程和琴，趙建虎，陳永平，劉敏，惲才興

（1.華東師范大學(xué)河口海岸學(xué)國家重點實驗室，上海200062;2.武漢大學(xué)測繪學(xué)院，湖北武漢430072;3.河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點實驗室，江蘇南京210098;4.華東師范大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，上海200062）

一、引 言

城市作為引領(lǐng)一個國家或地區(qū)社會經(jīng)濟發(fā)展的示范區(qū)域，薈萃了國家或地區(qū)政治、經(jīng)濟和文化的精華，人口、財富大量集聚，基礎(chǔ)設(shè)施、生命線工程密布。全球80%的大城市分布在沿海及河口三角洲地區(qū)，地勢低洼，大部分城市中心城區(qū)平均海拔均在平均高潮位以下，易受水患災(zāi)害侵襲，造成巨大的人民生命和經(jīng)濟損失，并可能引發(fā)一系列的社會問題。如2005年美國“卡特麗娜”颶風(fēng)致使路易斯安娜等4個州災(zāi)情嚴重，新奧爾良市最大淹沒水深達6 m、90%建筑受損、10萬人被困、1000余人死亡、經(jīng)濟損失超過千億美元、社會秩序混亂。2011年，湄南河口地區(qū)洪災(zāi)導(dǎo)致泰國國家經(jīng)濟遭到重創(chuàng)，全球供應(yīng)鏈遭受中斷和破壞。我國長江河口三角洲地區(qū)的上海和太湖流域在自然地理條件上與上述地區(qū)類同，是我國經(jīng)濟最發(fā)達、城市化率最高、人口最集中的區(qū)域，曾發(fā)生多次重大水災(zāi)，如1954、1991、1999年洪水和8114號臺風(fēng)暴潮等災(zāi)害。

近年來，我國河口三角洲地區(qū)城市化進程加快，如位于長江河口三角洲的太湖流域2010年城市化率已達70%，上海市更高達89%［1］，在我國社會經(jīng)濟發(fā)展中起著“領(lǐng)頭羊”的作用。但是，隨著全球氣候變暖、海平面不斷上升，臺風(fēng)、風(fēng)暴潮、洪澇等極端災(zāi)害事件發(fā)生將更加頻繁;而社會經(jīng)濟要素的不斷積聚，將使沿海地區(qū)的水患災(zāi)害風(fēng)險進一步增強，尤其是在臺風(fēng)、暴雨、風(fēng)暴潮、洪水和天文大潮等致災(zāi)因子的相互疊加下，造成的損失將更為嚴重。因此，自然與和人為等多因子疊加作用下的河口三角洲地區(qū)城市水患預(yù)警是目前國家經(jīng)濟和政治面臨的重大問題，迫切需要及時開展相關(guān)基礎(chǔ)理論研究，對保障河口三角洲地區(qū)城市安全，尤其對提升我國三角經(jīng)濟圈國際地位，促進該地區(qū)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略實施具有巨大的社會經(jīng)濟效益、科學(xué)價值和戰(zhàn)略意義。

二、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

隨著全球氣候變化，自然災(zāi)害特別是水文氣象災(zāi)害的頻率和強度不斷增大［2］，在沿海地區(qū)常表現(xiàn)為多個致災(zāi)因子并存，在一些特定地區(qū)和特定時段(如汛期)，通常出現(xiàn)多災(zāi)種群發(fā)或鏈發(fā)，造成重大災(zāi)害事件(巨災(zāi))，對沿海地區(qū)尤其是河口三角洲地區(qū)城市安全構(gòu)成嚴重威脅［5-7］。因此，自然災(zāi)害鏈綜合風(fēng)險研究已成為當前災(zāi)害研究領(lǐng)域的重要前沿與熱點問題。

