基于海平面上升的遼東灣綏中海岸侵蝕危險(xiǎn)度評估*

包春霞，文世勇，徐麗芬，吳彤，趙冬至，黃鳳榮，許學(xué)工

(1.遼寧師范大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院，遼寧大連116029;2.國家海洋環(huán)境監(jiān)測中心，遼寧大連116023; 3.北京大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院地表過程與模擬教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100871)

基于海平面上升的遼東灣綏中海岸侵蝕危險(xiǎn)度評估*

包春霞1，2，文世勇2，徐麗芬3，吳彤1，2，趙冬至2，黃鳳榮1，許學(xué)工3

(1.遼寧師范大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院，遼寧大連116029;2.國家海洋環(huán)境監(jiān)測中心，遼寧大連116023; 3.北京大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院地表過程與模擬教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100871)

遼東灣綏中海岸侵蝕給當(dāng)?shù)厝嗣竦纳a(chǎn)和生活帶來嚴(yán)重危害。因面臨海岸侵蝕的較高危險(xiǎn)性，促使綏中沿海地區(qū)海岸侵蝕災(zāi)害危險(xiǎn)性研究備受關(guān)注。海平面上升被認(rèn)為是我國海岸侵蝕災(zāi)害危險(xiǎn)度的重要自然因素。利用Bruun法則對遼東灣葫蘆島的綏中岸段海岸侵蝕進(jìn)行評估和預(yù)測。根據(jù)海平面上升高度數(shù)據(jù)，結(jié)合基于海平面上升的岸線后退計(jì)算模型，在GIS平臺(tái)下，得到綏中岸段現(xiàn)狀及未來100年內(nèi)的海岸侵蝕災(zāi)害危險(xiǎn)度空間分布結(jié)果。研究成果顯示綏中岸段在2009-2012年期間基于海平面上升的岸線蝕退權(quán)重約為21％，但是，在未來100年內(nèi)，基于海平面上升的海岸侵蝕寬度可能超過176 m，海平面上升而對岸線蝕退的貢獻(xiàn)權(quán)重增加到約為32％，大部分地區(qū)呈現(xiàn)明顯的強(qiáng)侵蝕和嚴(yán)重侵蝕狀態(tài)。因此，基于未來海平面上升導(dǎo)致的海岸侵蝕危險(xiǎn)度預(yù)測對海岸侵蝕研究具有重要意義。

海平面上升;海岸侵蝕;危險(xiǎn)度空間分布;遼寧綏中

海岸侵蝕指在災(zāi)害性的海洋條件下，造成的岸線蝕退或岸灘下蝕的海岸變化［1］。1980年以來，中國的海岸侵蝕日趨嚴(yán)重，已經(jīng)引起了國內(nèi)許多學(xué)者的關(guān)注，并針對此問題進(jìn)行了研究［2-13］。遼東灣綏中岸段位于遼東灣灣頂附近，所處海域潮流較弱，在波浪長期作用下，形成了環(huán)海寺角咀與強(qiáng)流河之間岬角弧形海岸，強(qiáng)流河河口以東為平直沙質(zhì)海岸［14］，主要為砂質(zhì)海岸，侵蝕愈為嚴(yán)重的趨勢，其范圍自1960年開始不斷蔓延。王玉廣指出，對于綏中岸段，主要是其海洋動(dòng)力的影響程度、海岸成分物質(zhì)松散狀態(tài)造成了此岸段的海岸侵蝕。海岸蝕退的主要影響因素為陸源物質(zhì)的質(zhì)量減少、海動(dòng)力作用、海洋工程和海岸采砂作用，1988-1994年海岸侵蝕速率高達(dá)4.5 m/a; 2001-2002年最大侵蝕速率為3.8 m/a;2002-2006年最大侵蝕速率為3.1 m/a。海岸侵蝕災(zāi)害造成了房屋和道路沖毀，海灘減少和毀壞，沿岸工程沖毀，土地大面積流失，旅游設(shè)施受損給沿岸人民的生產(chǎn)、生活及沿岸生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)帶來嚴(yán)重影響或構(gòu)成潛在的威脅［15］。如何科學(xué)有效地進(jìn)行海岸侵蝕災(zāi)害防災(zāi)減災(zāi)管理措施，是當(dāng)前急需解決的關(guān)鍵問題。

