1976—2021年南澳島海岸線時空演變及驅(qū)動因素分析

甯子豪,蔣昌波*,2,隆院男,3,4,伍志元,3,4,馬 遠(yuǎn)

(1.長沙理工大學(xué) 水利與環(huán)境工程學(xué)院,湖南 長沙 410114; 2.湖南工業(yè)大學(xué),湖南 株洲 412007;3.水沙科學(xué)與水災(zāi)害防治湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖南 長沙 410114; 4.洞庭湖水環(huán)境治理與生態(tài)修復(fù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖南 長沙 410114)

0 引言

海岸帶位于海域和陸域的交界處,資源豐富但又受到大量人為因素干擾,因此,海岸線變化在一定程度上反映區(qū)域自然活動和人類活動對環(huán)境的影響[1]。在海島開發(fā)過程中,海岸線易遭破壞,導(dǎo)致生態(tài)失衡、海水水質(zhì)變差、資源枯竭等一系列問題,因此進(jìn)行海島海岸線時空演變及驅(qū)動因素分析具有重要意義。

以往海岸線的分析方法主要依據(jù)沉積地質(zhì)學(xué)[2]和歷史地圖[3]等,受數(shù)據(jù)來源和精度的限制,難以開展較大區(qū)域岸線的分析。遙感技術(shù)(remote sensing,RS)、地理信息系統(tǒng)(geographic information system,GIS)和全球定位系統(tǒng)(global positioning system,GPS)的出現(xiàn),使得大范圍海岸線提取變得準(zhǔn)確和方便。如:孫孟昊 等[4]選用Landsat衛(wèi)星遙感影像,采用修正歸一化水體指數(shù)MNDWI提取海陸分界線,對青島海岸線時空格局變化進(jìn)行了研究分析;李加林 等[5]基于中國東海區(qū)海岸帶的遙感影像分析了大陸岸線變遷,并對其岸線利用強(qiáng)度進(jìn)行了評價;夏涵韜 等[6]通過RS和GIS技術(shù)分析了45年來珠江三角洲海岸線變遷和開發(fā)利用空間格局;孫曉宇 等[7]通過海岸線長度和沿海地區(qū)面積變化分析了渤海灣岸線的時空變化規(guī)律;楊超 等[8]利用岸線變遷強(qiáng)度和分形維數(shù)對福建省海岸線的長度和形態(tài)進(jìn)行了研究。

海岸線時空變遷是在自然、經(jīng)濟(jì)、社會等多種因素的共同作用下形成的,驅(qū)動因素分析是揭示海岸線時空演變規(guī)律和合理開發(fā)利用海岸帶的關(guān)鍵。溫馨燃 等[9]采用灰色關(guān)聯(lián)分析法討論了環(huán)渤海地區(qū)圍填?；顒拥尿?qū)動機(jī)制;蘇倩欣 等[10]通過地理探測器模型探討了粵港澳大灣區(qū)海岸線變遷的主要驅(qū)動因素;王圳峰 等[11]采用PLSR模型從不同時空尺度上分析了福建省綠色空間的演變規(guī)律及驅(qū)動機(jī)制;李世鋒 等[12]通過Logistic回歸模型對彬州市土地利用變化的驅(qū)動因子進(jìn)行了探討。以往研究中,多數(shù)的研究區(qū)域?yàn)楹涌诩昂砙13],而針對海島的較少,并且分析指標(biāo)往往不夠豐富?；疑P(guān)聯(lián)分析法對樣本量無要求,分析結(jié)果與定性分析基本一致,已被廣泛應(yīng)用在各種領(lǐng)域中[14]。

本研究通過RS和GIS技術(shù),使用變遷強(qiáng)度、分形維數(shù)、岸線利用程度綜合指數(shù)和岸線結(jié)構(gòu)等多個指標(biāo)分析了南澳島1976—2021年海岸線的時空演變,并且通過灰色關(guān)聯(lián)分析法定量分析了自然災(zāi)害、年有效波高、國內(nèi)生產(chǎn)總值、漁業(yè)總產(chǎn)值、港口貨物吞吐量、人口數(shù)量以及城市化水平等指標(biāo)對岸線變遷的影響程度,為海島、海岸帶的綜合開發(fā)、利用以及生態(tài)修復(fù)提供參考。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

