气候变化视角下的我国沿海地区防潮设计标准研究*——以福州滨海新城为例

张孝奎，冯立超，崔晓莉

(北京清华同衡规划设计研究院有限公司，北京 100086)

近年来，随着各种极端灾害性天气的频繁出现，全球气候变化正引起越来越多人的注意。为促进世界各国更积极应对全球气候变化，习近平主席代表我国政府提出我国将致力于实现“2030年前碳排放达峰、2060年前实现碳中和”的战略目标[1]，为我国未来40 a左右的气候变化应对指明了方向。

全球气候变化的一个非常重要影响是导致全球海平面上升和海洋灾害强度和频率的升高，这将给沿海地区安全带来严重的负面影响[2]。因此，为确保沿海地区人员和财产安全，发达国家在沿海地区建设海堤时正越来越多将全球气候变化纳入考虑范畴[3]。而我国的海堤建设目前对此还缺少足够重视，给我国沿海地区未来发展带来安全隐患。本文以福州滨海新城为例，分析了全球气候变化对海堤防潮标准的影响，希望对其它沿海地区防潮堤设计有所参考。

1 研究区概况

为抓住“一带一路”发展战略机遇，贯彻落实“东进南下”发展构想，福州市在闽江口区域规划建设滨海新城[4]。共涉及5个乡镇(街道)55个村庄部分区域，总面积188 km2(图1)。

图1 福州滨海新城区位图

滨海新城位于长乐区东部滨海平原，南北端较窄，腹部宽阔，海拔高度都在10 m以下，由古海湾发育而成。平原内侧地势平坦，外侧有部分海滩上细沙经风力吹扬内移堆积而成的沙丘和波状丘地(图2)。

根据规划，滨海新城定位为福州中心城区的副中心，福州新区核心区的重要组成部分，区域的科研中心、金融中心和交通枢纽。未来将形成“五个组团”的空间布局：北部以长乐国际机场为核心的空港城组团；南部以松下港和国际邮轮母港为核心的海港城组团；中部为核心区，由CBD及滨海文化休闲组团、大数据产业科技创新组团、火车福州东站及高端制造业组团构成(图3)。规划总人口130万人。

2 历史洪潮灾害与海堤建设

2.1 历史洪潮灾害分析

台风是滨海新城面临的主要自然灾害之一。台风常发季节是年内的大潮期，经常导致内江(河)水位和外海(江)潮位相互顶托，泄洪不畅，造成严重洪涝灾害。据记载，滨海新城所在区域历史上曾多次遭受风暴潮侵袭，造成严重人员伤亡和经济损失。如2008年9月中旬，受13号台风“森拉克”影响，外文武海堤外护坡损坏约300 m2。10月，15号超强台风“蔷薇”影响期间恰逢天文大潮期，外文武海堤再次遭受局部损毁。据不完全统计，从1961年到现在，在台风大潮作用下，滨海新城周围海堤曾先后破坏达7次(表1)[5]。

图2 福州滨海新城地形地貌图图3 福州滨海新城未来规划图

表1 滨海新城部分历史潮灾统计

2.2 海堤建设现状

根据长乐防潮防台岸线划分[5]，滨海新城岸线为梅花镇-松下镇之间的海岸线，以南澳山为界，分为梅花镇三沙湾-南北澳段和南澳山-松下牛头湾段，长19.5 km和46.2 km(图4)。各段海堤建设现状如表2所示。

表2 滨海新城现状海堤概况

图4 滨海新城核心区防洪工程现状和规划图

2.3 海堤建设规划

根据规划[6]，滨海新城防潮标准为100 a一遇高潮位，设计波浪和设计风速重现期与设计潮位重现期相同(表3)。各段海堤防潮标准为：①三沙湾-南北澳段：堤路结合段，按《JTG B01-2014公路工程技术标准》，1级公路路基防潮标准采用100 a一遇高潮位。②南澳山-外文武段：100 a一遇防潮标准。③下沙-松下码头段：规划新建海堤按100 a一遇标准设防(图4)。

表3 东海特征潮位表

3 气候变化对海堤设计标准影响分析

3.1 福建省沿海海平面变化情况

根据《2019年中国海平面公报》[2]，近年来，我国沿海海平面变化总体呈波动上升趋势(图5)。1980—2019年，我国沿海海平面上升速率为3.4 mm/a。从10 a平均来看，1980—1989年平均海平面处于近40 a最低位；2010—2019年平均海平面处于近40 a最高位，比1980—1989年平均海平面高约100 mm。2019年，我国沿海海平面较常年高72 mm，比2018年高24mm，为1980年以来第3高。

图5 我国沿海海平面近年来变化趋势

福建省附近海域属于我国东海海域范围。据统计，从1980—2019 年，东海沿海海平面上升速率为3.3 mm/a。预计未来30 a，东海沿海海平面将上升45～170 mm。

对近年来福建省沿海海域海平面进行统计，结果显示，从2003—2019年，福建省沿海海平面升高了约80 mm，上升速率约4.59 mm/a，高于东海沿海海平面整体平均上升速率。从总体趋势看，未来福建沿海海平面还将继续上升(图6)。

图6 2003—2019年来福建省沿海海平面高度变化

3.2 我国防潮堤设防标准确定方法

根据我国《GB/T 51015-2014海堤工程设计规范》第8.3.1条规定[7]，我国海堤堤顶高程应根据设计高潮(水)位、波浪爬高及安全加高值计算：

Zp=hp+RF+A。

(1)

