中國海岸帶淹沒和侵蝕重大災害及減災策略*

1 魯東大學港口與海岸工程防災減災研究中心 煙臺 264025 2 昆士蘭大學海岸工程研究中心 布里斯班 4072

中國海岸帶淹沒和侵蝕重大災害及減災策略*

尤再進1,2

1 魯東大學港口與海岸工程防災減災研究中心 煙臺 264025 2 昆士蘭大學海岸工程研究中心 布里斯班 4072

中國是個海洋大國，擁有 1.8 萬公里長的大陸海岸線，沿海人口居住密度大、重大基礎設施分布稠密、海洋資源豐富。同時，中國海岸帶經常遭遇重大自然災害的襲擊，造成直接的年均經濟損失約為 188 億元，年均人員死亡為 256 人（1989—2015年）。其中，臺風引起的風暴潮和臺風巨浪是致災主要因素。隨著全球氣候變化的加劇和海平面上升，中國海岸帶災情可能會持續加重，嚴重威脅沿海人民生命財產安全，制約海岸帶經濟的可持續發展。基于最新的中國海洋災害數據（1989—2015年）和國外先進的海岸帶防災減災技術，文章討論了中國海岸帶遭受主要海洋災害的現狀，定量地分析和評估了這些主要災害對中國沿海經濟和人員生命安全的影響，最后提出做好中國沿海防災減災的幾點對策建議。

風暴潮，淹沒，侵蝕，海岸災害，海平面上升

DOI 10.16418/j.issn.1000-3045.2016.10.008

中國擁有 1.8 萬公里長的大陸海岸線和 1.4 萬公里的島嶼海岸線。沿中國大陸海岸帶，集中了全國 70% 以上的大中城市，超過 100 萬人口的大城市有 15 座，僅占陸域國土面積13% 的沿海經濟帶承載著全國 42% 的人口，創造全國 60% 以上的國內生產總值[1]。同時，中國海岸帶長期遭遇多種自然災害的襲擊（如臺風、風暴潮、臺風巨浪、海岸侵蝕、綠潮、冰災等），造成直接經濟損失約 188 億元/年和人員傷亡（含失蹤）256 人/年（1989—2015 年《中國海洋災害公報》），風暴潮和風暴巨浪是中國海岸帶的最主要致災因素。隨著中國沿海大中小城市發展和基礎設施的迅速增加，風暴潮和其他主要海岸帶災害帶來的損失將會日益加重，成為制約中國沿海城市發展的主要障礙。

1 中國海岸帶主要自然災害現狀

中國擁大約 300 萬平方公里的管轄海域，海洋產業和與海洋產業相關的產業可以分為三大部分：主要海洋產業、海洋科研教育管理服務、海洋相關產業。《2015 年中國海洋經濟統計公報》的最新數據，給出了不同海洋產業的比例分布（圖 1），其中第3—14 項屬于主要海洋產業類，所有產業總和約 6.47 萬億元，約占 2015 年中國 GDP 的 10%。

中國沿海長期遭受到多種海洋災害，以風暴潮、海洋巨浪、海冰、赤潮和綠潮等災害為主，海平面變化、海岸侵蝕、海水入侵及土壤鹽漬化等災害也有不同程度發生。基于 2015 年《中國海洋災害公報》的最新海洋災害數據，中國各類海洋災害共造成的直接經濟損失約為 73 億元，死亡 30 人（含失蹤），其中風暴潮災害占總損失的 99.8%，造成死亡人數最多的海洋災害是海洋巨浪，占總死亡人數的 77%。基于《中國海洋災害公報》的最新災害數據分析結果（1989—2015年），中國沿海主要海洋災害造成的年均直接經濟損失約為 188 億元，年均死亡人數 256 人，最高年死亡人數 1 200 多人（圖2），最大年經濟損失超過 446 億元，其中包含每年通貨膨脹率（圖 3）。

2001—2015 年期間，中國沿海省份遭受各種海洋災害的破壞程度和人員傷亡的空間差別較大（圖 4），年均經濟損失最嚴重的前五省份分別是廣東（52 億元/年）、福建（24 億元/年）、浙江（18 億元/年）、山東（14 億元/年）、江蘇（10 億元/年），年均人員傷亡人數最多的前五省份分別是廣東（25 人/年）、浙江（18 人/年）、海南（13 人/年）、福建（12 人/年）、江蘇（11 人/年）。這主要是因為海洋巨浪的空間分布是從南到北逐漸減弱，所以海南、廣東、福建、浙江、江蘇是中國沿海省份由于巨浪災害導致人員傷亡人數最多的五省份。

