河北曹妃甸主要地表地质环境变化遥感分析

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范素英, 徐雯佳, 李纪娜. 河北曹妃甸主要地表地质环境变化遥感分析[J]. 国土资源遥感, 2010,22(s1): 159-162
FAN Su-ying, XU Wen-jia, LI Ji-na. A Remote Sensing Analysis of the Variation of Main Surface Geological Environmental Elements in Caofeidian[J]. REMOTE SENSING FOR LAND & RESOURCES,2010,22(s1): 159-162 复制到剪切板

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《国土资源遥感》编辑部

河北曹妃甸主要地表地质环境变化遥感分析

范素英^1,², 徐雯佳^1,^2,³, 李纪娜^1,²

1.河北省遥感中心,石家庄 050021

2.河北水文工程地质勘查院,石家庄 050021

3.河北省地质调查院,石家庄 050081

第一作者简介: 范素英(1966-),女,高级工程师,主要从事地质环境遥感研究。

收稿日期: 2010-04-23

摘要

基于河北省曹妃甸地区1993、2007年获取的Landsat-5 TM和ALOS卫星遥感数据,提取该区地表主要地质环境要素信息,分析其时空变化特征。结果表明: ①湿地、非湿地农用地和居民及工矿用地的面积在1993年分别为32.3×10⁴ hm²、20.6×10⁴ hm²和 4.21×10⁴ hm²,在2007年分别为27.7×10⁴ hm²、21.8×10⁴ hm²和6.8×10⁴ hm²。14 a间,湿地面积呈减少趋势,减幅为14.3%,其中稻田面积减少的绝对值居首位,为2.34×10⁴ hm²; 三角洲湿地面积减少的幅度最大,为77.3%; 非湿地农用地和居民及工矿用地均呈增加趋势,增幅分别为5.6%和61.6%。②1993~2007年,海岸线发生较大变化,以大清河口的捞鱼尖为界,东部岸线表现为向陆侵进,最大侵进长度为500 m; 西部岸线表现为向海退缩,最大退缩长度为1 000 m。

关键词: 曹妃甸; 地质环境; 遥感

中图分类号:TP79 文献标志码:A 文章编号:1001-070X(2010)增刊-0159-04

A Remote Sensing Analysis of the Variation of Main Surface Geological Environmental Elements in Caofeidian

FAN Su-ying^1,², XU Wen-jia^1,^2,³, LI Ji-na^1,²

1.Center of Hebei Remote Sensing, Shijiazhuang 050021, China

2. Institute of Hydrogeology Survey of Hebei Province, Shijiazhuang 050021, China

3. Institute of Geological Survey of Hebei Province, Shijiazhuang 050081, China

Abstract

Taking Caofeidian area in Hebei Province as the study area and based on the remote sensing data of Landsat-5 TM acquired in 1993 and ALOS acquired in 2007, the authors analyzed the temporal and spatial variations of surface geological environmental elements. Some conclusions have been reached:(1) The areas of the delta wetland,agriculture land of non-wetland and residential and industrial land were 32.3×10⁴ hm²,20.6×10⁴ hm² and 4.21×10⁴ hm² in 1993, and 27.7×10⁴ hm²,21.8×10⁴ hm² and 6.8 ×10⁴ hm² in 2007, respectively. During the 14 years,the area of wetland decreased by 77.3%,while the agriculture land of non-wetland and residential and industrial land increased by 5.6% and 61.6% respectively. (2) From 1993 to 2007, the coastline varied obviously. The eastern coastline invaded the mainland with the largest invasive distance up to 500 m. On the contrary,the western coastline moved back to the sea with the largest retreated distance up to 1 000 m.

