城市河口填海特征及其生态影响的形态学研究

葛 玥，龚清宇

（天津大学 建筑学院，天津 300250）

河口，是开放海面与河流相连的通道，也是人类填海起源地区。其中平坦开阔、资源丰富，但缺少天然屏障的淤泥质（基质粒径小于0.031mm）河口［1］，是最活跃的填海区域之一。

我国城市化进程快,土地与发展间矛盾巨大。填海成为沿海地区获取土地的重要方式之一：如2002年后渤海地区填海面积占全国比例由6.57%增长到30.35%，其中天津增速最快，较2002年前填海面积增加了106.9倍［2］。然而，填海在释放土地经济效益的同时，造成生态承载力的不断下降［3］。本文从城市形态学角度切入，借鉴先进图像绘制方法，研究城市河口填海形态与生态的关系，旨在为填海规划及评价提供一定参考，并为填海地区经济发展与生态保护的适当平衡提供有益借鉴。

1 相关研究动态及问题

1.1 城市形态学

城市形态学始于19世纪初，以物质空间的属性、结构为线索，旨在寻找形态的机理解释。传统城市形态学以意大利、法国和英国三大学派为代表，以欧洲中世纪历史城镇为研究对象，在城市演进下衰落。为解释蔓延的“无形态城市”［4］，2007年国际城市形态论坛确定研究对象转移到亚洲等新的人类活动区的目标［5］，标志城市形态学当代复兴。然而，对于填海造地下的城市河口等极缺且亟需形态认识和形态控制的地区，城市形态学研究并未涉及。

1.2 制图技术

制图（Mapping）是贯穿城市形态学始终的研究方法，是根据特定需要对真实环境信息进行提炼过滤和重组的技术［6］，包括原始图像、转换算法和重建图像三大要素，旨在借助图像凸显构成逻辑。传统制图数据源种类少、转换算法主观模糊、成图费时偏差大的问题，在当代遥感技术和地理信息系统（GIS）支持下得以弥补。但制图三要素的标准需求始终缺乏论证，导致形态研究结果准确度和可信性降低。

2 城市河口形态绘制

2.1 研究对象筛选

相关研究显示，地理位置和气候条件是河口案例选择的重要标准［7］。本次将天津作为典型案例，选择与其自然环境类似的北半球、温带或亚热带气候区、淤泥质海岸的20个大中型河口建港城市为研究对象（见表1）。

表1 各城市河口基本情况

2.2 % 城市河口形态绘制

近20a来，遥感和GIS使测绘精度大幅提升，一系列大规模、长历时海岸带绘制工程得以开展［8-9］并引发制图方法新的研究热潮，很多前沿成果成为本次的参照依据。

2.2.1 数据源选择

GE卫星地图为欧美和包括中国在内的亚洲主要国家提供分辨率1m和0.5m的高精图像，几乎覆盖本次研究的全部案例，成为满足本次研究需求的原始图像来源。

2.2.2 % 河口形态拾取规则

（1）形态要素分类

形态要素分类见表2。

表2 城市河口形态要素分类

（2）拾取精度确定

对自然与人工要素主导的河口分别选用不同拾取精度（最小地图单元MMU）标准：在人工要素主导的河口区，以识别最小人工构筑物形态（即显示为狭长面）为确定MMU阈值标准；在自然形态要素主导的河口区，以识别最小自然要素形态，且识别最小人工构筑物位置（即显示为点或线）为标准。 根据A.M.Lechner等（2009）1/11原理［10］，及刘学军等（2009）根据最小可视元原理［11］得出的成图比例与MMU关联公式，得出本次需要的数据源为：建设河口段分辨率1.42m，成图比例1∶5714，截图视高1.2km；非建设河口段分辨率2m，成图比例1∶20000，截图视高4.3km。 所需分辨率在GE影像可提供范围内，验证为合理。

2.2.3 图像重建标准

2.2.3.1 手工描绘阶段

以1.42m和2m间距栅格网作为不同河口段描绘线拐点定位参照标准，描绘各城市河口形态和规模特征。手工描绘具有一定主观误差，无法保证统一精度。

2.2.3.2 统一处理阶段

以手工制图成果为基础图像，以ArcGIS为图像处理工具，统一描绘标准；利用基础形态指数稳定区间，确定第2阶段图像重建粒度与幅度，确保后续指数研究准确度。

（1）重建幅度

河口在缺乏长历时潮汐数据下，难以确定形态界限［12］。 本文应用B-L曲线法（B为河岸宽度，L为距离原点沿河流轴线的累积长度），以曲线上明显拐点（河流为承载河口水文过程而突然放宽）为河口-河流分界点，以外包络线为河口-海洋分界线［13］。统计得出城市河口研究幅度（面积）集中在100～300km2，见图1。

（2）重建粒度

根据基础图像2m分辨率标准，设置9组对照组（MMU4,6,8,10,12,15,20,30,40）。以面积、长度和边界密度为基础指数，找出维持其稳定变化的MMU区间，得出MMU边长阈值为10m，即利用ArcGIS、以更大间距栅格网处理原始图像，图像形变趋势将改变；边长4m、6m的两个对照组形变最小，稳定性最强。综上考虑，6m是适宜本次研究的重建图像粒度标准。

