杜國云

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萊州灣東岸動力地貌對陸海相互作用的響應研究

杜國云

(魯東大學資源與環(huán)境工程學院, 山東煙臺264025)

基于SRTM3_DEM、RS數(shù)據(jù)分析, 結(jié)合野外調(diào)查和前人研究結(jié)果, 作者對萊州灣東岸臨海沖積-海積小平原的地貌特征及地貌發(fā)育進行了研究。研究表明: 研究區(qū)的海岸地貌結(jié)構(gòu)存在橫向上的沙壩-潟湖體系以及縱向上的連島沙壩-潟湖系統(tǒng); 入海河流下游具有系統(tǒng)性的彎曲特征, 其與橫向上的沙壩-潟湖體系相對應, 是自全新世中期以來海岸帶陸海相互作用最顯著的河流地貌標志; 基于DEM的水文分析顯示: 研究區(qū)西部存在自南而北和自東向西的地勢傾斜, 王河流域與自東向西的王河下游古河道相對應, 現(xiàn)今河道及古河道從DEM中以不同閾值提取的河網(wǎng)得到表達。

DEM; 河流地貌; 沙壩-潟湖系統(tǒng); 全新世; 萊州灣

海岸發(fā)育是在陸海相互作用下完成的, 全新世中晚期的海岸發(fā)育則是伴隨著全球高海面(大西洋期)之后的階段性海退過程中完成的, 并保留了豐富的海岸地貌記錄、沉積記錄與若干動力地貌信息, 為研究海岸地貌過程與地貌演變、海洋地貌動力來源提供了可能[1]。當前的中國河口海岸環(huán)境變異對沿海地區(qū)構(gòu)成了嚴重的威脅[2], 海岸地貌是海岸環(huán)境的組成部分, 清晰地記錄了海岸動力地貌及階段性的演化特征, 為海岸形成的動力恢復及海岸演化的過程恢復提供了有力的證據(jù)。萊州灣東岸屬于典型的沙壩-潟湖海岸, 前人對這一海岸地貌系統(tǒng)的特征、發(fā)育等進行了深入研究[3], 其中包括與海洋動力作用密切的羽狀沙嘴研究[4]、近岸水下淺灘研究[5]和地貌演化序列研究[3]。在海岸動力地貌特征組合上，“平直沙岸”[6]和“羽狀沙嘴”[4]是沿岸沙壩形成的兩個縱向表現(xiàn)；而沙壩-瀉湖體系則表達了橫向上的海岸地貌發(fā)育。然而, 萊州灣東岸入海河流的幾何形態(tài)、沙壩-潟湖系統(tǒng)縱向地貌結(jié)構(gòu), 入海河流演變與海岸地勢之間的關系等問題未見相關的研究報道。上述問題對理解研究區(qū)海岸發(fā)育過程至關重要, 有關內(nèi)容基于前人的研究成果基礎上, 通過DEM、RS等手段獲得了直觀的表達。借助數(shù)字高程和衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)來研究海岸地貌問題是當前海岸帶研究中經(jīng)常采用的技術手段[7], 地形分析是DEM空間分析中的基本內(nèi)容。由于地形平坦區(qū)的地形起伏不大, DEM生成的河網(wǎng)與實際河網(wǎng)會出現(xiàn)偏移, 需要在數(shù)據(jù)提取前進行修正[8]。本研究試圖通過DEM生成的河網(wǎng)來分析印證平緩地勢變化及可能的歷史地貌演變。

