河口三角洲系统海平面上升行为甄别研究——以上海海岸为例

程和琴 ,  陈吉余 ,  陈祖军 ,  阮仁良 ,  徐贵泉 ,  曾刚 ,  朱建荣 ,  戴志军 ,  陈小勇 ,  顾圣华 ,  张先林 ,  王寒梅

工程（英文） ›› 2018, Vol. 4 ›› Issue (1) : 156 -163.

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工程（英文） ›› 2018, Vol. 4 ›› Issue (1) : 156 -163. DOI: 10.1016/j.eng.2018.02.002

河口三角洲系统海平面上升行为甄别研究——以上海海岸为例

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Mapping Sea Level Rise Behavior in an Estuarine Delta System: A Case Study along the Shanghai Coast

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摘要

气候变化导致海平面上升是河口三角洲城市发展面临的主要威胁，位处长江河口三角洲的特大型城市上海面临同样的问题。就气候变化适应性决策者而言，其困难在于海平面上升的原因、幅度和出现时间的不确定性。本文在年代际尺度上就海平面上升原因、幅度的甄别做了尝试。即在分析上海沿岸11 个潮位站1921 年以来潮位记录及其相邻水域水下地形基础上，发现该地区海平面上升除了众所周知的理论海平面上升、构造沉降和城市地面沉降外，还有三种新的、人为地形改变所致的海平面上升行为。其一为围垦和深水航道整治导致的局域海平面上升；其二是流域沉积物源减少引起河槽冲刷导致的局域海平面下降；其三为局域深度基准面抬升。上海沿岸2011—2030年间海平面上升幅度预测值为10~16 cm。这一海平面上升行为的甄别结果为当地决策者制定河口三角洲系统适应气候变化和海平面上升的工程和非工程措施提供科学依据，以期减少日益加剧的洪灾损失。此项工作未来充满挑战。

Abstract

Sea level rise (SLR) is a major projected threat of climate change that is expected to affect developing coastal cities located in estuarine delta regions. Shanghai is one such city, being located in the Yangtze River Delta (YRD). It is difficult, however, for decision-makers to implement adaptation due to the uncertain causes, magnitudes, and timings of SLR behaviors. This paper attempts to map the causes and magnitudes of SLR behaviors on a decadal scale. We analyze the tidal level records from 11 tidal gauge stations and the corresponding bathymetry measurements around these stations since 1921. We identify three new SLR behaviors along the Shanghai coast due to anthropogenic geomorphologic changes (AGCs), besides the well-known eustatic sea level rise (ESLR), tectonic subsidence (TS), and urban land subsidence (ULS). The first new behavior is regional sea level rise (RSLR), which occurs as a result of land reclamation and deep waterway regulation. The second is regional sea level fall (RSLF), which occurs because the channel bed is eroded due to sediment supply decline in the river catchment. The last SLR behavior is local tidal datum rise (LTDR). Thus, we project that the magnitude of SLR for the Shanghai coast ranges from 10 cm to 16 cm from 2011 to 2030. Clarifying SLR behaviors is important to aid local decisionmakers in planning structural and non-structural measures to combat escalating flood damage costs in an estuarine delta system; this field is full of future challenges.

关键词

海平面上升行为 / 人为地形变化 / 局域潮汐基准面 / 洪水管理 / 适应性

Key words

Sea level rise behavior / Anthropogenic geomorphologic change / Local tidal datum / Flood management / Adaptation

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程和琴,陈吉余,陈祖军,阮仁良,徐贵泉,曾刚,朱建荣,戴志军,陈小勇,顾圣华,张先林,王寒梅. 河口三角洲系统海平面上升行为甄别研究——以上海海岸为例[J]. 工程（英文）, 2018, 4(1): 156-163 DOI:10.1016/j.eng.2018.02.002

