海岸线是典型的海陆分界线, 具有显著的生态系统调节功能, 同时也是重要的海岸带自然资源^[1]。海岸线一般定义为多年平均大潮高潮位的痕迹线^[2], 受到海陆交互作用影响, 人类在海岸带的开发利用活动、海洋动力环境的改变等都能对海岸线的演变产生显著影响^[3-4]。

江苏中部海岸发育了宽广的淤泥质潮滩, 近年来高强度的围填海活动虽然产生了大量的新生土地, 但各类海岸工程措施也改变了潮间带的海洋动力格局^[5-6], 不但直接造成岸线位置的剧烈变动, 而且对未来岸线的演变趋势产生深远影响。已有的研究多数通过遥感和GIS的手段针对江苏海岸线的类型、长度、曲折度以及开发利用状况的时空变化等做了较为详细的分析^[7-10], 部分研究对于海岸线演变的驱动力进行了初步分析, 指出围垦和海岸线时空变化的关联性, 如李行等^[11]通过遥感解译认为围垦是造成江苏海岸线变化的主要原因; 陈玮彤等^[12]通过研究认为围垦是江苏海岸带陆地面积增加的主要原因, 但相关研究未对围垦和岸线变化的时空关系做进一步分析。

目前, 海平面上升、海岸侵蚀逐步成为一个全球性的问题^[13-14]。在高强度围填海地区, 海岸线的向外推进和海岸侵蚀可能会同步发生, 本项研究以围垦活动剧烈的江苏中部海岸为例, 通过分析1989—2019年以来的围填海进程及海岸线时空变化特征, 结合典型围填海潮滩断面, 研究人类围填海驱动下的海岸线变化过程及其典型潮间带地貌响应特征, 对于未来海岸线资源保护、修复以及可持续利用具有重要支撑作用。

1 研究区概况及数据来源 1.1 研究区概况

江苏海岸带位于南黄海西岸, 海岸线北起连云港绣针河口, 南至启东长江口连兴港, 行政区划上包括连云港、盐城、南通3市。江苏海岸带地势低平, 海陆交互作用在江苏形成了由细颗粒物质组成的粉砂淤泥质海岸, 海岸带潮汐作用较强, 潮波系统主要为东海前进潮波和南黄海旋转潮波, 浅海半日分潮为主, 潮差一般在2~4 m, 辐射沙脊群海域最大潮差能超过9 m^[15-16]。海岸带潮滩相对较宽, 最大宽度能达到10 km以上, 坡度平缓, 一般在3‰以下^[17]。江苏海岸地貌类型多样, 北部海州湾主要为砂质海岸, 连岛及其两翼主要为基岩海岸, 江苏中部海岸主要为粉砂淤泥质海岸。从海岸冲淤看, 一般认为废黄河及其两翼为侵蚀海岸; 从射阳河口至新洋港为冲淤过渡海岸; 新洋港河口以南为淤积海岸^[18]。

20世纪80年代以来, 随着江苏经济的快速发展, 对于土地资源的需求不断加大, 通过海岸带潮滩围垦成为新增建设用地, 实现耕地占补平衡的重要手段, 年均潮滩围垦面积超过30 km², 直接造成潮滩宽度下降、坡度变陡, 生物多样性降低^[19-20]。

1.2 数据来源 1.2.1 影像数据

为准确获取海岸带围填海、海岸线时空变化特征, 搜集1989年、1999年、2009年和2019年共计4个时段的覆盖江苏中部海岸的多源遥感影像数据(Landsat TM、Landsat OLI), 在时刻上尽量选取低潮位时段, 云量小于15%, 所有影像经过几何精校正处理, 使用CGCS2000坐标系。

1.2.2 潮汐数据

海岸线提取所需要的潮位数据主要来自国家海洋信息中心发布的江苏海岸3个验潮站(射阳河口、新洋港、弶港)的潮汐表数据以及在海岸带地区搜集到的洋口港验潮站数据, 满足海岸线提取所需要的潮位数据要求。

1.2.3 潮滩断面数据

根据江苏的围填海强度特征, 在围填海开发较为剧烈的盐城弶港海岸布设了一条潮滩地形观测断面, 基于GPS-RTK技术, 2014—2019年开展了逐年的潮滩地形重复测量, 获取了围填海影响下高精度的潮滩断面变化数据。

