珠江三角洲頂部節(jié)點分流特征及影響因素分析

黃鵬飛，劉培，許偉

（1.珠江水利委員會珠江水利科學(xué)研究院，廣東廣州 510611；2.水利部珠江河口治理與保護(hù)重點實驗室，廣東廣州 510611）

珠江西北江三角洲各類河涌縱橫交錯，河道總數(shù)共計1.2萬余條，總長3 萬多公里，河網(wǎng)密度高達(dá)0.72 km/km2，為全國平均水平的近5倍［1］。作為西、北江于珠江三角洲網(wǎng)河區(qū)第一次“交集”的位置，思賢滘承擔(dān)著來自西江梧州站與北江石角站的水量分配，是西、北江網(wǎng)河河道的一個主要溝通點，影響著其下珠江三角洲的各級河網(wǎng)。

隨著近幾十年來，網(wǎng)河區(qū)人類活動加劇，珠江三角洲網(wǎng)河區(qū)河床發(fā)生了劇烈的演變［2］，加之上游大藤峽水利樞紐等水利工程的建設(shè)，區(qū)域來水來沙條件發(fā)生了深刻變化，隨之而來的是河道徑潮動力調(diào)整、河床持續(xù)演變［3，4］、網(wǎng)河區(qū)潮區(qū)界、潮流界變動［5，6］等一系列問題。

過往的研究中，多以傳統(tǒng)統(tǒng)計分析為主，但考慮流量時間序列中所具備的非正態(tài)分布特征，采用非線性理論方法更為合理［7］。因此，蔡華陽［8］等利用小波分析對1960年至2004年頂端分流站點流量、含沙量數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，得出了三水站分流分沙比顯著增大的結(jié)論；倪培桐［9］等采用Hurst 系數(shù)法、非參數(shù)Mann-Kendall 趨勢檢驗法、線性趨勢分析等方法對馬口、三水站流量序列與含沙量序列進(jìn)行初步檢驗，得出三水站分流比序列于1988年發(fā)生強(qiáng)變異的結(jié)論；張靈等［10］利用經(jīng)驗?zāi)Ｊ椒纸夥治隽?959 年至2004 年三水站分流變化特征及呈現(xiàn)顯著增加的趨勢。但是，考慮思賢滘的分流變化受上游影響且存在一定的洪枯季差異，同時經(jīng)驗?zāi)Ｊ椒纸夥椒ㄗ陨泶嬖谝欢ǖ娜毕?，本文擬利用Mann-Kendall 突變檢驗、統(tǒng)計分析進(jìn)行頂部節(jié)點分流特征分析，應(yīng)用集合經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解分析頂部節(jié)點來流關(guān)系、分流變化及分流趨勢，并結(jié)合相關(guān)研究進(jìn)行影響因子分析，為珠江三角洲綜合治理、防洪抑咸、水資源利用于保護(hù)等方面提供參考。

1 研究資料與方法

1.1 研究資料搜集

研究區(qū)域為西江梧州站、西江干流馬口站、北江石角站和北江干流三水站，全長共計29.2 km。搜集了梧州站（WZ）、石角站（SJ）、馬口站（MK）、三水站（SS）4 個水文站自2000-2020 年（少量年份缺失）實測逐時流量數(shù)據(jù)和以上1959-2020 年馬口站、三水站月均流量、年均流量、年均洪季平均流量、年均枯季平均流量數(shù)據(jù)，進(jìn)行分流比計算，得出三水站年均、洪季平均、枯季平均分流比，共計3組數(shù)據(jù)（SST、SSH、SSK），馬口站（MKT、MKH、MKK）對應(yīng)分流比基于三水站分流比計算而來。

1.2 研究方法

經(jīng)驗?zāi)Ｊ椒纸猓‥mpirical Mode Decomposition，EMD）是由Huang［11］等于1998 年提出的希爾伯特·黃變換（Hilbert-Huang Transform，HHT）中進(jìn)行希爾伯特變換（Hilbert Transform，HT）前的預(yù)處理方法，主要針對非穩(wěn)態(tài)、非線性信號的處理而不需遵從Heisenberg 測不準(zhǔn)原理［12］制約，可將復(fù)雜信號（序列）分解為多個本征模函數(shù)（Intrinsic Mode Function，IMF）和一個殘差（Res）之和，計算平均周期及各尺度信號相對原數(shù)據(jù)總體特征占比的方差貢獻(xiàn)率，從而分辨復(fù)雜信號（序列）中IMF 所蘊(yùn)含的周期及趨勢特征，該方法在氣象、天文、機(jī)械、土木等諸多領(lǐng)域均得到了廣泛應(yīng)用。

