基于時空變遷的海南島海岸線穩(wěn)定性評價

孫士超，洪海凌，許小貝

(海南省海洋監(jiān)測預報中心，?？?570100)

0 引言

海岸線所在地區(qū)是陸海相互作用最為強烈，同時也是人類活動最為密集的區(qū)域，來自陸海雙方的力量共同塑造著海岸地區(qū)的自然環(huán)境。無論是海域的變化，或是陸域的改變，都能直接或間接地影響海岸地區(qū)的環(huán)境變化與海岸線的變遷。岸線資源是國民經濟發(fā)展的戰(zhàn)略性資源，更是沿海城市賴以生存發(fā)展的優(yōu)勢資源，其保護與利用不僅關乎沿海城市及其港口腹地的發(fā)展，還影響著海洋生態(tài)環(huán)境的安全[1]。

海南島海岸帶不僅有引人入勝的自然景觀，更蘊含豐富的自然資源。隨著社會經濟的飛速發(fā)展，近30年來海南島沿岸自然資源開發(fā)如火如荼，對海岸線生態(tài)環(huán)境和空間資源的保護卻未得到足夠重視。近年來，隋燕等[2-4]開展了海南島海岸線變遷遙感監(jiān)測分析，李剛等[5-7]對海南島局部海岸線進行了變遷監(jiān)測，研究結果表明，海南島海岸線總長度呈增長趨勢，岸線變遷頻繁且劇烈，陸海格局整體呈向海擴張的態(tài)勢，圍填海工程導致海岸線資源的自然生境喪失和改變，近年來愈加明顯。

目前對海南島海岸線的研究多集中在時空變遷與原因分析方面，對岸線穩(wěn)定性研究較少，本研究綜合考慮時間跨度、影像質量等因素，自1970—2016年間8期遙感影像中篩選出1970年、1990年、2000年、2010年和2016年5個時期的海岸線數據為研究對象，利用色差Canny算子計算方法提取海岸線，以海岸線變遷為基礎，定量測算海南島海岸線縱深度變化量和年平均變化速率，構建岸線穩(wěn)定性指數[8-10]，分析46年來海南省海岸線穩(wěn)定性，以期為管理部門掌握海南島海岸線資源整體情況，為海洋資源科學保護與合理配置提供參考。

1 數據源與研究方法

1.1 數據來源

選取1970年、1990年、2000年、2010年、2016年5期遙感影像(表1)，所選影像拍攝時間均為各年5—9月的多光譜融合影像，避免因季節(jié)不同導致的地物光譜誤差過大。

表1 遙感影像數據

由于遙感影像數據特點及技術參數限制，本研究中的海岸線定義為瞬時海陸分界線(以下簡稱海岸線)，而非一般所指的海潮時平均高潮所到達的界線。此岸線數據僅適用于分析與評價海南島岸線的歷史動態(tài)變遷過程，以及岸線基礎特征的時空演變分析。

1.2 解譯方法與誤差分析

根據大跨度的時間特征，及所選擇的遙感影像自身質量與精度的限制，本研究主要采用基于海岸特征結合圖像處理技術對海岸線進行判讀解譯的方法，提取衛(wèi)星拍攝時的海岸線，但遙感影像質量對此方法提取結果有一定影響，由提取結果測算，提取誤差范圍為海岸線±30 m。將預處理后的影像采用色差Canny算子技術檢測邊緣[11-12]，Canny算子是在滿足一定約束條件下推導出的邊緣檢測最優(yōu)化算子，其所提取的邊緣比較完整，連續(xù)性好[13]，便于實現海岸線的自動提取。

根據上述的岸線解譯方法及分類標準，通過嚴格的質量控制過程，最終完成了5期海南島海岸線的提取工作，提取結果如表2所示。

表2 5期岸線數據提取結果 單位：km

初步分析來看，經過46年的自然影響和人工改造作用，海南島海岸線的長度、類型及位置均發(fā)生了很大的變化。其中：海南島自然岸線和河口岸線均呈現減少的變化特征，分別由1970年的1 423.02 km、28.04 km減少到2016年的1 053.36 km、9.18 km，平均年減少量為8.04 km和0.41 km；人工岸線長度顯著增加，由1970年的156.76 km增至2016年的469.38 km，平均年增量為6.8 km。

提取結果與海南省2016年海岸線修測結果1 944.35 km對比[14]，相差412.43 km。分析原因有以下三方面：一是提取標準不同，本研究中對岸線的定義為瞬時海陸分界線，而非通常指的海潮時平均高潮所到達的界線；二是影像解譯誤差，本研究主要利用低分辨率遙感影像(30 m)進行岸線解譯，提取誤差范圍為±30 m；三是影像質量造成的誤差，本研究時間序列選擇了1970—2016年間的5個時期影像，由于時間跨度大，影像的質量不一致，對于岸線提取結果也造成一定影響。