2 研究方法 2.1 海岸线提取及变化分析

本次研究中, 取平均大潮高潮线作为海岸线的解译、提取标准, 对于平均大潮高潮线已经围垦的岸段, 采用目视解译法提取人工海堤或人工构筑物等作为岸线标志; 对于人类活动干扰较小的岸线, 首先利用已有的潮位数据, 基于T_Tide潮汐分析预报模型^[21-22], 进行潮汐的调和计算和潮位预测, 然后通过遥感提取的瞬时水边线进行潮位的插值和校正, 结合调和分析结果, 推算平均大潮高潮线, 技术路线参考崔丹丹等^[23]在2017年提出的改进的水边线算法。本次遥感解译的误差主要来自目视解译误差和潮汐调和分析误差, 人工岸线地物特征明显, 通过重复3次解译提取平均值来尽量消除数字化误差。另外, 以新洋港2014年6月1日—30日实测潮位数据进行调和分析误差统计, 绝对误差平均值为8.33 cm, 满足海岸线遥感推算精度要求。

在海岸线变化分析方面, 使用美国地质调查局所提供数字岸线分析系统(Digital Shoreline Analysis System, DSAS)^[24]进行分析计算。选定作为计算基准的基线, 统一设置采样间距为1 km, 总共生成等间距法线共192条, 其中北部(射阳河口至大丰港)共74条, 中部(大丰港至南通小洋口)共83条, 南部(小洋口至洋口港)共35条, 使用终点速率法(End Point Rate, EPR)^[25]计算海岸线变化速率。

2.2 围填海信息提取

基于1989年、1999年、2009年和2019年4期遥感影像数据, 根据海岸带不同土地利用类型的纹理和光谱特征, 采用专家目视解译提取不同时期围填海活动时空分布特征, 本次研究未对围填海后的土地利用类型做进一步区分。

2.3 典型潮滩断面观测

在江苏中部弶港典型围填海岸滩布设了一条潮间带地貌监测断面, 使用德国Leica公司的GPS-RTK进行地形测量与取样。潮滩断面长度超过3 km, 滩面测点间距控制在100 m以内, 平面误差精度控制在1~2 cm, 高程误差控制在1 cm。在进行高程测量的同时, 使用取样薄片进行表层沉积物取样, 深度控制在1~2 cm, 质量在30~100 g, 在实验室内使用激光粒度仪进行粒径分析。2014—2019年共完成6次围填海典型潮滩断面重复观测。

3 结果与讨论 3.1 海岸线时空变化特征

基于DSAS岸线分析系统, 对于获取的192条法线进行统计分析, 得出1989年以来不同时期江苏中部海岸线的变化速率(图 2)。从统计结果看, 1989年以来江苏中部岸线整体上呈现快速向海推进趋势, 平均推进速率达到201.28 m/年, 最大推进速率为447.47 m/年, 从空间分布看, 大丰港至小洋口岸段推进较快, 平均推进速率为228.4 m/年, 小洋口至洋口港平均推进速率为80.75 m/年, 射阳河口至大丰港平均推进速率为214.88 m/年。各个时期而言, 1989—1999年期间岸线呈向海推进趋势, 平均推进速率为250.47 m/年, 变化剧烈的岸段主要分布在江苏斗龙港两翼和方塘河口以北岸段, 最大推进速率为742.48 m/年。方塘河口以南总体上变动幅度较小, 仅小洋口以北8 km范围内有明显推进, 北部的射阳河口总体上变动幅度较小; 1999—2009年期间江苏中部岸线呈现明显的向海推进趋势, 平均推进速率为318.3 m/年, 最大推进速率为1 344.67 m/年, 位于射阳河口以南10 km范围内, 该时期内向海推进岸线主要集中在射阳港、大丰港、洋口港等港口附近; 2009—2019年期间岸线的变化差异较大, 推进岸段集中在方塘河口南北两翼, 后退岸段集中在射阳河口以南约20 km范围内部分岸段, 其余岸段总体上变化幅度较小, 总体上看岸线趋势仍然以向海推进为主, 平均速率为139.11 m/年, 后退岸段后退速率为7.67 m/年。

从岸线的时空变化特征看, 江苏中部岸线推进速率整体上呈现出先增大后减小的变化趋势, 在不同时期、不同岸段内岸线的向海推进也呈现出明显的差异性特征, 即江苏中部海岸线的时空变化过程具有明显的不均一性。从岸线变化统计图(图 2)上可以看出, 1989年以来在大部分岸线都向海推进的同时, 少量岸段位置相对稳定, 并没有受到附近岸线变化的影响, 从遥感影像(图 3a)上可以看到这些岸段大部分位于河口附近。此外, 在射阳河口至新洋港河口的部分岸段, 海岸线出现了侵蚀后退现象(图 3b)。使用Landsat TM、OLI影像解译了近30 a江苏中部海岸潮滩围垦过程, 通过分析北部(射阳河口~大丰港)、中部(大丰港~小洋口)、南部(小洋口~洋口港) 3个岸段潮滩围垦速率和岸线变化速率的统计关系(图 4), 发现在人类围填海的驱动下, 江苏中部海岸线的变化和潮滩的围垦呈现出明显的正相关性。

