摘要:中國沿海地處世界危險海岸帶,全球海平面上升及地面沉降疊加所致的相對海平面上升已成為國內外沿海地區經濟社會發展面臨的重大戰略問題,地面沉降也已成為21世紀中國沿海地區相對海平面上升的主導和決定性因素.本文采用文獻分析法對絕對海平面上升及地面沉降兩大領域研究進行了綜述.目前國內外相對海平面上升研究主要集中在成因、機理、模擬計算、風險評估、動態監測、防控和管理等方面,與發達國家相比,中國相對海平面上升研究存在一定的滯后性,也缺乏陸海統籌及政策管理研究.隨著“一帶一路”戰略的深入,未來中國相對海平面上升研究需要針對沿海地區城市化及相對海平面上升趨勢特征,面向生態文明和可持續發展目標,科學提出發展戰略與政策建議.構建適合中國沿海特點的預測模型、風險評估體系與災害管理系統將是研究未來相對海平面上升的熱點和重要方向.

　　關鍵詞:沿海地區;相對海平面上升;地面沉降;趨勢;可持續發展

　　沿海地區是全球政治、經濟、科技、文化的重要區域,也是我國國民經濟和社會發展的戰略重心.全球約60%的人口居住在距海岸100km以內的沿海地區[1],且人口趨海移動的趨勢仍在不斷增強.沿海地區地勢低平,為海、陸、氣相互作用的生態過渡帶,生態環境十分脆弱,資源和環境系統對海平面變化異常敏感,是氣象災害、海洋災害、地質災害頻發地帶.

　　由于氣候變化、特殊的地質環境及城市化建設等原因,絕對海平面上升和地面沉降疊加造成的相對海平面上升已成為危及沿海地區經濟社會發展的重要因素之一.中國沿海地處世界危險海岸帶,90%沿海地區為中-高等脆弱區[2-3],這些地區常住人口約占全世界沿海危險區域總人口的27%[4],大多數城市僅靠防洪墻、海堤來保護城市[5].

　　有研究報道[6],到21世紀末,世界海平面上升導致的經濟損失將達到全球國內生產總值(GDP)的10%.氣候變化引起全球環境系統更迭,加速全球海平面上升[7].在高排放背景下,海平面上升值將遠高于國際政府間氣候變化專門委員會(IPCC)報告的估值.21世紀末全球平均海平面上升的上限將達2.5m[8].沿海地區人為經濟活動強度不斷增大,地面沉降已成為21世紀中國沿海地區相對海平面上升的主導和決定因素[9].相對海平面上升會全面加大沿海地區災害鏈的強度和頻率,引發災害的“共振”和“放大”效應[10],進而誘發一系列資源、環境、經濟、社會問題,加劇沿海地區風暴潮、洪澇等災害的地域性、動態性、群發性,全面增大沿海地區風險暴露性和脆弱性[11-12].

　　隨著“一帶一路”戰略的深入,預期沿海地區城市化發展加快,中國沿海地區暴露度將不斷增大,相對海平面上升災害和風險會持續趨高[13].沿海地區相對海平面上升是復雜性科學.隨著氣候變化和城市建設,20世紀80年代,國內外學者相繼開始對相對海平面上升開展研究[14-15].目前,相對海平面上升的研究主要集中在成因[16]、機理[7]、數學模擬計算[17-18]、風險評估[11,19-20]、監視監測[21]、工程防治[3,22]、災害管理[23]等方面.

　　與發達國家相比,中國相對海平面上升研究存在一定的滯后性.我國相對海平面上升研究需要針對沿海地區城市化特點及相對海平面上升趨勢特征,面向生態文明和可持續發展目標,著眼陸-海一體化角度,開展自然、經濟、社會跨學科攻關,大氣海洋-海岸系統化研究,定量化、模型化機理和致災探究,時空化風險綜合評估和風險管理,地區性生態化防治探索等系列化深入研究,為21世紀中國“一帶一路”戰略推進、沿海地區城市化發展及“風險與發展共存”管理提供有效的理論依據.

　　1相對海平面上升研究進展

　　1.1相對海平面上升成因

　　相對海平面上升是自然和人為因素共同作用的結果,主要因素由氣候、海洋、地質環境、資源開發、人為工程建設等方面,由此誘發一系列資源、環境、經濟、社會問題和風險,危及沿海地區城市化建設和經濟社會發展.

