康育龙， 程 姌， 梁勤欧

(浙江师范大学 地理与环境科学学院,浙江 金华 321004)

0 引 言

时空演变特征一直是地理学研究的热门话题.杭州湾作为浙江重要的经济活动区域和东北大门，其强烈的人为活动和巨大的自然环境变化将决定杭州湾的时空格局.而对于杭州湾的时空演变研究，归根于对当地海岸线及其变化特征的分析.近几年,有关海岸线的研究随着遥感技术和定量模型的发展而变得炙手可热，其中国外最新的研究重点集中在海岸线的变化速率等计算方法和影响因子的分析上[1-3].也有学者通过海岸线的变化，结合数学模型计算潮间带的变化和分形分维变化[4-6].国外学者通过GIS建模和地面穿透雷达数据对全新世古海岸线进行重建，并反演海岸环境和地形[7].而国内大多数成果是对大范围、短时期海岸线变化的环境响应进行研究，以及对新方法的应用进行探究[8-11].基于长时序的研究也只是在现有遥感影像的基础上进行较短的时间分析[12-14〗.对于历史海岸线的研究方法，比较传统的有：遗址考古法、14C采样法、调查考证法等.然而，这些方法由于数据资料的缺失和定量分析技术的不足，只是定性地描述,故缺少空间精度，因此，无法实现定量化和可视化，所以对于古代海岸线时空演变的研究尚可深入.现虽有学者针对江苏古代海岸线时空变迁的数据进行了研究，但其缺少历史事实的充分佐证[15]，从而无法解释现象背后潜在的驱动因素;而对于历史时期杭州湾的研究，虽有学者较早地在其著作中做过探讨[16]，但相对而言不够深入且缺少细致的数据分析.

因此，本文基于GIS技术探究杭州湾在唐、南宋、元、明、清各时期的时空演变特征，通过史料分析其变迁原因，这对于更好地认识杭州湾发展的历史和现状，以及更好地预测其未来，揭示杭州湾历史变化本身等都具有重要的意义.

1 研究区概况

杭州湾位于浙江省东北部，西接钱塘江、东临东海，成喇叭口形状，地理坐标为29.92°～30.86° N，120.90°～122.07° E，是世界上著名的强潮型河湾口.包括嘉兴东南、杭州东部、绍兴北部、宁波北部海岸.湾口具有潮差强、径流弱、陆域来沙少和海域来沙丰富等特征，海湾沉积严重[17].加之唐朝至明清以来受撼塘筑坝等人类活动的影响，杭州湾时空差异十分巨大.本文以唐朝杭州湾海岸线为基础,对比分析南宋、元、明、清不同时期杭州湾的时空变化.为了更加清楚地分析杭州湾北岸扩展变化趋势，本文将研究区重新规定，北至唐朝松江口南岸，南抵宁波市北仑区峙头洋，具体如图1所示.

图1 杭州湾研究区位置

2 资料与方法

本研究需要对浙江杭州湾的唐、南宋、元、明、清各历史时期海岸线变迁进行分析和计算，因此，对于历史地图的准确矢量化是数据可靠的保证，也是研究的重要基础.

2.1 资料收集

本文以谭其骧先生主编的不同历史时期《中国历史地图集》[18]及相关史料为数据源(见表1)，并结合现代遥感数据(Landsat OLI影像)进行对比分析，将经过高清扫描后的地图作为研究底图.

表1 不同历史时期海岸线数据来源[18]

2.2 数据处理

通过Arc GIS 10.2软件对不同时期历史的地图进行严格配准、校正之后数字化,得到了不同历史时期的海岸线，并结合相关文献和实地考证，得到了唐、南宋、元、明、清5个历史时期的海岸线，如图2所示.

图2 不同历史时期杭州湾海岸线

2.3 研究方法

本文利用年变化率分析杭州湾历史变迁，年际变化是指5期海岸线每相邻时期之间平均年变化率，为了定量分析1 000多年来杭州湾的变化趋势，此研究利用美国地质调查局(USGS)开发的DSAS(digital shoreline analysis system)回归分析系统高效地计算不同时序海岸线的变化速率[19]，计算公式如下：

式(1)中：Fi+1,i为海岸线变化率(i=1～481)；Li+1为第i+1期海岸线到基线的距离；Li为第i期海岸线到基线的距离；ΔYi+1,i为时间差.并借助Arc GIS 10.2软件多次模拟历史时期杭州湾海岸基线，以800 m为采样间距生成516个垂直基线的断面，经过删除影响计算的断面之后保留481个断面,具体如图3所示.

图3 杭州湾海岸垂直基线断面

3 结果与讨论

随着自然环境的变迁和受人类活动的综合影响，杭州湾在唐朝至明清1 000多年间的发展过程中变化巨大.本文将从定性描述和定量分析2个方面探讨浙江杭州湾时空演变的规律.

