地面沉降对渤海湾风暴潮灾害防治的影响研究

王 威,周 俊,易长荣

(天津市控制地面沉降工作办公室,天津 300061)

0 引言

渤海湾是中国渤海三大海湾之一,位于渤海西部,北起河北省乐亭县大清河口,南到山东省黄河口,流入海湾的主要河流有黄河、海河、蓟运河和滦河.

渤海湾沿海地区构造基底上均沉积有巨厚的新近系相对松散沉积物,最大沉积厚度可达5000余m.在地下水位较快下降的诱因下,松散的沉积物容易引发显著地面沉降.区域地面沉降直接导致地面标高损失;局部的地面沉降,尤其是不均匀沉降,对城市轨道交通和桥梁等基础设施的安全运营将产生严重威胁.

渤海湾是我国风暴潮最严重地区之一,风暴潮多次造成了渤海湾岸线蚀退、沿海低地大面积淹浸.

近些年来,渤海湾滨海地区的地面沉降不断降低滨海地区的海拔高度,特别是防潮堤的堤顶标高;风暴潮频率加大引发的潮水水位屡屡接近、甚至超过警戒潮位,多次漫溢防潮堤.本文着重分析地面沉降对于风暴潮灾害和防治对策.

1 渤海湾风暴潮灾害

(1)渤海湾风暴潮类型

渤海湾风暴潮分为温带气旋引起的温带风暴潮和热带气旋引起的热带风暴潮两类,轻风暴潮以温带风暴潮为多,强风暴潮以热带风暴潮为主.据渤海塘沽和羊角沟验潮站1950～1989年出现的温带风暴潮统计,每年增水超过1 m的次数为8～12次[1],在1950～1997年期间的29次较强风暴潮中,温带风暴潮占14次,约三年一遇,其频率与热带风暴潮大抵相同,同期出现的5次强风暴潮灾仅有一次温带风暴潮.

(2)渤海湾风暴潮频率

公元前48年已有关于渤海湾风暴潮的记载,16世纪(明朝嘉靖年间)记载开始增多,1550～1949年间有51次记载,平均8 年发生一次.1950～1997年的48 年间发生风暴潮29次,平均1.7 年一次.其中高潮位≥5.4 m的强风暴潮5次,发生在1965、1972、1985、1992和1997年,平均10 年发生一次.本区遭受风暴潮灾害的频率和强度较历史上有明显增加的趋势[2,3].

(3)渤海湾风暴潮季节变化

渤海湾风暴潮在发生频率和强度有明显的季节变化.北上台风只在夏季影响到渤海地区,温带气旋风暴潮常发生在春秋过渡季节.1950～1997年期间,夏季(7～9月)曾出现18次风暴潮,占全年的62%;春季(2～5月)和秋季(10～11月)分别为6次和5次,各占全年的21%和17%;冬季(12～1月)盛行西北风(离岸风),不出现增水的风暴潮.

根据近2000年来的史料记载,风暴潮发生的地区多在沧州、天津沿海各县,其次为唐山沿海各县,秦皇岛沿海各县较少.各地最大增水量和最大潮位也有同样的地理分布特征.1992年9月1日强热带风暴潮的最高潮位是从北向南递增,在渤海湾顶处(天津塘沽)达到最大值(5.93 m).2009年2月13日、4月15日和5月9日沿海地区发生风暴潮,其中塘沽地区分别出现最高潮位5.28m、5.17m和5.23m,分别超过警戒潮位0.38m、0.27m和0.33m.

以风暴潮出现频率及危害程度,可把渤海湾的风暴潮灾分为三区:①沧州天津沿海风暴潮重灾区;②唐山沿海风暴潮中灾区;③秦皇岛沿海风暴潮轻灾区[4].

(4)渤海湾风暴潮灾害

强风暴潮的发生,常给沿海地区造成严重的灾害,造成生命财产损失.

(3)通过黏温转换及和实验室转换，可以得到和实验室黏度很接近的转换结果，但是，由于物料的不同、流变特性会相应变化，因此需要根据配方、树脂的不同进行相应的参数设置，不能用一组数据计算所有的产品，从本例的计算来看，如果只用一组参数，相对平均偏差为9.79%，而如果根据所用树脂的情况进行相应设置和计算，相对平均偏差为1.17%。这一工作需要现场人员将采样时的在线黏度、温度、实验室黏度记录好，建议每一批的数据量至少3个以上，最好5个以上，这样得到的转换参数会更准确。

1895年4月28日风暴潮侵袭大沽口,据天津"直报"记载:"沿海浪高7 m,高潮越过新河,船只被冲走,塘沽和北塘间铁路被冲断,以大沽口到岐口一带的七十二连营基地都被冲得荡然无存,海挡全部冲没"."塘沽淹没土屋将及千数百家".沧县县志也记载:"海啸,海防各营死者2000余人,大沽20英尺不正常海溢."

1965年11月7日发生温带风暴潮,歧口最高潮位达5.72 m,冲毁50 km海挡和大部分桥梁,断绝交通,沿海22个村进水,户内平地水深1 m,给沿岸人民带来难以估量的损失.

