基于GNSS的河口三角洲地区城市水患致灾预警研究进展

程和琴，赵建虎，陈永平，刘敏，恽才兴

（1.华东师范大学河口海岸学国家重点实验室，上海200062;2.武汉大学测绘学院，湖北武汉430072;3.河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏南京210098;4.华东师范大学资源环境学院，上海200062）

一、引 言

城市作为引领一个国家或地区社会经济发展的示范区域，荟萃了国家或地区政治、经济和文化的精华，人口、财富大量集聚，基础设施、生命线工程密布。全球80%的大城市分布在沿海及河口三角洲地区，地势低洼，大部分城市中心城区平均海拔均在平均高潮位以下，易受水患灾害侵袭，造成巨大的人民生命和经济损失，并可能引发一系列的社会问题。如2005年美国“卡特丽娜”飓风致使路易斯安娜等4个州灾情严重，新奥尔良市最大淹没水深达6 m、90%建筑受损、10万人被困、1000余人死亡、经济损失超过千亿美元、社会秩序混乱。2011年，湄南河口地区洪灾导致泰国国家经济遭到重创，全球供应链遭受中断和破坏。我国长江河口三角洲地区的上海和太湖流域在自然地理条件上与上述地区类同，是我国经济最发达、城市化率最高、人口最集中的区域，曾发生多次重大水灾，如1954、1991、1999年洪水和8114号台风暴潮等灾害。

近年来，我国河口三角洲地区城市化进程加快，如位于长江河口三角洲的太湖流域2010年城市化率已达70%，上海市更高达89%［1］，在我国社会经济发展中起着“领头羊”的作用。但是，随着全球气候变暖、海平面不断上升，台风、风暴潮、洪涝等极端灾害事件发生将更加频繁;而社会经济要素的不断积聚，将使沿海地区的水患灾害风险进一步增强，尤其是在台风、暴雨、风暴潮、洪水和天文大潮等致灾因子的相互叠加下，造成的损失将更为严重。因此，自然与和人为等多因子叠加作用下的河口三角洲地区城市水患预警是目前国家经济和政治面临的重大问题，迫切需要及时开展相关基础理论研究，对保障河口三角洲地区城市安全，尤其对提升我国三角经济圈国际地位，促进该地区可持续发展战略实施具有巨大的社会经济效益、科学价值和战略意义。

二、国内外研究现状和发展趋势

随着全球气候变化，自然灾害特别是水文气象灾害的频率和强度不断增大［2］，在沿海地区常表现为多个致灾因子并存，在一些特定地区和特定时段(如汛期)，通常出现多灾种群发或链发，造成重大灾害事件(巨灾)，对沿海地区尤其是河口三角洲地区城市安全构成严重威胁［5-7］。因此，自然灾害链综合风险研究已成为当前灾害研究领域的重要前沿与热点问题。

进入21世纪以来，随着国际减灾战略的开展，一些重要的国际组织和国际研究计划正在加强自然灾害链综合风险研究，设立了一系列研究项目，如2008年国际科学联盟(ICSU)开展的灾害风险综合研究科学计划(integrated research on disaster risk，IRDR)，全球环境变化人文因素计划(IHDP)2009年启动了新一轮国际核心科学计划——综合风险防范(IHDP-IRG)［11］等。近年来，我国开始关注自然灾害链综合风险研究，相继开展了一些科研项目，如2006年科技部启动了聚焦长三角、珠三角台风、风暴潮、洪涝灾害等自然灾害的国家科技支撑项目“综合风险防范关键技术研究与示范”;2007年国家自然科学基金委启动了“沿海城市自然灾害风险应急预案情景分析”重点项目，探索沿海城市台风风暴潮、暴雨内涝、感潮河段台风风暴潮洪水等灾害情景模拟与风险评估工作。

当前，针对单一致灾因子的灾害风险评估理论方法已较为成熟，但对灾害链综合风险的研究刚刚起步，而且大多停留在定性分析层面上，尚未在理论、方法研究上取得实质性突破。主要集中在大尺度的定性和半定量研究上，对于需要大量精确数据支持的中小尺度定量风险评估，仅开展了个别探讨性的案例分析，其方法常停留在多个单灾种风险评估基础上的简单叠加，难以反映各种台风灾害链各致灾因子之间的关联性、多灾种综合成灾的时空演变过程，以及承灾体综合脆弱性等特征。对于城市尺度灾害群发和混发效应机理，以及采用定量方法来表述多灾种、多致灾因子之间的关联性研究仍很薄弱。

此外，当前针对事关城市系统兴衰的城市重要基础设施以及生命线工程的案例研究多聚焦在人为灾害领域［12，13，15，19，20］;城市重要基础设施的自然灾害风险研究则刚刚起步且多聚焦单灾种的灾害效应［14，18，21］，而针对多致灾因子叠加效应下城市重要基础设施灾害风险响应研究非常匮乏。为此，笔者重点开展多重因子叠加作用下的长江河口三角洲地区城市水患致灾预警研究，发现存在以下问题:

1)已得到河口区单站相对海平面上升速率［20］，但由于测量基准和方法的不统一，影响区域水灾害预测准确度和精度。因此需要研究统一垂直基准框架和监测网络的构建理论和方法。