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1. 引言

平均海平面是河口海岸及三角洲地区一切国计民生工程的最基本设计要素和安全参数[1–5]。自进入21世纪以来，全球变暖加速，海平面上升速度和幅度增加[6–11]。最近气候变化研究发现人类活动将导致气温上升1.5~2℃，海平面2100年将比现在高1.9 m，2300年比现在高4.8 m[12,13]。显然，河口三角洲地区直接遭受海平面上升威胁。因此，制定适应性行动计划和指南是世界各国政府和科学界的重要议题[3,14–22]，这是因为世界上80%的百万人口以上的大城市都位于河口三角洲地区。而且，这些城市的大部分高程都在平均高潮位以下[3]，易受水患灾害侵袭，造成人民生命和经济巨大损失，并可能引发一系列社会问题，甚至全球供应链遭到中断和破坏，且在亚太、欧洲和大洋洲均有惨痛案例，所以，亟待开展河口海岸城市适应海平面上升措施和技术研究[23–26]。

但是，就政策制定者、海岸带管理和规划人员而言，制定气候变化和海平面上升适应行动计划和指南的困难在于海平面上升的原因、幅度和出现时间的不确定性，尤其是这些不确定性随着河口海岸系统中大气、海洋和陆地等的复杂性及其随不同时空尺度上的相互作用而增加。而且，由气候变化变化导致的海平面上升与人为地貌改变的叠加放大了这种复杂性和不确定性[24,27–32]。

有鉴于此，本文试图在年代际尺度上，对地处长江河口三角洲的上海沿岸，开展海平面上升行为这一较大不确定性的定量、半定量甄别和预测研究。这一新尝试的基础是长江河口区有14个密集潮位观测站，并有较长时间序列的潮位记录，而且这些潮位站邻近水域有着系统的长时间序列的水深测量记录、地面沉降监测记录和多年现场水文学测量记录（图1）。其中，海平面上升预测幅度的时间采用我国地方社会经济管理系统中常用的水利规划水平年，即2030年。海平面上升行为的甄别研究有助于地方决策者为减少日益加剧的洪灾损失制定必要的工程和非工程措施规划。

2. 上海沿岸海平面上升原因

上海市是地处长江河口的特大型城市，也是我国的经济、金融、贸易、航运中心，人口为2400万，有211 km的大陆岸线和577 km的岛屿岸线（图1）[33]。绝大部分地面高程在平均高潮位3.25 m（吴淞基准以上,下同）以下，最低高程在2.2 m[34]。另外，上海市70%以上的淡水取自长江河口心滩水库[35]。因此，上海市极易遭受海平面上升引起的洪涝和淡水资源短缺风险[36–42]，9711号台风、2005年麦莎台风和2016年尼伯特台风暴潮期间就曾发生了较为严重的洪涝灾害[23]，这些事件证明开展海平面上升原因甄别研究的紧迫性。

图1. 长江河口和杭州湾北岸潮位站、地面沉降分析剖面、主要工程分布图。

事实上，海平面上升原因的甄别是一个较为困难的课题，需要开展跨学科的合作研究。政府间气候变化委员会（IPCC）的第一至第五次报告和中国应对气候变化的政策与行动年度报告，都将海平面上升归因于气候变暖、构造沉降和人工开采地下水导致的城市地面沉降[3–4]。

上海海岸海平面上升幅度的第一次预测值完成于1996年，其预测基准年为1991年，预测目标年为2010年、2030年、2050年， 海 平 面 上 升 幅 度 分 别 为10~25 cm、20~40 cm、50~70 cm[43]。该海平面上升预测值由三部分组成。首先是理论海平面上升值，其直接采用IPCC第一次评估报告中的2 mm·a–1 [44]。其次是全球尺度上的构造沉降幅度，采用中国科学院上海天文台的甚长基线干涉仪（VLBI）1988—1994年间国际联测数据分析结果1 mm·a–1 。再次是吴淞潮位站所在区域的地面沉降预测值6 mm·a–1 [43,45]。这一海平面上升预测值为上海市重大工程建设、城市规划与建设提供了重要依据[43,45]。