災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評估是災(zāi)害預(yù)防和減少災(zāi)害管理和應(yīng)急響應(yīng)的重要內(nèi)容，目前國際災(zāi)害防災(zāi)減災(zāi)理念從“災(zāi)害救援”到“災(zāi)害預(yù)防”的轉(zhuǎn)變，將災(zāi)害消滅在萌芽中，使災(zāi)害損失盡量減小，有效地減輕災(zāi)害對社會(huì)經(jīng)濟(jì)造成的損失［16］。海岸侵蝕災(zāi)害危險(xiǎn)度是指通過對孕災(zāi)環(huán)境因子與致災(zāi)因子的關(guān)系分析，定量獲取評估區(qū)域內(nèi)海岸侵蝕發(fā)生的可能性及后退速率，反映了災(zāi)害的自然屬性。目前，海岸侵蝕災(zāi)害危險(xiǎn)度研究成果集中于海岸侵蝕現(xiàn)狀［3，17-21］、原因［2，4-5，22-28］以及未來預(yù)測分析［29-39］。影響海岸侵蝕災(zāi)害的原因可歸納為自然因素和人為因素兩大類，其中，自然因素主要包括風(fēng)暴潮、海浪侵襲，海平面上升，河流輸沙減少;人為因素主要包括海岸采砂，河流水利工程攔截泥沙，海岸工程加強(qiáng)了水動(dòng)力，海灘植被的破壞等，在這些影響因素中，風(fēng)暴潮、海浪，海平面上升，河流泥沙的減少，人類活動(dòng)等四個(gè)方面主導(dǎo)引起海岸侵蝕［40］。海平面上升形成的海岸線后退已經(jīng)成為了全球的普遍現(xiàn)象［41］。海平面上升會(huì)導(dǎo)致潮差增大，潮流沖刷力加強(qiáng)，潮灘與沿海濕地因?yàn)榍治g和淹沒而范圍減小，造成海岸侵蝕嚴(yán)重的原因有灘面的水深度加大，波浪和風(fēng)暴潮的強(qiáng)度及頻率加強(qiáng)，從而導(dǎo)致濕地面積縮小，而后又會(huì)影響到灘面的消浪和抗沖刷能力［42-43］。

本文選取遼東灣綏中海岸北緯40°11＇20″～40°12＇40″N，東經(jīng)120°20＇～120°27＇E的區(qū)域?yàn)檠芯堪抖?。根?jù)當(dāng)前國際減災(zāi)防災(zāi)的概念，結(jié)合前人對海岸侵蝕及其他自然災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)評估經(jīng)驗(yàn)，利用Bruun法則，以海平面上升為海岸侵蝕制災(zāi)因子對綏中岸段海岸侵蝕災(zāi)害危險(xiǎn)度進(jìn)行定量的評估。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

(1)海平面上升數(shù)據(jù)

國家海平面公報(bào)數(shù)據(jù)顯示從1980-2012年，遼東灣試點(diǎn)區(qū)沿岸海平面變化速率基本呈東高西低的趨勢(表1)，此中，綏中岸段海平面每年平均變化高度為0～2.0 mm。

表1 不同情景海平面上升高度值mm

假定海平面變化速率在未來的2012-2100年內(nèi)與1980-2012年之間的變化速率保持一致，則根據(jù)現(xiàn)狀的海平面上升高度監(jiān)測數(shù)據(jù)，則預(yù)算在未來不同年份區(qū)間內(nèi)綏中岸段的海平面上升高度(表2)。

表2 不同情景海平面上升高度值cm

表2中的低、中、高三種情景值主要是根據(jù)圖1中的數(shù)值，分別按最小值、平均值、最大值乘以相應(yīng)的時(shí)間長度計(jì)算得到。

(2)坡度數(shù)據(jù)

利用ArcGIS軟件的Spatial Analyst模塊下的表面分析工具，根據(jù)綏中地形圖的高程數(shù)據(jù)計(jì)算其坡度，近似可以視為海岸近濱坡度。

