氣候變化和人類活動對天津海岸帶影響綜述*

段麗瑤，趙玉潔，王彥，于莉莉，楊艷娟

(1．天津市氣象臺，天津300074;2．濱海新區(qū)氣象局，天津300074;3．天津市氣候中心，天津300074)

0 引言

海平面上升將會給沿海地區(qū)自然環(huán)境演變和社會經(jīng)濟發(fā)展帶來一系列不利影響，是21世紀(jì)沿海地區(qū)實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略面臨的不可忽視的重大環(huán)境問題，已成為當(dāng)今全球變化研究的熱點問題之一。在過去的100年，全球海平面大約以1.5 mm/a的速度上升，而且在未來的世紀(jì)里，海平面仍將持續(xù)緩慢地上升。海平面上升對沿海地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展、城市安全及人民生活環(huán)境帶來了廣泛而深遠的影響。這些影響包括:加劇了風(fēng)暴潮災(zāi)害，增加了城市排澇難度，鹽水入侵破壞了水資源和水環(huán)境，農(nóng)田加速鹽堿化，海岸侵蝕后退，潮灘土地資源淤增減緩，防汛工程功能降低，航道和港口功能被削弱以及社會經(jīng)濟發(fā)展受阻等［1－3］。

天津位于渤海西岸，以濱海新區(qū)為核心的環(huán)渤海區(qū)域發(fā)展態(tài)勢迅猛，正在成為繼珠江三角洲、長江三角洲之后，中國經(jīng)濟板塊乃至東北亞地區(qū)集聚影響力的經(jīng)濟崛起地帶。近年來，隨著天津濱海新區(qū)的快速發(fā)展，沿海地區(qū)城市化程度也越來越高，在自然條件和人類活動的綜合影響下，自然災(zāi)害發(fā)生更加頻繁，特別是由于溫室效應(yīng)引起的海平面上升，給天津沿海地區(qū)的自然環(huán)境演變和社會經(jīng)濟發(fā)展帶來一系列不利影響。本文綜合闡述了氣候變化對天津海岸帶造成的影響，探討適應(yīng)氣候變化的對策，并提出相應(yīng)的應(yīng)對措施和建議。

1 天津市相對海平面變化趨勢

1.1 海平面上升趨勢

全球變暖將會引起海平面上升，1980年以來，中國沿海海平面總體上比1978年上升了90 mm，平均上升速率為2.6 mm/a，高于全球平均水平。其中，天津沿岸海平面上升最快，上升幅度達196 mm，上海次之，為115 mm;遼寧、山東、浙江上升均在100 mm左右，福建、廣東為50～60 mm。預(yù)計未來30年，中國沿海海平面將比2008年升高80～130 mm。盡管各海區(qū)海平面變化幅度不同，但未來海平面上升值均較大(表1)。海平面上升非常緩慢，是一種長期的、緩發(fā)性災(zāi)害，但這種趨勢很難阻止，并且?guī)缀鯚o法逆轉(zhuǎn)［4］。

1.2 地面沉降的變化

地面沉降災(zāi)害影響因素非常復(fù)雜，總體可以歸納為自然和人為兩大因素。自然因素中，包括構(gòu)造活動引起的沉降、軟弱土層形成的沉降以及地震活動等引起的沉降;人為因素中，過量開采地下流體資源以及大規(guī)模的工程建設(shè)等均可引起地面沉降。許多研究表明，天津地區(qū)地面沉降最主要的致災(zāi)因子是過量開采地下流體資源和現(xiàn)代構(gòu)造沉降［5－7］。

表1 中國四海區(qū)海平面變化mm

天津市人均本地水資源占有量僅為160 m3，加上引灤等入境水，人均水資源量也不足370 m3，且時空分布不均勻，水資源開發(fā)利用難度較大，屬于典型的重度資源型缺水地區(qū)。隨著天津經(jīng)濟的快速發(fā)展，對水需求量日益增加。地下水作為重要水源，在經(jīng)濟社會發(fā)展中發(fā)揮了巨大作用。但是，由于長期超量開采，地面沉降已經(jīng)成為天津市最為嚴(yán)重的地質(zhì)災(zāi)害之一。