但是，吴淞潮位站1991—2010年间实测平均海平面上升5.2 cm[5,45]，其远小于1996年的实测值[43]。因此，对于决策者和大众而言，有必要开展海平面上升原因的甄别研究。本文旨在阐明实测海平面上升值与1996年预测值之间存在显著差异的原因。第一个原因是气候变暖导致的理论海平面上升变化不大；第二个原因与大西洋两岸大陆边缘垂向运动幅度[46]相似，即上海地区岩石圈板块运动与地幔流导致的构造沉降变化也不大；第三个原因是城市地面沉降减小；第四个原因是由围垦与深水航道整治导致的局域相对海平面上升；第五个原因是流域大坝建设引起沉积物源减少导致河槽冲刷、局域相对海平面下降。最后两种海面变化原因前人从未讨论。下面将阐述上述海平面上升的主要原因及其2011—2030年间的幅度预测值。

3. 理论海平面上升

由于吴淞潮位站有着最长的1912—2000年间潮位记录，因此将其作为上海地区2030年海平面上升预测基准站。年均海平面和理论海平面上升采用吴淞潮位站吴淞基面的时均潮位记录计算（图1）。这些潮位数据都已经过当地地面沉降订正，并校准至吴淞基面。

吴淞潮位站海平面上升幅度的计算有两种方法：一是本文第一作者与学生提出的灰色线性回归与小波分析相结合[47,48]；二是传统的最小二乘法与小波分析的结合[46]；两者的确定性系数均需开展F显著性检验[45,48,49 ]。

[50]

将上述六种周期应用于吴淞潮位1921—2000年间年均海平面上升中理论海平面上升幅度的两种计算方法，分别获得3.6 cm和4.4 cm。这两种方法计算结果差别较小，表明预测结果不会因原始序列中含有确定性周期而遭受大的歪曲。而且，用最小二乘法建立的预测模型做10年外推，获得2001—2010年海平面上升值为3.1 cm，该值略大于实测值2.6 cm[49]。这也预示最小二乘法高估了理论海平面上升值。因此，取两个预测方案的平均值4 cm作为上海沿岸2011—2030年海平面预测值的推荐方案（表1）[34]。

表1 本研究与1996年预测值[ 34 ]

这一海平面上升趋势显然蕴含着气候变暖趋势，但其与2006年以来在巴伦支海观测到的变冷趋势[51]和中全新世斯堪的纳维亚曾出现过的大幅增温事件[52]不同。上海沿岸2011—2030年间2 mm·a–1 的理论海平面上升幅度与20世纪90年代的评估值[35,53] 和IPCC第一次评估报告值相近[54]，略高于长期全球平均海平面上升值1.7 mm·a–1（1901—2010年）[3]，远低于短期全球平均海平面上升值3.2 mm·a–1 （1993—2010年）和潮位站与卫星测高数据综合观测值2.1 mm·a–1 [55]，略大于验潮站数据的简单加权平均估算的理论海平面上升值1.0~1.8 mm·a–1 [48,56]或由Topex/Poseidon卫星1993—1999年间测高数据计算的全球平均理论海平面上升速率（2 ± 0.2） mm·a–1 [55]；但小于由全球变暖引起海水热膨胀理论计算的全球理论海平面上升速率（2.6±0.4）mm·a–1 （1950—1998年）和（3.2±0.2）mm·a–1（1993—1998年）[57,58]。因此，与20世纪80年代和90年代国内研究结果[59–61]相比，本文2030年ESL上升值预测值偏低。其原因可能与短周期海平面振荡有关，即可能隐含了较为复杂的区域性气候变化因子和人为地形改变导致海平面变化因子的复合效应。

4. 城市地面沉降

上海市早于1932年就开始注意到地面标高的损失，亦即城市地面沉降或海平面上升，并展开监测。1956年上海市政工程局针对上海市区地面沉降、潮水经常上岸，提出“围起来，打出去”的防汛排水原则[62]。上海自1921年以来中心城区平均地面沉降已超过2 m（图2）；最大累积沉降量为3 m。2004年以来，上海市政府采取加大地表水源建设速度、减少地下水开采、增加地下水回灌量，已将城市地面沉降速度控制在5 mm·a–1 以下（图2）[ 62 ]。这一显著减少归功于上海市20世纪60年代以来实行严格的地下水开采的地方立法和日渐增强的控制措施[62]。

