江苏中部海岸潮沟形态对滩涂围垦的响应

时海东，沈永明*，康敏

(1.南京师范大学 地理科学学院，江苏 南京 210023)



江苏中部海岸潮沟形态对滩涂围垦的响应

时海东1，沈永明1*，康敏1

(1.南京师范大学 地理科学学院，江苏 南京 210023)

摘要：根据2001-2013年江苏中部海岸的遥感影像和野外观测数据，对滩涂围垦影响下潮沟的形态演变过程进行分析。结果显示，研究区潮沟在大规模滩涂围垦影响下整体有明显的退化和消亡趋势，潮沟集水面积由2001年的293.94 km2逐渐降低到2013年的103.40 km2，潮沟长度随着其集水面积的缩减呈幂函数减小(R2=0.98)，而潮沟宽度随着潮沟长度和集水面积的变小呈指数方式变窄(R2分别为0.87、0.93)，总体上研究区每围垦1 km2滩涂，潮沟长度和宽度分别减小约2.60 km和0.67 m，在整个滩涂围垦过程中，落潮后期潮滩的主要排水方式逐渐由潮沟排水向滩面排水方式转变。江苏中部海岸潮沟形态在统计上具有多尺度分形结构，总体上研究区分纬值从大到小依次为潮沟分维值、各潮沟系统分维值、单支潮沟分维值。研究区潮沟的分维值(无标度区间25～210内)在滩涂围垦影响下呈波动性降低，由2001年的1.26逐渐降低到2013年的1.13，各潮沟系统的分维值随着其分汊个数减少呈线性降低(R2=0.89)，各单支潮沟的分维值随着其蜿蜒性减小呈线性降低(R2=0.86)。根据潮沟的退化和消亡过程反推潮沟的起源和发育过程，本研究认为研究区最早出现的一类潮沟可能是陆源水流侵蚀型潮沟，而滩面水流冲刷型和潮流辐聚侵蚀型潮沟是随着潮滩淤积变宽过程逐渐发育的，其最初的发育形态可能是潮滩下部的冲刷凹地。

关键词：潮沟；滩涂围垦；地貌演变；江苏中部海岸

1引言

作为潮滩上典型的沉积地貌单元，潮沟伴随潮滩的形成而出现，在潮滩沉积和水流作用下逐渐发育成熟[1—2]。潮沟虽然在世界各地河口三角洲、平原海岸、海湾、潟湖以及沙洲浅滩上广泛发育，但多数已处于均衡或准均衡状态[3—5]，获得其早期发育过程和后期消亡过程的实测数据较困难[6—7]。较多学者根据卫片、航片和野外观测数据对潮沟形态进行描述[8—9]，分析潮沟发育中期的形态演变过程[10—11]，对影响潮沟发育的环境因子(如潮滩地形、沉积物粒径、水动力、盐沼植被、底栖动物、风暴潮、海平面变化等[12—18])进行探讨，或根据概念模型[19—21]、数学模型[22—24]、实验室模拟数据[25—27]对潮沟起源和早期发育过程进行研究，关于潮沟退化或消亡过程的报道相对较少。近年来，随着各地滩涂围垦活动的快速进行，潮滩上潮沟形态发生较大变化，尤其在冲淤较强的海岸地区，其整体上呈现退化和消亡趋势，并在局部产生新的潮沟系统[28—32]，这为研究潮沟早期发育过程或后期消亡过程提供了新信息源。陈才俊[28]、黄海军和樊辉[29]、Hood[30]、Symonds和Collins[31]、吴德力等[32]分析了滩涂围垦前后潮沟的形态变化和发育特征，而大规模围垦期间潮沟的形态演变过程有待进一步研究。

江苏中部海岸是我国典型的淤长型粉砂淤泥质中、强潮平原海岸，宽阔的潮滩上潮沟系统广泛发育，是研究我国海岸潮沟地貌特征的重要区域之一[13]，近年来随着该区滩涂围垦活动的持续进行，潮沟形态呈现出一定的退化和消亡趋势。本文选择江苏中部从斗龙港至梁垛河口之间面积约为470 km2的潮滩为研究区，拟通过统计2000年以来各围垦阶段潮沟的长度、宽度、密度、集水面积、分形维数等参数信息，定量描述该区潮沟的退化和消亡过程，分析滩涂围垦活动对潮沟形态变化的影响，并根据新形成的潮沟系统和野外观测数据，对潮沟发育和形态演变过程进行探讨。

