基于GNSS的河口三角洲地區(qū)城市水患致災(zāi)預(yù)警研究進(jìn)展

程和琴，趙建虎，陳永平，劉敏，惲才興

（1.華東師范大學(xué)河口海岸學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200062;2.武漢大學(xué)測(cè)繪學(xué)院，湖北武漢430072;3.河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京210098;4.華東師范大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，上海200062）

一、引 言

城市作為引領(lǐng)一個(gè)國(guó)家或地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的示范區(qū)域，薈萃了國(guó)家或地區(qū)政治、經(jīng)濟(jì)和文化的精華，人口、財(cái)富大量集聚，基礎(chǔ)設(shè)施、生命線工程密布。全球80%的大城市分布在沿海及河口三角洲地區(qū)，地勢(shì)低洼，大部分城市中心城區(qū)平均海拔均在平均高潮位以下，易受水患災(zāi)害侵襲，造成巨大的人民生命和經(jīng)濟(jì)損失，并可能引發(fā)一系列的社會(huì)問(wèn)題。如2005年美國(guó)“卡特麗娜”颶風(fēng)致使路易斯安娜等4個(gè)州災(zāi)情嚴(yán)重，新奧爾良市最大淹沒(méi)水深達(dá)6 m、90%建筑受損、10萬(wàn)人被困、1000余人死亡、經(jīng)濟(jì)損失超過(guò)千億美元、社會(huì)秩序混亂。2011年，湄南河口地區(qū)洪災(zāi)導(dǎo)致泰國(guó)國(guó)家經(jīng)濟(jì)遭到重創(chuàng)，全球供應(yīng)鏈遭受中斷和破壞。我國(guó)長(zhǎng)江河口三角洲地區(qū)的上海和太湖流域在自然地理?xiàng)l件上與上述地區(qū)類同，是我國(guó)經(jīng)濟(jì)最發(fā)達(dá)、城市化率最高、人口最集中的區(qū)域，曾發(fā)生多次重大水災(zāi)，如1954、1991、1999年洪水和8114號(hào)臺(tái)風(fēng)暴潮等災(zāi)害。

近年來(lái)，我國(guó)河口三角洲地區(qū)城市化進(jìn)程加快，如位于長(zhǎng)江河口三角洲的太湖流域2010年城市化率已達(dá)70%，上海市更高達(dá)89%［1］，在我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中起著“領(lǐng)頭羊”的作用。但是，隨著全球氣候變暖、海平面不斷上升，臺(tái)風(fēng)、風(fēng)暴潮、洪澇等極端災(zāi)害事件發(fā)生將更加頻繁;而社會(huì)經(jīng)濟(jì)要素的不斷積聚，將使沿海地區(qū)的水患災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)一步增強(qiáng)，尤其是在臺(tái)風(fēng)、暴雨、風(fēng)暴潮、洪水和天文大潮等致災(zāi)因子的相互疊加下，造成的損失將更為嚴(yán)重。因此，自然與和人為等多因子疊加作用下的河口三角洲地區(qū)城市水患預(yù)警是目前國(guó)家經(jīng)濟(jì)和政治面臨的重大問(wèn)題，迫切需要及時(shí)開(kāi)展相關(guān)基礎(chǔ)理論研究，對(duì)保障河口三角洲地區(qū)城市安全，尤其對(duì)提升我國(guó)三角經(jīng)濟(jì)圈國(guó)際地位，促進(jìn)該地區(qū)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略實(shí)施具有巨大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益、科學(xué)價(jià)值和戰(zhàn)略意義。

二、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)

隨著全球氣候變化，自然災(zāi)害特別是水文氣象災(zāi)害的頻率和強(qiáng)度不斷增大［2］，在沿海地區(qū)常表現(xiàn)為多個(gè)致災(zāi)因子并存，在一些特定地區(qū)和特定時(shí)段(如汛期)，通常出現(xiàn)多災(zāi)種群發(fā)或鏈發(fā)，造成重大災(zāi)害事件(巨災(zāi))，對(duì)沿海地區(qū)尤其是河口三角洲地區(qū)城市安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅［5-7］。因此，自然災(zāi)害鏈綜合風(fēng)險(xiǎn)研究已成為當(dāng)前災(zāi)害研究領(lǐng)域的重要前沿與熱點(diǎn)問(wèn)題。

