王守強，周相君，朱曉彤，李淑蕓，朱安成，柳 杰

（1.自然資源部 第一海洋研究所渤海海峽生態(tài)通道野外科學觀測研究站,山東 青島 266061；2.山東省海洋預報減災中心,山東 青島 266104）

近百年來，全球變暖導致海面上升，沿海地區(qū)生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)正以前所未有的速度發(fā)生顯著變化。聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC）的第6 次氣候變化評估報告指出，目前的海平面上升處于加速狀態(tài)，并會在未來持續(xù)上升且呈現(xiàn)不可逆趨勢[1]。1980 年至2020 年這40 a 來，中國沿海海平面上升呈加速趨勢，平均上升速率為 3.4 mm/a，高于同期全球平均海平面上升速率（3.1 mm/a）；其中2011 年至2020 年這10 a 間中國沿海平均海平面持續(xù)處于高位[2]。海平面上升的長期累積效應會增加咸潮入侵、風暴潮和海岸侵蝕等海洋災害的發(fā)生頻率以及加劇其危害程度，影響海岸帶地區(qū)的生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)和海洋經(jīng)濟發(fā)展[3-5]。

為評估自然災害和環(huán)境變化的區(qū)域影響程度，生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)和社會經(jīng)濟系統(tǒng)研究者提出了系統(tǒng)承受外界條件改變能力的脆弱性（Vulnerability）概念。1981 年 Timmerman 將脆弱性概念引入地學領(lǐng)域[6]，由于研究對象和研究視角不同，目前不同研究領(lǐng)域界定“脆弱性”概念的角度和方式，以及概念的內(nèi)涵有很大差異[7]。海平面上升導致的海岸帶生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)脆弱性是指海平面上升導致的海岸帶生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的異常變化與社會經(jīng)濟系統(tǒng)的不穩(wěn)定特征。脆弱的海岸帶生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)自我恢復和再生能力較差，致使人類適應脆弱的海岸帶生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)能力有限。因此，評價和研究全球變化背景下的區(qū)域海岸帶生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)脆弱性，對海岸帶地區(qū)實現(xiàn)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展目標具有重要意義。

我國已開展了大量海平面上升對沿海地區(qū)影響的研究。例如：以沿?？h級行政區(qū)域為評估單元，從海岸帶自然環(huán)境和社會經(jīng)濟兩方面，綜合評價海平面上升背景下我國海岸帶地區(qū)的生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)脆弱性及區(qū)域差異[8]；用靜態(tài)情景模擬與基于地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，GIS）淹沒分析相結(jié)合的情景分析方法綜合評價中國海岸帶典型區(qū)域長江三角洲在全球氣候變化背景下的脆弱性特征[9]；運用源-路徑-受體-影響（Source-Pathway-Receptor-Consequences，SPRC）模型構(gòu)建中國沿海地區(qū)發(fā)展脆弱性評價指標體系，分析海平面上升對沿海地區(qū)發(fā)展脆弱性的影響及機理[10]；構(gòu)建沿海發(fā)展脆弱性評價指標體系，利用投影尋蹤聚類模型綜合評價沿海地區(qū)發(fā)展的脆弱性，分析海平面上升對沿海地區(qū)資源環(huán)境和社會經(jīng)濟發(fā)展的影響[11]；評估海平面上升對天津濱海新區(qū)各海洋功能區(qū)社會經(jīng)濟發(fā)展的影響和風險[12]。基于韌性城市理論構(gòu)建海平面上升影響及韌性評價模式，以廈門市為例開展不同時間情景下的海平面上升影響分析及韌性評估[13]?；贗PCC氣候變化綜合風險理論框架，構(gòu)建了“暴露度-敏感性-適應性”脆弱性評價指標體系，評估海平面上升和臺風事件背景下海南東寨港紅樹林生態(tài)系統(tǒng)的脆弱性主要特征[14]；通過確定濱海濕地的高程資本，分析濱海濕地高程相對海平面上升的變化趨勢，揭示控制高程變化的地表和地下過程，以此來預測未來濱海濕地對海平面上升的響應[15]。