　　1.1.1絕對海平面上升絕對海平面上升的成因主要有3大方面:(1)全球海水水量變化,主要包括冰和雪的溶化和積累,以及通過降水、蒸發、表層徑流等大洋和大氣、陸地之間的水量變換;(2)海水密度變化引起海水體積變化,主要是溫度和鹽度的變化,稱比容效應,可分為熱比容和鹽比容[24];(3)地球構造變形,冰期和非冰期地球形狀變化造成海平面升降[25].目前, 引起絕對海平面上升主要由冰川和冰蓋融化及溫度熱膨脹等所致.另外,受風場、氣壓場、海-氣熱量和淡水通量、洋流階段性的影響,全球絕對海平面并非一致,而是具有十分明顯的時空差異和區域性特征[26].

　　1.1.2地面沉降

　　按照地面沉降發生的地質環境,地面沉降分3種模式:沖積平原模式(如天津)、三角洲平原模式(如長江三角洲、珠江三角洲)、斷陷盆地模式(如寧波)[27].地面沉降成因主要有:(1)地殼活動,包括地震、斷裂構造活動[16];(2)自然作用固結,包括土層自重、有機質氧化固結等;(3)礦產資源開發,主要包括固體(煤、鹽、金屬礦產)、液體(石油、地下水)和氣體(天然氣)等礦產開發活動[28];(4)地表和地下工程效應及動、靜荷載作用,包括地下空間開發、地表大規模工程建設和施工活動,地表大型點狀、線狀和面狀建筑物、市政工程堆載以及地表、地下交通運輸等工程活動的綜合作用[29],即建設工程性地面沉降.

　　上述因素將成為中國沿海地區相對海平面上升的主導因素.國內外對地面沉降的研究相對較為深入,如地下水開發引發地面沉降的成果豐碩[30-32],且成果應用效果良好.地面沉降研究相對領先國家主要有日本[33]、美國[34]、中國[35]等,而中國在建設工程性地面沉降研究方面的水平處于國際領先地位.

　　1.2相對海平面上升監測

　　1.2.1海平面變化觀測

　　目前,海平面觀測手段主要包括驗潮站和衛星高度計2大類.中國的潮位觀測始于1860年,系統的驗潮站工作始于1964年,現有的海平面觀測網擁有100余個觀測站.自1993年以來,高精度衛星高度計成為觀測全球海平面變化的重要手段[21].

　　1.2.2地面沉降監測中國是世界上地面沉降監測、研究和防治較早的國家之一.目前,地面沉降監測主要包括地下水動態和地面變形兩方面.地下水動態包括水量、水位和水質;水位主要監測含水層水位及黏土層孔隙水壓力;地下水位監測手段有人工和自動化實時監測.地面變形監測主要有水準測量、三角高程測量、數學攝影測量、InSAR、GPS、分層監測標(包括基巖標和分層標)等,監測方式由單一方法向多種方法融合轉變[36].目前,陸海監測基本分離.陸海統籌監測,利用地面沉降數據對驗潮站監測成果進行分析和校核,加大現代科技成果在相對海平面上升監測中的應用是趨勢所在.

　　1.3相對海平面上升預測方法目前,相對海平面上升預測一般通過絕對海平面和地面沉降疊加而成.模擬計算方法主要有統計分析法、理論疊加法、直接假設法、數值模擬法等[17,37].國內各種模擬計算方法各有特點,精度和適用性也存在差異.充分融合絕對海平面上升和地面沉降監測成果進行模擬計算,開發適合中國特點的統計分析、數值模擬方法是趨勢所在.

　　1.3.1統計分析法利用一系列長期驗潮站多年歷史觀測數據進行數學統計分析,得到過去海平面變化的主要周期和速率,通過此關系式外推預測未來相對海平面上升的趨勢[38].這類預測方法包括Barnett法、譜分析法、隨機動態模型法、灰色系統分析法、經驗模態分析法、顯著周期振動法以及灰色線性回歸模型法[39].

　　1.3.2理論疊加法基于絕對海平面上升值疊加區域地面沉降速率進行相對海平面上升預測.絕對海平面上升值采用IPCC報告給出的全球絕對平均海平面上升預測值,或采用區域平均海平面上升值.地面沉降速率采用當地長期驗潮站數據,或由大地水準測量數據計算獲得[40].

　　1.3.3直接假定法直接給出未來相對海平面上升值來預測評估海平面變化.一是指定時間,同時給出相應的海平面上升值,即應用全球或區域相對海平面上升數據,預測特定時間(如2050年)海平面上升值;另一是只給出相對海平面上升值,不考慮海平面達到該高度的時間,即假定相對海平面上升某一值,對某一沿海地區淹沒等災害風險進行預測評估[41].

