基于浙江海堤安全的海洋環(huán)境因子變化研究

葉 舟

(浙江海洋大學(xué)，浙江 舟山 316022)

人們把海洋環(huán)境發(fā)生異?；蚣ち易兓鴮?dǎo)致在海上或海岸發(fā)生的災(zāi)害稱為海洋災(zāi)害，包括風(fēng)暴潮災(zāi)害、海浪災(zāi)害等。海堤工程是防御臺(tái)風(fēng)暴潮侵襲、減輕海洋災(zāi)害的重要工程措施，其安全性直接受海洋環(huán)境變化的影響。我國(guó)學(xué)者對(duì)海洋環(huán)境因子及演變規(guī)律、海堤影響機(jī)理、損失評(píng)價(jià)等做了大量研究工作，如臺(tái)風(fēng)特征方面，劉德輔等[1]為了研究臺(tái)風(fēng)特征、致災(zāi)因素等構(gòu)造一個(gè)雙層嵌套、多目標(biāo)的聯(lián)合概率預(yù)測(cè)模型；錢傳海[2]研究西北太平洋熱帶氣旋特點(diǎn)；王志力等[3]研究甌江河口風(fēng)暴潮數(shù)值模型臺(tái)風(fēng)特性；周沖[4]研究我國(guó)臺(tái)風(fēng)的強(qiáng)度變化趨勢(shì)和臺(tái)風(fēng)風(fēng)速重現(xiàn)值估計(jì)方法等。風(fēng)暴潮對(duì)海堤工程影響方面，朱軍政等[5]研究錢塘江北岸海塘遭遇超標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)暴潮的對(duì)策；潘軍寧等[6]進(jìn)行風(fēng)暴潮風(fēng)場(chǎng)和氣壓場(chǎng)模擬；黃世昌等[7]研究軟土地基上海堤在風(fēng)暴潮作用下?lián)p毀規(guī)律。波浪影響因素方面，苗青等[8]研究波浪爬高及消浪措施；徐福敏等[9]研究海域風(fēng)浪嵌套數(shù)值模型；丁維煒等[10]用數(shù)學(xué)模型研究臺(tái)風(fēng)影響期間波高變化及有效波高空間分布；周益人等[11]進(jìn)行了波浪作用下堤壩防護(hù)問(wèn)題試驗(yàn)；劉德輔等[12]研究比較極值預(yù)測(cè)理論和不同波高概率預(yù)測(cè)理論在海堤技術(shù)規(guī)范中進(jìn)行的應(yīng)用。這些研究表明近40年來(lái)我國(guó)海洋科學(xué)發(fā)展迅速，為海堤工程安全提供了重要的科學(xué)基礎(chǔ)。

盡管許多學(xué)者對(duì)影響海堤安全相關(guān)因子進(jìn)行了研究，但缺乏多因子、系統(tǒng)性地對(duì)海堤安全相關(guān)區(qū)域海洋環(huán)境因子的研究，特別是某些因子涉及到多個(gè)行業(yè)部門時(shí)更顯得基礎(chǔ)研究的不足。浙江是海洋大省，隨著中國(guó)(浙江)自貿(mào)區(qū)建設(shè)不斷推進(jìn)，海堤安全對(duì)浙江經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展具有重要意義。20世紀(jì)80年代，在參加浙江海堤技術(shù)規(guī)范制訂調(diào)研過(guò)程中，認(rèn)識(shí)到浙江海堤安全相關(guān)海洋環(huán)境因子不僅受海洋自然因素影響，還受到長(zhǎng)江治理、杭州灣自然條件、海洋產(chǎn)業(yè)布局等眾多因素影響。經(jīng)過(guò)近40年的實(shí)踐，影響海堤安全的海洋環(huán)境因子發(fā)生較大變化。有些是自然環(huán)境因子本身發(fā)生了變化，有些是人類認(rèn)識(shí)進(jìn)步所致。不僅需要研究各個(gè)海洋環(huán)境因子的影響，更應(yīng)該加強(qiáng)多因子的系統(tǒng)性研究。

