海平面上升对城市水安全影响研究及展望

　　摘要：全球气候变暖致海平面不断上升,日渐成为多种海洋灾害的诱因,对沿海城市或地区水安全构成潜在威胁和风险。对海平面上升及其对沿海城市水安全的危害进行了概述,对国内外海平面上升及其影响的研究成果和进展进行了综述;结合沿海地区水安全面临地面沉降的人为灾害与海平面上升的自然灾害的双重影响,提出了未来加强和加快两者叠加影响研究的若干展望,为类似地区或城市水务行业技术或管理人员提供参考。
　　
　　关键词：沿海城市; 海平面上升; 地面沉降; 城市水安全;
　　
　　全球气候变暖引发全球海平面不断上升,已成为国际社会公认的不争事实[1-4]。不少学者研究发现[5-9],自20世纪60年代以来,从上海近海、东海、西北太平洋到全球海洋,海平面加速上升十分明显;在未来50~100年间,这种趋势还将继续存在,且中国沿海的海平面变化也将受其直接影响。应对海平面上升的成效关系到沿海地区经济社会的可持续发展和沿海城市的公共安全与稳定。沿海城市既是全球人类活动最活跃、人口密度最大、经济社会发展速度最快的地区,又是海岸侵蚀、风暴潮、洪涝及海水入侵等自然灾害易发常发之地。海平面上升无疑会加剧这些地区灾害发生的风险、频率和程度,即使海平面仅有数十厘米的上升量值,其增大的灾害损失都将十分惊人。如若再叠加因人类开发建设活动引起的区域地面沉降影响,将进一步增大沿海城市居民和自然生态环境所面临的灾害程度与风险。本文主要介绍海平面上升对城市水安全影响的研究进展,并结合沿海地区地面沉降的人为灾害,对未来沿海城市开展两种灾害的叠加影响及其应对研究提出了若干展望。
　　
　　1 海平面上升及其对沿海城市水安全的危害
　　
　　近一个世纪以来,全球气候变暖趋势较为明显。全球气候变暖而引起的海水增温膨胀、陆源冰川和极地冰盖融化等是导致全球海平面上升的主要原因,这一结论已由联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)《气候变化200第四次评估报告》(AR4)所证实[10-11]。据美国NBC新闻报道专家们日前的警告,在过去的20年里,海平面的上升速度远远超过联合国科学机构的预测,此结论源自卫星数据显示海平面在1993~2011 年间平均每年上升3.2 mm,比IPCC预测的每年2 mm的升幅高出60%;且无论未来10年里全球气温升高多少,预计海平面上升都不会在2100年之前停止[12]。
　　海平面上升由绝对海平面上升和相对海平面上升构成。其中绝对海平面上升即理论海平面上升,是指海洋表面与地心之间的距离的变化,通常指全球性的海平面绝对上升量,理论上由全球气候变暖造成的海水膨胀、极地冰盖和陆源冰川冰帽等融化引起。相对海平面上升是指某一地区的实际海平面变化,在数值上为全球海平面上升加上当地陆地升降值(即当地当期地壳升降量和局部地面沉降量)之和。其中,绝对海平面上升是不可逆的过程,而相对海平面上升的过程是可以控制和减缓的。相对海平面上升对当地的生活生产有直接影响,同时也对区域的长期规划建设有重要的参考,因而,研究当地的相对海平面变化尤其对沿海沉降地区更具现实意义。
　　海平面上升造成的直接后果包括:沿海低洼地带淹没、湿地变迁、沿海防护工程功能降低、城市洪涝风险和海水倒灌威胁加大。此外,海平面上升作为一种缓发性海洋灾害,具有长时间尺度的累积效应,包括加速海岸侵蚀、加重风暴潮灾害、加剧盐水入侵、加重洪涝灾害、加重土壤盐渍化和咸潮等海洋灾害的致灾程度,淹没滨海低地,破坏生态环境,给沿海地区的经济社会发展带来严重影响。
　　
　　2 国内外关于海平面上升及其影响研究的动态
　　
　　2.1 国外研究进展
　　
