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滦河三角洲典型潟湖-沙坝海岸岸线稳定性评价

刘修锦 邢容容 邱若峰 陈文超

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滦河三角洲典型潟湖-沙坝海岸岸线稳定性评价

    作者简介: 刘修锦(1987-), 男, 山东蓬莱人, 硕士, 工程师, 主要从事海岸带沉积与整治修复研究, E-mail:lxj871022@126.com;
  • 基金项目: 河北省地矿局项目资助(冀地地审[2016]26号)
  • 中图分类号: P737

The stability evaluation of lagoon-barrier coastline, Luanhe delta

  • 摘要: 滦河三角洲潟湖-沙坝海岸在我国海岸类型中最具特色,具有重要的教学和科研价值,在自然和人类共同作用下,海岸线一直处于动态的演变过程中。选取1987年、2000年和2014年三期遥感影像提取岸线数据,计算近年来潟湖-沙坝海岸岸线纵深度、年均变化速率和稳定性指数,分析各沙坝海岛岸线的稳定性。结果显示滦河三角洲潟湖-沙坝岸线以向陆蚀退为主,最大纵深度变化向陆蚀退近400 m,最大纵深度年均变化速度达-30 m/a,岸线以微侵蚀至严重侵蚀所占比例达到87%,74%海岛稳定性指数小于0.4。这主要是由于滦河中上游修建水库导致入海泥沙量减少,同时港口、养殖池的修建也对岸线稳定性起到负面影响。
  • 图 1  滦河三角洲海岛位置

    Figure 1.  Location of Luanhe delta island

    图 2  滦河三角洲纵深度年均变化速度

    Figure 2.  Island coastlin edepth degree change rate of Luanhe delta

    图 3  滦河三角洲岸线平均纵深度

    Figure 3.  The depth degree change of Luanhe delta coastline

    图 4  滦河三角洲岸线纵深度年均变化速度

    Figure 4.  The depth degree change rate of Luanhe delta coastine

    图 5  1987年—2000年海岛各侵淤等级岸段所占比例

    Figure 5.  Proportion of erosion and deposition grades of island during 1987 to 2000

    图 6  2000年—2014年海岛各侵淤等级岸段所占比例

    Figure 6.  Proportion of erosion and deposition grades of island during 2000 to 2014

    图 7  各海岛侵淤分级

    Figure 7.  Erosion and deposition grades of island

    图 8  滦河三角洲海岛岸线稳定性指数

    Figure 8.  Stability index of Luanhe delta coastline

    表 1  侵淤等级划分标准

    Table 1.  The division standard of erosion and deposition grades

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出版历程
  • 收稿日期:  2018-11-05
  • 录用日期:  2018-12-12
  • 刊出日期:  2020-06-01

滦河三角洲典型潟湖-沙坝海岸岸线稳定性评价

    作者简介:刘修锦(1987-), 男, 山东蓬莱人, 硕士, 工程师, 主要从事海岸带沉积与整治修复研究, E-mail:lxj871022@126.com
  • 1. 河北省地矿局第八地质大队, 河北 秦皇岛 066000
  • 2. 河北省海洋地质资源调查中心, 河北 秦皇岛 066000
基金项目: 河北省地矿局项目资助(冀地地审[2016]26号)

摘要: 滦河三角洲潟湖-沙坝海岸在我国海岸类型中最具特色,具有重要的教学和科研价值,在自然和人类共同作用下,海岸线一直处于动态的演变过程中。选取1987年、2000年和2014年三期遥感影像提取岸线数据,计算近年来潟湖-沙坝海岸岸线纵深度、年均变化速率和稳定性指数,分析各沙坝海岛岸线的稳定性。结果显示滦河三角洲潟湖-沙坝岸线以向陆蚀退为主,最大纵深度变化向陆蚀退近400 m,最大纵深度年均变化速度达-30 m/a,岸线以微侵蚀至严重侵蚀所占比例达到87%,74%海岛稳定性指数小于0.4。这主要是由于滦河中上游修建水库导致入海泥沙量减少,同时港口、养殖池的修建也对岸线稳定性起到负面影响。

English Abstract

  • 滦河多次改道,由西南向东北摆动入海,泥沙在入海口堆积发育一系列亚三角洲,形成大量处于不同发育阶段的潟湖-沙坝沉积体系,具有重要的教学实习和科研价值[1]。20世纪70年代以来,随着滦河兴建水利工程、养殖场、港口等海岸工程[2-3],滦河三角洲海岸沙坝及滨面均处于动态变化中,很不稳定[4]

