磨刀門水道枯水期咸潮變化趨勢及成因

王藝霖，蘇程佳，陳曉宏，王佳雯

(1.中山大學(xué)水資源與環(huán)境研究中心，廣東 廣州 510275； 2.華南地區(qū)水循環(huán)與水安全廣東普通高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510275)

咸潮上溯作為河口地區(qū)的一大全球性關(guān)鍵水文問題，嚴(yán)重威脅到了當(dāng)?shù)氐墓┧踩玔1-3]。我國珠江河口區(qū)河道縱橫交錯(cuò)、洪潮作用復(fù)雜，是咸潮現(xiàn)象的多發(fā)地段[4-6]。以磨刀門水道為例，1992年咸潮上溯至大涌口水閘，持續(xù)時(shí)間約60 d；1995年上溯至神灣港，持續(xù)時(shí)間約30 d；1998年上溯至南鎮(zhèn)水廠；1999年上溯至全祿水廠[7]；2004—2005年廣昌泵站水體含氯度曾連續(xù)超標(biāo)達(dá)38 d；2005—2007年枯水期連續(xù)遭遇較為嚴(yán)重的咸潮災(zāi)害，珠海、澳門等城市最高長達(dá)48 d無法正常取水[8]。而最近幾年，例如2009—2010年及2011—2012年枯水期期間，磨刀門水道也是爆發(fā)了嚴(yán)重的咸潮災(zāi)害，其中前者咸潮導(dǎo)致平崗泵站含氯度曾累積超標(biāo)長達(dá)110 d[9]，后者造成馬角水閘關(guān)閘時(shí)間高達(dá)73 d[10]。嚴(yán)重的咸潮災(zāi)害極大地影響了河口地區(qū)正常的供水秩序，因此，研究咸潮的變化規(guī)律及其成因，對咸潮的應(yīng)對與預(yù)報(bào)有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

關(guān)于磨刀門水道咸潮上溯的變化趨勢，目前已有了一定的研究成果。例如，周文浩[11]基于珠江河口區(qū)主要代表站的含鹽度分析，發(fā)現(xiàn)20世紀(jì)90年代以前的鹽度總體表現(xiàn)為下降趨勢；聞平等[12]通過對平崗泵站1998—2006年枯水期氯化物的超標(biāo)情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，以2002—2003年枯水期為界，前4年咸潮逐漸減弱，后3年則逐步增強(qiáng)。而就磨刀門水道咸潮變化趨勢的影響因素而言，前人也作了一定的研究。大量研究表明，徑流及潮汐是控制磨刀門水道含氯度變化的關(guān)鍵要素[8,13-14]；部分研究基于實(shí)測資料分析，認(rèn)為河口地形變化可能會影響枯水期咸潮的入侵規(guī)律[15-16]。然而，已有的研究大多針對單場次咸潮事件[17-18]，且研究時(shí)段較短，未能對磨刀門水道的咸潮演變規(guī)律及其影響要素的量化有一個(gè)全面深刻的認(rèn)識，特別是在全球氣候變暖的大背景下，極端氣候及海平面上升也極大程度地影響著咸潮上溯的強(qiáng)度，因而需要對咸潮上溯的變化規(guī)律進(jìn)行更為全面的掌握。

基于此，本文以磨刀門水道為研究對象，在統(tǒng)計(jì)分析1998—2015年磨刀門水道咸潮上溯變化趨勢特征的基礎(chǔ)上，選取流量、潮位、潮差、降雨以及海平面上升等要素，探究其與咸度超標(biāo)時(shí)數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系，并利用主成分分析法量化了各要素對咸度超標(biāo)時(shí)數(shù)的貢獻(xiàn)率，旨在識別出造成1998—2015年磨刀門水道咸潮活動變化趨勢的關(guān)鍵要素，為區(qū)域水資源管理及咸潮預(yù)測提供參考。

1 研究區(qū)域概況及數(shù)據(jù)來源

磨刀門水道屬于珠江八大口門之一，流經(jīng)江門、中山、珠海等市，是西江的主要入?？谥?，同時(shí)也是珠海、澳門等城市和地區(qū)的主要用水水源地，其地理位置如圖1所示。

