氣候變化視角下的我國(guó)沿海地區(qū)防潮設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)研究*
——以福州濱海新城為例

張孝奎，馮立超，崔曉莉

(北京清華同衡規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100086)

近年來(lái)，隨著各種極端災(zāi)害性天氣的頻繁出現(xiàn)，全球氣候變化正引起越來(lái)越多人的注意。為促進(jìn)世界各國(guó)更積極應(yīng)對(duì)全球氣候變化，習(xí)近平主席代表我國(guó)政府提出我國(guó)將致力于實(shí)現(xiàn)“2030年前碳排放達(dá)峰、2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和”的戰(zhàn)略目標(biāo)[1]，為我國(guó)未來(lái)40 a左右的氣候變化應(yīng)對(duì)指明了方向。

全球氣候變化的一個(gè)非常重要影響是導(dǎo)致全球海平面上升和海洋災(zāi)害強(qiáng)度和頻率的升高，這將給沿海地區(qū)安全帶來(lái)嚴(yán)重的負(fù)面影響[2]。因此，為確保沿海地區(qū)人員和財(cái)產(chǎn)安全，發(fā)達(dá)國(guó)家在沿海地區(qū)建設(shè)海堤時(shí)正越來(lái)越多將全球氣候變化納入考慮范疇[3]。而我國(guó)的海堤建設(shè)目前對(duì)此還缺少足夠重視，給我國(guó)沿海地區(qū)未來(lái)發(fā)展帶來(lái)安全隱患。本文以福州濱海新城為例，分析了全球氣候變化對(duì)海堤防潮標(biāo)準(zhǔn)的影響，希望對(duì)其它沿海地區(qū)防潮堤設(shè)計(jì)有所參考。

1 研究區(qū)概況

為抓住“一帶一路”發(fā)展戰(zhàn)略機(jī)遇，貫徹落實(shí)“東進(jìn)南下”發(fā)展構(gòu)想，福州市在閩江口區(qū)域規(guī)劃建設(shè)濱海新城[4]。共涉及5個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)(街道)55個(gè)村莊部分區(qū)域，總面積188 km2(圖1)。

圖1 福州濱海新城區(qū)位圖

濱海新城位于長(zhǎng)樂(lè)區(qū)東部濱海平原，南北端較窄，腹部寬闊，海拔高度都在10 m以下，由古海灣發(fā)育而成。平原內(nèi)側(cè)地勢(shì)平坦，外側(cè)有部分海灘上細(xì)沙經(jīng)風(fēng)力吹揚(yáng)內(nèi)移堆積而成的沙丘和波狀丘地(圖2)。

根據(jù)規(guī)劃，濱海新城定位為福州中心城區(qū)的副中心，福州新區(qū)核心區(qū)的重要組成部分，區(qū)域的科研中心、金融中心和交通樞紐。未來(lái)將形成“五個(gè)組團(tuán)”的空間布局：北部以長(zhǎng)樂(lè)國(guó)際機(jī)場(chǎng)為核心的空港城組團(tuán)；南部以松下港和國(guó)際郵輪母港為核心的海港城組團(tuán)；中部為核心區(qū)，由CBD及濱海文化休閑組團(tuán)、大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)科技創(chuàng)新組團(tuán)、火車福州東站及高端制造業(yè)組團(tuán)構(gòu)成(圖3)。規(guī)劃總?cè)丝?30萬(wàn)人。

2 歷史洪潮災(zāi)害與海堤建設(shè)

2.1 歷史洪潮災(zāi)害分析

臺(tái)風(fēng)是濱海新城面臨的主要自然災(zāi)害之一。臺(tái)風(fēng)常發(fā)季節(jié)是年內(nèi)的大潮期，經(jīng)常導(dǎo)致內(nèi)江(河)水位和外海(江)潮位相互頂托，泄洪不暢，造成嚴(yán)重洪澇災(zāi)害。據(jù)記載，濱海新城所在區(qū)域歷史上曾多次遭受風(fēng)暴潮侵襲，造成嚴(yán)重人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。如2008年9月中旬，受13號(hào)臺(tái)風(fēng)“森拉克”影響，外文武海堤外護(hù)坡?lián)p壞約300 m2。10月，15號(hào)超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“薔薇”影響期間恰逢天文大潮期，外文武海堤再次遭受局部損毀。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，從1961年到現(xiàn)在，在臺(tái)風(fēng)大潮作用下，濱海新城周圍海堤曾先后破壞達(dá)7次(表1)[5]。

