天津沿海风暴潮灾成因分析及防潮减灾对策

2011-04-12张鸿翔

海洋预报 2011年1期

关键词：大沽风暴潮防潮

高莹，张鸿翔

（天津市水文水资源勘测管理中心，天津 300061）

天津沿海风暴潮灾成因分析及防潮减灾对策

高莹，张鸿翔

（天津市水文水资源勘测管理中心，天津 300061）

概述了天津的历史风暴潮及潮灾，对天津沿海风暴潮进行了成因分析，引用了大量有关风暴潮的实例资料，对天津沿海的潮汐特性、致灾因素和防潮减灾提出了具体的建议。有些论点、论据是首次提出的。可供防潮决策部门参考。

风暴潮；成因；防灾措施

1 引言

风暴潮是常见的自然灾害之一，天津沿海是风暴潮易发地区。随着天津市滨海新区的设立和地域经济的飞速发展也对防潮、减灾工作提出了更高的要求。

天津沿海有海河、独流减河、永定新河三大河口和137.2 km长的海岸线。1958年建成海河防潮闸，此后独流减河建成工农兵闸，2009年永定新河河口闸建成。三大河口的防潮功能和海挡的加高加固工程使得天津沿海防潮能力有了大幅度的提高。但是抵御风暴潮的工作目前仍存在薄弱环节，如地面下沉引发的防潮能力衰减和特大风暴潮对沿海地区可能造成潮灾的潜在威胁依然存在。所以需要对天津沿海风暴潮的特性和成因分析，应用“以防为主、防重于抢”的防潮理念，作出有效的应对措施，可以在遭遇大风暴潮时，把灾害程度降至最低。

2 天津沿海风暴潮概述

中国近代史天津沿海的风暴潮。1895年4月28～29日（农历四月初三、四）天津沿海发生了罕见的风暴潮，据当时的天津《直报》记载：“东南风如吼，时雨时止，入夜风益怒号，雨如瀑布”塘沽沿海海浪高7 m，高潮越过新河，船只被冲走，“塘沽漂没土屋千数百家”。因大沽基点是1902年启用的，此前尚无大沽基面，据分析推算1895年的风暴潮最高潮位相当于大沽基面潮位5 m左右。

1938年8月11日（农历七月十六日），渤海湾有六级以上的东北风，天津市日降水量为131.3 mm，高潮位4.80 m，渤海湾西岸大部地区潮水入侵20～30 km，塘沽沿海村庄被淹，蛭头沽大潮入户。

1939年8月31日（农历七月十七日），风暴潮最高潮位4.60 m，此次风暴潮为8月底烟台台风北上、在塘沽一带登陆。大潮上溯海河，并与上游洪水下泄在军粮城中心庄一带遭遇，致使潮、洪泛滥成灾。河口最高潮位4.63 m。1939年风暴潮为典型的洪潮遭遇型，造成码头被淹、濒海房屋被水冲刷、村落成墟、人畜随洪涛而去不可胜记（《巳卯水灾见闻录》1941年）。

1985年8月19日（农历七月初四）受“8509”台风影响，在8月19日17时46分海河闸下观测到最高潮位5.50 m（测站冻结基面），经沉降订正后为大沽基面潮位4.40 m。根据天文潮汐计算，最大增水值为1.40 m。“8.19”风暴潮造成天津沿海的巨大潮灾。高潮位漫过防潮闸上溯海河。潮水漫过海挡部分，海挡被冲毁，宁车沽、北塘等有3279户居民被淹泡，港务局码头货位被淹泡，直接经济损失5500多万元。

1992年8月底，受16号台风影响，天津沿海发生了自1895年以来最大的风暴潮。9月1日17时36分～17时40分，海河闸下测到最高潮位6.14 m（测站冻结基面），经沉降订正后为大沽基面潮位4.83 m。比1985年“8.19”风暴潮最高潮位高0.43 m。这次风暴潮塘沽区受淹总面积达27.6 km2。淹泡深度0.5～1.5 m。全市经济损失3.99亿元人民币。

