张云飞， 杨昊翔， 张丽2,， 宋茜茜， 毕京鹏， 李杨

（1. 江西理工大学建筑与测绘工程学院，江西 赣州341000；2. 海南省地球观测重点实验室，海南 三亚572029；3. 中国科学院遥感与数字地球研究所数字地球重点实验室，北京100094；4. 山东科技大学测绘科学与工程学院，山东 青岛266590）

0 引 言

围填海项目作为一种解决人地关系紧张的方法，在过去几十年间极大地满足了人类发展对土地资源的大量需求[1-3]。随着沿海省市社会和经济的快速发展，围填海项目常常被作为城市间优先开展的工程项目之一，而离岸人工岛作为围填海主要方式之一，也逐渐地在我国发展建设起来[4-6]。 为了响应“国际旅游岛”重大战略，带动沿海城市经济发展，海南省陆续在其环岛区域进行了一系列包括离岸人工岛在内的填海造陆工程。自2000 年至2018 年，海南省共批准建设离岸人工岛项目共计12 处， 计划填海总面积共计1894.86 ha。

人工岛项目直接引起工程附近海底地形和水体动力条件变化，持续的影响将会形成新的海底地形，在砂质海岸附近的工程将会形成新的砂质岸线形态[7]。 郭磊等[8]通过MIKE21 软件的水文动力模块功能，模拟了江苏西太阳沙水域人工岛施工前后水动力的变化， 并对工程项目产生影响进行了预估；曹玲珑等[9]基于海南铺前湾多年实测浪潮资料，通过ECOM 数值模式软件模拟了建岛后近岸区域潮流场和波浪场的变化，分析了人工岛对铺前湾地区泥沙冲淤的响应；袁爽等[10]以崇明东滩为例，运用遥感手段监测分析了岸滩变化和湿地植被面积、类型之间的关系；Chen 等[11]运用遥感技术对东沙沙洲西部的潮滩地形进行了动态监测，获得了大量的地表数据，得出大量沿海工程改变了水动力环境并造成了西部潮滩的侵蚀和沉积的结论。

文中以海南椰林湾人工岛和日月湾人工岛附近的砂质岸线为研究对象， 根据遥感影像解译出的海岸线数据， 利用DSAS 数字岸线分析系统对两处人工岛建设前后附近砂质岸线变化速率进行分析。 并对经过Gabor 滤波增强的人工岛建设施工前后影像水体流态进行提取， 分析水动力条件变化情况， 探讨人工岛附近砂质岸线冲淤变化的原因。

1 研究区概况及数据源

1.1 研究区概况

椰林湾人工岛（19°31′22.9′′N,110°51′09.5′′E）地处文昌市清澜港入海口东侧东郊椰林风景区南部邦塘湾水域（如图1（a）所示），此区域终年风向为北-东北方向，潮流性质属于不正规半日潮。人工岛2011 年底开工，2013 年初工程基本完成建设，全岛东西长约720 m，平均离岸距离370 m，连岛栈桥长452 m，桥下可允许水流通过。

日月湾人工岛（18°36′29.7′′N，110°12′13.4′′E）位于海南省万宁市日月湾，北接兴隆旅游区，南临茄新自然保护区（如图1（b）所示）。 整个项目由“日”岛和“月”岛两座独立岛屿构成，两岛分别由一座栈桥和陆地相连。 “日”岛2012 年开工，2013 年底主岛完成施工，连岛栈桥长约380 m，人工岛直径约870 m， 离岸距离最近约380 m；“月” 岛2015 年10 月开始施工建设，2016 年底完成主岛围堤的填海工作，“月” 岛连岛栈桥长约450 m， 岛体长约980 m，平均离岸距离约535 m。

图1 研究区地理位置

1.2 数据源

文中通过Landsat 影像和高分系列影像相结合，对两个人工岛的砂质岸线进行提取。 其中椰林湾人工岛Landsat 影像行列号为123/46，日月湾人工岛Landsat 影像行列号为124/47，Landsat 影像空间分辨率为30 m。 高分系列影像数据空间分辨率为高分一号（2 m）、高分二号 （1 m）。 Landsat 影 像 从 美 国 地 质 调 查 局（USGS）网站下载（http://glovis.usgs.gov/），数据级别为L2 TP， 已经经过大气校正等预处理。高分系列卫星数据由中国科学院遥感与数字地球研究所数字陆地室提供。 影像详细信息如表1 所示。

