长江三角洲地区的相对海平面上升与地面沉降.pdf

第16卷第4期地质灾害与环境保护Vol.16,No.42 0 0 5年1 2月Journalof Geological Hazards and Environment PreservationDecember 2005文章编号:1006-4362(2005)04-0400-05收稿日期:2005203224改回日期:2005204227长江三角洲地区的相对海平面上升与地面沉降刘杜娟,叶银灿(国家海洋局第二海洋研究所,杭州310012)摘要:在有关学者以往研究工作的基础上,对长江三角洲地区的相对海平面上升和地面沉降问题作了分析探讨。认为相对海平面上升已经在并将继续在该区造成多种危害,地面沉降是影响相对海平面上升诸多因子中贡献率最大的因子,它主要由人类活动引起,同相对海平面上升一样,也是该区不容忽视的地质灾害之一。然而,由于采取了积极的控制措施,上海地区人为引起地面沉降在相对海平面上升中的贡献率已从20世纪50、60年代的90%以上降至目前的60%以下,但预计在未来几十年中仍将占相当大的比例,必须引起人们的高度警觉,采取更为积极的防治对策。关键词:长江三角洲地区;相对海平面上升;地面沉降;地质灾害中图分类号:P642.26文献标识码:A1引言影响全球性环境变化的因素很多,气候变化、海平面上升和地面沉降是其中之一,它们对人类生存环境的影响最直接、最严重,绝对不容忽视。我国大陆海岸线长约18 000 km(17 714 km),位于沿海地区的长江三角洲地区经济发达、人口密集,是我国改革开放的前沿,经济发展的重心,因其特殊的自然地理和经济地理特征,极易受将来相对海平面上升的危害。相对海平面是全球海平面上升值加上当地陆地上升或下降值之和1,因而必须考虑地面沉降影响。地面沉降是长江三角洲地区面临的另一严峻的环境问题。该地区大多处于地壳下降区,加之全球海平面的上升,再叠加上过量抽取地下水导致的地面沉降,使得地面沉降问题非常突出。它势必降低防御风暴潮能力,降低城市的防洪能力,使基础设施遭受破坏,港口设施失效。标高的损失又使得桥梁的净空越来越小,导致水上交通受阻。在影响相对海平面上升的诸多因素中,地面沉降是重要、甚至主要组成部分。超量开采地下水导致地面沉降,在区域上增加了相对海平面上升的幅度,同时又因为相对海平面的上升而使沿海城市的生存受到威胁。本文通过广泛收集前人的研究成果,对长江三角洲地区相对海平面上升的过去和现在进行综合分析,并对其未来的变化趋势进行预测。讨论了地面沉降在相对海平面上升中所占的比重,以突出其灾害性质。2自然地理与经济地理特征长江三角洲地区为长江口附近的上海市及毗连的江苏、浙江二省沿海,北起灌河口,南抵钱塘江口,包括江南的太湖下游和江北的里下河两个地面高程在高潮位以下的洼地。该地区位于我国南黄海和北东海的西岸,为全新世以来由长江入海泥沙沉积而成,平均海拔高度为3 m左右。沿海全线建有挡潮海堤,海岸类型均为粉砂淤泥质平原海岸,发育有广阔而典型的潮滩。全区共有滩涂面积5 000 km2多(从海堤到理论深度基准面)2,其中潮间带面积占滩涂总面积的40%以上,在潮间带上分布着约1 000 km2多的海岸湿地。滩涂和湿地有着丰富的生物资源和独特的生态系统,主要为盐篱草甸和芦苇沼泽,以及一些滩涂珍禽。位于本区的长江是我国最大河流,每年入海径流量达9 240108m3,最大年达13 592108m3(1954年),最小年为6 969108m3(1972年);最大DocuCom PDF T洪峰流量达92 600 m3?s2;每年入海泥沙量为4108t多(根据大通站多年实测资料)。本区沿岸潮汐多为正规和不正规半日潮,潮差大多超过2m,长江口两翼是中国沿岸潮流作用最强的海域。本区也是台风风暴潮危害较大的地区。本区是我国重要的工业基地,有着发达的农业体系,更重要的是分布着许多工业城市。位于长江口的上海市,不仅是我国重要的工业、科技文化、经济贸易中心之一,而且是我国最大的港口城市,GDP总值约占全国的4%,港口的吞吐量约占全国沿海港口吞吐量的三分之一,在全国经济发展中起着举足轻重的作用。3研究现状中国国家海洋局在 一九九五年中国海平面公报 中指出,我国沿海海平面存在趋势性上升,全国沿海19931995年间海平面比常年(19751986年)平均偏高2.3 cm。虽然对21世纪全球海平面上升量的估算还存在许多不确定因素,但有一点是肯定的,那就是21世纪全球海平面还将持续上升。位于长江三角洲龙头的上海市从1949年至1963年地下水年开采量急剧上升,导致地面沉降速率从35 mm?a增加到110 mm?a,最大累计沉降量达2.63m3。