南澳島位于廣東省汕頭市南澳縣(116°56′—117°90′E,23°23′—23°29′N),屬于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)。南澳島北瀕柘林灣,南瀕南海,海岸線曲折,港灣眾多,其主島呈葫蘆狀。

根據(jù)現(xiàn)行行政區(qū)劃,南澳島分為后宅鎮(zhèn)、云澳鎮(zhèn)和深澳鎮(zhèn)(圖1),各鎮(zhèn)在地理位置、岸線類型及形態(tài)等方面差異明顯。后宅鎮(zhèn)位于島左側(cè),靠近內(nèi)陸,海岸曲折度高,多為基巖岸線;云澳鎮(zhèn)和深澳鎮(zhèn)位于島右側(cè),以砂質(zhì)岸線和基巖岸線為主,岬角與海灣相間分布。砂質(zhì)海灣受波浪和潮流的長期作用,易發(fā)生侵蝕和淤積。

圖1 研究區(qū)域位置

自改革開放以來,南澳島港口、碼頭建設(shè)取得較大進(jìn)展,1994年被國務(wù)院批準(zhǔn)為一類開放口岸。近年來,南澳縣充分利用海島優(yōu)勢,提高海岸線與沿線土地的綜合開發(fā),大力發(fā)展?jié)O業(yè)以及旅游業(yè),使岸線資源發(fā)揮出重要的經(jīng)濟(jì)價值。

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)源于美國地質(zhì)勘探局官網(wǎng)(http://glovis.usgs.gov)及地理空間數(shù)據(jù)云官網(wǎng)(https://www.gscloud.cn)。選取1976 年、1986年、1996年、2001年、2008年、2013年、2017年和2021年共8個時期的Landsat影像(表1)。衛(wèi)星在獲取遙感影像時會受大氣散射、云、霧等因素的干擾,導(dǎo)致數(shù)據(jù)存在誤差,因此需對獲取的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行大氣校正、幾何校正、圖像增強(qiáng)與變化和圖像裁剪等預(yù)處理,優(yōu)化海岸線提取的精確度。南澳島海域有效波高數(shù)據(jù)來源于國家海洋科學(xué)數(shù)據(jù)中心(https://mds.nmdis.org.cn/),臺風(fēng)數(shù)據(jù)來源于中國天氣網(wǎng),人口數(shù)量、國內(nèi)生產(chǎn)總值、漁業(yè)總產(chǎn)值、港口貨物吞吐量、城市化水平等指標(biāo)數(shù)據(jù)來源于廣東省汕頭市統(tǒng)計局。

表1 數(shù)據(jù)來源與說明

2 研究方法

2.1 海岸線分類及提取

海岸線的分類體系較為多元[15],根據(jù)《海岸帶調(diào)查技術(shù)規(guī)程》[16],以平均大潮高潮線為基準(zhǔn)[17],按照顏色、曲折程度、形狀等方面的差異,將海岸線分為自然岸線和人工岸線,根據(jù)解譯特征將自然岸線細(xì)分為基巖岸線和砂質(zhì)岸線,將人工岸線細(xì)分為港口碼頭岸線、建設(shè)岸線和漁業(yè)岸線,共5個類型,分類依據(jù)見表2。

表2 海岸線分類依據(jù)

根據(jù)改進(jìn)的歸一化水體指數(shù)法提取海陸分界線[4],同時基于岸線周圍地物的波譜信息進(jìn)行單波段邊緣檢測[18],使水陸界線區(qū)別更加明顯。在上述基礎(chǔ)上進(jìn)行目視解譯,借助南澳島地質(zhì)資料及野外實(shí)地觀測數(shù)據(jù)等輔助數(shù)據(jù)進(jìn)行修正,并提取南澳島岸線的類型及位置分布信息。

