基于浙江海堤安全的海洋环境因子变化研究

叶 舟

(浙江海洋大学，浙江 舟山 316022)

人们把海洋环境发生异常或激烈变化而导致在海上或海岸发生的灾害称为海洋灾害，包括风暴潮灾害、海浪灾害等。海堤工程是防御台风暴潮侵袭、减轻海洋灾害的重要工程措施，其安全性直接受海洋环境变化的影响。我国学者对海洋环境因子及演变规律、海堤影响机理、损失评价等做了大量研究工作，如台风特征方面，刘德辅等[1]为了研究台风特征、致灾因素等构造一个双层嵌套、多目标的联合概率预测模型；钱传海[2]研究西北太平洋热带气旋特点；王志力等[3]研究瓯江河口风暴潮数值模型台风特性；周冲[4]研究我国台风的强度变化趋势和台风风速重现值估计方法等。风暴潮对海堤工程影响方面，朱军政等[5]研究钱塘江北岸海塘遭遇超标准风暴潮的对策；潘军宁等[6]进行风暴潮风场和气压场模拟；黄世昌等[7]研究软土地基上海堤在风暴潮作用下损毁规律。波浪影响因素方面，苗青等[8]研究波浪爬高及消浪措施；徐福敏等[9]研究海域风浪嵌套数值模型；丁维炜等[10]用数学模型研究台风影响期间波高变化及有效波高空间分布；周益人等[11]进行了波浪作用下堤坝防护问题试验；刘德辅等[12]研究比较极值预测理论和不同波高概率预测理论在海堤技术规范中进行的应用。这些研究表明近40年来我国海洋科学发展迅速，为海堤工程安全提供了重要的科学基础。

尽管许多学者对影响海堤安全相关因子进行了研究，但缺乏多因子、系统性地对海堤安全相关区域海洋环境因子的研究，特别是某些因子涉及到多个行业部门时更显得基础研究的不足。浙江是海洋大省，随着中国(浙江)自贸区建设不断推进，海堤安全对浙江经济社会发展具有重要意义。20世纪80年代，在参加浙江海堤技术规范制订调研过程中，认识到浙江海堤安全相关海洋环境因子不仅受海洋自然因素影响，还受到长江治理、杭州湾自然条件、海洋产业布局等众多因素影响。经过近40年的实践，影响海堤安全的海洋环境因子发生较大变化。有些是自然环境因子本身发生了变化，有些是人类认识进步所致。不仅需要研究各个海洋环境因子的影响，更应该加强多因子的系统性研究。

1 技术规范中的环境因子

浙江省海堤修建历史悠久，历经唐宋朝至今，但真正的海堤技术规范制订在20世纪80年代初才开始。浙江省在1980年7月和1986年1月分别发布海塘技术标准第一册、第二册，并经修订后于1989年发布第二版。9417号、9711号台风袭击后，浙江沿海从南到北均发生特高潮位，海塘于1999年8月进行了第二次修订颁布。2000年以后参与国家水利部、建设部有关海堤技术规范制订，包括SL389-2008《滩涂治理工程技术规范》、GB/T 51015-2014《海堤工程设计规范》。纵观浙江省海堤技术标准修订的过程，其基本原则和影响海堤安全考虑的因素取值基本保持一致。

在海堤技术标准中，影响海堤安全因素分成三类，第一类是海堤本身结构影响的因素，包括海堤断面形式和结构、地基处理技术方案等；第二类是影响海堤工程安全的区域海洋水文因素，包括潮位、风浪和台风暴潮等因素；第三类是海堤所在海洋地貌动态变化，特别是近岸滩地冲淤变化影响海堤稳定和沉降情况。从上面三类影响因素可以看出，三类因素都涉及到区域海洋环境因子，主要包括近岸滩地侵蚀情况、台风暴潮、高潮位及风浪变化、海平面上升等。

2 相关海洋环境因子变化分析

由于全球气候变化、江河流域大型水利工程建设等，与海堤安全相关的海洋环境因子发生变化，从而影响海堤安全度。因此将研究侵蚀性海岸、影响浙江的台风、年最高潮位及风浪、海平面上升等4个因子的变化。

2.1 近岸滩地侵蚀

浙江海岸带资源综合调查队(1985)依据1981—1983年部分水文泥沙测站和沉积地貌资料，分析认为浙江海岸线泥沙来源主要有：1)长江口入海泥沙的向南输运。长江平均年输沙总量4.86亿t，其中50%沉积在长江口附近水下三角洲，30%南下成为浙江近海沉积和滨海平原发育泥沙供给最主要来源。2)沿岸河流入海泥沙。浙江入海河流平均输沙总量为1 300万t，而且大部分沉积在河口区内，只有洪水期,粗于粉砂级物质才带到河口外沉积。3)内陆架来沙。内陆架底质为泥质粉砂或粉砂质泥，该粒级物质通常在15～30 cm/s流速下会发生再悬浮和运移。