1 研究區(qū)概況

萊州灣東岸南部為山地丘陵地形, 北部為臨海沖-洪積、海積平原。北部大致以5 m地形等高線為界, 南側(cè)為沖-洪積平原, 北側(cè)為沖積海積平原兩大部分。萊州灣東岸有十幾條入海河流, 自西向東依次為南陽河、蘇果河、王河、龍泉河、朱橋河、諸流河、界河、八里沙河、北馬南河、中村河(汶泳河)、黃水河, 其中的王河、界河和黃水河為最大的3條水系。這些河流均發(fā)源于南部山地丘陵區(qū), 向北入海, 具有流程短、徑流量季節(jié)性變化大的特點。區(qū)域上以界河為界, 西部為萊州臨海小沖積平原, 東部為龍口臨海小沖積平原。王河發(fā)源于招遠市的塔山, 經(jīng)三元鄉(xiāng)、驛道鎮(zhèn)、平里店鎮(zhèn)、過西鎮(zhèn), 到三山島村南入渤海。全長50 km, 流域面積326.8 km2。主要支流有上莊河、遲家溝、由家溝、宋家河、老母豬河、費現(xiàn)河。龍泉河發(fā)源于萊州市的苗家鎮(zhèn), 流向NW, 到西由南側(cè)分兩支, 一支經(jīng)西由, 另一支偏向東, 二支流流經(jīng)單山洼, 在吳家莊子西鹽田匯合, 消失在西嶺一帶的古沿岸堤。

2 研究方法

本研究以DEM為數(shù)據(jù)源, 以SRTM3為主要分析數(shù)據(jù), 空間分辨率為3弧秒, 地表分辨率90 m, 該數(shù)據(jù)是目前應用最廣、數(shù)據(jù)質(zhì)量較高的DEM數(shù)據(jù)。同時亦采用了1︰50000矢量化地形圖生成的DEM, 地形圖為航拍(1969a)獲得, 受人類活動干擾少, 分辨率和對真實地形信息的獲取明顯高于SRTM3, 特別是對研究河流下游主河道彎曲變化反映突出。并配合以地物識別占優(yōu)勢的Alos多光譜衛(wèi)星圖像, 地表分辨率為10 m, 其對地物信息反映較好。

河網(wǎng)的提取作為DEM數(shù)據(jù)分析的目標之一, 整個過程是在ARCGIS中的水文分析模塊中完成的。首先通過洼地分析生成無洼地的DEM, 這一過程屬于DEM數(shù)據(jù)的常規(guī)處理。河網(wǎng)提取通過無洼地的DEM生成的累積流量柵格數(shù)據(jù)以一定的閾值提取。累積流量閾值的設定采用試驗的方法, 經(jīng)過試驗, 閾值取≥1500~2000時, 提取的河網(wǎng)與實際河網(wǎng)比較一致。1︰50000矢量化地形圖生成中, 首先掃描地形圖獲得地形圖柵格數(shù)據(jù), 然后在MAPGIS中對地形圖等高線進行矢量化, 然后生成DEM。對多光譜衛(wèi)星圖像, 先進行3/4/2假彩色合成, 后做目視解譯。

3 結(jié)果與討論

3.1 基于地形圖的河流幾何分析

對研究區(qū)主要河流的幾何特征研究發(fā)現(xiàn), 一些入海河流的下游段(10m等高線以下)存在明顯的轉(zhuǎn)折彎曲現(xiàn)象, 如王河、朱橋河、八里沙河、北馬南河、中村河(汶泳河), 大致以中部的界河為界, 界河以西的入海河流的下游段均呈現(xiàn)出自北西方向突然轉(zhuǎn)向南北向~北東向的彎曲變化, 其中的王河和朱橋河表現(xiàn)突出。如王河由北西方向經(jīng)河口, 突然轉(zhuǎn)向南北方向, 后經(jīng)三山島入海。龍泉河河道由原來的北西方向, 流經(jīng)西由以后, 突然轉(zhuǎn)向北東方向。朱橋河、諸流河兩河道分別在吳家莊子、丁家莊子出現(xiàn)轉(zhuǎn)折; 界河以東河流下游段呈現(xiàn)由北北西方向突然轉(zhuǎn)向北西方向的轉(zhuǎn)折, 其中入龍口灣的八里沙河和北馬南河表現(xiàn)最突出, 或出現(xiàn)較明顯的轉(zhuǎn)折(如中村河, 黃水河支流的絳水河)(圖1)。