2数据与方法

2.1数据来源与处理

本文所用数据主要来源于美国国家航空航天局NASA的陆地卫星Landsat TM/ETM+遥感影像，行列号为119/37，影像的空间和时间分辨率分别为30 m×30 m和16 d，成像时间见表1。并分别于2012年12月和2013年4月对江苏大丰、如东的潮滩潮沟地貌在匡围前后的形态变化特征进行观测，以辅助影像的解译和分析。所用影像统一采用横轴墨卡托51°N带投影(UTM 51N)，WGS84基准面，使用ENVI 4.7软件对影像进行几何精校正(精度控制在一个像元以内)。由于研究区潮沟线状地物特征明显，选用TM/ETM+5、TM/ETM+4和TM/ETM+3波段进行RGB标准假彩色合成，结合野外观测在ArcGIS 9.3中进行常规的目视解译[33]，对提取要素(围垦区、潮沟、潮滩等)进行矢量化，统计不同时期各矢量要素的变化特征。

表1　主要遥感影像的成像时间

2.2研究方法

在描述潮沟平面形态的众多参数中，潮沟长度、宽度、集水面积、潮沟密度和分形维数等对滩涂围垦的响应较大，本文主要对这些参数在围垦期间的变化特征进行了统计。其中，潮沟长度由潮沟中轴线法[34]进行描述和统计；考虑到潮位变化对潮沟口宽度的较大影响，潮沟宽度根据潮沟口最低部(喇叭口以上)位置潮沟主干的宽度进行计算；潮沟集水区域[35—36]基于研究区潮沟系统的分汊性和汇水特征来描述(分汊性：每个潮沟系统由一条主潮沟和一系列不同级别的支潮沟组成，主支潮沟相互连通呈树枝状分布；汇水特征：落潮后期滩面薄层水流向附近的潮沟，细潮沟里的水流向支潮沟，继而汇入主潮沟)，如图1所示，将潮沟口、各支潮沟的尾梢顶点及堤坝连线所围区域表示为潮沟系统的集水区域，集水区域的边界在向海一侧紧邻潮沟，向岸一侧到达围垦堤坝前沿，左右两侧则以支潮沟尾梢顶点的连线为准，集水区域的面积即为潮沟的集水面积；潮沟密度[37]是描述潮沟发育密集程度的参数，本文分别用潮沟长度与其集水面积之比(潮沟密度Ⅰ)和潮沟长度与潮滩面积之比(潮沟密度Ⅱ)来定义；潮沟分维值[38—41]是度量潮沟形态复杂性的参数，用数盒子方法进行统计。

图1　2002年研究区的潮沟系统及其集水区域Fig.1　Tidal creek systems and their catchments of the study area in 2002

3结果分析

3.1潮沟长度对滩涂围垦的响应

如图2所示，随着滩涂围垦面积的增加，研究区潮沟长度呈减小趋势，总体上平均每围垦1 km2滩涂，潮沟长度减小约2.60 km。根据潮沟长度在围垦期间的减小速率将滩涂围垦过程大致分为3个时期：高潮带围垦时期(2001—2005年)，中潮带中上部围垦时期(2005—2008年)和中潮带下部至低潮带围垦时期(2008—2013年)。3个时期平均每围垦1 km2滩涂，潮沟长度分别减小约1.18、5.25和1.71 km，其减小速率可能与潮沟密度的分布特征有关。图3为3个时期研究区潮沟的分布及变化情况。

① y=-1.18x+847.69，R2=0.799 6;② y=-5.25x+1 379.10，R2=0.944 3;③ y=-1.71x+737.81，R2=0.882 8;④ y=-2.60x+952.24，R2=0.949 9图2　潮沟形态对滩涂围垦的响应Fig.2　The respond of tidal creeks’ pattern to the reclamation

根据图2和图3可知，滩涂围垦活动对潮沟长度变化产生了较大影响。其具体影响方式包括两个方面(图4)，一是受滩涂围垦活动直接影响，围垦匡围的潮沟长度不断增大，研究区平均每围垦1 km2滩涂，围垦匡围消失的潮沟长度增加约3.32 km；二是受滩涂围垦活动间接影响，堤坝外新生了部分潮沟，使研究区堤坝外的潮沟长度有所增大，但每年新增的潮沟长度随着围垦进程逐渐变小。