國外也取得了一系列海平面上升對沿海地區(qū)影響的研究成果。例如：選定暴露度、敏感性和恢復力三類代表沿海物理、社會經(jīng)濟特征的17 個參數(shù)定制海平面上升的海岸帶脆弱性指數(shù)（Coastal Vulnerability Index，CVI）評價模型，利用 GIS 和遙感技術(shù)（Remote Sensing，RS）和CVI 將非洲沿海地區(qū)劃分為不同脆弱性程度的區(qū)域[16]；使用美國10 個潮汐沼澤地表高程表將水位上升與沼澤地表高程變化率進行比較，研究沼澤類型和地貌環(huán)境對高程變化、地表吸積、地下變化、沼澤海拔、與河道的距離以及潮差的影響[17]；根據(jù)海平面上升2.8 m 的總增幅評估脆弱區(qū)，使用層次分析法確定更大上升范圍的影響，并利用地理數(shù)據(jù)處理和研究區(qū)域的數(shù)字地形模型，在GIS 環(huán)境中模擬出了最脆弱區(qū)域[18]；使用4 個社會經(jīng)濟變量和8 個地質(zhì)變量，基于隨機森林模型（Random Forest，RF）選擇4 種不同迭代方法將所有變量基于像素的差分加權(quán)等級值積分，以確定影響海岸脆弱性指數(shù)的重要因素，評估發(fā)展和社會經(jīng)濟活動在海岸脆弱性分析中的作用[19]；在假設(shè)不確定海平面是否上升情況下，利用地理信息系統(tǒng)技術(shù)，Landsat 7 ETM+在內(nèi)的無云衛(wèi)星影像遙感數(shù)據(jù)、高程數(shù)據(jù)以及行政邊界地圖、鐵路和公路網(wǎng)、灌溉和城市區(qū)劃圖等其他專題地區(qū)數(shù)據(jù)估算了埃及達米埃塔（Damietta）海岸的海岸線后退情況并評估了海平面上升的影響[20]；根據(jù)印度尼西亞巴倫-巴波東嘎（Baron-Pok Tunggal）海岸類型，采用海岸脆弱性指數(shù)方法，結(jié)合多個機構(gòu)的建模和預測結(jié)果推導出的平均顯著波高、平均潮差、平均海平面上升等流體動力因子，以及通過觀測、系統(tǒng)采樣的野外直接測量、航拍照片提取和數(shù)字地表模型（Digital Surface Model，DSM）等方法獲得的地貌、海岸坡度、合并海灘平均寬度等形態(tài)動力學因子評估海岸脆弱性水平，確定基于脆弱性特征的海岸管理模式[21]。利用基于GIS 的綜合指數(shù)法，分析識別了5 個物理變量（地貌、海拔、絕對海平面上升、侵蝕-沉積、潮差）和1 個社會變量（人口密度），評估了印度孫德爾本斯（Sundarbans）海岸帶地區(qū)的脆弱程度[22]。

海平面加速上升的趨勢目前難以遏制，其對海岸帶區(qū)域的影響也不容忽視，我們需要對其引起的海岸帶脆弱性進行科學評估，以便提前布局規(guī)劃一些針對性措施。東營市作為黃河入海口，其獨特的地理條件和發(fā)達的社會經(jīng)濟發(fā)展水平?jīng)Q定了其海岸帶對海平面上升的敏感度更高。開展東營市的海岸帶脆弱性評估，為海岸帶防災減災和城市發(fā)展規(guī)劃提出科學建議，提高東營市的可持續(xù)發(fā)展?jié)摿?，是落實中央《黃河流域生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展規(guī)劃綱要》的重要工作。

1 研究區(qū)概況

山東省東營市是我國重要的石油化工基地，勝利油田80%的石油地質(zhì)儲量和85%的產(chǎn)量集中在東營[23]，所以東營市經(jīng)濟發(fā)達，人均生產(chǎn)總值居山東首位、全國前列。該市常住人口數(shù)量保持穩(wěn)步增長，截至2021 年末，常住人口數(shù)量達219.50 萬。東營市地處中緯度，背陸面海，屬暖溫帶季風型大陸性氣候，降水量季節(jié)與年際變化大，易形成旱、澇災害，而且該市海岸線覆蓋范圍廣，全長413 km，所有區(qū)縣均與海為鄰，在享受海洋帶來的資源與便利的同時也直面著海洋帶來的各種風險。

