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人类对大河三角洲的开发:潮控地面高程的重要性

已有 1536 次阅读 2022-6-8 10:00 |个人分类:学术研讨会|系统分类:科研笔记

全球有数以千计的河流三角洲其中陆上面积超过10000 km2的特大三角洲20[1]这些三角洲因其自然资源和人居环境的重要性受到人们的关注。然而,有趣的是大三角洲虽然资源丰富但成为区域性经济文化社会发展重心的却并不多见。有的三角洲缺少大规模的中心城市另一些三角洲虽然大城市相邻,但这些城市要么位于三角洲旁的邻近流域要么位于三角洲上部离开海岸线有相当的距离。湄公河三角洲有胡志明市,但位于邻近的另一个流域,且离海岸较远;恒河三角洲达卡加尔各答但到河口前缘分别有200 km100 km的距离。可能唯一的一个例外是上海位于长江三角洲的河口位置,长江三角洲的顶端另一个大型城市南京。由此看来长江三角洲是很有特殊性的。

上述现象产生的原因有多种如三角洲所在的气候带口航道和土地资源禀赋、以及社会发展的阶段性等。然而,不忽视的一个简单因素是三角洲的地面高程,它潮汐状况有关的

潮间带环境的地面高受到潮汐水位的控制。在潮汐作用下沉积物具有向岸输运并堆积的特点。其中质沉积物堆积在潮间带下部泥质沉积物堆积在间带上部堆积的最高部位决定于潮差[2]。如果平均大潮潮差为5m,那么细颗粒沉积物的堆积高至少能够达到海面之上2.5m。实际上潜在的地面最大高最大高潮位相关因而可明显高于平均大潮高潮位。以上海为例这里平均大潮潮差接近5m但地面高程可达3.5-4.5m[3]远大于2.5m。其原因是最大高潮位比平均大潮高潮位要高1m以上

除潮汐之外,河流洪水事件是否也能抬高地面?河流中上游地区的洪水水位显著高于平常水位,洪水带来泥质沉积物堆积在河漫滩上。因此河流阶地沉积层也有粗颗粒物质在下细颗粒物质在上的二元结构。河漫滩地面的高程随着一次次洪水的作用而提高,最终转化为阶地然而,对于三角洲而言,由于河流注入河口湾水域后,水面变得开阔因此洪水水位远低于三角洲的区域。美国密西西比河三角洲就是一个典型案例三角洲的地面高很低并没有因为洪水泛滥而形成地势较高的区域[4]。这就是说潮汐对三角洲地面高的控制作用要远大于河流洪水

地面高有很大的环境影响。例如盐水入侵地下水位三角洪涝发生于此相关。风暴潮三角洲的重大自然灾害威胁一。位于孟加拉湾顶的恒河三角洲风暴潮增水最大能够达到7m量级,在历史上频繁引发巨大的自然灾害[5]

风暴潮灾的规模与地面高程有着明显的关系。这里提供一个简化的。假定有未实施海岸防护工程的3个三角洲平均大潮潮差分别为531m,其地面高分别为4m2.4m0.8m再进一步假定风暴潮发生的时间尺度为若干天而且与特大天文潮同步这种情况代表风暴潮灾最严重的情况。在风暴潮增水幅度1-5m的情形下,3个三角州的淹没情况有大的不同。高4m的三角洲2m增水只造成21%的淹没时段,即便是5m增水也不过63%,而2.4m的三角洲这两个数值分别为41.6%100%(全部时间淹没),2.4m的三角洲则在1.5m增水时就出现全部时间淹没。通常所见的较强增水幅度2-3m,与之相关的淹没时间估算表明,地面较高的三角洲即便在天文大潮期间发生风暴潮表淹没的时间也相对较短,造成的损失相对较小地面较低的三角洲淹没的程度要严重得多在整个风暴期间将被100%的时间淹没。一个三角洲如果连续几天都被水淹没生活在其中的人们遇到的困难可想而知。

除孟加拉湾以外世界各地的风暴潮增水很少超过4m。而孟加拉湾风暴潮增水6m以上这可以解释为恒河三角洲虽然潮差较大风暴潮灾仍然很严重。也就是说三角洲地面高较高的情况下能够较好地抵御风暴潮而当风暴潮增水达到一定的阈值时此抵御能力就会失效。

恒河三角洲不同,在抗击风暴潮这一点上,上海所处的长江三角洲前缘的条件是有利的。据研究,本区风暴最大增水为3.67 m,考虑到风暴潮与天文潮之间的非线性相互作用,最大风暴潮与最大天文潮一起发生的时候,最高水位为平均海面以上6.77m[6]。如果不考虑非线性相互作用,而将两个水位简单相加,则最高水位为7.87m[7]。无论是哪种情形,4 m左右的地面高程意味着本区地面不会在整个风暴潮期间都被淹没,再加上海堤的防护作用,上海市被风暴潮淹没的概率就大大降低了。这样的地貌稳定性条件,十分有利于上海市的经济社会发展。

值得指出,最大高潮位提供了地面向上加积的可能性但这并不是决定地面高程的充分条件。许多其他的因素可以影响实际的地面高程,如人为抽取下水开采地下油气可以造成地面沉降即便没有人类活动影响由于沉积物的自重和脱水等因素,也能造成地面沉降[8]。事实上,地面沉降是许多的低地海岸平原的普遍问题,包括河口三角洲在内河流上筑坝,使得沉积物供给减少,不能及时补充地面物质亏损;人类对三角洲的不恰当使用设计有误的围垦工程,阻止了沉积物的进一步输入也使得地面高不能随着三角洲地貌演进而得以提高[9]

