1985—2020 年滨州和东营海岸线时空演变分析

王菡， 孙贵芹， 李雪飞， 刘宁， 魏潇， 聂超辉， 孙伟， 徐艳东*

(1.山东省海洋资源与环境研究院， 山东省海洋生态修复重点实验室， 烟台 264006； 2.上海海洋大学海洋科学学院， 上海 201306； 3.临沂市自然资源开发服务中心， 临沂 276000)

海岸带是陆地和海洋之间的过渡地带，是典型的生态交错带和脆弱区，更是人类开发利用强度最高的区域之一[1]。海岸线是多年平均大潮高潮位形成的痕迹线[2]，剧烈的变化直接给潮间带滩涂资源量、海岸带环境以及沿海地区人民的生存和发展带来诸多问题，其时空演变及未来发展的研究已成为中外学者关注的焦点[3-6]。20世纪海岸线变化监测主要依托航空摄影测量技术和历史地图资料，21世纪以来机载雷达、遥感和地理信息系统(geographic information system，GIS)逐渐成为主要监测手段[7]。

一般所称的“黄河三角洲”多指近代黄河三角洲，是由黄河挟带泥沙形成的冲积平原[8]，三角洲呈扇形，顶点为垦利宁海，北起套尔河口，南至支脉沟口[9]。近年来，在自然环境变化和人类活动的双重作用下，黄河口岸线侵蚀淤积变化更为明显，给黄河三角洲开发与保护带来了很大的挑战[10]，其海岸线演变得也到了众多学者的关注。Fan等[11]分析了调水调沙以来三角洲岸线动态变化，发现冬季现行流路河口三角洲发生侵蚀；Jiang等[12]分析了在人类活动和自然条件的共同影响下黄河三角洲1977—2005 年不同阶段呈现出不同演变格局；程慧等[13]采用遥感及数理统计的方法揭示了1976—2014 年孤东近岸海域冲淤演变过程及其影响因素；王奎峰等[14]采用一般高潮线法提取了1976—2014 年不同时期的黄河三角洲海岸线并对其变化特征进行了分析。目前，黄河三角洲的研究主要集中在不同时空范围的海岸线变迁以及海岸线变迁与水沙的关系等，鲜见针对港口码头和防波堤等类型岸线变化的系统研究。

滨州和东营两市位于黄河三角洲高效生态经济区，大部分区域属于黄河三角洲，近年来随着社会经济的快速发展，其海岸线长度和类型发生了较大变化。本研究基于遥感和GIS技术，运用人工矢量化方法提取海岸线，聚焦1985—2020 年研究时段，通过8 期历史遥感影像对滨州和东营两市海岸线进行遥感解译分析，掌握海岸线时空变化特征及驱动因素，并重点关注35年来研究区域的港口码头、防波堤及入海口岸线的时空变化过程，以期为海洋空间资源节约集约利用、黄河流域生态保护与发展提供相应的科学依据。

1 研究区概况与数据资料

1.1 研究区概况

研究区域位于山东半岛北部，包括滨州市和东营市的陆域及近岸海域，地理位置如图1所示，总面积为17 843 km2。研究区位于黄河三角洲高效生态经济区和环渤海经济圈，区位优越且资源丰富，分布有东营港和滨州港两个山东省的区域性重要港口，海岸开发活动较为活跃。

1.2 遥感数据来源与处理

选用美国陆地卫星Landsat系列影像数据，自1985—2020 年每5年为一期共选取8 个时相，在保证影像质量的前提下，尽量选择大潮高潮时期且无云雾遮挡的影像数据，如表1所示。所有时相的遥感影像均在ENVI中进行预处理，校正配准的误差在半个像元内，采用标准假彩色显示，以便更容易识别影像数据，并将行政区划矢量数据、2005 年SPOT影像、Google Earth高清影像和野外实测数据等作为岸线提取的辅助数据，以提高解译精度。

