渤海湾西岸泥质海岸带地质环境现状与趋势预测_图文.doc

收稿日期2008-02-18;修订日期2008-03-26 地调项目中国地质调查局地调项目天津市滨海新区环境地质调查评价编号1212010540501,1212010814004、908专项 天津市沿海低地、潮间带、岛屿及浅海区地质地貌调查、河北省国土资源厅项目黄骅港及相邻海区近现代地质环境变化调查等资助。 作者简介王宏1948-,男,研究员,博士研究生导师,从事泥质海岸代地质环境变化研究。E- 地质通报 GEOLOGICAL BULLETIN OF CHINA 第27卷第6期2008年6月Vol.27,No.6Jun.,2008 渤海湾西岸泥质海岸带地质环境现状与趋势预测 王宏1,宋美钰2,1,王福3,1,李凤林1,李建芬4,1,裴艳东1,范昌福5,1,商志文1,田立柱4,1,阎玉忠1,王云生1 WANG Hong 1,SONG Mei-yu 2,1,WANG Fu 3,1,LI Feng-lin 1,LI Jian-fen 4,1,PEI Yan-dong 1,FAN Chang-fu 5,1,SHANG Zhi-wen 1,TIAN Li-zhu 4,1,YAN Yu-zhong 1,WANG Yun-sheng 1 1.中国地质调查局天津地质调查中心,天津300170; 2.吉林大学地球科学学院,吉林长春130061; 3.中国地质科学院研究生院,北京100037; 4.中国地质大学海洋学院,北京100083; 5.南京大学海岸与海岛开发教育部重点实验室,江苏南京2100931.Tianjin Centre,China Geological Survey,Tianjin 300170,China ; 2.College of Earth Sciences,Jilin University,Changchun 130061,Jilin,China ; 3.Graduate School,Chinese Academy of Geological Sciences,Beijing 100037,China ; 4.Scholl of Oceanography,China University of Geosciences,Beijing 100083,China ; 5.Ministry of Education Key Laboratory for Coast and Island Development,Nanjing University,Nanjing 210093,Jiangsu,China 摘要简要介绍了与泥质海岸带现代地质环境变化有关的最新研究结果,包括地质历史时期全球气温与海面的变化、21世纪海平面上升趋势预测、极端高水位、新奥尔良实例等。根据对前人成果的综合研究和小组获得的最新数据,阐明了影响渤海湾西岸环境变化的主要因素 保有高程、加积作用、地面下沉、海面上升和以极端增水为代表的突发事件各自的现状,提出了综合诸因素相互作用的泥质海岸带的研究思路和警惕可能的沼泽化趋势的建议。关键词泥质海岸带;现代地质环境;主要影响因素;趋势预测;渤海湾西岸中图分类号X141 文献标志码A 文章编号1671-2552200806-0726-13 Wang H,Song M Y,Wang F,Li F L,Li J F,Pei Y D,Fan C F,Shang Z W,Tian L Z,Yan Y Z,Wang Y S.Geo-environ-ment along the muddy coast of the western Bohai Bay,ChinaStatus and trend.Geological Bulletin of China,2008,276726-738 AbstractThe paper briefly introduces the latest research results concerning the changes of the modern geo-environment along the muddy coast,including the global climate and sea level fluctuations in the geological