式中：Zp为设计频率的堤顶高程；hp为设计频率的高潮(水)位；RF为按设计波浪计算的累积频率为F的波浪爬高值(海堤按不允许越浪设计时取F=2%，按允许部分越浪设计时取F=13%)；A为安全加高值。

其中，设计频率的高潮(水)位hp采用频率分析的方法确定。潮(水)位资料系列不宜少于20 a，并应调查历史上曾经出现的最高、最低潮(水)位值。当缺乏长期连续潮(水)位资料，但有不少于连续5 a的最高潮(水)位资料时，设计高潮(水)位可采用极值同步差比法与附近有不少于连续20 a资料的长期潮(水)位站资料进行同步相关分析，所需的设计高潮(水)位应按下式计算：

(2)

式中：hPY、hPX为待求站与长期站的设计高潮(水)位；ANY、ANX为待求站与长期站的平均海平面高程；RY，RX为待求站与长期站的同期各年年最高潮(水)位的平均值与平均海平面的差值。

3.3 国外海堤设计标准对海平面上升的考虑

发达国家较早认识到海平面上升危害，在一些沿海城市规划中，率先提出了韧性城市理念来应对海平面上升的不利影响。如澳大利亚悉尼市认为海平面上升是该市未来面临的重大挑战之一，政府间气候变化专门委员会分析了不同温室气体排放情景下的未来海平面上升及其影响情景，提出要建设一个韧性城市[8]。新南威尔士州政府编制了一份海岸管理手册草案，以支持海岸社区解决一系列海岸问题，包括气候变化和海平面上升以及海岸资产的恢复能力。

美国纽约市在“桑迪”飓风的灾后恢复重建规划中，也将气候变化导致的海平面升高作为重要因素加以考虑[3]。2013年1月，纽约市召开纽约气候变化专门委员会(NPCC)会议对气候变化影响进行预测，为重建规划和韧性化计划提供基础。NPCC预测，在本世纪中叶，海平面将上升超过2.5 ft，特别是当极地冰盖融化速度超过以前预测时。这个规模的海平面上升将威胁纽约低海拔区域的社区安全，使他们更容易受潮汐洪水的影响，在Battery遭受现状百年一遇规模洪水的概率增加5倍。纽约的强降雨也将增加(可能性超过90%)(表4)。

表4 NPCC 2013气候变化预测

结合NPCC预测的海平面升高预测高值，纽约市还跟NPCC一起制定了纽约市未来洪水风险区划图(图7)，指导纽约重建和韧性化努力(表5)。

表5 海平面升高的潜在影响

图7 纽约市洪水风险分析图

根据分析结果，纽约市将通过建设防水墙和沙丘等措施持续提高沿海地势较低区域的海岸线标高。并对海平面高度持续进行监测，并及时提高薄弱地区的海岸线标高。

3.4 对策建议

根据《GB/T 51015-2014海堤工程设计规范》要求[7]，我国在确定海堤设计堤顶高程的重要参数设计频率的高潮(水)位hp的计算应依据海堤所在位置(或临近位置)的不宜少于20 a的潮(水)位资料系列进行统计分析。这个统计分析会将一定时期内海平面变化考虑进去。

如福州滨海新城所在的福建海域，在确定最近17 a(2003—2019年)海平面变化值时所依据的常年平均海平面经过了三次变化[9]：1975—1986年常年平均海平面、1975—1993年常年平均海平面和1993—2011年常年平均海平面。其中，1975—1993年常年平均海平面比1975—1986年常年平均海平面高14 mm，1993—2011年常年平均海平面比1975—1993年常年平均海平面高46 mm(表6)。也就是说，目前所依据的常年平均海平面比1975—1986年常年平均海平面高了60 mm。因此，假如在2021进行滨海新城海堤设计，是可以在一定程度上反映近46 a来福建海域海平面变化影响的。

表6 近年来福建沿海海平面变化值

但是，这种考虑没有考虑未来海平面的变化影响。海堤属于重要基础设施，一旦建设，它的影响将保持几十甚至上百年，未来海平面变化影响是不能忽略的。如根据《2019 年中国海平面公报》[2]，预计未来30 a，福建沿海海平面将上升40～170 mm，是东海100 a一遇高潮位和200 a一遇高潮位高差的17.4%～73.9%[5]。假如到2050年，福建沿海海平面再上升150 mm，则现在按照100 a一遇设计海堤，届时将没法应付2013年出现的最高潮位；现在按照200 a一遇设计海堤，届时海堤的防潮能力将只略高于现在100 a一遇防潮标准。

因此，滨海新城在进行海堤标准建设时，应充分评估未来气候变化导致海平面变化的风险，合理确定海堤防潮标准，筑牢滨海新城防潮安全的第一道防线。

同时，为更好应对海平面上升所造成的影响，福州滨海新城还应综合考虑海平面上升对海岸带灾害的加剧作用，加强海平面监测和调查，全面提升预警和综合风险评估水平。充分发挥沿海生态系统的天然防护作用，倡导基于生态理念的海平面上升适应方案，增加海岸带的韧性恢复力，形成抵御和缓解海平面上升和极端海洋天气气候事件影响的天然屏障。

4 结语

在全球气候变化的大背景下，海平面上升已成为一个全球性的问题，给沿海城市安全带来严峻挑战。国外沿海城市在进行海堤设计时，会以气候变化为背景进行未来一段时间海平面上升风险进行评估，然后据此确定海堤设计标准。而国内目前的海堤设计还对这个问题重视不够。滨海新城是福州市未来重要发展区，为保证其安全，在进行海堤设计时，应充分考虑气候变化所导致的海平面上升风险，合理确定防潮标准，提高海岸防潮能力。