表1 人工岛卫星数据影像列表

2 研究方法

计算机自动提取有阈值分割法、边缘检测法、区域生长提取法、 神经网络法、 面向对象法和支持向量机等多种方法[12]，文中使用Canny 边缘检测算子对砂质岸线数据进行提取。 首先对整幅影像进行裁剪得到研究区砂质岸滩部分， 然后对影像进行滤波降噪和灰度拉伸，利用MATLAB 平台实现Canny 边缘检测算法对砂质岸线的提取。 在ArcGIS 软件中对提取的砂质岸线数据进行平滑处理， 然后结合影像成像当天的潮汐数据、 地形图等资料对岸线数据进行校正， 获取椰林湾人工岛和日月湾人工岛周围2011—2018 年的砂质岸线数据。

数字岸线分析系统（DSAS）是一款以量化岸线变化为主的软件，由美国地质调查局（USGS）推荐使用。 该分析系统基于ArcGIS 平台， 通过使用MCR 插件生成基线和断面， 采用终点速率法（EPR）计算相邻年份之间的岸线的变化量，最后求出其变化速率。 终点速率法计算公式如下所示：

其中，E 为相邻时间某条断面m 的终点变化速率；li为沿断面m 第i 期岸线到基线的距离，lj为沿断面m 第j 期岸线到基线的距离；X 为第i 期和第j 期海岸线间隔的年份。

为了查明人工岛建设前后水动力变化情况，文中对经过Gabor 滤波增强后的影像，依据影像中的纹理信息对水流方向场进行提取。选取人工岛施工建设前后涨潮时期的Landsat 影像，首先对影像进行灰度化、 短时傅立叶变换， 然后对影像进行Gabor 滤波增强，Gabor 滤波器要提前进行方向和频域等的参数设置，对得到的结果进行边缘提取和二值化处理，然后使用霍夫变换提取二值化影像中包含的线性信息[13]。

3 岸线变化与水流方向场模拟

3.1 椰林湾人工岛周围砂质岸线变化

椰林湾人工岛地处邦塘湾海域， 受常年风向为N-NE 方向形成的风浪以及潮流影响， 在建岛前邦塘湾受到较强的侵蚀作用。 黄少敏等[14]通过对海南岛沿岸的地理侵蚀进行分析，认为邦塘湾海域自1952 年开始沙滩侵蚀速度约为3.9 m/a；赵焕庭等[15]分析得出邦塘湾1962—1985 年平均侵蚀速率为6.5 m/a；季荣耀等[16]测得该区域1976—1982 年海岸侵蚀速率达到15～20 m/a，由此看出邦塘湾沙滩的侵蚀情况在不断加剧。通过对椰林湾人工岛近岸砂质岸滩面积变化遥感影像图的分析，可以明显看出建岛之后邦塘湾近岸侵蚀作用变成淤积作用，且泥沙淤积面积在逐年增长。

运用Canny 边缘检测算子提取邦塘湾沿岸2011 年以来的砂质岸线数据（见图2），DSAS 计算其岸线变化速率（见图3）。 可以看出，2011 年以来邦塘湾岸线西侧岸线向陆地方向侵蚀，中间区域向海洋推进，且变化较为剧烈。

2011—2012 年人工岛刚开始施工期间， 连岛栈桥西侧80～330 m 范围内的砂质岸滩被侵蚀，岸滩侵蚀造成砂质岸线向陆地方向收缩，平均侵蚀速率为43.69 m/a，最大侵蚀距离达到85.13 m，造成连岛栈桥西侧岸滩侵蚀的原因可能是人工岛连岛栈桥建设减弱了原先邦塘湾沿岸自西向东水流的传输，没有充足的沉积物被水流携带至此，且微弱的水流又受到连岛栈桥的阻挡。紧邻连岛栈桥东侧340～600 m 范围内砂质岸线向海洋方向快速淤进，淤进幅度较大， 最大淤进速率达到111.56 m/a，这主要是由于连岛栈桥的施工活动造成桥墩附近水体泥沙含量较高，并且阻挡了自东向西方向水流运动，泥沙快速在此发生淤积，再往东侧远离人工岛方向砂质岸线变化速率明显放缓。

