黄骅市沿海风暴潮灾害风险评估区划研究

丁玉蓉，王世彬，刘仕潮，刘有才，王平

（1.河北省水文工程地质勘查院，河北 石家庄 050021；
2.河北省地矿局第四水文工程地质大队，河北 沧州 061000；
3.国家海洋环境预报中心，北京 100081）

黄骅市位于渤海湾西岸，地势平缓，河流密布，自西南向东北略倾斜，坡降为1/8 000～1/15 000，地面标高一般为2～15 m，东部沿海岸线一带地面标高为1～4 m。由于特殊的地理位置和地形作用，黄骅市常年受温带风暴潮影响，台风风暴潮的影响也不容忽视[1]。由于黄骅市沿海地区地势较为平坦，一旦发生漫堤，将出现大面积淹没。据1982—2020年验潮资料统计，黄骅站温带风暴潮最大增水值有8 a 超过200 cm，最大值达到266 cm。风暴潮在当地造成的经济损失达数十亿元，1992 年、1997 年、2003 年和2011 年风暴潮灾害经济损失均超过1 亿元。在2003 年温带风暴潮中，黄骅港最高潮位为333 cm，潮水越过海堤缺口和海防路后沿河道上溯50 km，28 个村庄大面积进水，500 户居民房屋进水，受灾人口约15 万，418 个涵闸被冲毁，1 310 艘渔船损毁，46 个盐场被淹，5 hm2盐田受灾，损失达3.04 亿元。

风暴潮灾害风险评估和区划是风暴潮灾害风险管理的基础，是践行提高自然灾害防治能力建设的一项重要工作，可对沿海的经济发展规划、工程建设、各类涉海生产和生活活动起到积极的防范和预警作用，同时为沿海设防工程提供基础数据和技术参考[2]。沿海地区风暴潮灾害风险评估和区划是国内外社会和学术界普遍关注的热点和难点问题，国外对相关评估理论和方法的研究相对较早，已在不同城市开展应用，并取得了良好的效果。我国近年来也开展了相关评估方法和理论的研究工作，国家海洋环境预报中心于2007年完成了“河北省海洋灾害风险区划及应急技术方案”项目，全国首份风暴潮风险评估图问世[3]。2013 年全国海洋灾害风险评估区划试点工作开展，河北省作为省尺度试点开展了风暴潮灾害的风险评估区划工作。该工作利用河北省2′岸段典型重现期风暴潮增水和潮位数据，制作了河北省基于增水和超警戒潮位的风暴潮危险等级分布图[4]。

本文应用海洋水动力计算模型（A parallel ADvanced CIRCulation model for oceanic，coastal and estuarine waters，ADCIRC）开展了黄骅市台风和温带风暴潮漫滩数值模型研究，评估了不同工况条件下风暴潮灾害的危险性，结合承灾体脆弱性分析开展风暴潮灾害风险评估和区划研究，并提出对策建议。

2.1 风暴潮灾害危险性评估

（1）漫滩模型建立与检验

收集黄骅市历史风暴潮水文与气象观测资料、1:10 000 的基础地理数据提取的高程数据、沿海及其沿岸的地形数据（海堤、河流和河口、主要公路、养殖区和盐场），利用30 a再分析气象场重构易对黄骅市造成风暴潮的台风和温带天气系统，对风场强度进行分级。

对风暴潮灾害进行危险评估计算，其中很重要的一项就是将海堤的位置和顶高反映到模式的网格中。利用目前已有的数值模型，如POM（Princeton Ocean Model）、ELCIRC（Eulerian-Lagrangian CIRCulation）和FVCOM（Finite-Volume Coastal Ocean Model）等，均不能完全达到上述要求，因此我们选用ADCIRC 模型来构建台风和温带风暴潮漫滩数值模型[5-7]，版本为50.99。由于台风和温带气旋在影响范围和强度上的不同特点，本文采用两种来源的风场来驱动风暴潮模型。台风在水平方向上风速相对变化较大，需要较高的分辨率来刻画台风风场变化，因此选用Holland[8]台风风场模型来驱动台风风暴潮。温带气旋影响范围较大，往往还会出现温带气旋和冷高压共同作用的情况，风场需要反映计算区域内整体天气形势，因此选用过去30 a 再分析风场来驱动温带风暴潮。

（2）数据处理及网格划分

漫滩模型的计算区域范围是117°～130°E，21°～41°N，包括渤海、黄海以及东海部分海域。高程数据为覆盖黄骅市的1∶10 000 的基础地理数据提取，该数据基于85高程，最高分辨率约50 m。模式计算范围较大，分辨率很高，约有75%的网格节点分布在风暴潮可能淹没的陆地区域，既消除了边界对计算结果的影响，又大大缩短了计算时间，整套高分辨率网格包括了844 190个三角形单元，共计426 189个节点。