3 天津沿海风暴潮特性及成因分析

明代杰出的爱国科学家徐光启晚年来天津滨海平原屯田期间，就注意到天津沿海的潮灾不亚于江南，所以说：“潮患与东南等，特未享其利，故未睹其害耳：唯仲秋之潮，挟风而至者，则西北所少；而西北之雨多在伏秋之间也”（农政全书卷12《水利》）。徐光启揭示了天津沿海风暴潮的特点，渤海湾岸仅有大潮而没有大面积的向岸风就不易形成风暴潮，如两个因素具备又加上伏秋之间的暴雨则可形成更加巨大的风暴潮。

从大量的历史资料分析，形成风暴潮的主要因素有天文因素和气象因素：

（1）天文因素

潮汐是受太阳、月亮的引力作用而形成的一种海水升降运动，因距地球距离的不同，月球相应的作用力是主要的。其中随地球、月球的运行轨道不同合力、分力的不同而产生潮高和潮差的不同。因天文潮随月相而变，这和我国的农历相符合。农历的朔（初一）望（十五）因太阳、月球合力作用会出现天文大潮，在潮位上表现为高潮高、低潮低的所谓朔、望大潮。在农历的上弦月（初八）、下弦月（二十三）时受太阳、月球引潮力分力作用的影响，故出现高潮不高、低潮不低的“平潮”。根据地球围绕太阳的运行轨道分析，农历的春分和秋分点，地球距太阳最近，太阳引力最大。太阳和月球的引潮力叠加，所以在农历的春分、秋分前后均会发生大潮。由于潮汐作用力主要是月球对各地海域的引潮力而产生。由于海岸和海底地貌特点，使海水在水平引潮力作用时受到很大的摩擦力，而使各地的高潮并不在月中天时出现，大潮的发生时间也往往推迟到朔、望后的一、二天。一月中的最高潮出现在农历的初二、初三和十六、十七两日。从五百年来渤海历史风暴年表中也发现，风暴潮的时间基本是在朔、望及其前后的二、三日的大潮期间。

（2）气象因素

持续的强向岸风对大风暴潮的发生是起决定性作用的。从天津沿海风暴潮发生时间上看，基本在7～10月、2～4月的7个月间。而频率最大的月份是8月前后。在这些月内受太平洋副热带高压的影响，降水集中，地表径流对近海水量起到增量作用。而8月前后的风向主要是东风、南风、东南风。天津沿海地处渤海西岸，东北风、东风和东南风均为向岸风，据有关风向资料统计：向岸风的比例为37%。如果向岸风风速大、持续时间长，必将驱使海流向海岸输送，而且风所作用的面积愈大，则风传递给波浪的能量也愈大。渤海是封闭的浅海，平均水深约为18 m，渤海海峡向东偏南方向，朝向黄海，持续的东风大风使黄海北部的海水涌入渤海，使西部海水猛增而形成渤海西岸的大浪潮。风向、风速和风程是风暴潮形成和量级的重要因素。

1985年8月14日，台风在西太平洋上生成后，沿我国东部沿海向西北方向移动，移速为25 km/h，经山东半岛进入渤海湾。其后转向辽东半岛登陆。台风方向对天津沿海来说是正东方向的向岸风，形成0.86 m的最大增水值。

1992年9月1日2时，16号台风进入渤海湾。该风暴与渤海西部海岸平行，此时渤海受热带风暴前半部偏东气流影响，形成持久的向岸风，北方有冷空气进入，减慢了16号台风继续北上的速度，增加了风暴在渤海的滞留时间，相应地加大了东风的强度和持续时间，为强潮提供了有力条件。8月31日～9月2日，渤海湾持续偏东大风，根据石油钻井平台气象观测风速大于26 m/s的偏东大风持续了24 h。9月1日风暴潮发生期，六号钻井平台出现气压最低值，低压中心所形成的海水隆起也有利于潮水向岸边的输送。9月1日又正值“朔日”后的大潮期和农历的“秋分”期。所以诸多因素组合使“92、91”风暴潮成为自1895年以来最大的风暴潮。9月1日14时，闸下潮位仅为大沽高程水位2.30 m，到16时30分潮位涨至4.52 m，2个半小时涨位上涨了2.22 m，上涨率为0.89 m/h。至17时42分，风暴潮出现极值高潮位4.83 m。“92、91”风暴潮因强向岸风的风程长、风场大、风力大和持续时间长成为形成风暴潮的气象因素最有利的组合，另外还有天文大潮期的共同作用，从而形成了百年一遇的特大风暴潮。

