海平面上升對(duì)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,日漸成為多種海洋災(zāi)害的誘因,對(duì)沿海城市或地區(qū)水安全構(gòu)成潛在威脅和風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)海平面上升及其對(duì)沿海城市水安全的危害進(jìn)行了概述,對(duì)國(guó)內(nèi)外海平面上升及其影響的研究成果和進(jìn)展進(jìn)行了綜述;結(jié)合沿海地區(qū)水安全面臨地面沉降的人為災(zāi)害與海平面上升的自然災(zāi)害的雙重影響,提出了未來(lái)加強(qiáng)和加快兩者疊加影響研究的若干展望,為類似地區(qū)或城市水務(wù)行業(yè)技術(shù)或管理人員提供參考。
關(guān)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(fā)全球海平面不斷上升,已成為國(guó)際社會(huì)公認(rèn)的不爭(zhēng)事實(shí)[1-4]。不少學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)[5-9],自20世紀(jì)60年代以來(lái),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(lái)50~100年間,這種趨勢(shì)還將繼續(xù)存在,且中國(guó)沿海的海平面變化也將受其直接影響。應(yīng)對(duì)海平面上升的成效關(guān)系到沿海地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展和沿海城市的公共安全與穩(wěn)定。沿海城市既是全球人類活動(dòng)最活躍、人口密度最大、經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展速度最快的地區(qū),又是海岸侵蝕、風(fēng)暴潮、洪澇及海水入侵等自然災(zāi)害易發(fā)常發(fā)之地。海平面上升無(wú)疑會(huì)加劇這些地區(qū)災(zāi)害發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)、頻率和程度,即使海平面僅有數(shù)十厘米的上升量值,其增大的災(zāi)害損失都將十分驚人。如若再疊加因人類開(kāi)發(fā)建設(shè)活動(dòng)引起的區(qū)域地面沉降影響,將進(jìn)一步增大沿海城市居民和自然生態(tài)環(huán)境所面臨的災(zāi)害程度與風(fēng)險(xiǎn)。本文主要介紹海平面上升對(duì)城市水安全影響的研究進(jìn)展,并結(jié)合沿海地區(qū)地面沉降的人為災(zāi)害,對(duì)未來(lái)沿海城市開(kāi)展兩種災(zāi)害的疊加影響及其應(yīng)對(duì)研究提出了若干展望。
1 海平面上升及其對(duì)沿海城市水安全的危害
近一個(gè)世紀(jì)以來(lái),全球氣候變暖趨勢(shì)較為明顯。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(dǎo)致全球海平面上升的主要原因,這一結(jié)論已由聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專門(mén)委員會(huì)(IPCC)《氣候變化200第四次評(píng)估報(bào)告》(AR4)所證實(shí)[10-11]。據(jù)美國(guó)NBC新聞報(bào)道專家們?nèi)涨暗木?在過(guò)去的20年里,海平面的上升速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)聯(lián)合國(guó)科學(xué)機(jī)構(gòu)的預(yù)測(cè),此結(jié)論源自衛(wèi)星數(shù)據(jù)顯示海平面在1993~2011 年間平均每年上升3.2 mm,比IPCC預(yù)測(cè)的每年2 mm的升幅高出60%;且無(wú)論未來(lái)10年里全球氣溫升高多少,預(yù)計(jì)海平面上升都不會(huì)在2100年之前停止[12]。
