珠江口潮水位年內(nèi)變化特征識別

孔 蘭，陳曉宏

(1.中山大學(xué)水資源與環(huán)境研究中心，廣東廣州 510275;2.中山大學(xué)華南地區(qū)水循環(huán)和水安全廣東普通高校重點實驗室，廣東廣州 510275;3.中水珠江規(guī)劃勘測設(shè)計有限公司，廣東廣州 510610)

珠江三角洲是廣東省的政治、經(jīng)濟、文化中心，也是我國經(jīng)濟最發(fā)達的地區(qū)之一。水位對珠江口排污、供水安全等有直接影響，水位變化及其影響直接制約著珠江三角洲地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展。針對珠江口的潮水位變化，國內(nèi)外不少專家學(xué)者均做過研究和探討。任美鍔［1］指出由于地面沉降等原因，過去30年的珠江三角洲相對海平面上升率遠大于全球和全國海平面上升率(約1.5 mm/a)。黎子浩［2］認為20 世紀50 年代末至70 年代初，珠江三角洲聯(lián)圍筑閘初期使河道水位迅速雍高，抬高值一般為0.20 ～0.30 m。王廷華［3］認為珠江三角洲網(wǎng)河區(qū)各水道水位都不同程度地存在逐年上升的趨勢。楊清書等［4］利用20 個驗潮站的資料，得出珠江三角洲水位變化總體呈上升趨勢的結(jié)論。陸永軍等［5］對珠江三角洲網(wǎng)河區(qū)低水位變化趨勢進行了研究。20 世紀80 年代以來，珠江三角洲北江、西江和東江主要河道的水文特征與河床演變趨勢先后發(fā)生了新的變化，河床的大幅下切引起同流量級的水位明顯下降。目前，對珠江三角洲水位長系列變化趨勢的研究較多，而對珠江三角洲水位年內(nèi)變化規(guī)律的研究較少。珠江口水位受徑流、潮流、河道地形等因素的耦合作用，變化機理復(fù)雜［6-11］。河道徑流量與上游徑流來量、汊道分流比、水利樞紐建設(shè)、河口延伸有關(guān);潮汐影響因素包括天文、氣象和河口地形等;河道地形變化包括河床自然淤積、人工河床采砂、河道整治工程、橋梁碼頭建設(shè)、岸灘開發(fā)等。為了識別珠江口潮水位的年內(nèi)變化規(guī)律，重點選取馬口站、瀾石站、橫門站、燈籠山站和三灶站作為代表站，對比分析珠江口代表站水位年內(nèi)變化不均勻系數(shù)和集中程度，并采用Spearman 秩相關(guān)系數(shù)法對水位年內(nèi)變化不均勻系數(shù)和集中程度系列進行趨勢檢驗。掌握珠江口水位的年內(nèi)變化規(guī)律，對珠江口地區(qū)的防災(zāi)減災(zāi)和水資源的合理開發(fā)利用具有重要的指導(dǎo)意義。

1 數(shù)據(jù)來源及研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

珠江經(jīng)虎門等8 大口門注入南海。為了識別珠江口潮水位年內(nèi)變化特征，本研究從水文年鑒、廣東省水文局和佛山水務(wù)局1973—2004 年的逐月水位數(shù)據(jù)中收集了珠江三角洲馬口站、瀾石站、橫門站、燈籠山站和三灶站5 個主要代表水文站(水位站)(各個站點具體分布信息如圖1)的實測水文數(shù)據(jù)。

1.2 研究方法

1.2.1 不均勻性

圖1 珠江口主要水文(水位)站分布

采用水位年內(nèi)變化不均勻系數(shù)Cu來分析水位的年內(nèi)變化，Cu值越大，年內(nèi)各月水位差異越大，水位年內(nèi)變化越不均勻，水位調(diào)控難度也越大。由于篇幅所限，具體計算方法見文獻［12-13］。

1.2.2 集中程度

目前利用集中程度研究河流徑流年內(nèi)分配變化規(guī)律的成果較多，筆者引用集中度Cn和集中期D表達水位在年內(nèi)各時段的集中程度以及最大水位出現(xiàn)的時段。集中度反映水位年內(nèi)集中程度，集中期反映全年水位集中的重心所出現(xiàn)的月份。集中度和集中期的具體計算步驟見文獻［14-18］。