隨著EMD方法的不斷深入應(yīng)用，其自身存在的缺陷逐漸顯現(xiàn)，當(dāng)對于某些復(fù)雜信號進(jìn)行處理時，得到的IMF 分量會存在模態(tài)混疊（Mode Mixing，MM）的問題，即單一IMF 信號中含有存在差異的多個周期尺度或相同時間尺度出現(xiàn)在不同的IMF 中，繼而破壞IMF 本應(yīng)具有的物理意義。針對此問題，Wu［13］等于2011年提出在目標(biāo)信號中添加一定強(qiáng)度的白噪聲，利用白噪聲頻譜正態(tài)分布的統(tǒng)計特性達(dá)到抑制模態(tài)混疊目的，該方法即為集合經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解（Ensemble Empirical Mode Decomposition，EEMD），其基本計算過程如下：

（1）原始信號中引入正態(tài)分布的白噪聲：

（2）對yn(t)序列進(jìn)行EMD 分解得到其第m個本征模態(tài)分量IMFmn(t)和殘差resn(t)；

（3）迭代以上步驟M 次，并對各次分解的分量均化以消除白噪聲影響，即得到EEMD 分解下的本征模態(tài)分量IMFm(t)和殘差res(t)。

2 頂部節(jié)點分流特征初判

2.1 年均分流比突變特征

因三水站、馬口站分流比為負(fù)相關(guān)關(guān)系，本次分析集中于三水站特征分析，馬口站特征與其相反。利用基于秩的的非參數(shù)Mann-Kendall 突變檢驗對三水年均、洪季平均、枯季平均分流比數(shù)據(jù)進(jìn)行突變檢測。圖1表明，三水站年均分流比、洪季平均分流比、枯季平均分流比中UFk大部分值大于0，表明三水站分流比整體呈現(xiàn)上升趨勢，且三水站年均分流比、洪季平均分流比UFk與UBk交點位于95%置信區(qū)間內(nèi)，突變交點分別為1988年和1991年，但枯季平均分流比并未通過95%置信檢測。

圖1 三水站分流比MK檢驗圖Fig.1 MK test of Sanshui Station diversion ratio

2.2 年均分流特征

引入分流不均勻系數(shù)（Discharge Asymmetry Index，DAI）［14］進(jìn)行統(tǒng)計，DAI取值范圍為［-1，1］，系數(shù)的絕對值越大，代表分流狀態(tài)越不均勻，絕對值越小，則代表越均勻。分流不均勻系數(shù)定義DAI如下：

根據(jù)1959-2020 年長系列統(tǒng)計分析，三水站年均分流比為17.7%，其中1959-1992年年均分流比為14.2%，1993-2020年平均分流比加大為20.1%。洪枯季來看，三水站洪季平均分流比為19.1%，其中1959-1992 年年均分流比為15.6%，1993-2020年平均分流比加大為21.3%；枯季平均分流比為13.8%，其中1959-1992 年三水年均分流比為9.2%，1993-2020 年平均分流比加大為17.5%。

圖2 表明，1959-1992 年，三水站年均、洪及枯季分流比較為穩(wěn)定，均小于20%；自1992 年起，分流比呈現(xiàn)波動加劇的態(tài)勢。1992-1996 年，分流不均勻系數(shù)顯著下降，至1996 年降至年均分流不均勻系數(shù)48.6%、洪季分流不均勻系數(shù)46.5%、枯季分流不均勻系數(shù)60.0%；1997-2017 年，年均和洪季分流不均勻系數(shù)緩步抬升趨勢，而枯季分流不均勻系數(shù)呈現(xiàn)下降趨勢；近三年，年均和洪季分流不均勻系數(shù)波動加劇。長期來看，無論從年均亦或洪枯季，三水站分流比均呈現(xiàn)增大的趨勢，馬口站、三水站分流均勻性增強(qiáng)，值得注意的是，三水站枯季變動更為劇烈。

圖2 三水站、馬口站年均、洪及枯季分流比及分流不均勻系數(shù)變化圖Fig.2 The changes of annual，flood season，dry season diversion ratio and discharge asymmetry index at Sanshui station and Makou Station

2.3 相似來流下的分流比與流量關(guān)系

針對變化較為劇烈的年份，根據(jù)資料情況，選取2000 年至2020 年實測流量數(shù)據(jù)，對本世紀(jì)初（2000-2010 年）和近期（2010-2020年）兩個時間節(jié)點下，對馬口站上游梧州站、三水站上游石角站來流相似條件（流量差異±1%）下，馬口站、三水站分流比與馬口、三水、梧州、石角四站流量關(guān)系進(jìn)行統(tǒng)計。

