三角洲海岸土地利用侵蚀暴露度分析及其空间规划意义——以上海浦东新区为例

王晓婷, 栾华龙, 张卫国, LAM Nina Siu-Ngan

（1. 华东师范大学 河口海岸学国家重点实验室, 上海 200241; 2. 长江水利委员会长江科学院, 武汉 430010; 3. 路易斯安那州立大学 海岸与环境学院 环境科学系, 路易斯安那州 巴吞鲁日 70803, 美国）

0 引言

近百年来, 受全球河流筑坝、流域水土保持等人类活动影响, 河流入海泥沙普遍呈下降趋势, 加以三角洲人类活动 (围垦、挖砂等) 对三角洲水文地貌过程的影响, 全球三角洲海岸侵蚀和土地损失风险加大[1-3]. 伴随着三角洲人口的集聚和城市化, 海岸侵蚀所造成的社会经济风险也呈现上升趋势, 如密西西比河三角洲的湿地损失导致沿海地区约20%的人口向内陆迁移[4]. 因此, 为了维持三角洲区域的可持续发展, 不仅需要对三角洲地貌变化的未来趋势做出评估, 还需要开展三角洲海岸侵蚀背景下的土地利用、人口、财产等暴露风险评估, 以便更好地进行国土空间规划.

海岸侵蚀脆弱性是海岸对侵蚀灾害的敏感程度和应对能力的反映, 其评价方法通常是基于指标合成法构建脆弱性指数[5], 评价指标一般包括海平面上升速率、地面沉降速率、岸线变化速率、滩地宽度和坡度、水体含沙量等[6-10]. 对长江三角洲海岸侵蚀脆弱性的研究表明, 潮滩宽度和坡度是影响脆弱性的主要指标[8,11]. 但这些研究主要是基于现状的评估, 未来地貌变化情景下的侵蚀脆弱性的评估尚不多见, 这需要借用地貌模拟模型, 对未来海岸地貌变化趋势做出预测后进行评价.

海岸侵蚀暴露度评估是指识别受到侵蚀灾害影响的人口、资产或土地利用价值[12]. 对于未来的海岸侵蚀暴露度评估, 一种方法是利用数值模拟, 确定未来的海岸侵蚀范围, 进而统计在这一影响范围内的人口或财产[13]. 但这一方法依赖模型的模拟能力、边界条件和模型参数的可靠性. 在数据不足或不确定的条件下, 模型很难产生可靠的结果[13-15]. 另外一种方法是考虑到行政单元对社会经济统计数据的易得性, 以行政单元为区域进行暴露度评估[16-17], 不足的是行政单元与侵蚀灾害的影响范围往往并不重叠. 由于海岸侵蚀灾害的影响范围常常与距离海岸线的远近有关, 也有学者利用缓冲区分析来评估侵蚀暴露度[18-19], 将其作为一种情景分析方法. 该方法计算简便, 数据也易于获取.

长江三角洲自19世纪中叶以来, 伴随特大城市上海的发展, 农业用地向工业和城市用地转化, 沿海地区开发程度不断加强. 其中, 20世纪90年代上海浦东新区的开发使得沿海区域工业化进程加快,建设了浦东机场、外高桥码头、白龙港排污口等重要基础设施. 当前, 随着上海市社会经济快速发展,规划面积为343.3 km2的新城市南汇新城正在浦东新区南部沿海地区不断建设之中 (图1)[20], 可以预见城市化的进程将进一步促进海岸沿线的资产和人口集聚. 但20世纪70年代以来, 随着长江入海泥沙的下降以及长江河口围垦、深水航道等工程的开展, 河口冲淤变化显著, 特别是20世纪90年代以来河口南支冲刷明显, 河槽水深加大, 这一冲刷趋势正逐渐向口门的南槽地区传递[21-24]. 在长江河口地貌和沿海社会经济快速变化的双重背景下, 如何评估未来情景下海岸侵蚀脆弱性和土地利用价值暴露度, 以便为海岸地区的国土空间规划提供参考, 保障社会经济可持续发展, 具有重要的现实意义.