history,projections of the sea level rise in the 21st century,extremely high water levels and New Orleans and the Netherlands cases.Based on an innovative extension of previous studies and the latest data obtained by the authors ′group,this paper presents the main factors influencing the geo-environmental changes on the west coast of the Bohai Bay,including existing altitudes,vertical sedimentation rates,land subsidence,sea level rise and sudden events such as extreme accumulated water increase.Furthermore,the authors present the idea of studying the muddy coast by consid-ering the interaction of various factors and a suggestion of maintaining vigilance against the possible paludification trend along the muddy coast. Key wordsmuddy coast;modern geo-environment;major influence factor ;trend prediction;coast of the western Bohai Bay 第27卷第6期 近20余年来,气候变化对海岸带地区的影响逐渐成为各方关注的焦点。这里面既有介绍最新动态的述评[1-4],又有提供官方数据的国家报告[5-6],更多的则是研究者个人局限于学术圈内的科学探讨[7-13]。面向社会的或直接针对某一具体海岸带地区的环境评价,或不多见或难以引起重视1-8。但是,近年来情况开始发生变化国际社会对气候变化和由此引起的海岸带响应表现出强烈关注的新倾向[14-15]。 目前,全球有12亿人分布于距海岸线100km以内、海拔100m以下的沿海地区,更有超过1亿人生活在海拔高度不足1m的海岸线附近[16]。这是一个人口集中、经济发达、环境脆弱的地带。2005年8月29日,卡特里娜飓风袭击了美国墨西哥湾路易斯安那、亚拉巴马等州的沿海地区,造成美国有史以来最大的自然灾难,1800余人死亡,损失土地338km2,毁坏了30万处住宅和1000余处历史文化纪念地,经济损失逾1000亿美元[17]。 正是卡特里娜飓风,成为扣动人们将海岸带的环境现状与发展趋势纳入全球气候变化的背景下做深入思考的扳机,并将相关的“纯”科学研究扩展至全社会,引起前所未有的广泛关注和争论的“扳机”[18-24]。 我们将目光转回亚洲,一个无可争辩的事实摆在面前中国的“珠三角”、“长三角”和“环渤海”经济带,以及孟买、曼谷、东京、马尼拉、胡志明、新加坡等经济发达的城市和国家,均位于沿海低地地区。因此,必须对海岸带的地质环境现状及可能的发展趋势给予足够的关注。 天津滨海新区及渤海湾沿岸的河北省曹妃甸地区及冀东油田、黄骅港地区近年来呈现出极为强劲的经济发展势头,一些经济学家预言,该地区将成为中国经济发展的“第三极”。 长期以来,一直处于地质环境条件不良背景下的渤海湾海岸带,现在又要面对全球变化的新挑战。2007年12月1日,国家海洋局根据对全国56个验潮站的监测,指出近30年来全国海平面平均上升了9cm,天津沿海上升了20cm;到2050年时,全国海平面还将上升13￣22cm,而天津沿海将上升30￣60cm[25]。2008年1月中旬公布的2007年中国海平面公报,仅对今后10年的变化趋势做了预测未来10年,中国沿海海平面将比2007年上升3.2cm,上升幅度介于1.8￣3.9cm之间[6]。 