长江三角洲的核心部分是在人大规模围垦时期之前形成的因此地势较高。目前长江三角洲前缘已经达不到过去的高程,潮间带上部最大高仅为3m左右[10]近期的围垦是针对这一部分土地的。新近围垦的土地程远低于历史上根据天然条件而开发的土地,因而更易受到风暴潮灾害的影响

以上的分析并非必然导致悲观的结果,从积极的方面来说,人类对特大三角洲的开发利用有许多可开发的支撑技术。其中重要的一点是提高地面高由于地面高程受到潮差的制约,因此在潮差较小的三角洲较高的区域不能自然形成。在这种情况下三角洲的开发应该如何进行?一方面应该加强地面沉降的管理降低地面沉降速率其实,潮差较大的三角洲也需如此)。另一方面应设法提高地面高程,结合环境整治把河流三角洲作为一个待开发的资源来看待进行逐步开发使得三角洲的一些重要区域能够抬高地面,抵御风暴潮灾的能力

为此,除海面上升、地面沉降监测之外,三角洲地面高程的动态变化也很重要。文献中关于地面高程具体数据的信息往往是缺乏的[11]。那么问题就来了:如果不考虑地面高程,只讲地面沉降和海面上升速率,则是难以获得未来三角洲风险的完整图景的。应对地面高程进行高分辨率的监测,以获取实时基础数据。

地面高程改进方面长江三角洲的开发历史值得关注[12]。现在的长江三角洲河网密度之高几乎占据了地面面积的1/10。河网从何而来其中的一部分是过去的天然潮汐水道在围垦过程当中人们并没有为了扩大土地面积把这些水平,而是保留下这些水道,作为冲淡土地盐分的排水渠道以及船运的航道。有一大部分水道是人工挖的其功能与保留的潮汐水道是一样的。在挖掘过程中,产生的沉积物被堆到周边的土地上一定程度上提高了地面的高。如果在占总面积1/10的水河底高成程置于-5m那么挖掘出来的沉积物至少有5m的厚度堆积周边的土地上能使地面高平均提高0.5m

当然这些做法要符合经济规律不破坏生态系统功能用这种办法改造的新土地应该有比较高的经济价值并且为社会接受这样。按照经济运行规则经过循序渐进式的改造三角洲的地面状况就能得到有益的改善。

 

本文根据作者在202267Progress Meeting of the Mega-Delta Programme会议的发言,题目为Human utilization of mega-deltas: the importance of tidally modulated ground surface elevation

 

注释

[1] Nienhuis J H, Ashton A D, Edmonds D A, Hoitink A J F, Kettner A J, Rowland J C, Trnqvist T E, 2020. Global-scale human impact on delta morphology has led to net land area gain. Nature, 577, 514-518.

[2] Gao S, 2019. Geomorphology and sedimentology of tidal flats. In: Perillo G M E, Wolanski E, Cahoon D, Hopkinson C (editors), Coastal wetlands: an ecosystem integrated approach (2nd edition). Elsevier, Amsterdam, p.359-381.

[3] 徐其华 主编, 1997. 上海水利志(简本). 上海: 上海水利志编纂委员会, 98pp.

[4] Coleman J M, Roberts H H, Stone G W, 1998. Mississippi River Delta: an overview. Journal of Coastal Research, 14(3), 698716.

[5] 布鲁姆-帕克, 2014. 海洋的力量. 徐胜, 张爱军 译. 北京: 海洋出版社, 304pp.

[6] 应仁方, 羊天柱, 1986. 上海防洪水位研究中吴淞台风暴潮数值计算与可能最高潮位的分析. 海洋学报, 8(4), 423-428.

[7] 端义宏, 高泉平, 朱建荣, 2004. 长江口区可能最高潮位估算研究. 海洋学报, 26(5), 45-54.

[8] Syvitski JPM, Kettner AJ, Overeem I, Hutton E W H, Hannon M T, Brakenridge G R, Day J, Vörösmarty C, Saito Y, Giosan L, Nicholls R J, 2009. Sinking deltas due to human activities. Nature Geoscience, 2(10), 681-686.

[9] Auerbach L, Goodbred Jr S, Mondal D, Wilson C A, Ahmed K R, Roy K, Steckler M S, Small C, Gilligan J M, Ackerly B A, 2015. Flood risk of natural and embanked landscapes on the Ganges-Brahmaputra tidal delta plain. Nature Climate Change, 5, 153-157.

[10] 茅志昌, 虞志英, 徐海根, 2014. 上海潮滩研究. 上海: 华东师范大学出版社, 233pp.

[11] Bomer E J, Wilson C A, Hale R P, Hossai A N M, Rahman F M A, 2020. Surface elevation and sedimentation dynamics in the Ganges-Brahmaputra tidal delta plain, Bangladesh: Evidence for mangrove adaptation to human-induced tidal amplification. Catena, 187, 104312.

[12] Bao J L, Gao S, 2021. Wetland utilization and adaptation practice of a coastal megacity: a case study of Chongming Island, Shanghai, China. Frontiers in Environmental Science, 9, 627963.




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