本文以位于长江三角洲的上海浦东新区为例, 通过对长江三角洲现代河口冲淤的地貌变化趋势(现状与2035年) 分析, 评估海岸侵蚀脆弱性的变化; 通过对现状和规划的土地利用分析, 评估土地利用价值暴露度变化; 在上述对侵蚀脆弱性和土地利用暴露度变化分析的基础上, 进而提出国土空间规划的建议. 本文所提出的研究方法, 可为其他海岸地区的侵蚀暴露性评估和国土空间规划提供参考.

1 研究区域

长江三角洲现代河口以徐六泾为顶点, 以启东嘴和南汇嘴为两侧端点, 呈现“三级分汊、四口入海”的格局. 其中, 北支径流输出不足5%, 为涨潮优势河槽, 而南支及其以下的南港、北港、南槽和北槽为长江入海径流的主要入海河槽. 南港的下界为南、北槽分汊口, 由此进入拦门沙区域, 河槽水深变浅, 河槽间浅滩发育. 南槽与上海陆地之间发育南汇东滩, 自上游向下游, 南汇东滩的宽度不断增大,南汇嘴附近自岸线至5 m等深线的宽度最大可达15 km (图1)[25-26].

本文的研究区域为上海市浦东新区的沿岸陆地和岸外水域, 包括吴淞口—南汇嘴的沿岸区域及毗邻的杭州湾北部区域 (图1) , 岸线外的水域为长江河口南港、南槽及杭州湾. 自吴淞口经南港、南槽至杭州湾区域, 水深呈现深—浅—深的趋势, 而以5 m等深线界定的岸外浅滩宽度呈现窄—宽—窄的趋势[25-26]. 浦东新区系由上海的郊县川沙和南汇合并而成, 因此沿岸地区土地利用早期以农业用地为主, 随着20世纪90年代浦东新区的设立, 先后在外高桥区域建设了码头、发电厂, 在三甲港地区建设了浦东机场, 南汇嘴区域建设了临港新城. 因此, 沿着海岸线, 随着城市化建设的时间不同, 浦东新区沿海的土地利用类型多样, 包括农业、工业、旅游用地等, 并处于动态变化过程之中.

2 研究方法

2.1 河口冲淤趋势预测

流域来沙下降和海平面上升是未来三角洲地貌演变的重要因素, 栾华龙[29]在近半个世纪以来长江口年代际冲淤演变分析的基础上, 基于Delft3D模型工具, 构建了长江口年代际冲淤演变数学模型,模型经历了一系列的参数率定和验证, 包括天文潮、潮位、流速、流向等水动力验证, 也对历史演变进行了后报模拟, 包括1958—1978年、1986—1997年和2002—2010年3个时间段, 模拟结果与实测均拟合较好, 能够确保冲淤演变模拟结果的相对精度和可靠性. 模型的构建、参数设置与验证具体可参考文献[29]. 利用经充分率定、验证的数学模型, 本文考虑上述两个因素的影响, 以长江口2016年地形为基准, 开展了2035年冲淤演变趋势预测. 对于未来长江输沙量, 2003年三峡工程拦蓄以来大通站年均输沙量为1.34亿t, 近5年平均为1.22亿t[30], 参考Yang等[31-32]取2035年长江流域来沙为1.25亿t/a; 对于未来相对海平面上升, 根据Wang等[33]研究成果, 考虑地壳下沉和长江口地区自然沉降, 估算地面沉降速率为3.5 mm/a, 同时根据《2018年中国海平面公报》[34], 预计未来30年 (即2019—2049年) 上海沿海海平面将上升75 ～ 155 mm, 即2.5 ～ 5.2 mm/a, 取其上限, 则相对2016年,2035年相对海平面累计上升16.5 cm.

2.2 侵蚀脆弱性分析

鉴于长江三角洲海岸侵蚀脆弱性与潮滩发育程度有关, 总体上潮滩宽度越宽、坡度越缓, 侵蚀脆弱性越低, 因此我们选用潮滩宽度及坡度作为侵蚀脆弱性的指标[8,11]. 现状侵蚀脆弱性依据的是2016年地形, 2035年侵蚀脆弱性来源于模型预测的2035年地形. 在ArcGIS 10.5 软件平台下, 使用数字海岸线分析系统 (DSAS v5.0) 工具, 沿岸线每隔100 m 计算0 m等深线到岸堤的距离, 即潮滩宽度, 利用坡度工具计算近岸1 km内坡度. 以2.3节中依据沿岸0 ～ 1 km陆地范围内土地利用的变化划分的55个评价单元, 计算了每个评价单元内潮滩宽度和坡度的平均值.