图1 研究区地理位置Fig.1 Location of the study area

表1 遥感影像数据信息Table 1 Remote sensing image data information

1.3 研究方法

1.3.1 海岸线提取原则及方法

根据不同类型海岸线解译标志，研究区海岸线类型主要有淤泥质岸线、人工岸线和河口岸线。提取原则及解译标志如表2所示。

表2 海岸线分类体系表Table 2 Classification of coastline

基于ArcGIS软件并根据不同类型海岸线在遥感影像上的特征，参考Google Earth和野外实测数据等辅助资料通过人工目视解译获取海岸线的位置。为保证前后两个时期未变动海岸线位置的一致性，综合2005 年Landsat和SPOT影像数据，通过目视解译提取2005 年的海岸线数据，其他7 个时期的海岸线数据均以2005年矢量数据作为本地数据，只对发生变化的区域进行重绘，有效避免不同分辨率和时相的遥感影像进行岸线提取时出现的“双眼皮”现象。

1.3.2 海岸线提取误差分析

通常，通过遥感影像获取的岸线受人为因素影响较大，结果与真实岸线存在差异[18]。采用较为通用的推论评估法对海岸线提取结果进行质量评估[19]，分析岸线提取过程可能存在的误差项，计算综合[20]，其计算公式为

(1)

式(1)中：U表示综合误差，Er、Ed、Ep、Etd、Es分别为校正误差、数字化误差、像元误差、潮差误差、季节误差。影像在校正时误差控制在半个像元内；海岸线的数字化严格按照解译标志来完成；保证海岸线属性判对率；同时像元误差控制在一个像元以内。由于研究区大部分是人工岸线，且有淤泥质岸线的黄河口为弱潮型河口，潮位对海岸线提取影响较小，研究选取的数据为同一个季节的遥感影像，故潮差误差和季节性误差可忽略不计。8期研究数据均为30 m分辨率的影像，该分辨率影像线要素提取的最大允许误差为28.28 m[16]，结合野外实地勘测GPS数据，岸线误差小于最大允许误差，精度可满足研究的需要。

1.3.3 海岸线长度变化强度

海岸线长度变化强度(length change intensity，LCI)是某一时间内岸线长度年均变化百分比，分析岸线长度变化速度的差异[21]，其计算公式为

(2)

式(2)中：LCIij为第i年至第j年海岸线长度变化强度；Li为第i年海岸线的长度；Lj为第j年海岸线长度。

1.3.4 海岸线多样性

海岸线类型多样性指数(index of coastline type diversity，ICTD)可体现岸线开发方式的多样性[22]，其计算公式为

(3)

式(3)中：Li为第i年海岸线的长度；n为海岸线类型的个数。ICTD越接近1，表明岸线类型越复杂，多样性较高；ICTD越接近0，表明岸线类型越简单，多样性较低。

1.3.5 海岸线利用强度

海岸线利用程度综合指数(index of coastline utilization degree，ICUD)表示海岸线受人为作用的影响程度[22]。参照土地利用程度综合指数计算方法[23]，根据人类活动对海岸线的干扰程度，对不同类型的海岸线赋予不同的人为作用强度指数：淤泥质岸线=河口岸线=1，防波堤=2，养殖围堤=盐田围堤=3，建设围堤=港口码头=交通围堤=4。其计算公式为

(4)

式(4)中：n为海岸线的类型个数；Ai为第i种类型海岸线对应的人力作用强度指数；Ci为第i种类型海岸线的长度百分比。ICUD越大，表示海岸线受人为作用的影响越大。