一方面是全球环境恶化的大背景,一方面是地区性大规模开发引发的区域环境的日趋严峻,两相交织,正在并必将对已经开始的大规模开发造成影响。 有鉴于此,亟应进一步认真地查明环境现状包括滨海新区等大规模开发以来引发的新的地质环境变化,重新审视并制定新的环境适应指标,保障该地区人与自然和谐发展及滨海新区的中长期安全。本文试图以渤海湾地区为例,重点介绍泥质海岸带的地质环境背景与现状、影响发展趋势的主要因素和一般的研究方法。 1地质历史时期的气温与海面变化 距今13￣12万年前的上一个间冰期时,全球平均气温比现在高3℃左右,海面比现在高4￣8m。自那之后,气温和海面开始下降,到距今约1.8万年时的年平均气温甚至比现在约低8℃、海面比现在约低100￣120m[26],这一时期被称为末次冰期的极盛期。从距今1.8万年以来,全球气温和海面转为上升。距今约7000￣6000年时,气温回升到现在的水平或略高,全球海平面也达到现今高度图1。 2近现代气候变化对海岸带的影响 2.1海平面 研究全球气候与海面变化的联合国政府间气候变化委员会Intergovernmental Panel on Climate 图140万年以来全球气温和海面变化曲线据参考文献[26]改绘 Fig.1Curves showing the global temperature and sea-level changes in the last400000years 王宏等渤海湾西岸泥质海岸带地质环境现状与趋势预测727 地质通报GEOLOGICAL BULLETIN OF CHINA2008年 Change,IPCC于2001年、2007年先后发表了第三份与第四份气候变化评估报告[14-15,17,27-31]。这2份均由数千名科学家合作撰写的内容浩繁的报告,提出了自人类工业化革命大约1850年以来,全球气温和海平面持续上升、今后还将上升的基本观点。2001年的报告[27]预测2100年时海平面上升幅度约12￣70cm, 2007年的报告修正为届时上升约21￣48cm[30]图2。 2007年的报告指出,20世纪全球平均气温上升了0.6￣0.7℃,海平面相应升高了17cm。到2100年时,全球气温上升的最佳估计值是1.8￣4.0℃最低最高预测值范围是1.1￣6.4℃,由此导致的海平面上升的最低估计值是0.18￣0.26m、最高估计值是0.38￣0.59m,即海平面升高的稍宽泛的预测范围在18￣59cm之间[15,28]。 但是,一些科学家根据近半个世纪,特别是近10余年来一些海区的表层水体热膨胀和海面上升明显快于全球平均值的事实例如太平洋西部、南非最南端、北大西洋西部和墨西哥湾[15,28],以及2000年开始的格陵兰和南极冰盖加速融化原本预测21世纪末才会开始、已经持续了10年的北冰洋多年浮冰迅速减少原本预测2070年以后才会发生等气候与海面的“异常”变化以及这些变化导致的高纬度永冻层甲烷释放、进一步增温的反馈效应等,认为即便最新的第四份IPCC报告,也可能因预测模型自身的不足而低估了海平面上升的速度和幅度[31], 并预测一些地区的海面到2050年至少将上 升1.5英尺约46cm,到21世纪末至少上 升0.6m[17]或3￣5英尺约92￣156cm,甚至1 m至数米9。这些新的发现和认识提醒人们, 对海平面上升应有足够的准备。 2.2极端高水位 洋面形成的强盛气旋在接近陆地时, 若逢天文大潮,则会在沿海形成突然增强 的高水位。英国海岸带地理学家Tooley引 述近半个世纪以来人们对海面上升引发 风暴潮增强的推测以英国为例,海平面 上升15cm,将使致灾风暴潮的发生频率在 英国东海岸提高1倍、在西海岸增加2倍[32]。 1938年9月21日,高7.6￣10.7m的飓风 水位风暴增水波浪高度造成美国东 北部长岛等地沿海近700人死亡、数千人 受伤[11]。1992年12月,纽约及相邻的新泽西、康涅狄格州和长岛经历了40年一遇的风暴潮侵袭,比海平面高2.4m的潮水使下曼哈顿被淹,全市交通中断、部分人员撤离。这次风暴潮暴露了纽约脆弱的防灾能力。当地大部分地铁、隧道的入口和机场的高度都小于3m。今后发生的风暴潮只要比1992年12月的风暴潮再高0.3￣0.6m,就将导致纽约市大面积被淹和严重的人员伤亡[11]。 近30年来,气温上升增强了海洋灾害热带温带气旋、狂浪、风暴潮的强度[17]。