　　1985年,世界科学联合理事会(ICSU)世界气象组织(WMO)和联合国环境保护署(UNEP)在奥地利菲拉赫(Villach)召集专门会议讨论了CO2等温室气体增加、全球变暖致使海平面上升和其他一系列严重的环境变化。1988年,IPCC在WMO和UNEP联合下建立,其主要职责是评估有关气候变化问题的科学信息以及评价气候变化的环境和社会经济后果,并制定现实的应对策略[10]。自成立起,IPCC撰写了一系列评估报告(如1990年、1995年、2001年和2007年评估报告)、特别报告、技术文件、方法报告,这些报告已经成为标准参考著作而被决策者、科学家、其他专家和学生广泛引用。IPCC第4次评估报告指出,至21世纪末,全球平均地表气温可能升高1.1℃~6.4℃,全球平均海平面上升幅度预估范围为18~59 cm[11]。
　　
　　2.2 国内研究进展
　　
　　我国也于20世纪80年代同期重视海平面变化及其影响,重点研究了几十年至百年短尺度的现代海平面上升问题。1993年,中科院地学部组织一批院士和专家对珠江三角洲、长江三角洲、黄河三角洲及天津地区进行了考察,发现许多与海平面变化有关的问题亟待研究,遂建议各考察地区自行设立专项开展海平面上升及其影响和对策研究。随后,上海、广东、天津等地相继响应,陆续开展了本地区海平面研究,对我国在该领域的研究起到很大的促进作用。
　　
　　2.2.1 中国海平面公报[13]
　　
　　国家海洋局自2000年以来,每年发布全国四大海区及沿海省(直辖市)的海平面变化状况及其发展态势公报,对全国及沿海地方省(直辖市)海洋管理部门及有关单位应对海平面上升影响及其相关措施与对策具有重要指导意义。近30年来,中国沿海的海平面呈波动且明显上升趋势,年际变化规律为:2001~2010年中国沿海的平均海平面总体处于历史高位,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年中国沿海海平面上升速率为2.9 mm/a;中国沿海海平面变化存在区域差异,渤海西南部和长江口沿海海平面上升幅度较大,1980~2012年上升幅度超过150 mm,远高于全国沿海海平面平均上升幅度的100 mm。
　　
　　2.2.2沿海省(直辖市)研究动态
　　
　　(1)珠江三角洲地区。20世纪90年代中后期,广东省开展了《广东海平面变化及其影响与对策》研究[14],相关成果包括:11955~1994年间广东相对海平面上升速率为2.0~2.5 mm/a;2合理推算了2030年相对海平面上升幅度,珠江口为30 cm,粤东为15 cm,韩江口为20 cm等;3评估了海平面上升对加剧风暴潮灾害、抬高珠江河口水位、削弱江海堤围防御能力、扩大盐水入侵范围以及对滩涂资源利用和珠江三角洲综合整治等的影响;4讨论了沿海工程设计参数应有的变更;5提出了海平面灾害综合评估与防御减灾对策,包括提高堤围非抗御能力、提高沿海工程的设计潮位和设计波高、增加电排装机容量、兴建珠江三角洲的大型控制性工程等。
　　(2)长江三角洲地区。国家海洋信息中心曾于20世纪90 年代末期开展了海平面上升对长江三角洲地区的影响评价研究。孙清等[15]根据IPCC(1990年评价报告)拟定的方案,取至2025年、2060年和2080年海平面分别上升30 cm、65 cm、100 cm等情况对长江三角洲地区进行了沿海脆弱性评价研究,提出长江三角洲地区岸段是我国海岸侵蚀最为严重的岸段,研究区侵蚀岸段在各研究期大约分别增到425 km、450 km、480 km,潮滩和湿地损失分别为34 km、74 km、113 km;长江口的潮水上溯使盐水入侵,造成水质恶化;海平面上升将导致风暴潮灾害加剧,如海平面上升65 cm,原来100年一遇的极值高潮位变为10年一遇。