王 威,周 俊,易長榮

(天津市控制地面沉降工作辦公室,天津 300061)

0 引言

渤海灣是中國渤海三大海灣之一,位于渤海西部,北起河北省樂亭縣大清河口,南到山東省黃河口,流入海灣的主要河流有黃河、海河、薊運河和灤河.

渤海灣沿海地區(qū)構(gòu)造基底上均沉積有巨厚的新近系相對松散沉積物,最大沉積厚度可達5000余m.在地下水位較快下降的誘因下,松散的沉積物容易引發(fā)顯著地面沉降.區(qū)域地面沉降直接導致地面標高損失;局部的地面沉降,尤其是不均勻沉降,對城市軌道交通和橋梁等基礎(chǔ)設(shè)施的安全運營將產(chǎn)生嚴重威脅.

渤海灣是我國風暴潮最嚴重地區(qū)之一,風暴潮多次造成了渤海灣岸線蝕退、沿海低地大面積淹浸.

近些年來,渤海灣濱海地區(qū)的地面沉降不斷降低濱海地區(qū)的海拔高度,特別是防潮堤的堤頂標高;風暴潮頻率加大引發(fā)的潮水水位屢屢接近、甚至超過警戒潮位,多次漫溢防潮堤.本文著重分析地面沉降對于風暴潮災(zāi)害和防治對策.

1 渤海灣風暴潮災(zāi)害

(1)渤海灣風暴潮類型

渤海灣風暴潮分為溫帶氣旋引起的溫帶風暴潮和熱帶氣旋引起的熱帶風暴潮兩類,輕風暴潮以溫帶風暴潮為多,強風暴潮以熱帶風暴潮為主.據(jù)渤海塘沽和羊角溝驗潮站1950～1989年出現(xiàn)的溫帶風暴潮統(tǒng)計,每年增水超過1 m的次數(shù)為8～12次[1],在1950～1997年期間的29次較強風暴潮中,溫帶風暴潮占14次,約三年一遇,其頻率與熱帶風暴潮大抵相同,同期出現(xiàn)的5次強風暴潮災(zāi)僅有一次溫帶風暴潮.

(2)渤海灣風暴潮頻率

公元前48年已有關(guān)于渤海灣風暴潮的記載,16世紀(明朝嘉靖年間)記載開始增多,1550～1949年間有51次記載,平均8 年發(fā)生一次.1950～1997年的48 年間發(fā)生風暴潮29次,平均1.7 年一次.其中高潮位≥5.4 m的強風暴潮5次,發(fā)生在1965、1972、1985、1992和1997年,平均10 年發(fā)生一次.本區(qū)遭受風暴潮災(zāi)害的頻率和強度較歷史上有明顯增加的趨勢[2,3].

(3)渤海灣風暴潮季節(jié)變化

渤海灣風暴潮在發(fā)生頻率和強度有明顯的季節(jié)變化.北上臺風只在夏季影響到渤海地區(qū),溫帶氣旋風暴潮常發(fā)生在春秋過渡季節(jié).1950～1997年期間,夏季(7～9月)曾出現(xiàn)18次風暴潮,占全年的62%;春季(2～5月)和秋季(10～11月)分別為6次和5次,各占全年的21%和17%;冬季(12～1月)盛行西北風(離岸風),不出現(xiàn)增水的風暴潮.

根據(jù)近2000年來的史料記載,風暴潮發(fā)生的地區(qū)多在滄州、天津沿海各縣,其次為唐山沿海各縣,秦皇島沿海各縣較少.各地最大增水量和最大潮位也有同樣的地理分布特征.1992年9月1日強熱帶風暴潮的最高潮位是從北向南遞增,在渤海灣頂處(天津塘沽)達到最大值(5.93 m).2009年2月13日、4月15日和5月9日沿海地區(qū)發(fā)生風暴潮,其中塘沽地區(qū)分別出現(xiàn)最高潮位5.28m、5.17m和5.23m,分別超過警戒潮位0.38m、0.27m和0.33m.

以風暴潮出現(xiàn)頻率及危害程度,可把渤海灣的風暴潮災(zāi)分為三區(qū):①滄州天津沿海風暴潮重災(zāi)區(qū);②唐山沿海風暴潮中災(zāi)區(qū);③秦皇島沿海風暴潮輕災(zāi)區(qū)[4].

(4)渤海灣風暴潮災(zāi)害

強風暴潮的發(fā)生,常給沿海地區(qū)造成嚴重的災(zāi)害,造成生命財產(chǎn)損失.