图2 邦塘湾海岸不同时期砂质岸线变化

图3 邦塘湾岸线变化速率

2012—2013 年连岛栈桥西侧依旧为侵蚀状态，侵蚀速度相比前一年有所减缓，平均速率约为29.82 m/a。 紧邻栈桥东侧区域由淤积转变为侵蚀，发生侵淤转变的长度范围为340～510 m， 发生侵淤转变的原因主要是在这一年中人工岛完成施工， 栈桥处水流相对施工期间发生了变化。 中段800～1060 m 区域表现为淤积， 平均淤积长度为74.51 m/a，最大淤积长度达到104.67 m，发生淤积的原因可能是人工岛施工建设期间水体泥沙含量较高，且建设施工过程中对水体原有的动力条件造成了影响。

2013 年人工岛完成施工建设之后， 砂质岸线总体变化趋势是西侧发生侵蚀， 中部发生淤积，东侧基本不变。西侧发生侵蚀的区域主要为栈桥西侧建岛前岸滩和340～600 m 范围栈桥修建期间产生的淤积， 由于2011—2013 年期间被侵蚀岸滩面积较大，2013—2018 年间砂质岸线向陆地方向平均速率为13.17 m/a。 中部淤积部分主要在人工岛后方陆岛间约600～1260 m 范围内， 图2 可以看出2013—2018 间陆岛间淤积幅度变化最大的位置逐渐在向东侧移动，2013—2014 年在740 m 处岸线淤进幅度最大， 约73.89 m；2014—2015 年910 m处淤进了98.93 m；2016 年相比2015 年岸线变化幅度较小；2016—2017 年960 m 处向海洋淤进了87.25 m， 而910 m 处仅有30.44 m 的泥沙淤积；2017—2018 年1030 m 处向海洋淤进达151.48 m，910 m 处岸线向海洋淤进21.38 m。 造成砂质岸线如此变化的原因可能是随着陆岛间泥沙淤积情况日益严重， 在2016 年砂质岸线已经接近人工岛围堤，造成泥沙淤积发展空间不足，在水流条件的作用下，泥沙淤积开始向东南方向漫延。

总体来看，修建人工岛之前邦塘湾岸线以侵蚀为主，且被侵蚀的岸滩泥沙在清澜港入海口形成沉积。 建设人工岛期间，清澜港入海口的岸滩被侵蚀消失，陆岛间泥沙淤积速度最快，人工岛完成施工后，陆岛间岸滩进一步淤积，已经形成连岛沙坝。

3.2 椰林湾人工岛周围水域方向场变化

通过对影像进行Gabor 滤波增强方法提取水体流态，结果如图4 所示。 用于提取水体流态的两幅影像成像时间分别为2011 年10 月30 日和2015 年4 月16 日， 成像时水域潮情为涨潮阶段。图4 可以明显看出人工岛的建设改变了水流原先的流动方向，使得陆岛间形成了更加容易形成泥沙淤积的水文环境。人工岛建设之前邦塘湾水流为自东向西的沿岸流，沿岸的泥沙水流的作用下被自东向西携带，在清澜港入海口处由沿岸流和港口内水流共同作用下形成淤积。 而人工岛建好后，东侧海域沿岸流依旧为自东向西方向，但人工岛西侧水流经过人工岛的阻挡绕射在栈桥附近形成自西向东的沿岸流，与人工岛东侧自东向西的沿岸流在陆岛间发生相遇， 两股水流携带的泥沙在此发生沉积，形成的泥沙淤积快速向人工岛方向堆积，从2018 年砂质岸线位置可以看出，此处淤积的泥沙已经形成连岛沙坝。人工岛西侧栈桥附近由于自东向西的沿岸流随着陆岛间的泥沙淤积已经达不到此区域，大大减弱了此区域的泥沙淤积作用，造成清澜港涨退潮水流冲刷作用增强，该区域岸滩被侵蚀。

