珠江三角洲2030年海平面上升幅度预测及防御方略

黄镇国　张伟强　吴厚水　范锦春　江沛霖　陈特固　黎子浩　黄本胜

摘要　综合考虑理论海平面、海平面异常波动、洪潮水位升幅、地形变等因素，预测珠江三角洲2030年相对海平面上升幅度为22～33 cm.按升幅30 cm计，由水力学和水文学计算，划分海平面上升的影响范围，讨论洪潮水位的重现期、堤围防御能力、工程设计参数变更、治涝、盐水入侵、滩涂资源量以及综合防御措施.
关键词　海平面　防御　珠江三角洲

　　1990～2030年这40年间珠江三角洲相对海平面的可能上升幅度，各人的预测值差异较大，例如9.24 cm^[1]，25～30 cm^[2]，20～25 cm^[3]，30～40 cm^[4,5].未来数十年相对海平面的上升趋势及幅度，主要受４个参数的影响.

1 理论海平面上升值

　　香港、澳门验潮站是华南潮位序列最长的站，皆始于1925年，逾70年，但两站的记录各有欠缺.香港站1930～1949年缺测；澳门站曾3次迁址，1963～1981年的潮位记录有阶段性误差.我们以1959年为接口，前段(1925～1958年)以澳门站月均序列为据，并换算成以香港海图基准面起算；后段(1959～1996年)以香港站月均序列为准，两站构成72年的均一序列．并且用正、反傅氏变换方法消除小于4 a的周期性波动即高频扰动分量的影响，获得低通滤波序列，再由一元线性回归计算，得出近72年海平面上升速率为(1.8±0.1)mm/a.
　　1.8 mm/a可视为珠江口地区理论海平面的上升速率.珠江三角洲5个沿海站统一时段(1955～1994年)相对海平面上升速率为2.3 mm/a，1.8 mm/a比它小，具合理性.1.8 mm/a与全球背景值具有可比性，例如1.0～1.5 mm/a^[6]，1.8 mm/a^[7]，1.75 mm/a^[8]．与香港大致同纬度的檀香山站为1.5 mm／a(1904～1992年),旧金山站为2.0 mm/a (1855～1992年)^[8]．从短时段看，香港站地面压实沉降速率为5.4 mm/a (1954～1983年)，同期地壳抬升速率为1 mm/a^[9]， 而相近时段(1961～1984年)相对海平面上升速率达6 mm/a^[10]， 故理论海平面上升速率为1.6 mm/a，与1.8 mm/a接近，亦可佐证.
　　有50年以上的潮位资料，可建立海平面变化趋势的非线性方程.假设海平面变化趋势是非线性的，并取

（1）

式中，Z(t)为海平面上升幅度，t为时间， a₀～a₁₀为待定系数.

通过适当变换，把式(1)变成多元线性方程:

于是,式(1)可变成:（2）

　　把香港/澳门站72年的潮位资料序列代入式(2)，用逐步回归方法选取对Z (t)贡献大的项并确定其系数，便可得到香港/澳门站海平面变化的非线性方程:（3）

　　由式(3)可见，海平面变化趋势是呈指数上升的，即海平面将随时间而加速上升.根据式(3)的方程进行逆延计算，1890～1990年海平面上升幅度为18 cm，速率为1.8 mm/a，20世纪初上升速率为1.7 mm/a，90年代为2.0 mm/a.以1990年为起点，至2030年，按式(3)计算,海平面上升幅度为8 cm，速率为2.0 mm/a.这个值比全球背景值略小.IPCC预测^[8]，至2100年,全球温度上升幅度的最佳方案为2.0℃(最高3.5℃，最低1.0℃)，相应的理论海平面上升幅度的最佳方案为48 cm(最高95 cm，最低15 cm)，至2030年的最佳预测为:温度升高0.6℃，海平面上升12 cm(速率3.0 mm/a)^[11].