3.2潮沟宽度对滩涂围垦的响应

如图5所示，随着滩涂围垦面积的增加，研究区无径流潮沟宽度呈减小趋势，含径流潮沟宽度先是减小，后期有所增大，总体上平均每围垦1 km2滩涂，低潮带每条潮沟的宽度平均减小约0.67 m。含径流潮沟宽度在中潮带下部至低潮带围垦时期有增大的趋势，这可能与滩涂围垦使河流作用逐渐代替潮汐作用控制了含径流潮沟宽度有关。

根据图5可知，滩涂围垦活动对潮沟宽度变化产生了较大影响。根据研究区潮沟宽度与潮沟长度和集水面积之间存在的线性关系(图6)，可将其影响过程表述如下：滩涂围垦使潮沟长度和集水面积不断缩小，落潮后期潮沟所接受的水量随之减少，水动力减弱，潮沟宽度变窄。

3.3潮沟密度对滩涂围垦的响应

如图7所示，随着滩涂围垦面积的增加，研究区潮沟密度总体上呈先增加后减小趋势，这种变化趋势可能与研究区潮沟密度分布分带性特征有关。围垦初期高潮带、中潮带和低潮带潮沟密度分别为0.88、1.87和1.07 km/km2，即高潮带潮沟密度较小，高潮带围垦使堤坝外潮沟密度呈增大趋势；中潮带潮沟密度较大，中潮带围垦使堤坝外潮沟密度呈减小趋势；低潮带多为潮沟主干，低潮带围垦使潮沟密度Ⅰ(单位集水区内潮沟长度)有所增大，使潮沟密度Ⅱ(单位潮滩上潮沟长度)继续减小，其中的差异可能与低潮带围垦较大程度地减小了潮沟集水面积有关。

如图8所示，研究潮沟长度∑L与潮滩面积或集水面积A之间存在着幂函数关系，∑L=aAb。在潮沟长度与集水面积的关系中，参数b的变化范围在1±0.03内，这与Marani等[37]及吴晓东和高抒[15]研究结果较一致，在一定程度上说明本文统计潮沟集水面积所用的方法具有一定的可靠性。根据图1可知，研究区潮沟的集水区域多集中在潮滩中上部，在高潮带和中潮带平均每围垦1 km2滩涂，潮沟集水面积减少约0.96 km2，即在潮滩上部约96%的滩面薄层水由潮沟系统排入外海。若用潮沟集水面积与潮滩总面积之比来评估潮沟排水作用的大小，那么在高潮带向中低潮带围垦过程中潮沟排水作用大小由最初的70%逐渐降低到40%左右，这在一定程度上说明大规模滩涂围垦使潮沟排水作用逐渐减弱，落潮后期潮滩的主要排水方式由潮沟排水逐渐向滩面排水方式转变，从侧面反映了研究区潮沟系统的退化和消亡趋势。

图3　研究区潮沟的分布及变化情况Fig.3　The distribution and variation of tidal creek in the study area

① y=3.32x-111.08，R2=0.998 3；② y=89.04ln(x)-253.80，R2=0.732 4图4　潮沟长度与围垦面积之间的关系Fig.4　The relationship between the tidal creeks’ length and reclamation area

① y=-21.588x+348 2.3，R2=0.979 1；② y=-6.225 1x+2 043.8，R2=0.979 2；③ y=5.869 2x-250.3，R2=0.861 0；④ y=0.076 3x2-28.42x+3 582.3，R2=0.972 7；⑤ y=-7.754 4x+1 558.2，R2=0.985 0；⑥ y=-8.406 9x+2 048.8，R2=0.959 8；⑦ y=-4.139 7x+1 310.4，R2=0.796 0；⑧ y=-4.286x+1 356.8，R2=0.913 2图5　潮沟宽度对滩涂围垦的响应Fig.5　The respond of tidal creeks’ width to the reclamation

图6　潮沟宽度与上游潮沟长度和集水面积之间的关系Fig.6　The relationship between the tidal creeks’ width and the upstream tidal creeks’ length or watershed area