1.2 方法

在基于海平面上升的海岸線后退的方法中，Bruun法則是最早的，也是應(yīng)用最為廣泛的一種［44］。Brunn法則應(yīng)用對象為相對海平面上升明顯且具有均勻的沙質(zhì)沉積物的海岸。計(jì)算公式可表示為如下:

式中:Hs為岸線后退速率，r為海面相對上升速率;d為閉合水深，L為從水深d到岸線的距離，B為灘肩高度(或其他侵蝕區(qū)高程估計(jì))［45］。式(1)中(B+ d)/L≈tanθ，其中θ指沿著橫距的近濱平均坡度。因此，海平面上升所導(dǎo)致的海岸后退速率可表述為:

本文中的歷史海岸侵蝕距離，主要在ArcGIS平臺(tái)下基于岸灘坡度和海平面上升距離計(jì)算得到的。

經(jīng)過岸線后退距離的計(jì)算，對得到的海岸后退距離進(jìn)行分級顯示，參考砂質(zhì)海岸侵蝕強(qiáng)度分級標(biāo)準(zhǔn)，海岸線后退距離分為穩(wěn)定、輕侵蝕、中侵蝕、強(qiáng)侵蝕、嚴(yán)重侵蝕五個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，如表3所示。

表3 岸線后退距離分級標(biāo)準(zhǔn)m

2 結(jié)果

2.1 遼東灣綏中現(xiàn)狀岸線侵蝕危險(xiǎn)度評估

現(xiàn)狀岸線侵蝕危險(xiǎn)度評估是指，根據(jù)海平面上升高度的現(xiàn)狀監(jiān)測數(shù)據(jù)，結(jié)合基于海平面上升的岸線后退計(jì)算模型，得到的岸線后退(侵蝕)的空間分布信息結(jié)果。

根據(jù)海平面上升引起的海岸侵蝕危險(xiǎn)度評估方法，結(jié)合重點(diǎn)岸段海平面上升高度的實(shí)測監(jiān)測數(shù)據(jù)，在GIS平臺(tái)下，分別得到不同海平面上升高度條件(低上升高度;中上升高度;高上升高度)下，綏中岸段侵蝕災(zāi)害危險(xiǎn)度空間分布結(jié)果(圖1)。

2.2 遼東灣綏中岸段在未來2012-2100年內(nèi)不同時(shí)間段的岸線危險(xiǎn)度評估

未來情景岸線危險(xiǎn)度評估是指假定海平面變化速率在未來的100年內(nèi)與1980-2012年之間的變化速率保持一致，則根據(jù)現(xiàn)狀的海平面上升高度監(jiān)測數(shù)據(jù)，估算出未來2030年、2050年、2100年綏中岸段的海平面上升高度，結(jié)合基于海平面上升的岸線后退計(jì)算模型，得到的未來年份岸線后退(侵蝕)的空間分布信息結(jié)果。

根據(jù)海平面上升引起的海岸侵蝕危險(xiǎn)度評估方法，結(jié)合估算的綏中岸段海平面上升高度數(shù)據(jù)，在GIS平臺(tái)下，分別得到不同海平面上升高度條件下(低上升高度;中上升高度;高上升高度)，綏中岸段侵蝕災(zāi)害危險(xiǎn)度空間分布結(jié)果(圖2、圖3和圖4)。