为了消除指标之间量纲的差异, 本文采用最小-最大规范化法将潮滩宽度和海岸坡度进行标准化处理, 使其映射到[0,1]之间. 两个指标叠加获得总体侵蚀脆弱性, 并使用自然断点法划分脆弱性等级[7,35], 取两个时期侵蚀脆弱性自然断点的平均值为间断点, 划分了5个等级, 分别是极高、高、中等、低和极低脆弱性. 总体侵蚀脆弱性的计算公式如下.

式(1)中:Vwi表示潮滩宽度在第i个评价单元的脆弱性标准化得分;Wi为第i个评价单元的潮滩宽度;m为研究区评价单元个数,m= 55.

式(2)中:Vsi表示海岸坡度在第i个评价单元的脆弱性标准化得分;Si为第i个评价单元的海岸坡度;m为研究区评价单元个数,m= 55.

式(3)中:Vi表示在第i个评价单元的总体脆弱性得分;Vwi、Vsi分别为第i个评价单元的潮滩宽度、海岸坡度脆弱性标准化得分.

2.3 土地利用暴露性分析

考虑到历史上长江口海岸侵蚀速率为每年数十米量级[36], 以及城市和基础设施建设设计的寿命为百年尺度[37], 本文分析了2019年和2035年沿海岸0 ～ 1 km范围内的土地利用. 现状土地利用类型的空间分布格局是依据ArcGIS Online 上2019年1 m分辨率的World Imagery (Clarity) 遥感影像目视解译的结果. 根据中国土地利用分类标准 (GB 50137, 2011)[38], 将土地利用类型划分为农业、工业、旅游、水产养殖、机场、公共设施、城市建设、河流、湖泊和未利用地. 关于土地利用价值的评估, 一种是识别每种土地利用类型的市场价值, 但这一方法仅表示土地利用类型的近似值, 由于环境条件的差异,同一种土地利用存在着空间高度异质性[12,39-40]. 另一种方法是给每一种土地利用类型赋予一个相对价值等级[8,41]. 该方法优点是操作简单, 易于推广到其他地区. 考虑到土地利用市场价值估算的复杂性和不确定性, 本研究采用相对价值等级法评估侵蚀的土地利用暴露度. 依照土地利用的经济价值和人口数量, 将暴露于潜在海岸侵蚀影响范围的土地利用类型价值分为5个等级, 分别为极低 (未利用地) 、低 (河流、湖泊) 、中等 (水产养殖、农业用地) 、高 (旅游、工业用地) 和极高 (机场、公共设施、城市建设用地) , 每个等级分别赋值为1、2、3、4、5[11,42]. 对每个评价单元内包含的土地利用类型按照面积比例加权叠加, 最终确定土地利用价值总得分, 运用自然断点法将土地利用价值得分分为5个等级,分别是极低、低、中等、高和极高暴露度.

2035年的土地利用依据《上海市浦东新区国土空间总体规划 (2017—2035) 》[43]. 由于规划的土地利用类型较2019年目视解译的类型更为细致, 则将规划的土地利用类型中的居住生活区、市政基础设施用地、体育休闲区合并为城镇建设用地. 生态保育区是规划中以大面积永久基本农田集中区为主的生态空间, 用于耕地利用的修养生息, 故划为农业用地. 2035年土地利用价值计算与等级划分法同2019年一致.

3 结果

3.1 河口冲淤变化

对比两个时期的地形图可发现, 2035年相比2016年, 南港下段至南槽进口段呈现冲刷趋势, 10 m等深线勾画的深槽向南延伸至浦东机场南沿, 而南汇东滩0 m等深线向外扩展, 说明近岸高滩呈现淤积趋势, 而5 m等深线略有冲刷. 杭州湾水域, 则呈现近岸高滩略有淤积, 而岸外10 m深槽向近岸逼近趋势 (图2).