2 相对海平面异常高波动值

　　由海平面变化趋势方程算得的海平面高度与实测海平面高度之差，反映相对海平面的波动幅度，可用下式表示:

式中，A为波动幅度，Z′(t)为某年验潮实测值，Z(t) 为对应年份由方程算得的值，n为年数．波动值A为正值，代表异常高海平面.珠江三角洲7个代表站的计算结果(1955～1994年)见表1和图 1，河口外3个站的平均最大幅度为6.4 cm，河口内4个站为12.1 cm，反映波动幅度从口外向口内由于径流及人为因素的影响而增大.

　　海平面上升使河口区高潮水位升高，其升幅并非按海平面的上升幅度叠加，而可能比海平面上升幅度还要大,这个超出的附加值应计算在未来相对海平面的实际升幅之内.
　　以外海三灶站高潮位代表海平面的变化，可建立海平面变化与珠江三角洲各水位站高潮位的关系:（5）

式中，Z₂为各站高潮位,Z₁为三灶站高潮位,Q为三角洲上游马口站的流量；α和β为斜率，C₁和C₂为常数.α,β,C₁,C₂可以通过相关分析计算而求得.
　　取近40年来有代表性的190场洪水，按照马口站流量的7个级别，对39个站分别点绘各站与三灶站高潮位的对应关系.结果表明，三灶站(代表海平面变化)与近河口站有较好的相关关系.

设海平面上升幅度为△Z₁，其对近河口站高潮位的影响幅度为△Z₂，由式(5)可以得到:（6）

　　若三灶站海平面上升30cm，按马口站枯水流量(2 000 m³/s)，由式(6)计算出近河口11个站高潮位的抬升幅度(表2)．上游枯水流量时可反映海平面上升的充分影响，而另一充分条件则是风暴潮.1993年9月17日珠江口一次特大风暴潮，出现实测最高潮位，而径流为小水年(马口站流量11 800 m³/s)．取“93^．9”典型年的洪潮组合，用一维、二维不恒定流水力学模型，以海平面上升30 cm为条件，对各代表站的高潮位升幅进行了计算(表2).计算时，地形资料采用80年代以后测绘的1/5 000河道水下地形图，布设255个河段，共截取948个计算断面.一维空间步长1～2 km，时间步长5 min; 二维空间步长250 m，时间步长1 min.
　　由表2可见，海平面上升使河口区高潮位抬升的幅度，按水文学计算，在枯水流量条件下，各站都超过海平面的升幅，而且有从口外向口内沿程减小的趋势.但是按水力学计算，即使在特大风暴潮条件下，也只有个别站出现超出值.这种差别，不全是计算方法不同所造成，水力学计算的“93^．9”典型年流量较大，故未能充分显示海平面上升的影响.按水文学的计算结果，海平面上升30 cm，近河口站的高潮位升幅将比30 cm还要超出2～5 cm，若遇特大风暴潮枯水年,此超出值可能更大.

5 防御方略

　　综上所述，1990～2030年理论海平面上升8 cm，异常高海平面波动6.4～12.1 cm，洪潮水位超幅2～5 cm，地面沉降6～8 cm，故相对海平面的可能上升幅度为22～33 cm.
　　按相对海平面上升30 cm计，其影响也是不可忽视的.如前述,取最能反映海平面影响的“93^.9”典型年，对24个站进行水力学计算，并按照最高洪潮水位升幅5和25 cm等值线，可分出影响很小区、影响较大区、影响最大区(A～C,图1)．海平面上升30cm，洪潮水位的平均升幅，A区为1.3 cm，B区为18.2 cm，C区为29.2 cm.这可以作为提高沿海工程设计最高潮位的参数.

