三角洲海岸土地利用侵蝕暴露度分析及其空間規劃意義
——以上海浦東新區為例

王曉婷, 欒華龍, 張衛國, LAM Nina Siu-Ngan

（1. 華東師范大學 河口海岸學國家重點實驗室, 上海 200241; 2. 長江水利委員會長江科學院, 武漢 430010; 3. 路易斯安那州立大學 海岸與環境學院 環境科學系, 路易斯安那州 巴吞魯日 70803, 美國）

0 引言

近百年來, 受全球河流筑壩、流域水土保持等人類活動影響, 河流入海泥沙普遍呈下降趨勢, 加以三角洲人類活動 (圍墾、挖砂等) 對三角洲水文地貌過程的影響, 全球三角洲海岸侵蝕和土地損失風險加大[1-3]. 伴隨著三角洲人口的集聚和城市化, 海岸侵蝕所造成的社會經濟風險也呈現上升趨勢, 如密西西比河三角洲的濕地損失導致沿海地區約20%的人口向內陸遷移[4]. 因此, 為了維持三角洲區域的可持續發展, 不僅需要對三角洲地貌變化的未來趨勢做出評估, 還需要開展三角洲海岸侵蝕背景下的土地利用、人口、財產等暴露風險評估, 以便更好地進行國土空間規劃.

海岸侵蝕脆弱性是海岸對侵蝕災害的敏感程度和應對能力的反映, 其評價方法通常是基于指標合成法構建脆弱性指數[5], 評價指標一般包括海平面上升速率、地面沉降速率、岸線變化速率、灘地寬度和坡度、水體含沙量等[6-10]. 對長江三角洲海岸侵蝕脆弱性的研究表明, 潮灘寬度和坡度是影響脆弱性的主要指標[8,11]. 但這些研究主要是基于現狀的評估, 未來地貌變化情景下的侵蝕脆弱性的評估尚不多見, 這需要借用地貌模擬模型, 對未來海岸地貌變化趨勢做出預測后進行評價.

海岸侵蝕暴露度評估是指識別受到侵蝕災害影響的人口、資產或土地利用價值[12]. 對于未來的海岸侵蝕暴露度評估, 一種方法是利用數值模擬, 確定未來的海岸侵蝕范圍, 進而統計在這一影響范圍內的人口或財產[13]. 但這一方法依賴模型的模擬能力、邊界條件和模型參數的可靠性. 在數據不足或不確定的條件下, 模型很難產生可靠的結果[13-15]. 另外一種方法是考慮到行政單元對社會經濟統計數據的易得性, 以行政單元為區域進行暴露度評估[16-17], 不足的是行政單元與侵蝕災害的影響范圍往往并不重疊. 由于海岸侵蝕災害的影響范圍常常與距離海岸線的遠近有關, 也有學者利用緩沖區分析來評估侵蝕暴露度[18-19], 將其作為一種情景分析方法. 該方法計算簡便, 數據也易于獲取.

長江三角洲自19世紀中葉以來, 伴隨特大城市上海的發展, 農業用地向工業和城市用地轉化, 沿海地區開發程度不斷加強. 其中, 20世紀90年代上海浦東新區的開發使得沿海區域工業化進程加快,建設了浦東機場、外高橋碼頭、白龍港排污口等重要基礎設施. 當前, 隨著上海市社會經濟快速發展,規劃面積為343.3 km2的新城市南匯新城正在浦東新區南部沿海地區不斷建設之中 (圖1)[20], 可以預見城市化的進程將進一步促進海岸沿線的資產和人口集聚. 但20世紀70年代以來, 隨著長江入海泥沙的下降以及長江河口圍墾、深水航道等工程的開展, 河口沖淤變化顯著, 特別是20世紀90年代以來河口南支沖刷明顯, 河槽水深加大, 這一沖刷趨勢正逐漸向口門的南槽地區傳遞[21-24]. 在長江河口地貌和沿海社會經濟快速變化的雙重背景下, 如何評估未來情景下海岸侵蝕脆弱性和土地利用價值暴露度, 以便為海岸地區的國土空間規劃提供參考, 保障社會經濟可持續發展, 具有重要的現實意義.

