浮渡河口沙壩—潟湖地貌系統(tǒng)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)研究

張盼閆吉順王鵬張連杰趙博林霞

(1.國(guó)家海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)中心 大連 116023;2.國(guó)家環(huán)境保護(hù)海洋生態(tài)環(huán)境整治修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 大連 116023;3.浙江省海洋科學(xué)院 杭州 310012)

0 引言

河口地區(qū)發(fā)育的沙壩—潟湖地貌系統(tǒng)具有河口典型的生態(tài)系統(tǒng)和獨(dú)特的景觀科研價(jià)值[1],既是世界沉積性海岸重要組成部分也是受人類活動(dòng)影響密集的海陸過(guò)渡帶區(qū)域[2-3]。沙壩—潟湖是一類持續(xù)處于動(dòng)態(tài)平衡調(diào)整過(guò)程中的地貌系統(tǒng)[4],極易因自然環(huán)境演化和人類活動(dòng)影響導(dǎo)致脆弱性增加和結(jié)構(gòu)功能的改變。

目前,已有學(xué)者對(duì)沙壩—潟湖海岸脆弱性動(dòng)態(tài)平衡體系開(kāi)展了研究。潮汐通道地貌體系穩(wěn)定性是一項(xiàng)重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容,O'Brien[5]提出了潟湖口門(mén)截面積和納潮量之間的關(guān)系,國(guó)內(nèi)賈建軍等[6]、張喬民等[7]也研究了納潮量與口門(mén)截面積之間的平衡關(guān)系。遙感影像在國(guó)內(nèi)外被廣泛應(yīng)用于沙壩及潟湖穩(wěn)定性研究,翁毅等[8]利用遙感影像研究了旅游開(kāi)發(fā)活動(dòng)對(duì)沙壩—潟湖景觀穩(wěn)定性影響,孫偉富等[9]對(duì)我國(guó)大陸海岸潟湖發(fā)育演變階段進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)和變遷分析。國(guó)內(nèi)也有研究者針對(duì)人類活動(dòng)影響下沙壩—潟湖海岸環(huán)境因子變化及其穩(wěn)定性進(jìn)行了研究,王潔等[2]、王世俊等[10]對(duì)海南小海沙壩—潟湖海岸演化過(guò)程進(jìn)行了研究,提煉了沙壩—潟湖—潮汐通道體系動(dòng)態(tài)調(diào)整的規(guī)律性認(rèn)識(shí)。盡管?chē)?guó)內(nèi)外對(duì)沙壩—潟湖海岸的穩(wěn)定性研究已取得不少成果,但較少開(kāi)展采用綜合指數(shù)方法量化評(píng)價(jià)人類活動(dòng)作用下沙壩—潟湖海岸穩(wěn)定性的研究。本研究在參考眾多學(xué)者研究成果基礎(chǔ)上,從物源供給特征、外部干擾特征和沙壩—潟湖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特征3個(gè)方面考慮,構(gòu)建了沙壩—潟湖系統(tǒng)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)模型,用以量化評(píng)估自然和人類活動(dòng)作用下河口沙壩—潟湖穩(wěn)定性,為形成以自然恢復(fù)為主的整治修復(fù)對(duì)策提供技術(shù)借鑒。

1 研究區(qū)域

研究區(qū)位于渤海遼東灣東岸,具體地理位置在遼寧省營(yíng)口市浮渡河河口處(40°05'N—40°08'N,121°56'E—121°59'E),區(qū)內(nèi)水深均較淺,落潮時(shí)大部分灘面出露海面。研究區(qū)屬北溫帶大陸性季風(fēng)氣候,受季風(fēng)影響顯著,區(qū)內(nèi)以正規(guī)半日潮流為主,潮流具有明顯的往復(fù)性。海區(qū)內(nèi)常浪向?yàn)镾W向,次常浪向?yàn)镹向,強(qiáng)浪向?yàn)镹NW向。浮渡河是研究區(qū)內(nèi)唯一的入海河流,河口兩側(cè)發(fā)育了典型的沙壩—潟湖地貌體系,現(xiàn)存沙壩長(zhǎng)度約2.1 km。浮渡河口沙壩—潟湖海岸作為遼東灣東岸規(guī)模最大、保存較完整的現(xiàn)有砂質(zhì)岸線,具有重要的景觀和科研價(jià)值。近幾十年來(lái),浮渡河口周邊進(jìn)行了河口筑壩、圍填海、圍海養(yǎng)殖和河道采砂等大量海洋開(kāi)發(fā)活動(dòng),其中,2010—2015年潟湖內(nèi)開(kāi)始進(jìn)行圍海養(yǎng)殖、道路建設(shè)等活動(dòng),2011年開(kāi)展河口堤壩建設(shè),2015—2016年沙壩外側(cè)進(jìn)行人工島建設(shè),隨著人類活動(dòng)的不斷加劇,沙壩—潟湖地貌形態(tài)發(fā)生了重大改變。