Keyword: Caofeidian; Geological environment; Remote sensing

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0 引言

渤海湾西岸为淤泥质海岸带^[1], 是波浪、潮流、潮汐和风暴潮等海洋动力作用的高能区域^[2], 海陆交互作用强烈, 地质环境复杂, 生态环境脆弱^[3]。近30 a来, 渔业迅速发展, 水利工程大量兴建, 海洋资源深度开发, 频繁的人为干扰加速了该区域地质环境的恶化。地处唐山南部渤海湾西岸的曹妃甸, 正是这类地质环境敏感脆弱区的典型代表。

近年来, 地矿、石油、地震、海洋和国土等相关部门陆续开展了环渤海地区地下水资源与环境地质调查评价、河北省海岛资源综合调查、唐山市曹妃甸工业区区域环境影响分析和河北省海岸带地质环境调查评价等工作, 取得了显著的成果^{[3, 4, 5, 6, 7, 8, 9]}。上述工作中, 部分采用了遥感技术, 但覆盖曹妃甸全区的工作大多仅达到中小比例尺的精度, 只有局部地区或地带满足大比例尺的高精度要求。因此, 以往工作的精度水平已不能满足深入全面分析曹妃甸地区地质环境情况的要求, 也不能满足大规模合理开发建设曹妃甸地区的需求。

本文采用遥感技术, 利用1993年和2007年获取的两期卫星遥感图像, 对曹妃甸地区主要地表地质环境要素的历史与现状信息进行提取分析, 预测其变化趋势, 为地质环境的改善治理及区域重大工程项目的规划布局提供背景资料。

1 研究区与数据源概况

1.1 研究区概况

研究区为曹妃甸地区近岸陆域部分, 范围为117° 48'02″~119° 17'58″E, 38° 49'48″~39° 37'46″N, 总面积为4 900 km²。研究区位于冀东平原南部, 包括部分山前倾斜平原和滨海冲积海积平原, 沉积了较厚的第四系, 厚度由北向南逐渐增加, 至曹妃甸一带厚达500 m, 在第四系底部普遍沉积了上第三系上新统(N₂)地层。该区处于蓟县拗陷与黄骅拗陷两个Ⅲ 级构造单元的交接部位, 邻近的深部断裂构造主要有: 昌黎— 宁河断裂、唐山断裂、滦县— 乐亭断裂、蓟运河断裂、渤中断裂(又称曹妃甸断裂)以及柏各庄断裂等。

本区属暖温带半湿润大陆性季风气候, 陆域年均温11 ℃, 海域年均温12.6 ℃; 河网发育, 属滦河水系, 主要河流自东向西依次为大清河、清河、溯河、小青龙河和双龙河; 区内潮流属正规半日潮流, 水平方向余流为西南和西北向流; 波浪以风浪为主, 最大波高极值出现在NE方位, 极值波高达3.8 m。

1.2 数据源

以2007年获取的ALOS数据(4景)和1993年获取的Landsat-5 TM数据(2景)为主要信息源; 局部区域选择2005年获取的SPOT-5(2景)和2007年获取的CBERS-2数据(1景)为补充信息源。

2 研究方法

2.1 遥感图像处理与信息提取

利用DEM(局部区域利用1:5万地形图)采集控制点, 对遥感图像进行几何纠正; 通过查询遥感光谱数据库或直接利用遥感影像数据光谱分布直方图、累积直方图曲线和针对像元的光标定位光谱显示等方法, 研究地物光谱特征; 采用图像融合、比值和假彩色合成对遥感影像信息进行增强处理; 根据室内影像特征和野外地面实况建立解译标志, 进行人机交互解译, 提取地质环境现状信息和变化信息; 并于2008年9月进行野外调查验证, 共验证44个点位。最终完成地质环境要素时空变化特征及变化趋势分析(图1)。

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	图1 技术路线

2.2 主要地表地质环境要素分类

湿地是一个敏感的环境变化指示因子。多种类型湿地大面积分布是曹妃甸沿海区域地表景观的重要特征。本研究以湿地为主要对象, 将地表地质环境要素分为湿地、非湿地农用地、居民及工矿用地和交通用地4大类。其中, 湿地大类分为12个小类, 非湿地农用地分为5个小类(表1)。