天津市的地面沉降是1950年代末發(fā)現(xiàn)的，尤以天津的南部和濱海地區(qū)最為明顯，并與河北省的沉降區(qū)連成了一片。在這個8 000 km2的沉降區(qū)范圍內(nèi)，分別形成天津市區(qū)、塘沽區(qū)、漢沽區(qū)、大港區(qū)、海河下游工業(yè)區(qū)等幾個沉降中心(圖1)。近年來，市區(qū)和塘沽區(qū)的沉降雖已得到基本控制，平均沉降速率約10～15 mm/a，但最大累計沉降量仍超過2.8 m，塘沽一些地區(qū)的標(biāo)高仍低于平均海平面;漢沽區(qū)最大累計沉降量也已超過2.8 m，不少地區(qū)的標(biāo)高低于平均海平面，近年來的沉降速率雖較1995年已明顯減緩，但沉降速率仍超過30 mm/a，形勢仍然嚴(yán)峻;大港區(qū)的沉降速率也已明顯減緩［9－11］。

21世紀(jì)相當(dāng)長時間內(nèi)，我國沿海地區(qū)地面仍將以10～50 mm/a速率下沉。大幅度的地面沉降仍是21世紀(jì)我國沿海地區(qū)相對海平面上升的主導(dǎo)和決定因素［12］。任美鍔［13］認為天津地區(qū)1956－1985年30年間理論海平面上升率為1.5 mm/a，地面沉降率23 mm/a，所以相對海平面上升率為24.5 mm/a。根據(jù)政府間氣候變化委員會(IPCC)的最佳估計，結(jié)合地區(qū)實際，預(yù)測到2030年，該地區(qū)理論海平面上升率約4.5 mm/a，地面沉降率由于近年來的控制措施已經(jīng)大大緩解，預(yù)計到2030年將控制在10 mm/a左右。

圖1 天津市1967－2000年累計地面沉降分布等值線圖［8］

從不同時段天津地區(qū)人為引起地面沉降值在海平面上升值中所占比例示意圖(圖2)可知，由于天津地區(qū)1970年代末開始加快了經(jīng)濟發(fā)展步伐，大量抽取地下水導(dǎo)致了地面沉降的快速惡性發(fā)展，人為引起地面沉降在相對海平面上升值中所占比例高達90%以上，且持續(xù)了相當(dāng)長的時間。1980年代中期開始著手治理地面沉降，壓縮地下水開采量，進行人工回灌，使得沉降的地面有所回彈，地面沉降的惡性勢頭大大緩解。

圖2 天津地區(qū)不同時段人為引起地面沉降量在相對海平面上升值中所占比例［14］

目前，濱海新區(qū)已經(jīng)步入快速發(fā)展期，高層建筑數(shù)目必定會不斷增多，然而，濱海新區(qū)地基工程性質(zhì)較差，由建筑物荷載引起的沉降會比市區(qū)更嚴(yán)重［15］，建筑物荷載引起的沉降雖然時間短(5～15年)，范圍也小，但在微量沉降階段，也是不可忽視的重要因素，由此帶來的地面沉降現(xiàn)象也會加重。

1.3 相對海平面上升趨勢

全球氣候變暖，海平面上升速率呈加快趨勢。1961－2003年全球海平面每年平均上升1.8 mm(1.3～2.3 mm)，而1993－2003年每年平均上升3.1 mm(2.4～3.8 mm)。任美愕［13］根據(jù)IPCC TAR的最佳估計，結(jié)合天津地區(qū)實際，對天津沿海海平面上升進行了預(yù)測，到2030年，該地區(qū)絕對海平面上升率約4.5 mm/a，地面沉降速率由于有效的控制措施己經(jīng)大大緩解，預(yù)計到2030年將控制在10 mm/a左右，估計到2030年相對海平面上升值約60 cm;2050年天津地區(qū)相對海平面上升70～90 mm［16］。

