海平面上升對城市水安全影響研究及展望論文

摘要：全球氣候變暖致海平面不斷上升,日漸成爲多種海洋災害的誘因,對沿海城市或地區水安全構成潛在威脅和風險。對海平面上升及其對沿海城市水安全的危害進行了概述,對國內外海平面上升及其影響的研究成果和進展進行了綜述;結合沿海地區水安全面臨地面沉降的人爲災害與海平面上升的自然災害的雙重影響,提出了未來加強和加快兩者疊加影響研究的若干展望,爲類似地區或城市水務行業技術或管理人員提供參考。

關鍵詞：沿海城市; 海平面上升; 地面沉降; 城市水安全;

全球氣候變暖引發全球海平面不斷上升,已成爲國際社會公認的不爭事實[1-4]。不少學者研究發現[5-9],自20世紀60年代以來,從上海近海、東海、西北太平洋到全球海洋,海平面加速上升十分明顯;在未來50~100年間,這種趨勢還將繼續存在,且中國沿海的海平面變化也將受其直接影響。應對海平面上升的成效關係到沿海地區經濟社會的可持續發展和沿海城市的公共安全與穩定。沿海城市既是全球人類活動最活躍、人口密度最大、經濟社會發展速度最快的地區,又是海岸侵蝕、風暴潮、洪澇及海水入侵等自然災害易發常發之地。海平面上升無疑會加劇這些地區災害發生的風險、頻率和程度,即使海平面僅有數十釐米的上升量值,其增大的災害損失都將十分驚人。如若再疊加因人類開發建設活動引起的區域地面沉降影響,將進一步增大沿海城市居民和自然生態環境所面臨的災害程度與風險。本文主要介紹海平面上升對城市水安全影響的研究進展,並結合沿海地區地面沉降的人爲災害,對未來沿海城市開展兩種災害的疊加影響及其應對研究提出了若干展望。

1 海平面上升及其對沿海城市水安全的危害

近一個世紀以來,全球氣候變暖趨勢較爲明顯。全球氣候變暖而引起的海水增溫膨脹、陸源冰川和極地冰蓋融化等是導致全球海平面上升的主要原因,這一結論已由聯合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC)《氣候變化200第四次評估報告》(AR4)所證實[10-11]。據美國NBC新聞報道專家們日前的警告,在過去的20年裏,海平面的上升速度遠遠超過聯合國科學機構的預測,此結論源自衛星數據顯示海平面在1993~2011 年間平均每年上升3.2 mm,比IPCC預測的每年2 mm的升幅高出60%;且無論未來10年裏全球氣溫升高多少,預計海平面上升都不會在2100年之前停止[12]。

海平面上升由絕對海平面上升和相對海平面上升構成。其中絕對海平面上升即理論海平面上升,是指海洋表面與地心之間的距離的變化,通常指全球性的海平面絕對上升量,理論上由全球氣候變暖造成的海水膨脹、極地冰蓋和陸源冰川冰帽等融化引起。相對海平面上升是指某一地區的實際海平面變化,在數值上爲全球海平面上升加上當地陸地升降值(即當地當期地殼升降量和局部地面沉降量)之和。其中,絕對海平面上升是不可逆的過程,而相對海平面上升的過程是可以控制和減緩的。相對海平面上升對當地的生活生產有直接影響,同時也對區域的長期規劃建設有重要的參考,因而,研究當地的相對海平面變化尤其對沿海沉降地區更具現實意義。

海平面上升造成的直接後果包括:沿海低窪地帶淹沒、溼地變遷、沿海防護工程功能降低、城市洪澇風險和海水倒灌威脅加大。此外,海平面上升作爲一種緩發性海洋災害,具有長時間尺度的累積效應,包括加速海岸侵蝕、加重風暴潮災害、加劇鹽水入侵、加重洪澇災害、加重土壤鹽漬化和鹹潮等海洋災害的致災程度,淹沒濱海低地,破壞生態環境,給沿海地區的經濟社會發展帶來嚴重影響。