　　1.3.4數值模擬法

　　通過建立全球海洋環流模式,或采用“基于過程”模式[8],應用海表面溫度數據,對全球絕對海平面變化進行模擬分析[42];通過分析建立海-氣耦式模型,對全球絕對海平面上升進行模擬預測[43].地面沉降方面,通過建立地下水水流模型、土體變形的水土力學模型及地下水水流與土體變形的耦合模型,對地下水開采所致的地面沉降進行模擬預測.地下水流模型主要有:二維流模型、準三維流模型、三維流模型.土力學模型主要有滲透固結模型、流固耦合模型、非線性模型、彈性模型、流變模型.耦合模型可分兩步計算模型、部分耦合模型及完全耦合模型.

　　此外,還有通過構建海平面響應全球溫度或輻射強迫變化統計關系的半經驗法[37];通過專家判斷和隨機抽樣來估算未來海平面上升情景和概率的專家分析法等[44].

　　1.4相對海平面上升風險評估

　　相對海平面上升,改變了海洋水動力環境條件,引起沿海地區自然系統變化,加重了一系列災害效應和風險程度[45],加劇了沿海地區社會經濟系統、生態環境系統的脆弱性. 相對發達國家,國內對海平面上升多種水源極值水位疊加災害鏈的研究起步較晚,對未來不同上升情景下中國沿海地區災害風險評估較少,多致災因子疊加、耦合非線性效應和極端水位不確定性研究不多[13],研究缺少對陸面系統及人類經濟社會系統的綜合考慮.

　　1.4.1沿海風暴潮目前,風暴潮研究主要集中在數值模擬、重現期計算和災情損失評估等方面.風暴潮災害風險評估主要針對危險性和脆弱性兩大方面.在此基礎上,應用風險概念模型,對沿海地區風暴潮災害風險進行綜合評估[20].基于2015年數據,如果2050年海平面上升0.3m,并疊加風暴潮和天文大潮情景下,中國海洋經濟損失將達35444.6億元,占海洋生產總值的9.39%[46].

　　1.4.2低海拔地區淹沒沿海大量低海拔地區被淹沒,社會經濟暴露度不斷增大.應用數字高程模型,結合人口、經濟、土地利用資料,構建中國海平面上升風險暴露度模型評價表明,高暴露度區域主要集中在長江三角洲和蘇北沿海、珠江三角洲及環渤海等濱海平原地區;而且,影響的人口和經濟總量逐漸增加[11].對全球128個沿海大城市洪水淹沒損失評估表明,到21世紀末,美國新奧爾良和中國廣州預期年度風險最高,損失值將超過1萬億美元[19].

　　1.4.3城市洪澇相對海平面上升造成感潮河道水位上漲,城市排污和泄洪能力大大降低,嚴重影響城市防洪安全[47].暴雨時,城區大范圍積水、污水倒灌、河道淤積、航道和海港運行受阻;平原區河網水位上升,農業大幅減產.1975—2016年,全球因洪水死亡人數80%在距海100km地區[48].有研究表明[9],相對海平面上升200、400、600m,則珠江三角洲百年一遇的洪水將相應降至50年、20年和10年一遇,即洪澇災害將分別增加2倍、5倍和10倍.

　　1.4.4水資源咸化相對海平面上升,引起海水入侵地表河流和地下含水層,加大了地表水和地下水被咸化的規模和速率,危及沿海地區地下水及河口地表水資源的可持續利用[49-50].

　　海水入侵地表河口距離采用經驗模型;海水入侵地下含水層一般采用突變界面模型,基于海水-淡水以彌散帶接觸的過渡帶模型已成為目前主要的研究方向.基于FVCOM模式三維潮流鹽度數值模型預測表明[51],相對海平面上升0.3、0.6、1.0m,錢塘江河口潮水入侵距離將上溯1.1~2.8km、2.2~5.9km、6.0~9.8km.

　　1.4.5生態環境破壞

　　海平面上升嚴重影響海岸帶生態系統[52].IPCC海岸管理小組(CZMS)對21世紀灘涂濕地損失預測顯示[53]:至2080年,因全球海平面上升,世界灘涂濕地損失將達22%;若加上人類活動影響,全球灘涂濕地損失將達70%.應用海平面上升濕地影響模型(SLAMM)和多種生態系統服務價值評估方法,從淹沒面積和生態系統服務價值變化兩方面來評估海平面上升對濕地生態系統和資源風險,其潛在風險遠大于顯性風險[54].