圖1 2015 年中國主要海洋產業、海洋科研教育管理服務、海洋相關產業的百分比分布，其中第 3—14 項屬于主要海洋產業，14 項產業總和約為 6.47 萬億元，約占2015 年中國 GDP 的 10%

圖2 中國沿海主要自然災害造成的直接死亡人數的時間分布（《中國海洋災害公報》，1989—2015）

圖3 中國沿海主要自然災害造成的直接經濟損失的時間分布（《中國海洋災害公報》，1989—2015）

同期，中國沿海主要海洋災害造成的直接經濟損失和人員傷亡的空間分布強度也不一樣（圖 5）：導致人員傷亡最多的自然災害是海洋巨浪（65.3%），其次是風暴潮和海浪的組合（34.3%），最小的是河口涌浪（0.3%），但造成最大直接經濟損失的災害是風暴潮（83%），其他各種災害只占總經濟損失的 17%（海冰、滸苔、赤潮、巨浪、綠潮、溢油）。所以，風暴潮和海洋巨浪是造成中國沿海直接經濟損失和人員傷亡的最重要災害因素或致災因子。

綜上所述，臺風引起的風暴潮和海洋巨浪是造成中國沿海人員傷亡和直接經濟損失的最主要災害，海南、廣東、福建、浙江、江蘇是中國沿海 11 省份中受災最嚴重的 5 個沿海省份。

圖4 2001—2015年中國沿海各省風暴潮和海洋巨浪造成的直接經濟損失（a）和沿海省份年均死亡人數（b）圖4 2001—2015年中國沿海各省風暴潮和海洋巨浪造成的直接經濟損失（a）和沿海省份年均死亡人數（b）

圖5 2001—2015年中國沿海主要災害類型造成人員傷亡的百分比（a）和中國沿海主要災害類型造成直接經濟損失的百分比（b）。

圖

5 2001—2015

年中國沿海主要災害類型造成人員傷亡的百分比

2 海岸帶主要災害的研究現狀和進展

基于現有的中國海洋災害觀察數據（1986—2015年），中國海岸帶自然災害通常以風暴潮、海洋巨浪、海冰、赤潮和綠潮等災害為主，海平面變化、海岸侵蝕、海水入侵及土壤鹽漬化等災害也有不同程度發生，臺風引起的風暴潮和海洋巨浪是造成中國海岸帶災害的兩個最重要因素（圖 5）。本節的討論重點是導致海岸淹沒和侵蝕災害的風暴潮和海洋巨浪。

2.1 風暴潮災害

風暴潮（Storm Tide）是由風暴增水和天文潮疊加而成，其中風暴增水（Storm Surge）是由風暴颶風產生的增/減水和風暴低氣壓中心引起增水的兩部分疊加的結果。風暴潮影響的空間區域/長度一般由幾十公里到上千公里的海岸線，時間尺度為幾小時到幾天。風暴增水量主要取決于風暴本身的特性（如風暴強度、最大風速半徑、中心氣壓差、移動速度和方向），受災區域的海岸/河口形狀，岸上及海底地形等要素。歷史風暴潮災害給沿海和海島國家帶來了巨大的經濟損失和慘重的人員傷亡：如孟加拉國風暴潮災害造成了 1970 年 30 萬人死亡和 1991 年的 14 萬人死亡，2005 年美國 Katrina 風暴潮災害導致 1 863 人死亡和 705 人失蹤，1949—1995 年中國沿海地區就發生了 3 次死亡千人以上的特大風暴潮災害（圖 2）。

20 世紀 50 年代起，歐美國家開始了對風暴潮的數值預報研究工作，比如 1995 年美洲國家研發了熱帶風暴災害分析系統 TAOS（The Arbiter Of Storms），模擬強風、降雨、風暴潮、海浪等致災因子的全過程，制作風暴潮災害圖和脆弱性等級圖，主要應用于人員疏散、海岸規劃、防災減災等實際應用；美國政府颶風研究中心（NHC）主要為地方政府決策部門、保險公司、沿海社區提供風暴潮風險評估。日本基于歷史典型海洋災害案例的研究，綜合考慮風暴潮致災因子危險性和沿岸承災體的分布情況，研制了最大海岸淹沒區域和最大淹沒水深的分布圖，主要應用于日本沿海社區海洋災害的防災減災。歐美澳建立了較為成熟的幾種風暴潮數值模式，如美國的 SLOSH、英國的 STWS 和SEA、荷蘭的 DELFT3D、澳大利亞的 GCO2D/3DM、丹麥的 MIKE12 等數值模式在世界不同區域得到了實際應用。印度、日本、孟加拉國等風暴潮易發地區經常應用SLOSH。圖 6 是 SLOSH 模式結合 LiDAR 高程數據以及3D 衛星圖像的應用案例[2]，模擬美國 ODU 大學校園可能被淹的最大水深分布圖，模式最高分辨率精確到最小建筑物尺度。