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，隨著國(guó)際減災(zāi)戰(zhàn)略的開(kāi)展，一些重要的國(guó)際組織和國(guó)際研究計(jì)劃正在加強(qiáng)自然災(zāi)害鏈綜合風(fēng)險(xiǎn)研究，設(shè)立了一系列研究項(xiàng)目，如2008年國(guó)際科學(xué)聯(lián)盟(ICSU)開(kāi)展的災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)綜合研究科學(xué)計(jì)劃(integrated research on disaster risk，IRDR)，全球環(huán)境變化人文因素計(jì)劃(IHDP)2009年啟動(dòng)了新一輪國(guó)際核心科學(xué)計(jì)劃——綜合風(fēng)險(xiǎn)防范(IHDP-IRG)［11］等。近年來(lái)，我國(guó)開(kāi)始關(guān)注自然災(zāi)害鏈綜合風(fēng)險(xiǎn)研究，相繼開(kāi)展了一些科研項(xiàng)目，如2006年科技部啟動(dòng)了聚焦長(zhǎng)三角、珠三角臺(tái)風(fēng)、風(fēng)暴潮、洪澇災(zāi)害等自然災(zāi)害的國(guó)家科技支撐項(xiàng)目“綜合風(fēng)險(xiǎn)防范關(guān)鍵技術(shù)研究與示范”;2007年國(guó)家自然科學(xué)基金委啟動(dòng)了“沿海城市自然災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)急預(yù)案情景分析”重點(diǎn)項(xiàng)目，探索沿海城市臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮、暴雨內(nèi)澇、感潮河段臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮洪水等災(zāi)害情景模擬與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估工作。

當(dāng)前，針對(duì)單一致災(zāi)因子的災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估理論方法已較為成熟，但對(duì)災(zāi)害鏈綜合風(fēng)險(xiǎn)的研究剛剛起步，而且大多停留在定性分析層面上，尚未在理論、方法研究上取得實(shí)質(zhì)性突破。主要集中在大尺度的定性和半定量研究上，對(duì)于需要大量精確數(shù)據(jù)支持的中小尺度定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，僅開(kāi)展了個(gè)別探討性的案例分析，其方法常停留在多個(gè)單災(zāi)種風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估基礎(chǔ)上的簡(jiǎn)單疊加，難以反映各種臺(tái)風(fēng)災(zāi)害鏈各致災(zāi)因子之間的關(guān)聯(lián)性、多災(zāi)種綜合成災(zāi)的時(shí)空演變過(guò)程，以及承災(zāi)體綜合脆弱性等特征。對(duì)于城市尺度災(zāi)害群發(fā)和混發(fā)效應(yīng)機(jī)理，以及采用定量方法來(lái)表述多災(zāi)種、多致災(zāi)因子之間的關(guān)聯(lián)性研究仍很薄弱。

此外，當(dāng)前針對(duì)事關(guān)城市系統(tǒng)興衰的城市重要基礎(chǔ)設(shè)施以及生命線工程的案例研究多聚焦在人為災(zāi)害領(lǐng)域［12，13，15，19，20］;城市重要基礎(chǔ)設(shè)施的自然災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)研究則剛剛起步且多聚焦單災(zāi)種的災(zāi)害效應(yīng)［14，18，21］，而針對(duì)多致災(zāi)因子疊加效應(yīng)下城市重要基礎(chǔ)設(shè)施災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)響應(yīng)研究非常匱乏。為此，筆者重點(diǎn)開(kāi)展多重因子疊加作用下的長(zhǎng)江河口三角洲地區(qū)城市水患致災(zāi)預(yù)警研究，發(fā)現(xiàn)存在以下問(wèn)題:

1)已得到河口區(qū)單站相對(duì)海平面上升速率［20］，但由于測(cè)量基準(zhǔn)和方法的不統(tǒng)一，影響區(qū)域水災(zāi)害預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度和精度。因此需要研究統(tǒng)一垂直基準(zhǔn)框架和監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建理論和方法。

