1986—2017年舟山群島不同主體功能海島岸灘變化特征分析

曹雯婷，張華國(guó)*，李 睿

(1.衛(wèi)星海洋環(huán)境動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310012; 2.自然資源部第二海洋研究所，浙江 杭州 310012；3.浙江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，浙江 杭州 310027)

0 引言

海岸帶是海陸之間相互作用的地帶，也是全球人口最集中、經(jīng)濟(jì)最發(fā)達(dá)的區(qū)域。潮灘提供了豐富的土地、生物等資源，其蘊(yùn)涵的紅樹林、鹽沼濕地等，是國(guó)際公認(rèn)的“藍(lán)碳”生態(tài)系統(tǒng)，具有固碳、抵御風(fēng)暴潮災(zāi)害和凈化污染物等重要生態(tài)價(jià)值，在應(yīng)對(duì)全球氣候變化和實(shí)現(xiàn)“碳中和”目標(biāo)方面具有極其重要的作用[1-3]。然而，在全球氣候變化和高強(qiáng)度人類活動(dòng)的背景下，圍墾養(yǎng)殖、陸源污染、海平面上升等因素引起了海岸帶生態(tài)系統(tǒng)退化、水文動(dòng)力過程改變和生物多樣性降低等一系列生態(tài)環(huán)境問題。因此，加強(qiáng)對(duì)海岸帶岸灘變化的監(jiān)測(cè)和評(píng)估，對(duì)促進(jìn)資源的合理有效利用和維護(hù)海洋經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

遙感技術(shù)具有觀測(cè)范圍廣、時(shí)效性強(qiáng)、時(shí)間序列長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，是海岸帶監(jiān)測(cè)的有效手段。已有學(xué)者結(jié)合多時(shí)相Landsat影像和地形圖等資料，研究環(huán)渤海地區(qū)[4-5]、浙江省[6]、長(zhǎng)江口[7]、珠江口[8]等區(qū)域的岸灘變遷，結(jié)果表明在圍填海影響下，我國(guó)的海岸線持續(xù)向海推進(jìn)、潮灘資源呈下降趨勢(shì)。近年來，隨著遙感技術(shù)的發(fā)展和遙感數(shù)據(jù)量的增加，岸灘監(jiān)測(cè)已從間隔5～10 a逐漸發(fā)展為逐年監(jiān)測(cè)，例如，有學(xué)者已在江蘇中部海岸[9]、海南新村港[10]等區(qū)域開展了岸灘逐年動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)研究。

海島陸域面積狹小、生態(tài)容量有限、生態(tài)環(huán)境較為脆弱，作為開發(fā)利用海域資源的重要依托，其岸灘變化引起了廣泛關(guān)注。研究表明，過去幾十年以來，海南島[11-12]、舟山島[13-16]、廟島群島南五島[17]等海島開發(fā)強(qiáng)度大，岸灘資源銳減。已有研究大多局限于單個(gè)海島，較少探究不同主體功能島群之間的岸灘變化差異。

隨著海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人口集聚，以圍墾為主的高強(qiáng)度人類活動(dòng)引起了舟山部分海島潮灘濕地生態(tài)環(huán)境退化、生物多樣性降低等生態(tài)環(huán)境問題[14]，亟需開展對(duì)舟山群島岸灘格局變化的長(zhǎng)時(shí)序監(jiān)測(cè)評(píng)估。為此，本文擬以舟山群島為研究區(qū)，基于逐年30 m空間分辨率的岸灘遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)集，探究不同主體功能島群的岸灘變化格局分異特征，為海岸帶生態(tài)保護(hù)和修復(fù)工程提供科學(xué)依據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)海洋經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展。

1 區(qū)域概況

舟山群島(圖1)位于長(zhǎng)江口南端、杭州灣外緣的東海海域，海域面積約2.08萬km2，陸域面積約 1 440 km2，是長(zhǎng)江流域?qū)ν忾_放的海上門戶和通道。舟山擁有我國(guó)最大的漁場(chǎng)——舟山漁場(chǎng)，是世界四大漁場(chǎng)之一，海洋生物種類豐富, 包括上千種魚類、蝦類、軟體動(dòng)物、底棲生物、浮游動(dòng)物、浮游植物和潮間帶生物[18]。舟山群島擁有曲折綿長(zhǎng)的海岸線，航道資源豐富、建港條件優(yōu)越[18]。2011年6月30日，浙江舟山群島新區(qū)正式批復(fù)成立；2017年，舟山自貿(mào)港區(qū)正式掛牌成立，將其規(guī)劃為大宗商品儲(chǔ)運(yùn)、中轉(zhuǎn)、加工和交易中心、現(xiàn)代海洋產(chǎn)業(yè)基地等，以拉動(dòng)整個(gè)長(zhǎng)江流域經(jīng)濟(jì)。