(3)通過黏溫轉(zhuǎn)換及和實驗室轉(zhuǎn)換，可以得到和實驗室黏度很接近的轉(zhuǎn)換結(jié)果，但是，由于物料的不同、流變特性會相應(yīng)變化，因此需要根據(jù)配方、樹脂的不同進行相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置，不能用一組數(shù)據(jù)計算所有的產(chǎn)品，從本例的計算來看，如果只用一組參數(shù)，相對平均偏差為9.79%，而如果根據(jù)所用樹脂的情況進行相應(yīng)設(shè)置和計算，相對平均偏差為1.17%。這一工作需要現(xiàn)場人員將采樣時的在線黏度、溫度、實驗室黏度記錄好，建議每一批的數(shù)據(jù)量至少3個以上，最好5個以上，這樣得到的轉(zhuǎn)換參數(shù)會更準確。

1895年4月28日風暴潮侵襲大沽口,據(jù)天津"直報"記載:"沿海浪高7 m,高潮越過新河,船只被沖走,塘沽和北塘間鐵路被沖斷,以大沽口到岐口一帶的七十二連營基地都被沖得蕩然無存,海擋全部沖沒"."塘沽淹沒土屋將及千數(shù)百家".滄縣縣志也記載:"海嘯,海防各營死者2000余人,大沽20英尺不正常海溢."

1965年11月7日發(fā)生溫帶風暴潮,歧口最高潮位達5.72 m,沖毀50 km海擋和大部分橋梁,斷絕交通,沿海22個村進水,戶內(nèi)平地水深1 m,給沿岸人民帶來難以估量的損失.

1992年9月1日16號臺風風暴潮是建國以來最嚴重的風暴潮災(zāi)害.豐南澗河口高潮位達4.82 m,天津塘沽5.93 m,均為建國以來的最高值.據(jù)統(tǒng)計,河北省沿海沖毀蝦池10440公頃,淹沒鹽田、房屋,沖毀海擋、公路,直接經(jīng)濟損失3.42億元.天津沿海3萬多戶居民房屋進水,港區(qū)碼頭受淹,造成直接經(jīng)濟損失達3.99億元[3].

1997年8月20日11號臺風進入渤海灣,天津、河北沿海地區(qū)普降大到暴雨,伴隨著大風天氣,發(fā)生嚴重的風暴潮災(zāi)害.滄州和豐南沿海最高潮位分別達到5.45 m和4.50 m,為當?shù)睾币姷母叱蔽?這次風暴潮造成19個縣市、137個鄉(xiāng)鎮(zhèn)、3200個村莊、200萬人受災(zāi),全省損失超過了10億元.

根據(jù)歷史記載資料,自1895年到1992年,環(huán)渤海風暴潮淹沒區(qū)范圍見圖1.

2 渤海灣地區(qū)地面沉降

地面沉降是指在自然因素和人為因素下形成的地表垂直下降現(xiàn)象.渤海灣濱海地區(qū)分布較大厚度的松散沉積地層,容易發(fā)生固結(jié)沉降.近40余年來,由于渤海灣濱海地區(qū)的深層地下水位大量下降,形成規(guī)模漏斗,引發(fā)地面沉降,形勢嚴峻,其中以渤海灣天津和河北岸段的地面沉降最為嚴重,見圖2.

天津濱海地區(qū)地面沉降最早發(fā)生在1952年的塘沽地區(qū).1952-1959年塘沽城區(qū)開始有少量深水井,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年達到了80～150 mm/a的極大值, 1986年以后地面沉降進入漸緩階段.天津濱海的漢沽和大港地區(qū)地面沉降發(fā)生較晚,初始于上世紀70年代,最大沉降速率60～80 mm/a,最大沉降發(fā)生于1985年左右,年沉降40 mm/a左右.隨著天津濱海地區(qū)控沉工作力度的加大,至2009年,環(huán)渤海地區(qū)的平均沉降速率已控制在20mm/a左右.

河北濱海地區(qū)地面沉降主要發(fā)生在黃驊和南堡唐海沉降區(qū).黃驊沉降區(qū)1976年沉降量7mm,1980年累計沉降74mm,至1990年達到152mm,沉降速率11 mm/a.近幾年黃驊沉降區(qū)發(fā)展迅速,1998～2001年,岐口-南排河一帶沉降量450mm,沉降速率128 mm/a,至2001年最大累計沉降量達1110mm左右,沉降量大于800mm的面積約760km2.南堡唐海沉降區(qū)位于南堡堿廠地下水漏斗區(qū),沉降區(qū)面積2920 km2,中心沉降量為804mm,沉降速率約40mm/a[5].