在上游石角站和梧州站來流相似的條件下，近期較本世紀(jì)初期，石角站流量1 500 m3/s 以內(nèi)、三水站流量1 700～2 700 m3/s范圍內(nèi)，三水站分流比呈現(xiàn)劇烈波動，梧州站流量2 000～6 000 m3/s、馬口站流量2 000～6 000 m3/s 范圍內(nèi)，馬口站分流比呈現(xiàn)劇烈波動；流量大于以上范圍，三水站、馬口站分流趨于穩(wěn)定。圖3表明，考慮斷面地形下切的影響，近期較本世紀(jì)初期在枯水流量狀態(tài)下珠江三角洲頂點分流呈現(xiàn)不穩(wěn)定性加劇的情況。

圖3 來流相似的條件下三水站、馬口站分流比與流量關(guān)系圖Fig.3 The relation of diversion ratio and discharge of Sanshui station and Makou Station under similar incoming flow condition

3 頂部節(jié)點來流關(guān)系、分流變化及趨勢

3.1 頂部節(jié)點流量相關(guān)性

基于上述節(jié)點分流特征分析，三水站分流比均呈現(xiàn)增大的趨勢且頂點分流枯季不穩(wěn)定性加劇，為了深入研究其趨勢特征，對已有的2000年之后的梧州站、石角站、馬口站與三水站月均流量的Pearson 相關(guān)性進(jìn)行分析。圖4 表明，三水站與馬口站、馬口站與梧州站、三水站與梧州站在洪季（4-9月）存在這較強(qiáng)的相關(guān)性（>0.9），而枯季上述站點相關(guān)性急劇減弱。

圖4 各站點Pearson相關(guān)系數(shù)圖Fig.4 Pearson correlation coefficient diagram of each site

3.2 三水站與馬口站、石角站、梧州站相關(guān)系數(shù)特征及趨勢

選取三水站與馬口站（SS-MK）、三水站與梧州站（SSWZ）、三水站與石角站（SS-SJ）三組逐月Pearson 相關(guān)序列并利用EEMD 方法分解，得到三水站與其余三站的相關(guān)系數(shù)的6組IMF分量及Res趨勢分量，如圖5所示。結(jié)果表明三水站與馬口站、石角站、梧州站相關(guān)性變化存在復(fù)雜的時間尺度及周期性。表1 和圖5 顯示，①三水站與其余三站相關(guān)系數(shù)的變化均存在周期不足5 個月（<0.4 a）和約1 年的高頻振蕩影響，且三組IMF1、IMF2 方差貢獻(xiàn)率之和分別為80.1%、76.3%、82.4%，表明三水站的分流比受其余三站短周期影響明顯，且存在洪枯季和年際變化的特征；②根據(jù)三組Res趨勢顯示，三水站與馬口站的相關(guān)關(guān)系于2005 年前后開始呈現(xiàn)增強(qiáng)（+0.001 6/a）的趨勢，而與石角站、梧州站則始終呈現(xiàn)減弱（-0.004 7/a、-0.003 3/a）的趨勢。

圖5 各站點Pearson相關(guān)系數(shù)EEMD分解圖Fig.5 EEMD decomposition diagram of Pearson correlation coefficient of each site

表1 三水與馬口、石角、梧州相關(guān)性方差貢獻(xiàn)率及周期表Tab.1 Contribution rate and periodic table of correlation variance between Sanshui and Makou，Sanshui and Shijiao，Sanshui and Wuzhou

3.3 三水站分流比特征及趨勢

利用三水站、馬口站年均流量、年均洪季平均流量、年均枯季平均流量數(shù)據(jù)，求取了三水站相應(yīng)分流比（SST、SSH、SSK）年時間序列，利用EEMD 方法分解，得到三水站年均、洪季平均、枯季平均分流比的4組IMF分量及Res趨勢分量。結(jié)果表明三水站年均、洪季平均、枯季平均分流比存在復(fù)雜的時間尺度及明顯的趨勢性。表2 和圖6 顯示，①三水站年均、洪季平均、枯季平均分流比（2.6～6.7 a）年際周期方差貢獻(xiàn)率較低；②IMF2 在經(jīng)歷1960-1990 年的平穩(wěn)階段后，于1991 年開始相對劇烈的波動，造成了三水站1991 洪季分流比的突變，同樣的，IMF3 表明三水站存在年代際變化（13.3～15.2 a）的周期，且最近的相對劇烈波動處于1987-1989 年左右，這也解釋了三水站年均分流比于1988 年突變；③更長周期IMF4和Res方差貢獻(xiàn)率占比77.5%～89.1%，且枯季占比更大，表明三水站分流比趨勢極強(qiáng)，Res分量表明三水站年均、洪季平均、枯季平均分流比均呈現(xiàn)顯著的上升趨勢；④三水站年均、洪季平均分流比表現(xiàn)出明顯的一致性，枯季平均分流比特征較前兩者存在輕微差異，且該差異在近年中逐漸凸顯。