舟山市政府制定了《舟山市海島保護(hù)規(guī)劃(2014—2020年)》[19]，根據(jù)海島的區(qū)位條件、資源稟賦及發(fā)展基礎(chǔ)，將舟山群島141個(gè)有居民島劃分為綜合利用島、港口物流島、臨港工業(yè)島、清潔能源島、濱海旅游島、現(xiàn)代漁業(yè)島、海洋科教島和海洋生態(tài)島等八種類型(圖1)，采用分類開發(fā)的方式對(duì)資源進(jìn)行有序利用，使海島的發(fā)展定位更具有特色[20]。

圖1 舟山群島區(qū)位(a)及主體功能島群劃分(b)Fig.1 Location of Zhoushan Archipelago(a) and its principle functional zoning(b)

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)集

本文采用舟山群島1986—2017年逐年的“陸-灘-水”分布遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，針對(duì)不同主體功能島群，開展長(zhǎng)時(shí)間序列岸灘變化特征分析。以覆蓋研究區(qū)的所有Landsat影像(近2 000景，包括Landsat 5 TM, Landsat 7 ETM+, Landsat 8 OLI)為主要數(shù)據(jù)源，結(jié)合成像時(shí)刻的潮位數(shù)據(jù)，通過構(gòu)建水體指數(shù)時(shí)間序列、變點(diǎn)檢測(cè)以及潮位相關(guān)性分析等方法，在逐像元水平將沿海地表覆蓋類型劃分為陸地、潮灘、水域三個(gè)類型[15]。海岸線是指平均大潮高潮時(shí)水陸分界的痕跡線；潮灘是海岸線與平均大潮低潮海陸分界線之間的潮浸地帶，高潮時(shí)淹沒，低潮時(shí)出露(圖2)[21-22]。

圖2 岸灘剖面示意圖Fig.2 Schematic diagram of a coast profile

從中等分辨率光學(xué)遙感影像可探的角度出發(fā)，按照地表覆水頻率對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類：陸地是始終出露的部分，即遙感水體指數(shù)始終小于0的像元，包括城市用地、林地、農(nóng)用地等；潮灘是高潮時(shí)淹沒、低潮時(shí)出露的部分，即在高潮時(shí)水體指數(shù)大于0，低潮時(shí)水體指數(shù)小于0的像元；水域是始終被水覆蓋的部分，即水體指數(shù)始終大于0的像元，在本研究中主要包括濱海養(yǎng)殖水域和近海海域。

為減少數(shù)據(jù)處理量，同時(shí)又確保數(shù)據(jù)覆蓋岸灘變化區(qū)域，將數(shù)據(jù)集限定為舟山市海島海岸線兩側(cè)各1 km建立的研究區(qū)(面積約2 800 km2)，下文基于該研究區(qū)開展岸灘變化面積統(tǒng)計(jì)分析。該數(shù)據(jù)集的時(shí)間分辨率為逐年，空間分辨率為30 m。在研究期首、尾年份數(shù)據(jù)中隨機(jī)選取驗(yàn)證樣本300個(gè)(每期陸地、潮灘、水域各100個(gè))，在岸灘變化區(qū)域隨機(jī)選取樣本250個(gè)，根據(jù)Landsat時(shí)序影像和Google Earth影像，逐個(gè)開展樣本地表覆蓋類型、變化時(shí)間的目視解譯工作。經(jīng)驗(yàn)證，岸灘類型分類精度為90%～95%(1986年)以及87%～92%(2017年)，岸灘變化年份的檢測(cè)精度為91%[15]。由上可知，該數(shù)據(jù)具備較高的時(shí)空分辨率和可靠的監(jiān)測(cè)精度，可用于支撐本研究的岸灘變化特征分析。

2.2 分析方法

基于2017年的海島數(shù)量及類型，對(duì)比不同海島主體功能島群的岸灘演變特征的差異。為定量探究研究區(qū)“陸地-潮灘-水域”的年際變化趨勢(shì)，選擇面積的絕對(duì)變化量(km2)、相對(duì)變化量(%)和采用復(fù)利準(zhǔn)則計(jì)算的年均變化率(%)[23]對(duì)岸灘變化特征進(jìn)行定量分析，其對(duì)應(yīng)的公式如下所示：

c=A2-A1

(1)