1 技術(shù)規(guī)范中的環(huán)境因子

浙江省海堤修建歷史悠久，歷經(jīng)唐宋朝至今，但真正的海堤技術(shù)規(guī)范制訂在20世紀(jì)80年代初才開(kāi)始。浙江省在1980年7月和1986年1月分別發(fā)布海塘技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)第一冊(cè)、第二冊(cè)，并經(jīng)修訂后于1989年發(fā)布第二版。9417號(hào)、9711號(hào)臺(tái)風(fēng)襲擊后，浙江沿海從南到北均發(fā)生特高潮位，海塘于1999年8月進(jìn)行了第二次修訂頒布。2000年以后參與國(guó)家水利部、建設(shè)部有關(guān)海堤技術(shù)規(guī)范制訂，包括SL389-2008《灘涂治理工程技術(shù)規(guī)范》、GB/T 51015-2014《海堤工程設(shè)計(jì)規(guī)范》?？v觀浙江省海堤技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)修訂的過(guò)程，其基本原則和影響海堤安全考慮的因素取值基本保持一致。

在海堤技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中，影響海堤安全因素分成三類，第一類是海堤本身結(jié)構(gòu)影響的因素，包括海堤斷面形式和結(jié)構(gòu)、地基處理技術(shù)方案等；第二類是影響海堤工程安全的區(qū)域海洋水文因素，包括潮位、風(fēng)浪和臺(tái)風(fēng)暴潮等因素；第三類是海堤所在海洋地貌動(dòng)態(tài)變化，特別是近岸灘地沖淤變化影響海堤穩(wěn)定和沉降情況。從上面三類影響因素可以看出，三類因素都涉及到區(qū)域海洋環(huán)境因子，主要包括近岸灘地侵蝕情況、臺(tái)風(fēng)暴潮、高潮位及風(fēng)浪變化、海平面上升等。

2 相關(guān)海洋環(huán)境因子變化分析

由于全球氣候變化、江河流域大型水利工程建設(shè)等，與海堤安全相關(guān)的海洋環(huán)境因子發(fā)生變化，從而影響海堤安全度。因此將研究侵蝕性海岸、影響浙江的臺(tái)風(fēng)、年最高潮位及風(fēng)浪、海平面上升等4個(gè)因子的變化。

2.1 近岸灘地侵蝕

浙江海岸帶資源綜合調(diào)查隊(duì)(1985)依據(jù)1981—1983年部分水文泥沙測(cè)站和沉積地貌資料，分析認(rèn)為浙江海岸線泥沙來(lái)源主要有：1)長(zhǎng)江口入海泥沙的向南輸運(yùn)。長(zhǎng)江平均年輸沙總量4.86億t，其中50%沉積在長(zhǎng)江口附近水下三角洲，30%南下成為浙江近海沉積和濱海平原發(fā)育泥沙供給最主要來(lái)源。2)沿岸河流入海泥沙。浙江入海河流平均輸沙總量為1 300萬(wàn)t，而且大部分沉積在河口區(qū)內(nèi)，只有洪水期,粗于粉砂級(jí)物質(zhì)才帶到河口外沉積。3)內(nèi)陸架來(lái)沙。內(nèi)陸架底質(zhì)為泥質(zhì)粉砂或粉砂質(zhì)泥，該粒級(jí)物質(zhì)通常在15～30 cm/s流速下會(huì)發(fā)生再懸浮和運(yùn)移。

作為浙江沿海主要泥沙源的長(zhǎng)江泥沙進(jìn)入浙江沿海有兩種途徑。第一種是長(zhǎng)江上游來(lái)沙直接輸移。沉積在口門附近的泥沙形成了龐大的長(zhǎng)江河口攔門沙體系，水下三角洲；向南運(yùn)移和向東海擴(kuò)散的泥沙，發(fā)育浙江、閩北的淤泥質(zhì)海岸，東海水深50 m以內(nèi)堆積臺(tái)地等。長(zhǎng)江入海水沙的年際、季節(jié)和風(fēng)暴潮的變化，直接導(dǎo)致長(zhǎng)江口河槽、淺灘、水下三角洲的演變和浙閩泥質(zhì)海岸的沖淤變化。長(zhǎng)江入海泥沙80年代后有明顯減少趨勢(shì)[13](見(jiàn)表1)，三峽水庫(kù)運(yùn)行以后(2003年)，長(zhǎng)江來(lái)沙量更是下降明顯，而近年來(lái)長(zhǎng)江年平均入海泥沙量不足2億t，2006年降到0.848億t，2008年為1.3億t[14]，導(dǎo)致長(zhǎng)江水下三角洲漲淤速度變慢，口外部分出現(xiàn)明顯侵蝕。

表1 長(zhǎng)江大通站年均水量、年均輸沙量、平均含沙量統(tǒng)計(jì)