圖1 磨刀門水道位置

研究用到的主要數(shù)據(jù)包括西江上游馬口及三水站的逐日流量和燈籠山站的逐時(shí)潮位資料，數(shù)據(jù)均來源于廣東省水文局；廣昌泵站及平崗泵站的逐時(shí)咸度資料來源于水利部珠江水利委員會。根據(jù)GB3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》的有關(guān)規(guī)定，集中式生活飲用水地表水源地氯化物的質(zhì)量濃度不得超過250 mg/L，因此本文采用達(dá)到或超過250 mg/L 的小時(shí)數(shù)，即咸度超標(biāo)時(shí)數(shù)表征咸潮上溯活動的強(qiáng)弱。馬口及三水站以上西、北江流域的氣象站逐日降雨量數(shù)據(jù)來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)。此外，還采用了國家海平面上升觀測站閘坡站逐月的海平面變化數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)可從平均海平面永久服務(wù)中心下載(http://www.psmsl.org/)。上述數(shù)據(jù)的年限均為1998—2015年。

2 研究方法

2.1 Spearman秩相關(guān)分析

選用了適用范圍較為廣泛的Spearman秩相關(guān)分析對磨刀門水道各影響因素與咸度超標(biāo)時(shí)數(shù)的相關(guān)性進(jìn)行研究[19]。設(shè)存在時(shí)間序列X(x1,x2,…,xn)和Y(y1,y2,…,yn)，Spearman秩相關(guān)系數(shù)的計(jì)算公式為

(1)

其中

di=R1i-R2i

式中：di為時(shí)間序列X和Y的同一組樣本位次差；R1i為要素X的位次序號；R2i為要素Y的位次序號。

2.2 主成分分析

主成分分析法是把原來多個(gè)變量劃為少數(shù)幾個(gè)綜合指標(biāo)的一種統(tǒng)計(jì)分析方法[19]。設(shè)存在n×p階的數(shù)據(jù)矩陣，n代表樣本數(shù)，p為每個(gè)樣本的變量個(gè)數(shù)，則

(2)

基于降維的思想，將原來的變量進(jìn)行線性組合，通過調(diào)整系數(shù)使新的變量之間相互獨(dú)立且代表性最好。記原來的變量為x1，x2，…，xp，新的變量為z1，z2，…，zm(m≤p)，則

(3)

式中:lji為原來變量xj(j=1,2,…,p)在主成分zi(i=1,2,…,m)上的載荷，即x1,x2,…,xp的相關(guān)系數(shù)矩陣的m個(gè)較大的特征值所對應(yīng)的單位特征向量。詳細(xì)計(jì)算步驟見參考文獻(xiàn)[19]。

研究中通常取特征值接近于1且累計(jì)貢獻(xiàn)率超過80%的前m(m≤p)個(gè)主成分[20]。根據(jù)主成分貢獻(xiàn)率以及各主成分中不同影響因素的主成分載荷，即可確定所研究問題中的主要影響因子。

3 結(jié)果分析

3.1 珠江河口區(qū)咸潮上溯基本特性

3.1.1 咸潮上溯的年際變化

圖2(a)為磨刀門水道1998—2015年平崗泵站的咸度超標(biāo)時(shí)數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果以及變化趨勢。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，平崗泵站咸度超標(biāo)時(shí)數(shù)的最高年份出現(xiàn)在2009—2010年枯水期，高達(dá)1 864 h，最低年份出現(xiàn)在2002—2003年枯水期，僅為1 h，多年平均超標(biāo)時(shí)數(shù)達(dá)到了751.4 h，意味著枯水期內(nèi)平均長達(dá)31 d無法正常取水。高超標(biāo)時(shí)數(shù)的時(shí)間點(diǎn)大致對應(yīng)于強(qiáng)咸潮事件的年份，例如2005—2006年、2009—2010年以及2011—2012年枯水期的咸度超標(biāo)持續(xù)時(shí)間都很長，均在1 500 h(約63 d)以上，是1998—2015年發(fā)生的主要幾次強(qiáng)咸潮事件[17, 21]。

由圖2(b)可見，根據(jù)累積距平曲線的拐點(diǎn)將咸度超標(biāo)時(shí)數(shù)劃分為兩個(gè)階段，劃分后的結(jié)果見圖2(a)。可以看出，平崗泵站咸度超標(biāo)時(shí)數(shù)的兩個(gè)階段有明顯的變化特征，具體表現(xiàn)為：第一階段的咸度超標(biāo)時(shí)數(shù)整體表現(xiàn)為“V”型變化，即前5年咸度超標(biāo)時(shí)數(shù)逐漸下降，后2年逐步上升，多年平均超標(biāo)時(shí)數(shù)為365.8 h。第二階段咸度超標(biāo)時(shí)數(shù)的線性回歸結(jié)果表明，咸度超標(biāo)時(shí)數(shù)總體上存在下降趨勢，下降幅度約為63 h/a；多年平均超標(biāo)時(shí)數(shù)達(dá)961.7 h，較第一階段的多年平均超標(biāo)時(shí)數(shù)大幅增加。