3.1 杭州湾演变特征定性分析

定性描述可以宏观反映历史海岸线的变化概况，也是进行定量分析的基础.在不同历史时期海岸线的变化过程中，唐宋时期(见图4(a))杭州湾明显扩张变化的有4段，其中:①—②段向外扩张，是各个历史时期扩张面积最为突出的时期;③—④段地处钱塘江口岸，唐宋时期北岸向南迁移;同样，④—⑤段整体上向南演变，从而钱塘江河口在唐宋时期整体向南迁移;②—③段向陆平稳坍进，变化面积虽不及①—②段，但同样巨大;而唐宋年间在⑤—⑥段变化相对不是很大.

宋元时期(见图4(b))主要变化有3段，分别是②—③，③—④，④—⑤段，其中:②—③，④—⑤主要是向外扩张，在钱塘江河口有向北推移的趋势;而③—④段主体向内陆凹进，变化面积较其他各段显著.

元明时期(见图4(c))变化较大的是③—④段，表现为钱塘江口北岸向北扩张明显;④—⑤段向外凸出明显，该段相比而言是各个历史时期变化面积最大的时期;同样，元明时期②—③段海岸向北缩进;①—②段向海凸出.

明清时期(见图4(d))海岸线变化主要集中在③—⑤段,即钱塘江口，南北两岸同时向北岸扩展，其中南岸变化剧烈，河口凸出成“几”字形,与现代海岸基本一致.

(a) (b)

(c) (d)

3.2 杭州湾演变的年变化特征

唐至清朝年间杭州湾变化十分明显，且不同历史时期不同海岸分段变化各不相同，为了进一步定量分析杭州湾变化特征，本文经过计算得到唐朝至清朝1 000多年间杭州湾不同历史时期海岸线的变化率，见图5.

图5 唐至清朝杭州湾变化速率

图5中,1—61断面约在唐朝松江至杭州湾南沙嘴地段，各时期海岸线呈现主体向海扩张的趋势.唐宋时期从断面1—91段都向外延伸，向海扩张的幅度和南北跨度都较其他历史时期大；而宋元和明清时期在61—91段向内陆坍进，其中宋元时期幅度较为明显，其内坍速率达到85 m/a.断面91—151段唐朝至明清期间持续坍进，明清时期由于海塘建设日趋完善，海岸线在原有基础上变化甚微；而唐宋、宋元、元明3个时期都向陆地侵进，唐宋时期变化平稳而宋元、元明时期变化不定，但其变化速率小于25 m/a.宋元时期分别约在断面106和142处变化幅度较大，宋、元两朝海岸线在120—135段基本保持一致.断面151—241约在今澉浦—钱塘江口—曹娥江口附近，期间杭州湾变化十分剧烈，向外扩张和向内凹进交相并存，且变化十分复杂，元明、明清时期钱塘江口北岸海洋扩张，扩张幅度都在55 m/a左右，而且明清在元明基础上向西向北继续扩张，在河口南岸处向北略微凸出；然而唐宋时期不同断面均有向陆缩进的现象出现.

断面241—481段为杭州湾南岸，所处位置在今钱塘江口至宁波峙头洋附近，总体而言，各历史时期南岸向海洋扩张.断面241—301在唐宋时期向陆地坍进，宋元时期主要以向外扩张为主，而明清时期变化相对较大，变化率都超过了50 m/a，在钱塘江口南岸向北部地扩张形成“几”字形，基本上奠定了现代海岸线的形状.断面301—331段海岸线除了唐宋和元明时期稍有变化外，明清时期海岸线都在原有的基础上无多大改变.断面331—406处在今慈溪以北姚江平原之滨，唐宋时期基本上是向陆缩进,因而表现特殊，明清时期向外扩张相对平稳且幅度不大；其余各历史时期整个海岸线向外平滑凸出，如宋元和元明时期向外扩张显著，其中元明时期变化速率达到近40 m/a，故该时期对于姚江平原的扩张意义重大.461—481段变化相对复杂，向外扩张和向内缩进交替进行，但总体上变化不是十分剧烈,见图5.

总体而言，在杭州湾海岸线的各历史时期变化中，唐朝松江口至杭州湾南沙嘴地段向外凸出，而南沙嘴到澉浦段总体坍进.值得注意的是钱塘江口南北两侧变化十分复杂，不同历史时期出现南北交替的现象.姚江平原除了唐宋时期外，其余历史时期都是向外扩张的.

3.3 杭州湾面积变化特征

由上述分析可知，杭州湾历史时期变化巨大.本文通过对前后相邻时期的对比，利用Arc GIS 10.2软件叠加分析了不同历史时期海岸线的变化.为了研究方便，尽量在面积变化较大的断点处(91,151,241,320,420)进行分割，分别得到不同历史时期杭州湾A到G共6段海岸线的变化，通过计算得到变化面积如表2所示.6段海岸线变化如图6所示.