第二種是長(zhǎng)江口外三角洲“泥沙庫(kù)”二次輸移。“泥沙庫(kù)”存在于長(zhǎng)江口外三角洲及浙東海域，存有幾千年沉積下來(lái)的泥沙，其厚度達(dá)40～60 m。長(zhǎng)江來(lái)沙量減少后，“泥沙庫(kù)”對(duì)浙江沿海灘涂影響較大，主要體現(xiàn)在泥沙的二次搬移過(guò)程。從浙江沿海觀測(cè)可知，長(zhǎng)江上游來(lái)泥沙時(shí)間一般在長(zhǎng)江主汛期，而浙江沿海海水含泥沙整年很高，可見(jiàn)浙江沿海泥沙主要來(lái)自于海流動(dòng)力作用下的二次搬運(yùn)[15]。因此隨著長(zhǎng)江上游來(lái)沙減少，口門外水下三角洲將出現(xiàn)大范圍侵蝕。

為了研究長(zhǎng)江來(lái)沙減少對(duì)浙江近海水沙輸移影響，浙江省選擇了蘆潮港、杭州灣、寧波、三門、松門、飛云江6個(gè)斷面進(jìn)行實(shí)測(cè)并以數(shù)學(xué)模型作為補(bǔ)充，提取現(xiàn)狀情況與20世紀(jì)80年代情況進(jìn)行全年逐時(shí)水沙過(guò)程資料對(duì)比分析。表2、表3分別為6個(gè)斷面基本情況和輸沙量變化統(tǒng)計(jì)計(jì)算結(jié)果，顯示各典型斷面輸沙量有不同程度的減少趨勢(shì)。各斷面減少程度不同，同一斷面冬、夏季變化也不同。

表2 典型斷面基本情況Tab. 2 Basic information on typical sections

表3 典型斷面輸沙量變化統(tǒng)計(jì)Tab. 3 Statistics of sediment delivery on typical sections

另外根據(jù)浙江省灘涂淤漲泥沙源調(diào)查資料、浙江省灘涂資源重點(diǎn)區(qū)域監(jiān)測(cè)資料分析，自1959年以來(lái)，杭州灣岸線至-5 m等深線區(qū)域呈現(xiàn)淤積態(tài)勢(shì)，不同年代淤積幅度保持增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)；-5 m至-10 m等深線區(qū)域也呈淤積態(tài)勢(shì)，但淤積速率有所減弱；-10 m以深區(qū)域1959—2003年呈現(xiàn)淤漲態(tài)勢(shì)，但2003年以來(lái)呈現(xiàn)沖刷趨勢(shì)，且沖刷強(qiáng)度逐漸增大。

2.2 影響浙江的臺(tái)風(fēng)

為簡(jiǎn)便起見(jiàn)，重點(diǎn)研究登陸浙江的臺(tái)風(fēng)(包括強(qiáng)熱帶風(fēng)暴)。1949年以來(lái)登陸浙江臺(tái)風(fēng)合計(jì)46個(gè)，分析這些臺(tái)風(fēng)存在圖1～4的分布規(guī)律。圖1為1949—2019年間浙江省登陸臺(tái)風(fēng)各風(fēng)速等級(jí)頻數(shù)統(tǒng)計(jì)，可知登陸浙江的臺(tái)風(fēng)在各風(fēng)速等級(jí)頻數(shù)分布情況。據(jù)圖2可進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)14級(jí)及以上在浙江登陸的臺(tái)風(fēng)總計(jì)為9個(gè)，除5 310 Nina，5 612 Wanda外，其他均在2000年之后登陸。2000年之后平均每2.7 a即發(fā)生一次14級(jí)及以上的臺(tái)風(fēng)。

圖1 1949—2019年登陸臺(tái)風(fēng)等級(jí)頻數(shù)Fig. 1 Frequency chart of landfall typhoon grades from 1949 to 2019

圖2 1949—2019年14級(jí)以上強(qiáng)臺(tái)風(fēng)統(tǒng)計(jì)Fig. 2 Statistics of strong typhoons with force 14 or above from 1949 to 2019

圖3 浙江省各月份臺(tái)風(fēng)登陸情況Fig. 3 Typhoon landfall in Zhejiang Province in each month

圖4 1949—2019年浙江省各年份登陸臺(tái)風(fēng)頻數(shù)Fig. 4 Frequency chart of landfall typhoons in Zhejiang Province from 1949 to 2019

