地面沉降對(duì)渤海灣風(fēng)暴潮災(zāi)害防治的影響研究

王 威,周 俊,易長(zhǎng)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(guó)渤海三大海灣之一,位于渤海西部,北起河北省樂(lè)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(yùn)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(duì)松散沉積物,最大沉積厚度可達(dá)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(dǎo)致地面標(biāo)高損失;局部的地面沉降,尤其是不均勻沉降,對(duì)城市軌道交通和橋梁等基礎(chǔ)設(shè)施的安全運(yùn)營(yíng)將產(chǎn)生嚴(yán)重威脅.

渤海灣是我國(guó)風(fēng)暴潮最嚴(yán)重地區(qū)之一,風(fēng)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(lái),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(biāo)高;風(fēng)暴潮頻率加大引發(fā)的潮水水位屢屢接近、甚至超過(guò)警戒潮位,多次漫溢防潮堤.本文著重分析地面沉降對(duì)于風(fēng)暴潮災(zāi)害和防治對(duì)策.

1 渤海灣風(fēng)暴潮災(zāi)害

(1)渤海灣風(fēng)暴潮類型

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

(2)渤海灣風(fēng)暴潮頻率

公元前48年已有關(guān)于渤海灣風(fēng)暴潮的記載,16世紀(jì)(明朝嘉靖年間)記載開(kāi)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(fēng)暴潮29次,平均1.7 年一次.其中高潮位≥5.4 m的強(qiáng)風(fēng)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(fēng)暴潮災(zāi)害的頻率和強(qiáng)度較歷史上有明顯增加的趨勢(shì)[2,3].

(3)渤海灣風(fēng)暴潮季節(jié)變化

渤海灣風(fēng)暴潮在發(fā)生頻率和強(qiáng)度有明顯的季節(jié)變化.北上臺(tái)風(fēng)只在夏季影響到渤海地區(qū),溫帶氣旋風(fēng)暴潮常發(fā)生在春秋過(guò)渡季節(jié).1950～1997年期間,夏季(7～9月)曾出現(xiàn)18次風(fēng)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(fēng)(離岸風(fēng)),不出現(xiàn)增水的風(fēng)暴潮.

根據(jù)近2000年來(lái)的史料記載,風(fēng)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(qiáng)熱帶風(fēng)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(dá)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(fēng)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(guò)警戒潮位0.38m、0.27m和0.33m.

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

(4)渤海灣風(fēng)暴潮災(zāi)害

強(qiáng)風(fēng)暴潮的發(fā)生,常給沿海地區(qū)造成嚴(yán)重的災(zāi)害,造成生命財(cái)產(chǎn)損失.

(3)通過(guò)黏溫轉(zhuǎn)換及和實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)換，可以得到和實(shí)驗(yàn)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(huì)相應(yīng)變化，因此需要根據(jù)配方、樹(shù)脂的不同進(jìn)行相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置，不能用一組數(shù)據(jù)計(jì)算所有的產(chǎn)品，從本例的計(jì)算來(lái)看，如果只用一組參數(shù)，相對(duì)平均偏差為9.79%，而如果根據(jù)所用樹(shù)脂的情況進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置和計(jì)算，相對(duì)平均偏差為1.17%。這一工作需要現(xiàn)場(chǎng)人員將采樣時(shí)的在線黏度、溫度、實(shí)驗(yàn)室黏度記錄好，建議每一批的數(shù)據(jù)量至少3個(gè)以上，最好5個(gè)以上，這樣得到的轉(zhuǎn)換參數(shù)會(huì)更準(zhǔn)確。

1895年4月28日風(fēng)暴潮侵襲大沽口,據(jù)天津"直報(bào)"記載:"沿海浪高7 m,高潮越過(guò)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(yíng)基地都被沖得蕩然無(wú)存,海擋全部沖沒(méi)"."塘沽淹沒(méi)土屋將及千數(shù)百家".滄縣縣志也記載:"海嘯,海防各營(yíng)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(fēng)暴潮,歧口最高潮位達(dá)5.72 m,沖毀50 km海擋和大部分橋梁,斷絕交通,沿海22個(gè)村進(jìn)水,戶內(nèi)平地水深1 m,給沿岸人民帶來(lái)難以估量的損失.

1992年9月1日16號(hào)臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮是建國(guó)以來(lái)最嚴(yán)重的風(fēng)暴潮災(zāi)害.豐南澗河口高潮位達(dá)4.82 m,天津塘沽5.93 m,均為建國(guó)以來(lái)的最高值.據(jù)統(tǒng)計(jì),河北省沿海沖毀蝦池10440公頃,淹沒(méi)鹽田、房屋,沖毀海擋、公路,直接經(jīng)濟(jì)損失3.42億元.天津沿海3萬(wàn)多戶居民房屋進(jìn)水,港區(qū)碼頭受淹,造成直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)3.99億元[3].