2 氣候變化對天津海岸系統(tǒng)的影響

2.1 洪澇和風(fēng)暴潮威脅加劇，沿海低地面臨被淹

風(fēng)暴潮、洪水是威脅沿海城市的主要突發(fā)性災(zāi)害。董鎖成等［4］通過分析海平面上升對我國沿海地區(qū)影響，認為由于氣候變化、海平面上升、濱海濕地退化等原因，沿海城市面臨洪水和風(fēng)暴潮的威脅大大增加。首先，氣候變化引起臺風(fēng)、風(fēng)暴潮等海洋災(zāi)害發(fā)生頻率和強度增加。其次，地下水超采嚴(yán)重以及大型建筑物群增加了地面負載，引起地面沉降，海平面相對上升加快。天津瀕臨海岸，海拔普遍較低，大部分僅2.0～3.0 m。天津市區(qū)近一半地區(qū)海拔不足3.0 m，塘沽東大沽一帶海拔僅0.5～1.0 m。1959－2006年塘沽區(qū)最大累計地面沉降值3.25 m，已低于平均海平面0.93 m。城市地面沉降是一種連續(xù)的、漸進的、累積的過程，其發(fā)生范圍大且不易察覺，但經(jīng)過逐年積累，導(dǎo)致臨海城市地面高程損失，并與海平面絕對上升疊加，使海平面上升加快。海平面上升導(dǎo)致潮位升高，使入海河流的河道比降下降，城市排水系統(tǒng)自流排水困難，河流淤積加重而排洪困難，容易造成城區(qū)嚴(yán)重內(nèi)澇。其次，海平面上升導(dǎo)致海堤和擋潮閘的防潮能力降低，洪水、風(fēng)暴潮災(zāi)害威脅增加。再次，海灣圍墾、填海造地使濱海濕地萎縮，儲水分洪、抵御風(fēng)暴潮的緩沖區(qū)面積縮小，導(dǎo)致洪水、風(fēng)暴潮災(zāi)害對濱海城市的威脅增加。據(jù)統(tǒng)計，1949年以前平均每7年發(fā)生一次災(zāi)害性的風(fēng)暴潮;1949－1979年平均每3.6年發(fā)生一次災(zāi)害性的風(fēng)暴潮;1980－2003年平均每2.5年發(fā)生一次災(zāi)害性的風(fēng)暴潮，有時一年發(fā)生兩次。這主要是由于地面沉降降低了防潮能力，以前不造成災(zāi)害的風(fēng)暴潮現(xiàn)在就能造成巨大的災(zāi)害［17］。

從近年天津沿海的幾次風(fēng)暴潮的災(zāi)情可以看出，受災(zāi)最嚴(yán)重的是港口碼頭、新港船廠、新港地區(qū)和東沽地區(qū)。港口碼頭和新港船廠經(jīng)常被潮水淹泡，其主要原因是地面受下沉影響，降低了防潮能力。而新港地區(qū)和東沽地區(qū)被潮水淹泡，其主要原因是海河閘、輪船閘和漁船閘受地面下沉影響閘門頂高程降低從而成為新港地區(qū)和東沽地區(qū)的進水通道所致。隨著地面沉降量的增加和特大風(fēng)暴潮的降臨，海潮入侵量和入侵歷時會相應(yīng)增加，使潮災(zāi)程度大幅度增加。

王靜愛等［18］對中國城市人口在60萬以上的70個城市進行研究，結(jié)果表明天津、廣州為水災(zāi)最危險的城市，大連、唐山、青島、蘇州、無錫、揚州、深圳、珠海等為水災(zāi)高度危險的城市，這些城市都處在沿海各大城市群的核心區(qū)。在氣候變化背景下，受海平面上升以及風(fēng)暴潮、臺風(fēng)、暴雨等災(zāi)害的影響，五大城市群瀕海的天津、上海、廣州等城市將成為受洪水威脅和低地被淹沒的高風(fēng)險區(qū)。

據(jù)夏東興等［19］，若海平面上升30 cm而不加保護，天津地區(qū)的自然岸線將后退50 km，達天津市區(qū)，淹沒土地約10 000 km2。若海面上升100 cm，海岸線將后退70 km，海水可能影響的總面積約16 000 km2。潮灘與濕地損失既喪失了寶貴的土地、旅游和生物等資源，也使灘面消浪和抗沖能力減弱(圖3)。