東營市地處黃河三角洲中心位置，黃河穿境而過，地勢沿黃河走向自西南向東北傾斜，總體地勢低平，平均海拔僅 8.8 m，是山東省平均海拔最低的沿海城市，也是我國沿海最年輕的陸地城市，全市“0” m 至岸線的灘涂面積為1 019 km2，－10 m 等深線以內(nèi)淺海面積為4 800 km2。河海交匯的優(yōu)越條件形成了完整、廣闊、豐富的濕地生態(tài)系統(tǒng)，這里建有包括黃河三角洲國家級自然保護區(qū)在內(nèi)的 6 個國家級自然保護區(qū)，是候鳥沿東亞—澳大利西亞和環(huán)西太平洋兩條遷徙路線遷徙時的中轉(zhuǎn)站、覓食地和繁殖地，目前已記錄的鳥類種類已達371 種。受黃河尾閭河道頻繁擺動、海岸侵蝕、河口淤積、植被演替和土壤發(fā)育等自然過程的影響，東營成為黃河流域環(huán)境動力系統(tǒng)最復雜、生態(tài)系統(tǒng)最脆弱的地帶之一[24]。

東營市的自然地理條件決定了其易受洪澇與風暴潮等災害的影響，尤其是疊加上海平面上升等因素，會加重其危害程度和范圍。東營市發(fā)達的社會經(jīng)濟發(fā)展水平和多樣的濕地生態(tài)系統(tǒng)在面對海平面上升時，也顯得尤為敏感與脆弱。因此，東營市未來的發(fā)展規(guī)劃與布局必須充分考慮海岸帶脆弱性水平，及時開展海平面上升背景下的海岸帶脆弱性評估。

2 評價方法

根據(jù)山東省東營市生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)和社會經(jīng)濟發(fā)展實際情況，遵循以人為本原則，從人類承受能力角度評估海平面上升造成的海岸帶脆弱性，選擇地面高程、地面沉降速率、溝壑密度、地表坡度等自然因子，以及人口密度、國內(nèi)生產(chǎn)總值（Gross Domestic Product，GDP）密度、建筑密度和斑塊密度等社會經(jīng)濟因子這2 類因子指標構(gòu)建海平面上升脆弱性評價指標體系，用層次分析（Analytic Hierarchy Process，AHP）法確定評價指標權(quán)重，將各指標數(shù)據(jù)標準化處理后，借助GIS 平臺采用海岸帶脆弱性指數(shù)（Coastal Vulnerability Index，CVI）評價模型，定量評價海平面上升背景下山東省東營市海岸帶的脆弱性，并劃分脆弱區(qū)、分析各脆弱區(qū)的脆弱性特征和區(qū)域差異，為東營市應對海平面上升和氣候變化，實現(xiàn)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展提供參考。

2.1 評價指標選取和評價指標體系的構(gòu)建

構(gòu)建海平面上升引起的海岸帶脆弱性評價指標體系和評價模型涉及自然、社會、經(jīng)濟諸多方面，選取參評指標時要盡量兼顧各種影響因素，全面反映海平面上升引起的海岸帶脆弱性的本質(zhì)特征。參考國內(nèi)外相關(guān)研究成果[9-22]，結(jié)合東營市的實際情況，根據(jù)區(qū)域生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)對海平面上升及引起的海洋災害敏感程度，選擇自然因子和社會經(jīng)濟因子兩類評價指標，構(gòu)建評價指標體系（圖1）。其中，自然因子類指標主要體現(xiàn)海平面上升對海岸帶生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)的壓力，社會經(jīng)濟因子類指標主要體現(xiàn)海平面上升對海岸帶人類經(jīng)濟活動的影響。

圖1 海平面上升引起的海岸帶脆弱性評價指標體系Fig.1 Assessment index system of coastal zone vulnerability caused by sea level rise