(2)

(3)

式中：c是面積的絕對(duì)變化量，p是面積的相對(duì)變化量，r是面積的年均變化率，A1和A2分別對(duì)應(yīng)t1和t2年份的面積。使用ArcGIS Desktop 10.5 軟件對(duì)岸灘分布特征進(jìn)行空間統(tǒng)計(jì)分析，并結(jié)合R語言對(duì)結(jié)果進(jìn)行時(shí)序數(shù)值分析和作圖展示。

3 結(jié)果與討論

3.1 舟山群島岸灘變化特征

如圖3所示，舟山群島在1986—2003年期間岸灘變化較為緩慢，圍填海共計(jì)16 km2，養(yǎng)殖水域擴(kuò)張14 km2，水域的年均下降率為0.02%，潮灘和陸地年均增加率分別為0.05% 和0.03%；在2003—2017年期間，岸灘變化較劇烈，圍填海工程侵占了水域136 km2，侵占潮灘16 km2?？傮w上，研究區(qū)內(nèi)，潮灘和水域分別以1.5% 和0.5%的年均速率下降，陸域面積以1.3%的年均速率持續(xù)增加，共計(jì)152 km2水域和18 km2潮灘被圍填成陸地。

圖3 舟山群島“陸-灘-水”的逐年面積統(tǒng)計(jì)(a)和逐年變化面積統(tǒng)計(jì)(b)Fig.3 Annual area statistics(a) and annual conversion area statistics(b) of each coastal cover types (i.e., land, tidal flat, and water) in the Zhoushan Archipelago(根據(jù)文獻(xiàn)[15]修改。)(Modified from reference [15].)

以2003年為拐點(diǎn)，研究期的后15 a圍填面積(152 km2)約為前18 a(16 km2)的10倍。連島工程在圍填海中占有很大比例(圖4)：小魚山島與大魚山島同為臨港工業(yè)島，因圍填海工程合并為魚山島；小髫果山島、橫檔山島和魚龍山島原均為臨港工業(yè)島，后被并入作為綜合利用島的金塘島；大髫果山島和大鵬山島同為濱海旅游島，通過修建海堤合并；梁橫山島原為臨港工業(yè)島，后被作為綜合利用島的舟山島合并。

圖4 典型區(qū)域圍填海工程前后的Landsat影像Fig.4 The Landsat images before and after land reclamation in the typical areas

3.2 不同主體功能島群的岸灘變化特征分析

舟山群島不同的主體功能島群呈現(xiàn)3種岸灘演變特征:(1)綜合利用島、臨港工業(yè)島、港口物流島和濱海旅游島岸灘變化劇烈，圍海造陸進(jìn)程迅猛，占研究區(qū)總增量的96%；(2)海洋科教島和現(xiàn)代漁業(yè)島的岸灘變化范圍幅度較小，其新增陸地面積占研究區(qū)總增量的4%；(3)海洋生態(tài)島和清潔能源島的岸灘穩(wěn)定不變。

研究區(qū)內(nèi)共8個(gè)綜合利用島，集居住和商務(wù)功能為一體，人口密度大。綜合利用島在研究期內(nèi)的岸灘變化最劇烈，有80 km2水域和10 km2潮灘轉(zhuǎn)換為陸地，有7.5 km2陸地被開墾成養(yǎng)殖水域，6 km2水域淤積成潮灘(圖5a)。從時(shí)間尺度上分析，綜合利用島岸灘變化先緩慢再劇烈，并在2016年之后放緩。舟山島是舟山群島的中心島(圖6b)，岸灘變化幅度較大，研究期內(nèi)圍填海面積達(dá)45 km2；岱山島、六橫島、金塘島、泗礁山島是城市發(fā)展的4個(gè)副中心，前3個(gè)海島岸灘變化較為劇烈，新增陸地面積分別為17、13和10 km2，泗礁山島的變化幅度小于2 km2；大洋山島的功能定位是發(fā)展與洋山深水港配套的綜合服務(wù)，靠近舟山島的小干馬峙島和魯家峙島是中心城區(qū)的重要組成，這些海島在研究期內(nèi)圍填面積小于 2 km2。

圖5 不同主體功能島群的逐年岸灘變化面積統(tǒng)計(jì)Fig.5 The annual area statistics of conversion types in the islands with different principle functions