20世纪60年代以来,由于采取了压缩用水、调整开采层和人工回灌等综合措施,市区地面沉降基本得到控制。上海市的目标是近期内把市中心区的地面沉降速率控制在3mm?a。然而由于目前这些地区地面沉降速率仍然较大,要达到上述目标,仍是一件十分艰巨的任务。杭嘉湖平原是长江三角洲地区另一因人为过量开采地下水导致地面严重沉降的地区,嘉兴城区基本位于大于400 mm沉降范围内,地面沉降仍在发展之中。4相对海平面上升趋势及影响预测4.1相对海平面上升趋势过去100年来,本区海平面上升虽显示出地区特征,但总体变化趋势则与全球一致。在此采用政府间气候变化专门委员会(IPCC)1990年评估报告提出的全球海平面上升最佳估计值:19902030年平均上升速率为4.5 mm?a,20302050年平均上升速率为6.5 mm?a4。长江三角洲及毗连地区在地壳沉降、松散沉积物压实和人为抽取地下水等的共同作用之下,近期地面沉降速率较大。谢志仁(1996)5提出了海面地面系统概念及其数学模型,运用模型拟合、理论估算和重复水准测量分析,获得本区长期和近期地面沉降趋势的7组数据,并根据自然沉降的延续性和人为沉降的可控性假定,得出本区不同岸段19902050年地面沉降速率最佳预测值。据此,可估算本区不同岸段未来相对海平面上升幅度(表1)。表1长江三角洲地区未来相对海平面最可能上升幅度预测Table 1Esti mates of the sea surface rise in Changjiang Delta area岸段全球平均海平面上升速率?mma-119902030年20302050年地面沉降速率?mma-119902030年最可能上升幅度?cm19902050年最可能上升幅度?cm苏北滨海平原4.56.51.62440长江三角洲北部4.56.54.13455上海市4.56.55.03861杭州湾北岸34.56.51.122373此处的杭州湾北岸是漕泾以西部分。从表中可见,本区未来相对海平面上升幅度差异较大,19902050年前后上海市沿海上升幅度将超过60 cm,长江三角洲北部沿海约55 cm,而苏北滨海平原和杭州湾北岸不超过40 cm。4.2海平面上升影响预测4.2.1风暴潮风暴潮是长江三角洲地区主要的自然灾害之一。而海平面的加速上升将导致风暴潮频率和强度的增加,潮差相对小的岸段频率增大高于潮差相对较大的岸段。潮差大的岸段如小洋口和澉浦站,海平面上升50 cm,百年一遇最高潮位将变为50年一遇;而在潮差相对较小的其他岸段,海平面上升20cm,百年一遇的最高潮位即变为50年一遇4。海平面上升加剧了风暴潮灾害,将给海岸防护工程和海堤保护地区造成巨大损失。目前,全区海堤设计标准大多为百年一遇。要保持这一安全标准,海堤必须随风暴潮位增高而加高。苏北滨海平原的相对海平面在2030年与2050年将要上升20与30 cm左右,海堤相应要加高1625 cm左右;上海市在2050年相对海平面上升50 cm,海堤需加高43 cm。4.2.2潮滩湿地损失本区潮滩面积5 200 km2多,主要分布于长江104第16卷第4期刘杜娟、叶银灿:长江三角洲地区的相对海平面上升与地面沉降DocuCom PDF T口及其以北地区。其中,海岸湿地面积约1 200 km2多,位于潮滩的中上部,具有较高的生产力和丰富的生物资源。季子修等(1994)6计算了海平面加速上升引起的潮滩湿地损失量(表2)。计算结果表明,不同岸段的损失率有较大差异。侵蚀海岸由于侵蚀与淹没的共同作用而具有高的损失率。海平面上升对淤涨海岸的影响是减少淤涨面积。表22050年海平面上升的潮滩及湿地损失量Table 2The loss of tidal flats and wetland in 2050 becauseof the sea surface rise地区潮滩湿地面积?km2比率?%面积?km2比率?%射阳河口至斗龙港77.680.211.912.38025斗龙港至东灶港(85.995.1)23.425.900岸外辐射沙洲85.194.26.77.4-长江口(89.695.2)61.665.400杭州湾北岸1.92.14.24.71100注:括号内的数值是淤涨减少的面积4.2.3海岸侵蚀本区侵蚀海岸主要有长江口以北的吕四海岸和长江口以南的南汇嘴南侧海岸以及杭州湾北部海岸。目前,本区虽有长江每年大量的泥沙入海,有巨大的苏北辐射沙洲掩护和废黄河水下三角洲侵蚀泥沙供给,但海岸侵蚀范围仍不断扩大。随着海平面上升因素所占比值的增加,海岸侵蚀范围将不断扩大。预计当海平面上升50 cm时,本区侵蚀岸线占总岸线的比例将由目前的36%提高到50%左右。