2 结果分析与讨论

2.1 海岸线长度时空变化

1985—2020 年海岸线提取情况如图2所示，岸线长度变化情况如表3所示。从时间上来看，研究区岸线长度总体呈增长趋势，由1985 年的667.16 km增加到2020 年的995.19 km，35年来共增加328.03 km，年均增加9.37 km。统计结果显示，岸线长度仅在2000—2005 年长度有所减少，其中滨州段从2000 年的235.78 km减少到2005 年的135.41 km，主要原因为自然岸线以“截弯取直”的方式转化成了人工岸线，岸线变得较为平直，曲折度降低。2005—2020 年是海岸线增长的集中时期，岸线长度共增加254.69 km，年均增加16.98 km，增长的主要原因是人为建设导致的岸线向海扩张，同时黄河携带大量泥沙入海致使入海口产生明显的淤积，使得岸线长度增加[24]。

海岸线长度变化强度如图3所示，1985—2020 年年均变化强度为1.40%，变化强度呈现先增高后下降，而后再增高又下降的特点。岸线长度1985—2000 年为增长阶段，该时段是围海养殖扩张时期；2000—2005 年为减少阶段，变化强度为-1.48%，自然岸线转变为人工岸线并向海推进，岸线曲折度降低；最高年变化强度出现在2005—2010 年时间段，变化强度为3.61%，该时期为岸线快速增长阶段，最大驱动因素是人工岸线迅速增加；2010—2020 年为岸线缓慢增长阶段，主要原因为该时期围海养殖活动大幅减少。总体来说，研究区岸线增长的最大驱动因素是人类活动，除了大量养殖围堤岸线的修建，滨州港和东营港的港口码头及防波堤建设在研究区岸线变化中均具有重要影响。

图2 1985—2020年研究区海岸线长度变化Fig.2 Changes in the length of the coastline of the study area from 1985 to 2020

图3 1985—2020年研究区海岸线长度变化强度Fig.3 Change intensity of coastline length in the study area from 1985 to 2020

2.2 海岸线结构变化

海岸线结构指某一区域不同类型岸线的长度比例，能够反映多种作用影响下不同类型岸线的状态[25]。在不同研究期，各类型海岸线分布及所占研究区的比重也不同如图4和图5所示。

统计结果表明，1985 年海岸线主要以淤泥质岸线为主，占总长度的76.28%，至2020 年发展为以人工岸线为主，占岸线总长度的83.15%。35年间淤泥质岸线的比重减少了59.9个百分点，主要是大量自然岸线被开发为人工岸线；河口岸线整体趋于平稳状态，岸线长度和位置未发生较大改变；研究区盐田围堤岸线占岸线总长度的最高比例为5.07%，最少时是2005年无此类型岸线；建设围堤岸线分布在黄河口的北部，占岸线总长度的最高比例为17.37%；交通围堤岸线整体变化不大；1985—2005 年为围海养殖扩张期，养殖围堤岸线长度持续增长，2005—2020 年养殖围堤岸线比重有所减少，但仍为占比最大的类型，该类型岸线主要分布在研究区北部和黄河口南部；港口码头岸线在35年间由9.47 km增加到158.20 km，岸线所占比例由1.42%增加到15.90%，自2005 年起增长明显，原因是滨州港和东营港的建设，其中，滨州港自2007 年开始大规模开发建设，东营港始建于1984 年，但由于航道和港池淤积使得前期建设缓慢，自2010 年起开始大规模开发建设；防波堤是保护沿海港口不可少的工程，随着港口码头建设，防波堤工程也配套跟进，使得防波堤岸线不断增长，所占岸线比例从1985 年的7.89%增加到2020 年的22.85%。综上，养殖围堤岸线、港口码头岸线和防波堤等人类活动是导致人工岸线长度和比例增加的主要原因。

表3 1985—2020年研究区分区域海岸线长度统计Table 3 Statistics on the length of coastline in the study area from 1985 to 2020

图4 1985—2020年研究区海岸线类型变化图Fig.4 Changes of coastline types in the study area from 1985 to 2020

图5 1985—2020年研究区各类型海岸线长度比例Fig.5 Proportion of various types of coastline in the study area from 1985 to 2020