圖1 2009-2012年間基于海平面上升的綏中岸段侵蝕危險(xiǎn)度評估結(jié)果

圖2 2012-2030年間基于海平面上升的綏中岸段侵蝕危險(xiǎn)度評估結(jié)果

圖3 2012-2050年間基于海平面上升的綏中岸段侵蝕危險(xiǎn)度評估結(jié)果

圖4 2012-2100年間基于海平面上升的綏中岸段侵蝕危險(xiǎn)度評估結(jié)果

3 討論

3.1 海平面上升條件下綏中海岸線蝕退距離、速率和權(quán)重

通過前期學(xué)者對基于不同歷史時(shí)期圖件的海岸進(jìn)退研究結(jié)果顯示綏中南江屯附近海岸近年來平均侵蝕速率約為3.8 m/a，根據(jù)本文研究結(jié)果顯示自2009-2012年南江屯海岸侵蝕狀態(tài)處于由中侵蝕轉(zhuǎn)變成強(qiáng)侵蝕的變化趨勢(表4)，表示南江屯海岸侵蝕變化較為明顯且具有典型性，則若以南江屯為例，南江屯海岸自2009-2012年海岸平均蝕退11.4 m。與此同時(shí)，基于Bruun法則，綏中岸灘的坡度和綏中岸段2009-2012年海平面平均上升高度，南江屯岸段平均每年后退0.8 m，海岸水平后退2.4 m(圖5、圖6)。

表4 2009-2012年綏中岸段侵蝕強(qiáng)度分布

圖5 不同計(jì)算方法估算的岸線侵蝕寬度-以南江屯為例

遼東灣西岸處于新華夏第三巨型隆起帶，平行分布的華夏系東北向斷裂。新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)使海岸持久逐漸上升，因此，早更新世地層造成缺失，露出地表的則是處于中更新世地層的坡洪積物，全新世的砂礫石層覆蓋其上。全新世地層分布廣泛，主要為河谷平原或沖海積平原［14］，可見海平面上升對綏中海岸造成的潛在威脅。但是，在過去的幾十年里，綏中岸段的海岸工程的開發(fā)造成的海灘環(huán)境破壞遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于自然地因素，比如1980年以來，因綏中海岸建立海港、碼頭、電廠等工程，影響到海岸泥沙的運(yùn)輸，最后造成綏中岸段局部海岸侵蝕加劇。綏中岸段的南江屯附近重點(diǎn)侵蝕岸段平均侵蝕速率為3.8 m/a，其實(shí)它蘊(yùn)含了自然因素(以海平面變化為主，不包含地面的沉降)與人類活動(dòng)的因素，而且，就算綏中岸段在幾十年來發(fā)生過強(qiáng)大的臺(tái)風(fēng)或風(fēng)暴造成海灘嚴(yán)重侵蝕，在一段時(shí)間內(nèi)是可以經(jīng)過平常浪的條件和泥沙向岸搬運(yùn)的作用恢復(fù)海岸侵蝕前的原來狀態(tài)，然而海平面上升形成的海岸侵蝕效應(yīng)則是不可以逆轉(zhuǎn)的。因此，將海平面上升所計(jì)算的2.4 m與11.4 m進(jìn)行比較，可見對于綏中岸段而言，海平面上升導(dǎo)致海岸侵蝕的影響權(quán)占21％(圖7)。即人類活動(dòng)致使綏中海岸侵蝕的影響大于海平面上升的作用。

圖6 不同計(jì)算方法估算的岸線侵蝕速率-以南江屯為例

圖7 海平面上升和人類作用活動(dòng)因素在海岸侵蝕中的貢獻(xiàn)率

黃鵠認(rèn)為，在廣西北海銀灘砂質(zhì)海岸侵蝕因素中，海面上升的貢獻(xiàn)大小為2％［46］。這種差別的形成與海岸發(fā)育的地質(zhì)地貌背景有關(guān)。通過研究發(fā)現(xiàn)兩者地區(qū)海平面上升速率大約相近并且符合近年來我國近代的沿海地區(qū)海平面上升平均值。廣西銀灘海灘剖面的平均坡度為0.01，綏中海灘剖面的實(shí)測坡度為0～0.004，造成海面上升引起綏中的海岸侵蝕速率比廣西北海銀灘砂質(zhì)海岸的大得多，故海平面上升因素引起的海岸侵蝕貢獻(xiàn)也要相對較大。若視綏中海灘剖面的平均坡度約為0.001，即為廣西北海銀灘海灘剖面的實(shí)測平均坡度的1/10，其結(jié)果與海平面上升因素在廣西北海銀灘砂質(zhì)海岸侵蝕和綏中海岸侵蝕中的權(quán)重比相等，表明利用Bruun法則計(jì)算遼東灣綏中海岸海平面上升因素引起的海岸侵蝕速率符合遼東灣綏中海岸侵蝕危險(xiǎn)度評估的實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 未來2012-2100年內(nèi)不同時(shí)間段的平均岸線