圖2 福州濱海新城地形地貌圖圖3 福州濱海新城未來(lái)規(guī)劃圖

表1 濱海新城部分歷史潮災(zāi)統(tǒng)計(jì)

2.2 海堤建設(shè)現(xiàn)狀

根據(jù)長(zhǎng)樂(lè)防潮防臺(tái)岸線劃分[5]，濱海新城岸線為梅花鎮(zhèn)-松下鎮(zhèn)之間的海岸線，以南澳山為界，分為梅花鎮(zhèn)三沙灣-南北澳段和南澳山-松下牛頭灣段，長(zhǎng)19.5 km和46.2 km(圖4)。各段海堤建設(shè)現(xiàn)狀如表2所示。

表2 濱海新城現(xiàn)狀海堤概況

圖4 濱海新城核心區(qū)防洪工程現(xiàn)狀和規(guī)劃圖

2.3 海堤建設(shè)規(guī)劃

根據(jù)規(guī)劃[6]，濱海新城防潮標(biāo)準(zhǔn)為100 a一遇高潮位，設(shè)計(jì)波浪和設(shè)計(jì)風(fēng)速重現(xiàn)期與設(shè)計(jì)潮位重現(xiàn)期相同(表3)。各段海堤防潮標(biāo)準(zhǔn)為：①三沙灣-南北澳段：堤路結(jié)合段，按《JTG B01-2014公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》，1級(jí)公路路基防潮標(biāo)準(zhǔn)采用100 a一遇高潮位。②南澳山-外文武段：100 a一遇防潮標(biāo)準(zhǔn)。③下沙-松下碼頭段：規(guī)劃新建海堤按100 a一遇標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防(圖4)。

表3 東海特征潮位表

3 氣候變化對(duì)海堤設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)影響分析

3.1 福建省沿海海平面變化情況

根據(jù)《2019年中國(guó)海平面公報(bào)》[2]，近年來(lái)，我國(guó)沿海海平面變化總體呈波動(dòng)上升趨勢(shì)(圖5)。1980—2019年，我國(guó)沿海海平面上升速率為3.4 mm/a。從10 a平均來(lái)看，1980—1989年平均海平面處于近40 a最低位；2010—2019年平均海平面處于近40 a最高位，比1980—1989年平均海平面高約100 mm。2019年，我國(guó)沿海海平面較常年高72 mm，比2018年高24mm，為1980年以來(lái)第3高。

圖5 我國(guó)沿海海平面近年來(lái)變化趨勢(shì)

福建省附近海域?qū)儆谖覈?guó)東海海域范圍。據(jù)統(tǒng)計(jì)，從1980—2019 年，東海沿海海平面上升速率為3.3 mm/a。預(yù)計(jì)未來(lái)30 a，東海沿海海平面將上升45～170 mm。

對(duì)近年來(lái)福建省沿海海域海平面進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果顯示，從2003—2019年，福建省沿海海平面升高了約80 mm，上升速率約4.59 mm/a，高于東海沿海海平面整體平均上升速率。從總體趨勢(shì)看，未來(lái)福建沿海海平面還將繼續(xù)上升(圖6)。

圖6 2003—2019年來(lái)福建省沿海海平面高度變化

3.2 我國(guó)防潮堤設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)確定方法

根據(jù)我國(guó)《GB/T 51015-2014海堤工程設(shè)計(jì)規(guī)范》第8.3.1條規(guī)定[7]，我國(guó)海堤堤頂高程應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)高潮(水)位、波浪爬高及安全加高值計(jì)算：

Zp=hp+RF+A。

(1)