長(zhǎng)周期平均海平面，即大地水準(zhǔn)面/似大地水準(zhǔn)面是陸地高程起算的基準(zhǔn)，它是對(duì)河口地區(qū)城市水災(zāi)害預(yù)測(cè)與防控的最基本的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。長(zhǎng)江河口江陰—口門雞骨礁240 km長(zhǎng)的河段內(nèi)，相關(guān)部門已布設(shè)了40個(gè)左右的長(zhǎng)期固定潮位站，各潮位站觀測(cè)采用的參考基面有1985國(guó)家高程基面、吳淞零點(diǎn)和理論基面，且吳淞零點(diǎn)還存在長(zhǎng)辦吳淞零點(diǎn)、浙江吳淞零點(diǎn)和上海城建吳淞零點(diǎn)之分，高程系統(tǒng)混亂且不統(tǒng)一［21-22］。因此，基于現(xiàn)有潮位站潮位觀測(cè)資料，難以準(zhǔn)確反映該區(qū)域海平面這一重要致災(zāi)因子的絕對(duì)和相對(duì)變化規(guī)律及趨勢(shì)，直接影響水災(zāi)害評(píng)估和預(yù)測(cè)。所以，有必要在長(zhǎng)江河口區(qū)研究陸海統(tǒng)一垂直基準(zhǔn)，并構(gòu)建其參考框架;通過(guò)新的觀測(cè)方法和多元數(shù)據(jù)同化與融合技術(shù)研究，獲得統(tǒng)一基面下海平面變化規(guī)律及其趨勢(shì)，為該地區(qū)防災(zāi)減災(zāi)服務(wù)。我國(guó)自主研制的北斗二代衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，為建立統(tǒng)一的區(qū)域乃至全球的動(dòng)態(tài)參考框架提供了可能［23］。

2)已得到基于統(tǒng)計(jì)模型的洪水、天文大潮、風(fēng)暴潮疊加的水災(zāi)害致災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及防控方法，但由于流域至河口再至海洋是一個(gè)連續(xù)的水動(dòng)力系統(tǒng)，任何一個(gè)致災(zāi)因子的改變必然導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)水患致災(zāi)效應(yīng)的變化，統(tǒng)計(jì)模型不能準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)這一變化，影響區(qū)域聯(lián)防措施的有效性。因此，需要研究基于流域—河口—海洋復(fù)雜系統(tǒng)多尺度多要素嵌套耦合數(shù)值模型。

以長(zhǎng)江河口地區(qū)為例，該地區(qū)地面高程僅1.5～4.0 m(吳淞基面)，每年7～10月的洪水、天文大潮和臺(tái)風(fēng)暴雨暴潮可能相遇形成的“三碰頭”災(zāi)害是本地區(qū)防汛工作的憂患［24-25］。雖然目前有氣象、海洋、水利等多系統(tǒng)的防汛預(yù)報(bào)機(jī)構(gòu)，但各系統(tǒng)的關(guān)注點(diǎn)不同，如氣象部門主要提供天氣預(yù)報(bào)資料，海洋部門更關(guān)注深水區(qū)域臺(tái)風(fēng)浪預(yù)報(bào)，水利部門關(guān)注河口和近岸的洪水、天文潮和風(fēng)暴潮，出于工作方便，水利和海洋系統(tǒng)采用的潮位基面也常有不一致的現(xiàn)象?？傮w而言，這些力量尚處于相對(duì)分散、不全面的狀態(tài)，集成預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)和分析河口地區(qū)洪水、天文大潮、臺(tái)風(fēng)暴潮“三碰頭”的能力仍然不足;另外，還缺乏衛(wèi)星遙感自動(dòng)跟蹤識(shí)別技術(shù)，高精度、高準(zhǔn)確率的實(shí)用化綜合數(shù)值預(yù)報(bào)模型等自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和信息化技術(shù)的支持。

3)已得到洪水、天文大潮、風(fēng)暴潮等自然致災(zāi)因子和城市化過(guò)程導(dǎo)致的地面沉降的疊加致災(zāi)效應(yīng)，但對(duì)自然致災(zāi)因子與城市化過(guò)程導(dǎo)致的海岸侵蝕、大范圍地下空間開(kāi)發(fā)誘發(fā)的洪澇災(zāi)害及其次生有機(jī)污染風(fēng)險(xiǎn)等疊加致災(zāi)效應(yīng)，尚未開(kāi)展有效的致災(zāi)機(jī)理研究。