進入21世紀以來，隨著國際減災(zāi)戰(zhàn)略的開展，一些重要的國際組織和國際研究計劃正在加強自然災(zāi)害鏈綜合風(fēng)險研究，設(shè)立了一系列研究項目，如2008年國際科學(xué)聯(lián)盟(ICSU)開展的災(zāi)害風(fēng)險綜合研究科學(xué)計劃(integrated research on disaster risk，IRDR)，全球環(huán)境變化人文因素計劃(IHDP)2009年啟動了新一輪國際核心科學(xué)計劃——綜合風(fēng)險防范(IHDP-IRG)［11］等。近年來，我國開始關(guān)注自然災(zāi)害鏈綜合風(fēng)險研究，相繼開展了一些科研項目，如2006年科技部啟動了聚焦長三角、珠三角臺風(fēng)、風(fēng)暴潮、洪澇災(zāi)害等自然災(zāi)害的國家科技支撐項目“綜合風(fēng)險防范關(guān)鍵技術(shù)研究與示范”;2007年國家自然科學(xué)基金委啟動了“沿海城市自然災(zāi)害風(fēng)險應(yīng)急預(yù)案情景分析”重點項目，探索沿海城市臺風(fēng)風(fēng)暴潮、暴雨內(nèi)澇、感潮河段臺風(fēng)風(fēng)暴潮洪水等災(zāi)害情景模擬與風(fēng)險評估工作。

當前，針對單一致災(zāi)因子的災(zāi)害風(fēng)險評估理論方法已較為成熟，但對災(zāi)害鏈綜合風(fēng)險的研究剛剛起步，而且大多停留在定性分析層面上，尚未在理論、方法研究上取得實質(zhì)性突破。主要集中在大尺度的定性和半定量研究上，對于需要大量精確數(shù)據(jù)支持的中小尺度定量風(fēng)險評估，僅開展了個別探討性的案例分析，其方法常停留在多個單災(zāi)種風(fēng)險評估基礎(chǔ)上的簡單疊加，難以反映各種臺風(fēng)災(zāi)害鏈各致災(zāi)因子之間的關(guān)聯(lián)性、多災(zāi)種綜合成災(zāi)的時空演變過程，以及承災(zāi)體綜合脆弱性等特征。對于城市尺度災(zāi)害群發(fā)和混發(fā)效應(yīng)機理，以及采用定量方法來表述多災(zāi)種、多致災(zāi)因子之間的關(guān)聯(lián)性研究仍很薄弱。

此外，當前針對事關(guān)城市系統(tǒng)興衰的城市重要基礎(chǔ)設(shè)施以及生命線工程的案例研究多聚焦在人為災(zāi)害領(lǐng)域［12，13，15，19，20］;城市重要基礎(chǔ)設(shè)施的自然災(zāi)害風(fēng)險研究則剛剛起步且多聚焦單災(zāi)種的災(zāi)害效應(yīng)［14，18，21］，而針對多致災(zāi)因子疊加效應(yīng)下城市重要基礎(chǔ)設(shè)施災(zāi)害風(fēng)險響應(yīng)研究非常匱乏。為此，筆者重點開展多重因子疊加作用下的長江河口三角洲地區(qū)城市水患致災(zāi)預(yù)警研究，發(fā)現(xiàn)存在以下問題:

1)已得到河口區(qū)單站相對海平面上升速率［20］，但由于測量基準和方法的不統(tǒng)一，影響區(qū)域水災(zāi)害預(yù)測準確度和精度。因此需要研究統(tǒng)一垂直基準框架和監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建理論和方法。