图2 珠江三角洲地区地形变速率等值线图
图中数字单位为mm/a 负为沉降正为抬升黑圆点为测点位置

　　海平面上升30 cm(以三灶站为代表)，取马口站4个等级重现期(100年一遇、50年一遇、20年一遇、10年一遇)的不同流量，对17个站最高洪潮水位的升幅进行水文学计算，并与现状最高洪潮水位对比，得知重现期的变化:在影响较大区，普遍缩短半个等级；在影响最大区普遍缩短一个半至两个等级,亦即堤围的设计标准要相应提高.
　　珠江三角洲捍卫耕地万亩以上的堤围，除影响很小区外，有95宗，长度为2 608.57km，其中尚未达到现状设计标准的有1 126.1 km，占43.2％.这些受海平面上升影响的堤围 (2 608.57 km)，既要全部达标，又要按照海平面上升30 cm后最高洪潮水位的升幅进行加高，工程总量为1 752.54×10⁴ m³，需投资21.03亿元.但是1994年6月特大洪水，珠江三角洲的直接经济损失即达22.18亿元.
　　影响最大区的4个站(黄埔、南沙、灯笼山、黄冲)，现今实测风暴潮最高潮位已经超过设计最高潮位0.8～1.2 m.若海平面上升30 cm，这4个站的百年一遇风暴潮位将缩短为30年至40年一遇.因此,应考虑海平面的升幅提高最高潮位的设计标准.
　　海平面上升，波能增大导致风浪的波高增大.在现在条件下，沿海工程的设计波高已经偏低，例如深圳机场1991年以来曾两度海水漫堤.若海平面上升30 cm，据赤湾、高栏岛、香港高岛站的计算，设计波高应加大24～27 cm.
　　目前城市排水口设计高程普遍偏低，应予改订.例如广州市排水口高程标准虽然从50年代的1.73 m(珠基)提高到目前的2.75m.但是，近年高水位达2.44 m，排水仍然困难.深圳市和珠海市的排水口高程仅比平均海面高出1.20和1.24 m，每年有12%(深圳)和11%(珠海)的时间需用水泵排涝.
　　海平面上升30 cm，取“93^.9”典型年，对24个站最低低潮位的升幅进行水力学计算，平均升幅在A～C区分别为3,14.7和23.9 cm，比最高潮位的升幅小．但是，低潮位抬升，必须提高治涝标准，增加电排装机容量.珠江三角洲围内土地中有27.1%为低沙田(高程小于0.5 m,需电排)，海平面上升30 cm，其比例将增加到41.9%,即扩大540×10⁶ m².就固定电排站而言，需增加装机容量10.51×l0⁴ kW，投资14亿元.
　　海平面上升30 cm，取马口站枯水流量，对37个站进行水文学计算，潮差增大的平均值，在A～C区分别为11,14和17 cm.潮差增大,将使盐水入侵.对3个站(灯笼山、黄金、西炮台)进行计算，海平面上升25 cm，在相似流量条件下，月均盐度增大率为20％左右.但是，60年代以来，由于珠江来水平均每年约增多51 m³/s (1959～1984年)，加之口门延伸，径流动力增强，使各站年均盐度降低30%～74%.故海平面上升对盐度增大的实际影响很小.由落憩和涨憩模型计算，以海平面上升30 cm、标志盐度2.0、枯季、高潮为准，八大口门盐水界线(图1)向内推移的距离多小于1.5 km.
　　珠江口滩涂面积1 378×10⁶ m²，占广东省滩涂总面积的31.1%.其中未利用面积676×10⁶ m²，占49%.海平面上升30 cm，对滩涂资源增长量的影响较小.海平面上升速率按毫米计(7.5 mm/a)，而滩涂的淤高速率按厘米计，伶仃洋为2.0 cm/a (1964～1984年)，磨刀门为4.2 cm/a(1983～1994年)，鸡啼门为3.2 cm/a (1977～1990年)，崖门为2.5cm/a(1977～1988年).海平面上升30 cm，滩涂增长量将减少23.4％，珠江口滩涂2030年本来可增长1 003×10⁶ m²，却可能少65×10⁶ m².
　　海平面上升30 cm，但口门在向海延伸.取“93^．9”典型年，对24个站进行水力学计算，最高洪潮水位的升幅比口门不延伸条件下小得多，其平均值在A～C区分别为0.3,9.3 和18.1 cm.
　　因此，应逐步实施口门的治导规划，各口门合理定向延伸距离为:磨刀门14 km,横门15 km,洪奇门20 km,蕉门24 km.同时，应陆续兴建五大控制性水利工程:思贤?水闸、马口水闸、南华水闸、鸡啼门水闸、石龙水闸.可调控西江和北江的来水，确保泄洪安全，保证枯季水源，拒咸压咸，改善航运条件，保证东江干流沿江供水.

参考文献