作为浙江沿海主要泥沙源的长江泥沙进入浙江沿海有两种途径。第一种是长江上游来沙直接输移。沉积在口门附近的泥沙形成了庞大的长江河口拦门沙体系，水下三角洲；向南运移和向东海扩散的泥沙，发育浙江、闽北的淤泥质海岸，东海水深50 m以内堆积台地等。长江入海水沙的年际、季节和风暴潮的变化，直接导致长江口河槽、浅滩、水下三角洲的演变和浙闽泥质海岸的冲淤变化。长江入海泥沙80年代后有明显减少趋势[13](见表1)，三峡水库运行以后(2003年)，长江来沙量更是下降明显，而近年来长江年平均入海泥沙量不足2亿t，2006年降到0.848亿t，2008年为1.3亿t[14]，导致长江水下三角洲涨淤速度变慢，口外部分出现明显侵蚀。

表1 长江大通站年均水量、年均输沙量、平均含沙量统计

第二种是长江口外三角洲“泥沙库”二次输移。“泥沙库”存在于长江口外三角洲及浙东海域，存有几千年沉积下来的泥沙，其厚度达40～60 m。长江来沙量减少后，“泥沙库”对浙江沿海滩涂影响较大，主要体现在泥沙的二次搬移过程。从浙江沿海观测可知，长江上游来泥沙时间一般在长江主汛期，而浙江沿海海水含泥沙整年很高，可见浙江沿海泥沙主要来自于海流动力作用下的二次搬运[15]。因此随着长江上游来沙减少，口门外水下三角洲将出现大范围侵蚀。

为了研究长江来沙减少对浙江近海水沙输移影响，浙江省选择了芦潮港、杭州湾、宁波、三门、松门、飞云江6个断面进行实测并以数学模型作为补充，提取现状情况与20世纪80年代情况进行全年逐时水沙过程资料对比分析。表2、表3分别为6个断面基本情况和输沙量变化统计计算结果，显示各典型断面输沙量有不同程度的减少趋势。各断面减少程度不同，同一断面冬、夏季变化也不同。

表2 典型断面基本情况Tab. 2 Basic information on typical sections

表3 典型断面输沙量变化统计Tab. 3 Statistics of sediment delivery on typical sections

另外根据浙江省滩涂淤涨泥沙源调查资料、浙江省滩涂资源重点区域监测资料分析，自1959年以来，杭州湾岸线至-5 m等深线区域呈现淤积态势，不同年代淤积幅度保持增长态势；-5 m至-10 m等深线区域也呈淤积态势，但淤积速率有所减弱；-10 m以深区域1959—2003年呈现淤涨态势，但2003年以来呈现冲刷趋势，且冲刷强度逐渐增大。

2.2 影响浙江的台风

为简便起见，重点研究登陆浙江的台风(包括强热带风暴)。1949年以来登陆浙江台风合计46个，分析这些台风存在图1～4的分布规律。图1为1949—2019年间浙江省登陆台风各风速等级频数统计，可知登陆浙江的台风在各风速等级频数分布情况。据图2可进一步发现14级及以上在浙江登陆的台风总计为9个，除5 310 Nina，5 612 Wanda外，其他均在2000年之后登陆。2000年之后平均每2.7 a即发生一次14级及以上的台风。

图1 1949—2019年登陆台风等级频数Fig. 1 Frequency chart of landfall typhoon grades from 1949 to 2019

图2 1949—2019年14级以上强台风统计Fig. 2 Statistics of strong typhoons with force 14 or above from 1949 to 2019

图3 浙江省各月份台风登陆情况Fig. 3 Typhoon landfall in Zhejiang Province in each month

图4 1949—2019年浙江省各年份登陆台风频数Fig. 4 Frequency chart of landfall typhoons in Zhejiang Province from 1949 to 2019

图3表明1949年以来浙江省登陆的台风以7至9月份为主，其中8月份为主要登陆月份，统计中该月共计登陆台风21个，占浙江省登陆全部台风的46%，10月份登陆的台风较少，仅6126 Tilda，0716 Krosa，1918 Mitag三个。

据图4对1949—2019年浙江省各年份登陆台风频数统计分析发现，1970年以后平均每10 a登陆浙江的台风数稳定在7个以内，但是2000—2009年登陆浙江的台风为往年登陆数的近两倍。

由图2，4可以看出，台风发生频率越来越高。分析登陆浙江46个台风，其中1978年以后登陆浙江的台风数为33个，即后40年是前30年的2.5倍。而2000—2019年后登陆台风为18个，几乎每年都有台风登陆。超强台风密度也越来越大。表4为部分登陆浙江沿海的强台风和超强台风数据，这些台风都造成了浙江省巨大的经济损失和人员伤亡。1949年以来共发生14级以上强台风9次，2000年前发生2次，2000年后发生7次，2000—2019年间强台风发生密度越来越大。超强台风在1949年后共发生4次，2000年前后各有2次。

