天津市濱海新區地面沉降經濟損失評估＊

周 俊 楊建圖 姜衍祥 于 強 王 威 胡蓓蓓

(1.天津市控制地面沉降工作辦公室,天津300061;2.天津師范大學城市與環境科學學院,天津300387)

天津市濱海新區地面沉降經濟損失評估＊

周 俊1楊建圖1姜衍祥1于 強1王 威1胡蓓蓓2

(1.天津市控制地面沉降工作辦公室,天津300061;2.天津師范大學城市與環境科學學院,天津300387)

鑒于地面沉降演化的地質系統漸變性特征,從主要致災因子考慮建立地面沉降數值模型。基于情景分析設計3種地下水開采方案:方案一,保持2007年抽水條件不變;方案二,以2007年實際開采量為基準逐年遞減2%;方案三,南水北調水源逐步替換地下水開采,到最后完全替換地下水源;編譯計算機程序預測地下水位動態變化過程中的地面沉降值。在此基礎上,以分部門統計分析為原則,把地面沉降災害經濟損失分為23個小類;綜合運用終值法、影子工程法、重置成本法、工程費用法、災情比較法、間接損失與直接損失比例法和權重分解法等評估方法,計算不同情景下的地面沉降損失。2007-2020年,在最不利、適中和最理想3種情景下天津市濱海新區最大累計沉降量分別達640 mm、520 mm和150 mm;地面沉降損失分別達122.21×108元、80.71×108元和43.32×108元。

地面沉降;情景分析;經濟損失;天津市濱海新區

天津市濱海新區是國內外地面沉降最為嚴重的區域之一,地面沉降導致的嚴重危害和巨大損失,在某種程度上已制約該區社會和經濟可持續發展[1]。鑒于天津市濱海新區地面沉降在國內外所具有的典型性和代表性,科學預測該區地面沉降趨勢并評估其災害損失,對促進其他地區地面沉降災害損失的評估,并對制定相應的控沉減災政策,具有十分重要的理論和實際意義。

1 研究區概況

天津市濱海新區規劃面積2 270 km2,2007年戶籍人口114.41×104人,2007年實現地區生產總值2 364.08×108元[2]。隨著社會經濟的快速發展,由于過量開采地下流體資源,地面沉降已經成為濱海地區最為嚴重的災害之一。天津市濱海地區出現了塘沽、漢沽、大港三個沉降中心;2008年度,塘沽區、漢沽區和大港區平均沉降量分別為25 mm、15 mm和25 mm。1959到2008年累計監測結果顯示,全市最大累計沉降量為3.312 m,位于塘沽區上海道與河北路交口一帶,該地區已低于平均海平面0.982 m(天津市控制地面沉降工作辦公室1986-2008天津市地面沉降年報)。地面沉降給天津市濱海新區造成了多方面的危害:如建筑物下沉變形、開裂乃至破壞;市政給排水管線的破壞;海水倒灌造成的地下水質破壞;地面標高損失,風暴潮災害加劇;河流排泄能力的喪失和土壤的鹽漬化等。

2 天津市濱海新區地面沉降預測

2.1 預測方法

本文基于地面沉降數值模型和“情景分析”預測了2007-2020年天津市濱海新區地面沉降量[3]。“情景”(Scenario)最早出現于1967年Herman Kahn和Wiener合著的《2000年》一書中[4]。“情景分析”(Scenario Analysis)是在對經濟、產業或技術重大演變提出各種關鍵假設基礎上,通過對未來詳細、嚴密地推理和描述來構想未來各種可能的方案[5-8]。該方法已廣泛應用于災害預測模擬中[9-10]。

本文設計了最不利、適中和最理想三種情景對2020年濱海新區地面沉降進行了預測。首先預測地下水的動態變化:南水北調2012年給天津供水后,將展開大規模地下水壓采,同時根據近幾年地下水開采逐年減少的實際情況,設計三種地下水開采方案,預測不同情景下地下水系統動態變化情況。