图7　潮沟密度对滩涂围垦的响应Fig.7　The respond of tidal creeks’ density to the reclamation

图8　潮沟长度与潮滩面积和集水面积之间的关系Fig.8　The relationship between the tidal creeks’ length and the area of the tidal flat or the watershed area of tidal creek

3.4潮沟分维值对滩涂围垦的响应

如图9所示，随着滩涂围垦面积的增加，研究区潮沟分维值在一条直线和一条抛物线相交区域内呈波动性下降，总体上平均每围垦1 km2滩涂，潮沟分维值减小约0.006维。潮沟分维值的快速降低反映了研究区潮沟系统的退化和消亡趋势[40]，而潮沟分形维数在降低过程中所表现的波动性变化可能与潮沟密度分布和滩涂围垦有关。

① y=-0.006x+1.295 5，R2=0.962 8；② y=-5×10-6x2+0.01x+1.232 9，R2=0.979 9图9　研究区潮沟分维值对滩涂围垦的响应Fig.9　The respond of tidal creeks’ fractal dimension value to the reclamation in the study area

在计算潮沟分维值时，用正方形盒子将研究区潮沟覆盖起来，发现所得非空盒子数N(r)与盒子边长r之间存在一定的标度关系N(r)～r-D，其中1.129 6

图10　潮沟分维值与潮沟分汊性和蜿蜒性之间的关系Fig.10　The relationship between the tidal creeks’ fractal dimension value and the tidal creeks’ bifurcation or meandering

4讨论

4.1滩涂围垦对潮沟形态的影响

潮沟各形态参数之间是一个相互关联的体系，在该体系中，任何一个参数的改变对其他参数都会产生一定影响，其影响程度一般由各形态参数之间的相关性所决定，而其影响过程往往是由潮滩水流对沉积物的搬运和堆积来完成的。潮沟长度、宽度和集水面积之间的相关性较大(R2分别为0.98和0.93)，滩涂围垦切断了部分潮沟长度，侵占了其集水面积，使落潮后期潮沟的纳潮水量随之减小，低潮带水动力强度减弱，潮沟淤积作用增强，宽度变窄。潮沟系统的分维值与潮沟分汊性和潮沟密度的相关性较大(R2=0.89)，滩涂围垦切断了部分支潮沟，使潮沟交汇点个数随之减少，分维值总体呈现降低趋势，滩涂围垦过程也改变了堤坝外潮滩水动力环境，使局部潮滩区新生了部分潮沟，新生潮沟可能是引起研究区潮沟分维值呈波动性降低的原因，而研究区潮沟密度和分汊性的潮滩分带性差异，即中潮带潮沟的密度和分汊率明显大于高潮带和低潮带，可能是导致围垦中期潮沟分维值波动幅度变大的原因。

4.2潮沟的起源和发育过程

江苏中部海岸潮沟系统根据成因分为滩面水流冲刷型、陆源水流侵蚀继承型和潮流辐聚侵蚀型潮沟[12]。若根据潮沟退化和消亡过程反推该区潮沟的起源和发育过程，陆源水流侵蚀继承型潮沟可能是研究区最早出现的一类潮沟，它们是从入海河口(如斗龙港、王港河、川东港和东台河等)随着海岸淤积过程逐渐过渡延伸而来，并在后期大规模滩涂围垦影响下又逐渐向入海河口退化，是研究区最先出现和最后消失的一类潮沟。滩面水流冲刷型和潮流辐聚侵蚀型潮沟则是在潮滩淤长过程中逐渐发育的，其早期发育过程可描述如下(图11)：随着海岸的淤积过程潮滩宽度不断增大，落潮后期滩面水流对低潮滩的冲刷强度逐渐增强，当潮滩宽度增大到一定程度后，低潮滩下部开始出现较多的冲刷凹地，一些凹地在潮滩淤长过程中因汇水性较差而淤积消失，一些汇水性较好的凹地则不断向岸延展伸长，并在潮滩微地貌的影响下出现分汊型冲沟，各冲沟支汊不断溯源侵蚀发育成滩面水流冲刷型或潮流辐聚侵蚀型潮沟系统。影像分析发现随着滩涂围垦面积的不断增加研究区堤坝外潮滩宽度快速变小，当潮滩平均宽度减小到3～5 km时，低潮带下部开始出现较多新发育的冲沟(图3，2005年)，这些冲沟随着堤坝外潮滩宽度继续减小而逐渐消失，即研究区海岸潮滩宽度淤长到3～5 km的阶段可能是滩面水流冲刷型或潮流辐聚侵蚀型潮沟开始快速发育的时期。