综合分析，椰林湾人工岛的建设对沿岸水体流向造成了较大的影响， 阻挡了向岸的水体流动，在人工岛后方造成了泥沙淤积， 形成了连岛沙坝，但是在一定程度上也缓解了清澜港入海口的航道淤积作用。

图4 人工岛建设前后水体流向对比

3.3 日月湾人工岛砂质岸线变化

通过Canny 边缘检测算子提取日月湾人工岛近岸2011 年以来的砂质岸线数据（如图5 所示），岸线变化速率（如图6 所示），发现日月湾人工岛的“日”岛和“月”岛近岸砂质岸线变化有较大差异，“日”岛砂质岸线向人工岛一侧淤进较多，“月”岛淤进较少。

图5 日月湾人工岛附近砂质岸线变化

图6 日月湾岸线变化速率

2011—2012 年“日”岛附近砂质岸线基本没有变化，2012—2013 年岸线变化幅度较大。 在640～1460 m 范围间平均淤积速度为80.82 m/a，最大淤积长度为196.25 m，淤积效果呈现正对“日”岛淤积快，往两边淤积幅度小的特点，这可能与“日”岛施工建设有关， 施工期间此处水域泥沙含量较高，且改变了水动力条件， 造成了泥沙淤积快速形成，且正对“日”岛为连岛栈桥，水体在此汇聚形成沉积。2013 年之后“日”岛近岸泥沙淤积速度减缓，速度减缓可能与此时“日”岛施工结束，水体悬浮泥沙浓度下降有关。 2017—2018 年正对“日”岛900～1060 m范围内砂质岸线向人工岛方向淤进，且边界较平滑，此变化的主要原因是“日”岛的泥沙淤积形成了连岛沙坝，砂质岸线的边界已经和“日”岛轮廓相接。

2011—2016 年间在1460～4000 m 范围内的砂质岸线变化幅度都较小，表现为侵蚀状态，平均侵蚀速率为1.47 m/a。2016—2018 年由于“月”岛的施工建设，岸线在“月”岛附近2300～2800 m 范围内向人工岛方向有较大淤进，2016—2017 年平均淤进速率约43.37 m/a，2017—2018 年平均淤进速率约为26.44 m/a，淤积速率有所减缓。 由图7 中岸线年度数据还看出 “月” 岛附近岸线变化规律不像“日”岛附近呈中间淤进速度最快，两边逐渐减小的特点，而是在栈桥东北侧向海洋淤进速度最快，主要原因可能与“月”岛施工建设有较大关系，“月”岛阻挡了外部水流，且其连岛栈桥与最左侧相连，西南侧水体通过连岛栈桥的空隙后速度减缓，悬浮物沉积。

图7 日月岛建设前后水体流向对比

2016—2018 年间在1540～1840 m 范围内砂质岸线也发生了向海淤进的情况， 平均淤进速率为20.59 m/a， 发生上述情况的原因可能是此区域水动力条件的变化。在“月”岛建设之前，此区域面对广阔的大洋，当“月”岛建设完工后，阻挡了外部大部分的水体，仅在日月岛中间留下了狭窄的水道，远海大洋水体通过水道扩散流向岸边， 但主要方向为垂直流向，垂直流向的水体在岸边造成了泥沙淤积。

通过日月岛的砂质岸线变化和变化速率来看，由于其是两部分工程，砂质岸线变化和每一部分人工岛的建设和对水流的影响有较大关系。日月岛的两个部分都造成了岸滩的淤积，但是“日”岛由于施工较早，且人工岛主体对水体影响较大，淤积较为严重，已形成了连岛沙坝；“月”岛施工较晚，且对水流产生的影响和“日”岛不同，形成的淤积效果也大为不同，淤积速率远远小于“日”岛淤积速率。