北大西洋[24]和渤海湾的情况[33]表明,频率与温度上升可能同样是正相关关系。 现有的模型显示,随着气温的升高,气旋路径的空间分布将更趋多样化[17],形成极端气象条件下极端增水的突发灾害。2007年的台风“罗莎”即显示了生成时间晚10月初,是近60年来在一年当中登陆浙江最晚的台风、路径复杂的特点。 2.3冰川突发性融化 在全球升温的影响下,南极冰盖的前途是科学家长期关注的焦点。但是,近年来格陵兰冰盖的加速融化给冰川学家带来了新的忧虑。与南极相比,格陵兰冰盖更易受到气温升高的影响。很多研究者认为,仅格陵兰冰盖的加速融化就将使全球海平面在21世纪上升1m,甚至可能达到3m如果加上南极冰盖的加速融化,则海面上升将会更高[34]。13万年前的全球 图21920世纪全球海平面上升过程和21世纪上升预测曲线 据参考文献[30]改绘 Fig.2Curves showing the global sea level rise in the19th to20th centuries and projected sea level rise in the21st century 预测2100年时全球海平面上升约21￣48cm。纵轴0mm是 全球19801989年海平面平均值 728 第27卷第6期 海面因冰盖融化而比现今海面高4￣8m[26]图1。2.4新奥尔良市案例分析 最新的卫星数据显示,新奥尔良市近年来仍以5mm/a的速率下沉,最大速率甚至达到2.5cm/a,过去50年最大累计下沉量达到1.2m。原本低洼的地势加上长期下沉,使现在该市一些街区比海平面低5m[24]。地势低洼并缓慢下沉的城市,面对海面上升和强烈的飓风,会发生什么情况2005年8月29日的卡特里娜飓风给出了答案。 事后分析飓风致灾的原因,从主观方面有值得检讨的地方。首先是应对不利。已耗时13年,耗资从原设计的8500万美元增至74500万美元、至今仍需8年才能完成的美陆军工程兵承担的Pontchartrain湖及周边地区飓风防护项目,其超预算和工期延宕屡遭批评。从专业技术的角度,该项目亦受到广泛的批评。1984年,美国国家天气中心的专家即指出,衡量大坝设计安全与否的飓风灾害模拟模型低估了飓风的实际危险。对此,陆军工程兵则以预算过高而加以拒绝;同时,工程兵还认为在工程设计中考虑海面变化这一不确定的因素将造成经费使用不当[24]。 工程质量存在问题。一些地段的防潮堤是软泥基础,导致作为挡水墙基础的钢板桩滑动、挡水墙位移。被卡特里娜飓风驱动的、比堤顶高1.2m的海水冲击进一步造成了堤防的倾斜,软泥地基像果冻一样滑移,近130m长的一段堤防被大水冲垮。因地基问题造成的溃堤还发生在城市的其他地段。淹没城市的海水水量,80来自溃堤处。很多溃堤处的堤防是由松散的沙子和贝壳堆积而成的。独立调查揭露,卡特里娜飓风后,一些承包商甚至仍在用同样的贝壳沙或从密西西比河中挖掘的粘土重修、加高被毁坏的堤防这类新堤防,还没等到新的飓风到来,已经被这2年的雨水冲蚀了。卡特里娜飓风1年后,2项独立调查和工程兵自己耗资2500万美元的研究工作揭露了新奥尔良市堤防工程从设计到施工的一系列错误,并承认受到了政治因素的干扰[24]。 3渤海湾西侧海岸带的环境状况 3.1地质历史时期与近代的渤海湾 距今7000￣6000年时渤海湾西岸、西北岸沿海平原的海岸线最大边界,北到宝坻区东老口一带、西抵津沪铁路一线突发性事件,例如风暴潮水的影响边界,还要更远些图3-A。自那时以来,随着河流输送泥砂的不断堆积,海水逐渐后退,在距今2000￣1000年间,天津市区及以东地区,先是“孤岛”状高地如大直沽高地10或链状高地如张贵庄第三道贝壳堤发现战国墓葬[35];上古林第二道贝壳堤中较老的一道支堤发现金代船形墓葬11出露水面。渐渐地,陆地连成大片。到清末时,除北大港、小淀、南淀等古潟湖外,现代地表的轮廓已经形成[36]图3-B。 3.2近现代岸线的变化 1950年代,渤海湾西岸海河口至大口河口之间的近似“基准岸线”长约92km。但是,1870年代同一段岸线长约130km[37-36]。2个时代的岸线对比显示,有累计约40km的前凸岸段 后徐家堡辛堡关家堡岸段、南排河唐堡张巨河岸段和新马棚口唐驹河岸段 在18701950年间的80年里因海水侵蚀而后退了1￣3km。