5结论

(1)根据潮沟的分汊性和汇水特征，将研究区潮沟口、各支潮沟尾梢顶点及堤坝连线所围区域表示为潮沟系统的集水区域，使用这种方法所计算的研究区潮沟集水面积与潮沟长度和潮沟宽度之间存在较好的相关性(R2分别为0.98和0.93)。

(2)潮沟各形态参数之间是一个相互关联的体系。潮沟长度随着其集水面积的缩减呈幂函数减小(R2=0.98)，潮沟宽度随着潮沟长度和集水面积的变小呈指数方式变窄(R2分别为 0.87和0.93)；潮沟系统分维值随着其分汊个数减少而线性降低(R2=0.89)，单支潮沟分维值随着其蜿蜒性减小而线性降低(R2=0.86)。

(3)研究区潮沟形态在大规模滩涂围垦影响下呈现明显的退化和消亡趋势。总体上每围垦1 km2滩涂，潮沟长度、宽度和分维值分别减小约2.60 km、0.67 m和0.006维；用潮沟集水面积与潮滩面积之比来评估潮沟排水作用的大小，得出落潮后期潮滩主要排水方式由潮沟排水逐渐向滩面排水方式转变。

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收稿日期：2015-03-23；

修订日期：2015-05-26。

基金项目：气候变化重大基础研究项目(2013CB956503);国家自然科学基金项目(40973053)。

作者简介：时海东(1990—), 男, 江苏省东台市人, 主要研究方向为海岸地貌学。E-mail:15189832427@163.com *通信作者：沈永明, 教授。E-mail:yongmsh@163.com

中图分类号:P748

文献标志码：A

文章编号：0253-4193(2016)01-0106-10

Rapid response of tidal creek network patterns to the reclamation on the central Jiangsu coast

Shi Haidong1，Shen Yongming1，Kang Min1

(1.CollegeofGeographicScience，NanjingNormalUniversity，Nanjing210023，China)

Abstract:Tidal creek system，one of the most particular geomorphology units in muddy flat，is widely developed on central Jiangsu coast. This paper focuses on their evolutionary process in response to reclamation activities using TM/ETM+data of 2001-2013 and field investigation. The watershed area of tidal creeks decreased from 293.94 km2 in 2001 to 103.40 km2 in 2013 following sequential reclamation，which caused the decreasing of tidal creeks’ length with power function and tidal creeks’ width with exponential function. The average change rate of tidal creeks’ length and width was 2.60 km and 0.67 m with 1 km2 reclamation. The drainage pattern of tidal flat was changed from tidal creeks to beach，which implied that the tidal creeks systems in study area have a retrograde and demise tendency. The fractal dimension value D of each single tidal creeks and tidal creek systems were calculated from box-counting method. Results of calculation and analysis indicated that the fractal dimension value D in the region is greater than that of each tidal creek systems，followed by each single tidal creek. The fractal dimension value D in the region is positively correlated with the bifurcation ratio of tidal creek systems，and decreased from 1.26 in 2001 to 1.13 in 2013 with influences of reclamation. The fractal dimension value D of single tidal creek is positively correlated with the meandering of tidal creek. According to the retrograde and demise process of tidal creeks studied the results suggested that the tidal creek inheriting the runoff from land was the earliest tidal creeks，followed by the tidal creek scoured by the currents on tidal flat and tidal creek scoured by the converged tidal currents，whose primary form could be eroded indentation.

Key words:tidal creeks; reclamation; morphologic evolution; Jiangsu coast

时海东，沈永明，康敏. 江苏中部海岸潮沟形态对滩涂围垦的响应[J]. 海洋学报，2016，38(1): 106-115，doi：10.3969/j.issn.0253-4193.2016.01.010

Shi Haidong，Shen Yongming，Kang Min. Rapid response of tidal creek network patterns to the reclamation on the central Jiangsu coast[J]. Haiyang Xuebao，2016，38(1):106-115，doi：10.3969/j.issn.0253-4193.2016.01.010