長周期平均海平面，即大地水準面/似大地水準面是陸地高程起算的基準，它是對河口地區(qū)城市水災(zāi)害預(yù)測與防控的最基本的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。長江河口江陰—口門雞骨礁240 km長的河段內(nèi)，相關(guān)部門已布設(shè)了40個左右的長期固定潮位站，各潮位站觀測采用的參考基面有1985國家高程基面、吳淞零點和理論基面，且吳淞零點還存在長辦吳淞零點、浙江吳淞零點和上海城建吳淞零點之分，高程系統(tǒng)混亂且不統(tǒng)一［21-22］。因此，基于現(xiàn)有潮位站潮位觀測資料，難以準確反映該區(qū)域海平面這一重要致災(zāi)因子的絕對和相對變化規(guī)律及趨勢，直接影響水災(zāi)害評估和預(yù)測。所以，有必要在長江河口區(qū)研究陸海統(tǒng)一垂直基準，并構(gòu)建其參考框架;通過新的觀測方法和多元數(shù)據(jù)同化與融合技術(shù)研究，獲得統(tǒng)一基面下海平面變化規(guī)律及其趨勢，為該地區(qū)防災(zāi)減災(zāi)服務(wù)。我國自主研制的北斗二代衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，為建立統(tǒng)一的區(qū)域乃至全球的動態(tài)參考框架提供了可能［23］。

2)已得到基于統(tǒng)計模型的洪水、天文大潮、風(fēng)暴潮疊加的水災(zāi)害致災(zāi)風(fēng)險評估及防控方法，但由于流域至河口再至海洋是一個連續(xù)的水動力系統(tǒng)，任何一個致災(zāi)因子的改變必然導(dǎo)致整個系統(tǒng)水患致災(zāi)效應(yīng)的變化，統(tǒng)計模型不能準確地預(yù)測這一變化，影響區(qū)域聯(lián)防措施的有效性。因此，需要研究基于流域—河口—海洋復(fù)雜系統(tǒng)多尺度多要素嵌套耦合數(shù)值模型。

以長江河口地區(qū)為例，該地區(qū)地面高程僅1.5～4.0 m(吳淞基面)，每年7～10月的洪水、天文大潮和臺風(fēng)暴雨暴潮可能相遇形成的“三碰頭”災(zāi)害是本地區(qū)防汛工作的憂患［24-25］。雖然目前有氣象、海洋、水利等多系統(tǒng)的防汛預(yù)報機構(gòu)，但各系統(tǒng)的關(guān)注點不同，如氣象部門主要提供天氣預(yù)報資料，海洋部門更關(guān)注深水區(qū)域臺風(fēng)浪預(yù)報，水利部門關(guān)注河口和近岸的洪水、天文潮和風(fēng)暴潮，出于工作方便，水利和海洋系統(tǒng)采用的潮位基面也常有不一致的現(xiàn)象?？傮w而言，這些力量尚處于相對分散、不全面的狀態(tài)，集成預(yù)測預(yù)報和分析河口地區(qū)洪水、天文大潮、臺風(fēng)暴潮“三碰頭”的能力仍然不足;另外，還缺乏衛(wèi)星遙感自動跟蹤識別技術(shù)，高精度、高準確率的實用化綜合數(shù)值預(yù)報模型等自動化監(jiān)測系統(tǒng)和信息化技術(shù)的支持。

3)已得到洪水、天文大潮、風(fēng)暴潮等自然致災(zāi)因子和城市化過程導(dǎo)致的地面沉降的疊加致災(zāi)效應(yīng)，但對自然致災(zāi)因子與城市化過程導(dǎo)致的海岸侵蝕、大范圍地下空間開發(fā)誘發(fā)的洪澇災(zāi)害及其次生有機污染風(fēng)險等疊加致災(zāi)效應(yīng)，尚未開展有效的致災(zāi)機理研究。

長江河口地區(qū)城鎮(zhèn)化率全國最高，城市地下空間開發(fā)強度大，主要產(chǎn)業(yè)帶分布在沿江、湖、海岸，上海市地鐵里程達世界第一，還有隧道、地下商場等，50%的淡水供應(yīng)來自長江口區(qū)的心灘和邊灘水庫，因此水患尤為嚴峻。盡管已有關(guān)于洪水、天文大潮和風(fēng)暴潮等自然致災(zāi)因子的統(tǒng)計疊加效應(yīng)研究和防范措施［26］，如上海市的防汛大堤一般岸段為100年一遇加12級臺風(fēng)，重點岸段為200年一遇加12級臺風(fēng)，僅少數(shù)岸段為千年一遇。但是，對自然致災(zāi)因子的疊加與快速城市化誘發(fā)的地面沉降、海岸侵蝕等致災(zāi)因子及其次生有機污染風(fēng)險，以及氣候變暖導(dǎo)致的海平面上升等多要素的疊加致災(zāi)機理尚未開展深入研究。