图2. 上海市1921—2013年累积沉降量、地下水开采和人工回灌量。

地面沉降幅度和趋势分析采用上海市境内由西向东、由北向南4个断面（图1中I, II, III, IV）上18个分层标2000—2009年间累积地面沉降的变化幅度（参见文献[ 5 ]表1），建立趋势面模型[47]。根据高斯-马尔科夫定理，利用最小二乘法，进行多项式系数的最佳线性无偏估计，使残差平方和最小，并进行趋势面模型的适度检验[48]。根据以软黏土为主体的上海地面沉降泊松旋回模型，预测2011—2030年吴淞潮位站地面沉降8 cm，即4 mm·a–1 [47]（表1）。

5. 局域海平面上升

长兴、横沙、北槽中、南槽东和中浚等五个潮位站1996—2011年间年均海平面变化（图3）显示8~10 cm的海平面上升。同时，1993—2011年间最低潮位上升了33~42 cm（图4）。因此，这一局域海平面上升归因于1998—2011年间长江河口北槽深水航道整治及其配套横沙东滩吹填造陆工程导致的雍水（图5）[62]，其为长江河口北支青龙港潮位站涨潮潮差大于4 m的出现频率与北支两岸1956—2000年间围垦面积的正相关关系[图6(a)、(b )]以及平均高潮位抬升所佐证[图6(c)]。

为此，大面积围垦对海平面上升有重要贡献。1996—2010年间一系列河口工程导致上海沿岸局域海平面上升幅度为8~10 cm。若长江河口北港、北槽、南槽两岸仍持续大面积围垦，则该区域局域海平面上升幅度势必持续至2030（表1）。

图3. 长江河口石洞口、吴淞、南门、长兴、横沙、北槽中、中浚、牛皮礁、鸡骨礁、南槽东和绿华等11个潮位站1996—2011年间年均海平面变化。

图4. 长江河口南支吴淞、长兴、横沙、中浚潮位站1993—2011年间年均最低潮位变化。

图5. 长江河口北槽深水航道整治工程I期（1998年1月至2002年4月）、II期（2002年9月至2005年11月）、III期（2006年9月至2011年5月）和IV期（2008年3月至2009年6月）围垦面积、导堤和丁坝分布。

图6. （a）长江河口北支两岸1950s~2000s围垦面积（hm 2 ）；（b）1960—2005年间青龙港潮位站涨潮潮差大于4 m的出现频率（%）；（c）1989—2000年间青龙港潮位站平均高潮位变化。

6. 局域海平面下降

长江口南支石洞口、南门和吴淞三个潮位站1996—2011年间年均海平面有2 ~10 cm的下降（图3），其出现于2003年三峡大坝截流之后、河槽冲刷加剧之时[63–65]。2003—2011年间的海平面下降幅度，吴淞潮位站为2~10 cm，吴淞潮位站上游的石洞口潮位站最大达10 cm，且其相邻河槽冲刷更强（见文献[66]图3）。这种局域海平面下降幅度与南支2002—2009年间河槽冲刷幅度2~10 cm[63,65]一致，但小于1991—2010年间吴淞潮位站年均海平面上升幅度5.2 cm（详见第2部分）。造成这种差异的原因是南支河槽1990—2001年间经历了16~18 cm的淤积至2~10 cm的冲刷[65]，因此，河槽冲刷对长江河口局域海平面下降有着显著贡献。但是，由于河槽冲淤过程与平均海平面之间的反馈机制非常复杂[66–72]，因此对局域海平面下降的评估较为困难，目前仍在研究中。而且，潮位与河槽冲淤过程、由三峡大坝和水土保持及人工采砂导致的流域来沙减少（从1950—1985年间的4.5× 108 t·a–1 减少至2003—2016年的1.5× 108 t·a–1 ）三者之间的反馈机制更为复杂，故迄今极少见到长江河口局域海平面下降的评估报道[73]。甚而，2014年10月29日利用浅地层剖面仪EdgeTech 3100对北港上段主槽的探测，2015年8月利用SeaBat 7125多波束测深系统对南支主槽的探测，均发现有着较为强烈的河槽冲刷[图7（a）、（b）]。为此，本文采用南支2003—2011年间局域海平面下降的半定量范围2~10 cm作为2011—2030年间上海沿岸局域海平面下降值（表1）。