圖3 天津沿岸被海水淹沒和泛濫的范圍［20］

2.2 海岸侵蝕

隨著海平面上升和臺風(fēng)、風(fēng)暴潮等海洋災(zāi)害加劇，沿海城市海岸侵蝕加劇，使海灘、碼頭、護岸堤壩、防護林受到破壞和威脅。海平面上升導(dǎo)致潮位上升、強潮頻率增多、潮差加大，海岸侵蝕加劇。根據(jù)Bruun法則，海平面上升會破壞原有的沉積－侵蝕平衡而造成海岸蝕退。潮位上升，導(dǎo)致侵蝕基準(zhǔn)面上升，原來處于平衡狀態(tài)的海岸剖面不適應(yīng)新的動力條件，從而塑造新的剖面，并改變沿岸的沖積過程，導(dǎo)致海岸侵蝕加速。風(fēng)暴潮侵襲期間，水位大幅度上升，并伴有大浪，持續(xù)時間長，加強了海浪的破壞能力和沿岸輸沙能力，往往造成嚴(yán)重海岸侵蝕。隨著氣候變化，江河水量減少，加上大中型水庫沿河截水?dāng)r沙，使入海河口的水沙量大大減少，導(dǎo)致河口三角洲及近海海岸侵蝕加速［4］。天津岸段的入海河流1950－1960年代十分豐沛，受降水減少，以及水利建設(shè)、沿河取水等人類活動的影響下，1970年代以來入海徑流量基本上是汛期徑流，不少河流非汛期斷流。受徑流量減少的影響，河流輸沙量也相應(yīng)減少，特別是海河干流1970年代以后幾乎既無水也無泥沙入海［21］。

1950年代以前岸線自然變化的總趨勢是，位于1950年“基準(zhǔn)岸線”以東的原外凸岸段后退，導(dǎo)致?lián)p失土地約100～105 km2;位于“基準(zhǔn)岸線”以西的原內(nèi)凹岸段前淤，新增沿海濕地(水面或高于平均大潮高潮線的低地)約40 km2。與此同時，岸線形態(tài)發(fā)生了極大變化:從1870年的曲折岸線轉(zhuǎn)變?yōu)?950年代的順直岸線，強烈蝕退岸段的平均最大后退速率可達約40 m/a，這是未受人類活動干擾的現(xiàn)代岸線的最重要的變化特征［22］。

20世紀(jì)中葉以來，渤海灣海岸線變化進入人類活動干擾期，大體可分為3個階段。1960年代以來，人為活動使入海河流水量減少，導(dǎo)致所攜泥沙淤積在河口附近的潮間帶，最大淤積發(fā)生在馬棚口(歧口)張巨河岸段，前淤速率約40 m/a。1984年后，部分岸段潮間帶上部開挖蝦池，使該類岸段海岸線進一步向海推進。在歧口(南排河岸段)最大推進距離2 km，平均推進速率約100 m/a。進入20世紀(jì)末期，隨著國家對濱海新區(qū)戰(zhàn)略地位的提升，大規(guī)模開發(fā)潮間帶與淺海區(qū)(如圍海造陸、修建新的港池)。而近10年來的海岸線變化受到了強烈的人類活動影響，其變化速率遠遠超過了歷史時期。

通過圖4可以看出:從天津海岸最南部岐口河到海濱浴場岸段，因修建蝦池使岸線向海推進;海濱浴場至永定新河河口岸段是整個濱海新區(qū)岸線中變化最大的岸段，天津新港、臨港工業(yè)區(qū)、產(chǎn)業(yè)區(qū)等工程建設(shè)，使岸線發(fā)生了巨大的變化，最遠向海推進了約13.7 km;永定新河河口至大神堂村岸段一批獨立的工程致使岸線向海推進3～6 km;大神堂村至澗河口岸段受人類活動影響較小，岸線侵蝕作用明顯，是濱海新區(qū)侵蝕作用最為強烈的岸段，平均侵蝕速率約10 m/a［23，14］?？傊?，1950年以前濱海新區(qū)岸線主要受自然因素的影響，甚至到了1976年局部仍有較大幅度侵蝕。2000年以來，人工岸堤的修建與加固，大大降低了自然因素對岸線變遷的影響程度，風(fēng)暴潮及持續(xù)的沿岸潮汐侵蝕主要發(fā)生在濱海新區(qū)最南端和最北部岸段。

