2006 年相差不大;自 2016 年呈现缓慢蚀退状态,年均蚀退速率为仅 2.51 km2。岸线长度总体上表现为减少趋势,但在 1996 年成为最低点后有所增加。刁口废弃亚三角洲海岸线变化主要受入海水沙、人类活动和海洋动力作用侵蚀的影响。关键词:刁口废弃亚三角洲;Landsat;海岸线;数字岸线分析系统;修正归一化水体指数 中图分类号:P737.12 文献标识码:A 文章编号:1000-3096(2022)12-0008-12 DOI:10.11759/hykx20220327001 全球约 70%的人口生活在海岸带地区1,这些是沿海地区经济活动最频繁、最活跃的地区。三角洲地处海洋与陆地相互作用的区域,是一个复杂的自然综合体2。黄河三角洲最近数十年来地貌不断演化,海岸线变化迅速且复杂。黄河口每次迁移都会形成新的河口及亚三角洲,废弃河口及亚三角洲则受到海洋侵蚀作用强烈后退3。黄河三角洲刁口流路于1964 年 1 月在罗家屋子破冰改道北上形成,河口在黄河水沙以及异重流和切变峰的作用下迅速向海淤积形成刁口亚三角洲叶瓣4-8,且在大量入海泥沙堆积的背景下发育有典型的淤泥质海岸和宽广平坦的潮间滩涂。刁口亚三角洲由于 1976 年黄河改道清水沟流路后失去水沙来源,海洋动力侵蚀作用远大于河流造陆作用,陆上和水下三角洲遭受强烈侵蚀9。三角洲建造本是河流泥沙输入、搬运和堆积的结果,河流入海泥沙的变化必然会深刻影响废弃三角洲的地貌演变。2011 年水利部将刁口河道作为黄河清水沟河道建成后的备用河道。在保证黄河下游防洪安全的前提下,根据一定的条件从刁口河道进行生态引水,防止刁口河口岸线的侵蚀10。研究废弃亚三角洲地区的岸线演变可进一步掌握三角洲废弃后海岸线的变化特征及规律,对保护现有岸线、重启刁口备用流路以及海岸带的开发利用等方面具有重要的理论及现实意义。受自然因素以及人类活动的影响,海岸线变迁一直以来都是人们研究的热点11-15。近几十年来,许多学者针对黄河三角洲地区海岸线变化方面做过不少研究,主要集中在海岸线变迁对陆地景观格局的影响16-18、海岸线变迁以及海岸线变化与黄河水沙关系的响应19-22等方面,对入海口及黄河三角洲海岸线演变进行研究。平均高潮线与低潮线之间的潮间滩涂,是淤泥质海岸的重要组成部分,直接反映了海域和陆域空间范围的此消彼长23,24。从前人研究来看,对黄河三角洲海岸线的研究大多集中在大 收稿日期:2022-03-27;修回日期:2022-07-11 基金项目:国家自然科学基金资助项目(41901006);NSFC山东联合基金资助项目(U1706220);山东高校青创科技团队项目(2020KJH002);山东省基金资助项目(ZR2019BD005)Foundation:National Natural Science Foundation of China,No.41901006;NSFCShandong Joint Fund,No.U1706220;Shandong University Youth Innovation and Technology Team,No.2020KJH002;Shandong Provincial Fund,No.ZR2019BD005 作者简介:任宗海(1998),男,山东青岛人,硕士研究生,主要从事海岸地貌方面研究,E-mail:;王庆(1968),通信作者,E-mail: Marine Sciences/Vol.46,No.12/2022 9 的空间尺度上,对具体的废弃亚三角洲海岸线演变的定量化分析较少,且海岸线的提取大多采用平均高潮线法。这种方法受潮汐及海平面的影响较小,虽能够准确地反映平均大潮高潮时水陆的分界线25,但不能完整反映出潮滩的地貌冲淤演变。本文以刁口废弃亚三角洲为研究对象,时间跨度近50年,基于RS、GIS 技术,采用修正归一化水体指数法(Modified Normalized Difference Water Index,MNDWI)对不同年份中的低潮线进行提取,采用数字岸线分析系统(Digital Shoreline Analysis System,DSAS)对海岸线变迁以及海岸潮间滩涂冲淤演变进行定量研究。1 研究区概况研究区概况 黄河三角洲(118711910E,36553810N)地处山东省东营市黄河入海口处,濒临渤海湾与莱州湾,由黄河入海泥沙冲淤造陆形成。黄河三角洲包含多个亚三角洲,亚三角洲的形成与黄河改道密切相关。黄河三角洲的发育经历了古代、近代和现代 3 个阶段26。现代黄河三角洲形成于 1953 年 7 月至今,以渔洼为顶点,北起挑河口,南至宋春荣沟,陆上面积约为2 500 km2(图 1)。刁口亚三角洲由 19641976 年刁口河作为黄河主河道行水时期淤积造陆形成。刁口亚三角洲以渔洼(西河口附近)为顶点,以刁口河为中轴,东到五号桩东北部,西到挑河口,位于黄河三角洲的北部。图 1 研究区地理位置 Fig.1 The geographical location of the study area 该三角洲地区位于温带季风气候区内,季风性特征明显。波浪主要以风浪为主,受季风性气候影响,夏季在东南风的影响下以东南向浪为主,冬季在东北风的影响下以东北向浪为主。余流以风生流为主,夏季东南风吹动表层余流向北流动,冬季西北风吹动表层余流向南流动,底层余流为补偿流27,28。