情景一:2001-2007年以實際開采量為準輸入,2007年以后地下水開采量按照2007年實際開采量輸入,各含水組開采量參照2001-2005年年均各含水組地下水開采比例來計算,其目的是預測最不利情況下的地面沉降發展狀態。

情景二:2001-2007年以實際開采量為準輸入,2007年以后地下水開采量,以2007年實際開采量為基準逐年降低2%,各含水組開采量參照2001-2005年年均各含水組地下水開采比例來計算,以模擬沒有外來水源,保持現在控沉措施條件下地面沉降發育狀況。

情景三:2001-2007年以實際開采量為準輸入,2007-2012年地下水開采量,以2007年實際開采量為基準逐年降低2%,各含水組開采量參照2001-2005年年均各含水組地下水開采比例來計算;2013-2020年各鄉鎮壓采方案為準。情景三模擬預測南水北調水源利用以后地下水系統動態變化和地面沉降發育狀況,是地下水限采的最理想方案。

2.2 預測結果

依據前述情景設計,編譯計算機程序,來計算濱海新區地下水位動態變化過程中的地面沉降值[3]。

在保持2007年抽水條件不變情況下(情景一),到2020年,兩個沉降中心分別在東麗和漢沽,最大沉累計沉降量可達640 mm,全區平均累計沉降量達268 mm。從沉降的層位分布特征分析,大港區沉降主要發生于第IV含水層,東麗、塘沽沉降主要發生于第III、第IV含水組,漢沽沉降主要發生于第II含水組。本次計算結果還顯示,90%以上的沉降發生于含水層,而隔水層沉降所占份額較小。

在抽水量歷年遞減2%的情況下(情景二),第II含水層水位基本穩定,故沉降主要發生在第III、第IV含水層,主要沉降區位于東麗、塘沽兩區。至2020年,最大累計沉降量達520 mm,全區平均累計沉降量達177 mm。

情景三是目前地下水限采的最理想方案,即南水北調水源逐步替換地下水開采,到最后完全替換地下水源。地下水動態數值模擬顯示,根據規劃方案,2013年開始水源替換以后,全區各層水位基本上呈現穩定恢復態勢,故地面沉降的趨勢將得到根本扭轉。情景三2007-2020年累計沉降量實際上是2007-2013年累計沉降量,最大累計沉降量達150 mm,全區平均累計沉降量達95 mm。

3 地面沉降損失評估

3.1 經濟損失分類

地面沉降災害經濟損失風險評價是指在未來某個特定的時期內,對地面沉降災害可能造成的預期經濟損失進行評估的過程,其目的是要回答未來地面沉降災害產生經濟損失的可能性有多大、損失程度如何等[11]。