綜合上述三點原因，本研究采取統(tǒng)一處理標準、統(tǒng)一提取標準和統(tǒng)一分類標準進行岸線提取與分析，雖然結果數據與實際數值間存在一個適當的誤差范圍，但對于研究海南島海岸線空間變化特征及現狀分布規(guī)律的影響可以忽略不計。

1.3研究方法

1.3.1評價因子

評價因子為海南島海岸線向海推進或者向陸后退的水平移動距離，即岸線縱深度?？v深度數值有正與負之分，正值代表海岸線向海推進，而負值則代表海岸線向陸后退。

1.3.2評價方法

根據空間相對位置的變化，本研究將提取的海岸線分為向海推進區(qū)與向陸后退區(qū)，通常情況下，向海推進區(qū)和向陸后退區(qū)獨立劃分區(qū)塊，且區(qū)塊內海岸線長度在10～20 km之間，變化較強烈區(qū)域的區(qū)塊內海岸線長度在1～10 km范圍內。區(qū)塊內海岸線空間位置平均變化距離的確定方法，視區(qū)塊內海岸線空間位置變化強度的空間分布均勻程度，每1～5 km岸線長度設一垂直海岸線主體走向的剖面，統(tǒng)計岸線位置在這一剖面上的變化距離值，取各剖面的平均值得到區(qū)塊內海岸線變化的平均距離，也就是該段岸線的縱深度。

根據海岸線空間位置變化距離，計算出岸線縱深度值?？v深度的變化反映了海岸線穩(wěn)定性變化的程度，對海南島海岸線穩(wěn)定性劃分為強烈岸退區(qū)、岸退區(qū)、穩(wěn)定區(qū)、岸進區(qū)和強烈岸進區(qū)5個級別，并繪制海岸線穩(wěn)定性分級圖，更加形象與真實地展現全島海岸線幾何空間變化形態(tài)。海岸線縱深度計算式為

(1)

其中:D為岸線縱深度值；n為垂直海岸線主體走向的剖面數量；Lk為第k個剖面上的變化距離值。

在此基礎上，以市(縣)為單位，統(tǒng)計各市的海岸線穩(wěn)定性情況，計算各市的海岸線穩(wěn)定性指數E，E值越大表示岸線穩(wěn)定性越好。計算公式為

(2)

其中：RS表示穩(wěn)定區(qū)、岸退區(qū)和岸進區(qū)海岸線長度占總海岸線長度的比例；RC表示強烈岸退區(qū)和強烈岸進區(qū)海岸線長度占總海岸線長度的比例。

最后，在計算各市(縣)海岸穩(wěn)定性指數的基礎上，進一步匯總計算全島的海岸線穩(wěn)定性指數。

2 結果分析

2.1 岸線縱深度變化總體情況

根據上述評價方法和計算公式，以1970年、1990年、2000年、2010年和2016年5個時期的海岸線數據為研究對象，分析46年以來海南島海岸線縱深度變化量和年均變化速度，以平均負縱深度(AveD-)、平均正縱深度(AveD+)、縱深度絕對值平均數(AbsDA)和年均變化速度(SY)4個指標來分析與統(tǒng)計，求出1970—1990年、1990—2000年、2000—2010年、2010—2016年4個時間段的海南島海岸線縱深度變化和年均變化速度(表3)。

表3 海南島1970—2016年海岸線縱深度變化統(tǒng)計

表3(續(xù))

計算與統(tǒng)計結果顯示，46年以來，海南島海岸線發(fā)生了劇烈的變遷，由自然因素引起的岸線后退變化呈減小趨勢，而人工開發(fā)引起的岸線向海推進速度明顯加劇，岸進絕對值遠大于岸退絕對值。從全島來看，最近6年的岸線變化速度最快，平均每年向海推進15.96 m。通過遙感分析，岸線后退多發(fā)生在河口三角洲和粉砂淤泥質岸段，多系被侵蝕造成后退。沿海各市縣詳細變化情況如圖1—圖3所示。

圖1 海南島1970—2016年海岸線向陸后退平均距離變化

圖2 海南島1970—2016年海岸線向海推進平均距離變化

圖3 海南島1970—2016年海岸線縱深度年均變化速度

海南島海岸線縱深度變化趨勢詳細分析如下：

1)1970—1990年屬于早期人類傳統(tǒng)海洋開發(fā)時期，主要開發(fā)與利用海洋活動為海洋漁業(yè)、曬海鹽，人們對海洋開發(fā)與利用處在傳統(tǒng)階段。此階段陵水黎族自治縣向陸后退變化值最大，年均岸退1.69 m，萬寧市排第二位，年均岸退約1.60 m；而昌江黎族自治縣向海推進變化值最大，年均向海推進38.61 m。此階段海南島海岸線變化主要為自然因素作用，包括海平面上升、海岸侵蝕和自然災害等，這些因素的作用力受到自然環(huán)境變化影響較大，岸退與岸進處于自然平衡時期。