表1 主要地表地质环境要素分类

由于两期遥感影像的空间分辨率不同, 在1993年获取的Landsat-5 TM影像上, 交通地类不易确定, 因此不再单独表示。此外, 对1993年获取的遥感数据提取信息时, 在湿地大类中, 增加了沼泽地小类。

3 结果分析

3.1 地表地质环境要素(大类)变化

两期地质环境要素的面积均表现为湿地> 非湿地农用地> 居民及工矿用地> 交通用地(图2)。1993年, 湿地、非湿地农用地和居民及工矿用地面积分别为32.33× 10⁴ hm²、20.62× 10⁴ hm²和4.21× 10⁴ hm², 分别占总面积的56.7%、36.1%和7.4%。而2007年, 湿地、非湿地农用地、居民及工矿用地和交通用地面积分别为27.70× 10⁴ hm²、21.78× 10⁴ hm²、6.80× 10⁴ hm²和0.39× 10⁴ hm², 分别占总面积的48.9%、38.4%、12.0%和0.7%。

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	图2 两期主要地表地质环境要素(大类)变化

与1993年相比, 2007年湿地面积减少了4.63× 10⁴ hm², 减幅为14.3%; 而非湿地农用地和居民及工矿用地面积呈增加趋势, 分别增加了1.15× 10⁴ hm²和2.59× 10⁴ hm², 增幅分别为5.6%和61.6%。

3.2 湿地要素(小类)变化

将两期各湿地要素的变化情况统计成表2。

表2 两期湿地要素变化情况(10⁴ hm²)

从表2中可以看出, 两个时期各湿地要素中, 稻田、盐池、泻湖和虾池的面积列前4位, 为主要的湿地要素, 其中稻田面积均为最大; 潮间海滩、苇地、河流和泛洪平原的面积均列第5~8位, 为次要的湿地要素; 其他湿地要素的分布均较少, 面积相对较小。

1993~2007年, 虾池面积增加最大, 增加了2.24× 10⁴ hm², 增幅为61.0%; 盐池和河流面积略有增加; 其他湿地要素均呈减少趋势。就减少绝对值而言, 稻田的变化最大, 减少了2.34× 10⁴ hm²; 其次为潮间海滩, 减少了1.49× 10⁴ hm²; 处于第3~4位的分别是苇地和沼泽地, 分别减少了1.37× 10⁴ hm²和0.54× 10⁴ hm²。就减少幅度而言, 三角洲湿地和苇地的变化列于前两位, 减幅分别为75.5%和74.6%; 其次为潮间海滩和盐碱地, 减幅分别为67.8%和60.6%; 处于第5~6位的分别是水库水塘和沙堤, 减幅分别为56.4%和27.4%。

3.3 非湿地农用地要素(小类)变化

两期非湿地农用地中各要素面积占此类用地总面积的比重存在差异。1993年, 非湿地农用地各要素面积的排序为水浇地> 旱地> 有林地> 荒地> 果园。其中, 水浇地面积为15.31× 10⁴ hm², 所占比重为74.2%; 旱地面积为5.00× 10⁴ hm², 所占比重为24.2%; 有林地面积为0.15× 10⁴ hm², 所占比重为0.73%; 荒地和果园分布极少, 两者所占比重仅为0.8%。2007年, 非湿地农用地各要素面积的排序则为水浇地> 果园> 旱地> 有林地> 荒地。其中, 水浇地面积为18.64× 10⁴ hm², 所占比重为85.6%; 果园面积为1.83× 10⁴ hm², 所占比重为8.4%; 旱地面积为0.87× 10⁴ hm², 所占比重为4%; 有林地和荒地面积较小, 两者所占比重仅为2%。

3.4 海岸线变化

在1993~2007年的14 a中, 研究区内的海岸线发生了较大变化, 总体表现为有进有退。以大清河口的捞鱼尖为界, 东部岸线表现为向陆侵进, 最大侵进长度为500 m; 西部岸线表现为向海退缩, 最大退缩长度达1 000 m(图3)。