1.2.3 Spearman 秩相關(guān)系數(shù)法

為了研究潮水位的年內(nèi)變化指標(biāo)的時序變化規(guī)律，本研究采用Spearman 秩相關(guān)系數(shù)法。Spearman秩相關(guān)系數(shù)是一種等級相關(guān)系數(shù)，由于應(yīng)用中無須考慮有關(guān)變量的分布類型，事實上，它比大家熟知的Pearson 相關(guān)系數(shù)適用范圍更廣［19］。如果秩相關(guān)系數(shù)Zsp＞0，表示序列有上升趨勢;Zsp＜0，表明序列有下降趨勢;Zsp=0，表明序列沒有變化趨勢。顯著性概率水平α 對應(yīng)的臨界值Z0.05/2=1.96。

2 計算與分析

由表1 可以看出，珠江口潮水位的年內(nèi)變化在不同年代存在明顯的時空差異。位于珠江口深處的馬口站在20 世紀70 年代和20 世紀90 年代水位的年內(nèi)變化大于80 年代，其他站在20 世紀70 年代水位的年內(nèi)變化最大，20 世紀80 年代以來水位的年內(nèi)變化趨于均勻;馬口站和瀾石站水位年內(nèi)變化不均勻系數(shù)和集中度最大，近口門處的橫門站、燈籠山站和三灶站水位年內(nèi)變化不均勻系數(shù)和集中度較小;馬口站和瀾石站水位集中期最小，主要在7 月，橫門站和燈籠山站較大，分別在8 月和9 月，三灶站最大，主要在10 月，說明年內(nèi)水位集中期由珠江口深處向河口處有后推(或增加)趨勢。初步分析馬口站和瀾石站水位年內(nèi)變化受徑流變化的影響較大，而近口門處的橫門站、燈籠山站和三灶站水位年內(nèi)變化受潮汐和海平面變化的影響較大［20-22］。珠江口潮水位變化機理復(fù)雜，有待于進一步深入研究。

表1 不同年代水位年內(nèi)變化指標(biāo)值

圖2 和圖3 能直觀反映珠江口水位年內(nèi)變化特征隨時間的變化趨勢:馬口站年內(nèi)變化不均勻系數(shù)和集中度呈上升趨勢;瀾石站、橫門站、燈籠山站和三灶站水位年內(nèi)變化不均勻系數(shù)和集中度的時序變化相似，均有下降趨勢;各代表站的集中期都隨時間呈波動上升趨勢，馬口站和瀾石站集中期主要在7—8 月份波動，橫門站和燈籠山站集中期主要在8—9月份波動，而三灶站集中期主要在10—11 月份波動。

表2 顯示:馬口站年內(nèi)變化不均勻系數(shù)和集中度系列的Spearman 檢驗統(tǒng)計量為正，表明其水位年內(nèi)變化不均勻程度存在較顯著的上升趨勢;瀾石站、橫門站、燈籠山站和三灶站水位年內(nèi)變化不均勻系數(shù)和集中度系列的Spearman 檢驗統(tǒng)計量都為負，表明其水位年內(nèi)變化不均勻程度均有下降趨勢，其中橫門站和三灶站年內(nèi)變化不均勻系數(shù)系列的Spearman 檢驗統(tǒng)計量的絕對值均大于1.96，通過了0.05 顯著性水平檢驗，說明近?？陂T處潮水位年內(nèi)變化不均勻程度均有顯著下降趨勢;所選代表站的年內(nèi)水位集中期都具有不顯著的上升趨勢，說明時間上是后推趨勢。

表2 Spearman 檢驗統(tǒng)計量

3 結(jié) 論

圖2 各站點水位年內(nèi)變化指標(biāo)及其趨勢

圖3 各站點水位集中期變化趨勢

a. 珠江口潮水位的年內(nèi)變化在不同年代存在明顯的時空差異。馬口站在20 世紀70 年代和90年代水位的年內(nèi)變化大于80 年代，其他站20 世紀80 年代以來水位的年內(nèi)變化趨于均勻;珠江口水位年內(nèi)變化不均勻系數(shù)和集中度由珠江口深處向近河口處有減小趨勢;年內(nèi)水位集中期由珠江口深處向河口處有后推(或增加)趨勢。

b. 珠江口水位年內(nèi)變化趨勢特征明顯。珠江口深處的馬口站年內(nèi)變化不均勻系數(shù)和集中度呈上升趨勢，其他站水位年內(nèi)變化不均勻系數(shù)和集中度均有下降趨勢，其中近?？陂T處橫門站和三灶站的潮水位年內(nèi)變化不均勻程度均有顯著下降趨勢;各代表站的集中期都隨時間呈波動上升趨勢，說明時間上是后推(或增加)趨勢。

