海啸危险性分析理论与实践

第1章 海啸基础知识 1.1 海啸概念 海啸是一列或一系列具有超长波长的波，是一定水域内的水体突然在竖向集体产生巨大位移而形成的波浪，这个巨大位移大多是由地震所引发，或者由火山爆发、山体滑坡、行星撞击地球及其他人为或自然原因所引发。海啸波不仅可以在海洋中也可以在湖泊、河流、水库中产生并移动。海啸的英文“tsunami”来源于日文，日语中“tsu”代表“港湾”，“nami”代表“波浪”，海啸意为港湾中的波。在深海大洋中，海啸波以800km/h以上的速度传播，可轻松地与波音747飞机保持同步，但波高却只有几十厘米甚至更小；在浅海岸边，波速下降而波高逐渐升高，如图1.1.1所示。 海啸波有别于普通波浪，在深海中波长可达到100km或以上，而周期则为10min～1h。当海啸行经近岸浅水区时，波速减小而波幅骤增，波幅有时可达30m以上，骤然形成“水墙”而淹没滨海地区，造成灾害。若海啸波波谷*先抵达近岸浅水区，则水位骤落，有时能裸露出多年未见的海底，接着在十几分钟内又猛涨，升高至几十米，汹涌向岸上袭来。此外，还有一种海啸现象是由地震或山体崩裂导致高坝巨型水库水体在坝体处能量聚焦，危及大坝安全，甚至巨量水体翻越大坝，危及下游航道、船只及两岸安全。另一种罕见但危害极大的海啸是由行星撞击地球海洋所致，巨大的能量可形成巨幅海浪横扫广大近海陆地，导致巨大生命财产损失甚至物种和文明的毁灭。 20世纪90年代以前，人们普遍认为海啸主要发生于太平洋海域，基本由远距离海底大地震引起。在20世纪90年代共有14次大海啸袭击了全球各海岸线，相对于其他自然灾害（地震、洪水、飓风等），这些海啸造成的人员伤亡和财产损失是很微小的，同时人们也认为早期建立的海啸预警系统可以预警以减轻海啸灾害。这些观点直到2004年12月26日印度洋海啸开始转变，此次海啸是在苏门答腊岛附近发生9级地震而引发的，海啸袭击了北印度洋沿岸大部分国家和地区，海啸发生时并没有任何国家和地区发出海啸预警警报，*终造成了约22.7万人死亡，经济损失无法估量。 图1.1.1 海啸波传播波速示意图（来源于日本气象厅） 另外，有学者表示，历史上还发生过比印度洋海啸大10多倍的海啸，所产生的爬高高度大大高于有记录以来的任何海啸。由于海啸是发生在远古时期故而没有任何文字记录，只以口头传说和远古神话的方式传承了下来。赞同这个观点的学者普遍认为如此大的海啸*有可能是由行星撞击地球海洋所引起的。 1.2 海啸成灾条件及影响 海啸波在深海中形成时，一般又长又低，波长可达100km以上，波高1m至几米，甚至几十厘米，速度可达700～800km/h，波传播到达海岸时，这些参数都发生了变化。海啸波到达海岸的爬高、速度和波长决定海啸对海岸造成灾害的程度。爬高是指海啸波到达海岸时，海水涌上陆地所到达的*远处高于正常海平面的高度。如图1.2.1所示，爬高、速度及波长与下列因素有关（郭增建和陈鑫连，1986）。 （1）海岸与发震构造方位。若海洋深度是均匀的，则*大爬高将接近于发震构造垂直方向上的位移。若海啸冲击的方向正好与港湾开口方向一致，其剧烈程度将更大。 （2）海岸与波源区之间距离。若海岸距离波源较远，多数岸段海水的上升类似涨潮现象，少数特定地区在某些大海啸时可形成怒潮。在波源紧邻的海岸，怒潮是很普遍的。 （3）海啸波途经的地形地貌。一般认为，海啸波的传播速度c 与海水深度h有关，即 （1-2-1） 式中，g为重力加速度，取g=9.8m/s2。 当海啸波途经宽阔的大陆架、岛屿、水下暗礁带或其他浅滩区时，一方面速度变小，另一方面海底摩擦力显著加大，致使海啸波能量衰减，浪高和冲击力都相对减小，有的海啸波传到岸边时已成强弩之末，不能造成危害了。 图1.2.1 海啸爬高示意图 （4）海岸及近岸海底地形。