4)已得到基于GPS/3G系統(tǒng)水災(zāi)害預(yù)測預(yù)警信息發(fā)布，但具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的預(yù)測預(yù)警信息發(fā)布尚待開發(fā)，需開展基礎(chǔ)研究。

海平面上升、地面沉降和天文大潮、洪水、風(fēng)暴潮等疊加，對河口地區(qū)城市的災(zāi)害性影響是全方位的，而迄今已完成的基于水準測量的長江河口地區(qū)地面沉降災(zāi)害預(yù)測預(yù)警、基于大地高水位測量的太湖流域洪水災(zāi)害預(yù)測預(yù)警、基于理論最低潮位的風(fēng)暴潮預(yù)測預(yù)警等方法，尚無法滿足目前河口三角洲地區(qū)城市設(shè)防安全要求極高前提下防災(zāi)減災(zāi)的要求。而且這些預(yù)測預(yù)警均為基于GPS/3G的監(jiān)測與信息發(fā)布技術(shù)［27］，若遇到像汶川地震那樣的特殊災(zāi)害事件或戰(zhàn)爭，GPS/3G技術(shù)無法工作時，就需要具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的水災(zāi)害監(jiān)測技術(shù)與預(yù)測預(yù)警技術(shù)系統(tǒng)。

三、結(jié)束語

快速的市化進程致使我國城市水患災(zāi)害問題日益嚴重，北京今年發(fā)生的7.21洪災(zāi)敲響了城市水患災(zāi)害預(yù)警警鐘，已引起社會、政府和學(xué)術(shù)界的高度關(guān)注。作為地處臨江濱海的河口三角洲地區(qū)城市，是我國主要經(jīng)濟輻聚帶，其在多重自然與人為致災(zāi)因子疊加作用下水患災(zāi)害風(fēng)險更為嚴峻，但就其監(jiān)測與預(yù)警能力建設(shè)而言，迫切需要從一個新的視角，即將整個河口三角洲地區(qū)作為一個整體，從基于全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)的陸海統(tǒng)一垂直基準角度，研究海陸一體化的城市水患致災(zāi)機理和實時預(yù)警技術(shù)的基礎(chǔ)研究，以提高我國城市防災(zāi)減災(zāi)能力。

致謝:本文得到了中國工程院陳吉余院士、寧津生院士、劉經(jīng)南院士、華東師范大學(xué)俞立中教授、河海大學(xué)張長寬教授、上海市規(guī)劃與國土資源管理局張先林副總工程師、上海市水務(wù)局阮仁良副總工程師以及其他眾多專家的熱忱指導(dǎo)和幫助，在此一并致以衷心的感謝！

［1］ 中華人民共和國統(tǒng)計局.2011年中國統(tǒng)計年鑒［M］.北京:中國統(tǒng)計出版社，2011.

［2］ IPCC.氣候變化2007:綜合報告［R］.日內(nèi)瓦:［s.n.］，2007.

［3］ CYNTHIA R，WILLIANM D S，STEPHEN A H，et al.Climate Change and Cities First Assessment Report of the Urban Climate Change Research Network［R］.Columbia:Columbia University，2011.

［4］ Delta Committee.Working together with water__A Living Land Builds for its Future__Findings of the Deltacommissie［M］.Amsterdam:Hollandia Printing，2008:13.

［5］ JEROEN A，DAVID C M，MALCOLM J B，et al.Connecting Delta Cites［R］.Rotterdam:Vrije University Press，2009:91.