2.3 海岸线多样性和利用强度

海岸线类型多样性指数(ICTD)和岸线利用程度综合指数(ICUD)变化情况如图6所示。结果表明，35年间ICTD平均在0.4以上，且呈先增加后减少再增加的特点。ICUD呈现先增加后减少的特点，减少不明显，由1985 年的145.98增加到2010 年的271.84而后再减少到2020 年的268.30，人类活动对海岸线变迁的干扰作用在增大。1985—1995 年ICTD和ICUD持续增加，表明岸线类型复杂化，且人类干扰作用加大，这是由于养殖围堤和建设围堤岸线长度的增长，使得岸线多样性增加；ICTD在2000 年和2005 年略微下降后又上升，原因为人工岸线长度不断增加；ICUD在1985—2010 年大幅度升高，表明海岸线受人为影响的作用变大，主要为人工岸线比例持续增长，其他类型岸线长度减少，ICUD在2015 年和2020 年有所降低，该时期自然岸线(淤泥质岸线)占比有所增加。

图6 1985—2020年研究区海岸线类型多样性指数和利用程度综合指数变化Fig.6 Changes diversity index and comprehensive utilization index of coastline in the study area from 1985 to 2020

2.4 黄河口岸线时空变化

河口是海洋和陆地相互作用、物质交换最频繁的地区[26]，日益加剧的人类活动对河口海岸地区的生态环境产生了很大影响。黄河口在自然和人为因素影响下曾多次改道，致使黄河三角洲海岸线演变更加剧烈和复杂，重点从刁口河段和入海口段分析黄河口1985—2020年的海岸线变迁。如图7所示，1976 年黄河经人工改道由清水沟入海，原刁口河流路废弃，清水沟废弃流路是1976—1996 年入海流路，后于1996 年经人工改道由清8断面入海，现行流路清8断面是由清水沟废弃流路改道[27]。

图7 黄河口流路变迁图Fig.7 Map of river course change of the Yellow River Estuary

1985—2020 年刁口河段岸线变迁情况如图8(a)所示。1985—1995 年间海岸线以海洋侵蚀为主，大幅度向内陆蚀退。1976 年黄河改道清水沟，刁口河流路废弃在失去泥沙补给和海水侵蚀的双重作用下，该流路附近海岸线发生不同程度的蚀退，蚀退较厉害的是刁口河东侧。在2005—2020 年岸线有轻微的淤进状态，原因是自2010 年起实施了黄河三角洲生态调水，刁口河流路恢复过水，为该段带来了泥沙。整体来说，35年来刁口河段的海岸线先向陆侵蚀而后再向海淤进，侵蚀速度大于淤进速度。

入海口段分为清水沟废弃流路和现行流路清8断面两个部分，如图8(b)所示，1985—2020 年不同时段的沙嘴海岸线变化形态不同。入海口清水沟废弃流路在1985—2000 年海岸线不断向海扩张，且淤进较为明显。黄河自1976 年改道清水沟流路，黄河携带大量泥沙，致使南部沙嘴不断地向东扩张淤进。1996 年经人工改道清8断面流路后，北部开始出现形成入海口现行流路清8断面。南部区域因失去了泥沙补给，岸线向陆蚀退比较严重，北部因黄河入海带来大量泥沙，淤积程度明显。

2.5 海岸线时空变化驱动因素分析

研究区在1985—2020 年间海岸线发生了明显的变化，主要表现为向海扩张，海岸线总长度约增加了328.03 km，受到了自然因素和人为因素的双重影响，自然因素主要为河口淤积和蚀退，人为因素为围海养殖、港口码头建设和防波堤建设等。