具体而言,凡Ⅰ、Ⅱ两道贝壳堤以东在1870年时高于平均大潮高潮线MH-WST的泥质滩地,悉数被冲蚀,最大蚀退距离大于3km,海岸线重又回到贝壳堤所在的位置。甚至贝壳堤在这期间亦受到相当程度的破坏,例如贾家堡、冯家堡、狼坨子等地的贝壳堤分别被蚀退数十至数百米。相反,在18701950年这80年间,有累计长度约35km的内凹岸段 马棚口湾古歧口湾、冯家堡南海湾和狼坨子海湾 被泥砂充填或不再直接与海连通[13]。 1950年代以前岸线自然变化的总趋势是,位于1950年“基准岸线”以东的原外凸岸段后退,导致土地损失约100￣105km2;位于“基准岸线”以西的原内凹岸段前淤,新增沿海湿地水面或高于MHWST的低地约40km2。与此同时,岸线形态发生了极大的变化从1870年的曲折岸线转变为1950年代的顺直岸线,强烈蚀退岸段的平均最大后退速率可达约40m/a,这是大规模人类活动干扰之前自然岸线最重要的变化特征[13]图4。 20世纪中叶以来,渤海湾海岸线变化进入人类活动干扰期,大体可分为3个阶段。 1960年代以来,人为活动使入海河流水量减少,导致所携泥砂淤积在河口附近的潮间带,最大淤进发生在马棚口歧口张巨河潮间带,前淤速率为40m/a,这是人类活动对现代岸线的第一干扰期。 1984年后,部分岸段潮间带上部开挖虾池,使该类岸段海岸线进一步向海推进。实地调查结果显示, 王宏等渤海湾西岸泥质海岸带地质环境现状与趋势预测729 地质通报GEOLOGICAL BULLETIN OF CHINA2008年730 图3近6000年来渤海湾西岸岸线、古地理概图A12-13和20世纪初渤海湾西岸地表形态图B[36]13 Fig.3Paleogeographic sketch map of the western shorelines of the Bohai Bay in the last6000yearsA, and topographical map of the western coast of the Bohai Bay at the beginning of the20th centuryB A图中蓝线为贝壳堤与岭地的连线,示意性地表示6000年来的几条古海岸线,红色是古洼地古海湾-古潟湖的最大边界,从南向北依次是古南大港湾、古北大港湾、古天津湾12-13和古汉沽湾14;B图可近似地视为人类大规模生产活动前夜自然景观的最后一幕 图4渤海湾西岸近130年来的岸线变化[38]15[13] Fig.4Shoreline changes along the western coast of the Bohai Bay in the last130years 与1950年代近似“基准岸线”相比,18701950年代的80余年间,伴随着“小冰期”的结束,渤海湾西岸海水进侵造成约100km2的土地损失红色部分,1950年代以来,人类活动新增土地包括近年来的“围海造陆”约100￣200km2绿色部分 在歧口南排河岸段最大推进距离大于2km,平均推进速率约为100m/a。这是人类活动对渤海湾西岸海岸线的第二干扰期。 进入20世纪末期,开始大规模地开发潮间带与浅海区如围海造陆、修建新的港池。相对于1980年代兴起的由个人积极性 渔民开挖虾池、兴办海水养殖业 催生的第二次人类干扰期,这一次则是政府行为。至此,渤海湾西岸海岸线的发展进入第三次更大规模的人类活动时期[13]。 3.3风暴潮 渤海湾西岸是风暴潮多发的地区。30年前,历史学家翟乾祥首次系统地总结了渤海湾近500年来风暴潮的发生与致灾情况16。此后,渤海湾风暴潮成为热门的研究对象,相关报告和论文不下数十份篇[39-42,33]17,5图5。 15601949年间,渤海湾有51次风暴潮记录,平均8年1次;19501997年间发生风暴潮29次,平均1.7年1次[39]。尽管可能存在统计学的误差数百年前沿海人口密度低,风暴潮致灾程度较现今低,因而记录可能不够详细甚至缺失,但频率与强度增加的趋势不容低估[33]。 详细研究以往的风暴潮记录,是为了确定风暴潮以某一频率重现时例如50年、100年的最高潮位,这是设计防潮堤和沿海工程高度时必须考虑的基础数据。但是,渤海湾西岸存在着对同一重现期的风暴潮高潮位认识不统一、现行设计选用的风暴潮重现期与国外一些国家相比偏短的现状。 