臨港工業(yè)島通過圍填海新增陸地面積共 23 km2，主要發(fā)生2006—2011年和2016—2017年(圖5b)。2006—2008年，由于船舶修造業(yè)的發(fā)展，岱山區(qū)的小長(zhǎng)涂山島(圖6c)和定海區(qū)的長(zhǎng)白島圍填海較為劇烈；2016—2017年期間，為建立石油煉化基地，大魚山島和小魚山島通過填海造陸的方式從孤立的兩個(gè)單島合并為魚山島。

濱海旅游島在2007—2016年有14 km2海域被圍填成陸地(圖5c)。濱海旅游型海島包括主題文化度假類、海島生態(tài)觀光類、海島休閑度假類。其中，作為最大主題文化度假島的朱家尖島，在所有濱海旅游島中圍填海進(jìn)程最劇烈(圖6d)；大鵬山、秀山島、懸鵓鴣山島屬于海島休閑度假類，也存在少量圍填海工程；生態(tài)觀光類海島以保護(hù)自然旅游資源為主，圍填海工程較少。

港口物流島新增陸域面積33 km2(其中90%來自對(duì)水域的圍墾)，同時(shí)伴隨有2.5 km2的養(yǎng)殖水域擴(kuò)張(圖5d)。其中，1993年前后，大長(zhǎng)涂山島、佛渡島新增少量養(yǎng)殖塘；2002—2015年，小洋山島、衢山島、馬跡山島、鼠浪湖島、大長(zhǎng)涂山島的圍填面積分別為17、4、1.6、1.5和1 km2。在所有港口物流島中，小洋山島岸灘變化最劇烈(圖6e)，2003—2008年期間洋山港深水碼頭一到三期工程的圍填面積達(dá) 12 km2，在2006年變化最劇烈，和東?？绾４髽虻耐ㄜ嚂r(shí)間較一致。目前小洋山港深水碼頭已經(jīng)是中國(guó)最大的集裝箱港。

海洋科教島的岸灘變化幅度較小(圖5e)。研究區(qū)內(nèi)海洋科教島共有4個(gè)，分別為定海區(qū)的長(zhǎng)峙島、摘箬山島、小摘箬山島和普陀區(qū)的西閃島。這些海島陸域腹地和人口規(guī)模均較小，也不具備優(yōu)越的深水岸線，因此在研究期前20 a不存在大規(guī)模的海岸開發(fā)工程。由于浙江海洋大學(xué)和浙江大學(xué)相繼在這些海島設(shè)立新校區(qū)和科研實(shí)驗(yàn)基地，存在一定的岸灘變化。其中，長(zhǎng)峙島(圖6f)作為浙江海洋大學(xué)新校區(qū)所在地，于2010年啟動(dòng)圍填海工程，累計(jì)新增陸域面積2.8 km2，是海洋科教島中岸灘變化最劇烈的海島；摘箬山島是浙江大學(xué)與舟山市合作共建的海洋科技示范島，建設(shè)有漂浮式海試平臺(tái)、海流能發(fā)電試驗(yàn)電站等海上實(shí)驗(yàn)基地，有少量近岸潮灘(0.07 km2)轉(zhuǎn)換成水域。

現(xiàn)代漁業(yè)島的岸灘變化幅度較小(圖5f)。現(xiàn)代漁業(yè)島共5個(gè)，包括：定海區(qū)的圓山島，普陀區(qū)的登步島，嵊泗縣的大黃龍島、枸杞島和嵊山島。其中，普陀區(qū)的登步島(圖6g)以生態(tài)漁業(yè)養(yǎng)殖為定位，在1990年前后通過在陸域范圍內(nèi)挖塘養(yǎng)殖，新增養(yǎng)殖水域 1 km2；其余4個(gè)現(xiàn)代漁業(yè)島——圓山島、大黃龍島、枸杞島和嵊山島的定位是發(fā)展現(xiàn)代捕撈技術(shù)和遠(yuǎn)洋漁業(yè)，岸灘動(dòng)態(tài)變化較小。

圖6 不同主體功能島群代表性區(qū)域的岸灘變化圖Fig.6 Changes of coastline and tidal flat in the typical regions in islands with different principle functions(圖a為代表性區(qū)域的區(qū)位，圖b代表綜合利用島，圖c代表臨港工業(yè)島，圖d代表濱海旅游島，圖e代表港口物流島，圖f代表海洋科教島，圖g代表現(xiàn)代漁業(yè)島。子圖1表示變化發(fā)生的年份，子圖2表示變化類型。)(Fig.a: the locations of the typical regions; fig.b: comprehensive development island; fig.c: coastal industry island,; fig.d: coastal tourism island; fig.e: harbor and logistics island; fig.f: marine science and education island: fig.g: scientific fishery island. Subgraphs 1: conversion years, and subgraphs 2: conversion types.)