2 資料與方法

2.1 資料來(lái)源

本研究收集了浮渡河口1992—2020年分辨率為1.5~2.5 m的高精度遙感影像,遙感影像來(lái)自SPOT、ZY、GF等衛(wèi)星平臺(tái),遙感數(shù)據(jù)影像均已經(jīng)過(guò)系統(tǒng)輻射校正和地面控制點(diǎn)幾何校正。同時(shí),補(bǔ)充收集了2010年以來(lái)的Google Earth高清遙感影像,作為沙壩—潟湖地貌體系與景觀格局的遙感學(xué)解譯的對(duì)比分析材料。

2.2 遙感影像解譯方法

本研究采用目視解譯法計(jì)算入海河流和沙壩—潟湖2個(gè)地貌單元典型特征參數(shù)長(zhǎng)時(shí)間序列變化,各地貌單元參數(shù)提取和確定方法如下。

(1)入海河流地貌參數(shù)解譯方法。入海河流河口寬度以河流入海處兩岸突出角的連線確定,河道寬度以多處特征河道斷面寬度平均值確定,河道長(zhǎng)度以河口至第一個(gè)河道彎曲處(40°05'26″N,121°58'30″E)的中心線長(zhǎng)度確定。

(2)沙壩—潟湖地貌參數(shù)解譯方法。沙壩長(zhǎng)度計(jì)算以1992年河口北側(cè)沙壩端部為原點(diǎn),統(tǒng)計(jì)各年度沙壩壩尖到原點(diǎn)的線性距離。潟湖口門(mén)寬度為各年度沙壩壩尖到海岸線的垂直距離,潟湖面積按照沙壩至海岸線間閉合水域面積計(jì)算。人工構(gòu)筑物面積按照各類型堤壩出露水面外輪廓形成的閉合區(qū)域面積計(jì)算。

3 沙壩—潟湖地貌參數(shù)變化特征

3.1 入海河流地貌參數(shù)變化特征

1992—2020年,浮渡河河口寬度變化范圍為325~873 m,平均為506 m。近29年間河口寬度總體呈先增加后減少的趨勢(shì),共計(jì)減少419 m,年均縮減寬度為14.4 m。2018年以后,河口寬度基本處于穩(wěn)定狀態(tài),與1992年相比減少了56.3%。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn),1992—2007年,河口寬度從744 m增加至873m,從2007年開(kāi)始呈現(xiàn)減少趨勢(shì),2007—2020年,河口寬度從873 m減少至325 m(圖1)。河口處圍海養(yǎng)殖、碼頭堤壩建設(shè)等人類活動(dòng)以及河口泥沙淤積造成的河流入海處兩岸突出角位置的改變,從而引起河口寬度的變化。

圖1 1992—2020年入海河流典型地貌參數(shù)變化

1992—2020年,浮渡河河道寬度變化范圍為192~274 m,平均為234 m。近29年間河道寬度的變化基本與河口寬度的變化趨勢(shì)相同,總體呈先增加后減少的趨勢(shì),主要拐點(diǎn)出現(xiàn)在2010—2012年,河道寬度約270 m,2013年后河道寬度變化趨于平穩(wěn)并略有下降的態(tài)勢(shì)(圖1)。河道寬度增加可能與河道疏浚整治有關(guān),后期河口構(gòu)筑物建設(shè)和河道泥沙淤積造成河道寬度減少。

1992—2020年,浮渡河河道長(zhǎng)度在3 626~3 880 m,平均為3 698 m。近29年間河道長(zhǎng)度總體呈先減少后增加的趨勢(shì),2018年以后,河道長(zhǎng)度基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn),1992—2010年,河道長(zhǎng)度從3 880 m減少至3 626 m,2017—2018年河道長(zhǎng)度從3 626 m增加至3 806 m(圖1)。河道長(zhǎng)度主要基于河流形態(tài)及其中心線位置確定,不同年份河流形態(tài)變化以及河口位置的變化導(dǎo)致了河流中心線長(zhǎng)度的變化。