表2 相邻历史时期分段面积统计 km2

图6 相邻历史时期面积变化

历史时期杭州湾变化主要有向海域扩张和向陆地凹进2个类型,见表2.在AB段，唐宋和元明时期基本以向外扩张为主，其中唐宋时期扩张面积为1 142.53 km2，纵向横向跨度范围广；元明时期同样也是以扩张为主，变化面积为145.21 km2；明清时期向内凹进了190.47 km2，AB段没有向外扩展的现象；宋元时期不仅向外扩张而且向内缩进，凹进面积为228.63 km2，占主体作用.

在BC段，各历史时期向外扩张面积总共不到7.50 km2，大部分时期都是向内坍进的过程.唐宋时期表现相对显著，变化面积约为216.51 km2；南宋到明朝时期变化面积约为78～87 km2，而明清时期该区域变化较小.在CD段，唐至元朝年间主要向外扩张，变化面积为295.96 km2，而元至清朝有向内挺进的趋势，且变化相对明显，总体变化了约547.13 km2.在DE段，宋朝至明清时期主体表现为向外扩张，变化总面积约为503.74 km2，而唐宋时期在该段向内以坍进为主.在EF段，元明时期表现显著，东西跨度大，向北淤涨深，向外凸出约323.31 km2.但元明至明清时期几乎没有向内扩张的趋势.在FG段，唐朝至明清时期变化相对较小，其中宋朝至明朝期间不仅向外延伸，同时向内侵进.而明清时期变化极小，向外扩张面积不到2.16 km2，具体见图7与表2.

杭州湾北岸有退有进，南岸主要以向外扩张为主.而钱塘江口南北两岸此消彼长，宋元之后到明清时期，北岸开始向内坍进而南岸向外淤涨，但唐宋时期钱塘江口北岸向外扩张，南岸缩进面积也相当大.

杭州湾变化面积各个历史时期不同分段表现复杂，1 000多年演变趋势中,不同的海岸带间不尽相同，为了更好地表征杭州湾历史演变，本文进一步分析其扩张趋势.

3.4 杭州湾扩张趋势

本文运用海岸线净变化量定量分析历史时期杭州湾时空演变及变化趋势，其中净变化量为累计变化量，是研究最早时期和最晚时期海岸变化的重要方法[20]，具体公式如下：

Ai=Li4-Li1,i=1,2,…，481.

(2)

式(2)中:Ai为第i个断面点海岸线的净变化量；Li4为第i个断面点从基线到第4期海岸线的距离;Li1为第i个断面点从基线到第1期海岸线的距离.杭州湾净变化量如图8所示.

图7 相邻时期分段杭州湾变化面积柱状图

图8 各历史时期杭州湾净变化量

从海岸线净变化量来看(见图8)，1—61段、151—181段、241—466段其海岸线在1 000多年的发展变化中主体向外扩张，其中1—61段唐朝至清朝向外增长近28 km，是向外扩张最为迅速的地段；241—466段向外扩张高值出现在241段和301—361段附近，向外扩张距离为5～10 km；而61—151段和181—234段主要是向内陆缩进，其中各历史时期中,61—151段持续向岸坍进，而181—234段向陆地侵进，唐朝至清朝年间变化在17 km左右，该段变化在元明和明清时代十分显著，两期变化速率都基本接近55 m/a(见图5).可见杭州湾北岸相对于南岸而言变化剧烈且不稳定，其中北岸南沙嘴约到澉浦段海岸线基本上持续内坍，钱塘江口至澉浦段变化复杂但总体向北.南岸杭州湾的变化除了钱塘江河口向南外，其余各段都总体上呈现向北凸出的趋势，尤其是姚江平原向外扩张十分显著.

4 结 论

杭州湾作为浙江的重要门户，对海岸带的保护和利用至关重要.因此，研究其海岸线意义重大.由于受自然和人为因素的影响，海岸线变化表现为一个十分复杂的过程.

从时间上来看，唐宋时期南沙嘴附近向外扩张速率高达28 m/a，金山至澉浦附近向内陆平稳侵进，钱塘江口至曹娥江附近唐宋时期变化幅度相对平稳，其变化速率在10 m/a左右.宋元时期南沙嘴至金山向陆坍进变化速率在80 m/a以上，澉浦至钱塘江口变迁十分复杂.元明时期姚江平原向北凸出速率较其他历史时期大，钱塘江口向南变化也相对较大.而明清时期变化最为显著的是钱塘江口附近，北岸在元明基础上向西向北坍进，南岸向北淤涨凸出形成现代海岸线形状.

空间上来看，杭州湾北岸变化比南岸剧烈.古代松江口至金山附近向外扩张，淤涨速度和南北跨度大.南沙嘴到澉浦附近各历史时期基本上呈内坍的趋势.而钱塘江口变化较为复杂，虽南北摇摆但唐朝至明清时期河口北岸总体向北移动，1 000多年来向北移动了约7 km，而该段在元明和明清时期变化巨大.慈溪北部海岸线唐宋时期向内坍进，其余历史时期都向外淤涨，在元明时期最甚，对于姚江平原扩展意义重大.

本文重点研究了杭州湾时空演变特征，但就其驱动力因素分析，由于不同年代不同影响因子表现各不相同，需大量笔墨才能详尽，故将以另文进行撰述.