1992年9月1日16号台风风暴潮是建国以来最严重的风暴潮灾害.丰南涧河口高潮位达4.82 m,天津塘沽5.93 m,均为建国以来的最高值.据统计,河北省沿海冲毁虾池10440公顷,淹没盐田、房屋,冲毁海挡、公路,直接经济损失3.42亿元.天津沿海3万多户居民房屋进水,港区码头受淹,造成直接经济损失达3.99亿元[3].

1997年8月20日11号台风进入渤海湾,天津、河北沿海地区普降大到暴雨,伴随着大风天气,发生严重的风暴潮灾害.沧州和丰南沿海最高潮位分别达到5.45 m和4.50 m,为当地罕见的高潮位.这次风暴潮造成19个县市、137个乡镇、3200个村庄、200万人受灾,全省损失超过了10亿元.

根据历史记载资料,自1895年到1992年,环渤海风暴潮淹没区范围见图1.

2 渤海湾地区地面沉降

地面沉降是指在自然因素和人为因素下形成的地表垂直下降现象.渤海湾滨海地区分布较大厚度的松散沉积地层,容易发生固结沉降.近40余年来,由于渤海湾滨海地区的深层地下水位大量下降,形成规模漏斗,引发地面沉降,形势严峻,其中以渤海湾天津和河北岸段的地面沉降最为严重,见图2.

天津滨海地区地面沉降最早发生在1952年的塘沽地区.1952-1959年塘沽城区开始有少量深水井,地面沉降速率0.7～7.9mm/a,1960～1970年沉降速率增大至30～50 mm/a,而1985-1986年达到了80～150 mm/a的极大值, 1986年以后地面沉降进入渐缓阶段.天津滨海的汉沽和大港地区地面沉降发生较晚,初始于上世纪70年代,最大沉降速率60～80 mm/a,最大沉降发生于1985年左右,年沉降40 mm/a左右.随着天津滨海地区控沉工作力度的加大,至2009年,环渤海地区的平均沉降速率已控制在20mm/a左右.

河北滨海地区地面沉降主要发生在黄骅和南堡唐海沉降区.黄骅沉降区1976年沉降量7mm,1980年累计沉降74mm,至1990年达到152mm,沉降速率11 mm/a.近几年黄骅沉降区发展迅速,1998～2001年,岐口-南排河一带沉降量450mm,沉降速率128 mm/a,至2001年最大累计沉降量达1110mm左右,沉降量大于800mm的面积约760km2.南堡唐海沉降区位于南堡碱厂地下水漏斗区,沉降区面积2920 km2,中心沉降量为804mm,沉降速率约40mm/a[5].

3 渤海湾沿海地区地面沉降对风暴潮灾害防治的影响

3.1 地面沉降对风暴潮潮位测定及研究的影响

受沿海平原区长期缓慢沉降的影响,天津地区的水准点不断下沉.这对风暴潮水位测量和风暴潮潮位对比研究均会产生一定的影响.以1938年8月11日和1992年9月1日2次风暴潮为例,从图3中的海平面来看,1938年风暴潮水位比1992年更高,但从风暴潮潮水高程数值上看,前者为5.5m(相对1938年大沽零点位置),后者为5.93m(相对1992年新大沽零点位置),且后者多被作为渤海湾西岸百年一遇的记录.从图3中的多期潮位示意图上看,风暴潮测量的起算基点沉降,直接影响到对风暴潮重现期水位高度值的正确判断,同时影响到多期风暴潮潮位对比研究结果的可信度.

3.2 地面沉降对加剧风暴潮灾害的影响

对比百年一遇高潮线,发现防潮堤局部已经低于百年一遇的防潮标准,汉沽段、塘沽段和大港段防潮堤分别选择A、B、C截面,由于地面沉降,各截面处堤顶2005-2009年标高逐年下降明显,防潮能力下降.

建议结合天津填海工程规划,天津海挡向渤海方向外移,以抵御200年一遇的风暴潮侵袭为标准,平均高程达到+4.8m以上(1972大沽高程系约+6.5m).环渤海其他地区的防潮堤,应适当加高堤顶标高,在设计和施工时不能简单地照抄当地高程系水准点的原有高程值,必须考虑相应的沉降校正值.

3.3 地面沉降对制定防风暴潮预案的影响

(1)防风暴潮预案

2010年天津港保税区编制了《2010年天津港保税区防汛防潮预案》(津保管发[2010]28号).预案中明确将防汛防潮预警分为I级(红色)、Ⅱ级(橙色)、Ⅲ级(黄色)和Ⅳ级(蓝色)预警.

I级(红色)预警是预计未来海港保税区沿岸受影响区域内将出现超过警戒潮位80cm以上的高潮位,预警响应为①防汛办将启动预案的相应内容通报应急办,应急办在10分钟内向所有成员单位发布预警及启动Ⅰ级(红色)预警抢险救灾预案的指令;②企业服务局和规划建设局分别向区内企业、施工工地发布启动Ⅰ级(红色)预警抢险救灾预案的指令;③防汛防潮指挥部总指挥随时准备进入指挥位置,副总指挥及全体人员到岗,防汛指挥部成员单位由主要领导24小时带岗值班,抢险队员及设备随时待命.