黄骅市近海和外海的水深数据采用分辨率为2′×2′的ETOPO2 和GEBCO 水深数据。海岸线和海堤数据参考历史数据，结合外业调查进行修正后综合确定。

（3）天文潮及典型风暴潮模拟检验

在AP1综合异常区经槽探施工共发现七条钼矿体，其中TC16探槽揭露出四条（Ⅰ-Ⅳ），TC14-1号探槽揭露出三条（Ⅴ-Ⅶ）。这几条矿体均赋存在宝力高庙组北东向构造破碎带中，破碎带中岩石以蚀变安山岩为主，岩石碎裂局部为断层泥，可见有明显的褐铁矿化、绢云母化、绿泥石化、硅化等矿化蚀变。现对这几条钼矿体概述如下：

采用精细化风暴潮数值模型模拟了2019年8月的潮位过程，模拟的站点分别为京唐港站、曹妃甸站、塘沽站和黄骅站。黄骅站的天文潮模拟情况见图1。京唐港站模拟天文潮的平均绝对误差为19.7 cm，曹妃甸站误差为21.4 cm，塘沽站误差为23.3 cm，黄骅站误差为23.6 cm，模型模拟的天文潮与调和分析的结果相位重叠好，模拟潮位的误差合理。

图1 黄骅站天文潮模拟与调和分析结果对比Fig.1 Comparison of astronomical tide simulation and harmonic analysis results at Huanghua station

采用精细化风暴潮数值模型，对产生重大风暴潮灾害的数次台风风暴潮过程（6005、7203、9711、0509、1410、1909）和温带风暴潮过程（20031011、20090213、20090415、20130320、20151107、20161022）进行了数值模拟。从模拟结果可以看出（见图2和表1），黄骅沿海高分辨率非结构网格的风暴潮模型可以较好地刻画风暴潮过程，所建立的风暴潮模式可靠。

表1 黄骅站风暴潮计算值与实测值的误差统计分析表Tab.1 Statistical analysis of the error between calculated and measured storm surge values at Huanghua station

图2 黄骅站风暴潮计算值与观测值比较Fig.2 Comparison of calculated and observed storm surge values at Huanghua station

（4）风暴潮灾害危险性评估

综合考虑历史天气过程和当地天文高潮情况，利用建立好的精细化风暴潮漫滩模型，配合当地天文高潮，计算不同等级天气系统影响下的陆地淹没水深和分布。

主要步骤包括：①台风等级的划分。取黄骅沿海400 km 范围内历年经过本海区的台风最小中心气压值为进入该区域的热带气旋中心气压年极值序列，采用极值Ⅰ型分布计算千年一遇的台风中心气压值，作为该区域采用的最强台风气压值，根据台风中心气压和风速的关系，最终确定本次风险评估划定的台风等级和风速（见表2）。②温带天气系统的选取。以引起“0311”特大温带风暴潮灾害的温带天气形式作为黄骅市温带风暴潮风险分析的温带天气系统，在此基础上用风速作为不同级别天气系统划分的依据。选择18 m/s、22 m/s、27 m/s、32 m/s 和36 m/s 风速作为5 档天气系统划分标准。③台风路径的确定。选取1949 年以来登陆河北最强的7203 号“Rita”台风路径为基础平移，每隔1/4R（R取60 km）生成一条台风路径，从这些路径中寻找一条对黄骅市影响最为严重的路径。计算得出以7203 号“Rita”台风原路径向南偏移1.75R的路径为最有利于黄骅市沿海风暴增水的台风路径。④天文潮的叠加。选取黄骅潮位站连续19 a（2000—2018年）月最高天文潮10%超越概率高潮位作为天文潮位，用以叠加台风风暴潮情况。

表2 风暴潮风险评估台风等级划分标准Tab.2 Typhoon classification criteria for storm surge risk assessment

利用ADCIRC 模式进行风暴潮淹没计算，分别得到各类台风强度等级下可能的最大淹没深度与分布范围，并以此对风暴潮淹没开展危险性分析。依据淹没深度大小，将风暴潮灾害危险性划分为4个等级（见表3）。

表3 风暴潮危险性分级表Tab.3 Risk classification of storm surge

2.2 风暴潮灾害风险评估区划

风暴潮灾害脆弱性评价采用定性评价方法，即以土地利用二级分类作为风暴潮灾害脆弱性评价指标，对评估区域进行定性脆弱性等级划分[9]。脆弱性等级分为4 级，每个级别对应于具体的土地利用类型。若评估单元内有重要的承灾体，或者有因风暴潮灾害产生严重次生灾害的承灾体，根据实际情况调整脆弱性等级，依靠ArcGIS 软件的数据管理和可视化功能，利用分级色彩表示各土地利用类型的脆弱性等级，得到黄骅市土地利用脆弱性区划图。