    已有多位学者从多种不同角度对滦河三角洲典型潟湖-沙坝海岸进行分析研究。高善明[5]、李从先[6]、刘福寿[7]等根据历史和野外调查资料研究分析,受滦河改道摆动影响,滦河三角洲全新世以来先后形成五个三角洲堆积体,是一典型的扇形三角洲。吴桑云[8]研究了滦河口至曹妃甸潟湖的形成、演化等过程,分析人类活动导致潟湖环境退化、岸线侵蚀等不良影响。邢容容[9]、方成[10]、黎刚[11]、施佩歆[12]等利用多期遥感影像资料,分析潟湖-沙坝海岸岸线变化特征,发现20世纪70—80年代以来,由于上游兴建水利工程[13],导致滦河下游水沙大幅减少,沙坝得不到充足的泥沙供应,同时由于港口、养殖场等海岸工程建设,潟湖-沙坝海岸正在遭受破坏,大部分岸线呈明显侵蚀后退状态。程林[14]通过对4次现场调查,分析祥云岛海滩的稳定性,海滩以较强侵蚀、强侵蚀和严重侵蚀为主。陈文超[15]分析了祥云岛2011年—2014年14条海滩监测剖面形态变化情况,认为祥云岛大部分岸段出现较严重的侵蚀,并提出了初步岸滩防护措施。

    上世纪80—90年代研究多集中于滦河三角洲沉积模式与演化方面,2000年以来研究集中在遥感解译岸线演变及原因分析等方面,缺乏对岸线稳定性的研究。本研究在遥感解译岸线[16-17]分析的基础上,构建岸线稳定性指数计算模型,定量分析滦河三角洲海岛海侧砂质岸线稳定性。

    • 滦河干流全长880 km,流域面积44750 km2。地处温带大陆气候区,多年平均降水量390~800 mm,季节分配不均,7月、8月降水量占全年的50%~65%。由于滦河流域上游修建水坝和下游灌区截流,导致入海水沙锐减,2000年以后则经常断流[11]

      滦河三角洲海域的潮汐运动受黄海北部潮波运动控制,属于不正规半日潮,潮差较小。波浪以风浪为主,季节变化明显,春季常浪向为SW向,夏季常浪向为SE向,秋季常浪向为EN向,冬季冰封无浪,强浪向为EN向。

      滦河口位于渤海湾西北平直海岸中部,开口朝东偏北,受河流与海水共同作用,冲积形成典型的扇形河口三角洲,三角洲外缘有滨海沙坝环绕[18]。随着滦河改道,废弃三角洲外缘受海水冲刷改造,形成现今的滦河三角洲典型潟湖-沙坝海岸。自北向南分别为长臂岛、风云岛、佛手岛、海捞岛(2014年已消失)、蛇岗、神奇岛、明月岛、吉祥岛、永乐岛、祥云岛、月岛、菩提岛(图 1)。

      图  1  滦河三角洲海岛位置

      Figure 1.  Location of Luanhe delta island

    • 选取潮位相近的1987年、2000年两期Landsat TM影像(空间分辨率30 m)和2014年Landsat 8 OLI影像共三期影像资料,通过envi 5.1对各影像进行几何校正,并对Landsat 8 OLI的8个多光谱波段(30 m空间分辨率)和一个全色波段(15 m空间分辨率)进行融合,然后对各影像数据进行图像增强处理,并对遥感数据进行几何校准,保证精度控制在0.5像元内,提高图像目视效果,采用目视解译提取海岛岸线进行分析[9]

      利用美国地质调查局(USGS)推荐的数字岸线分析系统DSAS(Digital Shoreline aAnalysis System, Version 4.3),采用终点速率法[19-20]分析岸线变化情况。终点速率法为最常见的岸线分析研究方法,根据DSAS手册,使用不同时期的岸线,在其基础上做相应的基准线[21-22]。以基准线为基础,向岸线方向做断面线,设定断面线间隔,且垂直于基准线,本研究中断面线间隔30 m,断面线近1600条。断面线将与岸线相交,两条不同时期岸线与断面线交叉点之间距离即为岸线的变化程度。

    • 海岛岸线稳定性分析以各时期海岛岸线变迁为基础,引入岸线的纵深度、纵深度年均变化速度、岸线稳定性指数等参数[23],分析海岸线稳定性的空间分布规律,为海岛岸线资源开发利用提供理论基础。

      岸线纵深度是海岸线受自然或人为影响作用下,向海推进或向陆后退的水平距离。为了便于记录,将向海推进岸线的纵深度数值记为正,将向陆后退的岸线纵深度数值记为负。

      纵深度年均变化速度,即岸线变化速度,是单位时间内(一般为年)海岸线向海淤进或向陆蚀退的距离。

      岸线稳定性指数,是相对稳定的岸段(微淤积、稳定和微侵蚀岸段,划分标准见表 1)长度与该分析单元岸线总长度的比值,该比值越大,说明该分析单元岸线越稳定。

      表 1  侵淤等级划分标准

      Table 1.  The division standard of erosion and deposition grades

      各参数计算模型如下:

      式中:D为岸线纵深度值;n为垂直于海岛岸线主体走向的剖面数量;Lk为第k条剖面上的变化距离;SY为纵深度年均变化速度;y为岸线变化时间间隔;E为海岛岸线稳定性指数;Rs为相对稳定岸段岸线的总长度;Rc为该分析单元岸线的长度。E值越大表示岸线越稳定。

      根据DSAS岸线分析结果,测算出各海岛岸线的纵深度、纵深度年均变化速度(图 2)、岸线稳定性指数等参数。

      图  2  滦河三角洲纵深度年均变化速度

      Figure 2.  Island coastlin edepth degree change rate of Luanhe delta

      参考《海洋灾害调查技术规程》,将分析岸段岸线分为严重淤积、强淤积、较强淤积、微淤积、稳定、微侵蚀、较强侵蚀、强侵蚀和严重侵蚀共9个等级(表 1)。

    • 分别计算出1987年—2000年和2000年—2014年两个时间段的滦河三角洲各海岛岸线平均纵深度(图 3)和纵深度年均变化速度(图 4)。

      图  3  滦河三角洲岸线平均纵深度

      Figure 3.  The depth degree change of Luanhe delta coastline

      图  4  滦河三角洲岸线纵深度年均变化速度

      Figure 4.  The depth degree change rate of Luanhe delta coastine

      1987年—2000年间,各海岛平均纵深度均表现为向陆蚀退,以风云岛向陆后退最大,达到-394 m,纵深度年均变化速度超过-30 m/a,祥云岛和菩提岛纵深度变化相对较小,不足-50 m。此时段的海岸线位置变化主要因滦河上游大量修建水库,截流拦沙,导致下游输沙减少而造成的。海岛因得不到充足的泥沙供应,同时又在沿岸流的作用下不断的向下游输沙,导致各海岛侵蚀严重。

      2000年—2014年间,海岛岸线纵深度变化仍以负向为主,仅长臂岛、月岛表现为正向,分别向海推进距离约137 m、217 m,两岛的岸线纵深度年均变化速度均超过10 m/a,吉祥岛向陆蚀退距离最大,纵深度变化达到-260 m,蛇岗和祥云岛纵深度变化相对较小,不足-50 m。对比两期平均变化速率,长臂岛、风云岛、蛇岗、月岛平均纵深度变化大幅度减少,甚至转化为淤积状态,其他海岛两期岸线平均变化速率变化不大。这期间海岛岸线蚀退除了滦河输沙减少外,沿岸大肆修建养殖池、港口是造成海岸蚀退的另一重要因素。2000年之前,海岛与陆地之间有宽浅的潟湖相隔,形成我国典型的潟湖-沙坝地貌体系,2000年之后,在潟湖区挖掘修建养殖池,原地貌体系被破坏,导致岛体持续向陆蚀退,海捞岛也因此被侵占消失。至2014年,滦河三角洲海岛超过70%的岛体由于人类活动,或与陆地相连,或被养殖池侵占,岛体面积缩减,海岸线蚀退。

    • 参考《海洋灾害调查技术规程》,分别统计两个时段海岛各侵蚀等级岸段所占比例(图 5图 6)。

      图  5  1987年—2000年海岛各侵淤等级岸段所占比例

      Figure 5.  Proportion of erosion and deposition grades of island during 1987 to 2000

      图  6  2000年—2014年海岛各侵淤等级岸段所占比例

      Figure 6.  Proportion of erosion and deposition grades of island during 2000 to 2014

      1987年—2000年间,各海岛主要表现为微侵蚀至严重侵蚀,其中明月岛全线均为严重侵蚀岸段,蛇岗和海捞岛严重侵蚀岸段所占比例也达到70%左右。稳定至严重淤积岸段多在15%以下,长臂岛、风云岛、吉祥岛甚至不存在稳定至严重淤积岸段。

      2000年—2014年间,长臂岛强淤积和较强淤积岸段各占50%左右,月岛的严重淤积和强淤积岸段也均接近于35%,菩提岛的稳定和微淤积岸段所占比例均超过40%。虽然部分海岛侵蚀情况较1987年—2000年间略有缓解,但岸线蚀退仍不可忽视,神奇岛严重侵蚀岸段所占比例超过90%,吉祥岛、佛手岛、风云岛的严重侵蚀岸段均占60%以上,总体来看,除部分海岛岸线侵蚀略有缓解,岸线整体仍呈侵蚀状态。