本文以位于長江三角洲的上海浦東新區為例, 通過對長江三角洲現代河口沖淤的地貌變化趨勢(現狀與2035年) 分析, 評估海岸侵蝕脆弱性的變化; 通過對現狀和規劃的土地利用分析, 評估土地利用價值暴露度變化; 在上述對侵蝕脆弱性和土地利用暴露度變化分析的基礎上, 進而提出國土空間規劃的建議. 本文所提出的研究方法, 可為其他海岸地區的侵蝕暴露性評估和國土空間規劃提供參考.

1 研究區域

長江三角洲現代河口以徐六涇為頂點, 以啟東嘴和南匯嘴為兩側端點, 呈現“三級分汊、四口入?！钡母窬? 其中, 北支徑流輸出不足5%, 為漲潮優勢河槽, 而南支及其以下的南港、北港、南槽和北槽為長江入海徑流的主要入海河槽. 南港的下界為南、北槽分汊口, 由此進入攔門沙區域, 河槽水深變淺, 河槽間淺灘發育. 南槽與上海陸地之間發育南匯東灘, 自上游向下游, 南匯東灘的寬度不斷增大,南匯嘴附近自岸線至5 m等深線的寬度最大可達15 km (圖1)[25-26].

本文的研究區域為上海市浦東新區的沿岸陸地和岸外水域, 包括吳淞口—南匯嘴的沿岸區域及毗鄰的杭州灣北部區域 (圖1) , 岸線外的水域為長江河口南港、南槽及杭州灣. 自吳淞口經南港、南槽至杭州灣區域, 水深呈現深—淺—深的趨勢, 而以5 m等深線界定的岸外淺灘寬度呈現窄—寬—窄的趨勢[25-26]. 浦東新區系由上海的郊縣川沙和南匯合并而成, 因此沿岸地區土地利用早期以農業用地為主, 隨著20世紀90年代浦東新區的設立, 先后在外高橋區域建設了碼頭、發電廠, 在三甲港地區建設了浦東機場, 南匯嘴區域建設了臨港新城. 因此, 沿著海岸線, 隨著城市化建設的時間不同, 浦東新區沿海的土地利用類型多樣, 包括農業、工業、旅游用地等, 并處于動態變化過程之中.

2 研究方法

2.1 河口沖淤趨勢預測

流域來沙下降和海平面上升是未來三角洲地貌演變的重要因素, 欒華龍[29]在近半個世紀以來長江口年代際沖淤演變分析的基礎上, 基于Delft3D模型工具, 構建了長江口年代際沖淤演變數學模型,模型經歷了一系列的參數率定和驗證, 包括天文潮、潮位、流速、流向等水動力驗證, 也對歷史演變進行了后報模擬, 包括1958—1978年、1986—1997年和2002—2010年3個時間段, 模擬結果與實測均擬合較好, 能夠確保沖淤演變模擬結果的相對精度和可靠性. 模型的構建、參數設置與驗證具體可參考文獻[29]. 利用經充分率定、驗證的數學模型, 本文考慮上述兩個因素的影響, 以長江口2016年地形為基準, 開展了2035年沖淤演變趨勢預測. 對于未來長江輸沙量, 2003年三峽工程攔蓄以來大通站年均輸沙量為1.34億t, 近5年平均為1.22億t[30], 參考Yang等[31-32]取2035年長江流域來沙為1.25億t/a; 對于未來相對海平面上升, 根據Wang等[33]研究成果, 考慮地殼下沉和長江口地區自然沉降, 估算地面沉降速率為3.5 mm/a, 同時根據《2018年中國海平面公報》[34], 預計未來30年 (即2019—2049年) 上海沿海海平面將上升75 ～ 155 mm, 即2.5 ～ 5.2 mm/a, 取其上限, 則相對2016年,2035年相對海平面累計上升16.5 cm.

2.2 侵蝕脆弱性分析

鑒于長江三角洲海岸侵蝕脆弱性與潮灘發育程度有關, 總體上潮灘寬度越寬、坡度越緩, 侵蝕脆弱性越低, 因此我們選用潮灘寬度及坡度作為侵蝕脆弱性的指標[8,11]. 現狀侵蝕脆弱性依據的是2016年地形, 2035年侵蝕脆弱性來源于模型預測的2035年地形. 在ArcGIS 10.5 軟件平臺下, 使用數字海岸線分析系統 (DSAS v5.0) 工具, 沿岸線每隔100 m 計算0 m等深線到岸堤的距離, 即潮灘寬度, 利用坡度工具計算近岸1 km內坡度. 以2.3節中依據沿岸0 ～ 1 km陸地范圍內土地利用的變化劃分的55個評價單元, 計算了每個評價單元內潮灘寬度和坡度的平均值.