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	图3 两时期海岸线位置变化示意图

4 结论

(1)1993~2007年, 曹妃甸湿地面积减少了4.63× 10⁴ hm², 减幅为14.3%, 表明该区湿地面积逐渐减少, 生态环境不断恶化。究其原因, 可分为自然因素和人为因素: ①自然因素: 全球气候变暖, 海面上升, 导致海水向陆侵入; 沿岸风暴潮等灾害频繁发生, 海岸侵蚀加剧, 导致湿地面积减少; 此外, 本区处于地壳活动活跃区, 地壳活动引起的地震和地面升降, 也是影响湿地变化的一个原因; ②人为因素: 盲目围垦和改造湿地直接促使湿地面积骤减; 人口增加和企业投产增加了需水量, 地下水过度开采间接加剧湿地的减少; 沿岸挖沙和海岸各类工程建设则使近岸局部区域泥沙严重亏损, 海岸侵蚀加重, 直接或间接影响着湿地变化。相对自然因素而言, 人为干扰是本区湿地减少的主要原因。

(2)1993~2007年, 曹妃甸地区多数湿地要素呈减少趋势, 仅少数湿地要素呈增加趋势。从增减幅度看, 三角洲湿地、苇地和潮间海滩减少的幅度较大, 而虾池增加的幅度最多; 从增减绝对值看, 稻田、潮间海滩和苇地面积的减少值位于前列, 而虾池面积的增加值仍最多。可见, 具有较高经济效益的人工湿地呈增加趋势, 且增长速率较快; 而天然湿地和经济效益较低的人工湿地则呈减少趋势, 其中天然湿地减少的速率尤为显著。这种变化趋势表明了曹妃甸地区的地质环境和生态环境正在逐渐恶化。诸如虾池和盐池这种具有较高经济效益的人工湿地的大面积开发增加了地质环境的破碎化, 促使地质环境更加脆弱; 而天然湿地的退化, 导致地质环境组织结构破坏, 生态系统物质能量流失衡。此外, 稻田面积的减少对本区人类生存也造成一定的不利影响。

(3)海岸线的变化在一定程度上能够反映出海岸带地质环境的变化。在1993~2007年的14 a中, 曹妃甸地区的海岸线发生了较大变化, 总体表现为有进有退。其具体原因较为复杂, 是今后研究的重点。

致谢: 本文部分数据引用自河北省国土资源厅 “ 曹妃甸地区水文地质工程地质环境地质基础调查评价” 项目, 在此对项目负责人乔彦肖高级工程师、项目组全体工作人员及吕凤军博士的大力支持一并致谢。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献

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Geological environmental changes during the recent time in the Bohai Bay muddy coast have been very striking.The main characteristics are: decrease of wetlands and marshes, destruction of cheniers and oyster reefs, landward recession of the MHWST shoreline and seaward progradation of the MLWST shoreline (i.e. widening of the intertidal zone), vertical accumulation of mud and fine sand on the intertidal flat and in estuaries, and extension of cities and towns. These changes, usually on the scale of 10 to 10 2 a, are different from either the fast changes like earthquake, slide and mud flow or long life geological processes, such as development of cheniers and oyster reefs which need at least several hundred years. We, thus, called these ten to hundred year changes as the 'relatively fast changes', being easily perceived by one or two generations. These are indeed even more dangerous than those instantaneous disasters and long time processes for the muddy coastal zones where have been densely populated and most economically developed both in China and on the world.