（3）台风和暴雨

台风是从海洋形成的一种逆时针旋转的气旋，在登陆后会逐渐减弱以至消失。但台风本身环流会带来暴雨，它所携带的大量水汽在遭遇到冷空气时会形成冷暖交替的“锋面”成为暴雨。登陆台风随地形的增高在山前或峡谷地带也会形成大的降水过程。1939年7月24～28日，受黄河下游登陆北上台风的影响，在潮白、北运、永定和大清河中下游区域形成大面积的暴雨区。在北京西北的昌平一带大于400 mm的雨区笼罩面积在1000 km2，大于300 mm的雨区在7000 km2。昌平的最大一日暴雨为248 mm（7月25日），连续5日暴雨量为515 mm。昌平7～8月总降水量达1137.2 mm。7月25日21时永定河三家店实测流量为4665 m3/s。台风登陆在塘沽附近，8月31日形成风暴潮，洪、潮相会于军粮城中心庄，造成洪、潮泛滥成灾，这是台风引发的洪、潮结合最典型的事例。

从1958年海河闸建成，2009年永定新河河口闸建成，风暴潮上溯河道的现象消除。在每年的7～9月洪水季节，发生风暴潮，高潮位对河道洪水下泄带来不利的泄流条件，洪、潮遭遇仍会带来潜在的威胁。

4 风暴潮和潮灾

风暴潮是造成风暴潮灾的主要成因。但风暴潮不一定会发生潮灾。沿海的海挡或防潮闸等防潮工程也会大幅度减轻或消除风暴潮灾。

地面高程是风暴潮成灾的主要因素。天津市是严重的地沉区，由于水资源的紧缺和地下水的严重超采，造成了大面积的地面下沉。地面标高的损失加大了风暴入侵的机遇，地面沉降区内的防潮工程如海挡、防潮闸同步沉降使其防潮能力大幅度降低。在严重的地沉区，地面下沉引起重大潮灾已成为重要的诱发成因，可能造成“无灾变有灾、小灾变大灾”的严重后果。

超采地下水引发的地沉问题。天津市由于地下水超采，造成地下水位逐年下降，漏斗区逐年扩大，引起地面严重下沉，特别是引滦工程以前，地沉问题尤为严重。上世纪70年初开始，本市地下水开采量逐年递增。地下水的开采量从六十年代的0.6亿m3增至1.17亿m3，到1982年达1.26亿m3。到八十年代末平原地下水埋深已下降了近60 m。1959～1982年的24年间天津市的累积沉降量已达2.16 m。而地面沉降最严重的是塘沽区，居全国第一位、世界第七位。塘沽区海河闸从1958年建成至2007年累积沉降量已达1.679 m。其中最大年沉降量已达0.149 m（1981～1982年）。海河闸原设计闸门顶高大沽高程5.0 m。按1992年“9.1”风暴潮计，海河闸还有0.17 m的安全量。但到1992年海河闸门顶高已沉降至3.69 m，所以造成“9.1”风暴潮高潮水位时海水倒漾事件。塘沽新港码头原设计高程4.6～4.8 m（大沽高程），1985年“8.19”风暴潮码头淹泡水深为0.23 m，1992年“9.1”风暴潮淹泡水深已达0.46 m。天津沿海挡也处在地沉区，同样和周边地区同步沉降，地沉使风暴潮的灾害程度相应增加，特别是海河闸原设计防潮能力可达百年一遇，但至2007年闸门顶高也沉降至大沽高程3.321 m。按沿海潮位P─Ⅲ曲线计算分只相当于一年一遇。近年来海河闸海水倒漾事件每年均有发生。若再遭遇1992年“9.1”风暴潮型的高潮，海水漫顶将超过1.5 m。所以地面沉降已使海河闸的防潮功能也大幅度衰减，以致可能成为风暴潮侵入海河河道的潮水通道。因此地面下沉对防潮带来的影响是个应引起重视的问题。