式中：Zp為設(shè)計(jì)頻率的堤頂高程；hp為設(shè)計(jì)頻率的高潮(水)位；RF為按設(shè)計(jì)波浪計(jì)算的累積頻率為F的波浪爬高值(海堤按不允許越浪設(shè)計(jì)時(shí)取F=2%，按允許部分越浪設(shè)計(jì)時(shí)取F=13%)；A為安全加高值。

其中，設(shè)計(jì)頻率的高潮(水)位hp采用頻率分析的方法確定。潮(水)位資料系列不宜少于20 a，并應(yīng)調(diào)查歷史上曾經(jīng)出現(xiàn)的最高、最低潮(水)位值。當(dāng)缺乏長(zhǎng)期連續(xù)潮(水)位資料，但有不少于連續(xù)5 a的最高潮(水)位資料時(shí)，設(shè)計(jì)高潮(水)位可采用極值同步差比法與附近有不少于連續(xù)20 a資料的長(zhǎng)期潮(水)位站資料進(jìn)行同步相關(guān)分析，所需的設(shè)計(jì)高潮(水)位應(yīng)按下式計(jì)算：

(2)

式中：hPY、hPX為待求站與長(zhǎng)期站的設(shè)計(jì)高潮(水)位；ANY、ANX為待求站與長(zhǎng)期站的平均海平面高程；RY，RX為待求站與長(zhǎng)期站的同期各年年最高潮(水)位的平均值與平均海平面的差值。

3.3 國(guó)外海堤設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)海平面上升的考慮

發(fā)達(dá)國(guó)家較早認(rèn)識(shí)到海平面上升危害，在一些沿海城市規(guī)劃中，率先提出了韌性城市理念來(lái)應(yīng)對(duì)海平面上升的不利影響。如澳大利亞悉尼市認(rèn)為海平面上升是該市未來(lái)面臨的重大挑戰(zhàn)之一，政府間氣候變化專門委員會(huì)分析了不同溫室氣體排放情景下的未來(lái)海平面上升及其影響情景，提出要建設(shè)一個(gè)韌性城市[8]。新南威爾士州政府編制了一份海岸管理手冊(cè)草案，以支持海岸社區(qū)解決一系列海岸問(wèn)題，包括氣候變化和海平面上升以及海岸資產(chǎn)的恢復(fù)能力。

美國(guó)紐約市在“桑迪”颶風(fēng)的災(zāi)后恢復(fù)重建規(guī)劃中，也將氣候變化導(dǎo)致的海平面升高作為重要因素加以考慮[3]。2013年1月，紐約市召開(kāi)紐約氣候變化專門委員會(huì)(NPCC)會(huì)議對(duì)氣候變化影響進(jìn)行預(yù)測(cè)，為重建規(guī)劃和韌性化計(jì)劃提供基礎(chǔ)。NPCC預(yù)測(cè)，在本世紀(jì)中葉，海平面將上升超過(guò)2.5 ft，特別是當(dāng)極地冰蓋融化速度超過(guò)以前預(yù)測(cè)時(shí)。這個(gè)規(guī)模的海平面上升將威脅紐約低海拔區(qū)域的社區(qū)安全，使他們更容易受潮汐洪水的影響，在Battery遭受現(xiàn)狀百年一遇規(guī)模洪水的概率增加5倍。紐約的強(qiáng)降雨也將增加(可能性超過(guò)90%)(表4)。

表4 NPCC 2013氣候變化預(yù)測(cè)

結(jié)合NPCC預(yù)測(cè)的海平面升高預(yù)測(cè)高值，紐約市還跟NPCC一起制定了紐約市未來(lái)洪水風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃圖(圖7)，指導(dǎo)紐約重建和韌性化努力(表5)。

表5 海平面升高的潛在影響

圖7 紐約市洪水風(fēng)險(xiǎn)分析圖

根據(jù)分析結(jié)果，紐約市將通過(guò)建設(shè)防水墻和沙丘等措施持續(xù)提高沿海地勢(shì)較低區(qū)域的海岸線標(biāo)高。并對(duì)海平面高度持續(xù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并及時(shí)提高薄弱地區(qū)的海岸線標(biāo)高。