2.2 評價方法

2.2.1 計算評價指標權(quán)重

評價運算前，采用AHP 法計算各評價指標的權(quán)重。首先根據(jù)東營市實際情況按層次用九標度法對各項指標進行專家量化打分（1～9 分），再分層次構(gòu)造判斷矩陣，計算各指標的相對重要性。然后進行層次排序及一致性檢驗，通過一致性檢驗后確定各層次評價指標的權(quán)重。最后由3 位專家分別打分，計算得到權(quán)重取算數(shù)平均值得到最終的各項指標權(quán)重（表1）。

表1 東營市海平面上升導致的海岸帶脆弱性評價指標體系Table 1 Assessment index system of coastal zone vulnerability caused by sea level rise in Dongying City

2.2.2 數(shù)據(jù)來源及數(shù)據(jù)預處理

評價采用的高程數(shù)據(jù)源自國際科學數(shù)據(jù)服務平臺90 m 分辨率數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）數(shù)據(jù)，地面沉降數(shù)據(jù)源自2019 年東營市地面沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)[25]，溝壑密度和地面坡度是從東營市DEM數(shù)據(jù)提取后，進一步篩選分析并插值處理后的數(shù)據(jù)，人口密度和GDP 密度源自中國科學院資源環(huán)境科學與數(shù)據(jù)中心2019 年中國人口空間分布公里網(wǎng)格數(shù)據(jù)集[26]和中國GDP 空間分布公里網(wǎng)格數(shù)據(jù)集[26]，建筑密度和斑塊密度是篩選中國科學院資源環(huán)境科學與數(shù)據(jù)中心2020 年中國土地利用遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)[26]并運算得到的，以上所有數(shù)據(jù)最終在GIS 平臺中通過掩膜提取保持與東營市地理范圍一致。

2.2.3 數(shù)據(jù)標準化處理

在運算前，首先采用Min-max 標準化方法對其進行標準化處理，計算公式為：

式中：X′為標準化數(shù)據(jù)；X為原始數(shù)據(jù)；Xmin為原始數(shù)據(jù)極小值；Xmax為原始數(shù)據(jù)極大值。

將數(shù)據(jù)映射在區(qū)間[0,1]，根據(jù)原數(shù)據(jù)有效數(shù)字的要求，新數(shù)據(jù)的數(shù)值區(qū)間為[0,1 000]，計算公式為：

式中：X′為新數(shù)據(jù)；X為原始數(shù)據(jù)；Xmin為原始數(shù)據(jù)極小值；Xmax為原始數(shù)據(jù)極大值。

由于評價指標中既包含正向指標，又包含負向指標（表1），為改變負向指標數(shù)據(jù)的性質(zhì)，使所有指標對脆弱性評價的作用相同，還須進行正向化處理，即將原數(shù)據(jù)乘以-1 后再進行標準化處理。

2.2.4 評價模型運算

利用海岸帶脆弱性指數(shù)（CVI）法計算并衡量東營市的海平面上升導致的脆弱性，脆弱性指數(shù)大小反映海岸帶脆弱性程度[27]，脆弱性指數(shù)的數(shù)學表達式包括“積”與“和”兩種，研究發(fā)現(xiàn)采用“和”表達方式的脆弱性指數(shù)評價效果更好[28]?！昂汀北磉_方式的脆弱性指數(shù)計算公式為：

式中：CVI 為海平面上升引起的海岸帶脆弱性指數(shù)；Pi為某項指標的標準化數(shù)據(jù)值；Ci為某項指標權(quán)重。

3 評價結(jié)果與分析

3.1 評價結(jié)果

采用CVI 法在GIS 平臺中運算，得到東營市海平面上升脆弱性各柵格單元的數(shù)值，數(shù)值范圍為243.16～760.55，呈近似正態(tài)分布，即脆弱性等級大部分在中等脆弱性程度附近浮動?？傮w而言，海平面上升引起的東營市脆弱性綜合表現(xiàn)顯著：中部沿海地區(qū)最高，這主要是由于人口、財富等受災對象主要聚集于東營市中部主城區(qū)，且該區(qū)域地勢較低，以及長期采油、抽取地下鹵水等導致地面沉降速率大。東北部沿海區(qū)域次之，這是因為東北部地勢同樣較低，地面沉降速率也較大，但人口密度相對較小。西部和南部內(nèi)陸地區(qū)最低（圖2），這是因為南部和西部地勢較高、人口較少，未經(jīng)過劇烈開發(fā)，地面沉降速率較低。