若干目前相对稳定的岸线将陆续发展成侵蚀海岸。4.2.4洪涝灾害本区绝大部分地区的地面高程仅23m,仅里下河地区及太湖下游两个洼地2 m以下的面积就达10103km2。海平面上升使感潮河道的高低潮位相应抬高,潮流顶托作用加强,导致低洼地向外排水能力下降,加剧洪涝灾害。海平面上升40 cm,全区低洼地区自然排水能力将下降20%4,里下河地区排水能力下降15%。海平面上升40 cm,在现有水利工程状况下,里下河地区遇1991年型特大洪水、太湖地区遇1954年型特大洪水,两地区累计受淹面积将达4 860 km2。这一情况在太湖湖东洼地将出现于2050年前,在里下河低地将出现于2050年后。上海市区防洪墙目前的设计标准是按黄浦公园站千年一遇水位5.86 m加高加固的。海平面上升50 cm,黄浦公园站0.1%频率的高潮位将达6.36m,不但防洪墙会出现危险,而且将削弱市区排水能力20%,对上海市威胁很大。4.2.5海水入侵除长江口外,本区其他入海口都建有挡潮闸,因此长江口是本区唯一遭受海水入侵危害的河口。杨桂山等(1993)7分析计算之后认为,随着海平面上升和长江入海流量减少,枯季吴淞口氯度大于20010-6与25010-6的持续时间将呈指数增加。海平面上升50 cm时,长江口枯季落憩1和5等盐度线入侵距离分别比现在增加6.5和5.3 km,将对上海城市和周围地区生产和生活带来严重危害,对河口泥沙沉积和航道演变也有不利影响。施雅风等(2000)4根据海平面上升幅度及其影响的相对一致性对本区进行了影响分区,综合评估表明:对太湖湖东低地,特别是上海市的影响最严重,其次是杭州湾北岸,苏北滨海平原与里下河低地的影响最轻。长江三角洲地区人口稠密,经济发达,海平面上升影响广泛,危害很大。需根据具体影响类型和影响程度研究制定相应的防治对策,尽量减轻危害。5地面沉降问题长江三角洲地区处于地壳运动缓慢沉降区。苏北至杭州湾,构造下沉速率为0.41.2mm?a2,上海地区为12 mm?a。该地区又是由于过量抽取地下水而造成的严重局部沉降区。上海是我国开展地面沉降调查研究最早的城市。地面沉降是上海地区相对海平面上升的重要组成部分,它发现于1921年的重复水准测量。19211965年市区地面平均下沉1.76 m,最大沉降量2.63 m,在上海全市面积约6 000 km2的土地上,19561965年间地面累积沉降量达5 cm以上的面积已达500 km2。1966年采取控制措施以来,除市区地面沉降带和部分近郊工业区外,地面沉降已明显缓解8。但由于历史原因,即便采用合理回灌,仍将出现地面沉降。自1972年以后,地面沉降率仍较大,19721989年市区平均沉降率为3 mm?a。19851990年市中心区及浦东区的地面沉降速率达67mm?a。19911996年间,中心城区累计平均沉降61.2mm,年均沉降达10.2mm。至1991年,沉降量 500 mm的城区面积达207 km2,沉降量 1 000mm的范围也有28.5 km29。19721992年上海市区平均沉降速率仍在4 mm?a以上10。据完成的杭嘉湖平原控制面积约5 000 km2的一等水准测量资料,与1999年及历史测量资料对比分析,杭嘉湖平原区累计沉降量大于100 mm的面积已超过3 000 km2。2000年嘉兴市沉降中心累计沉降量828mm,嘉兴城区基本位于大于400mm沉降范围内,地面沉降仍在发展之中。204地质灾害与环境保护2005年DocuCom PDF T江苏省的苏州、无锡、常州一带为长江三角洲另一地面大幅沉降地带。从1950年到1980年,由于过量开采地下水,沉降中心的地面沉降速率超过了10mm?a11。如今,以上海为中心,苏州-无锡-常州沉降带和嘉兴沉降区已经连成一片,地面沉降面积达到了8 000 km2左右。地面沉降所造成的破坏和影响是多方面的。其主要危害表现为地面标高损失,继而造成雨季地表积水,防泄洪能力下降;沿海城市低地面积扩大,海堤高度下降而引起海水倒灌;海港建筑物破坏,装卸能力降低;地面运输线和地下管线扭曲断裂;城市建筑物基础下沉脱空开裂;桥梁净空减小,影响通航。上海市的苏州河,原先每天可通过大小船只2 000条,航运量达(100120)104t。由于地面沉降,桥下净空减小,大船无法通航,中小船只通航也受到影响;深井井管上升,井台破坏,城市供水及排水系统失效;农村低洼地区洪滞积水,使农作物减产等。上海市海轮停靠的码头,原标高5.2 m,至1964年已降至3.0 m,高潮时江水涌上地面,货物装卸被迫停顿12。桥墩随地面沉降而下沉,使桥下净空减小,导致水上交通受阻。