3 渤海灣沿海地區(qū)地面沉降對風暴潮災(zāi)害防治的影響

3.1 地面沉降對風暴潮潮位測定及研究的影響

受沿海平原區(qū)長期緩慢沉降的影響,天津地區(qū)的水準點不斷下沉.這對風暴潮水位測量和風暴潮潮位對比研究均會產(chǎn)生一定的影響.以1938年8月11日和1992年9月1日2次風暴潮為例,從圖3中的海平面來看,1938年風暴潮水位比1992年更高,但從風暴潮潮水高程數(shù)值上看,前者為5.5m(相對1938年大沽零點位置),后者為5.93m(相對1992年新大沽零點位置),且后者多被作為渤海灣西岸百年一遇的記錄.從圖3中的多期潮位示意圖上看,風暴潮測量的起算基點沉降,直接影響到對風暴潮重現(xiàn)期水位高度值的正確判斷,同時影響到多期風暴潮潮位對比研究結(jié)果的可信度.

3.2 地面沉降對加劇風暴潮災(zāi)害的影響

對比百年一遇高潮線,發(fā)現(xiàn)防潮堤局部已經(jīng)低于百年一遇的防潮標準,漢沽段、塘沽段和大港段防潮堤分別選擇A、B、C截面,由于地面沉降,各截面處堤頂2005-2009年標高逐年下降明顯,防潮能力下降.

建議結(jié)合天津填海工程規(guī)劃,天津海擋向渤海方向外移,以抵御200年一遇的風暴潮侵襲為標準,平均高程達到+4.8m以上(1972大沽高程系約+6.5m).環(huán)渤海其他地區(qū)的防潮堤,應(yīng)適當加高堤頂標高,在設(shè)計和施工時不能簡單地照抄當?shù)馗叱滔邓疁庶c的原有高程值,必須考慮相應(yīng)的沉降校正值.

3.3 地面沉降對制定防風暴潮預(yù)案的影響

(1)防風暴潮預(yù)案

2010年天津港保稅區(qū)編制了《2010年天津港保稅區(qū)防汛防潮預(yù)案》(津保管發(fā)[2010]28號).預(yù)案中明確將防汛防潮預(yù)警分為I級(紅色)、Ⅱ級(橙色)、Ⅲ級(黃色)和Ⅳ級(藍色)預(yù)警.

I級(紅色)預(yù)警是預(yù)計未來海港保稅區(qū)沿岸受影響區(qū)域內(nèi)將出現(xiàn)超過警戒潮位80cm以上的高潮位,預(yù)警響應(yīng)為①防汛辦將啟動預(yù)案的相應(yīng)內(nèi)容通報應(yīng)急辦,應(yīng)急辦在10分鐘內(nèi)向所有成員單位發(fā)布預(yù)警及啟動Ⅰ級(紅色)預(yù)警搶險救災(zāi)預(yù)案的指令;②企業(yè)服務(wù)局和規(guī)劃建設(shè)局分別向區(qū)內(nèi)企業(yè)、施工工地發(fā)布啟動Ⅰ級(紅色)預(yù)警搶險救災(zāi)預(yù)案的指令;③防汛防潮指揮部總指揮隨時準備進入指揮位置,副總指揮及全體人員到崗,防汛指揮部成員單位由主要領(lǐng)導24小時帶崗值班,搶險隊員及設(shè)備隨時待命.

Ⅱ級(橙色)預(yù)警是預(yù)計未來海港保稅區(qū)沿岸受影響區(qū)域內(nèi)將出現(xiàn)超過警戒潮位50～80cm的高潮位,預(yù)警響應(yīng)為①防汛辦公室將匯總后的預(yù)報信息報告總指揮,并根據(jù)總指揮指令防汛指揮部召開分析會議;②指揮部各成員單位按各自職責迅速做好相應(yīng)準備工作,保持待命狀態(tài);③防汛辦公室密切跟蹤監(jiān)測雨水,潮情變化,隨時通報汛情發(fā)展趨勢情況,并按照具體實施方案,組織人員巡視,加固沿海閘口,做好排水除澇準備工作;④各防汛單位要由主要領(lǐng)導24小時帶崗值班,各企業(yè)單位做好自保工作;⑤防汛指揮部副總指揮及全體人員到崗,防汛指揮部成員單位由主要領(lǐng)導24小時帶崗值班.

Ⅲ級(黃色)預(yù)警是預(yù)計未來海港保稅區(qū)沿岸受影響區(qū)域內(nèi)將出現(xiàn)超過警戒潮位20～50cm以下的高潮位.預(yù)警響應(yīng)為①防汛辦公室及時跟蹤監(jiān)測雨水、潮情變化,隨時通報汛情發(fā)展趨勢情況;②防汛辦公室全體人員到崗,各防汛單位要24小時值班.