變化估算

利用歷史資料和Bruun法則對比分析綏中岸段在2012年至2030、2050以及2100年岸線的變化趨勢。

岸線變化趨勢為:

海平面上升條件下岸線變化趨勢為:

式(3)、(4)中:Pt為未來年份岸線的后退距離，P1為2012年岸線的后退距離，PSt表示未來年份基于海平面上升岸線后退的距離，H1是2009-2012年期間岸線的蝕退速率，HS1表示2009-2012年期間基于海平面上升的岸線后退速率，Hst表示2012至未來某年的基于海平面上升的岸線后退速率。其中Pt、P1和H1蘊(yùn)含了海平面上升和人類活動(dòng)對海岸侵蝕的綜合影響，假設(shè)在計(jì)算未來岸線平均變化距離時(shí)人類活動(dòng)對海岸的影響程度保持不變，然而2009-2012年與2009至未來某年期間的海平面上升的值是變化的，故H1-HS1表示2009-2012年期間人類活動(dòng)對綏中岸段蝕退的速率，H1-Hs1+Hst表示2012至未來某年海平面上升和人類活動(dòng)共同作用下的岸灘后退速率。由圖5可知，到2100年海岸在基于人類活動(dòng)和海平面上升條件下，綏中南江屯重點(diǎn)岸線后退距離將有可能達(dá)407 m，可見綏中岸段很可能會(huì)發(fā)生明顯的退化。另外因?yàn)槿蜃兣?，在海平面不斷上升的趨勢下，直?100年海平面上升因素在岸線后退因素中占的權(quán)重與2012年相比會(huì)有所增加。因?yàn)锽ruun法則的應(yīng)用未對海洋動(dòng)力的影響進(jìn)行考慮，如果將這些因素包括在內(nèi)，即使到2100年強(qiáng)烈的人類活動(dòng)作用可能會(huì)得到緩減，然而綏中海岸仍然可能會(huì)退化。

海平面的上升變化是海岸后退的重要因素，具有明顯的時(shí)間和空間的連續(xù)性，對海岸侵蝕具有深遠(yuǎn)的影響作用。減輕海平面上升對海岸侵蝕帶來的災(zāi)害是人類長期的奮斗目標(biāo)，為了這一目標(biāo)，各學(xué)者不斷深化對海岸侵蝕災(zāi)害的研究。早期的研究者主要將海岸侵蝕災(zāi)害與致災(zāi)因子例如與海平面上升條件相聯(lián)系，探討海平面上升條件下的海岸侵蝕發(fā)育特征與原因［47-48］，效應(yīng)及對策等［49-57］。本文將多種數(shù)學(xué)方法和計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)建評估模型，進(jìn)行基于海平面上升的綏中海岸侵蝕評估及預(yù)測。其方法雖然簡單，但卻在一定程度上反映了綏中沿海岸段地區(qū)在海平面上升條件下的海岸侵蝕災(zāi)害危險(xiǎn)度空間分布規(guī)律。此外，本文反映的危險(xiǎn)度不僅是一種狀態(tài)，更是對未來海平面上升導(dǎo)致的海岸侵蝕災(zāi)害危險(xiǎn)度的預(yù)測，為基于海平面上升的海岸侵蝕危險(xiǎn)度評估的研究提供了更為新穎的思路。