［6］ RAE W，CRAIG F.Chapter 4:Infrastructure impacts and Adaption Challenges［R］.New York:［s.n.］，2010.

［7］ SYVITSKI J P M，KETTNER J A，OVEREEM I，et al.Sinking Deltas due to Human Activities［J］.Nature Geoscience，2009(2):681-686.

［8］ KROGER W.Critical Infrastructures at Risk:A need for a New Conceptual Approach and Extended Analytical Tools［J］.Reliability Engineering ＆ System Safety，2008，93(12):1781-1787.

［9］ LEWSEY C，CID G，KRUSE E.Assessing Climate Change Impacts on Coastal Infrastructure in the Eastern Caribbean［J］.Marine Policy，2004，28(5):393-409.

［10］ WANG S，HONG L，CHEN X.Vulnerability Analysis of Interdependent Infrastructure Systems:A Methodological Framework［J］.Physica A， 2012(391):3323-3335.

［11］ RUBBLKEe D，VOGELE S.Impacts of Climate Change on European Critical Infrastructures:The Case of the Power Sector［J］.A Environmental Science ＆ Policy，2011(14):53-63.

［12］ OUYANG M，DUENAS O L，MIN X.A Three-stage Resilience Analysis Framework for Urban Infrastructure Systems［J］.Structural Safety，2012(36):23-31.

［13］ SULTANA S，CHEN Z.Modeling Flood Induced Interdependencies Among Hydroelectricity Generating Infrastructures［J］.Journal of Environmental Management，2009，90(11):3272-3282.

［14］ LAGAROS N，KARLAFTIS M G.A Critical Assessment of Metaheuristics for Scheduling Emergency Infrastructure Inspections［J］.Swarm and Evolutionary Computation，2011(1):147-163.

［15］ KJOLLE G H，UTNE I B，GJERDE.Risk Analysis of Critical Infrastructures Emphasizing Electricity Dupply and Interdependencies［EB/OL］. ［2012-02-06］.http:∥dx.doi.org/

［16］ GUIKEMA S D.Natural Disaster Risk Analysis for Critical Infrastructure Systems:An Approach based on Statistical Learning Theory［J］.Reliability Engineering ＆System Safety，2009，94(4):855-860.

［17］ 施雅風(fēng)，朱季文，謝志仁，等.長江三角洲及毗連地區(qū)海平面上升影響預(yù)測與防治對策［J］.中國科學(xué):D輯，2000，30(3):225-232.

［18］ 孫學(xué)華，周興華，孫嘯.海陸垂直基準統(tǒng)一的研究進展［J］.海岸工程，2011，30(2):75-80.

［19］ 徐菊華，姜本海，姚楚光.長江中下游干流吳淞高程系統(tǒng)概論［J］.人民長江，2007，38(10):85-88.

［20］ 劉經(jīng)南，劉暉，鄒蓉，等.建立全國CORS更新國家地心動態(tài)參考框架的幾點思考［J］.武漢大學(xué)學(xué)報:信息科學(xué)版，2009，34(11):1261-1284.

［21］ 趙慶良，許世遠，王軍，等.沿海城市風(fēng)暴潮災(zāi)害風(fēng)險評估研究進展［J］.地理科學(xué)進展，2007，26(5):32-40.

［22］ 陳文方，方建，徐偉，等.長三角地區(qū)臺風(fēng)危險性定量分析［J］.自然災(zāi)害學(xué)報，2012，21(1):1-8.

［23］ 秦年秀，姜彤.基于GIS的長江中下游地區(qū)洪災(zāi)風(fēng)險分區(qū)及評價［J］.自然災(zāi)害學(xué)報，2005，14(5):1-7.

［24］ 曾歡.長三角地區(qū)水災(zāi)害應(yīng)急管理信息系統(tǒng)建設(shè)研究［J］.人民長江，2010，41(1):101-104.