3.4 日月湾人工岛周围水域方向场变化

日月湾人工岛工程分两部分先后进行施工建设，“日”岛于2012 年开始施工，2014 年完成施工，“月” 岛于2015 年10 月开始施工，2016 年底完成外围轮廓施工，工程给近岸水动力条件带来了两次变化。通过对影像进行Gabor 滤波增强方法提取水体流态结果如图7 所示，选取的建岛前影像成像时间为2011 年10 月14 日， 选取的“日” 岛完工而“月”岛未开始施工的影像成像时间为2015 年4 月16 日， 选取的全部工程完成施工的影像成像时间为2018 年1 月18 日，3 期影像日月湾均为涨潮期。 图7 中可以看出日月湾人工岛建设之前，大洋水体流动方向与海岸近乎垂直， 存在一定的角度。当“日”岛施工建设后，流向海岸的水流遇到“日”岛的阻挡，分成两股从“日”岛两侧绕射，最后在“日”岛后方连岛栈桥处汇聚，泥沙此处发生堆积，形成了连岛沙坝；“月”岛建设完工后，对水流产生了阻挡作用，外部水流分两股经“月”岛左右两侧流向海岸， 西南侧水流靠近岸边后受到连岛栈桥的阻挡，泥沙在此沉积，“月”岛东北侧水流和“日”岛西南侧水流汇合穿过水道流向岸边， 通过水道之后空间变大流速减缓，水体向四周扩散，但由于其主要流向为向岸方向，泥沙在正对水道的岸边发生沉积。

综合来说，日月湾人工岛的建设对周围水域的水文动力造成了较大的改变，由于“日”岛和“月”岛的不同时间施工和不同的设计，其产生的泥沙淤积变化也不同。目前“日”岛后方陆岛间已形成连岛沙坝，而“月”岛产生的泥沙淤积面积较少。

4 讨 论

4.1 泥沙淤积原因

从砂质岸线变化来看，椰林湾人工岛和日月湾人工岛在建设完成之后，都在岛后方陆岛间形成了大面积的泥沙淤积，这与人工岛的建设有着直接的关系。

1）近岸水体泥沙浓度高

首先人工岛设计离岸距离较近，近岸区域海底土质较为松软，施工建设活动对水体的搅动造成水体悬浮泥沙含量升高，泥沙被水流携带岛岸边；其次人工岛建设泥沙为其他区域抽取，然后在施工区域对岛体进行吹填，吹填过程中也容易引起周边水域泥沙含量升高，并且随波浪作用向岸边发生输运并沉积。

2）水动力变化的影响

波浪向岸边传播的过程中，会随着海底地形的变化而发生破碎形成沿岸流、向岸流或者离岸流。

椰林湾人工岛所处的邦塘湾海域在长浪向的作用下，斜向岸的波浪在近岸区域破碎形成自东向西的沿岸流，在人工岛修建之前，邦塘湾沿岸水中浮沙被自东向西的沿岸流携带至清澜港入海口，在此和清澜港内的水流汇聚，共同作用下在入海口形成淤积；当人工岛修建好之后，由于其对波浪传播方向的阻挡作用，波浪无法抵达人工岛后方形成了波影区，波影区内水动力条件较弱，同时人工岛西侧水流在对人工岛的绕射过程中形成了自西向东的沿岸流，从连岛栈桥下穿过，在陆岛间波影区和自东向西的沿岸流相遇，两股水流共同作用下使沉积物在此淤积，逐步形成连岛沙坝。

日月湾人工岛周围水域波浪破碎形成的为向岸流。由于“日”岛和“月”岛的连岛栈桥几乎是垂直海岸设计，所以在“日”岛建成后，水流在“日”岛远端分裂成两股，分别绕“日”岛流动，并在连岛栈桥处汇聚，两股水流在此汇聚造成泥沙在此沉淀发生淤积。 当“月”岛修建后，“日”岛和“月”岛中间形成狭窄水道，当绕射两岛的水流在此汇聚，并加速穿过水道向岸边流动， 此时会减速并形成发散的流向，但主要方向是垂直向岸边流动，在此形成面积较小的泥沙淤积。“月”岛西南侧水流由于绕射“月”岛，在连岛栈桥处形成沿岸流，穿过连岛栈桥在东北侧产生泥沙淤积。“月”岛泥沙淤积基本都在连岛栈桥的东北侧，区别于“日”岛连岛栈桥两侧淤积的状况，原因是“日”岛建设过程中及完工后形成淤积的时候， 在陆岛间汇聚的两股水流较为均衡，而“月”岛西南侧水体流量比“月”岛东北侧穿过两岛间水道而扩散的水流大得多，所以“月”岛形成的泥沙淤积呈现一侧较多的特点。