依据黄骅市风暴潮危险性和脆弱性评估结果，基于区域灾害系统理论的计算方法评价风暴潮灾害风险性。风暴潮风险评估采用公式[10]：

式中，R代表风险等级；
H代表危险性；
V代表脆弱性。H依据选择的台风或温带天气系统下计算得到的风暴潮危险性值，取4 级。V由承灾体脆弱性决定，取4 级。将风险等级（R）划分为高风险区（1≤R≤2）、较高风险区（3≤R≤6）、较低风险区（8≤R≤9）和低风险区（12≤R≤16）。依据风险评估结果，以沿海社区（村）为基本单元，综合考虑了河北省海洋功能区划、行政界线和风险大小的同质性等因素，将风暴潮灾害风险区划分为高风险区（Ⅰ级）、较高风险区（Ⅱ级）、较低风险区（Ⅲ级）和低风险区（Ⅳ级）4级。

从历史风暴潮数据看，海堤损毁没有预想的严重，主要以防浪墙损毁为主。基于损害发生的客观情况，我们按照表4 来评估海堤损毁情况的种类和对应的损毁条件。

表4 海堤损毁条件表Tab.4 List of dyke damage conditions

3.1 台风风暴潮

对于台风风暴潮过程，在985 hPa 及以下强度的台风影响下，沿岸不会出现漫堤，海堤后方不会发生淹没。在975 hPa 强度影响下，沿岸开始出现轻微漫堤，海堤后方发生小面积淹没，淹没水深不大，岐口—西高头以及后徐家堡—冯家堡一带海堤出现了轻微漫堤，堤后出现了小范围淹没，风暴潮危险等级大多在Ⅱ级以下。在965 hPa 及以上强度台风影响下，海堤后方开始出现大面积淹没，淹没水深随着台风强度的增加而逐渐加大。在955 hPa强度台风影响下，黄骅沿岸最高潮位超过海堤堤顶高程1～2 m，大量海水涌入堤后陆域，淹没面积和淹没水深较之前等级有明显扩大，沿岸海堤几乎都有可能出现严重损毁。堤后淹没深入内陆的距离自南向北逐步增加，淹没最远可达海新村—邢庄科村一带区域（见表5）。

表5 一级台风强度（955 hPa）影响下淹没统计Tab.5 Inundation statistics under the influence of the first-level typhoon intensity（955 hPa）

3.2 温带风暴潮

温带风暴潮和台风风暴潮危险性评估使用同一套网格，采用中尺度模式的再分析风场驱动模型。在22 m/s 及以下强度温带天气过程影响下，沿岸不会出现漫堤，海堤后方不会发生淹没。在27 m/s强度温带天气过程影响下，沿岸开始出现轻微漫堤，漫堤主要集中在北部的岐口—西高头；
南部冯家堡一带堤后陆域出现小面积淹没，淹没水深不大，风暴潮危险等级基本都在Ⅲ级以下。在风速18 m/s、22 m/s和27 m/s 强度温带天气过程影响时，考虑海堤的溃决作用与不考虑海堤溃决情况一致，淹没区域没有变化。当风速达到32 m/s 和36 m/s 时，海堤后方都会出现大范围的淹没，大部分风暴潮危险等级为Ⅱ级，黄骅港区完全被淹没，风暴潮危险等级达到Ⅱ级以上，风暴潮危险性等级较高。在风速36 m/s情况下，堤后危险性Ⅰ级的区域相应增大，淹没水深随着台风强度的增加而逐渐加大，北部的淹没范围达到了高口村—方庄村一带，南部的淹没范围达到了前苗村—东辛庄村一带，淹没深度在1.2～3.0 m之间（见表6）。

表6 十二级（36 m/s）温带天气系统强度影响下淹没统计Tab.6 Inundation statistics under the influence of the intensity of the 12th level（36 m/s）extratropical weather system

4.1 脆弱性分析

黄骅市存在两个分布面积较大的高脆弱性（Ⅰ级）区域，分别位于中捷产业园区沿海区域和黄骅港区域。黄骅市设施农用地、公园与绿地以及风景名胜设施用地等较低脆弱性（Ⅲ级）承灾体数量较小，因此黄骅市境内的Ⅲ级脆弱性面积较小。除上述区域外，黄骅市大部分区域的承灾体对风暴潮灾害的承载能力较高，属于低脆弱性（Ⅳ级）区域。黄骅市Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级和Ⅳ级的脆弱性面积分别为564.72 km2、51.28 km2、51.60 km2和1 537.29 km2，占黄骅市总面积的比例分别为25.6%、2.3%、2.3%和69.7%，Ⅳ级脆弱性面积最大，也就是说，黄骅市大部分区域的承灾体对风暴潮灾害的抗击能力相对较强。