淤泥质海岸带地区10～10 2 a级别的相对快速的“缓变型地质环境变化”,主要包括水体、湿地和盐沼-湖退化或消失、贝壳堤和牡蛎礁被破坏、村镇和城市面积剧增、海岸线(平均大潮高潮线)被侵蚀后退、潮间带和近海河道被淤积、潮间带变宽变缓等。这些变化,已对我国东部沿海地区的经济和社会发展造成不利影响,并将对该类地区的可持续发展构成潜在威胁。在该类地区正在进行的1∶50000区域地质调查,充分发挥其高精度和规范化的优势,并辅以对近百年来不同时期的地形图、航空照片和遥感影像的数字化处理和对比研究,试图对这些变化做出形象、直观和定量的二维(2D)表达。本文介绍的是正在渤海湾海岸带进行的工作,充分显示出地质调查服务社会的公益性、基础性和战略性特点。对这一研究方向所显示的巨大潜力的进一步开发,将可能形成供政府决策部门和各方面用户广泛利用的、可二次开发的平台,从而使该类地区的可持续发展建立在对近现代地质环境变化详细了解的扎实基础之上。

... 0 引言渤海湾西岸为淤泥质海岸带^[1],是波浪、潮流、潮汐和风暴潮等海洋动力作用的高能区域^[2],海陆交互作用强烈,地质环境复杂,生态环境脆弱^[3] ...

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The Bohai Bay Coast is the most typical muddy coast in China. Through the collection and subsequent computer-processing of various sorts of data such as historical documents, topographic maps measured repeatedly in the past 130 years, air-photos, MSS, TMand ETM images for different time-phases, the authors obtained a number of results refined by information enhancement and information overlapping. Such results are helpful to reveal the shoreline migration of the area in the last century.

渤海湾是中国典型的淤泥质海岸带,应用不同时期的历史资料、地形图、航空照片及多时相的MSS、TM、ETM遥感数据,经计算机处理,进行信息增强及信息复合,提取了百年来海岸线变化信息,划分为侵蚀、淤积和稳定不同类型岸段,表明渤海湾西岸泥质海岸带近百年来已发生了"缓变型地质环境变化"中的"相对快速的变化"。

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简要介绍了与泥质海岸带现代地质环境变化有关的最新研究结果,包括地质历史时期全球气温与海面的变化、21世纪海平面上升趋势预测、极端高水位、新奥尔良实例等.根据对前人成果的综合研究和小组获得的最新数据,阐明了影响渤海湾西岸环境变化的主要因素--保有高程、加积作用、地面下沉、海面上升和以极端增水为代表的突发事件--各自的现状,提出了综合诸因素相互作用的泥质海岸带的研究思路和警惕可能的沼泽化趋势的建议.

... 近年来,地矿、石油、地震、海洋和国土等相关部门陆续开展了环渤海地区地下水资源与环境地质调查评价、河北省海岛资源综合调查、唐山市曹妃甸工业区区域环境影响分析和河北省海岸带地质环境调查评价等工作,取得了显著的成果^{[3,4,5,6,7,8,9]} ...

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环渤海地区在我国经济发展中具有重要战略地位.面对区内水资源的日益短缺和地质灾害严重,合理开发利用地下水资源,有效保护地质环境,是实现环渤海地区社会、经济可持续发展的重要措施.本文中以环渤海地区地下水资源与主要环境地质问题现状为基础,围绕区内社会、经济发展需求,就环渤海地区地下水资源与环境地质调查下一步工作进行了探讨,提出重点应放在优化调整地下水开采布局和层位,充分开发利用浅层地下水;利用滨海河谷建设地下水库;利用地下空间和雨洪水资源,实施地下水与地表水联合调度;扩大咸水资源改造利用;勘查、建立城市应急(后备)水源地;开展地下水污染调查;加强地下水动态监测与研究等措施,建立以城市、港口为重点的地下水供水安全保障体系.环境地质调查重点则放在确定海岸基准线,开展重点城市、港口以及湿地环境地质调查评价,建立海岸带地质环境监测体系和地质灾害预警系统,构建海岸带地质环境保障体系等方面.

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莫莫格湖泊群水位和生态环境的变化,主要取决于大气降水和河流水位的变化.近50年来,湖区气温逐渐上升,在自然因素和人为活动的影响下,湖泊水位有逐渐下降的趋势,湖泊生态环境不断恶化.

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