基于GNSS的河口三角洲地區城市水患致災預警研究進展

程和琴，趙建虎，陳永平，劉敏，惲才興

（1.華東師范大學河口海岸學國家重點實驗室，上海200062;2.武漢大學測繪學院，湖北武漢430072;3.河海大學水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，江蘇南京210098;4.華東師范大學資源環境學院，上海200062）

一、引 言

城市作為引領一個國家或地區社會經濟發展的示范區域，薈萃了國家或地區政治、經濟和文化的精華，人口、財富大量集聚，基礎設施、生命線工程密布。全球80%的大城市分布在沿海及河口三角洲地區，地勢低洼，大部分城市中心城區平均海拔均在平均高潮位以下，易受水患災害侵襲，造成巨大的人民生命和經濟損失，并可能引發一系列的社會問題。如2005年美國“卡特麗娜”颶風致使路易斯安娜等4個州災情嚴重，新奧爾良市最大淹沒水深達6 m、90%建筑受損、10萬人被困、1000余人死亡、經濟損失超過千億美元、社會秩序混亂。2011年，湄南河口地區洪災導致泰國國家經濟遭到重創，全球供應鏈遭受中斷和破壞。我國長江河口三角洲地區的上海和太湖流域在自然地理條件上與上述地區類同，是我國經濟最發達、城市化率最高、人口最集中的區域，曾發生多次重大水災，如1954、1991、1999年洪水和8114號臺風暴潮等災害。

近年來，我國河口三角洲地區城市化進程加快，如位于長江河口三角洲的太湖流域2010年城市化率已達70%，上海市更高達89%［1］，在我國社會經濟發展中起著“領頭羊”的作用。但是，隨著全球氣候變暖、海平面不斷上升，臺風、風暴潮、洪澇等極端災害事件發生將更加頻繁;而社會經濟要素的不斷積聚，將使沿海地區的水患災害風險進一步增強，尤其是在臺風、暴雨、風暴潮、洪水和天文大潮等致災因子的相互疊加下，造成的損失將更為嚴重。因此，自然與和人為等多因子疊加作用下的河口三角洲地區城市水患預警是目前國家經濟和政治面臨的重大問題，迫切需要及時開展相關基礎理論研究，對保障河口三角洲地區城市安全，尤其對提升我國三角經濟圈國際地位，促進該地區可持續發展戰略實施具有巨大的社會經濟效益、科學價值和戰略意義。

二、國內外研究現狀和發展趨勢

隨著全球氣候變化，自然災害特別是水文氣象災害的頻率和強度不斷增大［2］，在沿海地區常表現為多個致災因子并存，在一些特定地區和特定時段(如汛期)，通常出現多災種群發或鏈發，造成重大災害事件(巨災)，對沿海地區尤其是河口三角洲地區城市安全構成嚴重威脅［5-7］。因此，自然災害鏈綜合風險研究已成為當前災害研究領域的重要前沿與熱點問題。

進入21世紀以來，隨著國際減災戰略的開展，一些重要的國際組織和國際研究計劃正在加強自然災害鏈綜合風險研究，設立了一系列研究項目，如2008年國際科學聯盟(ICSU)開展的災害風險綜合研究科學計劃(integrated research on disaster risk，IRDR)，全球環境變化人文因素計劃(IHDP)2009年啟動了新一輪國際核心科學計劃——綜合風險防范(IHDP-IRG)［11］等。近年來，我國開始關注自然災害鏈綜合風險研究，相繼開展了一些科研項目，如2006年科技部啟動了聚焦長三角、珠三角臺風、風暴潮、洪澇災害等自然災害的國家科技支撐項目“綜合風險防范關鍵技術研究與示范”;2007年國家自然科學基金委啟動了“沿海城市自然災害風險應急預案情景分析”重點項目，探索沿海城市臺風風暴潮、暴雨內澇、感潮河段臺風風暴潮洪水等災害情景模擬與風險評估工作。

當前，針對單一致災因子的災害風險評估理論方法已較為成熟，但對災害鏈綜合風險的研究剛剛起步，而且大多停留在定性分析層面上，尚未在理論、方法研究上取得實質性突破。主要集中在大尺度的定性和半定量研究上，對于需要大量精確數據支持的中小尺度定量風險評估，僅開展了個別探討性的案例分析，其方法常停留在多個單災種風險評估基礎上的簡單疊加，難以反映各種臺風災害鏈各致災因子之間的關聯性、多災種綜合成災的時空演變過程，以及承災體綜合脆弱性等特征。對于城市尺度災害群發和混發效應機理，以及采用定量方法來表述多災種、多致災因子之間的關聯性研究仍很薄弱。

此外，當前針對事關城市系統興衰的城市重要基礎設施以及生命線工程的案例研究多聚焦在人為災害領域［12，13，15，19，20］;城市重要基礎設施的自然災害風險研究則剛剛起步且多聚焦單災種的災害效應［14，18，21］，而針對多致災因子疊加效應下城市重要基礎設施災害風險響應研究非常匱乏。為此，筆者重點開展多重因子疊加作用下的長江河口三角洲地區城市水患致災預警研究，發現存在以下問題:

1)已得到河口區單站相對海平面上升速率［20］，但由于測量基準和方法的不統一，影響區域水災害預測準確度和精度。因此需要研究統一垂直基準框架和監測網絡的構建理論和方法。