Ⅱ级(橙色)预警是预计未来海港保税区沿岸受影响区域内将出现超过警戒潮位50～80cm的高潮位,预警响应为①防汛办公室将汇总后的预报信息报告总指挥,并根据总指挥指令防汛指挥部召开分析会议;②指挥部各成员单位按各自职责迅速做好相应准备工作,保持待命状态;③防汛办公室密切跟踪监测雨水,潮情变化,随时通报汛情发展趋势情况,并按照具体实施方案,组织人员巡视,加固沿海闸口,做好排水除涝准备工作;④各防汛单位要由主要领导24小时带岗值班,各企业单位做好自保工作;⑤防汛指挥部副总指挥及全体人员到岗,防汛指挥部成员单位由主要领导24小时带岗值班.

Ⅲ级(黄色)预警是预计未来海港保税区沿岸受影响区域内将出现超过警戒潮位20～50cm以下的高潮位.预警响应为①防汛办公室及时跟踪监测雨水、潮情变化,随时通报汛情发展趋势情况;②防汛办公室全体人员到岗,各防汛单位要24小时值班.

Ⅳ级(蓝色)预警是指区内24小时降雨量30mm～60mm,通过合理调度,保证区域降水及时排除.预警响应为①根据区域水情、雨情、潮情情况,防汛办公室合理调度保证排水;②防汛办公室联络人及排水泵站、管网管理人员和专业技术人员到岗.

(2)地面沉降对防风暴潮预案措施的影响

从预警方案中可以发现,预警级别的确定,是根据潮水的高潮位超过防潮警戒水位的高度,讨论地面沉降对防风暴潮预案措施的影响,首先从确定警戒水位值和超警戒水位值两个方面着手.

科学合理确定防潮警戒水位,使防灾系统既能在较严重风暴潮灾害时有效地组织防灾工作,又能在轻微风暴潮灾害中避免不必要的防灾浪费和惊慌,同时为风暴潮预警部门提供灾害预测的标准.防潮警戒水位基准面要统一到国家或地区使用的基准,要求有明确的水平基准面和水位标志说明,同时要求水位标志必须是长期固定的,以便对风暴潮灾害的发展变化进行监视[7].目前,天津地区风暴潮警戒潮位为4.9m(2004年核定,冻结高程).地面沉降对于警戒水位值确定有影响,由于地面沉降,水位标志高程是处于持续下降的过程,从而导致警戒水位相对可能偏低.

超警戒水位值是防风暴潮各级预案的确定界限,该值的大小决定预警级别的高低和相关应对措施的力度.由于潮水位测量的起始点在验潮站,潮水是否能漫溢防潮堤,形成灾害决定于防潮堤顶标高.若验潮站的水位测量标志与防潮堤均处于标高稳定或相同沉降速率,则超警戒水位值仍可以准确标示最高潮水位漫溢防潮堤顶的高度,对于预警级别的确定没有影响.地面沉降对于超警戒水位值是否能真实标示潮水位漫溢影响,在于不均匀沉降,验潮水准标尺的沉降速率与防潮堤沉降速率相比,如果前者大于后者,则预报级别过高;如果前者低于后者,则预报级别过低.

4 结论

渤海湾滨海地区风暴潮频发,同时存在严重的地面沉降现象.天津典型区域研究结果显示,地面沉降对渤海湾风暴潮灾害防治的影响有3个方面:

(1)风暴潮测量的起算基点沉降,直接影响到对风暴潮重现期水位高度值的正确判断,同时影响多期风暴潮潮位对比研究结果的可信度.

(2)地面沉降导致防潮堤顶标高逐年下降,防潮能力下降.

(3)地面沉降引起验潮水准标尺高程持续下降,从而导致警戒水位相对于历史水平存在偏低的可能性.另外,验潮水准标尺与防潮堤之间的不均匀沉降,极可能导致预报级别偏高或偏低.

[1]叶 琳.我国重大的风暴潮灾(1949-1990)与现行风暴潮监测、预警系统.论沿海地区减灾与发展--全国沿海地区减灾与发展研讨会论文集[C].1991.

[2]河北省旱涝预报课题组.海河流域历代自然灾害史料[M].北京∶气象出版社, 1985.

[3]游景炎.渤海湾风暴潮的时空分布[J].河北气象, 14(4),1995.

[4]中国地理学会海洋地理专业委员会.中国海洋地理[M].北京∶科学出版社, 1996.

[5]河北省地质调查院.环渤海地区(河北部分)地下水资源与环境地质调查评价[R],2005.

[6]王 宏,商志文,王福等.渤海湾西岸风暴潮:叠加地质因素的新探讨[J].地质通报,29 (5),2010.

[7]石 强.沿海防潮警戒水位的基本意义和确定方法研究[J].海洋预报,15(3),1998.