(a)統(tǒng)計(jì)結(jié)果以及變化趨勢

(b)累積距平曲線

3.1.2 咸潮上溯的月際變化

圖3為磨刀門水道平崗泵站1998—2015年枯水期不同月份內(nèi)的咸度超標(biāo)情況。從圖3(a)～(f)可見，高超標(biāo)時(shí)數(shù)主要集中在每年12月至次年2月，1月的咸度超標(biāo)時(shí)數(shù)最大，為214.8 h。平崗泵站出現(xiàn)咸度超標(biāo)的時(shí)間大約在枯水期開始后的1～2個(gè)月，而咸潮完全消退，即咸度低于標(biāo)準(zhǔn)值(250 mg/L)的出現(xiàn)時(shí)間通常比枯水期的結(jié)束時(shí)間提前約1個(gè)月左右，表明平崗泵站出現(xiàn)咸度超標(biāo)現(xiàn)象的時(shí)間約為3～5個(gè)月。由圖3(c)～(e)可以看出，平崗泵站12月至2月的咸度超標(biāo)時(shí)數(shù)表現(xiàn)出了與年際變化一致的過程，均以2004—2005年枯水期為時(shí)間節(jié)點(diǎn)表現(xiàn)出了明顯的兩階段特征，其中，2004—2005年枯水期以前的咸度超標(biāo)時(shí)數(shù)主要呈“V”型變化；而2004—2005年枯水期以后的咸度超標(biāo)時(shí)數(shù)則表現(xiàn)為下降趨勢，且1月的下降幅度較大，約為26 h/a。

此外，值得注意的是，對比1998—2015年枯水期3場重大咸潮事件的咸度超標(biāo)時(shí)數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果(表1)，發(fā)現(xiàn)2009—2010年枯水期咸度超標(biāo)的出現(xiàn)時(shí)間較早，10月的咸度超標(biāo)時(shí)數(shù)已達(dá)334 h，且持續(xù)至次年3月仍有較為嚴(yán)重的咸度超標(biāo)現(xiàn)象發(fā)生，3月的咸度超標(biāo)時(shí)數(shù)為267 h；而2005—2006年枯水期以及2011—2012年枯水期出現(xiàn)持續(xù)性咸度超標(biāo)的時(shí)間較晚，且高超標(biāo)時(shí)數(shù)普遍集中在12月至次年2月，咸潮完全消退的時(shí)間相對提前。

(a)10月

(b)11月

(c)12月

(d)1月

(e)2月

(f)3月

表1 1998—2015年枯水期3場重大咸潮事件平崗泵站咸度超標(biāo)時(shí)數(shù)統(tǒng)計(jì) h

3.2 關(guān)鍵因素分析識別

根據(jù)磨刀門水道的咸潮特性并結(jié)合前人的研究結(jié)果[22-24]，選取與逐月咸度超標(biāo)時(shí)數(shù)對應(yīng)的枯水期上游來水(馬口+三水)、馬口及三水以上西北江流域的降雨、海平面、燈籠山的最高和最低潮位以及平均潮差等6個(gè)影響要素作為研究對象，采用Spearman秩相關(guān)系數(shù)對各影響要素與咸度超標(biāo)時(shí)數(shù)之間的相關(guān)性進(jìn)行分析，同時(shí)采用主成分分析方法量化各影響要素的貢獻(xiàn)程度(以百分比表示)，從而確定影響磨刀門水道枯水期咸潮上溯變化趨勢的關(guān)鍵因素。

3.2.1 Spearman秩相關(guān)分析結(jié)果

表2為1998—2015年枯水期咸度超標(biāo)時(shí)數(shù)與各影響要素的Spearman秩相關(guān)分析結(jié)果。

表2 影響要素與咸度超標(biāo)時(shí)數(shù)的Spearman相關(guān)系數(shù)

注：*表示通過95%顯著性水平檢驗(yàn)；**表示通過99%顯著性水平檢驗(yàn)。

從表2可以看出，各影響要素與咸度超標(biāo)時(shí)數(shù)均表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)關(guān)系，其中流量與咸度超標(biāo)時(shí)數(shù)的相關(guān)性最大，最低潮位、降雨量和海平面次之，都通過了99%置信水平檢驗(yàn)，表明這4個(gè)要素與咸度超標(biāo)時(shí)數(shù)關(guān)系密切；而平均潮差和最高潮位與咸度超標(biāo)時(shí)數(shù)的相關(guān)性較小，未能通過顯著性水平檢驗(yàn)。