2.2 海岸線變遷分析

2.2.1 海岸線變遷強(qiáng)度

利用某一時間段內(nèi)海岸線長度變化百分比來反映變遷強(qiáng)度[8],計算公式如下:

(1)

式中:LCInm是n—m時間段內(nèi)海岸線長度的變化,Lm、Ln分別表示對應(yīng)m、n年份的海岸線長度。

2.2.2 分形維數(shù)

分形維數(shù)反映海岸線形態(tài)的不規(guī)則程度,分形維數(shù)越高,表示海岸線形態(tài)越復(fù)雜、不規(guī)則,反之,海岸線形態(tài)越簡單、規(guī)則。通過網(wǎng)格法[19]計算,利用ArcGIS 10.8將岸線數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為柵格類型,分別取 30 m 的1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、20、30、40倍作為網(wǎng)格邊長ε,生成覆蓋研究區(qū)域岸線的正方形網(wǎng)格,提取各正方形數(shù)目N(ε),繪制ε與N(ε)關(guān)系曲線并進(jìn)行線性擬合,斜率絕對值即為分形維數(shù)F,公式如下:

lnN(ε)=-Fln(ε)+B

(2)

式中:N(ε)為網(wǎng)格數(shù)目,F為分形維數(shù),B為常數(shù),ε為網(wǎng)格邊長。

2.2.3 岸線利用程度綜合指數(shù)

岸線利用程度綜合指數(shù)(index of coastline utilization degree, ICUD)反映海岸線受人類活動的影響程度,ICUD數(shù)值越大,表示影響越大。參照土地利用程度綜合指數(shù)定義和計算方法[20-22],對不同類型岸線對應(yīng)的人類利用程度指數(shù)進(jìn)行賦值[23]。ICUD計算公式如下:

(3)

式中:n為海岸線類型數(shù);Ai為第i類海岸線對應(yīng)的人類利用程度指數(shù), 取值見表3;Ci為第i類海岸線的長度百分比。

表3 不同類型岸線對應(yīng)的人類利用程度指數(shù)賦值

2.2.4 岸線結(jié)構(gòu)

岸線結(jié)構(gòu)反映區(qū)域內(nèi)各類海岸線的占比,某一類岸線的占比越高,區(qū)域內(nèi)岸線的多樣性越低,越接近于單一結(jié)構(gòu)[24]。岸線結(jié)構(gòu)模型具體如表4所示。

2.2.5 海岸帶陸域面積變化

利用ArcGIS 10.8計算不同年份海岸帶陸域面積,當(dāng)海岸線向海域一側(cè)推進(jìn)時,陸域面積增加,反之,陸域面積減少,公式如下:

ΔS=S1-S2

(4)

式中:S1為陸域增加面積;S2為陸域減少面積;ΔS為陸域面積的凈變化量,正值表示研究區(qū)岸線總體向海推進(jìn),負(fù)值表示研究區(qū)岸線總體向陸蝕退。

2.3 驅(qū)動因素分析

采用灰色關(guān)聯(lián)分析法研究南澳島海岸線時空變遷的驅(qū)動因子。將自然因素、社會經(jīng)濟(jì)因素作為特征序列(Ak),其中A1為臺風(fēng)次數(shù),A2為年有效波高,A3為國內(nèi)生產(chǎn)總值,A4為漁業(yè)總產(chǎn)值,A5為港口貨物吞吐量,A6為人口數(shù)量,A7為城市化水平;各年份(1976年、1986年、1996年、2001年、2008年、2013年、2017年和2021年)海岸線長度作為對比序列(Bk),計算兩序列的關(guān)聯(lián)度,具體公式見文獻(xiàn)[25]?；疑P(guān)聯(lián)度值在0～1之間,值越大,代表關(guān)聯(lián)性越好。