1997年8月20日11號(hào)臺(tái)風(fēng)進(jìn)入渤海灣,天津、河北沿海地區(qū)普降大到暴雨,伴隨著大風(fēng)天氣,發(fā)生嚴(yán)重的風(fēng)暴潮災(zāi)害.滄州和豐南沿海最高潮位分別達(dá)到5.45 m和4.50 m,為當(dāng)?shù)睾币?jiàn)的高潮位.這次風(fēng)暴潮造成19個(gè)縣市、137個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)、3200個(gè)村莊、200萬(wàn)人受災(zāi),全省損失超過(guò)了10億元.

根據(jù)歷史記載資料,自1895年到1992年,環(huán)渤海風(fēng)暴潮淹沒(méi)區(qū)范圍見(jiàn)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(lái),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(shì)嚴(yán)峻,其中以渤海灣天津和河北岸段的地面沉降最為嚴(yán)重,見(jiàn)圖2.

天津?yàn)I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(kāi)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(dá)到了80～150 mm/a的極大值, 1986年以后地面沉降進(jìn)入漸緩階段.天津?yàn)I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(jì)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?yàn)I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(jì)沉降74mm,至1990年達(dá)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(jì)沉降量達(dá)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(duì)風(fēng)暴潮災(zāi)害防治的影響

3.1 地面沉降對(duì)風(fēng)暴潮潮位測(cè)定及研究的影響

受沿海平原區(qū)長(zhǎng)期緩慢沉降的影響,天津地區(qū)的水準(zhǔn)點(diǎn)不斷下沉.這對(duì)風(fēng)暴潮水位測(cè)量和風(fēng)暴潮潮位對(duì)比研究均會(huì)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(fēng)暴潮為例,從圖3中的海平面來(lái)看,1938年風(fēng)暴潮水位比1992年更高,但從風(fēng)暴潮潮水高程數(shù)值上看,前者為5.5m(相對(duì)1938年大沽零點(diǎn)位置),后者為5.93m(相對(duì)1992年新大沽零點(diǎn)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(fēng)暴潮測(cè)量的起算基點(diǎn)沉降,直接影響到對(duì)風(fēng)暴潮重現(xiàn)期水位高度值的正確判斷,同時(shí)影響到多期風(fēng)暴潮潮位對(duì)比研究結(jié)果的可信度.

3.2 地面沉降對(duì)加劇風(fēng)暴潮災(zāi)害的影響

對(duì)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(biāo)準(zhǔn),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(biāo)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(fēng)暴潮侵襲為標(biāo)準(zhǔn),平均高程達(dá)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(dāng)加高堤頂標(biāo)高,在設(shè)計(jì)和施工時(shí)不能簡(jiǎn)單地照抄當(dāng)?shù)馗叱滔邓疁?zhǔn)點(diǎn)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(duì)制定防風(fēng)暴潮預(yù)案的影響

(1)防風(fēng)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(hào)).預(yù)案中明確將防汛防潮預(yù)警分為I級(jí)(紅色)、Ⅱ級(jí)(橙色)、Ⅲ級(jí)(黃色)和Ⅳ級(jí)(藍(lán)色)預(yù)警.

I級(jí)(紅色)預(yù)警是預(yù)計(jì)未來(lái)海港保稅區(qū)沿岸受影響區(qū)域內(nèi)將出現(xiàn)超過(guò)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(dòng)預(yù)案的相應(yīng)內(nèi)容通報(bào)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(dòng)Ⅰ級(jí)(紅色)預(yù)警搶險(xiǎn)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(dòng)Ⅰ級(jí)(紅色)預(yù)警搶險(xiǎn)救災(zāi)預(yù)案的指令;③防汛防潮指揮部總指揮隨時(shí)準(zhǔn)備進(jìn)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(dǎo)24小時(shí)帶崗值班,搶險(xiǎn)隊(duì)員及設(shè)備隨時(shí)待命.

Ⅱ級(jí)(橙色)預(yù)警是預(yù)計(jì)未來(lái)海港保稅區(qū)沿岸受影響區(qū)域內(nèi)將出現(xiàn)超過(guò)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(bào)信息報(bào)告總指揮,并根據(jù)總指揮指令防汛指揮部召開(kāi)分析會(huì)議;②指揮部各成員單位按各自職責(zé)迅速做好相應(yīng)準(zhǔn)備工作,保持待命狀態(tài);③防汛辦公室密切跟蹤監(jiān)測(cè)雨水,潮情變化,隨時(shí)通報(bào)汛情發(fā)展趨勢(shì)情況,并按照具體實(shí)施方案,組織人員巡視,加固沿海閘口,做好排水除澇準(zhǔn)備工作;④各防汛單位要由主要領(lǐng)導(dǎo)24小時(shí)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(dǎo)24小時(shí)帶崗值班.