海平面上升由絕對(duì)海平面上升和相對(duì)海平面上升構(gòu)成。其中絕對(duì)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(duì)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(duì)海平面上升是指某一地區(qū)的實(shí)際海平面變化,在數(shù)值上為全球海平面上升加上當(dāng)?shù)仃懙厣抵?即當(dāng)?shù)禺?dāng)期地殼升降量和局部地面沉降量)之和。其中,絕對(duì)海平面上升是不可逆的過(guò)程,而相對(duì)海平面上升的`過(guò)程是可以控制和減緩的。相對(duì)海平面上升對(duì)當(dāng)?shù)氐纳钌a(chǎn)有直接影響,同時(shí)也對(duì)區(qū)域的長(zhǎng)期規(guī)劃建設(shè)有重要的參考,因而,研究當(dāng)?shù)氐南鄬?duì)海平面變化尤其對(duì)沿海沉降地區(qū)更具現(xiàn)實(shí)意義。
海平面上升造成的直接后果包括:沿海低洼地帶淹沒(méi)、濕地變遷、沿海防護(hù)工程功能降低、城市洪澇風(fēng)險(xiǎn)和海水倒灌威脅加大。此外,海平面上升作為一種緩發(fā)性海洋災(zāi)害,具有長(zhǎng)時(shí)間尺度的累積效應(yīng),包括加速海岸侵蝕、加重風(fēng)暴潮災(zāi)害、加劇鹽水入侵、加重洪澇災(zāi)害、加重土壤鹽漬化和咸潮等海洋災(zāi)害的致災(zāi)程度,淹沒(méi)濱海低地,破壞生態(tài)環(huán)境,給沿海地區(qū)的經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展帶來(lái)嚴(yán)重影響。
2 國(guó)內(nèi)外關(guān)于海平面上升及其影響研究的動(dòng)態(tài)
2.1 國(guó)外研究進(jìn)展
1985年,世界科學(xué)聯(lián)合理事會(huì)(ICSU)世界氣象組織(WMO)和聯(lián)合國(guó)環(huán)境保護(hù)署(UNEP)在奧地利菲拉赫(Villach)召集專門(mén)會(huì)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(yán)重的環(huán)境變化。1988年,IPCC在WMO和UNEP聯(lián)合下建立,其主要職責(zé)是評(píng)估有關(guān)氣候變化問(wèn)題的科學(xué)信息以及評(píng)價(jià)氣候變化的環(huán)境和社會(huì)經(jīng)濟(jì)后果,并制定現(xiàn)實(shí)的應(yīng)對(duì)策略[10]。自成立起,IPCC撰寫(xiě)了一系列評(píng)估報(bào)告(如1990年、1995年、2001年和2007年評(píng)估報(bào)告)、特別報(bào)告、技術(shù)文件、方法報(bào)告,這些報(bào)告已經(jīng)成為標(biāo)準(zhǔn)參考著作而被決策者、科學(xué)家、其他專家和學(xué)生廣泛引用。IPCC第4次評(píng)估報(bào)告指出,至21世紀(jì)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(yù)估范圍為18~59 cm[11]。
2.2 國(guó)內(nèi)研究進(jìn)展
我國(guó)也于20世紀(jì)80年代同期重視海平面變化及其影響,重點(diǎn)研究了幾十年至百年短尺度的現(xiàn)代海平面上升問(wèn)題。1993年,中科院地學(xué)部組織一批院士和專家對(duì)珠江三角洲、長(zhǎng)江三角洲、黃河三角洲及天津地區(qū)進(jìn)行了考察,發(fā)現(xiàn)許多與海平面變化有關(guān)的問(wèn)題亟待研究,遂建議各考察地區(qū)自行設(shè)立專項(xiàng)開(kāi)展海平面上升及其影響和對(duì)策研究。隨后,上海、廣東、天津等地相繼響應(yīng),陸續(xù)開(kāi)展了本地區(qū)海平面研究,對(duì)我國(guó)在該領(lǐng)域的研究起到很大的促進(jìn)作用。
2.2.1 中國(guó)海平面公報(bào)[13]
國(guó)家海洋局自2000年以來(lái),每年發(fā)布全國(guó)四大海區(qū)及沿海省(直轄市)的海平面變化狀況及其發(fā)展態(tài)勢(shì)公報(bào),對(duì)全國(guó)及沿海地方省(直轄市)海洋管理部門(mén)及有關(guān)單位應(yīng)對(duì)海平面上升影響及其相關(guān)措施與對(duì)策具有重要指導(dǎo)意義。近30年來(lái),中國(guó)沿海的海平面呈波動(dòng)且明顯上升趨勢(shì),年際變化規(guī)律為:2001~2010年中國(guó)沿海的平均海平面總體處于歷史高位,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(guó)沿海海平面上升速率為2.9 mm/a;中國(guó)沿海海平面變化存在區(qū)域差異,渤海西南部和長(zhǎng)江口沿海海平面上升幅度較大,1980~2012年上升幅度超過(guò)150 mm,遠(yuǎn)高于全國(guó)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(dòng)態(tài)