［1］任美鍔.黃河長江珠江三角洲近30 年海平面上升趨勢及2030 年上升量預(yù)測［J］. 地理學(xué)報，1993，48(5):385-392. (REN Meie. Relativer sea level rise in Huanghe，Changjiang and Zhujiang (Yellow，Yangtze and Pearl River)delta over the last 30 years and predication for the next 40 years (2030)［J］. Acta Geographica Sinica，1993，48(5):385-392.(in Chinese))

［2］黎子浩.珠江三角洲聯(lián)圍筑閘對水流及河床演變的影響［J］. 熱帶地理，1985(2):99-107. (LI Zihao. The effects of united embankments on the flow shift and channel changes in the Zhujiang delta［J］. Tropical Geography，1985(2):99-107.(in Chinese))

［3］王廷華.珠江三角洲水位變化趨勢及其影響分析［J］.人民珠江，1998(6):38-41.(WANG Tinghua.Analysis of the trend of water level change in Pearl River delta and its effects［J］.Pearl River，1998(6):38-41.(in Chinese))

［4］楊清書，羅章仁，張修杰.珠江三角洲近幾十年水位變化趨勢研究［J］.熱帶海洋，1998，17(2):9-14.(YANG Qingshu，LUO Zhangren，ZHANG Xiujie. Secular trend of water level change in Zhujiang River delta in recent decades［J］. Tropic Oceanology，1998，17(2):9-14. (in Chinese))

［5］陸永軍，賈良文，莫思平，等.珠江三角洲網(wǎng)河低水位變化［M］.北京:中國水利出版社，2008.

［6］湯立群，陳潔，申錦瑜，等.風(fēng)暴作用下河口動力過程數(shù)值模擬研究進展［J］. 水利水電科技進展，2009，29(5):78-83. (TANG Liqun，CHEN Jie，SHENG Jinyu，et al.Advances in simulation of dynamic estuarial processes reacting to storm surges in estuaries［J］. Advances in Science and Technology of Water Resources，2009，29(5):78-83.(in Chinese))

［7］朱文謹，李瑞杰，干岳良，等.感潮河段底床阻力特性分析［J］.水利水電科技進展，2009，29(6):25-28. (ZHU Wenjin，LI Ruijie，GAN Yueliang，et al. Analysis on the riverbed resistance characteristic of tidal river［J］.Advances in Science and Technology of Water Resources，2009，29(6):25-28.(in Chinese))

［8］譚超，楊清書，劉秋海，等.1950 年代和1990 年代西北江網(wǎng)河區(qū)水動力特征變化［J］. 水利水電科技進展，2009，29(S1):28-32. (TAN Chao，YANG Qingshu，LIU Qiuhai，et al. Variation characteristics of hydrodynamic condition of West River and North River network in 1950s and 1990s［J］. Advances in Science and Technology of Water Resources，2009，29(S1):28-32.(in Chinese))

［9］楊濤，陳喜，楊紅衛(wèi)，等.基于線性矩法的珠江三角洲區(qū)域洪水頻率分析［J］. 河海大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2009，37(6):615-619. (YANG Tao，CHEN Xi，YANG Hongwei，et al.Regional flood frequency analysis in Pearl River delta region based on L-moments approach［J］.Journal of Hohai University:Natural Sciences，2009，37(6):615-619.(in Chinese))

［10］陳曉宏，張蕾，時鐘.珠江三角洲河網(wǎng)區(qū)水位特征空間變異性研究［J］. 水利學(xué)報，2004(10):36-42. (CHEN Xiaohong，ZHANG Lei，SHI Zhong. Study on spatial variability of water levels in river net of Pearl River delta［J］.Journal of Hydraulic Engineering，2004(10):36-42.(in Chinese))

［11］ZHANG Q，XU C Y，CHEN Y Q，et al.Spatial assessment of hydrologic alteration across the Pearl River delta，China，and possible underlying causes ［J］. Hydrology Process，2009(23):1565-1574.

