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河口海岸蓝图重绘

已有 1343 次阅读 2019-2-25 20:03 |个人分类:科学问题|系统分类:科普集锦| 河口海岸学

 

河口海岸区域是海洋与陆地之间的地带,其向海一侧的边界位于大陆架边缘,而向陆一侧的边界位于海洋因素(如潮汐、台风、海陆风等)能够作用到的范围界限,占到地球表面面积的15-20%。从全球范围来看,河口海岸区域集聚了大部分人口和大都市,是人口分布和经济社会发展的重心所在。在我国,东部沿海是经济相对发达的区域,而最发达的地方又集中于长三角、珠三角、京津唐等少数几个区域。长江三角洲有过一个世界记录,即单位面积土地能够养活的人口最多。上海就坐落在富饶的长三角,2017年上海GDP总量为30134亿元,上海市面积为6340平方公里,因此每亩土地产出了31.7万元。

然而,在繁荣现状背后也有一个深深的担忧:按照目前的发展方式和速度,河口海岸区域的资源、环境、生态、灾害、人地关系在不久的将来会难以为继。为了应对这个新情况,人们提出河口海岸蓝图重绘策略,国际政府间学术组织“Future Earth Coasts”(未来地球计划-海岸)也把海岸带蓝图重绘作为近期研究工作的重点。为了理解蓝图重绘的内涵,需要弄清河口海岸经济社会发展的内在逻辑。

 

1河口海岸所依赖的自然条件

 

海岸线的位置不是一成不变的。潮涨潮落使水边线发生水平迁移,沉积物堆积和冲刷造成岸线的进退。在更长的历史时期里,地球还经历了海面变化,例如18000年前岸线位置比现在低130m,岸线离开上海有600km远,那时整个东海陆架都是出露的。此外,就算岸线被固定,岸线两侧的环境特征也会同时受到海洋、陆地的影响,如海上刮来的台风可深入陆地很远,而陆地河流进入海洋,也对海洋有影响。因此,岸线两侧的地带实际上构成一个海洋与陆地之间的过渡地带。河口是海岸带的重要组成部分,是陆地向海洋输送物质的必经通道。

河流向海洋输入淡水和营养物质,在近岸水域转化为鱼虾贝藻等生物资源。事实上,海洋虽然面积广大,但其生物资源大部分集中在近岸水域,深海大洋的生物资源量相对较少。河流还向海洋输入沉积物,在入海口形成了河口三角洲,在邻近区域则形成海岸平原,在长三角生活的人们,对于长江三角洲和苏北平原海岸这片肥沃的土地,是非常熟悉的。海水里含有大量的盐分,把海水蒸干或熬干,就能得到食盐,历史上长江三角洲北翼就是一个海盐生产基地。河口与海湾往往是航船的避风港,船舶从这里出发,可以由海路到达世界各地,这种贸易的成本比航运和铁路都低。海岸带吹来阵阵的海风,使空气变得清爽宜人。波浪冲刷形成的海岸陡崖,迷人的珊瑚礁、红树林、盐沼湿地,还有天水一色相伴的海滩,使得人们流连忘返。河口海岸自然资源丰富、交通便利、土地肥沃、气候温和,所以最能吸引人。

从历史的眼光看,人们会有一个疑问:既然河口海岸地方自然资源这么丰沛,为何古代的时候我国社会重心却是在内地呢?这与当时的科技水平有关。从古代社会的社会经济发展水平看,从事农业生产最为现实,所以内地是比较适合的区域。河口、三角洲、海岸地区自然资源条件虽好,但也更容易受到洪涝、台风、暴潮等事件的影响。灾害的防范在古代是个难题,而现在不同了,极端事件预报能力、海岸防护能力、抗灾救灾能力的提高已经基本解决了海岸带开发的各种障碍。自然灾害问题解决了,资源开发就有了保障。

 

2河口海岸自然资源开发进程

 

河口海岸区域经济社会发展走到今天这一步,是多年开发的结果。早期开发是一个对环境逐渐适应的过程,人们逐渐掌握了一套生存策略,就像各种生物在海岸带找到了生存繁殖之道一样。

随后,河口海岸开发越来越依靠科学技术。在过去很长一段时期里,我们河口海岸学国家重点实验室的任务之一是要解决经济、社会持续发展中的资源、环境、生态、灾害、人地关系问题。直到不久以前,长三角的开发还是以自然资源利用、灾害防治为主,环境和生态问题居于次要地位。自然资源的情况要摸透,以便开发利用。在这个阶段,我们实验室的前辈们致力于上海市土地围垦、港口航道建设、长江淡水资源开发等工作,为浦东机场、上海港、青草沙水库等大型工程建设作出了特殊贡献。