為了消除指標之間量綱的差異, 本文采用最小-最大規范化法將潮灘寬度和海岸坡度進行標準化處理, 使其映射到[0,1]之間. 兩個指標疊加獲得總體侵蝕脆弱性, 并使用自然斷點法劃分脆弱性等級[7,35], 取兩個時期侵蝕脆弱性自然斷點的平均值為間斷點, 劃分了5個等級, 分別是極高、高、中等、低和極低脆弱性. 總體侵蝕脆弱性的計算公式如下.

式(1)中:Vwi表示潮灘寬度在第i個評價單元的脆弱性標準化得分;Wi為第i個評價單元的潮灘寬度;m為研究區評價單元個數,m= 55.

式(2)中:Vsi表示海岸坡度在第i個評價單元的脆弱性標準化得分;Si為第i個評價單元的海岸坡度;m為研究區評價單元個數,m= 55.

式(3)中:Vi表示在第i個評價單元的總體脆弱性得分;Vwi、Vsi分別為第i個評價單元的潮灘寬度、海岸坡度脆弱性標準化得分.

2.3 土地利用暴露性分析

考慮到歷史上長江口海岸侵蝕速率為每年數十米量級[36], 以及城市和基礎設施建設設計的壽命為百年尺度[37], 本文分析了2019年和2035年沿海岸0 ～ 1 km范圍內的土地利用. 現狀土地利用類型的空間分布格局是依據ArcGIS Online 上2019年1 m分辨率的World Imagery (Clarity) 遙感影像目視解譯的結果. 根據中國土地利用分類標準 (GB 50137, 2011)[38], 將土地利用類型劃分為農業、工業、旅游、水產養殖、機場、公共設施、城市建設、河流、湖泊和未利用地. 關于土地利用價值的評估, 一種是識別每種土地利用類型的市場價值, 但這一方法僅表示土地利用類型的近似值, 由于環境條件的差異,同一種土地利用存在著空間高度異質性[12,39-40]. 另一種方法是給每一種土地利用類型賦予一個相對價值等級[8,41]. 該方法優點是操作簡單, 易于推廣到其他地區. 考慮到土地利用市場價值估算的復雜性和不確定性, 本研究采用相對價值等級法評估侵蝕的土地利用暴露度. 依照土地利用的經濟價值和人口數量, 將暴露于潛在海岸侵蝕影響范圍的土地利用類型價值分為5個等級, 分別為極低 (未利用地) 、低 (河流、湖泊) 、中等 (水產養殖、農業用地) 、高 (旅游、工業用地) 和極高 (機場、公共設施、城市建設用地) , 每個等級分別賦值為1、2、3、4、5[11,42]. 對每個評價單元內包含的土地利用類型按照面積比例加權疊加, 最終確定土地利用價值總得分, 運用自然斷點法將土地利用價值得分分為5個等級,分別是極低、低、中等、高和極高暴露度.

2035年的土地利用依據《上海市浦東新區國土空間總體規劃 (2017—2035) 》[43]. 由于規劃的土地利用類型較2019年目視解譯的類型更為細致, 則將規劃的土地利用類型中的居住生活區、市政基礎設施用地、體育休閑區合并為城鎮建設用地. 生態保育區是規劃中以大面積永久基本農田集中區為主的生態空間, 用于耕地利用的修養生息, 故劃為農業用地. 2035年土地利用價值計算與等級劃分法同2019年一致.

3 結果

3.1 河口沖淤變化

對比兩個時期的地形圖可發現, 2035年相比2016年, 南港下段至南槽進口段呈現沖刷趨勢, 10 m等深線勾畫的深槽向南延伸至浦東機場南沿, 而南匯東灘0 m等深線向外擴展, 說明近岸高灘呈現淤積趨勢, 而5 m等深線略有沖刷. 杭州灣水域, 則呈現近岸高灘略有淤積, 而岸外10 m深槽向近岸逼近趨勢 (圖2).