行水期河口潮流以平行于河道的往复流为主,口门两侧海岸则为大致平行岸线的往复流。刁口亚三角洲为典型的扇形三角洲,属于弱潮型海岸,大部分岸段为不正规半日潮8。1964 年 1 月始黄河经刁口流路注入渤海湾,至 1967 年归股并汊形成单一稳定的河道29,至 1975 年主槽进一步萎缩,河口及河道内淤积,河段发生出汊且出汊点不断上提。刁口流路行水11 年零 5 个月,据统计年均来沙量 10.8 亿 t,年均来水量 424 亿 m3。在刁口流路行水期间,超过 71 亿 t的泥沙在河流入海口处向外淤积延伸,塑造了刁口亚三角洲30。由于 1987 年东北部防海大堤和东营港的建设,此岸段在建成后岸线稳定,因此研究区岸线选取挑河口(1183655E,380532N)至东营港北部防海大堤观测点(1185311E,380800N)附近(图 1)。研究区范围内的岸线在 19762021 年间变化明显,为了提高岸线研究的准确性和便捷性,将该岸段划分成 3 个亚段。根据海岸的侵蚀情况将研究区范围内的岸线从西向东分为:挑河口刁口河口岸段(a)、刁口河东侧烂泥湾岸段(b)、防海大堤岸段(c)(图 2)。2 数据与方法数据与方法 2.1 数据来源数据来源 本文的数据来自地理空间数据云(http:/ 勘探局(http:/glovis.usgs.gov/)下载的 Landsat 系列遥感影像和黄河三角洲的前人的古海岸线及古河道研究成果7。为最小化海岸线边界的误差,遥感影像尽可能选取低潮时、没有云雾和风暴潮影响的影像31。本文中选用的遥感影像数据如表 1 所示。2.2 研究方法研究方法 海岸线的提取主要有计算机自动提取和目视解译两种方法32。本文中岸线的提取采用人机交互式,对遥感影像采用自动提取与目视解译相结合的方法。由于刁口废弃亚三角洲地区潮间滩涂面积较广,高潮线所处区域水动力条件较弱,岸线变化较为稳定,且高潮线附近人类活动较多,不能准确反映在自然条件下海岸线的动态演变。因此,本文通过修正 10 海洋科学/2022 年/第 46 卷/第 12 期 图 2 经 MNDWI 和二值化处理后的影像与原遥感影像对比图 Fig.2 The contrast between the original remote sensing image and image processed by MNDWI and binarization 表 1 用于岸线提取的遥感影像 Tab.1 Remote sensing images for shoreline extraction 序号 卫星/传感器 分辨率/m 成像日期 波段数/个 1 Landsat2/MSS 80 1976 年 6 月 2 日 4 2 Landsat2/MSS 80 1976 年 9 月 19 日 4 3 Landsat2/MSS 80 1976 年 10 月 25 日 4 4 Landsat5/TM 30 1986 年 5 月 20 日 7 5 Landsat5/TM 30 1986 年 6 月 5 日 7 6 Landsat5/TM 30 1986 年 8 月 8 日 7 7 Landsat5/TM 30 1986 年 9 月 9 日 7 8 Landsat5/TM 30 1996 年 8 月 19 日 7 9 Landsat5/TM 30 1996 年 7 月 2 日 7 10 Landsat5/TM 30 1996 年 9 月 20 日 7 11 Landsat5/TM 30 1996 年 10 月 22 日 7 12 Landsat5/TM 30 2006 年 5 月 11 日 7 13 Landsat5/TM 30 2006 年 6 月 12 日 7 14 Landsat5/TM 30 2006 年 9 月 16 日 7 15 Landsat5/TM 30 2006 年 10 月 2 日 7 16 Landsat8/OLI 15 2016 年 5 月 25 日 11 17 Landsat8/OLI 15 2016 年 6 月 23 日 11 18 Landsat8/OLI 15 2016 年 7 月 25 日 11 19 Landsat8/OLI 15 2016 年 8 月 26 日 11 20 Landsat8/OLI 15 2016 年 10 月 13 日 11 21 Landsat8/OLI 15 2021 年 6 月 5 日 11 22 Landsat8/OLI 15 2021 年 9 月 9 日 11 23 Landsat8/OLI 15 2021 年 10 月 11 日 11 24 Landsat8/OLI 15 2021 年 7 月 23 日 11 25 Landsat8/OLI 15 2021 年 8 月 8 日 11 Marine Sciences/Vol.46,No.12/2022 11 归一化水体指数(MNDWI)对低潮线进行提取,将低潮线作为地貌形态演变的岸线。MNDWI 法在归一化水体指数(NDWI)考虑植被因素的基础上增加了土壤和建筑物因素,提高了岸线提取的精度,是分离水体和陆地的重要数学方法33。王李娟等34分别对黄河三角洲地区的人工海岸和淤泥质的海岸线进行岸线提取,通过研究对比