　　1.5相對海平面上升防治及其效益

　　目前,相對海平面上升防治主要從工程性、技術性、政策性幾方面考慮.相對海平面上升防治措施主要有6大方面:

　　(1)修建防汛墻、防潮閘和排水(污)泵站;(2)提高建筑物地基設計高度和標準,對低洼地進行改造;(3)建立相對海平面上升監測網絡,開展海平面、地下水和地面變形監測;(4)壓縮或禁止地下水開采,開展地下水人工回灌;(5)開展控制全球海平面上升和地面沉降防治研究;(6)制定有關大氣排放、海平面上升、地下水資源開發利用、地面沉降防治的政策、制度和法規.20世紀60年代初以來,上海開始采取一系列措施控制地面沉降,使得上海地面沉降趨緩,控制地面沉降效益為6159.42億元[55].

　　預測珠江三角洲2030年、2050年、2100年海防工程效益為86.85億~93.01億元[3].通過對人工回灌地下水和建設可移動擋浪墻工程措施論證比較,回灌地下水防治地面沉降的效益高達幾十倍以上[22]. 國內相對海平面上升防治研究大多局限在工程性措施上,法規、政策性研究成果不多,缺乏生態性工程防護研究,災害不確定性風險防范管理及彈性恢復措施研究亟待加強[8].

　　相對海平面上升具有跨學科和多學科性,雖然各領域專家分別從海洋學、地質學、地理學等角度開展相關研究,但缺乏融合各學科的系統研究.相對海平面上升是個非線性的復雜巨大系統,大多數研究尚處在定性描述階段,機理性研究不足,缺乏定量評估與分析;在研究和評估中,考慮地面沉降等人為因素相對有限[13].

　　與發達國家相比,國內相對海平面上升總體研究不多,陸、海二元分割,缺乏統一研究與管理;著重于技術理論,缺乏政策管理研究;城市安全適應性措施研究處于起步階段;未開展專門戰略規劃編制探索,著眼于沿海可持續發展角度的研究成果不多.

　　2未來相對海平面上升研究趨勢

　　20世紀90年代以來,有關國內外海平面上升文獻綜合分析表明,研究熱點已從單一的海平面上升,逐漸延伸到“氣候變化”“海岸帶”“適應性”“生態系統服務功能”等領域[56-57].

　　近幾年,國際組織和主要海洋國家圍繞全球氣候變暖、海平面上升,發布了一系列計劃、規劃和戰略研究報告.這些報告起始時間大致在2010—2017年,目標時間大多在2020—2030年.例如,聯合國計劃開發署(UNDP)等的《海洋與海岸可持續發展藍圖》,國際科學聯盟(ICSU)的《未來地球研究計劃(2014—2023年)》[58],英國海洋科學合作委員會的《英國海洋科學戰略(2010—2025年)》、聯合國《海洋科學可持續發展十年規劃(2021—2030年)》等.研究方向主要為全球變化、海岸帶可持續發展、學科融合、資源管理、災害恢復、城市安全、人類活動影響等.

　　2.1研究內容由單一轉向綜合相對海平面上升是個非線性的復雜巨大系統,需要關注研究學科、對象、領域、內容、因子的綜合性和系統性.相對海平面上升具有跨學科和多學科性,需將自然科學和社會科學密切結合起來,相對海平面上升研究也需逐漸轉向社會、經濟、生態等綜合問題[45],社會、經濟研究已成為相對海平面上升研究的一個重要組成部分.需把中國沿海地區作為一個海-陸-人類相互作用的整體系統來開展研究,海岸帶社會-生態系統研究成為相對海平面上升的前沿領域.

　　2.2研究方法由定性轉向定量相對海平面上升研究將逐漸由定性經驗評述轉向定量化、模型化、動態化.從定量角度,加強全球氣候變化機理及相對海平面上升變化影響機制的研究;應用新的科技手段和方法,開展災害、資源、環境和經濟、社會各類要素的定量分析和綜合評價,建立更具物理意義和準確的氣-海-陸-人類活動數學模型,開展多災種疊加和非線性效應研究,對中國沿海地區資源、環境、經濟、社會、生態進行高精度動態模擬、風險評價和有序管理.