圖3表明1949年以來(lái)浙江省登陸的臺(tái)風(fēng)以7至9月份為主，其中8月份為主要登陸月份，統(tǒng)計(jì)中該月共計(jì)登陸臺(tái)風(fēng)21個(gè)，占浙江省登陸全部臺(tái)風(fēng)的46%，10月份登陸的臺(tái)風(fēng)較少，僅6126 Tilda，0716 Krosa，1918 Mitag三個(gè)。

據(jù)圖4對(duì)1949—2019年浙江省各年份登陸臺(tái)風(fēng)頻數(shù)統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，1970年以后平均每10 a登陸浙江的臺(tái)風(fēng)數(shù)穩(wěn)定在7個(gè)以內(nèi)，但是2000—2009年登陸浙江的臺(tái)風(fēng)為往年登陸數(shù)的近兩倍。

由圖2，4可以看出，臺(tái)風(fēng)發(fā)生頻率越來(lái)越高。分析登陸浙江46個(gè)臺(tái)風(fēng)，其中1978年以后登陸浙江的臺(tái)風(fēng)數(shù)為33個(gè)，即后40年是前30年的2.5倍。而2000—2019年后登陸臺(tái)風(fēng)為18個(gè)，幾乎每年都有臺(tái)風(fēng)登陸。超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)密度也越來(lái)越大。表4為部分登陸浙江沿海的強(qiáng)臺(tái)風(fēng)和超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)數(shù)據(jù)，這些臺(tái)風(fēng)都造成了浙江省巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。1949年以來(lái)共發(fā)生14級(jí)以上強(qiáng)臺(tái)風(fēng)9次，2000年前發(fā)生2次，2000年后發(fā)生7次，2000—2019年間強(qiáng)臺(tái)風(fēng)發(fā)生密度越來(lái)越大。超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)在1949年后共發(fā)生4次，2000年前后各有2次。

表4 1949年以來(lái)浙江省登陸的強(qiáng)臺(tái)風(fēng)Tab. 4 Strong typhoons landfall in Zhejiang Province since 1949

2.3 年最高潮位及風(fēng)浪變化

浙江沿海最高潮位主要由臺(tái)風(fēng)帶來(lái)的風(fēng)暴增水造成。隨著時(shí)間推移，影響海堤安全的高潮位、年最高潮位越來(lái)越高。表5為浙江省沿海部分潮位站1979年、1999年兩次統(tǒng)計(jì)的不同重現(xiàn)期高潮位值，表中數(shù)值顯示1999年數(shù)值明顯高于1979年數(shù)值。圖5為定海潮位站1978年至2018年歷年最高潮位值，1996至2008年最高潮位為下降趨勢(shì)，2008 至2018年最高潮位為上升趨勢(shì)，從總體上看呈現(xiàn)明顯上升趨勢(shì)。

表5 浙江沿海潮位站各頻率高潮位值 Tab. 5 High-tide level values of each frequency at Zhejiang coastal tide stations (m)

圖5 定海潮位站歷年最高潮位值Fig. 5 Annual maximum tidal level values at Dinghai tidal station

風(fēng)浪變化的影響因素比較復(fù)雜，根據(jù)浙江沿海實(shí)際僅討論3種情況：一是由于中國(guó)海海洋表面溫度長(zhǎng)期處于上升過(guò)程導(dǎo)致極端風(fēng)浪變化。馮琳等[16]對(duì)1945—2006年中國(guó)海表面溫度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，認(rèn)為整個(gè)中國(guó)海都處于一個(gè)長(zhǎng)期溫度升高過(guò)程中。Nicholas等[17]通過(guò)對(duì)1948—1998年北太平洋的溫度變化與風(fēng)暴發(fā)生頻率的統(tǒng)計(jì)分析，指出全球氣溫繼續(xù)升高，極端風(fēng)浪發(fā)生的頻率與強(qiáng)度也可能會(huì)隨之增大。根據(jù)前文分析可知，影響浙江的臺(tái)風(fēng)數(shù)量增多，強(qiáng)臺(tái)風(fēng)、超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)頻率越來(lái)越高，相應(yīng)的風(fēng)浪對(duì)海堤安全的影響也不斷加大。二是風(fēng)浪對(duì)海堤安全的影響從波高向波高和周期雙指標(biāo)的研究。目前國(guó)家發(fā)布的GB/T51015-2014《海堤工程設(shè)計(jì)規(guī)范》，給出的仍然是以波高為指標(biāo)的風(fēng)浪計(jì)算方法，沒(méi)有考慮到周期的影響。經(jīng)過(guò)70余年實(shí)踐證明，風(fēng)浪周期對(duì)海堤影響同樣很大，基于波高和周期雙指標(biāo)的海堤設(shè)計(jì)計(jì)算十分必要。玉環(huán)五門大壩低頻涌浪影響的研究就是基于波高和周期雙指標(biāo)研究的典型案例。三是臺(tái)風(fēng)不同眼壁處有效波高差別很大。不同路徑臺(tái)風(fēng)在相同海域引起的風(fēng)浪有效波高不同，同一個(gè)臺(tái)風(fēng)不同眼壁處的有效波高也不同。表6為臺(tái)風(fēng)期海大站與定海站潮位、風(fēng)浪比較情況，反映了不同海區(qū)風(fēng)浪變化情況?；谝陨犀F(xiàn)實(shí)，海堤安全影響研究和實(shí)踐應(yīng)該考慮風(fēng)浪變化因素。