3.2.2 基于主成分分析法的量化分析

為進(jìn)一步量化不同影響要素的貢獻(xiàn)程度，本文對所選取的影響要素進(jìn)行主成分分析，各主成分的特征值、主成分貢獻(xiàn)率及累計(jì)貢獻(xiàn)率見表3。

表3 特征值、主成分貢獻(xiàn)率及累計(jì)貢獻(xiàn)率

由表3可見，第一、第二主成分特征值大于1，第三主成分特征值接近于1，且前3個(gè)主成分累計(jì)貢獻(xiàn)率大于80%，說明前3個(gè)主成分已具備了反映整體信息的能力，故選取特征值為2.539、1.369以及0.964，累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)81.2%的第一、第二和第三主成分作后續(xù)的主成分載荷計(jì)算，結(jié)果見表4。

表4 主成分載荷計(jì)算結(jié)果

綜合表3、表4可知，第一主成分的貢獻(xiàn)率為42.3%，各影響要素中以流量、海平面和最低潮位占有的主成分載荷較大，說明三者與第一主成分的關(guān)系密切，在第一主成分中處于同等重要的位置；第二主成分的貢獻(xiàn)率為22.8%，與降雨量有較大的正相關(guān)，表征降雨因素對咸潮活動的影響；第三主成分的貢獻(xiàn)率為16.1%，以平均潮差的主成分載荷最大，反映了平均潮差的動力特征。主成分分析結(jié)果表明，咸潮上溯活動受流量、海平面和最低潮位的影響較大，是影響磨刀門水道枯水期咸潮活動變化趨勢的關(guān)鍵要素，這與Spearman秩相關(guān)分析的結(jié)果是一致的。

4 討 論

上節(jié)分析結(jié)果表明，磨刀門水道近20年來的咸潮上溯活動呈現(xiàn)較為明顯的兩階段變化，流量、海平面和最低潮位是影響咸潮活動強(qiáng)弱的主要因素，這與孔蘭等[25]的研究結(jié)論一致。圖4為1998—2015年咸度超標(biāo)時(shí)數(shù)、降雨和流量的逐月變化趨勢對比。從圖4可以看出，高咸度超標(biāo)時(shí)數(shù)始終發(fā)生在上游來水較枯的月份，表明上游來水對咸潮上溯活動的變化起重要作用。但進(jìn)一步對比流量和降雨的變化過程可以發(fā)現(xiàn)，2003年末至2008年初的降雨變化過程與流量過程并不一致，考慮到降雨是珠江流域徑流的主要來源，因此推測引起降雨與徑流變化過程不一致的原因是徑流受到了人類活動的影響。經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，自2005年起水利部珠江水利委員會每年均會組織實(shí)施不同程度的枯季水量調(diào)度，其中以2004—2005年以及2005—2006年枯水期的調(diào)水壓咸活動規(guī)模最大。這兩個(gè)枯水期期間，珠江口磨刀門水道遭受了嚴(yán)重的咸潮災(zāi)害，導(dǎo)致珠海、中山和澳門地區(qū)的供水受到嚴(yán)重的影響。為緩解地區(qū)嚴(yán)峻的供水形勢，水利部珠江水利委員會利用上游的骨干水庫進(jìn)行聯(lián)合調(diào)度，加大下泄流量，有效地保障了地區(qū)供水安全[26-27]。這一系列的人類活動極大地改變了徑流的分配過程，導(dǎo)致2003—2008年月降雨量與流量的變化過程不一致。由此可以看出，磨刀門水道枯水期咸潮的兩階段變化中，引起第一階段咸度超標(biāo)時(shí)數(shù)呈“V”型變化的主要原因是自然因素(降雨)的影響；而引起第二階段咸度超標(biāo)時(shí)數(shù)呈下降趨勢的原因除了受到自然要素的影響外，還受到了人為活動的干擾，這是導(dǎo)致兩階段磨刀門水道枯水期咸潮上溯活動變化趨勢不同的原因。