多数研究者认为,1992年9月1日记录了20世纪最高的风暴潮潮位[40,42]。但是,由于研究者采用的验潮站、统计学方法乃至参数的不同,据该日推算出的风暴潮高潮位值有差别。例如,吴少华等[40]据该日塘沽验潮站的潮位,推算天津沿海地区百年一遇的最高潮位是大沽高程5.93m国家85高程 4.262m渤海湾西岸,特别是天津市,长期以来习惯使用大沽高程。据天津市测绘部门1998年规定,将大沽高程值减去1.668m,即为国家85高程值。段志华[42]则将该日海河闸风暴潮潮位6.14m大沽高程扣除地面下沉影响后再进行统计学分析,由此获得百年一遇的风暴潮高潮位是大沽高程4.83m85高程3.162m。 若比较一个较长时段的多次风暴潮的记录,考虑地面沉降,并据此对受其影响的实测潮位值加以校正是必要的。为此,本文选择基本未受地面下沉影响的1939年8月31日的风暴潮潮位5.63m大沽高程[40],发现该数值比1992年9月1日经地面下沉校正后的海河闸潮位4.83m[6.14m实测值-1.31m 下沉量[42]]高0.8m到2003年时,累计下沉量进一步增加至1.52m[43]换言之,1939年的风暴潮潮位若在1992年重现,则实测值将因地面下沉而高达6.9 m5.63m1.31m;在2003年重现,更高至7.15m 5.63m1.52m均为大沽高程。 即便采用吴少华等[40]的5.93m大沽高程为百年一遇的潮位,也要比此处消除地面沉降影响后的6.9m低1m左右;若依段志华[42]的4.83m,甚至要低2m以上为谨慎起见,并照顾通行的认识[39-40],本文仍采用大沽高程5.93m85高程4.262m作为百年一遇的风暴潮高水位值奇怪的是,尽管文献[42]认为“1992-09-01风暴潮”的6.14m因地面下沉而不真实,但仍将该值视为自1904年以来的最高潮位。但是,如上所述,消除地面下沉因素后的渤海湾西岸百年一遇的风暴潮高潮位,可能比该数值高1m 左右。 3.4现代侵蚀与淤积 侵蚀或淤积是泥质海岸带常见的地质现象图6。渤海湾西岸自19世纪中叶“小冰期”结束后,即开始了由自然因素引起的岸线MHWST岸线蚀退,侵蚀下来的泥砂一部分就近堆积在潮间带。1960年代之后修建水库减少河流流量,致使河流秋季入海洪水的冲淤能力降低。不断加剧的淤积,导致潮坪愈来愈宽、坡度愈来愈缓,平均大潮低潮线MLWST 岸线不断向海推进[13,44]18。 3.5地面下沉 天津市地面下沉尽管因限采地下水而缓解,但近年来的沉降速率仍达到15￣25mm/a[45-46]。大港油田开采石油与天然气,理论上可能造成地面下沉参考美国地质调查局海岸带中心对墨西哥湾石油、天然气开采导致下沉的结论[18],但此事很少被触及[47]。4影响渤海湾海岸带安全的主要因素受到卡特里娜飓风破坏的新奥尔良市,提供了一个比海平面还要低的城市受到海洋地质灾害破坏会有何种结果的案例。那么,比海平面仅高数米局部地区比海平面低、长期缓慢下沉的渤海湾西岸沿海地区,今后的发展趋势将受哪些因素控制 图6天津市防洪圈南侧泄洪通道蓟运河、永定新河与潮白新河三河汇流后的北塘水道的严重 淤积A19和天津市防洪圈南侧泄洪通道独流减河防潮闸外严重的淤积,近景为清淤用的输泥管道B 未发表资料,摄于2000年 Fig.6Serious silting of the Beitang water course after convergence of three rivers the Jiyun,New Yongding and Chaobaixin riversthe flood-discharge channel south of the Tianjin Metropolitan Flood Circle A;and serious silting in the front of the Duliujian R iver sluice south of the flood-discharge channel of the Tianjin Metropolitan Flood Circle and the close shot is a mud-dredging pipeline B 图5天津市南部马棚口湾岸线与滩面形态的变化A、2003年10月风暴潮造成该地最近的一次大规模海水 淹浸B和泥土堆筑的虾池堤坝被冲蚀降低1.5m 