5 风暴潮灾的防范与减灾措施

5.1 熟悉风暴潮规律，了解地域特性

台风和向岸风引起的增水是风暴潮的主要形成因素。台风是有“生命”的。有它的生成期、发育期、成长壮大期以致衰减期和消失期。台风在运行过程中积聚了大量的水气和能量。台风的入侵能量的释放带来了风灾和增水形成风暴潮，水气的凝结下落成雨往往形成暴雨造成水灾。我国的台风登陆大多发生在东南沿海和台湾、海南岛，只有北上的台风进入渤海湾的河北、山东、辽宁和天津沿海时才能形成当地的风暴潮。从1886～1972年的88年中进入以上地域的台风只有7次，几率并不大。但向岸风是经常发生的，每年7～8月的向岸风在天津沿海占到近40%，强向岸风叠加天文朔望大潮产生的高潮位发生几率相对要大得多。因此只要及时了解台风的动向如台风行进路线、强度等信息就可对台风是否对天津沿海造成威胁作出预判。如台风日期若恰逢朔、望大潮就该引起关注了。向岸风和朔、望潮的结合，也应引起重视。

因天津沿海及各河口朝向不同，向岸风是有能量和方向的矢量，朝向不同向岸风的作用力是不同的。偏东大风均是向岸风，对于海挡来说东风作用力最大，其次是东南风和东北风。对各河口和河口的走向有关。偏西风一般是减水作用，了解了这些风暴潮的规律和向岸风的作用，对于风暴潮的发生机遇和致灾成因可以有进一步的了解。

5.2 做好风暴潮防治的工程措施

天津沿海的海挡和各河口的防潮闸工程是抵御风暴最有效的工程措施。但由于地沉因素的影响，使得这些防潮工程的效益有大幅度的衰减。如海河闸，其工程效益是挡咸蓄淡、防洪、防潮，建闸38年来起到了显著效益。由于该闸地处严重的地沉区，防潮能力已由建闸时的百年一遇降至现在的一年一遇。海挡高程为大沽高程4.5～6.0 m。而海河闸闸顶高程2008年只有大沽高程3.30 m。一般大的天文潮就会漫顶，防潮水平大打折扣。做为海河干流的防潮闸应尽快采取措施，通过工程改造提高闸门高程，并恢复原来防潮的设计标准。因地沉仍在继续发生，长此下去防潮功能将更加衰减，最不利的状态可能使其成为风暴潮入侵海河的通道。

海挡建设和工程建设应充分考虑沉降因素，在确定海挡建设高程时提前预留可能发生的沉降量，延长安全使用期。

在海挡建设中，建议在海挡迎风面增加防浪设施以加强海挡防风浪冲击的安全度。

对沿海各河口的防潮闸，建议根据地沉因素，对现在的防潮水平进行重新核定，并采取相应的工程措施，提高各河口闸的整体防潮能力。

对于海挡的科学管理，建议在海挡的不同堤段设立地沉观测点，定时监测高程变化，及时作出补救措施。

在海挡的工程管理上，据了解目前有水利系统管理的，但也有地方、企业的管辖段。为了统一管理、加强海挡的整体管理水平，建议进行统一管理，有利提高防潮的整体性。

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5.3 控沉措施

地面下沉是除风暴潮的天文、气象因素等致灾成因外最主要的人为致灾因素。过度开采地下水是地沉的主要因素，这是不争的事实。作者收集了海河闸从1958年建闸以来闸站共同的水准点（大闸点和闸东甲点）高程变化分析。其中1958～1970年年均沉速为0.017 m，1971～1980年年均沉速为0.052 m，1981～1990年年均沉速为0.047 m，1991～2000年年均沉速0.028 m，2001～2007年年均沉速为0.022 m。其中最大连续5年年平均沉速为0.089 m，年最大沉速为1981～1982年达0.122 m。在引滦通水工程建成前，由于天津塘沽区过度开采地下水、漏斗区扩大、地沉严重，1983年9月引滦工程输水入津，特别是引滦入塘工程建成输水，又对地下水的开采进行了限采、控采和封井措施，地下水得到逐渐蓄养，地沉问题得到了有效的控制。1991～2007年地沉速率为年沉速0.020 m，已接近上世纪五、六十年代水平。控沉的关键在于对地下水开采的控制，引滦输水已26年，南水北调天津输水工程已基本就绪，所以要充分利用地表水资源和本地水资源的开发利用率和水的重复使用率以及海水利用和中水利用，以使地下水的控采得到保证。