(1)珠江三角洲地區(qū)。20世紀(jì)90年代中后期,廣東省開(kāi)展了《廣東海平面變化及其影響與對(duì)策》研究[14],相關(guān)成果包括:11955~1994年間廣東相對(duì)海平面上升速率為2.0~2.5 mm/a;2合理推算了2030年相對(duì)海平面上升幅度,珠江口為30 cm,粵東為15 cm,韓江口為20 cm等;3評(píng)估了海平面上升對(duì)加劇風(fēng)暴潮災(zāi)害、抬高珠江河口水位、削弱江海堤圍防御能力、擴(kuò)大鹽水入侵范圍以及對(duì)灘涂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(shè)計(jì)參數(shù)應(yīng)有的變更;5提出了海平面災(zāi)害綜合評(píng)估與防御減災(zāi)對(duì)策,包括提高堤圍非抗御能力、提高沿海工程的設(shè)計(jì)潮位和設(shè)計(jì)波高、增加電排裝機(jī)容量、興建珠江三角洲的大型控制性工程等。
(2)長(zhǎng)江三角洲地區(qū)。國(guó)家海洋信息中心曾于20世紀(jì)90 年代末期開(kāi)展了海平面上升對(duì)長(zhǎng)江三角洲地區(qū)的影響評(píng)價(jià)研究。孫清等[15]根據(jù)IPCC(1990年評(píng)價(jià)報(bào)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(duì)長(zhǎng)江三角洲地區(qū)進(jìn)行了沿海脆弱性評(píng)價(jià)研究,提出長(zhǎng)江三角洲地區(qū)岸段是我國(guó)海岸侵蝕最為嚴(yán)重的岸段,研究區(qū)侵蝕岸段在各研究期大約分別增到425 km、450 km、480 km,潮灘和濕地?fù)p失分別為34 km、74 km、113 km;長(zhǎng)江口的潮水上溯使鹽水入侵,造成水質(zhì)惡化;海平面上升將導(dǎo)致風(fēng)暴潮災(zāi)害加劇,如海平面上升65 cm,原來(lái)100年一遇的極值高潮位變?yōu)?0年一遇。后來(lái),中科院南京地理與湖泊研究所、中科院地理科學(xué)與資源研究所等單位也曾研究過(guò)海平面上升對(duì)長(zhǎng)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(zāi)害效應(yīng)研究,取得諸多成果,對(duì)該區(qū)域應(yīng)對(duì)海平面上升的影響具有重要指導(dǎo)作用[16]。1994 年,上海“海平面上升研究課題組”開(kāi)展了地區(qū)海平面變化趨勢(shì)的研究和預(yù)測(cè),以及海平面上升分別對(duì)防汛、水資源和水環(huán)境、海岸侵蝕、航道和港口等的影響和對(duì)策研究等,并完成了《海平面上升對(duì)上海影響及對(duì)策研究總報(bào)告》[17]。報(bào)告對(duì)上海地區(qū)吳淞、高橋、黃浦公園、金山嘴等8個(gè)主要站點(diǎn)海平面變化現(xiàn)狀及未來(lái)趨勢(shì)進(jìn)行了研究分析,得出1961~1990年上海地區(qū)海平面上升速率為2.0 mm/a,并預(yù)測(cè)了未來(lái)3 個(gè)20 年期即分別至2010 年、2030 年、2050 年上海地區(qū)海平面上升速率為2.0 mm/a、2.5 mm/a、5.0 mm/a;在考慮到期間上海地區(qū)地面沉降因素后,繼而預(yù)測(cè)2010 年、2030 年、2050 年上海地區(qū)海平面(RSL)相對(duì)于1990 年分別上升15~25 cm、30~40 cm、45~55 cm。這些研究成果已成為目前上海市重大工程建設(shè)、城市規(guī)劃與建設(shè)應(yīng)對(duì)海平面上升影響的重要依據(jù)。不過(guò),該輪研究主要基于IPCC當(dāng)時(shí)推薦的相對(duì)海平面變化值,后來(lái)經(jīng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)(即2010~2013 年華東師范大學(xué)組織的長(zhǎng)江口海平面上升影響及其應(yīng)對(duì)研究項(xiàng)目),該海平面上升預(yù)測(cè)值過(guò)于悲觀,且得到IPCC官員近期的認(rèn)可,如該報(bào)告預(yù)測(cè)高橋潮位站至1990~2010年相對(duì)海平面上升24 cm,但是根據(jù)1990~2010年高橋站實(shí)測(cè)海平面上升5.2 cm,遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于原預(yù)測(cè)值。