图1 河口范围界限图与B-L曲线图（以英国泰晤士港Thames河口为例）

4 城市河口形态指数分析

指数分析是分解要素并寻找关联的量化方式，可挖掘出不易被图像直观表示的细节特征。在适宜的尺度下，保证分析准确性。

4.1 指数选取原则

Maggi Kelly（2010）［14］、李秀珍（2004）［15］等发现越简单的指数，变化趋势稳定性越强，可靠性越高。所以本文以基础性、针对性、简单化为原则，设定河口形态特征指数。

图2 填海方式示意图

4.2 特征指数分类统计

4.2.1 填海方式与斑块破碎度

根据填海边线与岸线位置关系，将填海方式分为3类：顺岸式、补岸式和凸岸式，见图2。

可以发现，区位便利的河口头部是填海发生的最主要位置；我国填海位置超出河口范围案例占到80%，多为凸岸式，反映出我国填海现状多方向扩张态势；在岛屿斑块间进行填海活动最不易直观辨识（荷兰和韩国都采用此方式），凸岸式则最容易通过形态识别出来，往往会成为城市河口形态中的标地，甚至影响整个城市识别性。

将填海斑块数量与其面积总和的比值定义为破碎度，直观反映填海斑块形态的分割程度。结果表明，亚洲城市河口填海斑块破碎度较低，其中天津独流减河南疆港规划采用凸岸式单一斑块填海，是其余案例填海斑块平均面积的近6倍，造成亚洲填海斑块平均值（32.36km2）超过欧美（14.36km2）2.25倍，类比于在不足荷兰填海历时1/100情况下完成更剧烈的填海工程。

4.2.2 潮间带宽度与衰退指数

潮间带是介于平均大潮高低潮位之间、可稳定岸线的地带。剧烈的填海活动使潮间带宽度减小并丧失自然缓冲防护功能［16］。其中平均高低潮位之间的潮间带潮汐作用最活跃，对河口形态起主要维护作用，其宽度作为本次评价城市河口形态稳定性的指标：统计各城市河口范围GE影像更新时间，确定潮位数据统计时间，提高潮位数据与图像匹配度；搜索潮位监测数据，计算与影像更新年份对应的年均高、低潮高程和平均潮差；利用GE高程提取工具，确定城市河口研究范围内高低潮位线平面位置，量取其与影像显示潮滩边界的距离；根据偏移距离，修正阶段2图像的潮间带边界，计算城市河口范围内潮间带平均宽度，见图3。

图3 潮间带宽度修正流程

按照GE影像更新时间和覆盖度，将20个城市河口分为4类，见图4。欧洲案例普遍影像更新滞后于亚洲案例，这与当代亚洲大规模填海背景相一致。

图4 城市河口GE影像更新时间图

从数据与绘制图像匹配度出发，以最近GE更新时间为统计终点，统计2000年后各年平均潮差。结果表明，绝大多数在2005～2006年出现年平均潮差拐点，呈现典型二次函数曲线特征，说明近几年潮汐过程明显不同于早年。这是全球自然条件与局部人工环境共同作用的结果。因此将拐点时间作为统计始点，计算始点至终点年份之间平均高、低潮高程和潮差的年平均值，准确反映城市河口潮汐状态，并排除监测瞬时差异。

结果显示，案例中多数潮间带宽度较小，特别是天津海河口，不断扩张的填海范围已全面侵占原本宽阔的滩涂。对照填海方式可见，凸岸式填海下潮间带对于城市河口岸线形态稳定作用最弱。

基于对填海位置和方式的整体认识可知，多数城市河口填海造地的面积，是以侵蚀潮间带面积换取的，因此利用填海面积占其与潮间带估算面积总和的比值 （即填海侵占原本潮间带的比率）作为间接衡量潮间带衰退程度指数。

结果显示，35%案例潮间带衰退程度超过50%，说明填海工程对潮间带侵占严重。我国案例中，除永定新河河口（S）外，其余衰退指数均超过70%。对照填海斑块破碎度结果可见，潮间带衰退指数曲线与填海斑块破碎度指数曲线走势反向对照，一定程度上说明同等填海规模下多个斑块较单个斑块的填海方式对潮间带侵占影响小。

5 结语

通过最小可视元和基础形态指数稳定域方法，得出城市河口建设区所需GE影像分辨率1.42m，非建设区GE分辨率2m；在此基础上形态重建幅度100～300km2，粒度6m （阈值10m）。图像尺度以城市河口特征形态要素为制定依据，保证了形态分析准确度。

通过案例城市河口形态特征分析，得出亚洲城市河口较欧美的填海斑块平均面积大、数量少、方式单一且形态突兀，在以潮间带指数为生态评价要素的前提下，反映出较差的河口形态稳定性和生态状况。因此，从形态学和生态影响角度看，基于我国沿海城市扩张需求，更宜采用顺岸式多斑块而非凸岸式单斑块的填海规划方案。

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