后来,中科院南京地理与湖泊研究所、中科院地理科学与资源研究所等单位也曾研究过海平面上升对长江三角洲、苏北平原海岸侵蚀的可能影响及江苏沿海低地的灾害效应研究,取得诸多成果,对该区域应对海平面上升的影响具有重要指导作用[16]。1994 年,上海“海平面上升研究课题组”开展了地区海平面变化趋势的研究和预测,以及海平面上升分别对防汛、水资源和水环境、海岸侵蚀、航道和港口等的影响和对策研究等,并完成了《海平面上升对上海影响及对策研究总报告》[17]。报告对上海地区吴淞、高桥、黄浦公园、金山嘴等8个主要站点海平面变化现状及未来趋势进行了研究分析,得出1961~1990年上海地区海平面上升速率为2.0 mm/a,并预测了未来3 个20 年期即分别至2010 年、2030 年、2050 年上海地区海平面上升速率为2.0 mm/a、2.5 mm/a、5.0 mm/a;在考虑到期间上海地区地面沉降因素后,继而预测2010 年、2030 年、2050 年上海地区海平面(RSL)相对于1990 年分别上升15~25 cm、30~40 cm、45~55 cm。这些研究成果已成为目前上海市重大工程建设、城市规划与建设应对海平面上升影响的重要依据。不过,该轮研究主要基于IPCC当时推荐的相对海平面变化值,后来经实测数据验证发现(即2010~2013 年华东师范大学组织的长江口海平面上升影响及其应对研究项目),该海平面上升预测值过于悲观,且得到IPCC官员近期的认可,如该报告预测高桥潮位站至1990~2010年相对海平面上升24 cm,但是根据1990~2010年高桥站实测海平面上升5.2 cm,远远低于原预测值。根据海平面变化新形势,2010 年上海市启动新时期“长江口海平面上升对上海城市安全影响及其应对关键技术研究”项目,其主要成果或结论包括:①校正研究预测至2030年上海地区海平面上升值为10~16 cm(此为相对海平面)。②在海岸侵蚀方面,海平面上升将导致长江河口航道拦门沙滩顶向上游迁移、海岸侵蚀加剧、岸线后退速率增大。③在防洪除涝方面,海平面上升将导致上海市沿长江、黄浦江和苏州河西沙水库连续不宜取水的最长时间将分别增加0.54 d、2.11 d、0.15 d,且各水库对应的取水量分别减少0.8~0.75 d、3.4~5.2 d、1.08~1.12 d。⑤在海岸防护与防潮方面,海平面上升将增大沿岸水域水动力特性,增大海岸侵蚀风险和损害程度,且吴淞、长兴、横沙、黄浦公园、南门港等5个潮位站点按200年一遇设计的高潮位将分别上升为6.33 m、6.34 m、6.21 m、6.03 m和6.64 m,新成果为上海应对至2030年海平面上升影响而开展的对策措施(如修建防护堤坝、加强区域防汛和供水安全影响等)提供了重要参考。
　　(3)渤海湾京津塘地区。21 世纪初,天津市开展了《天津滨海新区海平面上升及影响评估》[18],得出天津沿海海平面的上升态势,即:统计年限内研究海区海平面具有明显的上升趋势与显著的年际变化,其线性上升速率为2.4 mm/a,年际变幅可达8 cm;未来至2030 年、2050 年、2080 年海平面上升预测分别为18~40 cm、30~60 cm、42~90 cm。在海平面上升对区域影响的评估研究中,项目研究单位将影响评估分为直接可能损失评估、海岸影响评估和综合影响评估3个方面开展相关分析评估工作。
　　
　　3 进一步加强海平面上升对沿海城市水安全影响研究的思考与建议
　　
　　3.1 若干思考
　　
　　沿海城市的海塘防护、陆域防洪除涝及河口区域水源地安全等均关系到区域经济社会可持续发展和长治久安,如上海、天津、广州等我国沿海大型或特大型城市,更有必要持续关注和加强本地区及邻近海域海平面上升对城市安全的可能影响(危害)及其对策研究。