2 國內外關於海平面上升及其影響研究的動態

2.1 國外研究進展

1985年,世界科學聯合理事會(ICSU)世界氣象組織(WMO)和聯合國環境保護署(UNEP)在奧地利菲拉赫(Villach)召集專門會議討論了CO2等溫室氣體增加、全球變暖致使海平面上升和其他一系列嚴重的環境變化。1988年,IPCC在WMO和UNEP聯合下建立,其主要職責是評估有關氣候變化問題的科學資訊以及評價氣候變化的環境和社會經濟後果,並制定現實的應對策略[10]。自成立起,IPCC撰寫了一系列評估報告(如1990年、1995年、2001年和2007年評估報告)、特別報告、技術檔案、方法報告,這些報告已經成爲標準參考著作而被決策者、科學家、其他專家和學生廣泛引用。IPCC第4次評估報告指出,至21世紀末,全球平均地表氣溫可能升高1.1℃~6.4℃,全球平均海平面上升幅度預估範圍爲18~59 cm[11]。

2.2 國內研究進展

我國也於20世紀80年代同期重視海平面變化及其影響,重點研究了幾十年至百年短尺度的現代海平面上升問題。1993年,中科院地學部組織一批院士和專家對珠江三角洲、長江三角洲、黃河三角洲及天津地區進行了考察,發現許多與海平面變化有關的問題亟待研究,遂建議各考察地區自行設立專項開展海平面上升及其影響和對策研究。隨後,上海、廣東、天津等地相繼響應,陸續開展了本地區海平面研究,對我國在該領域的研究起到很大的促進作用。

2.2.1 中國海平面公報[13]

國家海洋局自2000年以來,每年發佈全國四大海區及沿海省(直轄市)的海平面變化狀況及其發展態勢公報,對全國及沿海地方省(直轄市)海洋管理部門及有關單位應對海平面上升影響及其相關措施與對策具有重要指導意義。近30年來,中國沿海的海平面呈波動且明顯上升趨勢,年際變化規律爲:2001~2010年中國沿海的平均海平面總體處於歷史高位,比1991~2000年的平均海平面高25 mm,比1981~1990年的平均海平面高55 mm。1980~2012年中國沿海海平面上升速率爲2.9 mm/a;中國沿海海平面變化存在區域差異,渤海西南部和長江口沿海海平面上升幅度較大,1980~2012年上升幅度超過150 mm,遠高於全國沿海海平面平均上升幅度的100 mm。

2.2.2沿海省(直轄市)研究動態

(1)珠江三角洲地區。20世紀90年代中後期,廣東省開展了《廣東海平面變化及其影響與對策》研究[14],相關成果包括:11955~1994年間廣東相對海平面上升速率爲2.0~2.5 mm/a;2合理推算了2030年相對海平面上升幅度,珠江口爲30 cm,粵東爲15 cm,韓江口爲20 cm等;3評估了海平面上升對加劇風暴潮災害、擡高珠江河口水位、削弱江海堤圍防禦能力、擴大鹽水入侵範圍以及對灘塗資源利用和珠江三角洲綜合整治等的影響;4討論了沿海工程設計參數應有的變更;5提出了海平面災害綜合評估與防禦減災對策,包括提高堤圍非抗禦能力、提高沿海工程的設計潮位和設計波高、增加電排裝機容量、興建珠江三角洲的大型控制性工程等。