3.2 基于DEM的海岸地勢分析與水系提取

研究區(qū)地勢的最終表達是通過由SRTM3_DEM水文分析所提取的河網(wǎng)來表示的。

對比DEM生成的水系與圖1中的水系, 表明來自不同數(shù)據(jù)源的水系特征與空間展布基本一致, 但在水系下游臨海段存在明顯的偏移, 尤其是在刁龍嘴至石虎嘴之間入海的王河、龍泉河和朱橋河的水網(wǎng)關系明顯不一致(圖2, 并參照圖1)。前者, 至少包括王河和朱橋河兩條河流, 是獨立的兩條水系; 后者, 王河、龍泉河和朱橋河三條河流歸并到一個流域內(nèi), 特別是在近岸, 朱橋河、龍泉河兩條河流“匯入”西側(cè)的王河, 累積流量閾值≥1500時(圖2A), 顯示出臨岸地勢自東向西由高到低。隨著累積流量閾值的增加, 如累積流量閾值≥100000(圖2B)時, 王河過河口附近向西入海。

3.3 海岸地貌結(jié)構(gòu)分析

萊州灣東岸為沙壩-潟湖海岸。在沙壩-潟湖體系中, 地貌結(jié)構(gòu)要素包括基巖島、沙壩、潟湖, 基巖島隸屬于基巖地貌要素, 沙壩和潟湖則是海岸地貌系統(tǒng)發(fā)育過程中緊密相連的兩大要素。海岸地貌結(jié)構(gòu)在空間上可區(qū)分為橫向海岸地貌結(jié)構(gòu)和縱向海岸地貌結(jié)構(gòu), 橫向上, 自古海岸線[9]向海方向依次出現(xiàn)古海蝕崖(包括沿岸沙堤在內(nèi)的古海濱)、潟湖、沿岸沙地(或沙壩); 縱向上, 呈現(xiàn)基巖島后方的連島沙壩與潟湖洼地間列的格局(圖3)。研究區(qū)橫向沙壩系統(tǒng)主要有3條: 自南而北, 第一條沙壩位于古海蝕崖所處的古岸線上, 包括大沙嶺村、西嶺村, 以及河口以北的沿岸沙堤; 第二條沙壩位于倉東村西南的太平灣北側(cè)、倉東東側(cè)至三山島、單山洼北側(cè)至西海嶺、海北嘴東南至石虎嘴南側(cè)一線, 該沙壩系統(tǒng)在倉東至三山島、三山島至海北嘴、海北嘴至石虎嘴以及石虎嘴以東均表現(xiàn)出明顯的弧頂朝南的古海灣特征; 第三條沙壩位于現(xiàn)代海岸附近, 雖然有一定的彎曲變化, 但較之南側(cè)的古沙壩體系更為平直。第一、二條沙壩之間為規(guī)模較大的潟湖洼地, 局部區(qū)域的影像顏色較深, 形狀不規(guī)整, 自東向西為朱橋河洼、單山洼、倉東東南洼和太平灣現(xiàn)代海灣洼地, 其中單山洼為潟湖洼地; 第二、三條沙壩之間為發(fā)育較窄的長條形、月牙形洼地, 影像上為深色調(diào), 系綠色植被強反射所致?？v向沙壩為連島沙壩, 研究區(qū)段內(nèi)的基巖島包括倉東村基巖島、三山島、海北嘴和石虎嘴, 其中, 倉東村基巖島消亡于古海岸沙壩-潟湖系統(tǒng)中, 其他3個基巖島目前仍處在臨海位置。以上4個基巖島的后方均發(fā)育連島沙壩, 陸地衛(wèi)星影像上呈現(xiàn)白色的高亮度區(qū)域, 其上也混雜著村鎮(zhèn)人工建筑物形成的高反射部分, 這些部位與兩側(cè)潟湖洼地區(qū)偏深暗色的低反射區(qū)明顯不同。倉東村基巖島后方的連島沙壩發(fā)育在橫向上的第一條沙壩和第二條沙壩之間的潟湖洼地, 石虎嘴后方連島沙壩發(fā)育在第二條沙壩與第三條沙壩之間, 其他兩條連島沙壩貫通整個沙壩-潟湖區(qū)域。