Ⅳ級(藍色)預(yù)警是指區(qū)內(nèi)24小時降雨量30mm～60mm,通過合理調(diào)度,保證區(qū)域降水及時排除.預(yù)警響應(yīng)為①根據(jù)區(qū)域水情、雨情、潮情情況,防汛辦公室合理調(diào)度保證排水;②防汛辦公室聯(lián)絡(luò)人及排水泵站、管網(wǎng)管理人員和專業(yè)技術(shù)人員到崗.

(2)地面沉降對防風暴潮預(yù)案措施的影響

從預(yù)警方案中可以發(fā)現(xiàn),預(yù)警級別的確定,是根據(jù)潮水的高潮位超過防潮警戒水位的高度,討論地面沉降對防風暴潮預(yù)案措施的影響,首先從確定警戒水位值和超警戒水位值兩個方面著手.

科學合理確定防潮警戒水位,使防災(zāi)系統(tǒng)既能在較嚴重風暴潮災(zāi)害時有效地組織防災(zāi)工作,又能在輕微風暴潮災(zāi)害中避免不必要的防災(zāi)浪費和驚慌,同時為風暴潮預(yù)警部門提供災(zāi)害預(yù)測的標準.防潮警戒水位基準面要統(tǒng)一到國家或地區(qū)使用的基準,要求有明確的水平基準面和水位標志說明,同時要求水位標志必須是長期固定的,以便對風暴潮災(zāi)害的發(fā)展變化進行監(jiān)視[7].目前,天津地區(qū)風暴潮警戒潮位為4.9m(2004年核定,凍結(jié)高程).地面沉降對于警戒水位值確定有影響,由于地面沉降,水位標志高程是處于持續(xù)下降的過程,從而導致警戒水位相對可能偏低.

超警戒水位值是防風暴潮各級預(yù)案的確定界限,該值的大小決定預(yù)警級別的高低和相關(guān)應(yīng)對措施的力度.由于潮水位測量的起始點在驗潮站,潮水是否能漫溢防潮堤,形成災(zāi)害決定于防潮堤頂標高.若驗潮站的水位測量標志與防潮堤均處于標高穩(wěn)定或相同沉降速率,則超警戒水位值仍可以準確標示最高潮水位漫溢防潮堤頂?shù)母叨?對于預(yù)警級別的確定沒有影響.地面沉降對于超警戒水位值是否能真實標示潮水位漫溢影響,在于不均勻沉降,驗潮水準標尺的沉降速率與防潮堤沉降速率相比,如果前者大于后者,則預(yù)報級別過高;如果前者低于后者,則預(yù)報級別過低.

4 結(jié)論

渤海灣濱海地區(qū)風暴潮頻發(fā),同時存在嚴重的地面沉降現(xiàn)象.天津典型區(qū)域研究結(jié)果顯示,地面沉降對渤海灣風暴潮災(zāi)害防治的影響有3個方面:

(1)風暴潮測量的起算基點沉降,直接影響到對風暴潮重現(xiàn)期水位高度值的正確判斷,同時影響多期風暴潮潮位對比研究結(jié)果的可信度.

(2)地面沉降導致防潮堤頂標高逐年下降,防潮能力下降.

(3)地面沉降引起驗潮水準標尺高程持續(xù)下降,從而導致警戒水位相對于歷史水平存在偏低的可能性.另外,驗潮水準標尺與防潮堤之間的不均勻沉降,極可能導致預(yù)報級別偏高或偏低.

[1]葉 琳.我國重大的風暴潮災(zāi)(1949-1990)與現(xiàn)行風暴潮監(jiān)測、預(yù)警系統(tǒng).論沿海地區(qū)減災(zāi)與發(fā)展--全國沿海地區(qū)減災(zāi)與發(fā)展研討會論文集[C].1991.

[2]河北省旱澇預(yù)報課題組.海河流域歷代自然災(zāi)害史料[M].北京∶氣象出版社, 1985.

[3]游景炎.渤海灣風暴潮的時空分布[J].河北氣象, 14(4),1995.

[4]中國地理學會海洋地理專業(yè)委員會.中國海洋地理[M].北京∶科學出版社, 1996.

[5]河北省地質(zhì)調(diào)查院.環(huán)渤海地區(qū)(河北部分)地下水資源與環(huán)境地質(zhì)調(diào)查評價[R],2005.

[6]王 宏,商志文,王福等.渤海灣西岸風暴潮:疊加地質(zhì)因素的新探討[J].地質(zhì)通報,29 (5),2010.

[7]石 強.沿海防潮警戒水位的基本意義和確定方法研究[J].海洋預(yù)報,15(3),1998.