(2)長江三角洲地區。國家海洋資訊中心曾於20世紀90 年代末期開展了海平面上升對長江三角洲地區的'影響評價研究。孫清等[15]根據IPCC(1990年評價報告)擬定的方案,取至2025年、2060年和2080年海平面分別上升30 cm、65 cm、100 cm等情況對長江三角洲地區進行了沿海脆弱性評價研究,提出長江三角洲地區岸段是我國海岸侵蝕最爲嚴重的岸段,研究區侵蝕岸段在各研究期大約分別增到425 km、450 km、480 km,潮灘和溼地損失分別爲34 km、74 km、113 km;長江口的潮水上溯使鹽水入侵,造成水質惡化;海平面上升將導致風暴潮災害加劇,如海平面上升65 cm,原來100年一遇的極值高潮位變爲10年一遇。後來,中科院南京地理與湖泊研究所、中科院地理科學與資源研究所等單位也曾研究過海平面上升對長江三角洲、蘇北平原海岸侵蝕的可能影響及江蘇沿海低地的災害效應研究,取得諸多成果,對該區域應對海平面上升的影響具有重要指導作用[16]。1994 年,上海“海平面上升研究課題組”開展了地區海平面變化趨勢的研究和預測,以及海平面上升分別對防汛、水資源和水環境、海岸侵蝕、航道和港口等的影響和對策研究等,並完成了《海平面上升對上海影響及對策研究總報告》[17]。報告對上海地區吳淞、高橋、黃浦公園、金山嘴等8個主要站點海平面變化現狀及未來趨勢進行了研究分析,得出1961~1990年上海地區海平面上升速率爲2.0 mm/a,並預測了未來3 個20 年期即分別至2010 年、2030 年、2050 年上海地區海平面上升速率爲2.0 mm/a、2.5 mm/a、5.0 mm/a;在考慮到期間上海地區地面沉降因素後,繼而預測2010 年、2030 年、2050 年上海地區海平面(RSL)相對於1990 年分別上升15~25 cm、30~40 cm、45~55 cm。這些研究成果已成爲目前上海市重大工程建設、城市規劃與建設應對海平面上升影響的重要依據。不過,該輪研究主要基於IPCC當時推薦的相對海平面變化值,後來經實測數據驗證發現(即2010~2013 年華東師範大學組織的長江口海平面上升影響及其應對研究項目),該海平面上升預測值過於悲觀,且得到IPCC官員近期的認可,如該報告預測高橋潮位站至1990~2010年相對海平面上升24 cm,但是根據1990~2010年高橋站實測海平面上升5.2 cm,遠遠低於原預測值。根據海平面變化新形勢,2010 年上海市啓動新時期“長江口海平面上升對上海城市安全影響及其應對關鍵技術研究”項目,其主要成果或結論包括:①校正研究預測至2030年上海地區海平面上升值爲10~16 cm(此爲相對海平面)。②在海岸侵蝕方面,海平面上升將導致長江河口航道攔門沙灘頂向上遊遷移、海岸侵蝕加劇、岸線後退速率增大。③在防洪除澇方面,海平面上升將導致上海市沿長江、黃浦江和蘇州河西沙水庫連續不宜取水的最長時間將分別增加0.54 d、2.11 d、0.15 d,且各水庫對應的取水量分別減少0.8~0.75 d、3.4~5.2 d、1.08~1.12 d。⑤在海岸防護與防潮方面,海平面上升將增大沿岸水域水動力特性,增大海岸侵蝕風險和損害程度,且吳淞、長興、橫沙、黃浦公園、南門港等5個潮位站點按200年一遇設計的高潮位將分別上升爲6.33 m、6.34 m、6.21 m、6.03 m和6.64 m,新成果爲上海應對至2030年海平面上升影響而開展的對策措施(如修建防護堤壩、加強區域防汛和供水安全影響等)提供了重要參考。

(3)渤海灣京津塘地區。21 世紀初,天津市開展了《天津濱海新區海平面上升及影響評估》[18],得出天津沿海海平面的上升態勢,即:統計年限內研究海區海平面具有明顯的上升趨勢與顯著的年際變化,其線性上升速率爲2.4 mm/a,年際變幅可達8 cm;未來至2030 年、2050 年、2080 年海平面上升預測分別爲18~40 cm、30~60 cm、42~90 cm。在海平面上升對區域影響的評估研究中,項目研究單位將影響評估分爲直接可能損失評估、海岸影響評估和綜合影響評估3個方面開展相關分析評估工作。

3 進一步加強海平面上升對沿海城市水安全影響研究的思考與建議

3.1 若干思考

沿海城市的海塘防護、陸域防洪除澇及河口區域水源地安全等均關係到區域經濟社會可持續發展和長治久安,如上海、天津、廣州等我國沿海大型或特大型城市,更有必要持續關注和加強本地區及鄰近海域海平面上升對城市安全的可能影響(危害)及其對策研究。