从不同时期来看, 江苏中部海岸的围填海具有明显的空间差异性, 这和海岸线变化的空间不均一性是一致的。1989—1999年期间, 研究区的围填海总面积为394.89 km², 围填海活动主要发生在方塘河口以北海岸, 其中射阳河口~大丰港围填海速率为20.16 km²/年, 同期岸线推进速率为223.69 m/年; 大丰港~小洋口围填海速率为19.03 km²/年, 同期岸线推进速率为223.15 m/年; 小洋口~洋口港围填海速率为0.30 km²/年, 同期岸线推进速率为6.48 m/年, 海岸线的变化是受到人类围填海活动驱动下的被动向外推进过程, 和围垦的面积、空间分布密切相关。1999—2009年期间, 研究区围填海总面积为816.66 km², 整个研究区围填海较为普遍且围垦的面积较大、宽度较宽, 如大丰港在此期间的围垦宽度超过8 km。从岸段看, 射阳河口~大丰港围填海速率达到31.19 km²/年, 同期岸线推进速率308.92 m/年; 大丰港~小洋口围填海速率为33.56 km²/年, 同期岸线推进速率281.78 m/年; 小洋口~洋口港围填海速率为16.92 km²/年, 同期岸线推进速率为191.73 m/年, 总体上该段时间内围填海速率和岸线向外推进速率均达到峰值。2009—2019年期间, 研究区围填海总面积241.18 km², 相比以往面积锐减, 围填区主要集中在方塘河口南北两翼, 其余岸段围填海面积较小。从岸段看, 射阳河口~大丰港围填海速率为3.07 km²/年, 同期岸线推进速率19.34 m/年, 在新洋港北部部分岸段出现了退垦, 围垦区受到海洋动力作用泥沙被侵蚀导致岸线后退, 平均后退速率达到8.75 m/年; 大丰港~小洋口围填海速率为13.90 km²/年, 同期岸线推进速率为182.91 m/年; 小洋口~洋口港围填海速率为7.15 km²/年, 同期岸线推进速率为43.6 m/年。通过拟合上述岸段不同时期围填海速率和岸线变化速率, 二者线性相关性达93%, 表明人类主导的围填海活动在近30 a的时间尺度内造成了江苏中部海岸线在时间和空间变化上的不均一性。

另外, 从海岸线的自然演化过程来看, 岸线的变化主要和海岸海洋动力过程相关, 如海岸物质组成、泥沙供给、海岸潮汐、波浪以及极端天气等均可以在不同的时间尺度上影响海岸冲淤。在江苏中部海岸, 海岸带的底质基本上为淤泥质粉砂, 潮间带宽度较宽、坡度平缓, 盐沼植被随着海岸的淤涨逐步向外扩展, 这些特征可以作为分析海岸线自然变化的定量标志。江苏海岸在1982年开始引种互花米草(Spartina alterniflora Loisel)^[26], 在新洋港~斗龙港岸段存在着大片的盐沼湿地, 1989年以来受到人类围垦影响较小, 目前属于盐城世界自然遗产保护区核心区。通过分析新洋港口~斗龙港口盐沼岸线的变化速率发现, 1989—2019年期间的平均推进速率为291.61 m/年, 1989—1999年期间推进速率为352.16 m/年, 1999—2009推进速率为273.9 m/年, 2009至2019年推进速率为169.43 m/年, 推进速率迅速变小, 与整个中部海岸先大后小的岸线变化趋势差异明显。从数据对比上可以看出, 除1999—2009年间, 其余时间段新洋港口~斗龙港口自然岸线推进速率均大于整体平均值。

对比海岸线变化空间分布特征(图 2), 可以看出每个时期的岸线推进并非南北同步的, 差异非常显著, 除垦区外大部分岸线变幅较小。通过计算岸线变化速率的变异系数(为不同时期岸线变化速率标准差和平均值的比值, 反映不同时期内岸线变化的波动强度), 发现新洋港口~斗龙港之间人工干预较少盐沼的变异系数较小(图 5), 一般在0.4以下, 另外南部的几个围垦较少的河口如方塘河口等变异系数也较小, 其余岸段变异系数均较大且无明显的空间分布规律, 表明江苏中部海岸的向外推进是在人类围填海活动主导下的一种被动、随机的变化过程。另外, 1999—2009年整体岸线推进速率显著大于未围垦盐沼推进速率, 表明该时期存在过渡围垦现象, 这也是2009年以后盐沼岸线及其余岸段向外推进速率急剧下降的重要原因。