表6 利奇馬臺(tái)風(fēng)(1909)期間水位、潮位比較Tab. 6 Comparison of water level and tide level during Typhoon Lekima (1909)

2.4 海平面上升變化

浙江省海堤技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)第一次制訂時(shí)對(duì)海平面上升變化進(jìn)行了預(yù)測(cè)，確定了中國(guó)海海平面上升數(shù)值估算值為平均每百年0.28 m，在規(guī)范中以安全超高值形式進(jìn)行考慮[18]。張靜等[19]利用AVISO高度計(jì)數(shù)據(jù)計(jì)算了1993—2012年間中國(guó)海海平面上升趨勢(shì)，結(jié)果表明，中國(guó)海平均海平面的上升速率為4.3 mm/a，高于全球平均水平。王國(guó)棟等[20]對(duì)東海海平面進(jìn)行空間分析后得出，中國(guó)東海長(zhǎng)江口附近海域平面長(zhǎng)期處于高位，其增長(zhǎng)速度為5.45 mm/a。同時(shí)通過(guò)Winters指數(shù)平滑模型進(jìn)行趨勢(shì)預(yù)測(cè)可得，未來(lái)海平面變化將保持上升趨勢(shì)，預(yù)計(jì)到2015年，海平面將比2006年上升40～50 mm左右，到2030年，海平面將比2006年上升140～150 mm。左軍成等[21]研究認(rèn)為我國(guó)近海各海域海平面近年來(lái)總體呈現(xiàn)加速上升趨勢(shì)。根據(jù)1993—2013年間的AVISO高度計(jì)數(shù)據(jù)分析表明，中國(guó)海平均海平面的上升速率為4.4 mm/a，高于全球平均水平。從有關(guān)數(shù)據(jù)分析中可以看出，海平面上升趨勢(shì)在加速，根據(jù)長(zhǎng)期趨勢(shì)變化尺度估算每百年中國(guó)海平均海平面上升將達(dá)到0.5～0.6 m，而長(zhǎng)江口附近海平面上升速度更快。

3 結(jié) 語(yǔ)

從浙江海堤安全的角度研究海洋環(huán)境因子變化規(guī)律，從研究成果中可以看出：由于自然環(huán)境變化和現(xiàn)代監(jiān)測(cè)科技水平的提高，某些海洋環(huán)境因子變化幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)突破了當(dāng)初海堤技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)制定時(shí)的預(yù)測(cè)值。重點(diǎn)研究的近岸灘地高程、年高潮位、風(fēng)浪、臺(tái)風(fēng)暴潮、海平面上升等因子都有較大的變化，這些因子變化使某些海域的海堤實(shí)際安全程度與設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)存在較大差距，特別是當(dāng)多因子相互疊加時(shí)影響更甚。如浙江省岱山縣雙劍涂海堤由于堤前涂面泥沙沖刷，再加上1509號(hào)臺(tái)風(fēng)(Chan-hom)引起的風(fēng)暴潮、風(fēng)浪的共同作用，已嚴(yán)重破壞。當(dāng)前應(yīng)該利用GNSS、衛(wèi)星遙感技術(shù)、高頻地波雷達(dá)等現(xiàn)代科技手段監(jiān)測(cè)區(qū)域海洋環(huán)境因子變化及其規(guī)律，從局限于關(guān)注海堤本身安全轉(zhuǎn)向海洋環(huán)境因子變化影響的綜合分析，從局限于專業(yè)部門技術(shù)研究轉(zhuǎn)向于水利、海洋、氣象等眾多部門的綜合研究，系統(tǒng)分析海堤安全相關(guān)技術(shù)，降低海洋環(huán)境因子變化對(duì)海堤安全帶來(lái)的影響。