5.4 做好防治风暴潮的基础工作

5.4.1 风暴潮位的计算和基础考证

每当风暴潮过后人们都会关注最高潮位是多少，细心的人们往往会注意到，不同单位和部门对同一个风暴潮的最高潮位有着不同的高潮水位值。如1985年“8.19”风暴潮天津市水利局海河闸公布的最高潮位是大沽测站冻结基面5.50 m。六米潮位站、大沽测站冻结基面之间究竟是什么关系？经过作者翻阅了大量历史资料和有关高程系统的资料，经分析结果显示：在1958年海河闸建闸后，六米潮位站的潮位资料曾有近二十多年曾汇入天津市水文系统的水文年鉴中，六米潮位站用的是“海图”基面。和水文系统的大沽基面差为1.0 m。即六米站潮位减1.0 m即为海河闸下潮位。由于海河闸站和六米潮位站均在地沉区，但对地沉的资料订正处理并不相同。据了解六米站根据年沉降量逐年订正，所以保持了潮位资料相对于海图基面的稳定和连续性。而海河闸的潮位应用原建站时的水准点初始高程不再变动，也就是所说的测站大沽冻结基面。水利系统一直沿用的大沽基面和测站大沽冻结基面也不是一回事。海河闸下的潮位需根据每年水准点的沉降值作逐年订正后才能成为连续的大沽高程系列资料。

例如：1985年“8.19”风暴潮最高潮位海图基面最高潮位值为5.41 m，换算为大沽基面值为4.41 m。同期海河闸下最高潮位5.50 m加该年地沉订正值-1.10 m，为大沽基面最高潮位4.40 m。通过基面差的换算和沉降订正处理同为大沽基面，既可避免误导又使资料具有可比性。基面换算与沉降订正是一项非常重要的基础工作，但很少有人做这方面的工作。

5.4.2 单站风暴潮预报的设想

单站水文预报在上世纪五、六十年代的水文工作中是广泛开展过的水文业务，曾取得很好的效果。如今单站风暴潮预报我们认为是可行的。随着科技信息化的发展，风暴潮的预报已是常见的工作。但单站的风暴潮位预报仍有着实用价值。风暴潮预报还涉及不到潮位的增水值。一般防潮闸下不仅只是潮位，而又为河道的闸下水位，对河道泄洪又有直接影响。而且防潮闸下的潮位预报方案已经具备了相当的资料基础。以海河闸为例：海河闸已建闸38年，具有经历过多次风暴潮的资料。天文潮有潮汐表可以做基础，统计每次风暴潮的增水值和风力、风向等可以收集到的辅助资料，可以制作相关图表，建立相关关系，这样可以用于今后的风暴潮预报，结合本站历史资料分析，通过建立预报模型和历史资料作出风暴潮对于闸下潮水的增水值和可能出现的最高潮位。此项工作虽有些工作量和工作难度，但是完全可以做到的。

5.4.3 天津市沿海风暴潮的预警体系

建立风暴潮的预警体系，首先要树立“防重于抢”的理念。而关键在于领导决策层。“防”的内容包括高标准的防潮工作措施、行之有效的防灾预警方案、准确及时的潮情信息收集系统以及防灾队伍的组织建设和对潮灾的预盼能力等。这些工作做好了，可以起到“大灾变小灾、小灾变无灾”的效果，就是出了不可抗拒的特大风暴潮，也可把灾情损失降到最小。抗灾、救灾是自然科学，也是一门人文科学。要贯彻“以人为本”的思想。要有危机感才可能防患于未然。