圖2 2016年與2035年長江口浦東新區周邊水域地形及其變化Fig. 2 Bathymetric maps in 2016 and 2035 of coastal areas along the Pudong New Area and bathymetric changes between 2016 and 2035

3.2 侵蝕脆弱性變化

2016年, 自吳淞口至三甲港岸段, 侵蝕脆弱性等級為高和極高的比例占沿岸岸線長度的31.3%;浦東機場岸段和杭州灣北側岸段為中等侵蝕脆弱性, 比例最大, 為39.0%; 浦東機場南沿至南匯嘴侵蝕脆弱性等級最低, 低和極低脆弱性共占29.7% (圖3(a)和表1). 與2016年相比, 2035年侵蝕高和極高脆弱性等級增加了16.4%, 中等脆弱性減少了21.8%, 低和極低脆弱性增加了5.4% (表1). 2035年, 侵蝕脆弱性等級有顯著變化的發生在浦東機場岸段及三甲港上游岸段, 分別增大至高和極高脆弱性, 其他岸段脆弱性等級基本不變 (圖3(b)和圖3(c)).

表1 2016年和2035年浦東新區沿岸侵蝕脆弱性等級結構及變化Tab. 1 Distribution of erosion vulnerability class in coastal areas along the Pudong New Area in 2016 and 2035 and relative changes

圖3 2016年與2035年浦東新區沿岸侵蝕脆弱性等級分布及其變化Fig. 3 Distribution of erosion vulnerability class in coastal areas along the Pudong New Area in 2016 and 2035 and changes between 2016 and 2035

3.3 沿海土地利用的類型、價值及其變化

2019年, 自吳淞口至浦東機場岸段, 土地利用類型主要為工業、城鎮建設和機場用地; 浦東機場南沿經南匯嘴至杭州灣, 除洋山港保稅區的工業用地外, 主要為農業用地和未利用地. 根據浦東新區的城市規劃, 2035年大治河北側用地類型變化不大, 而南側至杭州灣, 不少農業用地和未利用地將轉化為旅游和城鎮建設用地 (圖4).

圖4 2019年與2035年浦東新區沿岸土地利用類型分布Fig. 4 Distribution of land use types in coastal areas along the Pudong New Area in 2019 and 2035

相應地, 自吳淞口至浦東機場岸段土地利用的價值等級為高和極高, 浦東機場南沿至大治河以低和高等級相間分布為主, 且2019年和2035年變化不大 (圖5(a)和圖5(b)). 但大治河以南區域, 2035年相對2019年土地利用價值等級普遍升高, 表明土地利用暴露度增加 (圖5(c)). 從表2和圖5(b)中看出, 2035年土地利用高和極高暴露性增加了20.5%, 集中分布在南匯嘴至洋山港保稅區一帶.

表2 2019年和2035年浦東新區沿岸侵蝕土地利用暴露性等級結構及變化Tab. 2 Distribution of the class of land use value in coastal areas along the Pudong New Area in 2019 and 2035 and its relative change

圖5 2019年與2035年浦東新區沿岸土地利用價值等級分布及其變化Fig. 5 Distribution of the class of land use value in coastal areas along the Pudong New Area in 2019 and 2035 and changes between 2019 and 2035

4 討論

4.1 海岸侵蝕脆弱性的空間差異及其變化趨勢

三角洲海岸由于不同的水動力條件和泥沙供應, 其面臨的侵蝕風險不一. 在總結長江河口兩千年的發育模式時, 陳吉余[44]提出了“南岸邊灘推展、北岸沙島并岸、河口束狹、河道成形、河槽加深”的模式, 浦東新區所在即為長江口南岸, 近兩千年來該區域總體上呈現淤漲態勢. 但其內部差異也很明顯, 從1052年修筑的里護塘、1584年開始修筑的欽公塘、1738年修建的彭公塘與現今海岸的距離可以看出 (圖1)[27-28], 白龍港以上岸段岸線變化不大, 而自白龍港向南至南匯嘴區域, 岸線變化距離不斷加大, 而杭州灣北岸區域岸線向海推進十分有限. 從動力地貌的角度分析, 吳淞口—白龍港受南港河槽發育的影響, 水流為往復流, 岸灘發育不明顯. 自白龍港開始, 岸線走向有一明顯轉折, 從東南向偏南方向偏移, 反映了水流脫離河槽束縛后的展寬. 白龍港至南匯嘴為口門攔門沙淺灘發育地區, 徑流影響減弱, 潮流影響增大, 其中的南槽河槽呈現往復流優勢. 而臨近的南匯東灘為旋轉流, 潮灘發育,但是該岸段的5 m等深線則基本順延了吳淞—白龍港岸線的走向, 因而南匯東灘的寬度不斷增大[25,45].杭州灣北岸為強潮海岸, 近岸區域水流為平行岸線的往復流, 潮灘發育不明顯[46-48].