　　(1)有待进一步理顺地面沉降与海平面上升的关系。当同时考虑海平面上升和地面沉降双重因素对城市安全影响的时候,海平面上升应专指绝对海平面上升,而地面沉降则考虑包括地壳运动、局部沉降等因素在内的综合地面沉降;当仅仅考虑海平面上升而不特别提及地面沉降时,此时的海平面上升应特指相对海平面上升。
　　(2)有待继续深化地面沉降和海平面变化的基础研究工作。如进一步了解地面沉降与海平面上升对城市安全影响的各自权重和程度,以便合理确定主次因素和防范措施;进一步开展更大时间尺度(如2050年、2100年等)的地面沉降和海平面上升的预测研究,以期及早谋划大时间尺度变化影响的应对战略及技术手段研发。
　　(3)有待继续加强地面沉降和海平面变化叠加影响下的灾害评估和对策防范的应用实践研究工作。①在水安全保障方面,更加关注地面沉降及海平面上升的双重影响对区域(城市)防洪防潮、除涝排水、泵闸水利基础设施等水安全风险及其受灾程度的影响。②在水资源保障方面,持续关注城市水源地应对区域(或江河沿线)地面沉降及海平面上升双重影响下的安全可靠性评估及其应对策略与措施的研究。③在水生态环境保护方面,现有沿海地区城市(如上海)开展地面沉降和海平面上升双重影响下对城市辖区水域水生态环境的影响研究较少,未来有待开展相关影响及对策研究。
　　
　　3.2 工作建议
　　
　　考虑到海平面上升和地面沉降双重作用(以下简称“双重作用”)对沿海大型或特大型城市的可能性、持续性、缓发性影响及其危害,未来津沪穗等沿海城市亟待进一步深入开展如下重大课题研究。
　　
　　3.2.1 防洪除涝安全保障领域
　　
　　(1)加强沿海地区地面沉降监测站点和水文(潮位)监测站点的基础数据库的科学性、合理性、系统性、相容性和可靠性能力建设。
　　(2)加强沿海城市堤防与泵闸等水利设施应对双重作用或影响下的灾害风险评估和防御能力保障研究。
　　(3)加强沿海地区除涝或雨水排水应对双重作用或影响下的灾害风险评估和除涝(排水)能力保障研究。
　　(4)加强沿海城市地下管网(渠)、防洪除涝水闸与泵站等水工构筑物应对双重作用或影响的设计标准与规范研究。
　　
　　3.2.2 水资源安全保障领域
　　
　　(1)加强河口临海城市水源地取供水工程设施(构筑物)应对双重作用或影响下的灾害风险评估和安全运行保障研究。
　　(2)加强河口临海城市水源地水量水质应对双重作用或影响下的灾害风险评估和供水安全保障研究。
　　
　　3.2.3 水生态环境安全保障领域
　　
　　(1)加强沿海城市水生态环境应对双重作用或影响下的灾害风险评估和安全运行保障研究;
　　(2)加强双重作用或影响对沿海城市水资源保护的灾害风险评估研究。
　　
　　4 结语
　　
　　从加强城市水安全保障和积极应对海洋或自然灾害的角度,介绍了海平面上升对沿海大型或特大型城市水安全的潜在威胁和危害;并综述了国外及国内珠江三角洲、长江三角洲和渤海湾京津塘地区关于海平面上升及其影响的研究进展。考虑到沿海地区或城市未来因人类活动产生的地面沉降的进一步加剧,反过来,它将伴随海平面上升共同形成对沿海地区或城市水安全的叠加影响和作用,且产生更大的威胁和危害,为此,进行了未来开展海平面上升和地面沉降对沿海城市水安全双重影响研究的一些思考,包括有待进一步理顺地面沉降与海平面上升的关系、继续深化地面沉降和海平面变化的基础研究工作、继续加强地面沉降和海平面变化叠加影响下的灾害评估和对策防范的应用实践研究工作等;最后就未来积极应对海平面上升和地面沉降双重灾害及其影响问题,提出了加强和加快防洪除涝安全保障领域、水资源安全保障领域、水生态环境安全保障领域等方面基础研究的一些建议,对类似沿海地区或城市水安全保障工作具有一定参考意义。
　　
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