6相对海平面上升与地面沉降本文根据施雅风等(2000)4资料,在IPCC(1990)最佳估计背景值基础上,对上海地区未来几十年地面沉降与相对海平面上升进行预测,并对人类活动在相对海平面上升中所起作用作以分析(表3)。由表可知,19902030年人为因素在相对海平面上升诸多因素中所占比例为47%,20302050年由于全球理论海平面上升背景值增大(6.5mm?a),该比例将降至39%,若在此期间治理地面沉降得力,此比例还可再小些。表3长江三角洲地区地面沉降与相对海平面上升现状及未来预测Table 3The present status and prediction of land subsidence and the sea surface rise in Changjiang Delta area起止年份地区理论海平面上升速率?mma-1地面沉降速率?mma-1相对海平面上升速率?mma-1构造沉降速率13?mma-1人为引起地面沉降速率?mma-1相对海平面上升值?cm人为引起地面沉降在相对海平面上升中所占比例?%1990203020302050上海地区4.55.049.50.54.53847江苏沿海4.53.5148.00.53.03238上海地区6.55.0411.50.54.52339江苏沿海6.53.0149.50.52.51926江苏大陆海岸线全长954 km,沿海拥有面积达6.5103km2的潮滩湿地资源,约占全国的1?414。沿海地势低平,相当部分土地处于平均高潮位以下,完全靠标准不高的土堤防护,又地处地质构造沉降和地面沉降区,相对海平面上升幅度远远超过同期全球平均上升值,因而也成为全国受相对海平面上升危害最严重的地区之一。根据杨桂山等(1997)14研究资料,采用IPCC(1990)最佳估计,对2030年和2050年江苏沿海最可能的相对海平面上升幅度进行预测,得到未来不同时段江苏沿海地面沉降速率、相对海平面上升速率以及人为引起地面沉降在相对海平面上升中所占比重(表3)。本文在表3的基础上,补充了有关资料2,15,绘制成上海地区不同时段人为引起地面沉降量在相对海平面上升值中所占比例趋势图(图1)。由图可见,上海地区20世纪50、60年代便出现了地面的大幅度沉降。60年代后期采取控制措施以后,人为引起地面沉降在相对海平面上升中所占比例自90%以上降至60%以下。图1上海地区不同时段人为引起地面沉降量在相对海平面上升值中所占比例趋势图Fig.1The tendency of the ratio ofman2induced land sub2sidence to the sea surface rise in different periods inshanghai area7问题与思考(1)长江三角洲地区在我国经济发展中具有十分突出的地位,但又是我国沿海环境极其脆弱的地区。长江三角洲相对海平面上升影响因子中,贡献率最大的是地面沉降,其中人为引起地面沉降给这个地区带来严重危害,已成为不容忽视的地质灾害。地面沉降加剧了相对海平面上升,相对海平面的上升又会加剧地面沉降所导致的危害。(2)时间序列上,长江三角洲地区人为引起的地面沉降经历了发生发展期的大幅上升、治理期的304第16卷第4期刘杜娟、叶银灿:长江三角洲地区的相对海平面上升与地面沉降DocuCom PDF T有效抑制、未来继续治理可能有序下降的过程。地面沉降与人类活动密切相关,反过来亦可通过人类自身的行为加以防治。可以预计,在未来几十年的时间里,人为引起地面沉降在相对海平面上升值中仍将占有相当的比重。(3)相对海平面上升会使长江三角洲地区的海岸遭受侵蚀,加剧风暴潮灾害和海水入侵强度,使水资源和水环境遭受破坏,沿海低地被淹没,防汛工程功能降低等。地面沉降则会使本身比较低洼的长江三角洲地区损失宝贵的标高资源,造成雨季地表积水,防泄洪能力下降,城市供排水系统失效;使海港建筑物遭受破坏,装卸能力下降;减小桥梁净空,影响通航;加剧海水入侵和农田盐碱化等。(4)全球海平面上升值预测的各个环节存在不确定性因素;加之长江三角洲对相对海平面上升的反应非常敏感,因而必须审慎、更为深入地研究与预测中、长期相对海平面上升值,并对人为引起地面沉降对这些地区可能带来的影响作出全面的科学评估。参考文献1任美锷.黄河长江珠江三角洲近30年海平面上升趋势及2030年上升量预测J.地理学报,1993,48(5):3852393.2孙清,张玉淑,胡恩和,等.海平面上升对长江三角洲地区的影响评价研究J.长江流域资源与环境,1997,6(1):58264.3陈梦熊.关于海平面上升与控制城市地面沉降A.