上海的经济社会发展,在一定程度上是上海人多年与滩地打交道的结果,因而有“上海滩”这个词。在长江河口地势低洼的区域,上海人坚持不懈地开垦土地、建设港口和航道,终于使上海滩发展成为一个繁荣的大都市。

近年来,环境和生态问题受到了越来越多的关注。环境的恶化一方面是由于人们随意改变自然环境的形态,另一方面是由于生产生活中排放的人造物质增多。而生态系统退化则主要是由于野生动植物栖息地的破坏和生物资源的过度使用。为了修复自然环境和生态,上海市现在提出要把崇明岛建设成为世界级生态岛。因此我们实验室多了一项新任务,就是要提出在资源开发利用的同时,如何保护生态环境。在目前的经济社会发展阶段,采用科学技术手段,既发展生产,又维持生态系统的产品和服务价值,这个任务虽然有难度,但仍然是可能的。例如,我们可考虑提高自然资源的使用效率,提升产品的质量而不是数量,根据生态系统价值指标进行土地利用管理,优化区域发展格局。

 

3为何重绘蓝图?

 

迄今为止,河口海岸区域自然资源开发进程是比较顺利的,也在一定程度上实现了经济社会的繁荣发展。既然如此,蓝图重绘从何谈起呢?答案是,看现状看趋势,未来的河口海岸区域将出现许多新情况。

宏观上看,这些新情况是系统状态转换的结果。系统状态的意思是,一个系统有很多影响因素,每个影响因素又可能由多个变量来表达,例如潮汐这个因素是由潮差、潮周期、潮流流速等变量来表达的,而每个变量又有其定义域,例如江苏海岸的潮差在1.5-9.4米之间变化;如果一个河口海岸系统的影响因素的个数和变量定义域均为已知,则该系统的特征和行为就可以被预测。系统状态转换的意思是,一个系统增加或减少了影响因素,或者各个变量的定义域发生了显著变化。在此情形下,这个系统的特征和行为就不能用原来的方法来预测,必须要建立起新的方法。

现今河口海岸正在发生系统状态转换,主要是针对人类活动加剧和气候变化而言的。过去我们常说,相对于自然人类是渺小的,人类活动难以改变整体的自然环境。我们对气候的春夏秋冬变化也早已习以为常,不会认为有什么“不对劲”的地方。但在不知不觉之中,我们的自然环境已经由于人类活动加剧和气候变化而悄然生变了。

譬如,河口三角洲海岸原本有许多天然的潮间带湿地,现在由于围垦,湿地地貌显著改变,并且其演化方向已经脱离了正常的自然演化格局;人工引种互花米草,使得原来生态系统中的盐地碱蓬等植物难以生存,进而影响自然保护区里鸟类的生活环境;海岸带滩涂被大规模开发为养殖区域,收获鱼虾贝藻,同时也可能引发绿藻爆发等环境问题。这些都是人类活动影响的例子。

在气候变化方面,其影响主要体现在风暴事件强度提高、海面上升加快等趋势。全球变暖可导致局域尺度范围的气温梯度增加,因而在有些区域台风强度会大幅度提高。全球变暖还导致两极冰盖的融化,由此产生的海面上升速度目前约为每年3毫米,但目前北极地区的格陵兰冰盖正面临着加速融化的危险,北极地区的冰盖已经在过去几千年前全部融化了,目前还剩下一个格陵兰冰盖,这也成了尘埃落定之前的最大不确定性因素。假如格陵兰冰盖融化,海面将在短时间里上升约6米。过去上海地区的台风发生频率较低,海面上升幅度也较小,公众或管理部门对气候变化及其带来的海平面上升带来的影响已经有点麻痹了,认为这点变化对海岸防护不会产生什么影响,而实际上气候变化危机正在悄然向我们逼近,河口海岸区域日益集中的财富也越来越暴露于自然灾害的威胁之下。

与全球格局相比,我国还有一些特殊情况。相对于我国的人均国土面积,我们的人均海岸带面积很小,这个特征与美国差异很大。美国的总人口约为我国的四分之一,但拥有大西洋、太平洋和墨西哥湾的漫长岸线,东、南、西三面都是海岸带。计算下来,我国人均拥有的海岸带面积不到美国的十分之一。海岸带区域的相对狭小也能解释我国沿海城市的拥挤状况。以上海为例,交通、城市建筑的拥挤程度不用说,生产生活用地也已接近目前生产方式所能支撑的极限。

如前所述,河口海岸发生了如此显著的系统状态转换。那么,原先的经济、社会发展模式是否也需要进行调整?按照系统分析的观点,新的系统状态必然要有新的应对方法,而目前提出的对策就是河口海岸蓝图重绘。

 

4新蓝图有什么要求?