4 結(jié)語

海平面上升是全球氣候變化和人類活動(dòng)加劇的結(jié)果，直接影響沿海地區(qū)社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。本文利用海平面上升的岸線后退計(jì)算模型將遼東灣重點(diǎn)海岸侵蝕研究區(qū)之一，即葫蘆島市綏中岸段侵蝕危險(xiǎn)度分為穩(wěn)定、輕侵蝕、中侵蝕、強(qiáng)侵蝕、嚴(yán)重侵蝕五種等級然后進(jìn)行現(xiàn)狀和未來100 a內(nèi)的岸線危險(xiǎn)度評估及預(yù)測。近幾年來綏中岸段研究區(qū)局部地區(qū)，如南江屯地區(qū)附近，相比其他區(qū)域危險(xiǎn)度差別較大，逐年的危險(xiǎn)度變化較為明顯，東部岸段由沖淤平衡的穩(wěn)定狀態(tài)逐漸轉(zhuǎn)變成輕侵蝕狀態(tài)，西部岸段主要處于海岸侵蝕穩(wěn)定狀態(tài)，通過對未來的結(jié)果顯示海平面上升對遼東灣綏中岸段海岸侵蝕有逐年加劇的趨勢，結(jié)果提醒了人們對基于未來海平面上升造成的海岸侵蝕影響必投入重點(diǎn)關(guān)注。本文只是綏中岸段海岸侵蝕危險(xiǎn)度評估研究領(lǐng)域中的一個(gè)初步嘗試，下一步將進(jìn)行承災(zāi)體易損度空間分布信息的獲取，結(jié)合承災(zāi)體易損度評估和基于海平面上升的海岸侵蝕危險(xiǎn)度評估開展海岸侵蝕遙感與海岸侵蝕災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評估工作，為綏中岸段制定海岸侵蝕風(fēng)險(xiǎn)管理模式提供有效的科學(xué)依據(jù)。

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Suizhong Coastal Erosion Risk Assessment Based on Sea Level Rise

Bao Chunxia1，2，Wen Shiyong2，Xu Lifen3，Wu Tong1，2，Zhao Dongzhi2，Huang Fengrong1and Xu Xuegong3
(1．College of Urban and Environmental Sciences，Liaoning Normal University，Dalian 116029，China; 2．National Marine Environment Monitoring Center，Dalian 116023，China;3．College of Urban and Environmental Sciences＆Laboratory for Earth Surface Process of Ministry of Education，Peking University，Beijing 100871，China)

Coastal erosion in Suizhong brings serious harm to the local people＇s production and life.Facing high risk of coast erosion，study on coastal erosion risk assessment in Suizhong causes highly concern.Sea-level rise is considered to be an important factor of coastal erosion hazard degree in China.Bruun rule is used to evaluate and predict the coastal erosion of Suizhong in Liaodong Bay.According to height data of the rise of sea level，combining with the Shoreline retreatmodel，spatial distribution results of coastal erosion of Suizhong coast presently and within 100 years are got.The results showed that the shoreline erosion of Suizhong coast during 2009-2012 caused by sea level rise contribution is of approximately 21％weight.However，in the next100 years，thewidth of coastal erosion based on the sea level risemay exceed 176m，shoreline erosion caused by sea level rise increased to 32％ weight，and most regions apparently showed strong erosion and serious erosion.Therefore，the coastal environmental degradation based on sea level rise in future of Suizhong is significant.

sea level rise;coastal erosion;spatial distribution of risk degree;Suizhong

P6P4;P72;X43

A

1000-811X(2015)01-0205-06

10.3969/j.issn.1000-811X.2015.01.038

包春霞，文世勇，徐麗芬，等.基于海平面上升的遼東灣綏中海岸侵蝕危險(xiǎn)度評估［J］.災(zāi)害學(xué)，2015，30(1):205-210.［Bao Chunxia，Wen Shiyong，Xu Lifen，et al.The Suizhong coastal erosion risk assessment based on Sea level rise［J］.Journal of Catastrophology，2015，30(1):205-210.］

2014-07-01修改日期:2014-08-18

國家海洋局業(yè)務(wù)工作海洋災(zāi)害監(jiān)測、預(yù)警與預(yù)報(bào);國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41271102，40830746)

包春霞(1990-)，女，內(nèi)蒙古通遼人，碩士研究生，主要從事海岸侵蝕災(zāi)害遙感監(jiān)測與風(fēng)險(xiǎn)評估研究. E-mail:bcx_dl@sina.com

文世勇(1977-)，男，海南東方人，博士，副研究員，主要從事海洋災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)與損失評估的應(yīng)用方面的研究. E-mail:sywen@nmemc.org.cn