圖 6 風暴潮模式 SLOSH 結合 LiDAR 地面高程數據以及 3D 衛星圖像的應用案例。模擬美國 ODU 大學校園可能被淹的空間水深分布圖，模式分辨率精確到最小建筑物尺度，圖左邊是 Elizabeth 河、圖上邊是 Lafyette河[2]

從 20 世紀 70 年代開始，中國開始研發風暴潮數值模式，尤其在國家“七五”“八五”“十五”和“十一五”重大科技項目的大力支持下，建立了中國風暴潮數值預報業務化系統。近年來，國家海洋局預報中心聯合國內科研單位開發了臺風風暴潮預報CTS模式和溫帶風暴潮預報CES模式，風暴潮預報已覆蓋了全國沿海 11 個省市和自治區，渤海、東海、南海都相繼建立了區域性海洋預報網。但是，中國沿海地形高程和近海水深數據嚴重欠缺，直接影響了中國沿海風暴潮模式計算的精確度。

2.2 風暴巨浪、波浪增水和爬高

在中國沿海省份中（圖 5），導致人員傷亡最多的海洋災害是臺風引起的海洋巨浪（65.3%），其次是風暴潮和巨浪的組合（34.3%）。但是，造成最大直接經濟損失的海洋災害是風暴潮（83%），其他各種災害只占總經濟損失的 17%。臺風引起的海洋巨浪是導致海岸帶淹沒和侵蝕災害的另外一個重要因素。風暴巨浪導致海岸淹沒的主要原因是由于波浪增水（Wave Setup）和波浪爬高（Wave Runup）。波浪增水是波浪在破碎過程中引起水表面抬高的現象，隨著水深的減小而增大[3]。海岸波浪增水的物理含義是，大波浪的海岸線位置要比小波浪的海岸線位置高，而且還向內陸向平推了一段距離，使得大波浪和海灘/沙丘之間的相互作用更加強烈。波浪爬高是指波浪上沖海岸線以上的高度，是波浪在上爬岸灘的過程中波動能轉換成波勢能的一個物理過程[3]。

大量的國外現場數據已經表明，風暴波浪增水和爬高是引起砂質海岸淹沒和侵蝕的一個重要因素，風暴潮是導致砂質海岸淹沒和侵蝕的另一個要素。基于澳大利亞新州海岸災害數據的分析發現，沿海最大風暴增水約為 0.4 m，而波浪爬高是風暴潮的 5—10 倍，陡峭巖石海岸的波浪爬高高達 20 m—30 m。在寬而深的海河口，波浪引起的增水一般可以忽略不計[4]，而在窄而淺的海河口，波浪通過“泵水”效應（Wave Pumping）引起河口表面水位上漲。

2.3 海岸侵蝕災害

中國1.8多萬公里的大陸海岸線和 1.4 多萬公里的島嶼岸線上普遍存在海岸侵蝕災害，幾乎所有開敞的淤泥質海岸和約 70% 的砂質海岸在不同程度上均遭受到侵蝕[5]。中國海岸侵蝕帶來的經濟損失比較嚴重，如 2007 年3月3—5日海岸帶淹沒和侵蝕災害造成山東省沿海 7 人死亡，經濟損失高達 21 億元（圖 7）。中國海岸沙灘面臨嚴重的侵蝕、灘面變窄、灘面變陡等問題。

國內外學者對海灘“平衡剖面”進行了大量的研究工作。海灘平衡剖面是在海洋動力系統和海灘長期和充分相互作用下的一個具有統計意義的相對均衡的海灘狀態，絕對意義上的、理想的平衡海灘剖面在自然界是難以存在的。Larson 和 Kraus[6]在 Dean[7]的海岸平衡剖面模式的基礎上，進行試驗和提出經驗剖面，同時提出風暴侵蝕海灘模式 SBeach。近年來，Roelvink 等人[8,9]改進和完善了 SBeach，研發了新一代海岸風暴侵蝕模式 XBeach。

海平面上升的海岸侵蝕模式是由 Bruun[10]首先提出的，也稱為“Bruun法則”。Larson 等人[11]建立了海岸長期演變模式 GENESIS，用來數值模擬海岸線的長期演變過程。You 等人[12]建立了風暴侵蝕模式，他們的模式也適用于模擬海平面上升對砂質海岸的侵蝕作用，以及其他緩慢變化的海岸動力因素對海岸線的演變作用。