(1)河口淤积和蚀退等自然因素。在35年海岸线变化过程中，自然岸线变化以黄河口较为显著，黄河尾闾河道摆动使得入海口位置发生改变，其岸线演变受到黄河水沙条件的影响较大。刁口河流路在黄河改道后失去泥沙补给，该段岸线呈现蚀退现象，自2002 年实施黄河三角洲生态调水，该流路恢复过水并带来泥沙，有轻微淤进，但整体蚀退大于淤进。入海口段南部区域在1985—2010 年淤积明显，岸线快速向海推进，2010 年左右入海口向北摆动，北部区域沙嘴急剧扩张，南部区域沙嘴失去泥沙补给出现蚀退现象。

图8 1985—2020年刁口河和入海口段海岸线变化Fig.8 Changes in the coastline of the Diaokou River and its estuary from 1985 to 2020

(2)围海养殖、港口码头和防波堤建设等人为因素。与自然因素相比，人为因素对研究区的海岸线变化影响较大。35年来人工岸线占岸线总长度的比例由22.95%增加到83.15%，海岸开发活动主要呈现为以围海养殖为主向围海养殖、港口码头、防波堤为主转变的特征。研究区有丰富的滩涂资源，适合养殖，1985—2005 年是围海养殖扩张期，主要是滩涂转变为围垦养殖用地，养殖围堤岸线占岸线总长度的比例由6.15%增加到45.25%，期间建设了位于黄河入海口北侧沿岸的孤东海堤，保障了研究区内油田生产活动。2005—2015 年是填海造地扩张期，受城市化进程和海洋经济快速发展的驱动，研究区内的滨州港和东营港都得到了大规模开发建设，防波堤工程也配套跟进，港口码头岸线和防波堤岸线所占比例不断增加，岸线不断向海扩张，曲折度升高。2018 年国家出台最严围填海管控措施，大规模围填海活动得到控制，研究区2015—2020 年研究区岸线总体上增加不明显。

2.6 海岸线长度和类型讨论

目前学界较为认可的海岸线定义方法有两种，一种是将最大潮高潮所形成的海陆分界痕迹线作为海岸线位置[28]；另一种是将海岸线限定为平均大潮高潮时形成的痕迹线[29]。2019 年山东省发布的《海岸线调查技术规范》中，海岸线定义采用第二种方法，岸线类型包括自然岸线(基岩岸线、砂质岸线、粉砂淤泥质岸线)、人工岸线和其他岸线(河口岸线、具有自然岸滩形态和生态功能的海岸线)[30]。在提取研究区海岸线时，采用最大潮高潮线法并将最大潮高潮露出水面的狭长形港口堤坝视为海岸线，为减小误差，在收集影像数据时尽可能保证季节时间一致，另外由于遥感影像分辨率的限制，未考虑具有自然岸滩形态和生态功能的海岸线，所以本文提取的海岸线长度和类型与行政部门公布的长度和类型存在一定的差异。

3 结论

以滨州和东营两市陆域和近岸海域作为研究区，基于遥感和GIS技术提取1985—2020 年海岸线，分析了研究区35年间海岸线的时空变化特征及驱动因素，得到如下主要结论。

(1)研究区35年间海岸线变化形式表现为向海扩张和向陆缩减，以向海扩张为主。

(2)研究区35年间海岸线向陆缩减，主要由于淤泥质岸线的缩减，1976 年和1996 年黄河入海流路发生两次大的变化，原入海口入海泥沙大量减少致使废弃流路岸线受到侵蚀。

(3)从岸线类型上看，自然岸线主要为淤泥质岸线，且该岸线长度不断减少。在人工岸线中养殖围堤岸线最多，养殖围堤是研究区最重要的海域开发利用方式。2005 年以来港口和防波堤类型的海岸线快速增长，分别由2005 年的20.22 km和69.17 km增加到2020 年的158.20 km和237.45 km。

(4)研究区35年间黄河口海岸线的变迁呈明显时空差异性，岸线变化的最大驱动因素是受黄河入海口流路变迁影响，废弃流路受侵蚀导致岸线蚀退，现行流路的海岸线不断向海淤进。