4.2 泥沙淤积演变预测

当岸边建有离岸工程时，在工程与陆地之间的水域由于波浪绕过工程到达后波能减少， 波浪破碎，形成波影区，波影区内水体流速减小，携带的泥沙在此发生沉积，当满足适宜条件时沉积的泥沙规模将逐渐扩大，直至与外部工程相连，最终形成连岛沙坝。

通过两个人工岛近岸砂质岸线的位置可以判断出椰林湾人工岛和日月湾人工岛的“日”岛泥沙淤积严重程度已经形成连岛沙坝，是否能够形成连岛沙坝和适宜的离岸距离和人工岛宽度比值、水动力条件、沉积物来源等因素有关。 当满足水动力条件和沉积物来源时，连岛沙坝是否能够形成和离岸距离（L）与岛体宽度（W）比值有着密切的关系[17]，数量关系如表2 所示。

表2 人工岛与岸线响应状况

因此，当人工岛宽度越大，离岸距离越近的时候，越容易形成连岛沙坝。 经计算椰林湾人工岛离岸距离和人工岛宽度比值约为2.13,“日”岛离岸距离和人工岛宽度比值约为2.24，“月”岛离岸距离和人工岛宽度比值约为2.05，都满足形成连岛沙坝的地理位置条件。 椰林湾人工岛和日月湾人工岛的“日”岛已形成连岛沙坝，计算结果显示“月”岛满足形成连岛沙坝的距离条件，但是由于其一侧水动力条件不足，且携带的泥沙在经过两岛间水道后已经淤积在岸边，沉积物来源也不足，仅仅通过“月”岛西南侧水体流动的携沙作用，不满足形成连岛沙坝的充分条件，所以推测“月”岛近岸将会形成沙嘴，而不会形成连岛沙坝。

5 结 论

文中通过对海南岛两个离岸人工岛的影像分析建岛前后近岸砂质岸滩的演变，得出以下结论：

1）椰林湾人工岛建岛前，沿岸沙滩表现为侵蚀状态，自东向西的沿岸流会将泥沙向西携带，淤积在清澜港入海口，日月湾人工岛建岛前岸线较为稳定。

2）人工岛建好后，对周围水域的水动力条件造成了较大影响。椰林湾人工岛施工建设阻挡水流行进，波浪无法直接作用于邦塘湾海岸，造成人工岛与陆地之间水动力条件较弱，并且使自东向西的水流绕射人工岛之后形成两个相向的沿岸流，在陆岛间交汇，形成泥沙淤积。 日月湾人工岛的建设使近岸水流发生了两次变化，“日”岛刚刚建成之后，波浪绕射人工岛之后在后方栈桥下汇聚，形成泥沙淤积；“月”岛修建好之后，两岛之间的水道会携带一部分悬浮物，沉积在正对水道的岸边，“月”岛连岛栈桥处也由于桥墩阻碍作用，形成泥沙淤积。

3）人工岛建设过程中和建好后对岸线影响较大。 椰林湾人工岛建岛施工期间泥沙淤积速率达到104.67 m/a， 工程完工后最大淤积速率达到151.48 m/a，由于满足连岛沙坝的形成条件，陆岛间已经形成连岛沙坝；日月湾人工岛“日”岛施工建设期间最大淤积速率达到196.25 m/a， 完工后淤积速率有所减缓，为79.31 m/a，“月”岛施工建设期间最大淤积速率为82.21 m/a，由于“日”岛满足形成连岛沙坝的条件，“日”岛的陆岛间已经形成连岛沙坝。