現有幾種國際常用的海岸泥沙輸運數學模型在不同時間尺度下模擬海岸泥沙侵蝕/淤積的問題，如 Delft-3D或 Milke-21 模擬短時間海岸泥沙輸運的物理過程（時間尺度：秒—幾天）；XBeach 估算海岸風暴引起的海灘侵蝕問題（時間尺度：小時—幾天）；GENESIS 預測海岸線的長期演變過程（季節—幾十年）。

由于現有海岸侵蝕模式還不能夠較精確地預測海岸帶的長期演變過程，數學模式計算結果和實際觀察數據還存在很大差別。所以在實際工程應用中，海岸侵蝕災害的評估通常還基于長期的海灘剖面觀察數據（如長期的 3D 航拍圖像、海岸高程剖面等歷史數據）。圖 8 描繪了澳大利亞新州 Kingscliff 海灘不同侵蝕區域的計算案例，其中綠線以外的海向區域是正在遭受海灘侵蝕災害的區域；藍線以外的海向區域是現在到 2050 年可能遭受海灘侵蝕災害的區域；紅線以外的海向區域是現在到2100 年遭受海灘侵蝕災害的區域。

圖7 中國沿海侵蝕災害。2007年3月3—5日發生在山東省威海—龍口沿海的侵蝕災害。圖片來源于2007年《中國海洋災害公報》

3 結論與建議

圖8 海岸侵蝕災害區域的確定案例（澳大利亞新州Kingscliff）。

3.1 結論

中國沿海長期遭受到多種海洋災害，主要以風暴潮、海洋巨浪、海冰、赤潮和綠潮等災害為主，海平面變化、海水入侵及土壤鹽漬化等災害也有不同程度發生。基于最新 2001—2015 年中國海洋災害數據的分析結果，中國沿海造成人員死亡最多的海洋災害是臺風巨浪（65.4%），其次是風暴潮和巨浪的結合（34.3%），年均傷亡人數最多的沿海省份是廣東、浙江、海南、福建、江蘇；造成直接經濟損失最大的海洋災害是風暴潮（83%），年均直接經濟損失最大的主要沿海省份是廣東、福建、浙江、山東、江蘇、海南。如果考慮到災害導致的經濟損失和人員傷亡還與災害區域的人口密度、經濟發達程度、地形地貌和防災抗災能力等因素有關，海南、廣東、福建、浙江、江蘇、山東是中國沿海受災最嚴重的 6 個沿海省份。

雖然中國沿海風暴潮災害的預警和災害防御工作得到了很大完善、風暴潮的預報工作已覆蓋了沿海 11 個省市和自治區，但是由于缺少大量的和高質量的沿海地形高程數據和近海水深數據，現有風暴潮模式的計算精度受到了很大限制，臺風巨浪爬高對中國海岸帶淹沒的重要性還未得到足夠的重視。

中國海岸帶的幾乎所有開敞的淤泥質海岸和約 70%的砂質海岸在不同程度上均遭受到侵蝕，但中國海岸侵蝕的研究工作開展甚少，缺少長期海岸侵蝕數據。

3.2 對策建議

完善現有中國沿海主要災害數據的采集方法和系統，合理地布置數據采集區域或采集點站，系統地采集災害數據以及相關的海洋動力數據；建立一個大型的、互聯網的、GIS 格式的中國沿海及河口災害數據庫，實現數據共享。

高度重視臺風巨浪爬高對中國沿海淹沒的重大影響，急需開展該領域的研究工作。根據采集的澳大利亞新州海岸波浪爬高數據，近岸最大的風暴增水約 0.4 m，而沙灘的最大波浪爬高約為 2 m—4 m、陡峭巖石的波浪爬高達 20 m—30 m。

應用國際通用的數學模式，建立中國沿海災害預警預報的數值模式系統，實時預測預報中國沿海主要災害的時空變化；同時建立中國海岸的 ARGO 觀察系統，實時紀錄/觀察沿海災情的發生過程、驗證/修正模擬系統。

科學管理和規劃中國海岸帶的使用和開發。對于沿海淹沒和侵蝕災害頻繁發生的區域，應該盡量避免建造大型基礎設施和居民社區；避免盲目地大量采集沙灘泥沙、圍海造地、建立大型的海岸建筑。

1 丁平興. 近50年我國典型海岸帶演變過程與原因分析. 北京:科學出版社, 2013. 302.