、 滩面被淤高30cmCFig.5Changes in shoreline and tidal flat s in the Mapengkou Bay,southern Tianjin A;Latest widespread sea invasion due to storm surges that occurred in October 2003B;a tidal mud-piled dike of shrimp ponds was truncated for 1.5m while the tidal flat rose for 30cm by silting C 19世纪中叶以后的岸线蚀退使第一道贝壳堤成为孤悬于湾内潮坪上的残存贝屑质沙坝,高潮水直抵第二道贝壳堤,风暴潮水可淹没堤后的北大港古潟湖A。2003年10月1112日阴历1617日,天文大潮在瞬时风速10级的东北风驱动下,由马棚口湾灌入北大港古潟湖洼地,摄于2003年10月14日B5,虾池土堤上部的虚线及照片示被此次风暴潮冲蚀1.5mA 、C,风暴潮前、 后2次水准测量,证实冲蚀下来的泥土堆积在堤坝前、 后滩面上,使马棚口湾加高了约30cmA[13]18,20 图8环渤海地区210Pb 、210 Pb 和137Cs 现代沉积物测年取样地点分布图 共计近100个站位A[49-52]18和渤海湾西岸、 黄河三角洲[53]现代沉积速率分区示意图B18Fig.8Location map showing the sampling sites for 210 Pb, 210 Pb and 137 Cs dating of modern sediments in the Circum-Bohai Sea area 迄今为止,笔者研究小组已经在主要集中于渤海湾西岸红圈内所示的近40个站位取样 1天津地调中心的210Pb 和137Cs 柱状剖面位置;2天津地调中心参与合作的210Pb 和137Cs 柱状 剖面位置;3其他研究者的210Pb 柱状剖面位置 图7渤海湾西岸现代地表高程示意图20 Fig.7Modern altitudes on the western coast of the Bohai Bay 本文将影响海岸带地质环境的主要因素分为好的A 类和坏的B 类两大类。 4.1A 类 1保有高程 众所周知,地势愈高,本身固有的承受地面下沉、海面上升威胁的能力愈强。图7给出的渤海湾西岸地表高程状况显示,与现代海平面相比,沿海地区现有高程一般仅在0m 至数米之间,一些地区甚至低于海平面[45,48,33]20。 2现代加积 河流、风或其他营力搬运的沉积物会逐渐加高沿海低地的高度。加积的速率愈快,抵消地面下沉、海面上升的补偿能力愈强。 笔者所在研究小组的210Pb 和137Cs 同位素示踪与测年研究的初步结果显示图8,沿海低地近百年以来的现代沉积速率一般仅为毫米级/年,只是在潮间带高潮线附近达到厘米级/年 [49-52]18 。近年来 的研究进一步揭示,近半个世纪以来,天津潮间带和浅海区上部的3个沉积中心分别是马棚口湾潮间带、天津新港北疆港池外围和北塘水道及其附近的浅海区,垂直加积速率达到4￣6cm/a [50,54]21-23。但 是,仅就沿海低地而言,相对于厘米级/年的下沉速率,毫米级/年的沉积速率远不足以抵消地面下沉造成的高程损失。 4.2B类 3地面下沉 上面引述的沉降速率15￣25mm/a[45-46]是当前的一般情况。当然,还可选择其他速率值例如最小和最大估计值等,区分多种可能性,进行趋势预测研究[33]。 4海面上升 渤海湾西岸现代平均潮差约2.5m,平均天文大潮潮差约3m、最大天文大潮潮差5￣6m[55]。海平面大致在潮差的1/2处[56-57]。即当海平面设定为0m时,渤海湾西岸平均大潮高潮位MHWST约在1.5m的高度。 海平面的波动,同时意味着MHWST的波动,而灾害性风暴潮又往往是在MHWST出现时形成的。本文以对2100年的预测为例,说明MHWST与海平面间的关系假定渤海湾西岸2100年海平面上升与全球2100年稍宽泛的上升预测值18￣59cm[28]相同,则届时渤海湾西岸MHWST将从现在的1.5m上升至1.68￣2.09m。MHWST愈高,发生灾害性风暴潮的可能性愈大、致灾程度愈烈。 