清潔能源島和海洋生態(tài)島的岸灘在研究期內(nèi)較穩(wěn)定。其中，普陀區(qū)東福山島是研究區(qū)內(nèi)唯一的清潔能源型島，尚未開展開發(fā)利用；普陀中街山列島、馬鞍列島和浪崗山列島是研究區(qū)的海洋生態(tài)島，其岸灘資源在研究期內(nèi)保育完好。

3.3 不同時(shí)期實(shí)施的政策對(duì)岸灘變化的影響

不同主體功能島群之間的岸灘變化差異取決于海島自身的自然條件、傳統(tǒng)經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，其中政策對(duì)舟山群島岸灘變化具有重要驅(qū)動(dòng)作用。

漁業(yè)是舟山傳統(tǒng)經(jīng)濟(jì)的主要產(chǎn)業(yè)。但由于長(zhǎng)期過度捕撈，漁業(yè)資源嚴(yán)重衰退，政府采取了一系列措施養(yǎng)護(hù)漁業(yè)資源，主要包括：(1)1985年中國(guó)調(diào)整漁業(yè)發(fā)展方針，鼓勵(lì)發(fā)展水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)；(2)20世紀(jì)90年代中期提出季節(jié)性休漁制度，禁止所有漁船在特定季節(jié)實(shí)施捕撈作業(yè)；(3)中國(guó)與日本、韓國(guó)分別在1997年和1998年簽署的《中日漁業(yè)協(xié)定》和《中韓漁業(yè)協(xié)定》，限制了舟山漁民在東海海域內(nèi)的捕撈[24]。以上一系列政策均促進(jìn)了舟山群島在1986—2003年期間水產(chǎn)養(yǎng)殖用地?cái)U(kuò)張劇烈，大量陸域和潮灘轉(zhuǎn)變成水域。

為了發(fā)展海洋經(jīng)濟(jì)，國(guó)務(wù)院在2003年發(fā)布《全國(guó)海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃綱要》。舟山市憑借豐富的深水岸線資源條件，確立“以港立城”、“以港興市”的戰(zhàn)略，大力建設(shè)港口碼頭，引起了大量自然岸線人工化，海岸線不斷向海推進(jìn)以及潮灘面積銳減。2003年是舟山群島岸灘變化速率的拐點(diǎn)。此后，隨著舟山群島新區(qū)的建立，舟山群島的圍填海持續(xù)保持在較高強(qiáng)度。

2018年，《國(guó)務(wù)院關(guān)于加強(qiáng)濱海濕地保護(hù)嚴(yán)格管控圍填海的通知》發(fā)布，明確取消了圍填海地方年度計(jì)劃指標(biāo)，除國(guó)家重大戰(zhàn)略項(xiàng)目外，全面停止新增圍填海項(xiàng)目審批[25]。研究區(qū)在2017年之后岸灘變化較小。本研究所采用的1986—2017年數(shù)據(jù)集能夠較完整地反映研究區(qū)過去30多年的岸灘變化規(guī)律。

4 小結(jié)

本文基于1986—2017年逐年30 m空間分辨率岸灘遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)集，針對(duì)不同主體功能島群開展舟山群島岸灘演變特征的長(zhǎng)時(shí)序分析。結(jié)果表明，在研究期內(nèi)舟山群島通過對(duì)水體和潮灘的圍填，岸灘不斷向海推進(jìn)。舟山群島岸灘變化的強(qiáng)度以2003年為拐點(diǎn)，2003—2017年的圍填面積約為1986—2003年的10倍。不同主體功能島群岸灘變化的強(qiáng)度可分為劇烈、少量和穩(wěn)定三種。其中，綜合利用島、臨港工業(yè)島、港口物流島和濱海旅游島作為研究區(qū)的建設(shè)重心，其圍填海面積共占研究區(qū)總量的96%；海洋科教島和現(xiàn)代漁業(yè)島岸灘變化幅度較??；海洋生態(tài)島和清潔能源島在研究期內(nèi)得到了較好的保護(hù)。