3.2 沙壩—潟湖地貌參數(shù)變化特征

1992—2020年,沙壩長(zhǎng)度在1 908~3 733 m,平均為2 363 m。近29年間沙壩長(zhǎng)度總體呈先減少后略有增加的趨勢(shì),共計(jì)減少1 180 m,年均縮減寬度為40.7 m。1992—2012年是沙壩長(zhǎng)度急劇減少時(shí)期(圖2),沙壩長(zhǎng)度從3 317 m減少至1 908 m,2012年沙壩長(zhǎng)度與1992年相比減少了42.5%,河口處沙壩逐漸滅失是沙壩長(zhǎng)度減少的主要原因。2013年以后,沙壩長(zhǎng)度基本保持穩(wěn)定并略有增加,2013—2020年沙壩長(zhǎng)度從1 952 m增加至2 137 m,2020年沙壩長(zhǎng)度與2013年相比增加了9.5%,但與1992年相比減少了35.6%。1992—2020年,潟湖口門(mén)寬度在216~411 m,平均為321 m。近29年間潟湖口門(mén)寬度總體不斷減少的趨勢(shì)(圖2),其中,2001—2020年共計(jì)減少195 m,年均減少寬度為9.8 m,減少幅度達(dá)47.4%。沙壩長(zhǎng)度增加和潟湖口門(mén)寬度減少主要與北側(cè)沙壩壩體不斷延伸有關(guān)。

圖2 1992—2020年沙壩—潟湖典型地貌參數(shù)變化

1992—2020年,潟湖面積在26~34 hm2,平均為29 hm2。近29年間潟湖面積呈波動(dòng)變化的趨勢(shì),共計(jì)增加6 hm2,增長(zhǎng)幅度達(dá)23.1%。1992—2007年、2017—2020年是潟湖面積增加時(shí)期(圖2),面積最大可達(dá)34 hm2,沙壩壩體逐漸延伸是潟湖面積增加的主要原因。2010—2016年,潟湖面積呈現(xiàn)逐年減少的趨勢(shì),主要是由于填海造地和圍海養(yǎng)殖建設(shè)占用潟湖面積造成的。

1992—2020年,人工構(gòu)筑物面積在46 124 hm2。近29年間人工構(gòu)筑物面積呈不斷增加的趨勢(shì),共計(jì)增加78 hm2,年均增加面積為2.7 hm2,增長(zhǎng)幅度達(dá)170%。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn),1992—2010年人工構(gòu)筑物面積從46 hm2增加至106 hm2,2013—2016年人工構(gòu)筑物面積從108 hm2增加至121 hm2,從2019年開(kāi)始人工構(gòu)筑物面積保持穩(wěn)定(圖2)。1992—2010年人工構(gòu)筑物面積迅速增加主要是由大面積圍海養(yǎng)殖造成的,2013—2016年河口堤壩、人工島等圍填海工程建設(shè)導(dǎo)致人工構(gòu)筑物面積小幅增加。2018年以來(lái),隨著國(guó)家嚴(yán)控圍填海政策的出臺(tái),人工構(gòu)筑物面積不斷增長(zhǎng)的趨勢(shì)得到明顯遏制。

4 指標(biāo)體系與評(píng)價(jià)方法構(gòu)建

本研究從物源供給特征、外部干擾特征和沙壩—潟湖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特征3個(gè)方面考慮,構(gòu)建了沙壩—潟湖系統(tǒng)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)模型。其中,物源供給特征選取河口寬度、河道寬度和河道長(zhǎng)度3個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo),反映沙壩—潟湖系統(tǒng)砂源供給主體即入海河流狀況;外部干擾特征選取人工構(gòu)筑物面積1個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo),反映各種人類活動(dòng)對(duì)沙壩—潟湖系統(tǒng)外部干擾和造成的表觀影響;沙壩—潟湖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特征選取沙壩長(zhǎng)度、潟湖面積和口門(mén)寬度3個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo),反映沙壩—潟湖地貌系統(tǒng)內(nèi)部整體發(fā)展和穩(wěn)定狀況。在此基礎(chǔ)上,建立了沙壩—潟湖系統(tǒng)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)模型,指數(shù)的大小反映了沙壩—潟湖系統(tǒng)穩(wěn)定性水平。公式如下:

式中:Vi為評(píng)價(jià)指標(biāo)xi與標(biāo)準(zhǔn)值a的差值;Vmax為Vi的最大值;Vmin為Vi的最小值;V'i為Vi的歸一化處理;ci為評(píng)價(jià)指標(biāo)xi與沙壩長(zhǎng)度變化值的相關(guān)系數(shù);Ci為評(píng)價(jià)指標(biāo)xi影響沙壩穩(wěn)定性的貢獻(xiàn)指數(shù);CORREL[x,y]為評(píng)價(jià)指標(biāo)xi與沙壩長(zhǎng)度變化值的相關(guān)性分析函數(shù);STAI為沙壩—潟湖穩(wěn)定性指數(shù)。標(biāo)準(zhǔn)值a為未受到人類活動(dòng)干擾下沙壩—潟湖系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行各地貌參數(shù)的值,通過(guò)歷年遙感影像分析,本研究以1985年沙壩—潟湖系統(tǒng)受人類活動(dòng)影響較小的各項(xiàng)地貌參數(shù)作為標(biāo)準(zhǔn)值。