海岸沙壩-潟湖帶內(nèi)的河流流向“擺動”顯示了與沙壩-潟湖系統(tǒng)相對應的變化, 以王河和朱橋河表現(xiàn)最為突出。從衛(wèi)星影像上看, 王河、朱橋河二條河流在流經(jīng)第一道沙壩海岸和第二道沙壩后流向都有明顯的改變, 兩條河流過第一道沙壩后均向東偏轉(zhuǎn), 過第二道沙壩后均向西偏轉(zhuǎn)。在朱橋河的A、B、C、D 4個標志點中, C點是河道最大彎曲點, C點的上、下游兩段位于潟湖洼地, B點位于橫向上的第二道沙壩, 是橫向上的第一道洼地與第二道洼地之間的連接點, 在此也出現(xiàn)了河流的明顯轉(zhuǎn)折現(xiàn)象。這表明了海岸沙壩-潟湖系統(tǒng)與河道之間存在著空間上的密切關系, 在海岸地貌演化中具有同步性和階段性。

3.4 海岸地貌演化

研究區(qū)海岸第四系研究表明, 全新統(tǒng)分為3套地層: 下部為早全新世陸相地層; 中部為中全新世潟湖淺海相地層; 上部為陸相沖積地層[10-11]。綜合研究區(qū)古岸線研究、潟湖沉積及年代學等研究成果[12-13](表1), 萊州灣東岸全新世中期以來, 海岸演化經(jīng)歷了全新世中期古海岸地貌發(fā)育階段、沙壩-潟湖系統(tǒng)階段和全新世后期沖積平原與現(xiàn)代沙壩海岸3個階段。

表1 萊州灣東岸部分年代數(shù)據(jù)

表中的代號(y61等)為鉆孔編號; 表中的虛線處無年代數(shù)據(jù)

第一階段, 距今7 500~5 500 a, 相當于大西洋期, 此時, 全球處于冰后期高海面時期, 萊州灣東岸形成了最大的海侵線, 古岸線位于徐家、過西(據(jù)調(diào)查, 過西鎮(zhèn)河口村北曾存在3道嶺, 應為古河道遷移形成的沿岸沙堤)、后鄧、單山北側(cè)、西嶺村、大沙嶺村一線, 并向北東方向延伸。沿岸沙壩、古海蝕崖勾勒出了古岸線位置, 最有意義的是王河故道作為地上懸河顯示了高海平面的存在。此時在古岸線以北形成了濱淺海環(huán)境, 在后鄧、王河邊、單山北側(cè)、倉東村南鉆孔顯示地表以下3~5 m為潮間帶、淺海環(huán)境, 該海域受水下沙壩的分割, 形成了向西開口的水下海灣地形, 根據(jù)14C年齡, 此時處于全新世中期的后期階段。諸流河、淘金河下游沖積階地屬于此階段的河流堆積體(表1)。由古岸線輪廓、離岸基巖島的存在, 來自陸地河流所攜大量泥沙, 在海浪和沿岸流的作用下, 形成了水下縱向沙堤和橫向連島沙堤的雛形。

第二階段, 沙壩-潟湖階段, 是研究區(qū)海岸地貌發(fā)育的主體階段。距今4 400~2 700 a, 潟湖洼地沉積層埋深在0.1~2.4 m。此時, 海岸第二道沙壩、第三道沙壩南側(cè)部分, 以及陸連島后方的沙壩大部分已經(jīng)露出水面, 沙壩之間的小海灣向潟湖方向演化, 持續(xù)時間約2000 a。

前述, DEM分析結(jié)果與現(xiàn)代河流流經(jīng)位置存在不一致現(xiàn)象, 這一事實表明, 入海河流并非在現(xiàn)有的地形基礎上發(fā)育起來的, 而衛(wèi)星影像中顯示出的河道基本上沿連島沙壩延伸, 考慮連島沙壩前方基巖島對波浪產(chǎn)生的折射作用, 可以推斷, 入海河流應在沙壩水下階段已經(jīng)發(fā)育, 并沿連島沙壩向基巖島附近的波影區(qū)靠攏, 導致了河流總體向偏東方向轉(zhuǎn)折。

第三階段, 現(xiàn)代沙壩海岸發(fā)育階段。此時海岸第二道沙壩已經(jīng)形成, 伴隨著海浪的作用, 海岸帶泥沙不斷淤積, 海灣弧度不斷降低, 趨于平直, 潟湖由咸水湖向淡水湖演變。該階段的持續(xù)時間約2 000 a?，F(xiàn)代海岸沙壩約3 m深見大批東漢(公元0~200 a) 五銖錢, 證明沙壩自2000年前形成, 東漢以來連續(xù)向海淤寬約200 m[13]。