3 結(jié)果與分析

3.1 海岸線變化

3.1.1 海岸線長度變化

通過對海岸線的提取和修正,發(fā)現(xiàn)1976—2021年南澳島海岸線長度總體呈現(xiàn)上升趨勢,各鎮(zhèn)差異較明顯(圖2,表5)。

表5 1976—2021年南澳島海岸線長度變化

圖2 南澳島海岸線時空演變

截至2021年,南澳島海岸線總長度為87.01 km,較1976年,共增長11.06 km,年均增長245.78 m。根據(jù)圖3,1976—2021年南澳島海岸線變遷強(qiáng)度均值為0.29%,呈現(xiàn)波動起伏狀態(tài)。

從時間變化來看,南澳島海岸線共出現(xiàn)三次大幅度增長。1986—1996年間,海岸線長度共增加4.01 km,變遷強(qiáng)度出現(xiàn)第一個峰值(0.52%);2001—2008年間,海岸線增速達(dá)到522.86 m/a,超過年均增長水平(245.78 m/a)的兩倍,變遷強(qiáng)度到達(dá)最高點(diǎn)0.65%;2017—2021年,海岸線長度有部分增長,凈增長1.69 km,變遷強(qiáng)度出現(xiàn)第三個峰值(0.50%)。

從空間上來看,1976—2021年間后宅鎮(zhèn)海岸線長度增長最為劇烈,在2021年已達(dá)到46.86 km,平均年增長219.33 m,其變遷強(qiáng)度在三個鎮(zhèn)中最大(圖3),并且在2001—2008年間出現(xiàn)1.03%的超高值。云澳鎮(zhèn)海岸線長度呈現(xiàn)先減后增的變化趨勢,變化幅度較小,45年間僅增長0.53 km。1976—2021年云澳、深澳兩鎮(zhèn)的岸線變遷強(qiáng)度僅有0.07%和0.05%,且均曾出現(xiàn)負(fù)增長現(xiàn)象,其中云澳鎮(zhèn)岸線變遷強(qiáng)度在2013—2017年間出現(xiàn)較大幅度下降(圖3)。

3.1.2 海岸線形態(tài)變化

1976—2021年間,南澳島海岸線的分形維數(shù)總體呈現(xiàn)逐年增加的趨勢,均值為1.048(圖4),分形維數(shù)共增加0.024。1976—2017年間,后宅鎮(zhèn)海岸線分形維數(shù)呈持續(xù)增長趨勢,共增長0.042;2017—2021年,分形維數(shù)有所降低。云澳鎮(zhèn)海岸線分形維數(shù)在研究時段一直處于小幅波動狀態(tài),未發(fā)生明顯變化,僅增長0.005。深澳鎮(zhèn)海岸線分形維數(shù)則呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢,共增長0.010。

3.1.3 海岸線類型變化

分析了45年來南澳島海岸線類型變化(圖5～圖7),總體來看,自然岸線(基巖岸線和砂質(zhì)岸線)始終占主導(dǎo)地位,但不斷衰退,占比從94.50%減少至60.35%,人工岸線(漁業(yè)岸線、港口碼頭岸線和建設(shè)岸線)則不斷增長,由初始的5.50%(4.18 km)增長至39.65%(34.50 km),年平均轉(zhuǎn)化長度為673.78 m。

圖5 1976—2021年南澳島不同類型海岸線時空演變

圖6 1976—2021年南澳島海岸線類型變化

圖7 1976—2021年南澳島各鎮(zhèn)海岸線類型變化

由于港口碼頭大多建設(shè)在基巖海岸區(qū)域,1976—2021年期間,隨著南澳島港口碼頭岸線增長(凈增長33.21%),基巖岸線不斷衰退,凈減少31.85%。建設(shè)岸線從2008年開始增長,截至2021年增長至1.75%。漁業(yè)岸線和砂質(zhì)岸線總體呈衰退現(xiàn)象,但從2017年開始,砂質(zhì)岸線略有增長。研究時期內(nèi)南澳島海岸線演變呈現(xiàn)總體不斷增長、類型趨于多元的發(fā)展態(tài)勢。