通過(guò)沙壩—潟湖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)相關(guān)系數(shù)及貢獻(xiàn)指數(shù)可以看出(表1),河口寬度、河道寬度和人工構(gòu)筑物面積與沙壩長(zhǎng)度之間存在極強(qiáng)相關(guān)性,并共同影響著沙壩—潟湖系統(tǒng)穩(wěn)定性。

表1 沙壩—潟湖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)相關(guān)系數(shù)及貢獻(xiàn)指數(shù)

經(jīng)沙壩—潟湖系統(tǒng)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)模型計(jì)算可以看出(圖3),2001年STAI出現(xiàn)峰值,2001年沙壩長(zhǎng)度、潟湖口門(mén)寬度等地貌參數(shù)處于近29年最大值,河口寬度等物源供給和人工構(gòu)筑物干擾處在適中水平,沙壩—潟湖地貌系統(tǒng)能夠通過(guò)自我調(diào)節(jié)維持良好穩(wěn)定性。2001—2012年,STAI呈急劇下降的趨勢(shì),由于該時(shí)間段內(nèi)規(guī)模較大的圍海養(yǎng)殖活動(dòng)、河口堤壩以及填海造地建設(shè),造成了沙壩—潟湖系統(tǒng)沉積動(dòng)力環(huán)境的改變,沙壩長(zhǎng)度和河口口門(mén)寬度逐漸減少,人類活動(dòng)等外部干擾逐漸增加,引起沙壩—潟湖穩(wěn)定性下降。2012—2014年除河口堤壩的繼續(xù)建設(shè)外無(wú)其他明顯人類活動(dòng),雖然河口寬度發(fā)生一定變化,但沙壩—潟湖系統(tǒng)仍然維持了動(dòng)態(tài)平衡。在2015—2017年,由于沙壩外側(cè)人工島建設(shè)和潟湖口門(mén)寬度減少等原因,導(dǎo)致沙壩—潟湖穩(wěn)定性進(jìn)一步下降。2017年以后,人類活動(dòng)等外部干擾開(kāi)始得到遏制,沙壩長(zhǎng)度和潟湖面積逐漸得到恢復(fù),對(duì)沙壩—潟湖穩(wěn)定性起到較好恢復(fù)作用。同時(shí),沙壩的不斷延伸也導(dǎo)致了潟湖口門(mén)逐漸變窄,STAI值在2017年后雖然有所上升但仍未達(dá)到平衡狀態(tài)。上述分析表明,一旦沙壩—潟湖地貌系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行了完全改變自然屬性的開(kāi)發(fā)利用活動(dòng),很難恢復(fù)原始穩(wěn)定狀態(tài),在進(jìn)行沙壩—潟湖地貌系統(tǒng)整治修復(fù)過(guò)程中,需注重尋求沙壩—潟湖系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài),以實(shí)現(xiàn)各典型地貌參數(shù)合理變化。

圖3 1992—2020年沙壩—潟湖穩(wěn)定性指數(shù)變化

5 結(jié)論及建議

本研究通過(guò)對(duì)浮渡河河口沙壩—潟湖典型地貌參數(shù)包括河口寬度、河道寬度、河道長(zhǎng)度、沙壩長(zhǎng)度、潟湖面積、潟湖口門(mén)寬度和人工構(gòu)筑物面積7個(gè)參數(shù)的統(tǒng)計(jì)分析,構(gòu)建沙壩—潟湖系統(tǒng)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)模型,并對(duì)近29年來(lái)沙壩—潟湖的穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)。2001—2012年沙壩—潟湖穩(wěn)定性明顯下降,這與河口筑壩、圍海養(yǎng)殖等海岸開(kāi)發(fā)活動(dòng)強(qiáng)度的增加是同步發(fā)生的。在人類干擾活動(dòng)較小的階段,沙壩—潟湖穩(wěn)定性會(huì)逐步調(diào)整并趨于動(dòng)態(tài)平衡,但很難恢復(fù)原始穩(wěn)定狀態(tài)。沙壩-潟湖海岸是“藍(lán)色海灣”整治修復(fù)的重要對(duì)象,在整治修復(fù)過(guò)程中科學(xué)診斷其穩(wěn)定性,識(shí)別沙壩-潟湖海岸演化趨勢(shì),可以增強(qiáng)“自然恢復(fù)為主,人工修復(fù)為輔”整治修復(fù)對(duì)策的合理性。