3.2 围填海影响下的潮滩断面侵淤特征

海岸线本质上是海陆交互作用的痕迹线, 一般以平均高潮线作为海岸线标志, 在江苏中部海岸, 受到人类大规模围填海影响, 平均高潮线大部分和海堤重合, 在严禁围填海背景下, 潮滩侵淤不但影响海堤稳定性, 对于未来岸线的推进或者后退同样至关重要。本次研究以中部海岸近年来围填海较为剧烈的条子泥潮滩为例, 通过对2013年7月围堤合龙后海岸潮滩断面多次重复观测和取样分析, 发现围填海工程能对潮滩的冲淤变化产生显著影响。在围堤合龙后3 a时间内(2014—2016年), 第一次测量断面形态平缓(图 6a), 坡度为0.44‰, 断面中上部发育多个小型沟槽。随时间推移, 围堤前部快速淤高, 沟槽消失, 断面逐步从双凸演化为上凸形态, 坡度变陡, 2016年实测坡度为0.96‰, 在此期间潮滩断面整体上淤积为主。从2015年9月开始断面下部开始侵蚀, 范围逐步向上扩展, 至2016年6月断面下部1 km范围内均为侵蚀, 平均侵蚀速率为16.69 cm/年, 但在此期间上部持续淤高, 平均淤积速率为38.14 cm/年。在围堤合龙后6 a时间内(2017—2019年), 断面的坡度继续变大, 2019年实测坡度为1.5‰, 断面侵蚀开始扩大到断面中上部。整体上看(图 6b), 2014—2019年断面整体平均淤积速率4.27 cm/年, 中下部平均侵蚀速率达21.66 cm/年, 断面上部平均淤积速率达到19.82 cm/年(图 6b)。

从岸线围填后的潮滩冲淤变化来看, 围填海初期人工岸线外部潮滩呈现普遍淤积状况, 这和陈才俊^[27]、汪亚平^[5]等在江苏中部海岸观测的结果是一致的。在潮滩围垦初期, 海堤对潮波的反射削弱了潮流搬运能力, 引起泥沙在堤前持续淤积, 造成了新的潮滩断面上部开始逐步淤高。对整个潮滩断面而言, 更多的物质向上部输运, 打破了原有的动力-地貌平衡, 为维持越来越陡的地貌形态(图 6a), 泥沙在垂向潮流的作用下从最易侵蚀的下部逐步向中上部输运直到地貌形态和潮波能量达到一个新的均衡态, 在这个过程中, 断面的中部区域可能同时发生着泥沙的“源-汇”过程, 该处侵蚀的泥沙是上部的“源”, 同时也成为下部侵蚀泥沙的“汇”, 进而能保持一个相对的稳态, 到围垦后约4~5 a的时间断面的地貌也趋近于均衡态^[28-29]。从2014年以来的观测结果看, 潮滩中上部离岸1 100~1 300 m范围内地形总体上变幅较小(图 6虚线框), 淤积和侵蚀对该区域影响较小, 表明此处是整个断面冲淤转换的过渡带, 整个断面围绕过渡带形成的“上淤下侵”的演变格局是近岸潮滩对围填海活动的地貌响应模式, 随着上部淤高到平均高潮线附近, 开始发育互花米草盐沼(图 7), 进一步促进了上部断面的淤涨, 逐步形成新的岸线。需要关注的是, 人类围填海活动虽然一定程度上促进了岸线的向海推进, 但是也造成了岸线前部潮滩的侵蚀。对于江苏海岸而言, 海平面上升和泥沙物源减少都是未来海岸带管理者需要考虑的实际问题, 在这个背景下, 海岸岸线-潮滩地貌系统的稳定性或许会面临更大的挑战。

4 结论

1989—2019年期间江苏中部海岸线具有时空变化的不均一性, 海岸线的平均向海推进速率为201.28 m/年, 但在不同时期、不同岸段的变化速率差异显著, 海岸线变化速率变异系数差异较大, 总体来看, 大丰港至小洋口岸段属于岸线变化较为剧烈区域。

1989年以来江苏中部海岸围填海面积为1 452.72 km², 人类围填海速率和岸线变化速率二者相关性系数达93%, 结合岸线变化变异系数空间分布特征, 认为主要是人类围垦活动驱动了近30 a来江苏中部海岸线的向海推进。

在江苏中部海岸, 围填海促进了岸线的推进, 但同时也造成潮间带岸滩中下部的侵蚀, 这种“上淤下侵”的潮滩地貌过程对于未来岸线以及潮滩资源的可持续利用提出挑战。建议下阶段根据海平面上升情景以及海岸带开发利用规划对海岸线的演变趋势做进一步分析。