通過系統分析地面沉降對社會、經濟和環境各方面致災機理,以分部門統計分析為原則,把地面沉降災害經濟損失共分為23個小類(見圖1)。

地面沉降防治投入:指歷年來為控制地面沉降采取的工程和非工程措施的費用。安全高程損失:指地表高程降低引起的損失。地表具備一定高程是土地具有承載功能和經濟價值的基礎,故地表高程是一種基礎性的經濟資源和自然資源,其消失或降低必將導致經濟損失。測量標志經濟損失:指因地面沉降導致測量水準點失效引起的重建、校準費用。房屋建筑損失:指除重大工程外的一般民用、商用建筑,其損失主要分為建筑物損壞維修費以及由于沉降引起的建筑物價值、功能損失。排水系統損失:指地面沉降導致的排水系統實物破壞損失、日常維護費用增加和排水系統功能損失。給水系統損失:指地面沉降導致的給水系統實物破壞損失、日常維護費用增加和給水系統功能損失。燃氣系統損失:指地面沉降導致的燃氣系統實物破壞損失和日常維護費用增加。公路損失:指地面沉降導致的路基額外加高費用,以及由于潛水位上升引起的路面癱軟、凍裂等損失。橋梁損失:指地面沉降導致橋梁毀壞損失、恢復橋下凈空高度進行的橋梁抬升工程費用。鐵路損失:指地面沉降導致的額外維護費用,以及地鐵、快速鐵路設計為預留地面沉降而增加的工程費用。防潮堤工程損失:地面沉降導致海擋防護標準降低,海擋工程損失指為恢復海擋工程到設計防護標準而增加的工程費用。河道堤防工程損失:地面沉降導致河道堤埝防護標準降低,河道堤防工程損失指為恢復堤埝工程到設計防護標準而增加的工程費用。閘門損失:指地面沉降導致閘門損壞和防護標準降低,為恢復閘門工程到設計防護標準而增加的工程費用。風暴潮災害損失:指地面沉降導致風暴潮加劇,災害損失額外增大部分的經濟損失。澇災損失:指因地面沉降引起的澇災加重損失。城市水淹水泡損失:指地面沉降導致城市內澇加重,災害損失額外增大部分的經濟損失。防汛搶險費用:指因地面沉降引起防汛搶險費用增加的損失。工業生產經濟損失:工業的經濟損失分為直接經濟損失和間接經濟損失兩部分,直接經濟損失指地面沉降所造成的廠房裂縫、滲漏水、傾斜甚至倒塌以及對生產設備造成直接破壞的修復費用。間接經濟損失主要指因地面沉降導致的生產成本提高及產出減少等方面的損失。港口碼頭經濟損失:指因地面沉降造成的港口碼頭破壞的修復、重建費用;港口碼頭需追加及已經追加的設備費用(如港區建閘,加設排水泵房等);因地面沉降造成倉庫廢棄以及貨物淹泡損失。農業生產損失:指為防治地面沉降進行農業用水限采,導致農業收入減小的經濟損失。土壤鹽漬化:指由于地面沉降導致潛水位上升,從而導致土壤鹽漬化加重的經濟損失。地表水污染損失:指地面沉降導致河流重力排污降低,引起地表水污染加重的經濟損失。建設用地適宜性損失:指地面沉降導致建設用地適宜性降低引起的經濟損失。

以上各分項損失計算中,測量標志建設、維護、修復的歷年費用計入控沉的防災減災投入中,港口碼頭的經濟損失也作為直接經濟損失計入“地面沉降加劇的風暴潮損失”中,均不再單獨計算。

3.2 評估方法和模型

地面沉降經濟損失估算以災害機理分析為主線,全面分析地面沉降對社會、環境各方面危害;以部門統計分析為主體,便于災情行業分析和防災減災對策制定。相比國內其他地區地面沉降經濟損失評價方案,增加了城市房屋建筑、環境經濟損失的內容。在分項經濟損失計算中,主要采用了以下具體計算方法:

終值法:由于貨幣時間價值的原因,不同年份受災體的損失不可能是同值的,經濟損失也不是簡單的評估期內各項損失的靜態代數之和。估算時,應采用計算期內各年的有關貼現率將相應年份的各類經濟損失之和貼現到評估基準點,相加后才能得出地面沉降災害經濟損失總值。設地面沉降災害造成某區域第j類受災體在第i年當年的經濟損失為 Sij,第 i年的折現率為Ri,則從 t1到 tn的時段內,以 tn為估算時點,該區域因地面沉降造成的總經濟

圖1 地面沉降災害經濟損失分類Fig.1 Classification of the economic losses induced by land subsidence

點地面沉降經濟損失;Sij為第j類受災體在第i年當年的經濟損失,i=t1,…tn;Ri為第i年的折現率,i=t1,…,tn;m為受災體的種類或者損失項目[12-13]。

影子工程法:該法是一種工程替代的方法,即為了估算某個不可能直接得到結果的損失項目,假設采用某項實際效果相近但實際上并未進行的工程,以該工程建造成本替代評估項目的經濟損失的方法。在本次損失評估中,在計算地面標高資源損失時,就采用了影子工程法,即:用人工填土夯實的方法使安全高程恢復到沉降前的狀況,用該替代高程的成本作為安全高程降低后的損失。

典型調查法:對統計資料比較齊全的相關工程、設施以及地面沉降所加劇的某些災害損失中,利用典型調查法,通過有記載的具體數據資料來獲取地面沉降帶來的經濟損失。本次評估計算中,地面沉降增加的防汛搶險、風暴潮、洪澇災害及防災減災投入等項中,均采用該方法。