渤海湾西岸平均天文大潮潮差,笔者选定3m[55]。关于海面上升,若以2100年为预测时限,本文建议选择50cm。选择单一数值,比18￣59cm范围[28]来得简洁、便于应用。其他研究者亦多采用单一的近似数值进行预测,例如2100年海面上升47cm[58]的最佳估计值,或采用60cm[17],甚至更高的预测值等。 同理,若以2030年为预测时限,可选择约12cm 的上升估计值;2050年时约22cm[30]。6年前,笔者采用IPCC第三份报告中的预测数值2050年时海平面上升18cm[27]18。随后,笔者进一步将预测时限缩短至2030年,采用届时上升10￣18cm的相对宽泛的预测范围[48]。今后,不断深入的研究将使海平面变化预测更为准确。 5强烈增水 增水通常是指某一时刻的实测潮位与当时天文潮位之间的差值[40-41,59],这在进行海洋气象预报和一般的风暴潮预测研究时是正确的。但是,当前全球变化大背景下的中长尺度的趋势预测,在涉及极端增水现象时,应考虑海面缓慢上升、天文高潮水位、风暴增水和波浪高度4个因素的综合效果。国外有研究者已将四者区分开来,分别进行定量的研究与预测[11]。 上文已对海面上升预测作了简要综述。天文潮位可从国家海洋信息中心逐年发布的潮汐表中查得。相对复杂的是风暴增水和波浪2个因素,以及四者的叠加和相互激发的效果。例如,海平面上升,即可对极端增水产生额外的激发作用。研究显示,2050年海平面若比现在高20cm,则西北欧和孟加拉湾沿海地区20402060年间的极端增水将比现在50年一遇的极端高水位高0.5m[60-61,17]。目前,渤海湾西岸50年一遇的高水位是大沽高程5.76m[40],若依此推测,则2050年时极端高度将达到大沽高程6.26m。这一数值已接近甚至超过目前天津市新修海挡的高度1985年大潮后,天津市海挡修复加高至大沽高程 4.5￣6.0m,塘沽区海挡将加高至大沽高程6￣ 6.5m[42]。如果考虑今后50年地面仍将以15￣25mm/a 的速率[45-46]下沉,则现在的海挡高程届时将损失64￣107cm20072050年间。如此,2050年时的极端高水位将漫越海挡,除非今后不断加高[33]。 关于渤海湾西岸的风暴增水与天文潮位的时间关系,笔者仅了解塘沽港24年时段19501974的统计结果[59]。据该项研究,未发现最大风暴增水与天文高潮同时出现。但是,毕竟该时段过短,其50年、100年间同步出现的概率尚不清楚。 目前,天津市防潮堤的高度是按抵御50￣100年一遇的风暴潮高水位设计的[42]。荷兰按4个防护等级,将总面积近3104km2的低于海平面的国土划分为56个各自独立的防洪圈Dike-ring,可抵御来自海洋风暴潮和河流洪水的高水位。其中,地势低洼、人口密集、经济发达地区的防洪圈,可抵御概率为1万年一遇的极端高水位按该标准设计的溃堤概率更低至10万年一遇。同样位于沿海但经济欠发达地区的防洪圈则可抵御4000年一遇的风暴潮,另2个稍低一些的等级分别是2000年一遇和1250年一遇[21]24图9。 若像荷兰那样按万年一遇设计海堤的高度,则天津沿海地区的极端高水位预测值就不是50年一遇的5.76m或百年一遇的5.93m均为大沽高程,而可能是大沽高程7.02m万年一遇的高潮位,即便按1000年一遇设防,防潮堤的高度亦将高达6.47m千年一遇的高潮位[40]。但是,这仅是对万年、千年一遇高潮位的预测,并未考虑风暴增水。这里,不要说再加上万年、千年一遇的增水,仅考虑10年、20年或50年一遇的增水,水位即需分别再增加209cm、228cm或256cm[40]。 图9荷兰安全标准及“防洪圈”分区图 据参考文献[21]、24改绘 Fig.9Map showing the safety standards and “flood prevention dike-rings”in the Netherlands 共56个不同等级的被大坝、沙丘或水利设施包围保护的区块,不同色调区块的堤防可分别抵御1万年一遇、4000年一遇、2000年一遇和1250年一遇的洪水侵袭图10以2030年为预测时限的渤海湾西岸地面下沉、海面上升导致地表积水增加的可能沼泽化趋势示意图[59]18 Fig.10Schematic map illustrating a possible