根據(jù)海平面變化新形勢(shì),2010 年上海市啟動(dòng)新時(shí)期“長(zhǎng)江口海平面上升對(duì)上海城市安全影響及其應(yīng)對(duì)關(guān)鍵技術(shù)研究”項(xiàng)目,其主要成果或結(jié)論包括:①校正研究預(yù)測(cè)至2030年上海地區(qū)海平面上升值為10~16 cm(此為相對(duì)海平面)。②在海岸侵蝕方面,海平面上升將導(dǎo)致長(zhǎng)江河口航道攔門(mén)沙灘頂向上游遷移、海岸侵蝕加劇、岸線后退速率增大。③在防洪除澇方面,海平面上升將導(dǎo)致上海市沿長(zhǎng)江、黃浦江和蘇州河西沙水庫(kù)連續(xù)不宜取水的最長(zhǎng)時(shí)間將分別增加0.54 d、2.11 d、0.15 d,且各水庫(kù)對(duì)應(yīng)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(hù)與防潮方面,海平面上升將增大沿岸水域水動(dòng)力特性,增大海岸侵蝕風(fēng)險(xiǎn)和損害程度,且吳淞、長(zhǎng)興、橫沙、黃浦公園、南門(mén)港等5個(gè)潮位站點(diǎn)按200年一遇設(shè)計(jì)的高潮位將分別上升為6.33 m、6.34 m、6.21 m、6.03 m和6.64 m,新成果為上海應(yīng)對(duì)至2030年海平面上升影響而開(kāi)展的對(duì)策措施(如修建防護(hù)堤壩、加強(qiáng)區(qū)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(qū)。21 世紀(jì)初,天津市開(kāi)展了《天津?yàn)I海新區(qū)海平面上升及影響評(píng)估》[18],得出天津沿海海平面的上升態(tài)勢(shì),即:統(tǒng)計(jì)年限內(nèi)研究海區(qū)海平面具有明顯的上升趨勢(shì)與顯著的年際變化,其線性上升速率為2.4 mm/a,年際變幅可達(dá)8 cm;未來(lái)至2030 年、2050 年、2080 年海平面上升預(yù)測(cè)分別為18~40 cm、30~60 cm、42~90 cm。在海平面上升對(duì)區(qū)域影響的評(píng)估研究中,項(xiàng)目研究單位將影響評(píng)估分為直接可能損失評(píng)估、海岸影響評(píng)估和綜合影響評(píng)估3個(gè)方面開(kāi)展相關(guān)分析評(píng)估工作。
3 進(jìn)一步加強(qiáng)海平面上升對(duì)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(hù)、陸域防洪除澇及河口區(qū)域水源地安全等均關(guān)系到區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展和長(zhǎng)治久安,如上海、天津、廣州等我國(guó)沿海大型或特大型城市,更有必要持續(xù)關(guān)注和加強(qiáng)本地區(qū)及鄰近海域海平面上升對(duì)城市安全的可能影響(危害)及其對(duì)策研究。
(1)有待進(jìn)一步理順地面沉降與海平面上升的關(guān)系。當(dāng)同時(shí)考慮海平面上升和地面沉降雙重因素對(duì)城市安全影響的時(shí)候,海平面上升應(yīng)專指絕對(duì)海平面上升,而地面沉降則考慮包括地殼運(yùn)動(dòng)、局部沉降等因素在內(nèi)的綜合地面沉降;當(dāng)僅僅考慮海平面上升而不特別提及地面沉降時(shí),此時(shí)的海平面上升應(yīng)特指相對(duì)海平面上升。
(2)有待繼續(xù)深化地面沉降和海平面變化的基礎(chǔ)研究工作。如進(jìn)一步了解地面沉降與海平面上升對(duì)城市安全影響的各自權(quán)重和程度,以便合理確定主次因素和防范措施;進(jìn)一步開(kāi)展更大時(shí)間尺度(如2050年、2100年等)的地面沉降和海平面上升的預(yù)測(cè)研究,以期及早謀劃大時(shí)間尺度變化影響的應(yīng)對(duì)戰(zhàn)略及技術(shù)手段研發(fā)。