图2 2016年与2035年长江口浦东新区周边水域地形及其变化Fig. 2 Bathymetric maps in 2016 and 2035 of coastal areas along the Pudong New Area and bathymetric changes between 2016 and 2035

3.2 侵蚀脆弱性变化

2016年, 自吴淞口至三甲港岸段, 侵蚀脆弱性等级为高和极高的比例占沿岸岸线长度的31.3%;浦东机场岸段和杭州湾北侧岸段为中等侵蚀脆弱性, 比例最大, 为39.0%; 浦东机场南沿至南汇嘴侵蚀脆弱性等级最低, 低和极低脆弱性共占29.7% (图3(a)和表1). 与2016年相比, 2035年侵蚀高和极高脆弱性等级增加了16.4%, 中等脆弱性减少了21.8%, 低和极低脆弱性增加了5.4% (表1). 2035年, 侵蚀脆弱性等级有显著变化的发生在浦东机场岸段及三甲港上游岸段, 分别增大至高和极高脆弱性, 其他岸段脆弱性等级基本不变 (图3(b)和图3(c)).

表1 2016年和2035年浦东新区沿岸侵蚀脆弱性等级结构及变化Tab. 1 Distribution of erosion vulnerability class in coastal areas along the Pudong New Area in 2016 and 2035 and relative changes

图3 2016年与2035年浦东新区沿岸侵蚀脆弱性等级分布及其变化Fig. 3 Distribution of erosion vulnerability class in coastal areas along the Pudong New Area in 2016 and 2035 and changes between 2016 and 2035

3.3 沿海土地利用的类型、价值及其变化

2019年, 自吴淞口至浦东机场岸段, 土地利用类型主要为工业、城镇建设和机场用地; 浦东机场南沿经南汇嘴至杭州湾, 除洋山港保税区的工业用地外, 主要为农业用地和未利用地. 根据浦东新区的城市规划, 2035年大治河北侧用地类型变化不大, 而南侧至杭州湾, 不少农业用地和未利用地将转化为旅游和城镇建设用地 (图4).

图4 2019年与2035年浦东新区沿岸土地利用类型分布Fig. 4 Distribution of land use types in coastal areas along the Pudong New Area in 2019 and 2035

相应地, 自吴淞口至浦东机场岸段土地利用的价值等级为高和极高, 浦东机场南沿至大治河以低和高等级相间分布为主, 且2019年和2035年变化不大 (图5(a)和图5(b)). 但大治河以南区域, 2035年相对2019年土地利用价值等级普遍升高, 表明土地利用暴露度增加 (图5(c)). 从表2和图5(b)中看出, 2035年土地利用高和极高暴露性增加了20.5%, 集中分布在南汇嘴至洋山港保税区一带.

表2 2019年和2035年浦东新区沿岸侵蚀土地利用暴露性等级结构及变化Tab. 2 Distribution of the class of land use value in coastal areas along the Pudong New Area in 2019 and 2035 and its relative change

图5 2019年与2035年浦东新区沿岸土地利用价值等级分布及其变化Fig. 5 Distribution of the class of land use value in coastal areas along the Pudong New Area in 2019 and 2035 and changes between 2019 and 2035

4 讨论

4.1 海岸侵蚀脆弱性的空间差异及其变化趋势

三角洲海岸由于不同的水动力条件和泥沙供应, 其面临的侵蚀风险不一. 在总结长江河口两千年的发育模式时, 陈吉余[44]提出了“南岸边滩推展、北岸沙岛并岸、河口束狭、河道成形、河槽加深”的模式, 浦东新区所在即为长江口南岸, 近两千年来该区域总体上呈现淤涨态势. 但其内部差异也很明显, 从1052年修筑的里护塘、1584年开始修筑的钦公塘、1738年修建的彭公塘与现今海岸的距离可以看出 (图1)[27-28], 白龙港以上岸段岸线变化不大, 而自白龙港向南至南汇嘴区域, 岸线变化距离不断加大, 而杭州湾北岸区域岸线向海推进十分有限. 从动力地貌的角度分析, 吴淞口—白龙港受南港河槽发育的影响, 水流为往复流, 岸滩发育不明显. 自白龙港开始, 岸线走向有一明显转折, 从东南向偏南方向偏移, 反映了水流脱离河槽束缚后的展宽. 白龙港至南汇嘴为口门拦门沙浅滩发育地区, 径流影响减弱, 潮流影响增大, 其中的南槽河槽呈现往复流优势. 而临近的南汇东滩为旋转流, 潮滩发育,但是该岸段的5 m等深线则基本顺延了吴淞—白龙港岸线的走向, 因而南汇东滩的宽度不断增大[25,45].杭州湾北岸为强潮海岸, 近岸区域水流为平行岸线的往复流, 潮滩发育不明显[46-48].