2)1990—2000年由于受到生產條件和技術水平的限制，開發(fā)活動主要是用簡單的工具在海岸和近海中捕魚蝦、曬海鹽，以及海上運輸，逐漸形成了海洋漁業(yè)、海洋鹽業(yè)和海洋運輸業(yè)等傳統(tǒng)的海洋開發(fā)產業(yè)，人們對海洋開發(fā)與利用處在起步階段，新中國海洋開發(fā)政策基本形成時期。此階段東方市向陸后退變化值最大，年均岸退約5.91 m，三亞市排第二位，年均岸退約1.83 m；而澄邁縣向海推進變化值最大，年均向海推進約67.47 m。此階段海南島海岸線變化人為影響占主導地位，自然因素作用為輔，包括圍海養(yǎng)殖、曬海鹽、海平面上升、海岸侵蝕和自然災害等，岸進趨勢處于加快時期。

3)2000—2010年我國在開發(fā)利用海洋資源、發(fā)展海洋經濟方面取得了較大進展，海洋經濟已成為國民經濟新的增長點。2002年1月1日，《中華人民共和國海域使用管理法》正式實施，引發(fā)海洋開發(fā)高潮時代的到來，代表新中國海洋開發(fā)政策邁向強國戰(zhàn)略的新時期。此階段昌江黎族自治縣部分岸段，因海洋環(huán)境的自然災害頻發(fā)，出現了向陸后退變化最大值，年均岸退8.53 m，陵水黎族自治縣排第二位，年均岸退6.26 m；而?？谑幸蚋劭凇⒐I(yè)區(qū)、新型城鎮(zhèn)等的建設，帶動大規(guī)模的填海造地行為，促使岸線向海推進出現最大值，年均向海推進約15.71 m。此階段人工開發(fā)對岸線變化的影像作用力大于自然因素，人工開發(fā)引起岸線向海推進變化的趨勢加強。

4)2010—2016年是我國海洋經濟可持續(xù)發(fā)展的時代，也是海洋開發(fā)的一個新高潮。2007年3月《中華人民共和國物權法》的出臺，首次將海域物權制度在民事基本法律中得到確立，開創(chuàng)了海域使用管理的新時期，是海洋綜合管理真正走向法制化管理時期的重要標志，同時也是破除傳統(tǒng)用海觀念，建立海域資源開發(fā)利用的社會主義市場機制的一場深刻革命[15]。此階段洋浦經濟開發(fā)區(qū)部分岸段，受海洋環(huán)境的自然災害、海水入侵作用力加強和人為濱海濕地的破壞，出現了向陸后退變化最大值，年均岸退10.30 m，萬寧市排第二位，年均岸退約7.31 m；而洋浦經濟開發(fā)區(qū)加快了臨港工業(yè)區(qū)和海濱新區(qū)的建設，帶動了新一輪的圍填海行為，促使岸線向海加速推進，年均向海推進60.15 m。此階段岸線變化的主導因素是人工開發(fā)，自然因素引起的作用力相對于人工開發(fā)顯得較為微弱，從海南島岸線整體變化來看，此階段岸線向海推進變化較為明顯，趨勢逐漸增強，推進速度接近2000—2010年時期的2倍。

2.2岸線縱深度變化區(qū)劃分

依據1970年—2016年海南島海岸線區(qū)塊內的岸線平均縱深度數值范圍，根據分等定級方法[16-18]，將海南島海岸線縱深度變化劃分為強烈岸退區(qū)、岸退區(qū)、穩(wěn)定區(qū)、岸進區(qū)和強F烈岸進區(qū)5個級別(表4)。

表4 岸線縱深度變化區(qū)劃分標準 單位:m

依據岸線縱深度變化區(qū)劃分標準，以2016年岸線為基準，計算出1970—2016年期間海南島海岸線縱深度變化區(qū)各類型的岸線長度如表5所示。

表5 海南島海岸線縱深度變化區(qū)各類型岸線長度 單位:km

表5(續(xù))

由計算結果分析得出，海南島海岸線整體來看，整體趨勢受人類活動影響岸線不斷向海推進，強烈岸進區(qū)岸線長度達到330.37 km，占海南島岸線總長度的21.57%。其中，文昌市強烈岸進區(qū)岸線長度最大，長度為65.77 km，占總岸線長度的20.97%，其次是萬寧市，強烈岸進區(qū)岸線長度為49.94 km，占總岸線長度的33.03%，而昌江黎族自治縣強烈岸進區(qū)岸線長度占總岸線長度的比例最大，達到50.91%。東方市強烈岸退區(qū)岸線長度最大，長度為12.04 km，占總岸線長度的11.84%，三亞市排第二位，強烈岸退區(qū)岸線長度為8.58 km，占總岸線長度的4.65%.