表4 1949年以来浙江省登陆的强台风Tab. 4 Strong typhoons landfall in Zhejiang Province since 1949

2.3 年最高潮位及风浪变化

浙江沿海最高潮位主要由台风带来的风暴增水造成。随着时间推移，影响海堤安全的高潮位、年最高潮位越来越高。表5为浙江省沿海部分潮位站1979年、1999年两次统计的不同重现期高潮位值，表中数值显示1999年数值明显高于1979年数值。图5为定海潮位站1978年至2018年历年最高潮位值，1996至2008年最高潮位为下降趋势，2008 至2018年最高潮位为上升趋势，从总体上看呈现明显上升趋势。

表5 浙江沿海潮位站各频率高潮位值 Tab. 5 High-tide level values of each frequency at Zhejiang coastal tide stations (m)

图5 定海潮位站历年最高潮位值Fig. 5 Annual maximum tidal level values at Dinghai tidal station

风浪变化的影响因素比较复杂，根据浙江沿海实际仅讨论3种情况：一是由于中国海海洋表面温度长期处于上升过程导致极端风浪变化。冯琳等[16]对1945—2006年中国海表面温度进行统计分析，认为整个中国海都处于一个长期温度升高过程中。Nicholas等[17]通过对1948—1998年北太平洋的温度变化与风暴发生频率的统计分析，指出全球气温继续升高，极端风浪发生的频率与强度也可能会随之增大。根据前文分析可知，影响浙江的台风数量增多，强台风、超强台风频率越来越高，相应的风浪对海堤安全的影响也不断加大。二是风浪对海堤安全的影响从波高向波高和周期双指标的研究。目前国家发布的GB/T51015-2014《海堤工程设计规范》，给出的仍然是以波高为指标的风浪计算方法，没有考虑到周期的影响。经过70余年实践证明，风浪周期对海堤影响同样很大，基于波高和周期双指标的海堤设计计算十分必要。玉环五门大坝低频涌浪影响的研究就是基于波高和周期双指标研究的典型案例。三是台风不同眼壁处有效波高差别很大。不同路径台风在相同海域引起的风浪有效波高不同，同一个台风不同眼壁处的有效波高也不同。表6为台风期海大站与定海站潮位、风浪比较情况，反映了不同海区风浪变化情况。基于以上现实，海堤安全影响研究和实践应该考虑风浪变化因素。

表6 利奇马台风(1909)期间水位、潮位比较Tab. 6 Comparison of water level and tide level during Typhoon Lekima (1909)

2.4 海平面上升变化

浙江省海堤技术标准第一次制订时对海平面上升变化进行了预测，确定了中国海海平面上升数值估算值为平均每百年0.28 m，在规范中以安全超高值形式进行考虑[18]。张静等[19]利用AVISO高度计数据计算了1993—2012年间中国海海平面上升趋势，结果表明，中国海平均海平面的上升速率为4.3 mm/a，高于全球平均水平。王国栋等[20]对东海海平面进行空间分析后得出，中国东海长江口附近海域平面长期处于高位，其增长速度为5.45 mm/a。同时通过Winters指数平滑模型进行趋势预测可得，未来海平面变化将保持上升趋势，预计到2015年，海平面将比2006年上升40～50 mm左右，到2030年，海平面将比2006年上升140～150 mm。左军成等[21]研究认为我国近海各海域海平面近年来总体呈现加速上升趋势。根据1993—2013年间的AVISO高度计数据分析表明，中国海平均海平面的上升速率为4.4 mm/a，高于全球平均水平。从有关数据分析中可以看出，海平面上升趋势在加速，根据长期趋势变化尺度估算每百年中国海平均海平面上升将达到0.5～0.6 m，而长江口附近海平面上升速度更快。

3 结 语

从浙江海堤安全的角度研究海洋环境因子变化规律，从研究成果中可以看出：由于自然环境变化和现代监测科技水平的提高，某些海洋环境因子变化幅度远远突破了当初海堤技术标准制定时的预测值。重点研究的近岸滩地高程、年高潮位、风浪、台风暴潮、海平面上升等因子都有较大的变化，这些因子变化使某些海域的海堤实际安全程度与设计标准存在较大差距，特别是当多因子相互叠加时影响更甚。如浙江省岱山县双剑涂海堤由于堤前涂面泥沙冲刷，再加上1509号台风(Chan-hom)引起的风暴潮、风浪的共同作用，已严重破坏。当前应该利用GNSS、卫星遥感技术、高频地波雷达等现代科技手段监测区域海洋环境因子变化及其规律，从局限于关注海堤本身安全转向海洋环境因子变化影响的综合分析，从局限于专业部门技术研究转向于水利、海洋、气象等众多部门的综合研究，系统分析海堤安全相关技术，降低海洋环境因子变化对海堤安全带来的影响。