上述近千年以来的河口地貌长期演变格局决定了浦东地区成陆的空间格局、岸线稳定性和侵蚀风险. 但是, 1950年以来, 受入海水沙变化及河口围垦、深水航道等工程的影响, 长江河口河势也发生了局部的调整. 其中, 河口径流动力为主的南港段 (吴淞口—白龙港)在1958—1978年期间为净淤积,淤积速率平均为78.1 mm/a. 而1978年以来该区域转为冲刷, 且随着时间推移, 冲刷强度增加; 自1980年以来的入海泥沙减少, 水流侵蚀能力加大, 1997—2010年的冲刷速率平均为73.9 mm/a[21]. 自南港向南槽, 河槽侵蚀有着从上游向下游滞后的趋势[21-22]. 但是随着浦东机场岸段1996年以来的促淤围垦以及南北槽分流口控制工程的建设, 南槽分流比加大和入口段河宽缩窄, 流速增强导致侵蚀能力增强. 因此白龙港—浦东机场岸段的河槽近期冲刷显著, 2011—2017年期间近岸处的冲刷厚度可达1 ～ 3 m[49]. 浦东机场往南, 尽管其沿岸自1950年, 特别是1994年以来修筑了系列促淤围垦工程, 但是其附近的5 m等深线位置较为稳定, 并呈现0 m线以上滩地持续淤积的现象[24,50-51], 因而海岸侵蚀风险较小. 杭州湾北岸的芦潮港区域, 历史上海岸线推进速率缓慢, 其泥沙主要来自长江口的输出[46].在长江来沙输入减少背景下, 加以近期长江口南汇东滩围垦对泥沙的拦截, 杭州湾北岸芦潮港近岸水域泥沙含量近30年下降了22%[52], 近期潮流侵蚀能力加大, 导致芦潮港近岸遭受侵蚀[52-53].

在未来数十年的时间尺度内, 长江河口、杭州湾的水动力格局仍将维持当前态势. 但在流域来沙减少及海平面上升的情景下, 地貌会做出一些调整. 因而, 在一定的海平面上升速率的情景下, 会促使河口拦门沙区域的浅滩淤积[29], 导致南汇浅滩0 m等深线以上区域淤积. 而口门区域的深槽冲刷向下

游延伸, 近岸浅滩宽度缩窄、地形坡度加大, 杭州湾芦潮港水域近岸侵蚀风险加大 (图2、图3)[52].

4.2 土地利用分布的控制因素

土地利用受到社会经济因素和自然条件的双重影响. 从社会经济因素来说, 上海市中心长期以来集中在黄浦江以西地区, 浦东新区原先是上海的郊县 (川沙、南汇县) , 其产业布局以农业为主.1990年以来, 随着国家的浦东开发决策实施以及上海市社会经济发展, 浦东地区工业化和城市化步伐加快, 沿岸地区得到开发利用. 但最早的浦东新区是北部的川沙县, 直至2009年南汇县 (或南汇区)才并入浦东新区. 因此, 浦东新区的沿岸开发早期集中在北部区域, 20世纪90年代先后建设外高桥港区和浦东机场, 这也是上海作为国际航运中心和经济贸易中心的需要. 浦东新区南部沿海的开发是随着2002年的洋山港保税区、临港产业区和南汇新城的建设而开展. 由于位于南汇嘴附近的南汇东滩是滩涂淤涨较快的区域[25,45], 因而较多的土地得以围垦, 作为工业和新城建设用地. 由于该区域开发较晚, 因此沿岸地区还有较多的农业用地和未利用地.