3.4 對(duì)策建議

根據(jù)《GB/T 51015-2014海堤工程設(shè)計(jì)規(guī)范》要求[7]，我國(guó)在確定海堤設(shè)計(jì)堤頂高程的重要參數(shù)設(shè)計(jì)頻率的高潮(水)位hp的計(jì)算應(yīng)依據(jù)海堤所在位置(或臨近位置)的不宜少于20 a的潮(水)位資料系列進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。這個(gè)統(tǒng)計(jì)分析會(huì)將一定時(shí)期內(nèi)海平面變化考慮進(jìn)去。

如福州濱海新城所在的福建海域，在確定最近17 a(2003—2019年)海平面變化值時(shí)所依據(jù)的常年平均海平面經(jīng)過(guò)了三次變化[9]：1975—1986年常年平均海平面、1975—1993年常年平均海平面和1993—2011年常年平均海平面。其中，1975—1993年常年平均海平面比1975—1986年常年平均海平面高14 mm，1993—2011年常年平均海平面比1975—1993年常年平均海平面高46 mm(表6)。也就是說(shuō)，目前所依據(jù)的常年平均海平面比1975—1986年常年平均海平面高了60 mm。因此，假如在2021進(jìn)行濱海新城海堤設(shè)計(jì)，是可以在一定程度上反映近46 a來(lái)福建海域海平面變化影響的。

表6 近年來(lái)福建沿海海平面變化值

但是，這種考慮沒(méi)有考慮未來(lái)海平面的變化影響。海堤屬于重要基礎(chǔ)設(shè)施，一旦建設(shè)，它的影響將保持幾十甚至上百年，未來(lái)海平面變化影響是不能忽略的。如根據(jù)《2019 年中國(guó)海平面公報(bào)》[2]，預(yù)計(jì)未來(lái)30 a，福建沿海海平面將上升40～170 mm，是東海100 a一遇高潮位和200 a一遇高潮位高差的17.4%～73.9%[5]。假如到2050年，福建沿海海平面再上升150 mm，則現(xiàn)在按照100 a一遇設(shè)計(jì)海堤，屆時(shí)將沒(méi)法應(yīng)付2013年出現(xiàn)的最高潮位；現(xiàn)在按照200 a一遇設(shè)計(jì)海堤，屆時(shí)海堤的防潮能力將只略高于現(xiàn)在100 a一遇防潮標(biāo)準(zhǔn)。

因此，濱海新城在進(jìn)行海堤標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)時(shí)，應(yīng)充分評(píng)估未來(lái)氣候變化導(dǎo)致海平面變化的風(fēng)險(xiǎn)，合理確定海堤防潮標(biāo)準(zhǔn)，筑牢濱海新城防潮安全的第一道防線。

同時(shí)，為更好應(yīng)對(duì)海平面上升所造成的影響，福州濱海新城還應(yīng)綜合考慮海平面上升對(duì)海岸帶災(zāi)害的加劇作用，加強(qiáng)海平面監(jiān)測(cè)和調(diào)查，全面提升預(yù)警和綜合風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估水平。充分發(fā)揮沿海生態(tài)系統(tǒng)的天然防護(hù)作用，倡導(dǎo)基于生態(tài)理念的海平面上升適應(yīng)方案，增加海岸帶的韌性恢復(fù)力，形成抵御和緩解海平面上升和極端海洋天氣氣候事件影響的天然屏障。

4 結(jié)語(yǔ)

在全球氣候變化的大背景下，海平面上升已成為一個(gè)全球性的問(wèn)題，給沿海城市安全帶來(lái)嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。國(guó)外沿海城市在進(jìn)行海堤設(shè)計(jì)時(shí)，會(huì)以氣候變化為背景進(jìn)行未來(lái)一段時(shí)間海平面上升風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估，然后據(jù)此確定海堤設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。而國(guó)內(nèi)目前的海堤設(shè)計(jì)還對(duì)這個(gè)問(wèn)題重視不夠。濱海新城是福州市未來(lái)重要發(fā)展區(qū)，為保證其安全，在進(jìn)行海堤設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮氣候變化所導(dǎo)致的海平面上升風(fēng)險(xiǎn)，合理確定防潮標(biāo)準(zhǔn)，提高海岸防潮能力。