長周期平均海平面，即大地水準面/似大地水準面是陸地高程起算的基準，它是對河口地區城市水災害預測與防控的最基本的基礎數據。長江河口江陰—口門雞骨礁240 km長的河段內，相關部門已布設了40個左右的長期固定潮位站，各潮位站觀測采用的參考基面有1985國家高程基面、吳淞零點和理論基面，且吳淞零點還存在長辦吳淞零點、浙江吳淞零點和上海城建吳淞零點之分，高程系統混亂且不統一［21-22］。因此，基于現有潮位站潮位觀測資料，難以準確反映該區域海平面這一重要致災因子的絕對和相對變化規律及趨勢，直接影響水災害評估和預測。所以，有必要在長江河口區研究陸海統一垂直基準，并構建其參考框架;通過新的觀測方法和多元數據同化與融合技術研究，獲得統一基面下海平面變化規律及其趨勢，為該地區防災減災服務。我國自主研制的北斗二代衛星導航定位系統，為建立統一的區域乃至全球的動態參考框架提供了可能［23］。

2)已得到基于統計模型的洪水、天文大潮、風暴潮疊加的水災害致災風險評估及防控方法，但由于流域至河口再至海洋是一個連續的水動力系統，任何一個致災因子的改變必然導致整個系統水患致災效應的變化，統計模型不能準確地預測這一變化，影響區域聯防措施的有效性。因此，需要研究基于流域—河口—海洋復雜系統多尺度多要素嵌套耦合數值模型。

以長江河口地區為例，該地區地面高程僅1.5～4.0 m(吳淞基面)，每年7～10月的洪水、天文大潮和臺風暴雨暴潮可能相遇形成的“三碰頭”災害是本地區防汛工作的憂患［24-25］。雖然目前有氣象、海洋、水利等多系統的防汛預報機構，但各系統的關注點不同，如氣象部門主要提供天氣預報資料，海洋部門更關注深水區域臺風浪預報，水利部門關注河口和近岸的洪水、天文潮和風暴潮，出于工作方便，水利和海洋系統采用的潮位基面也常有不一致的現象。總體而言，這些力量尚處于相對分散、不全面的狀態，集成預測預報和分析河口地區洪水、天文大潮、臺風暴潮“三碰頭”的能力仍然不足;另外，還缺乏衛星遙感自動跟蹤識別技術，高精度、高準確率的實用化綜合數值預報模型等自動化監測系統和信息化技術的支持。

3)已得到洪水、天文大潮、風暴潮等自然致災因子和城市化過程導致的地面沉降的疊加致災效應，但對自然致災因子與城市化過程導致的海岸侵蝕、大范圍地下空間開發誘發的洪澇災害及其次生有機污染風險等疊加致災效應，尚未開展有效的致災機理研究。

長江河口地區城鎮化率全國最高，城市地下空間開發強度大，主要產業帶分布在沿江、湖、海岸，上海市地鐵里程達世界第一，還有隧道、地下商場等，50%的淡水供應來自長江口區的心灘和邊灘水庫，因此水患尤為嚴峻。盡管已有關于洪水、天文大潮和風暴潮等自然致災因子的統計疊加效應研究和防范措施［26］，如上海市的防汛大堤一般岸段為100年一遇加12級臺風，重點岸段為200年一遇加12級臺風，僅少數岸段為千年一遇。但是，對自然致災因子的疊加與快速城市化誘發的地面沉降、海岸侵蝕等致災因子及其次生有機污染風險，以及氣候變暖導致的海平面上升等多要素的疊加致災機理尚未開展深入研究。

4)已得到基于GPS/3G系統水災害預測預警信息發布，但具有我國自主知識產權的預測預警信息發布尚待開發，需開展基礎研究。

海平面上升、地面沉降和天文大潮、洪水、風暴潮等疊加，對河口地區城市的災害性影響是全方位的，而迄今已完成的基于水準測量的長江河口地區地面沉降災害預測預警、基于大地高水位測量的太湖流域洪水災害預測預警、基于理論最低潮位的風暴潮預測預警等方法，尚無法滿足目前河口三角洲地區城市設防安全要求極高前提下防災減災的要求。而且這些預測預警均為基于GPS/3G的監測與信息發布技術［27］，若遇到像汶川地震那樣的特殊災害事件或戰爭，GPS/3G技術無法工作時，就需要具有我國自主知識產權的水災害監測技術與預測預警技術系統。

三、結束語

快速的市化進程致使我國城市水患災害問題日益嚴重，北京今年發生的7.21洪災敲響了城市水患災害預警警鐘，已引起社會、政府和學術界的高度關注。作為地處臨江濱海的河口三角洲地區城市，是我國主要經濟輻聚帶，其在多重自然與人為致災因子疊加作用下水患災害風險更為嚴峻，但就其監測與預警能力建設而言，迫切需要從一個新的視角，即將整個河口三角洲地區作為一個整體，從基于全球衛星導航系統(GNSS)的陸海統一垂直基準角度，研究海陸一體化的城市水患致災機理和實時預警技術的基礎研究，以提高我國城市防災減災能力。

致謝:本文得到了中國工程院陳吉余院士、寧津生院士、劉經南院士、華東師范大學俞立中教授、河海大學張長寬教授、上海市規劃與國土資源管理局張先林副總工程師、上海市水務局阮仁良副總工程師以及其他眾多專家的熱忱指導和幫助，在此一并致以衷心的感謝！

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