上述近千年以來的河口地貌長期演變格局決定了浦東地區成陸的空間格局、岸線穩定性和侵蝕風險. 但是, 1950年以來, 受入海水沙變化及河口圍墾、深水航道等工程的影響, 長江河口河勢也發生了局部的調整. 其中, 河口徑流動力為主的南港段 (吳淞口—白龍港)在1958—1978年期間為凈淤積,淤積速率平均為78.1 mm/a. 而1978年以來該區域轉為沖刷, 且隨著時間推移, 沖刷強度增加; 自1980年以來的入海泥沙減少, 水流侵蝕能力加大, 1997—2010年的沖刷速率平均為73.9 mm/a[21]. 自南港向南槽, 河槽侵蝕有著從上游向下游滯后的趨勢[21-22]. 但是隨著浦東機場岸段1996年以來的促淤圍墾以及南北槽分流口控制工程的建設, 南槽分流比加大和入口段河寬縮窄, 流速增強導致侵蝕能力增強. 因此白龍港—浦東機場岸段的河槽近期沖刷顯著, 2011—2017年期間近岸處的沖刷厚度可達1 ～ 3 m[49]. 浦東機場往南, 盡管其沿岸自1950年, 特別是1994年以來修筑了系列促淤圍墾工程, 但是其附近的5 m等深線位置較為穩定, 并呈現0 m線以上灘地持續淤積的現象[24,50-51], 因而海岸侵蝕風險較小. 杭州灣北岸的蘆潮港區域, 歷史上海岸線推進速率緩慢, 其泥沙主要來自長江口的輸出[46].在長江來沙輸入減少背景下, 加以近期長江口南匯東灘圍墾對泥沙的攔截, 杭州灣北岸蘆潮港近岸水域泥沙含量近30年下降了22%[52], 近期潮流侵蝕能力加大, 導致蘆潮港近岸遭受侵蝕[52-53].

在未來數十年的時間尺度內, 長江河口、杭州灣的水動力格局仍將維持當前態勢. 但在流域來沙減少及海平面上升的情景下, 地貌會做出一些調整. 因而, 在一定的海平面上升速率的情景下, 會促使河口攔門沙區域的淺灘淤積[29], 導致南匯淺灘0 m等深線以上區域淤積. 而口門區域的深槽沖刷向下

游延伸, 近岸淺灘寬度縮窄、地形坡度加大, 杭州灣蘆潮港水域近岸侵蝕風險加大 (圖2、圖3)[52].

4.2 土地利用分布的控制因素

土地利用受到社會經濟因素和自然條件的雙重影響. 從社會經濟因素來說, 上海市中心長期以來集中在黃浦江以西地區, 浦東新區原先是上海的郊縣 (川沙、南匯縣) , 其產業布局以農業為主.1990年以來, 隨著國家的浦東開發決策實施以及上海市社會經濟發展, 浦東地區工業化和城市化步伐加快, 沿岸地區得到開發利用. 但最早的浦東新區是北部的川沙縣, 直至2009年南匯縣 (或南匯區)才并入浦東新區. 因此, 浦東新區的沿岸開發早期集中在北部區域, 20世紀90年代先后建設外高橋港區和浦東機場, 這也是上海作為國際航運中心和經濟貿易中心的需要. 浦東新區南部沿海的開發是隨著2002年的洋山港保稅區、臨港產業區和南匯新城的建設而開展. 由于位于南匯嘴附近的南匯東灘是灘涂淤漲較快的區域[25,45], 因而較多的土地得以圍墾, 作為工業和新城建設用地. 由于該區域開發較晚, 因此沿岸地區還有較多的農業用地和未利用地.