圖4 1998—2015年咸度超標(biāo)時(shí)數(shù)、降雨和流量的逐月對比

孔蘭等[25]的研究表明，珠江口咸潮與海平面呈正相關(guān)關(guān)系。關(guān)帥等[28]進(jìn)一步論證了海平面上升與咸潮強(qiáng)弱的相關(guān)關(guān)系：海平面上升增強(qiáng)了咸潮上溯的潮汐動力，導(dǎo)致咸潮上溯距離整體向上游移動，兩者呈正相關(guān)關(guān)系。因此，當(dāng)海平面上升時(shí)，咸度超標(biāo)時(shí)數(shù)理應(yīng)有所增加。但本文上節(jié)的相關(guān)性分析結(jié)果表明，海平面上升與咸度超標(biāo)時(shí)數(shù)呈負(fù)相關(guān)，與理論結(jié)果相反。圖5為2003—2015年枯水期廣昌泵站和平崗泵站的咸度超標(biāo)時(shí)數(shù)對比。從圖5中可以看出，廣昌泵站和平崗泵站咸度超標(biāo)時(shí)數(shù)的年際變化并不完全一致，如廣昌泵站2004—2005以及2010—2011年枯水期期間的咸度超標(biāo)時(shí)數(shù)均比上一年增加，但平崗泵站對應(yīng)枯水期的咸度超標(biāo)時(shí)數(shù)卻比上一年下降。考慮到平崗泵站作為珠海市的重要取水點(diǎn)，是調(diào)水壓咸確保的重點(diǎn)對象，而廣昌泵站位于平崗泵站的下游且不作為取水點(diǎn)，故上游調(diào)水無須保證其咸度低于標(biāo)準(zhǔn)值。因此，平崗泵站的超標(biāo)時(shí)數(shù)過程與廣昌泵站的不一致是受到了人類活動的干擾。正如前文所提，水利部珠江水利委員會自2005年起實(shí)施了一系列的調(diào)水壓咸活動，保證了平崗泵站的供水安全，人為地降低了平崗泵站的咸潮上溯強(qiáng)度，這造成的直接影響是咸度超標(biāo)時(shí)數(shù)與海平面上升要素的正負(fù)相關(guān)性與理論存在不一致。

圖5 2003—2015枯水期廣昌泵站和平崗泵站的咸度超標(biāo)時(shí)數(shù)對比

綜上所述，1998—2015年咸潮上溯活動的變化與枯水期上游來水的增加密切相關(guān)，但其中也有人為因素的影響，如大規(guī)模的調(diào)水壓咸活動。但從整體上看，磨刀門水道近10多年來的咸潮災(zāi)害仍然十分嚴(yán)重，因此在無法斷定自然因素還是人為因素導(dǎo)致其咸潮活動近幾年出現(xiàn)下降趨勢的前提下，科學(xué)的調(diào)水壓咸仍舊是保障磨刀門河口地區(qū)供水安全的重要舉措。此外，需要注意的是，海平面上升對咸潮上溯的影響有增強(qiáng)的趨勢。受數(shù)據(jù)資料的限制，因人工采砂、河道疏浚等工程引起的河口地形變化等因素對咸潮上溯變化的影響還有待進(jìn)一步的研究。

5 結(jié) 論

a. 1998—2015年磨刀門水道枯水期的咸潮上溯活動表現(xiàn)出兩階段的變化特征，以2004—2005年枯水期為分界點(diǎn)，第一階段的咸度超標(biāo)時(shí)數(shù)呈現(xiàn)出先下降后上升的“V”型變化特征；第二階段則總體表現(xiàn)為下降趨勢，下降幅度約為63 h/a，有利于緩解上游調(diào)水應(yīng)對咸潮上溯的壓力。

b. 磨刀門水道的枯水期咸潮高超標(biāo)時(shí)數(shù)主要集中在每年12月至次年2月，且其變化趨勢與年際變化趨勢基本一致，兩階段特征明顯。

c. 相關(guān)分析及主成分分析結(jié)果均表明，流量、海平面和最低潮位是影響咸潮變化的主要因素，且通過了99%的顯著性水平檢驗(yàn)；而平均潮差和最高潮位與咸潮變化的相關(guān)性較低，未能通過顯著性水平檢驗(yàn)；人為的調(diào)水壓咸活動是導(dǎo)致海平面與咸度超標(biāo)時(shí)數(shù)的相關(guān)關(guān)系(負(fù)相關(guān))與理論結(jié)果不一致的原因。

d. 引起第一階段咸度超標(biāo)時(shí)數(shù)呈“V”型變化的主要原因是自然因素(降雨)的影響，而第二階段咸度超標(biāo)時(shí)數(shù)整體呈下降趨勢的原因除了自然因素外，還包括調(diào)水壓咸等人為活動的干擾，表明合理科學(xué)的水量調(diào)度，可以有效削弱咸潮強(qiáng)度，保障河口地區(qū)的供水安全。

綜上所述，咸潮上溯在一定時(shí)空范圍內(nèi)始終會受到各種自然或人為因素所帶來的不同程度的影響，因此掌握咸潮的變化規(guī)律，識別引起咸潮變化的關(guān)鍵因素，對咸潮災(zāi)害的控制及預(yù)報(bào)有重要的現(xiàn)實(shí)意義。