統計推斷法:在調查統計基礎上,根據災情數據之間的某種內在聯系或趨勢,對沒有定量數據年份的損失進行推斷的方法。例如:對于天津市歷年的洪澇及潮災損失,并不是每一次的災害都有定量的損失數據,但是,《水利志》及《年鑒》等文獻的收集記載中,對每次的災情描述都比較完全,可以根據災害損失數據之間的比例關系對其他年份的損失數據進行估算。

重置成本法:在估算以往年份受災體遭受地面沉降造成的損失時,可以用受災體在估算時點的重置成本作為其經濟損失值。本研究在估算部分水利工程設施及橋梁等市政設施的損失時采用了該方法。

建設成本或工程費用法:根據水利工程、建筑工程或市政工程受災體受災損失程度或修復費用、防災投入的建造成本來估算受災體因地面沉降造成的經濟損失。在估算堤防、港口碼頭、地下深井、地下管線、海擋及排水工程設施時采用該方法。

災情對比法:主要用于對潮災和澇災損失的估算。在對潮災和澇災進行估算時,由于歷史上有相當部分的潮災和澇災在發生后只有災情描述而無損失統計資料,因而只能采用災情對比的方法,并通過修正系數的調整,根據已知災情的經濟損失推算相似災情的經濟損失。

間接損失與直接損失比例法:和其他災害一樣,地面沉降造成的損失也是由直接損失和間接損失組成,但是地面沉降災害對于每個受災體所造成的損失,其間接和直接之比相差很大,因此,應根據不同的受災體類別進行相應的取值。另外,由于潮災和澇災的間接損失項目多且缺乏統計資料,難以估算。因此根據對典型年份潮災和澇災的分析推斷,運用已有的研究成果,得到潮災和澇災損失的間接損失與直接損失的比例,并以此通過潮災或澇災的直接經濟損失來估算其間接經濟損失。

權重分解法:除地面標高資源的損失外,地面沉降并不是導致受災體破壞進而造成經濟損失的唯一要素,因此在估算受災體損失中地面沉降所引起的那部分損失時,必須把地面沉降所起作用的權重分解出來。以潮災為例,地面沉降雖然不是引起潮災的唯一要素,但卻是主要因素。設地面沉降前防汛墻高程(或地面高程)為 H0,沉降后防汛墻高程(或地面高程)為 Hp,潮災發生時地面累計沉降量為 Hc,高潮位為 Ht。毫無疑問,若令 Wt代表潮災損失中地面沉降所占權重,則:當 Ht≤H0時,潮災致災原因只有地面沉降一個,此時 Wt=1;當 Ht>H0時,潮災致災因素有高潮位與地面沉降2個,假定潮災損失與地面沉降量、高潮位呈線性關系,并認為地面沉降與高潮位對潮災損失的貢獻率相等,則 Wt=Hc/(Ht-Hp)[11,13]。

比例推廣法:由于資料、經費及時間的限制,未能對所有地面沉降災害的受災體逐一進行詳細的經濟損失統計分析,因此在采用典型調查法對部分有代表性的工程設施進行損失統計的基礎上,根據工程設施所處區域位置的地面沉降情況,利用比例推廣法來推算整個研究區地面沉降造成的災害損失。

專家訪談法:專家訪談法是針對特定命題,對具有相當資歷及代表性的專家進行訪問或組織談話,綜合分析訪談內容后,得出研究結論。采用這一研究方法,由于專家的意見一般具有權威性、針對性,不同專家的意見往往相互印證或補充,還能提供多種視角和多個層面的觀點和看法,最終結論往往較為權威、可靠。在損失非市場價值計量方法選擇環節,采用專家訪談法。

3.3 評估結果

根據《天津市地面沉降經濟損失評估》(天津市控制地面沉降工作辦公室,天津市水利科學研究所.天津市地面沉降經濟損失評估,2008年.),考慮到不同階段地面沉降水準測量資料及相關工程歷史資料的記載完整性,根據3.1和3.2的理論和方法首先對天津市濱海新區1959-2004年地面沉降損失進行實地調研和評估,評估結果如表1所示,1959-2004年天津市濱海新區地面沉降損失總計達495.1×108元,計算得天津市濱海新區每平均沉降1 mm經濟損失為0.456×108元。