海平面上升对中国三角洲地区的影响及对策C.北京:科学出版社,1994:2672277.4施雅风,朱季文,谢志仁,等.长江三角洲及毗连地区海平面上升影响预测与防治对策J.中国科学(D辑),2000,30(3):2252232.5谢志仁.海面变化的未来趋势A.中国海面变化C.济南:山东科学技术出版社,1996:3122358.6季子修,蒋自巽,朱季文,等.海平面上升对长江三角洲附近沿海 海滩和湿地的影响J.海洋与湖沼,1994,25(6):5822590.7国家科委全国重大自然灾害综合研究组.中国重大自然灾害及减灾对策(总论)Z.北京:科学出版社,1994.8刘铁铸.上海地区地面沉降机理的分析A.海平面上升对中国三角洲地区的影响及对策C.北京:科学出版社,1994:1002110.9中国水文地质工程地质勘查院.中国分省地质灾害图集Z.北京:中国地图出版社,1996.10李从先.海平面上升对我国沿海低地的影响J.地球科学进展,1993,8(6):26230.11潘懋,李铁峰.灾害地质学M.北京:北京大学出版社,2002.12 Shi Yafeng.Exacerbating Coastal Hazards and Defensive coun2termeasures in China A.GeologicalHazards and Environmen2tal Studies of China Offshore A reas C.Q ingdao:Q ingdao O2cean U niversity Press,1995:1217.13卢演俦,丁国瑜.中国沿海地带新构造运动A.海平面上升对中国三角洲地区的影响及对策C.北京:科学出版社,1994:53274.14杨桂山,施雅风,季子修,等.江苏沿海地区的相对海平面上升及其灾害性影响研究J.自然灾害学报,1997,6(1):88296.15黄巧华,朱大奎.海平面上升对沿海城市的影响J.海洋通报,1997,16(6):7-12.RELATIVE SEA SURFACE RISE AND LANDSUBSI DENCE IN CHANGJI ANGDELTA AREAL I U Du2juan,YE Yin2can(Second Institute of Oceanography,State OceanicA dm inistration,Hangzhou310012,China)Abstract:Thispaper analyzes and discusses the relationship between the sea surface rising and the land subsiding in ChangjiangDelta area.The sea level surface relative rising can result in numerous damages,and the land subsidence,mainly induced by hu2man activities,owes to he sea level surface relative rising and has become one of the geological hazards in this area.A lthough theratio of man2induced land subsidence decreased from 80%90%in 1960s1970s to less than 60%at present because of the pos2itive and effective control,it is esti mated that in the next tensof years this ratio w ill be considerable still.It is suggested that thehuman being must keep his eyes on this phenomenon and take more positive countermeasures for control.Key words:Changjiang Delta area;sea surface rise;land subsidence;geological hazard作者简介:刘杜娟(1973-),女,陕西蒲城人,工程师,硕士,现在国家海洋局第二海洋研究所从事海洋地质学与海洋环境综合评价等方面研究工作,迄今共发表论文12篇。404地质灾害与环境保护2005年DocuCom PDF T