4.3 海岸国土空间规划的合理性与高侵蚀风险岸段应对

国土空间规划是对一定区域国土空间开发、保护、利用、修复在空间和时间上作出的安排, 从而推动自然资源的节约集约利用和资产保值增值[54]. 我国的城乡建设都是在国土空间规划的指引下而开展. 由于海岸灾害影响了社会经济建设的可持续发展, 因此, 在制定国土空间规划时, 需要充分考虑未来灾害的变化及其破坏程度[55-57]. 三角洲海岸具有淤积和侵蚀动态变化的特点, 应结合海岸侵蚀的动态暴露性评估制定国土空间规划, 以保障社会经济可持续发展.

从目前的海岸用地布局来看, 港口和相应的保税区、产业区及浦东机场是主要用地形式, 未来上述用地以及南汇新城建设将进一步使海岸的未利用地减少. 这一用地规划是支持上海建设国际贸易和航运中心的需要[58]. 对于港口建设来说, 稳定的岸线和水深保证是建港的基础条件, 因此, 外高桥港区以及杭州湾的港区规划与所在区域自然条件是相吻合的.

由图6可以看出, 依据现有的浦东新区规划以及预测的2035年河口冲淤变化, 2035年极高侵蚀脆弱性与极高土地利用价值暴露度相重叠的岸段显著增加. 当前(2016—2019年), 上述岸段长度为32.3 km, 占整个海岸的 31.1%; 2035年, 其长度增加为 47.5 km, 比例升高至 45.8%, 增加区域位于浦东机场. 此外, 从杭州湾北岸芦潮港至洋山港保税区一带的侵蚀脆弱性等级虽然为中等, 但是土地利用暴露性升为高和极高等级, 岸外深槽向近岸有逼近趋势 (图2) , 随着长江流域来沙减少, 则未来将面临较高的侵蚀风险[52]. 浦东机场及杭州湾北岸芦潮港区域, 它们分别是重大基础设施和南汇新城所在地. 2019年浦东机场旅客和货物吞吐量分别为7615.35万人次和363.42万t, 营业收入109.45亿元,十四五期间, 浦东机场将新建T3航站楼, 设计保障能力为5000万人次[59]. 南汇新城2020年工业总产值1613.3亿元, 人口约30万, 根据《南汇新城“十四五”规划建设行动方案》, 规划到2025年工业总产值达到5000亿元, 常住人口75万[20], 将是现有工业总产值的3倍和人口的2.5倍. 鉴于这两个岸段的建设投资巨大, 且其发展空间紧邻海岸, 缓冲空间有限, 因此, 必须对侵蚀风险予以足够的关注, 持续加强海岸动力和地貌变化的监测和研究.

图6 2016年与2035年浦东新区海岸侵蚀脆弱性与土地利用暴露性等级关系Fig. 6 Bi-plot of classes of erosion vulnerability and land use value exposure in coastal areas along the Pudong New Area in 2016 and 2035

5 结论

(1) 近千年以来的长江河口地貌演变决定了浦东新区海岸侵蚀脆弱性的基本空间格局, 但近70年的人类活动改变了局部岸段的侵蚀脆弱性, 随着未来长江流域入海泥沙的减少, 浦东新区海岸面临的侵蚀风险加大.

(2) 以2016年为基准, 在2035年长江入海泥沙为1.25 亿t/a、海平面上升16.5 cm的情景下, 以土地利用暴露度与海岸侵蚀脆弱性等级为指标, 两者具有高和极高等级的岸段目前长度为32.3 km,占浦东新区海岸长度的31.1 %, 2035年其长度增加至47.5 km, 比例升高为45.8 %.

(3) 考虑到2035年海岸侵蚀脆弱性和土地利用暴露度空间分布, 浦东国际机场及杭州湾北岸芦潮港区域是上海航空枢纽和新城所在, 也是侵蚀风险升高的岸段, 需要对上述区域加强海岸监测和侵蚀防护.

(4) 开展未来情景下海岸侵蚀脆弱性和土地利用暴露度评估, 可以识别出海岸带侵蚀的热点区域,为海岸带国土空间规划提供科学支撑.