(1)有待進一步理順地面沉降與海平面上升的關係。當同時考慮海平面上升和地面沉降雙重因素對城市安全影響的時候,海平面上升應專指絕對海平面上升,而地面沉降則考慮包括地殼運動、局部沉降等因素在內的綜合地面沉降;當僅僅考慮海平面上升而不特別提及地面沉降時,此時的海平面上升應特指相對海平面上升。

(2)有待繼續深化地面沉降和海平面變化的基礎研究工作。如進一步瞭解地面沉降與海平面上升對城市安全影響的各自權重和程度,以便合理確定主次因素和防範措施;進一步開展更大時間尺度(如2050年、2100年等)的地面沉降和海平面上升的預測研究,以期及早謀劃大時間尺度變化影響的應對戰略及技術手段研發。

(3)有待繼續加強地面沉降和海平面變化疊加影響下的災害評估和對策防範的應用實踐研究工作。①在水安全保障方面,更加關注地面沉降及海平面上升的雙重影響對區域(城市)防洪防潮、除澇排水、泵閘水利基礎設施等水安全風險及其受災程度的影響。②在水資源保障方面,持續關注城市水源地應對區域(或江河沿線)地面沉降及海平面上升雙重影響下的安全可靠性評估及其應對策略與措施的研究。③在水生態環境保護方面,現有沿海地區城市(如上海)開展地面沉降和海平面上升雙重影響下對城市轄區水域水生態環境的影響研究較少,未來有待開展相關影響及對策研究。

3.2 工作建議

考慮到海平面上升和地面沉降雙重作用(以下簡稱“雙重作用”)對沿海大型或特大型城市的可能性、持續性、緩發性影響及其危害,未來津滬穗等沿海城市亟待進一步深入開展如下重大課題研究。

3.2.1 防洪除澇安全保障領域

(1)加強沿海地區地面沉降監測站點和水文(潮位)監測站點的基礎數據庫的科學性、合理性、系統性、相容性和可靠性能力建設。

(2)加強沿海城市堤防與泵閘等水利設施應對雙重作用或影響下的災害風險評估和防禦能力保障研究。

(3)加強沿海地區除澇或雨水排水應對雙重作用或影響下的災害風險評估和除澇(排水)能力保障研究。

(4)加強沿海城市地下管網(渠)、防洪除澇水閘與泵站等水工構築物應對雙重作用或影響的設計標準與規範研究。

3.2.2 水資源安全保障領域

(1)加強河口臨海城市水源地取供水工程設施(構築物)應對雙重作用或影響下的災害風險評估和安全執行保障研究。

(2)加強河口臨海城市水源地水量水質應對雙重作用或影響下的災害風險評估和供水安全保障研究。

3.2.3 水生態環境安全保障領域

(1)加強沿海城市水生態環境應對雙重作用或影響下的災害風險評估和安全執行保障研究;

(2)加強雙重作用或影響對沿海城市水資源保護的災害風險評估研究。

4 結語

從加強城市水安全保障和積極應對海洋或自然災害的角度,介紹了海平面上升對沿海大型或特大型城市水安全的潛在威脅和危害;並綜述了國外及國內珠江三角洲、長江三角洲和渤海灣京津塘地區關於海平面上升及其影響的研究進展。考慮到沿海地區或城市未來因人類活動產生的地面沉降的進一步加劇,反過來,它將伴隨海平面上升共同形成對沿海地區或城市水安全的疊加影響和作用,且產生更大的威脅和危害,爲此,進行了未來開展海平面上升和地面沉降對沿海城市水安全雙重影響研究的一些思考,包括有待進一步理順地面沉降與海平面上升的關係、繼續深化地面沉降和海平面變化的基礎研究工作、繼續加強地面沉降和海平面變化疊加影響下的災害評估和對策防範的應用實踐研究工作等;最後就未來積極應對海平面上升和地面沉降雙重災害及其影響問題,提出了加強和加快防洪除澇安全保障領域、水資源安全保障領域、水生態環境安全保障領域等方面基礎研究的一些建議,對類似沿海地區或城市水安全保障工作具有一定參考意義。

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