如圖4所示，從1970—2016年海南島海岸線穩(wěn)定區(qū)岸線保有量來看，昌江黎族自治縣、東方市和?？谑腥齻€區(qū)域穩(wěn)定區(qū)岸線所占比例不足40%，東方市最低，穩(wěn)定區(qū)岸線所占比例僅為13.83%，其次是昌江黎族自治縣，所占比例為22.78%；而其他區(qū)域穩(wěn)定區(qū)岸線所占比例都在40%以上，樂東黎族自治縣最高，所占比例為59.44%。

圖4 1970—2016年海南島海岸線穩(wěn)定區(qū)岸線所占比例

從影響變化因素上分析，主要是人類開發(fā)作用引起，隨著社會經濟的快速發(fā)展，沿海地區(qū)工業(yè)化、城鎮(zhèn)化進程加快，人口和產業(yè)向沿海地區(qū)聚集，沿海城市人居環(huán)境不斷擴張，為了滿足城市發(fā)展的需求，人類活動不斷向海洋延伸。

2.3 岸線穩(wěn)定性指數

根據大陸海岸線穩(wěn)定性指數公式(2)，計算出1970—2016年海南島海岸線穩(wěn)定性指數，如表6所示。

表6 1970—2016年海南島海岸線穩(wěn)定性指數

表6(續(xù))

由海南島海岸線穩(wěn)定性指數計算結果分析，可得出整體布局情況與岸線穩(wěn)定區(qū)岸線保有量相同，樂東黎族自治和瓊海市岸線穩(wěn)定性指數大于10，分別為16.32和13.63；而昌江黎族自治岸線穩(wěn)定性指數最小，僅為0.96。整體布局情況如圖5所示：

圖5 海南島海岸線穩(wěn)定性指數

3 討論與建議

保護好現有海岸線走勢,維持其自然演變規(guī)律,并盡量約束其變動,以利于長期利用是開發(fā)海岸線的首要基礎[19]。近年來，海南省嚴格按照中央“除國家重大項目外，全面禁止圍填?！币螅瑖栏窆芸貒詈?，據海南省海域監(jiān)測管理公報統(tǒng)計，2018年、2019年全省連續(xù)兩年未批準圍填海項目，嚴格保護全省海洋資源的決心堅定。本研究表明海南局部地區(qū)如東方、昌江、海口等穩(wěn)定性岸線保有率很低，文昌、萬寧等強烈岸進區(qū)岸線長度很大，如文昌市強烈岸進區(qū)岸線長達65.77 km，占其總岸線長度的20.97%，文昌市位于海南島東部，屬低丘臺地平原地帶，根據遙感監(jiān)測，其海岸線變化較大區(qū)域位于文昌市青瀾灣與高隆灣一帶。文昌市海洋捕撈與海水養(yǎng)殖產業(yè)較為發(fā)達，同時1970—2016年該地填海造地、岸線防護工程、交通運輸工程岸線所占比例逐漸增長，圍墾養(yǎng)殖等人為因素是造成岸進區(qū)岸線占比較大的主要因素。

從岸線資源保護的角度，提出如下管理建議：1)合理規(guī)劃產業(yè)項目，嚴格按照岸線使用的海洋功能順序審批項目，依次為：港口、航運、海洋油氣開發(fā)、防潮排澇、濱海旅游、養(yǎng)殖等，引導產業(yè)向陸域縱深發(fā)展。2)繼續(xù)嚴控填海面積，推進集約用海，引導填海后產業(yè)發(fā)展，提倡戰(zhàn)略型新興產業(yè)如海水綜合利用、海洋新能源、海洋醫(yī)藥等；改變海岸圍墾方式，盡量減少截彎取直，易采取離岸式等填海方式，盡量減少海岸自然景觀與近岸海域生態(tài)環(huán)境破壞，不改變海水動力條件平衡，不損害海域功能，不改變海岸的自然屬性。3)優(yōu)化濱海產業(yè)結構，以規(guī)模化集約化為發(fā)展模式[20],實現生態(tài)開發(fā)，提高海洋產業(yè)競爭力。目前濱海產業(yè)結果多為傳統(tǒng)養(yǎng)殖、鹽業(yè)等沒有市場競爭力的主導產業(yè)，產品多以銷售原料為主，深加工產品較少，產品附加值低，產業(yè)整體效益不高。