長(zhǎng)江河口地區(qū)城鎮(zhèn)化率全國(guó)最高，城市地下空間開(kāi)發(fā)強(qiáng)度大，主要產(chǎn)業(yè)帶分布在沿江、湖、海岸，上海市地鐵里程達(dá)世界第一，還有隧道、地下商場(chǎng)等，50%的淡水供應(yīng)來(lái)自長(zhǎng)江口區(qū)的心灘和邊灘水庫(kù)，因此水患尤為嚴(yán)峻。盡管已有關(guān)于洪水、天文大潮和風(fēng)暴潮等自然致災(zāi)因子的統(tǒng)計(jì)疊加效應(yīng)研究和防范措施［26］，如上海市的防汛大堤一般岸段為100年一遇加12級(jí)臺(tái)風(fēng)，重點(diǎn)岸段為200年一遇加12級(jí)臺(tái)風(fēng)，僅少數(shù)岸段為千年一遇。但是，對(duì)自然致災(zāi)因子的疊加與快速城市化誘發(fā)的地面沉降、海岸侵蝕等致災(zāi)因子及其次生有機(jī)污染風(fēng)險(xiǎn)，以及氣候變暖導(dǎo)致的海平面上升等多要素的疊加致災(zāi)機(jī)理尚未開(kāi)展深入研究。

4)已得到基于GPS/3G系統(tǒng)水災(zāi)害預(yù)測(cè)預(yù)警信息發(fā)布，但具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的預(yù)測(cè)預(yù)警信息發(fā)布尚待開(kāi)發(fā)，需開(kāi)展基礎(chǔ)研究。

海平面上升、地面沉降和天文大潮、洪水、風(fēng)暴潮等疊加，對(duì)河口地區(qū)城市的災(zāi)害性影響是全方位的，而迄今已完成的基于水準(zhǔn)測(cè)量的長(zhǎng)江河口地區(qū)地面沉降災(zāi)害預(yù)測(cè)預(yù)警、基于大地高水位測(cè)量的太湖流域洪水災(zāi)害預(yù)測(cè)預(yù)警、基于理論最低潮位的風(fēng)暴潮預(yù)測(cè)預(yù)警等方法，尚無(wú)法滿足目前河口三角洲地區(qū)城市設(shè)防安全要求極高前提下防災(zāi)減災(zāi)的要求。而且這些預(yù)測(cè)預(yù)警均為基于GPS/3G的監(jiān)測(cè)與信息發(fā)布技術(shù)［27］，若遇到像汶川地震那樣的特殊災(zāi)害事件或戰(zhàn)爭(zhēng)，GPS/3G技術(shù)無(wú)法工作時(shí)，就需要具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的水災(zāi)害監(jiān)測(cè)技術(shù)與預(yù)測(cè)預(yù)警技術(shù)系統(tǒng)。

三、結(jié)束語(yǔ)

快速的市化進(jìn)程致使我國(guó)城市水患災(zāi)害問(wèn)題日益嚴(yán)重，北京今年發(fā)生的7.21洪災(zāi)敲響了城市水患災(zāi)害預(yù)警警鐘，已引起社會(huì)、政府和學(xué)術(shù)界的高度關(guān)注。作為地處臨江濱海的河口三角洲地區(qū)城市，是我國(guó)主要經(jīng)濟(jì)輻聚帶，其在多重自然與人為致災(zāi)因子疊加作用下水患災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)更為嚴(yán)峻，但就其監(jiān)測(cè)與預(yù)警能力建設(shè)而言，迫切需要從一個(gè)新的視角，即將整個(gè)河口三角洲地區(qū)作為一個(gè)整體，從基于全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)的陸海統(tǒng)一垂直基準(zhǔn)角度，研究海陸一體化的城市水患致災(zāi)機(jī)理和實(shí)時(shí)預(yù)警技術(shù)的基礎(chǔ)研究，以提高我國(guó)城市防災(zāi)減災(zāi)能力。

致謝:本文得到了中國(guó)工程院陳吉余院士、寧津生院士、劉經(jīng)南院士、華東師范大學(xué)俞立中教授、河海大學(xué)張長(zhǎng)寬教授、上海市規(guī)劃與國(guó)土資源管理局張先林副總工程師、上海市水務(wù)局阮仁良副總工程師以及其他眾多專家的熱忱指導(dǎo)和幫助，在此一并致以衷心的感謝！

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