圖4 天津市濱海新區(qū)2000年以來海岸線變遷圖［23］

2.3 對港口碼頭的影響

海平面上升使波浪作用增強，不僅將造成港口建筑物越浪機率增加，而且將導(dǎo)致波浪對各種水工建筑物的沖刷和上托力增強，直接威脅碼頭、防波堤等設(shè)施的安全與使用壽命。其次，海平面上升，潮位抬高，將導(dǎo)致工程原有設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)大大降低，使碼頭、港區(qū)道路、堆場以及倉儲設(shè)施等受淹頻率增加，范圍擴大。天津港老港區(qū)，自1970年代以來，因地面快速下沉，碼頭前沿平均水位已相對升高0.5～0.7 m，碼頭最低處已降到歷史最高潮位以下近1.0 m。1992年受強臺風(fēng)風(fēng)暴潮侵襲，造成港區(qū)碼頭、客運站、倉庫和堆場等設(shè)施全部被淹，直接經(jīng)濟損失達4.0億元人民幣。初步計算，若相對海平面上升50 cm，遇當(dāng)?shù)貧v史最高潮位(大部分地區(qū)重現(xiàn)期約為50年一遇)，全國16個主要沿海港口中，除新建的營口、秦皇島和石臼所煤碼頭以及寧波北侖港等少數(shù)港口以外，其余港口均不同程度受淹，其中尤以上海和天津港老港區(qū)受害最為嚴(yán)重，若加上波浪爬高影響，受淹情況將更加嚴(yán)重。此外，海平面上升引起的潮流等海洋動力條件變化，也將可能改變港池、進出港航道和港區(qū)附近岸線的沖淤平衡，影響泊位與航道的穩(wěn)定性，增加營運成本。

3 天津沿海地區(qū)適應(yīng)氣候變化的管理措施

海平面上升作為一種緩發(fā)性海洋災(zāi)害，其長期的累積效應(yīng)將加劇風(fēng)暴潮、海岸侵蝕、海水入侵、土壤鹽漬化和咸潮等海洋災(zāi)害的致災(zāi)程度。海平面持續(xù)上升已經(jīng)不可避免，預(yù)計未來30年，中國沿海海平面還將繼續(xù)上升，沿海各級政府必須密切關(guān)注其變化和由此帶來的影響，提早采取措施，有效應(yīng)對海平面上升，保證沿海地區(qū)經(jīng)濟社會的和諧發(fā)展，保護濱海生態(tài)環(huán)境。

(1)加強對海洋災(zāi)害的研究和預(yù)報，建立和完善海洋災(zāi)害預(yù)報服務(wù)系統(tǒng)

海洋災(zāi)害一旦發(fā)生，將給沿海地區(qū)的社會經(jīng)濟帶來巨大的危害，及時準(zhǔn)確的海洋災(zāi)害預(yù)報，在防災(zāi)減災(zāi)工作中起著關(guān)鍵作用，也會減小對社會的危害程度。因此，必須加強氣候變化對海岸影響的科學(xué)研究，尋求海洋災(zāi)害發(fā)生的規(guī)律，采取必要應(yīng)對措施。首先要高度重視海平面變化影響調(diào)查工作，根據(jù)沿海各地的海平面變化影響特點，采集海平面變化影響信息，對海平面變化影響的重點區(qū)域和典型事件開展實地調(diào)查，掌握海平面變化對沿海地區(qū)的影響狀況。其次要引進新技術(shù)新方法，充分利用3S技術(shù)及時監(jiān)控海洋動態(tài)變化過程，加強海洋災(zāi)害發(fā)生、發(fā)展的機理研究，以及海洋災(zāi)害預(yù)報技術(shù)研究，提高海洋災(zāi)害的預(yù)報能力。

(2)加強海岸帶防護工程建設(shè)，提高防災(zāi)標(biāo)準(zhǔn)

開展海平面變化影響評價和脆弱性區(qū)劃，科學(xué)、準(zhǔn)確地評價海平面變化影響的范圍和程度，為編修沿海發(fā)展規(guī)劃和有效應(yīng)對海平面上升災(zāi)害提供決策依據(jù)。在經(jīng)濟發(fā)展的同時，要增加防災(zāi)工程的投入，提高海防工程的防御能力，特別是對沿海地區(qū)的投資巨大的資源開發(fā)和經(jīng)濟建設(shè)項目，其起圍高程、地基標(biāo)高和工程設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的確定等必須明確考慮未來數(shù)十年、乃至上百年大浪或相對海平面上升因素的影響，避免由于設(shè)計上的失誤造成不應(yīng)有的損失和投資浪費。

(3)在實施圍填海等大型涉海工程時，充分考慮海平面上升因素，綜合評價海平面上升對海洋動力、生態(tài)環(huán)境和海洋災(zāi)害的影響，保證當(dāng)?shù)厣鐣?jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。在咸潮、海水入侵與土壤鹽漬化影響嚴(yán)重地區(qū)，合理調(diào)配淡水資源，興修和完善水利設(shè)施，保障工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和城市供水安全。在建設(shè)和加固海洋防御設(shè)施時，合理選址，充分利用濱海生態(tài)系統(tǒng)的防護功能，構(gòu)建堤防與生態(tài)相結(jié)合的立體防護體系，實現(xiàn)沿海地區(qū)的和諧發(fā)展。

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