 

河口海岸区域蓝图重绘的要点,是更加合理地利用自然资源,重建健康生态系统。

首先,新蓝图要十分重视空间资源的合理利用。我国的河口海岸区域有着城市多、人口众,地域挤的特征,但在土地利用方面很不经济,如在市区、道路、工业区有很多缺乏有效生产生活功能的地块,甚至是废弃的死角地块。未来需要实现城市土地利用精细化,市区扩建、道路和交通要按照汽车社会的要求进行调整,尽量使用立体空间。每一块土地,无论面积多么小,也要发挥其环境、生态功能。

其次,自然资源配置要向经济转型的高端产业倾斜。例如,传统经济使得以上海为代表的长三角地区成为我国经济相对发达的地区,但是,受制于自然资源环境条件,传统产业的发展速度必然逐渐放缓,最终停滞在一个水平上。与此同时,人工智能、物联网、生态旅游等新兴产业正在快速发展。只有将传统产业所占据的一部分资源转移到新兴产业,才有可能保持经济发展的势头。为此,需要按照市场经济运行方式,实现资源配置地的转移。

再次,自然资源保护及能否做到可持续使用将成为未来发展的关键。自然资源的一部分是可再生的(例如树林),一部分是不可再生的(例如岩石矿物),这两个单元之间,存在着大量过渡类型的自然资源,如果管理得当它们是可再生的,否则就是不可再生的(例如海岸带渔业资源)。构建先进的资源管理体系,扩大可再生资源的比例,在众多生产活动中力求达到资源零消耗的目标,是非常重要的任务。以水资源为例,目前上海的淡水资源可以支撑2500万人口,如要进一步增加人口,水资源是一个制约因素,因此要解决如何最大限度地保有淡水资源的问题。还有土地资源问题,过去长江三角洲岸线不断淤积,而现在淤积已经停止,甚至进入蚀退状态,土地资源保护的重要性已经凸显。

最后,资源再紧张,环境压力再大,也要保障生态系统健康。像上海这样的寸土寸金之地,要维持健康的有生态功能的生态系统难度很大,但如果生态系统被破坏,人居环境质量下降,河口海岸的整体优势将失去。目前在崇明岛进行的国际生态岛建设,其目标就是要达到开发与保护的融合,提供一个如何在人口密集区重建生态系统、提升其产品与服务价值的范例。

 

5蓝图重绘的科学问题

 

蓝图重绘需要科学研究,把资源配置和环境生态安全问题转化为科学问题。从地球与环境科学的视角,这些科学问题是针对河口海岸系统特征与演化、重要现象的机理、实验和数值模拟等方法技术的。研究中要特别关注时空尺度问题,因为不同时空尺度上起主导作用的过程和机理是不同的。在这里,“过程”是指影响系统行为的各种因素以及它们起作用的方式(通过能量、物质、信息等),而“机理”是与特定现象相关联的多种过程的组合方式。

根据这一思路,可以凝炼出长江三角洲蓝图重绘的一系列关键科学问题,例如北极格陵兰冰盖动态和本区域因素共同影响下的未来海面变化格局、极端风暴事件强度和发生频率变化、海岸线动态机理、河流三角洲体系的过程-产物关系、重构海岸带岸线防护体系、海岸湿地产品和服务价值、大型野生动物的食物网和迁移通道、生态系统演化与海面变化及海水酸化的关系、海岸湿地-陆架生态系统动力耦合模型、海岸带对经济社会支撑的可持续性等等。

在整个长江流域,上海是经济发展的龙头,上海的持续发展可以维持从沿海到内地的经济发展水平梯度,这个梯度代表了河口海岸区域对长江经济带经济社会发展支撑力的可持续性。为了长远地保持这个梯度,必须不断调整区域可持续发展的方式。由长三角推及全球河口海岸,蓝图重绘也已到了势在必行的阶段。

 

(原文见:高抒, 2019. 河口海岸状态生变, 蓝图重绘势在必行. 世界科学, no.1, p.29-31.)





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