從各類型海岸線的鎮(zhèn)區(qū)分布來看(圖7),后宅鎮(zhèn)海岸線演變最為劇烈,49.5%的自然岸線轉(zhuǎn)變成人工岸線,深澳鎮(zhèn)及云澳鎮(zhèn)海岸線類型變化幅度較小。

圖3 1976—2021年南澳島海岸線變遷強(qiáng)度

圖4 1976—2021年南澳島海岸線分形維數(shù)時空變化

3.1.4 海岸線利用程度變化

1976—2021年南澳島岸線利用程度綜合指數(shù)(ICUD)結(jié)果表明(圖8),45 年來南澳島ICUD呈上升趨勢,2021年ICUD值增長至233.01。其中,1986—1996年、2001—2008年及2013—2017年三個時間段的增長幅度較大。從各鎮(zhèn)來看,后宅鎮(zhèn)的岸線利用程度最大,2021年ICUD值達(dá)到277.15,超過南澳島的整體變化程度,而云澳、深澳兩鎮(zhèn)的岸線利用程度則相對較低。

圖8 1976—2021年南澳島岸線利用程度綜合指數(shù)變化

從表6來看,1976—1986年南澳島海岸線整體結(jié)構(gòu)為單一型,岸線的主體類型為基巖,1996—2021年期間,形成以基巖、港口碼頭和砂質(zhì)岸線為主體的三元結(jié)構(gòu)。后宅鎮(zhèn)海岸線結(jié)構(gòu)在1976—1986年期間為單一型,岸線主體類型為基巖,從1996年開始,港口碼頭岸線占比不斷增加,岸線結(jié)構(gòu)成為二元型。云澳鎮(zhèn)海岸線在1976—2008年期間為二元結(jié)構(gòu),主體類型為基巖和砂質(zhì)岸線,2013年后港口碼頭岸線大幅增加,形成三元結(jié)構(gòu)。深澳鎮(zhèn)海岸線結(jié)構(gòu)在1976—2013年期間均為單一型,主體類型為基巖,2017年后,港口碼頭岸線和砂質(zhì)岸線占比增加,形成三元結(jié)構(gòu)。

表6 1976—2021年南澳島岸線結(jié)構(gòu)

3.1.5 海岸帶面積變化

根據(jù)計算結(jié)果,1976—2021年期間南澳島海岸帶變化如圖9所示。

從整體來看,南澳島45年內(nèi)海岸帶面積呈現(xiàn)擴(kuò)張趨勢,增長速率先增后減。1986—1996年期間,南澳島總體擴(kuò)張面積達(dá)到1.54×106m2。2008—2013年期間,人工岸線不斷增長,面積擴(kuò)張速率再次大幅度提升。結(jié)合海岸線時空演變(圖2和圖5)可知,研究期間南澳島海岸帶面積向海擴(kuò)張的主要原因是港口碼頭等人工岸線增加并向海推進(jìn)。

從局部來看,由于后宅鎮(zhèn)區(qū)域地質(zhì)、海域水深等自然條件良好[26],同時靠近內(nèi)陸地區(qū),開發(fā)程度較大,大量港口碼頭在此選址,使得大部分基巖岸線轉(zhuǎn)化為人工岸線,且岸線總體處于擴(kuò)張狀態(tài),與南澳島整體變化趨勢較為接近。云澳鎮(zhèn)和深澳鎮(zhèn)多為砂質(zhì)岸線,易受臺風(fēng)、波浪潮流等自然因素的影響,多為侵蝕狀態(tài)。

3.2 驅(qū)動因素分析

海島海岸線變遷是多種因素耦合和相互作用的結(jié)果,與自然因素和社會經(jīng)濟(jì)因素都有著密切關(guān)系。海岸線長度與影響因子之間灰色關(guān)聯(lián)度值見表7。自然因素中臺風(fēng)(自然災(zāi)害)和年有效波高與海岸線長度的關(guān)聯(lián)度均較大,社會因素中人口數(shù)量與海岸線長度的關(guān)聯(lián)度最大。