圖2 海平面上升背景下東營市海岸帶脆弱性指數(shù)Fig.2 CVI in Dongying City in the context of sea level rise

3.2 評價結(jié)果分析

采用GIS 軟件的自然間斷點分割法對評價單元對象進行分類，將數(shù)據(jù)中分布比較明顯的“斷裂”處作為分類邊界點，得到5 個脆弱性等級（圖3）。東營市輕度脆弱區(qū)和中度脆弱區(qū)面積較大，分別為2 134.79 和1 967.61 km2，分別約占評價區(qū)域總面積的33.09%和30.50%；其次為重度脆弱區(qū)和低度脆弱區(qū)，分別為1 061.18和891.80 km2，各占評價區(qū)域總面積的16.45%和13.82%；極度脆弱區(qū)面積最小，396.31 km2，僅占總面積的6.14%（表2）。

表2 海平面上升背景下東營市海岸帶脆弱區(qū)面積及占比Table 2 Area and proportion of the coastal zone vulnerable areas in Dongying City in the context of sea level rise

圖3 不同程度海平面上升脆弱性空間分布格局Fig.3 Spatial distribution patterns of vulnerable areas with different degrees

東營市海平面上升的海岸帶脆弱性由成災因素與受災因素共同作用所致。前者是海岸帶環(huán)境與全球海平面上升交互影響而表現(xiàn)出壓力，偏重于自然屬性；后者則主要是生存于海岸帶的人與其活動區(qū)域及其生產(chǎn)的財富，偏重于人文屬性。從海平面上升脆弱性空間分布格局來看，東營市脆弱性整體處于較高水平，尤其人口和工業(yè)比較集中的主城區(qū)和北部區(qū)域。東營市整體低平的地勢和較低的平均海拔決定了在面對海平面上升時面臨的風險很高。極度脆弱區(qū)域主要集中于市區(qū)主要建成區(qū)及北部孤島鎮(zhèn)、仙河鎮(zhèn)等油田化工集中區(qū)域，在相似的自然地理條件下，更高的人口密度和經(jīng)濟活動集中度將面臨更高的脆弱性風險。

盡管有些縣區(qū)（如利津）多數(shù)區(qū)域處于低度和輕度脆弱等級，但由于本評估結(jié)果及脆弱等級劃分是基于東營本市的評估結(jié)果范圍，僅代表東營市范圍內(nèi)一個相對結(jié)果，并不代表該區(qū)域的脆弱性可以忽視。海平面上升是未來需要重視的一個普遍性問題，其引起的海岸帶脆弱性等級劃分標準需要建立在更大的范圍基礎(chǔ)上。

4 結(jié)論與建議

海平面上升已經(jīng)具有不可逆轉(zhuǎn)的趨勢，海平面上升影響沿海地區(qū)生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)脆弱性形勢嚴峻。本文利用層次分析法并采用海岸帶脆弱性指數(shù)模型構(gòu)建了以地面高程、地面沉降速率、溝壑密度、地表坡度、人口密度、國內(nèi)生產(chǎn)總值（Gross Domestic Product，GDP）密度、建筑密度和斑塊密度為指標的脆弱性評價體系，進而評估了由海平面上升引起的山東東營市脆弱性狀況。基于評估結(jié)果，得出如下結(jié)論。

1）東營市海岸帶脆弱性整體處于較高水平，尤其人口和工業(yè)比較集中的主城區(qū)和北部人口和工業(yè)比較集中區(qū)域。根據(jù)海平面上升引起的東營市脆弱性程度，可將全市劃分為低度脆弱區(qū)、輕度脆弱區(qū)、中度脆弱區(qū)、重度脆弱區(qū)和極度脆弱區(qū)，其中，輕度脆弱區(qū)和中度脆弱區(qū)占總面積比例較大，分別為33.09%和30.5%。