2 Allen R T, Sanchagrin S. McLeod G. Visualization for hurricane storm surge Risk Awareness and Emergency Communication (Chapter 5), Book edited by John Tiefenbacher, ISBN 978-953-51-1093-4, 2013.

3 You Z J, Nielsen P. Chapter 22: Extreme coastal waves, ocean surges and wave runup. Coastal Hazard Book edited by Charles W Finkl, Coastal Research Library 6, DOI 10.1007/978-94-007-5234-4-22, Springer Publisher, 2013.

4 Nielsen P, Hanslow D J. Wave runup distributions on natural beaches. Journal of Coastal Research,1991, 7: 1139-1152.

5 季子修. 中國海岸侵蝕特點及侵蝕加劇原因分析. 自然災害學報, 1996, 5(2): 65-75.

6 Larson M, Kraus N C. SBEACH：numerical model to simulate storm-induced beach change, US Army Engineer Waterway Experiment, Technical Report CERC-89-9, 1989.

7 Dean R G. Equilibrium beach profile: Characteristics and application. Journal of Coastal Research, 1991, 7: 53-84.

8 Roelvink D, Reneir Ad, van Dongeren Ap, et al. Modelling storm impacts on beaches, dunes and barrier islands. Coastal Engineering, 2009, 56: 1133-52.

9 Roelvink J A, Reniers A, Dongeren A, et al. XBeach model description and manual, Delft University Technology, 2010.

10 Bruun P. Sea level rise as a cause of shore erosion. Journal of Waterways and Harbors Division, 1962, ASCE 88, 117–130.

11 Larson M, Hanson H, Kraus N C. Analytical solutions of online model for shoreline change near coastal structures. Journal of Waterway, Port, Coastal, and Ocean Engineering, 1997, 123 (4): 180-191.

12 You Z J, Laine R, Wiecek D, et al. Field measurements of beach dune dynamic profiles and grain-size distributions to assess coastal erosion along NSW coast of Australia. International Coastal Engineering Conference, ASCE June 15-20, Seoul, 2014.

13 You Z J, Nielsen P, Hanslow D, et al. Elevated water levels at trained and untrained river entrances on the east coast of Australia. International Coastal Engineering Conference, 1-6 July, Santander, Spain, 2012.

尤再進魯東大學海外特聘教授、中心主任，澳大利亞新南威爾士大學博士，國家杰出青年基金獲得者（B類），主要從事物理海洋、港口和海岸工程、海岸防災減災等研究工作。擁有25年海外工作經歷，主持了多項澳大利亞聯邦政府重點基金項目，發表論文近100篇；受聘為河海大學特聘教授、中科院客座教授。2014年聘為魯東大學特聘教授，2005年山東省“泰山學者海外特聘專家”、煙臺市“雙百計劃”特聘專家。E-mail：b.you@ldu.edu.cn

You Zaijin Distinguished Research Professor and Centre Director at the Ludong University in Yantai, China, who was awarded a Ph.D. from the University of New South Wales, Australia. His research areas include physical oceanography, ports and coastal engineering, coastal management, and hazard mitigation. He has more than 25-year working experience and managed several Australian major research projects, published about 100 research papers. Also, he is a Distinguished Young Scholar (B) of the National Natural Science Fund, Distinguished Research Professor of Hohai University, and Adjunct Professor of the Institute of Oceanology. Since 2014, he has been working at Ludon University as Distinguished Research Professor. E-mail: b.you@ldu.edu.cn

Coastal Inundation and Erosion Hazards along the Coast of China and Mitigation Strategies

You Zaijin
（1 Centre for Ports and Coastal Engineering Disaster Mitigation, Ludong University, Yantai 264025, China; 2 The University of Queensland, Brisbane QLD 4072, Australia）

The mainland coastline of China is about 18 000 km long, along which a large number of people live and work, but it is often ravaged by major coastal typhoons/storms. High water levels and large waves were generated by coastal typhoons, resulting in severe coastal inundation and erosion problems. Typhoons-induced storm tides, large waves, and coastal erosion are major coastal hazards of China, which caused annual damage of about RMB ￥ 18.8 trillion to the coastal economy and annual losses of 256 people’ lives based on the most recent data collected from 1989 to 2015. The frequency and intensity of the coastal hazards are expected to increase in response to future changing storm conditions and rising sea levels on the coast of China. This paper is designated to review on major coastal hazards occurred along the coast of China, and then assess their impacts, and finally make some recommendations on how to minimize their impacts.

storm tide, inundation, erosion, coastal hazards, sea level rise

*資助項目：山東省“泰山學者”人才工程（20150 2050），國家海洋局海洋專項（GHME2014ZC01）

修改稿收到日期：2016年9月6日