      按照上述侵淤等级划分标准,依据滦河三角洲各海岛纵深度年均变化速度判别各海岛的侵淤级别(图 7)。1987年—2000年间,表现为严重侵蚀的海岛有4个,分别为风云岛、海捞岛、蛇岗、明月岛,长臂岛和吉祥岛表现为强侵蚀,佛手岛、神奇岛、永乐岛和月岛表现为较强侵蚀,仅祥云岛和菩提岛表现为微侵蚀;2000年—2014年间,表现为严重侵蚀的海岛分别为神奇岛和吉祥岛,风云岛、佛手岛、明月岛表现为强侵蚀,永乐岛表现为较强侵蚀,蛇岗和菩提岛表现为微侵蚀,祥云岛表现为稳定,长臂岛表现为较强淤积,月岛表现为严重淤积。

      图  7  各海岛侵淤分级

      Figure 7.  Erosion and deposition grades of island

      各海岛两期侵淤情况变化各异,有6个海岛侵蚀情况变弱,主要表现为长臂岛由强侵蚀转为较强淤积,风云岛由严重侵蚀转为强侵蚀,蛇岗由严重侵蚀转为微侵蚀,明月岛由严重侵蚀转为强侵蚀,祥云岛由微侵蚀转为稳定,月岛由较强侵蚀转为严重淤积;同时有3个海岛侵蚀情况变严重,分别为佛手岛由较强侵蚀转变为强侵蚀,神奇岛由较强侵蚀转为严重侵蚀,吉祥岛由强侵蚀转为严重侵蚀;永乐岛和菩提岛侵蚀情况未发生变化。

      总体来看,2000年—2014年间各海岛侵蚀情况较1987年—2000年间略有减弱,究其原因主要是2000年—2014年间,养殖池大肆修建并侵占海岛,岛体后缘硬化,岛体部分岸段已侵蚀至养殖池边缘,高潮时已无砂质岸滩,岸线不再后退,因而使得该时段侵蚀情况较1987年—2000年减缓。

    • 滦河三角洲潟湖-沙坝海岸各海岛岛体均为泥沙岛,呈长条形平行于海岸分布,相对脆弱,在沉积动力、人类活动等的综合作用下,导致岛体高程、形态、岸线位置等基础地理信息随时都在发生着变化,岛体的稳定性也随之而发生变化。

      根据岸线稳定性指数公式计算1987年—2000年和2000年—2014年两个时期的海岛岸线稳定性指数E,详见图 8

      图  8  滦河三角洲海岛岸线稳定性指数

      Figure 8.  Stability index of Luanhe delta coastline

      1987年—2000年间,菩提岛稳定性指数近于1,月岛稳定性指数略高于0.4,其他海岛稳定性指数均小于0.4,其中风云岛、海捞岛、明月岛、吉祥岛稳定性指数更是低至0。2000年—2014年间,蛇岗和菩提岛的稳定性指数均高于0.8,永乐岛、祥云岛的稳定性指数略高于0.4,长臂岛、神奇岛、明月岛、吉祥岛稳定性指数低至0。

    • 海岸稳定性是一种反应海岸状态的复杂性质,它受到自然因素和人为因素的双重作用。

      滦河三角洲潟湖-沙坝海岸总体呈NE-SW走向,岸前无任何遮蔽,S-SE向浪可直接作用于海岸线,产生的离岸流和沿岸流将泥沙带到深海或下游地区,导致岸线蚀退。

      20世纪70年代以来,滦河中上游地区大量修建水库,蓄水拦沙,下游引水灌溉,导致滦河入海泥沙量锐减,潟湖-沙坝海岸得不到充足的泥沙供应。2000年以来,港口、养殖池等工程大量修建,不断侵占海岸,导致自然岸线消失,养殖池不断向海推进,挖掘养殖池泥沙在海边堆积,导致长臂岛整体向海推进。港口丁坝、防波堤的建设拦截上游来沙,引起上游淤积,下游因泥沙供应不足而发生蚀退。

      近年来,随着大清河水量日趋减少,其对沿岸流的贡献率也发生下降,同时祥云岛侵蚀的沉积物在下游的月岛岸段发生沉积,使得月岛外沙坝岸线发生向海推进。

    • (1) 1987年—2000年间,各海岛均表现为向陆蚀退,以风云岛岸线平均纵深度变化最大接近-400 m,纵深度年均变化速率近-30 m/a。2000年—2014年间,大部分各海岛纵深度变化仍表现为向陆蚀退状态,仅长臂岛和月岛呈向海淤进状态。

      (2) 1987年以来,滦河三角洲各海岛岸线以微侵蚀至严重侵蚀所占比例最大。总体来看,2000年—2014年间各海岛侵蚀情况较1987年—2000年间略有减弱。

      (3) 1987年以来,滦河三角洲绝大多数海岛岸线稳定性指数低于0.4,主要是受滦河来沙量锐减以及修筑港口、养殖池等影响。

参考文献 (23)

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