2）海平面上升引起的東營市脆弱性分布具有明顯的區(qū)域變化趨勢，呈從東北到西南遞降的顯著特征。

3）東營市所屬縣區(qū)中東營區(qū)受海平面上升的威脅最嚴重，幾乎全部屬于極度脆弱區(qū)和重度脆弱區(qū)，廣饒縣也是重度脆弱區(qū)域和極度脆弱區(qū)域面積較大的縣區(qū)，河口區(qū)內(nèi)部脆弱程度東高西低；墾利區(qū)脆弱度總體相對較低，除與東營區(qū)和河口區(qū)臨近的局部區(qū)域外，幾乎沒有極度脆弱區(qū)和重度脆弱區(qū)；利津縣是脆弱性程度最低的縣區(qū)，轄區(qū)內(nèi)絕大部分區(qū)域為低度脆弱區(qū)或輕度脆弱區(qū)。

海平面上升背景下的東營市海岸帶脆弱性既受全球氣候變化與海平面上升等自然致災因素影響，也與海岸帶區(qū)域的人類活動息息相關(guān)。在全球氣候變化與海平面上升這些持續(xù)且不可逆的趨勢下，預先開展相關(guān)的科學研究，加強監(jiān)控與預測的能力，構(gòu)建科學、合理的應對與化解機制十分必要。海岸帶區(qū)域作為受氣候變化和海平面上升影響最明顯的區(qū)域，深入開展脆弱性評估與應對研究非常必要。

東營市海岸帶脆弱性評估結(jié)果可供東營市各地區(qū)管理部門決策參考，為未來經(jīng)濟發(fā)展與城區(qū)規(guī)劃決策過程提供依據(jù)。根據(jù)評估結(jié)果，結(jié)合東營市海岸帶狀況，提出以下建議。

1）不同區(qū)域可結(jié)合本地目前的人口、產(chǎn)業(yè)分布，根據(jù)以上分析評估結(jié)果，有針對性地采取相應措施?？稍跇O度脆弱區(qū)和重度脆弱區(qū)布局海岸防護工程，保護沿海防護林及濱海濕地，建設(shè)生態(tài)海堤，提高應對海平面上升帶來的自然災害強度與頻率增加等的能力。

2）重視對海平面上升導致的海洋災害研究，建立權(quán)責明晰的海洋防災減災體制，加大海洋防災減災投入。

3）建設(shè)和完善區(qū)域海洋觀測網(wǎng)絡(luò)，將海平面上升導致的生態(tài)脆弱區(qū)作為重點監(jiān)控區(qū)域。

4）將海平面上升脆弱性評價納入?yún)^(qū)域發(fā)展與管理決策體系，對不同脆弱等級區(qū)域制定不同的處置和應對策略，應對海平面上升引起的生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)脆弱性加劇問題。

5）應科學規(guī)劃與管控地下鹵水及石油開采，緩解地面沉降，降低相對海平面上升速率，盡量避免在極度脆弱區(qū)和重度脆弱區(qū)域布局大規(guī)模生產(chǎn)與生活區(qū)[29]，沿海區(qū)域城市規(guī)劃嚴格遵循海岸建筑退縮線制度的管控要求，在充分論證海平面上升、風暴潮、海水入侵、海岸侵蝕等海洋災害最新影響范圍基礎(chǔ)上，確保將重點地區(qū)納入核心退縮區(qū)，以減輕各類海洋災害及次生災害的威脅。

本評估結(jié)果中最終等級的劃分基于評估區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)，是一個區(qū)域內(nèi)的相對結(jié)果。在將來的海岸帶防災減災實踐中，進一步深入開展海岸帶脆弱性評估具有重要意義，尤其是擴展研究區(qū)域，并制定一定的評估標準，可以獲得更加準確并可橫向比較的結(jié)果，為全國的海岸帶經(jīng)濟發(fā)展規(guī)劃及防災減災工作提供支持。