依據前述地面沉降預測結果,至2020年,情景一下濱海新區平均累計沉降量達268 mm,情景二下全區平均累計沉降量達177 mm,情景三下全區平均累計沉降量達95 mm。因此,在情景一下2007-2020年天津市濱海新區地面沉降損失將達122.21×108元;情景二下損失將達80.71×108元;情景三下損失將達43.32×108元。

表1 1959-2004天津市濱海新區地面沉降經濟損失Tab.1 Economic losses induced by land subsidence in TBNA from 1959 to 2004

4 結 論

在保持2007年抽水條件不變情況下(情景一),2007-2020年天津市濱海新區最大累計沉降量可達640 mm,全區平均累計沉降量達268 mm,地面沉降損失將達122.21×108元;在抽水量歷年遞減2%的情況下(情景二),至2020年,最大累計沉降量達520 mm,全區平均累計沉降量達177 mm,損失將達80.71×108元;南水北調水源逐步替換地下水開采,到最后完全替換地下水源(情景三),至2020年,最大累計沉降量為150 mm,全區平均累計沉降量為95 mm,損失將達43.32×108元。

通過調整地下水開采布局并實施總量控制,可大大減少地面沉降經濟損失,但是即使在南水北調水源完全替代地下水源的理想狀態下,2007-2020年天津市濱海新區地面沉降經濟損失仍較大。因此,應從區域社會經濟可持續發展角度,進一步從法規、工程、技術、行政、經濟等多方面采取措施,加大控沉力度,增大防災減災投入;以提高綜合管理水平,增強整體防護能力,減少地面沉降經濟損失。

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Assessment of the Economic Losses Induced by Land Subsidence in Tianjin Binhai New Area

ZHOU Jun1YANG Jian-Tu1JIANG Yan-Xiang1YU Qiang1WANG Wei1HU Bei-Bei2
(1.Tianjin Land Subsidence Control Office,Tianjin 300061,China;2.College of Urban and Environment Science,Tianjin Normal University,Tianjin 300387,China)

Different from sudden disasters,land subsidence is a slow-onset geohazard and accumulated over years.In terms of the main causingfactor,the numerical model of land subsidence was established.With three groundwater extraction scenarios,the computer program was compiled to predict the land subsidence in the process of dynamic changes of groundwater level.Maintaining the same condition of groundwater exploitation in 2007(Scenario 1),from 2007 to 2020,the maximum accumulative subsidence in Tianjin Binhai New Area(TBNA)will be 640mm and the average accumulative subsidence will be 268mm.With 2%decrease in groundwater exploitation year by year(Scenario 2),the maximum accumulative subsidence will be 520mm and the average accumulative subsidence will be 177mm.With the water from South-to-North Water Transfer Project replacing groundwater exploitation completely(Scenario 3),the maximum accumulative subsidence will be 150mm and the average accumulative subsidence will be 95mm.The economic losses caused by land subsidence were sorted into 23 classifications.From 2007-2020,the economic losses in TBNA were evaluated according to the evaluating methods of future value method,engineering cost method,shadow engineering method,replacement cost method,disaster comparison method,proportional method of indirect and direct comparison,and weight method,etc.As the result of the evaluation,the loss induced by land subsidence under Scenario 1,Scenario 2 and Scenario 3 will be 122.21×108yuan RMB,80.71×108yuan RMB,and 43.32×108yuan RMB respectively.

land subsidence;scenario analysis;economic losses;Tianjin Binhai New Area

F29

A

1002-2104(2010)08-0154-05

10.3969/j.issn.1002-2104.2010.08.028

2010-03-22

周俊,工程師,主要研究方向為地面沉降研究及技術管理。

＊國家自然科學基金重點項目(No.40730526);國家自然科學基金項目(No.70703010)和天津師范大學博士基金(No.52X09019)資助。

(編輯:溫武軍)