　　2.3研究尺度從全球轉向區域相對海平面上升時空性強,區域性特征十分明顯.在全球氣候變化背景下,結合區域或地區經濟社會發展模式,從區域尺度和地區性尺度,系統研究、綜合分析全球性海平面變化趨勢,地區性地面沉降動態防治及區域性社會-生態系統優化調控,提出適合中國沿海地區特點的相對海平面上升預測模型及風險評估指標體系,這對我國沿海地區經濟社會發展更具現實和戰略意義.

　　2.4研究領域從分割轉向一體海岸帶是陸、海相互作用的交錯地帶,是相對海平面上升研究的共同區域,但目前我國的研究及管理存在:陸、海二元分割,陸地與海洋缺乏統一管理;部門管理沖突,海洋帶的管理尤其潮間帶分屬多個部門;區域缺乏協調,中國海岸帶11個省、自治區、直轄市沖突嚴重.陸-海一體、跨部門合作、跨區域整體協調及系統化、一體化、生態化、精細化研究和管控相對海平面上升問題,成為必然趨勢[59].

　　2.5研究重點從理論轉向管理從可持續利用和發展的角度來認識并管理人類活動和行為是必然趨勢.中國沿海地區發展需要樹立“適應”的理念,需要調整和控制人類活動的行為,適應資源和生態環境的變化,緩解城市化發展面臨的風險[60].將相對海平面上升研究重點放在應對海平面適應措施上[61],有序管理不合理、不科學人為工程活動的研究上;強化基于生態系統的海防工程研究[62];結合中國國情和沿海區情,構建融入國土可持續開發戰略框架下的相對海平面上升適應性對策治理和管理體系.

　　2.6研究目標從災害轉向發展

　　在災害研究的基礎上,尋找中國沿海地區資源及環境可持續利用及經濟社會可持續發展模式,觀測和預測沿海社會-生態系統發展趨勢、驅動因素及其相互作用,系統研究中國沿海地區災害風險防范及彈性恢復措施,實現“災害和風險共存”“風險與發展共存”的可持續發展模式,以預防、應對或減緩相對海平面上升災害風險[63-64];優先研究沿海地區循環“綠色經濟”、可持續“藍色社會”,為中國沿海地區“社會-生態”系統適應全球變化及與“風險與發展共存”的經濟社會可持續發展提供理論支撐.

　　3結語

　　地球已進入了人類世的新紀元.隨著氣候變化及“一帶一路”戰略和城市化進程的加快推進, 地面沉降對中國沿海地區相對海平面上升的影響加大,相對海平面上升幅度加快,增加了21世紀中國沿海地區城市化發展風險.2019年IPCC第六次報告指出:重點區域應考慮海平面上升可能上限;建議采取“降低海岸帶城市化程度,控制人為因素造成的地面沉降”等措施,以降低沿海地區暴露度和脆弱性.

　　從戰略角度深入研究,提出積極有效、可持續和具有彈性的綜合應對方案[16].當前,我國相對海平面上升監測手段和設施需要更新,監測數據分析、挖掘研究不足;地面沉降等人為因素考慮有限,缺乏絕對海平面上升和地面沉降有機融合分析和研究;大量的研究尚處于定性分析層面,缺乏多學科融合研究、成因機理綜合分析及定量化、系統化動態模擬;風險評估多為大尺度論述,缺乏多災種疊加和非線性效應研究;研究成果與沿海地區城市化建設和經濟社會發展結合不密切,實用性不強;多數研究側重技術理論,缺乏政策管理及城市安全和發展戰略研究.

　　今后,相對海平面上升研究需要強化系統性、綜合性和動態性,應融合手段、集成技術、多學科攻關.需面向生態文明,針對我國“一帶一路”戰略及城市化發展的需求,基于多層次、多尺度、多視角、多情景,有機集成復雜系統動態仿真、地理空間、大數據、“3S”等技術,構建適合中國沿海特點的相對海平面上升耦合預測模型、風險評估指標體系、風險決策平臺、災害管理系統,多目標動態模擬,時空信息集成分析,動態化致災研究和災害預警,多層次決策分析,科學地提出應對和適應氣候變化、建設工程性地面沉降、相對海平面上升和城市化發展的技術對策、管理策略、發展戰略及經濟政策建議,實現中國沿海地區治理現代化和發展生態化.

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　　作者：鄭楷源1,2,高超1,2,3*,鄭銑鑫4,易李艾藜5,譚琳珊1,2,黃憶夢6