Ⅲ級(jí)(黃色)預(yù)警是預(yù)計(jì)未來(lái)海港保稅區(qū)沿岸受影響區(qū)域內(nèi)將出現(xiàn)超過(guò)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(shí)跟蹤監(jiān)測(cè)雨水、潮情變化,隨時(shí)通報(bào)汛情發(fā)展趨勢(shì)情況;②防汛辦公室全體人員到崗,各防汛單位要24小時(shí)值班.

Ⅳ級(jí)(藍(lán)色)預(yù)警是指區(qū)內(nèi)24小時(shí)降雨量30mm～60mm,通過(guò)合理調(diào)度,保證區(qū)域降水及時(shí)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(duì)防風(fēng)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(jí)別的確定,是根據(jù)潮水的高潮位超過(guò)防潮警戒水位的高度,討論地面沉降對(duì)防風(fēng)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(gè)方面著手.

科學(xué)合理確定防潮警戒水位,使防災(zāi)系統(tǒng)既能在較嚴(yán)重風(fēng)暴潮災(zāi)害時(shí)有效地組織防災(zāi)工作,又能在輕微風(fēng)暴潮災(zāi)害中避免不必要的防災(zāi)浪費(fèi)和驚慌,同時(shí)為風(fēng)暴潮預(yù)警部門(mén)提供災(zāi)害預(yù)測(cè)的標(biāo)準(zhǔn).防潮警戒水位基準(zhǔn)面要統(tǒng)一到國(guó)家或地區(qū)使用的基準(zhǔn),要求有明確的水平基準(zhǔn)面和水位標(biāo)志說(shuō)明,同時(shí)要求水位標(biāo)志必須是長(zhǎng)期固定的,以便對(duì)風(fēng)暴潮災(zāi)害的發(fā)展變化進(jìn)行監(jiān)視[7].目前,天津地區(qū)風(fēng)暴潮警戒潮位為4.9m(2004年核定,凍結(jié)高程).地面沉降對(duì)于警戒水位值確定有影響,由于地面沉降,水位標(biāo)志高程是處于持續(xù)下降的過(guò)程,從而導(dǎo)致警戒水位相對(duì)可能偏低.

超警戒水位值是防風(fēng)暴潮各級(jí)預(yù)案的確定界限,該值的大小決定預(yù)警級(jí)別的高低和相關(guān)應(yīng)對(duì)措施的力度.由于潮水位測(cè)量的起始點(diǎn)在驗(yàn)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(biāo)高.若驗(yàn)潮站的水位測(cè)量標(biāo)志與防潮堤均處于標(biāo)高穩(wěn)定或相同沉降速率,則超警戒水位值仍可以準(zhǔn)確標(biāo)示最高潮水位漫溢防潮堤頂?shù)母叨?對(duì)于預(yù)警級(jí)別的確定沒(méi)有影響.地面沉降對(duì)于超警戒水位值是否能真實(shí)標(biāo)示潮水位漫溢影響,在于不均勻沉降,驗(yàn)潮水準(zhǔn)標(biāo)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(bào)級(jí)別過(guò)高;如果前者低于后者,則預(yù)報(bào)級(jí)別過(guò)低.

4 結(jié)論

渤海灣濱海地區(qū)風(fēng)暴潮頻發(fā),同時(shí)存在嚴(yán)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(duì)渤海灣風(fēng)暴潮災(zāi)害防治的影響有3個(gè)方面:

(1)風(fēng)暴潮測(cè)量的起算基點(diǎn)沉降,直接影響到對(duì)風(fēng)暴潮重現(xiàn)期水位高度值的正確判斷,同時(shí)影響多期風(fēng)暴潮潮位對(duì)比研究結(jié)果的可信度.

(2)地面沉降導(dǎo)致防潮堤頂標(biāo)高逐年下降,防潮能力下降.

(3)地面沉降引起驗(yàn)潮水準(zhǔn)標(biāo)尺高程持續(xù)下降,從而導(dǎo)致警戒水位相對(duì)于歷史水平存在偏低的可能性.另外,驗(yàn)潮水準(zhǔn)標(biāo)尺與防潮堤之間的不均勻沉降,極可能導(dǎo)致預(yù)報(bào)級(jí)別偏高或偏低.

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