长周期平均海平面，即大地水准面/似大地水准面是陆地高程起算的基准，它是对河口地区城市水灾害预测与防控的最基本的基础数据。长江河口江阴—口门鸡骨礁240 km长的河段内，相关部门已布设了40个左右的长期固定潮位站，各潮位站观测采用的参考基面有1985国家高程基面、吴淞零点和理论基面，且吴淞零点还存在长办吴淞零点、浙江吴淞零点和上海城建吴淞零点之分，高程系统混乱且不统一［21-22］。因此，基于现有潮位站潮位观测资料，难以准确反映该区域海平面这一重要致灾因子的绝对和相对变化规律及趋势，直接影响水灾害评估和预测。所以，有必要在长江河口区研究陆海统一垂直基准，并构建其参考框架;通过新的观测方法和多元数据同化与融合技术研究，获得统一基面下海平面变化规律及其趋势，为该地区防灾减灾服务。我国自主研制的北斗二代卫星导航定位系统，为建立统一的区域乃至全球的动态参考框架提供了可能［23］。

2)已得到基于统计模型的洪水、天文大潮、风暴潮叠加的水灾害致灾风险评估及防控方法，但由于流域至河口再至海洋是一个连续的水动力系统，任何一个致灾因子的改变必然导致整个系统水患致灾效应的变化，统计模型不能准确地预测这一变化，影响区域联防措施的有效性。因此，需要研究基于流域—河口—海洋复杂系统多尺度多要素嵌套耦合数值模型。

以长江河口地区为例，该地区地面高程仅1.5～4.0 m(吴淞基面)，每年7～10月的洪水、天文大潮和台风暴雨暴潮可能相遇形成的“三碰头”灾害是本地区防汛工作的忧患［24-25］。虽然目前有气象、海洋、水利等多系统的防汛预报机构，但各系统的关注点不同，如气象部门主要提供天气预报资料，海洋部门更关注深水区域台风浪预报，水利部门关注河口和近岸的洪水、天文潮和风暴潮，出于工作方便，水利和海洋系统采用的潮位基面也常有不一致的现象。总体而言，这些力量尚处于相对分散、不全面的状态，集成预测预报和分析河口地区洪水、天文大潮、台风暴潮“三碰头”的能力仍然不足;另外，还缺乏卫星遥感自动跟踪识别技术，高精度、高准确率的实用化综合数值预报模型等自动化监测系统和信息化技术的支持。

3)已得到洪水、天文大潮、风暴潮等自然致灾因子和城市化过程导致的地面沉降的叠加致灾效应，但对自然致灾因子与城市化过程导致的海岸侵蚀、大范围地下空间开发诱发的洪涝灾害及其次生有机污染风险等叠加致灾效应，尚未开展有效的致灾机理研究。

长江河口地区城镇化率全国最高，城市地下空间开发强度大，主要产业带分布在沿江、湖、海岸，上海市地铁里程达世界第一，还有隧道、地下商场等，50%的淡水供应来自长江口区的心滩和边滩水库，因此水患尤为严峻。尽管已有关于洪水、天文大潮和风暴潮等自然致灾因子的统计叠加效应研究和防范措施［26］，如上海市的防汛大堤一般岸段为100年一遇加12级台风，重点岸段为200年一遇加12级台风，仅少数岸段为千年一遇。但是，对自然致灾因子的叠加与快速城市化诱发的地面沉降、海岸侵蚀等致灾因子及其次生有机污染风险，以及气候变暖导致的海平面上升等多要素的叠加致灾机理尚未开展深入研究。

4)已得到基于GPS/3G系统水灾害预测预警信息发布，但具有我国自主知识产权的预测预警信息发布尚待开发，需开展基础研究。

海平面上升、地面沉降和天文大潮、洪水、风暴潮等叠加，对河口地区城市的灾害性影响是全方位的，而迄今已完成的基于水准测量的长江河口地区地面沉降灾害预测预警、基于大地高水位测量的太湖流域洪水灾害预测预警、基于理论最低潮位的风暴潮预测预警等方法，尚无法满足目前河口三角洲地区城市设防安全要求极高前提下防灾减灾的要求。而且这些预测预警均为基于GPS/3G的监测与信息发布技术［27］，若遇到像汶川地震那样的特殊灾害事件或战争，GPS/3G技术无法工作时，就需要具有我国自主知识产权的水灾害监测技术与预测预警技术系统。

三、结束语

快速的市化进程致使我国城市水患灾害问题日益严重，北京今年发生的7.21洪灾敲响了城市水患灾害预警警钟，已引起社会、政府和学术界的高度关注。作为地处临江滨海的河口三角洲地区城市，是我国主要经济辐聚带，其在多重自然与人为致灾因子叠加作用下水患灾害风险更为严峻，但就其监测与预警能力建设而言，迫切需要从一个新的视角，即将整个河口三角洲地区作为一个整体，从基于全球卫星导航系统(GNSS)的陆海统一垂直基准角度，研究海陆一体化的城市水患致灾机理和实时预警技术的基础研究，以提高我国城市防灾减灾能力。

致谢:本文得到了中国工程院陈吉余院士、宁津生院士、刘经南院士、华东师范大学俞立中教授、河海大学张长宽教授、上海市规划与国土资源管理局张先林副总工程师、上海市水务局阮仁良副总工程师以及其他众多专家的热忱指导和帮助，在此一并致以衷心的感谢！

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