［12］李艷，陳曉宏，張鵬飛.北江流域徑流序列年內(nèi)分配特征及其趨勢分析［J］.中山大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2007(5):113-116. (LI Yan，CHEN Xiaohong，ZHANG Pengfei.Research on annual distribution and its trends of runoff in Beijiang River，Guangdong［J］.Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Sunyatsen，2007(5):113-116.(in Chinese))

［13］王金星，張建云，李巖，等. 近50 年來中國六大流域徑流年內(nèi)分配變化趨勢［J］. 水科學(xué)進展，2008(5):656-660. (WANG Jinxing，ZHANG Jianyun，LI Yan，et al.Variation trends of runoffs seasonal distribution of the six larger basins in China over the past 50 years［J］.Advances in Water Science，2008 (5):656-660. (in Chinese))

［14］湯奇成，程天文，李秀云.中國河川月徑流的集中度和集中期的初步研究［J］. 地理學(xué)報，1982，37(4):383-393. (TANG Qicheng，CHENG Tianwen LI Xiuyun.Preliminary study on the degree and time of concentration of monthly runoff of Chinese streams ［J］. Acta Geographica Sinica，1982，37 (4 ):383-393. (in Chinese))

［15］楊遠東.河川徑流年內(nèi)分配的計算方法［J］.地理學(xué)報，1984 (2):218-227. (YANG Yuandong. Calculating method of annual distribution of stream flows［J］. Acta Geographica Sinica，1984(2):218-227.(in Chinese))

［16］陸志華，夏自強，于嵐嵐，等.松花江干流中游段徑流年內(nèi)分配變化規(guī)律［J］. 河海大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2012，40 (1):63-69. (LU Zhihua，XIA Ziqiang，YU Lanlan，et al. Changes of annual runoff distribution in middle reaches of Songhua River［J］. Journal of Hohai University:Natural Sciences，2012，40(1):63-69. (in Chinese))

［17］劉賢趙，李嘉竹，宿慶，等.基于集中度與集中期的徑流年內(nèi)分配研究［J］. 地理科學(xué)，2007(6):791-795. (LIU Xianzhao，LI Jiazhu，SU Qing，et al. Interannual runoff distribution based on degree and time of concentration for rivers［J］. Scientia Geographica Sinica，2007(6):791-795.(in Chinese))

［18］王兆禮，陳曉宏，楊濤.東江流域徑流序列年內(nèi)分配特征研究［J］. 人民黃河，2011，33(2):37-39. WANG Zhaoli，CHEN Xiaohong，YANG Tao. Study on characters of interannual runoff distribution in Dongjiang River area［J］.Yellow River，2011，33(2):37-39.(in Chinese))

［19］王欽德，馮鎖江. 關(guān)于Spearman 系數(shù)計算公式的論證及應(yīng)用［J］. 山西農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，1993，13(1):30-33.(WANG Qinde，F(xiàn)ENG Suojiang. The demonstration and application about calculating formula of Spearman codfficient［J］. Journal of Shanxi Agricultural University，1993，13(1):30-33.(in Chinese))

［20］黃鎮(zhèn)國.廣東海平面變化及其影響與對策［M］. 廣州:廣東科技出版社.2000.

［21］孔蘭，陳曉宏，陳棟為，等. 珠江三角洲水位演變分析［J］.生態(tài)環(huán)境學(xué)報，2010，19(11):2642-2646. (KONG Lan，CHEN Xiaohong，CHEN Dongwei，et al. Analysis on evolution of water level in Pearl River delta，China［J］.Ecology and Environmental Sciences，2010，19(11):2642-2646.(in Chinese))

［22］孔蘭，陳曉宏，張強，等.海平面上升對珠江口水位影響的分析［J］. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報，2010，19(2):390-393.(KONG Lan，CHEN Xiaohong，ZHANG Qiang，et al.Impacts of rising sea level on water level changes along the Pearl River Estuary， China ［J］. Ecology and Environmental Sciences，2010，19 (2):390-393. (in Chinese))