4.3 海岸國土空間規劃的合理性與高侵蝕風險岸段應對

國土空間規劃是對一定區域國土空間開發、保護、利用、修復在空間和時間上作出的安排, 從而推動自然資源的節約集約利用和資產保值增值[54]. 我國的城鄉建設都是在國土空間規劃的指引下而開展. 由于海岸災害影響了社會經濟建設的可持續發展, 因此, 在制定國土空間規劃時, 需要充分考慮未來災害的變化及其破壞程度[55-57]. 三角洲海岸具有淤積和侵蝕動態變化的特點, 應結合海岸侵蝕的動態暴露性評估制定國土空間規劃, 以保障社會經濟可持續發展.

從目前的海岸用地布局來看, 港口和相應的保稅區、產業區及浦東機場是主要用地形式, 未來上述用地以及南匯新城建設將進一步使海岸的未利用地減少. 這一用地規劃是支持上海建設國際貿易和航運中心的需要[58]. 對于港口建設來說, 穩定的岸線和水深保證是建港的基礎條件, 因此, 外高橋港區以及杭州灣的港區規劃與所在區域自然條件是相吻合的.

由圖6可以看出, 依據現有的浦東新區規劃以及預測的2035年河口沖淤變化, 2035年極高侵蝕脆弱性與極高土地利用價值暴露度相重疊的岸段顯著增加. 當前(2016—2019年), 上述岸段長度為32.3 km, 占整個海岸的 31.1%; 2035年, 其長度增加為 47.5 km, 比例升高至 45.8%, 增加區域位于浦東機場. 此外, 從杭州灣北岸蘆潮港至洋山港保稅區一帶的侵蝕脆弱性等級雖然為中等, 但是土地利用暴露性升為高和極高等級, 岸外深槽向近岸有逼近趨勢 (圖2) , 隨著長江流域來沙減少, 則未來將面臨較高的侵蝕風險[52]. 浦東機場及杭州灣北岸蘆潮港區域, 它們分別是重大基礎設施和南匯新城所在地. 2019年浦東機場旅客和貨物吞吐量分別為7615.35萬人次和363.42萬t, 營業收入109.45億元,十四五期間, 浦東機場將新建T3航站樓, 設計保障能力為5000萬人次[59]. 南匯新城2020年工業總產值1613.3億元, 人口約30萬, 根據《南匯新城“十四五”規劃建設行動方案》, 規劃到2025年工業總產值達到5000億元, 常住人口75萬[20], 將是現有工業總產值的3倍和人口的2.5倍. 鑒于這兩個岸段的建設投資巨大, 且其發展空間緊鄰海岸, 緩沖空間有限, 因此, 必須對侵蝕風險予以足夠的關注, 持續加強海岸動力和地貌變化的監測和研究.

圖6 2016年與2035年浦東新區海岸侵蝕脆弱性與土地利用暴露性等級關系Fig. 6 Bi-plot of classes of erosion vulnerability and land use value exposure in coastal areas along the Pudong New Area in 2016 and 2035

5 結論

(1) 近千年以來的長江河口地貌演變決定了浦東新區海岸侵蝕脆弱性的基本空間格局, 但近70年的人類活動改變了局部岸段的侵蝕脆弱性, 隨著未來長江流域入海泥沙的減少, 浦東新區海岸面臨的侵蝕風險加大.

(2) 以2016年為基準, 在2035年長江入海泥沙為1.25 億t/a、海平面上升16.5 cm的情景下, 以土地利用暴露度與海岸侵蝕脆弱性等級為指標, 兩者具有高和極高等級的岸段目前長度為32.3 km,占浦東新區海岸長度的31.1 %, 2035年其長度增加至47.5 km, 比例升高為45.8 %.

(3) 考慮到2035年海岸侵蝕脆弱性和土地利用暴露度空間分布, 浦東國際機場及杭州灣北岸蘆潮港區域是上海航空樞紐和新城所在, 也是侵蝕風險升高的岸段, 需要對上述區域加強海岸監測和侵蝕防護.

(4) 開展未來情景下海岸侵蝕脆弱性和土地利用暴露度評估, 可以識別出海岸帶侵蝕的熱點區域,為海岸帶國土空間規劃提供科學支撐.