王河在歷史上至少出現(xiàn)過2次改道。一次是自河口向西入海, 改道向北入海, 保留了現(xiàn)在的古河道(圖3); 另一次是自單山東側(cè)流路改道為單山西側(cè)流路, 此次改道發(fā)生在1893年之后。據(jù)《萊州市市志》記載, 王河舊稱“萬歲河”, 源于西漢武帝元封二年(前109年)出巡到此, 在今王河南岸羅臺村建萬歲亭[14]。1893年繪制的“掖縣疆域圖”中顯示, 清代的王河上游穿行在天齊山、崮山、圣山、陡山、萬河北源、活火洞之山間, 經(jīng)過賈鄧, 繞過西由-單山、從東北側(cè)入海, 其與現(xiàn)在的龍泉河一致(圖4)。這一事實說明1893年的萊州疆域圖中的萬歲河的確是現(xiàn)在的龍泉河, 不是現(xiàn)在的王河?，F(xiàn)在的王河應當是舊萬歲河改道而成, 龍泉河可能是古王河改道后廢棄的河道。

4 結(jié)論

萊州灣東岸入海河流下游存在較系統(tǒng)的幾何彎曲, 河道下游轉(zhuǎn)折彎曲變化與典型的海岸沙壩-潟湖系統(tǒng)相對應, 是海岸階段性演化的地貌表現(xiàn)。

萊州灣海岸地貌結(jié)構(gòu)分為橫向海岸沙壩-潟湖系統(tǒng)和縱向連島沙壩-潟湖系統(tǒng), 近岸基巖島的存在是上述海岸地貌結(jié)構(gòu)形成的重要基礎之一。

SRTM3_DEM在提取河網(wǎng)時, 部分河道在臨海段落與實際存在偏差以及河網(wǎng)跨流域的現(xiàn)象。但是, 在閾值較大時所提取的河網(wǎng)與實際河道趨于一致, 閾值較大時提取的河網(wǎng)被限定到流域內(nèi), 在本研究中與歷史上的古河道一致, 通過DEM提取的河網(wǎng)反映了研究區(qū)自東向西和自南向北的地勢降低趨勢。

王河的在歷史時期河道曾多次改道, 至少發(fā)生過2次改道。河口向西的古河道現(xiàn)有保存較好的古河道沉積體可以證實, 但清代以后的改道事件只有文獻資料, 有待于進一步的野外資料印證。

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Dynamic geomorphological response to land–sea interaction on the eastern coast, Laizhou Bay

DU Guo-yun

(School of Resources and Environmental Engineering, Ludong University, Yantai 264025, China)

Based on SRTM3_DEM and RS analyses, field survey data and previous studies, this study examines the geomorphic features and landform growth of the coastal alluvialmarine plain on the east coast of Laizhou Bay. The results show that the geomorphologic structure of the coast occurs as a barrier-lagoon system in the transverse direction and a tombolo-lagoon system in the longitudinal direction. Systematic bending characteristics occur in the downstream channels of the rivers as they enter the sea, which correspond with the barrier-lagoon system. This is the most significant sign of fluvial geomorphological response to coastal land-ocean interaction since the mid-Holocene. Hydrologic analysis of the DEM shows that the terrain inclines in two directions, from east to west and south to north, and the watershed extraction from the Wanghe river corresponds to the watershed extraction downstream of the Wanghe paleochannel from east to west. This results in the expression of the current channel and paleochannel manifesting by different threshold values.

DEM; river geomorphology; barrier–lagoon system; Holocene; Laizhou Bay

(本文編輯: 譚雪靜)

[Natural Science Foundation of Shandong Province, No. ZR2013DL006]

Dec. 9, 2014

P931.1

A

1000-3096(2016)08-0070-06

10.11759/hykx/20141209

2014-12-09;

2016-06-08

山東省自然科學基金資助項目(ZR2013DL006)

杜國云(1962-), 男, 山東省招遠市人, 碩士, 教授, 主要從事海岸帶過程與自然地理環(huán)境方面的教學與研究, E-mail: Duguoyun2003@163.com