图7. （a）2015年8月8日由多波束系统Reson SeaBat 7125在长江潮区界河槽探测到的床面冲刷；（b）2014年10月29日青草沙水库竣工5年后由浅地层剖面仪探测到的北港河槽床面冲刷。

7. 海平面上升预测值

上海沿岸2011—2030年间海平面上升预测值为上述理论海平面上升、构造沉降、城市地面沉降、局域海平面上升、局域海平面下降等五种海平面上升幅度之和，介于10~cm之间，由理论海平面上升4 cm、构造沉降2 cm、城市地面沉降8 cm、局域海平面上升8~10 cm和局域海平面下降2~10 cm（表1）累加而成。尽管这是一个粗略的估计值，但我们的预测值已经对不确定的海平面上升值，尤其是由人为地形改变导致的海平面上升值这一难题进行了尝试性的定量、半定量估算[69–74]。

8. 地区深度基准抬升

利用平均潮位19年间隔计算上海沿岸深度基准（理论最低潮面）和大地测量基准的变化，并定期进行检验和订正，具体针对徐六泾、白茆闸、七丫口、杨林闸、石洞口、吴淞、长兴、五号沟、横沙、中浚、北槽中、南槽东、牛皮礁、大戢山等14个潮位站1974—2013年间年均海平面数据，采用弗拉基米尔算法，计算Sa、Ssa、M2、S2、N2、K2、K1、O1、P1、Q1、M4、Ms4和M6等13个主要分潮。计算结果表明，近40年来，深度基准显著抬升了15~43 cm（图8）。这与相同潮位站同期海平面上升的变化范围（图3）一致，其可能由同期的长江河口人为地形改变所致。这一深度基准抬升的事实不仅较好地说明了近年来该地区涝灾日益加剧的原因，而且也标示了尽快开展地区高程基准与海平面上升预测值适应性匹配研究的紧迫性[1,22]。

图8. 长江口徐六泾（a）、白茆闸（b）、七丫口（c）、杨林闸（d）、石洞口（e）、吴淞（f）、长兴（k）、五号沟（g）、横沙（l）、中浚（h）、北槽中（m）、南槽东（i）、牛皮礁（n）、大戢山（j）等14个潮位站1974—2013年潮汐基准面变化。

9. 结论

虽然河口三角洲系统海平面上升幅度和出现时间具有很大不确定性，但本研究还是对上海沿岸开展了近60年来六种海平面上升行为的甄别研究。这种异乎寻常的尝试是因为上海海岸带位于长江河口地区，有着较为密集的多个潮位站长期潮位观测数据和城市地面观测数据以及水下地形测量数据基础。尤其是关于局域海平面的上升和下降以及地区深度基准抬升等三种新的海平面上升行为的认识，可为决策者、海岸规划和流域管理人员制定流域系统洪灾风险管控的非工程措施提供重要的科学依据。

致谢

本研究获得中国国家自然科学基金委员会（NSFC）-荷兰科学研究机构（NWO）-英国科学与工程研究委员会（RCUK）（51761135023）、上海科学技术委员会（10DZ1210600）、国家海洋公益性行业科研专项经费（201005019-09）、国家自然科学基金（41476075）、中国地质调查局（DD20160246）的资助。我们要特别感谢第二作者，已故中国工程院院士、我国河口海岸学奠基者和创始人陈吉余教授曾给予的众多指导和建议。

参考文献

原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

基金资助

本研究获得中国国家自然科学基金委员会（NSFC）-荷兰科学研究机构（NWO）-英国科学与工程研究委员会（RCUK）（51761135023）、上海科学技术委员会（10DZ1210600）、国家海洋公益性行业科研专项经费（201005019-09）、国家自然科学基金（41476075）、中国地质调查局（DD20160246）的资助。()

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