(3)有待繼續(xù)加強(qiáng)地面沉降和海平面變化疊加影響下的災(zāi)害評(píng)估和對(duì)策防范的應(yīng)用實(shí)踐研究工作。①在水安全保障方面,更加關(guān)注地面沉降及海平面上升的雙重影響對(duì)區(qū)域(城市)防洪防潮、除澇排水、泵閘水利基礎(chǔ)設(shè)施等水安全風(fēng)險(xiǎn)及其受災(zāi)程度的影響。②在水資源保障方面,持續(xù)關(guān)注城市水源地應(yīng)對(duì)區(qū)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(píng)估及其應(yīng)對(duì)策略與措施的研究。③在水生態(tài)環(huán)境保護(hù)方面,現(xiàn)有沿海地區(qū)城市(如上海)開(kāi)展地面沉降和海平面上升雙重影響下對(duì)城市轄區(qū)水域水生態(tài)環(huán)境的影響研究較少,未來(lái)有待開(kāi)展相關(guān)影響及對(duì)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(jiǎn)稱“雙重作用”)對(duì)沿海大型或特大型城市的可能性、持續(xù)性、緩發(fā)性影響及其危害,未來(lái)津滬穗等沿海城市亟待進(jìn)一步深入開(kāi)展如下重大課題研究。
3.2.1 防洪除澇安全保障領(lǐng)域
(1)加強(qiáng)沿海地區(qū)地面沉降監(jiān)測(cè)站點(diǎn)和水文(潮位)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)的科學(xué)性、合理性、系統(tǒng)性、相容性和可靠性能力建設(shè)。
(2)加強(qiáng)沿海城市堤防與泵閘等水利設(shè)施應(yīng)對(duì)雙重作用或影響下的災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和防御能力保障研究。
(3)加強(qiáng)沿海地區(qū)除澇或雨水排水應(yīng)對(duì)雙重作用或影響下的災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和除澇(排水)能力保障研究。
(4)加強(qiáng)沿海城市地下管網(wǎng)(渠)、防洪除澇水閘與泵站等水工構(gòu)筑物應(yīng)對(duì)雙重作用或影響的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范研究。
3.2.2 水資源安全保障領(lǐng)域
(1)加強(qiáng)河口臨海城市水源地取供水工程設(shè)施(構(gòu)筑物)應(yīng)對(duì)雙重作用或影響下的災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和安全運(yùn)行保障研究。
(2)加強(qiáng)河口臨海城市水源地水量水質(zhì)應(yīng)對(duì)雙重作用或影響下的災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和供水安全保障研究。
3.2.3 水生態(tài)環(huán)境安全保障領(lǐng)域
(1)加強(qiáng)沿海城市水生態(tài)環(huán)境應(yīng)對(duì)雙重作用或影響下的災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和安全運(yùn)行保障研究;
(2)加強(qiáng)雙重作用或影響對(duì)沿海城市水資源保護(hù)的災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究。
4 結(jié)語(yǔ)
從加強(qiáng)城市水安全保障和積極應(yīng)對(duì)海洋或自然災(zāi)害的角度,介紹了海平面上升對(duì)沿海大型或特大型城市水安全的潛在威脅和危害;并綜述了國(guó)外及國(guó)內(nèi)珠江三角洲、長(zhǎng)江三角洲和渤海灣京津塘地區(qū)關(guān)于海平面上升及其影響的研究進(jìn)展�？紤]到沿海地區(qū)或城市未來(lái)因人類活動(dòng)產(chǎn)生的地面沉降的進(jìn)一步加劇,反過(guò)來(lái),它將伴隨海平面上升共同形成對(duì)沿海地區(qū)或城市水安全的疊加影響和作用,且產(chǎn)生更大的威脅和危害,為此,進(jìn)行了未來(lái)開(kāi)展海平面上升和地面沉降對(duì)沿海城市水安全雙重影響研究的一些思考,包括有待進(jìn)一步理順地面沉降與海平面上升的關(guān)系、繼續(xù)深化地面沉降和海平面變化的基礎(chǔ)研究工作、繼續(xù)加強(qiáng)地面沉降和海平面變化疊加影響下的災(zāi)害評(píng)估和對(duì)策防范的應(yīng)用實(shí)踐研究工作等;最后就未來(lái)積極應(yīng)對(duì)海平面上升和地面沉降雙重災(zāi)害及其影響問(wèn)題,提出了加強(qiáng)和加快防洪除澇安全保障領(lǐng)域、水資源安全保障領(lǐng)域、水生態(tài)環(huán)境安全保障領(lǐng)域等方面基礎(chǔ)研究的一些建議,對(duì)類似沿海地區(qū)或城市水安全保障工作具有一定參考意義。
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