4.2 台风风暴潮

黄骅市风险区面积随台风强度的增大而增大，在995 hPa、985 hPa、975 hPa、965 hPa、965 hPa（溃堤）、955 hPa和955 hPa（溃堤）7种情况下，黄骅市风险区面积分别为36.58 km2、62.29 km2、139.11 km2、491.80 km2、573.47 km2、843.79 km2和879.02 km2。在风险级别方面，995 hPa、985 hPa 和975 hPa 下风险等级主要为Ⅲ级；
965 hPa 和965 hPa（溃堤）情况下，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级面积相当；
955 hPa 和955 hPa（溃堤）情况下，Ⅰ级和Ⅲ级面积较大。受台风风暴潮影响的区域包括黄骅港、新村回族乡、南排河镇、羊三木回族乡、南大港农场、中捷友谊农场和吕桥镇。

4.3 温带风暴潮

温带风暴潮风险区面积随温带天气系统风速的增大而增大，18 m/s、22 m/s、27 m/s、32 m/s、32 m/s（溃堤）、36 m/s 和36 m/s（溃堤）7 种情况对应的风险区面 积 分 别 为42.69 km2、57.09 km2、102.25 km2、644.74 km2、699.89 km2、1 153.59 km2和1 184.54 km2。32 m/s 和32 m/s（溃堤）天气系统情况下，Ⅰ～Ⅲ级风险区面积相当，Ⅳ级风险区面积最大。36 m/s 和36 m/s（溃堤）天气系统情况下，Ⅲ级风险区面积最大，Ⅰ级次之，Ⅱ级最小。受温带风暴潮影响的乡镇与台风风暴潮一致。

对比台风风暴潮和温带风暴潮风险评估结果可见，温带风暴潮灾害风险区面积比台风风暴潮大。对于最严重的台风风暴潮，黄骅市的风险区面积为879.02 km2，其温带风暴潮的风险区面积为1 184.54 km2。南排河镇和新村回族乡两种风暴潮灾害造成的风险区面积相当，然而对于其他邻海或近海乡镇，如旧城镇、南大港农场、中捷友谊农场和羊三木回族乡，温带风暴潮造成的风险性灾害面积均大于台风风暴潮。

4.4 风暴潮灾害风险区划

风暴潮灾害风险区划以社区（村）评估结果为依据，当同一个社区（村）分布有两个风险等级时，取高风险等级；
评估单元大部分有淹没时，按照评估等级划定风险等级；
评估单元有零星淹没且等级较低的，可不划定风险等级。据此，本文最终形成黄骅市风暴潮灾害风险区划（见表7）。

表7 黄骅市沿海社区（村）风暴潮灾害风险区划Tab.7 Storm surge disaster risk zoning in coastal communities（villages）in Huanghua City

5.1 结论

（1）本文以河北沿海风暴潮灾害为例，利用ADCIRC 建立了高分辨率风暴潮漫滩模型，选取典型风暴潮过程进行模拟验证，计算模拟了不同等级天气过程影响下的淹没范围及水深分布，对台风风暴潮及温带风暴潮危险性进行了分级，综合承载体脆弱性评估数据进行了风暴潮风险评估与区划，为当地灾害防治、应急疏散、防灾减灾、产业布局和区域发展规划提供了技术参考。

（2）通过多工况风暴潮数值计算可知，955 hPa（溃堤）工况台风风暴潮和十二级36 m/s（溃堤）工况温带风暴潮影响范围最大，淹没范围最广。十二级36 m/s（溃堤）工况温带风暴潮影响面积最大，为1 184.54 km2，易遭受风暴潮影响的地区包括黄骅港、新村回族乡和南排河镇等地。

5.2 建议

（1）根据上述结论，我们认为在黄骅沿海地区，需要加强海堤建设和维护，提升防洪御潮体系，增强各海堤特别是歧口村及其以南岸段海堤的防冲刷能力；
入海河流两侧的堤防工程有待完善，局部地段高程需要加高，由于风暴潮发生时都伴有强降雨，因此需要做好向陆一侧的排水工作。

（2）本文构建的风暴潮预测模型及计算结果考虑了多重不利因素的叠加，具体评估的风险区范围可能会偏大，有待在今后的工作中结合实际情况进行进一步修正。

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