表7 1976—2021年南澳島海岸線長度與影響因子的關(guān)聯(lián)度

3.2.1 自然因素

從灰色關(guān)聯(lián)度值來看,臺風(fēng)(自然災(zāi)害)是影響南澳島海岸線長度變化最主要的自然因素。臺風(fēng)過境后會在短時間內(nèi)形成強(qiáng)降雨,向海洋輸送大量泥沙,導(dǎo)致海岸線的形態(tài)及長度發(fā)生一定程度改變[27],特別是砂質(zhì)岸線。2008年云澳鎮(zhèn)和深澳鎮(zhèn)的砂質(zhì)岸線長度較2001年均有減少,分別從6.23 km和2.76 km減少至5.43 km和2.52 km,其中2001年、2006年均有臺風(fēng)侵襲南澳島。波浪對岸線的沖刷與泥沙搬運(yùn),是一種長期累積作用[28],最終導(dǎo)致海岸線出現(xiàn)顯著的侵蝕或淤積。這些自然因素的耦合作用使海岸線長度發(fā)生著不同程度的變化。

3.2.2 社會因素

灰色關(guān)聯(lián)度分析顯示,人口數(shù)量是驅(qū)動南澳島海岸線變化的最主要社會因素。隨著人口的增長,居民生產(chǎn)生活用地、沿海公共設(shè)施、旅游景觀建設(shè)以及港口碼頭建設(shè)增多,岸線的開發(fā)利用程度不斷提升,使得人工岸線不斷增長,向海擴(kuò)張速率大幅提升,進(jìn)而造成海岸線形態(tài)的變遷[7]。

1986—1996年間,南澳島先后建設(shè)了前江碼頭、鹿仔坑碼頭等大型港口碼頭,導(dǎo)致海岸線長度和面積劇烈增長,海岸線結(jié)構(gòu)從單一型演化為三元結(jié)構(gòu)。同樣,2001—2008年間,前江碼頭的擴(kuò)建以及數(shù)座新型深水大噸位港口碼頭的陸續(xù)建成[29],也導(dǎo)致了海岸線長度的劇烈變化和分形維數(shù)的增長。2017—2021年,隨著“藍(lán)色海灣”整治行動的開展,大規(guī)模的違規(guī)建筑物被拆除,恢復(fù)了部分砂質(zhì)岸線,海岸線在長度和曲折程度上均發(fā)生變化[29-30]。

4 結(jié)論

本文通過提取南澳島1976—2021年海岸線,分析了海岸線的時空演變特征,并運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)分析法,揭示了自然因素和社會經(jīng)濟(jì)因素對海岸線變化的影響,結(jié)論如下。

1)近45年來南澳島整體海岸線變遷顯著,主要經(jīng)歷三個階段:1986—1996年間,海岸線長度凈增長4.01 km,海岸帶面積凈增長1.54×106m2,岸線形態(tài)向“不規(guī)則”趨勢變化,分形維數(shù)增長劇烈,從單一岸線結(jié)構(gòu)演變成三元岸線結(jié)構(gòu);2001—2008年間,海岸線長度增速超過年均水平,長度變化最為劇烈;2017—2021年間,隨著對南澳島海灣的整治修復(fù),砂質(zhì)岸線占比呈增長趨勢,自然岸線減少速率變緩。

2)在空間上,后宅鎮(zhèn)海岸線長度增長劇烈,年均增長219.33 m,自然岸線向人工岸線的轉(zhuǎn)化比率最高,其岸線利用程度綜合指數(shù)大于其他兩鎮(zhèn);云澳和深澳兩鎮(zhèn)海岸線類型大多為基巖岸線和砂質(zhì)岸線,受波浪潮流等自然因素影響較大,海岸線長度先減后增,演變較為緩慢。

3)臺風(fēng)(自然災(zāi)害)及人口數(shù)量是南澳島海岸線演變主要驅(qū)動因子,岸線變遷受到自然和社會經(jīng)濟(jì)的雙重影響。