海啸所能达到的爬高和上升水的特征（缓流、急流、怒潮等）取决于近岸海底地形，取决于海岸的方位、坡度和形状，也取决于共振。若海啸波途中未经过如宽阔大陆架之类的高摩擦带，直接到达近岸时，一方面，海啸可以保持着很大的能量扑上岸边；另一方面，海啸波在变深过程中将产生折射，在某些地区致使波的能量会聚，产生较大的波高。有关研究表明，海岸和近岸海底地形越平缓，爬高越大。另外，里亚斯型海岸的特殊地形具有一定的放大效应。2011年“3 11”日本地震引发海啸受灾较为严重的地区具有典型的里亚斯型海岸。图1.2.2给出了此次海啸调查的波高分布，包括爬坡高度，数据下载源于美国地球物理数据中心（National Genomics Data Cemter， NGDC）的全球历史海啸数据库。从图1.2.2中可见，日本沿岸多处海啸波高在10m以上，*为典型的是大船渡市，“喇叭口形”特征明显。经验说明，在一定尺度的喇叭形或漏斗形港口或河口，由于海底地形使海啸波产生折射，海浪相对集中，再加上共振（振荡），波高可增至几米至几十米，并出现几个峰值，以第二个和第三个波峰值*大，加剧了海啸造成的破坏。 图1.2.2 2011年“3 11”日本地震引发海啸调查的波高分布（截至2011年4月25日结果） 海啸引起的损害和破坏因素有洪涝、海啸波对建筑物的冲击和海水侵蚀。人们受困于波涛汹涌并裹挟着碎片残骸的海啸波当中，便会因溺水、身体遭受撞击或者其他损伤而导致死亡。猛烈的海啸涌流侵蚀地基，引起桥梁和海堤坍塌；海水的浮力和拖拽力推倒房屋及其他建筑物。漂浮的船只、车辆残骸和树木等都会成为危险的流动体，撞击建筑物、码头和车辆等造成巨大破坏。即使是微弱的海啸也会引起波动，对船只和港口设施产生破坏。因石油泄漏、港口停靠船只受损燃烧或沿海储油罐及炼油厂设施破裂而引起的大火，其造成的破坏超过海啸直接引起的损害。海啸造成的这些灾害引起污水和化学污染，可能引起其他次生灾害的发生。进水、排水、储水等设施的破坏也能造成危险情况。由于海水后退会将核电站冷却水进水口暴露在外，海啸退去所造成的潜在影响日益受到关注。 海啸造成的直接灾害可归纳为以下几种：①死伤；②房屋遭受毁坏、部分毁坏、淹没、浸泡或烧毁；③其他财产损坏损失；④船只被冲走、损坏或损毁；⑤木材被冲走；⑥海上设施遭受损毁；⑦铁路、公路、桥梁、发电站、水或燃料储藏罐、污水处理厂等公共设施遭到破坏。 海啸造成的非直接次生灾害有：①房屋、船只、油罐、加油站和其他设施遭到烧毁；②漂浮物、石油及危险性散落废弃物造成的环境污染和健康危害；③流行性疾病暴发，尤其在人口密集区可能比较严重。 海啸虽然很少发生，却是*可怕、*复杂的物理现象之一，造成过极大的人员伤亡和巨额财产损失。鉴于海啸的巨大破坏性，海啸对人类社会、经济等各个方面都产生过巨大的影响。 1.3 海啸类型 1.3.1 按形成原因分类 海啸按照形成原因可分为地震海啸、气象海啸、火山海啸、滑坡海啸、撞击海啸、核爆海啸等（刘俊，2005）。 1. 地震海啸 由地震引发的海啸，称为地震海啸。2004年12月26日发生在印度洋的海啸以及2011年3月11日发生在太平洋的海啸即为地震海啸。海底发生地震时，海底地形急剧升降变动引起海水剧烈扰动，引发海啸。其机制有两种形式：“下降型”海啸和“隆起型”海啸。 “下降型”海啸：地壳构造运动引起海底地壳大范围的突然下降，海水涌向突然下陷的空间而形成涌浪，涌浪向四周传播到达海岸而形成海啸。在海啸到来之前，海岸首先表现为异常的退潮现象，露出了从未见天日的海底。如1755年11月1日，葡萄牙首都里斯本附近海域发生强烈地震后不久，海岸水位大幅度退落，露出了整个海湾底，随后海啸发生；1960年5月智利大海啸和2004年12月26日印度洋海啸均是如此。 “隆起型”海啸：由地壳构造运动引起海底地壳大范围急剧上升，海水随着隆起区一起被抬升，在重力作用下，海水从隆起区向四周扩散，形成涌浪。这种海啸在发生之前，首先表现为异常的涨潮现象。1983年5月26日日本海中部7.7级地震以及2011年3月11日日本东北部9.0级地震引起的海啸即属于此种类型。 2. 气象海啸 由气象风暴因素引发的海啸，称为气象海啸。这种海啸是由大气压急剧变化引起的。通常在强大的天气系统（包括热带风暴、台风、温带气旋、冷锋等）经过海面时，大气压每降低1hPa，相应的海平面就要上升13mm，在系统中心会出现洋面狂涨现象。随着天气系统的转移，上升的海面急剧回落，引起猛烈的海啸。这并不是严格意义上的海啸，在本书中不做具体的描述。 3. 火山海啸 火山爆发引起的海啸称为火山海啸。1883年，印尼喀拉喀托火山突然爆发，碎岩片、熔岩和火山灰向高空飞溅，滚滚的浓烟直冲数十千米的高空。不久，巨大的火山喷发物从天而降，坠落到巽他海峡，随之激起一个超过30m高的巨浪，以声速涌向爪哇岛和苏门答腊岛。巨浪犹如发疯的野兽，张着血盆大口，片刻之间就吞食了3万多人的生命。火山喷发物随高空气流飘移，造成印度洋和大西洋零星小海啸不断发生。 4. 滑坡海啸 由海底地滑引起的海啸，称为滑坡海啸。海底地滑产生的原因有两种：①海底大量不稳定泥浆和沙土聚集在大陆架和深海交汇处的斜坡上，产生滑移；②海底蕴藏的气体喷发导致浅层沉积海底坍塌。 5. 撞击海啸 由小行星或大陨石撞击地球海洋引起的海啸称为撞击海啸。行星撞击地球的概率极小，但一旦出现这类海啸，破坏将极其巨大。有历史记录以来，还没有相关文献记录到此类海啸。 6. 核爆海啸由水下核爆炸引起的海啸，称为核爆海啸。1954年夏天，美国在比基尼岛上进行氢弹试验。当氢弹爆炸时，在距爆炸地点500m的海域骤然激起一个60m高的巨浪，该波浪传播1500m后波高仍在15m以上，引起了海啸。 另外，海岸的崩坍也会引起海啸。历史上，阿拉斯加利图亚湾冰川上一块巨大冰块塌陷坠海，激起50m高的海浪，引发海啸。 1.3.2 按发生的地理位置分类海啸按发生的地理位置分类可分为越洋海啸、区域海啸和局地海啸。 1. 越洋海啸（teletsunami或distant tsunami） 横越大洋或从远洋传播来的海啸，称为越洋海啸。这种海啸通常距离海啸源1000km以上或海啸传播时间超过3h。这种海啸发生后，可在大洋中传播数千千米而能量衰减很少，因此使数千千米之外的沿海地区也遭遇海啸灾害。越洋海啸属于跨大洋性质，虽然很少发生，但是造成的灾害影响却比区域海啸严重。通常，越洋发生时只是对近源地区造成广泛破坏的局地海啸，随后海啸波持续传播，跨越整个大洋盆地，以其巨大的能量使距离海啸源1000km以外的大洋近岸地区遭受额外的人员伤亡和破坏。 过去的200年里至少发生过30次破坏性跨洋海啸。例如，1960年5月22日发生的智利大海啸在智利沿岸海啸波高达20.4m，海啸波横贯太平洋传到夏威夷希洛时，波高仍超过11m，在日本沿岸波高仍有6.1m。2004年12月26日发生在印度洋的印度洋海啸重创了东起泰国、马来西亚，西至斯里兰卡、印度、马尔代夫、非洲的整个印度洋地区，造成约22万人丧生，超过100万人流离失所，失去家园、财产和生计。 2. 区域海啸（regional tsunami） 在一定地理区域内产生破坏的海啸，一般距离海啸源1000km以内或经历1～3h 的海啸传播时间。区域海啸偶尔也会在该区域以外产生十分有限的局部影响。大多数破坏性海啸均可划分为局地海啸或区域海啸。因此，许多因海啸引起的人员伤亡及巨额财产损失也都由此类海啸造成。 1975年至2012年上半年期间发生局地海啸或区域海啸39次，导致260000人死亡和数十亿美元的财产损失；其中26次发生于太平洋及其相邻海域。例如，1983年在太平洋日本海发生的区域