圖6 三水站年均、洪季平均、枯季平均分流比EEMD分解圖Fig.6 EEMD decomposition diagram of annual，flood season，dry season diversion ratio at Sanshui station

表2 三水站分流比方差貢獻(xiàn)率及周期表Tab.2 Contribution rate and periodic table of distribution ratio at Sanshui station

4 影響因子分析

4.1 關(guān)鍵節(jié)點地貌演變

根據(jù)相關(guān)研究［15］，珠江三角洲網(wǎng)河區(qū)及西、北江在20 世紀(jì)50-80 年代變化較為復(fù)雜，總體為輕微沖刷與輕微淤積動態(tài)變化的過程；至20 世紀(jì)80 年代中期，經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展導(dǎo)致人類挖沙加劇，造成了珠江三角洲河道及西、北江發(fā)生了強(qiáng)度遠(yuǎn)超自然演變過程的下切［2，16，17］，河道窄深化發(fā)展；2005 年后，隨著三角洲采砂活動的控制成效顯現(xiàn)，河道目前仍處于挖沙后的深度調(diào)整階段。

以三水站、馬口站為例，表3 和圖7 表明，1999-2008 年三水、馬口兩站均出現(xiàn)明顯的下切現(xiàn)象，斷面面積增大9.1%、17.1%，河道底高程下切38.3%、23.4%，但2008-2019 年兩站演變則出現(xiàn)顯著差異，三水站斷面面積和河道底高程變幅不超4%，屬輕微調(diào)整，而馬口則表現(xiàn)為顯著淤積的態(tài)勢，斷面面積減小7.2%，河道底高程抬升14.7%。兩站河床變化基本發(fā)生于河道主槽附近，兩岸高灘變動不大，此現(xiàn)象即為2.3 節(jié)中在上游石角和梧州來流相似的條件下，三水流量1 700～2 700 m3/s 范圍內(nèi)，馬口流量2 000～6 000 m3/s范圍內(nèi)分流比呈現(xiàn)劇烈波動的可能解釋。在馬口站近年淤積的背景下，思賢滘則呈現(xiàn)沖刷的態(tài)勢。此類變動表明，經(jīng)西江匯入西江干流的水流將隨著馬口站河道底高程的抬升更“難”分流至馬口以下的西江干流，而思賢滘地形沖刷態(tài)勢導(dǎo)致水流相應(yīng)經(jīng)思賢滘以“西過北”方式匯入北江的情況將更為頻繁，兩方面因素共同作用即表現(xiàn)為三水站的分流呈現(xiàn)增大的趨勢。

圖7 三水站、馬口站斷面地形對比圖Fig.7 Comparison map of cross section topography of Sanshui station and Makou Station

表3 三水站、馬口站斷面變化表Tab.3 Cross-section change table of Sanshui station and Makou Station

4.2 徑潮動力變化

感潮河段影響因子較為復(fù)雜，受到徑流、外海潮波運動的雙重作用，且對于類似地形、岸線等其他因子的變化有著較強(qiáng)的敏感性。隨著珠江三角洲的發(fā)展，網(wǎng)河區(qū)及上游河道岸線基本固化，但過往三十年的地形卻不斷發(fā)生著深刻調(diào)整。相應(yīng)的，珠江三角洲網(wǎng)河區(qū)徑潮動力產(chǎn)生了巨大變化，而在不斷變化的徑潮動力作用下，網(wǎng)河區(qū)地形時刻發(fā)生著調(diào)整。

圖8 思賢滘地形變化圖Fig.8 Comparison map of cross section topography of Sanshui station and Makou Station

在過往的研究中［5］，2005 年多年平均流量下西江的潮區(qū)界已至梧州站與德慶站之間，北江的潮區(qū)界已至三水站與石角站之間；枯水流量下西江的潮區(qū)界已至梧州站上游，北江的潮區(qū)界已逼近石角。對于徑潮動力表現(xiàn)更為直接的潮流界與潮區(qū)界類似，2005 年多年平均流量下西江干流的潮流界已至馬口站，北江干流的潮流界已至紫洞站；枯水流量下西江干流的潮流界已越過高要站，北江的潮流界已越過三水站。潮流界、潮區(qū)界的不斷上移，造成頂部節(jié)點的分流由單純的徑流作用變?yōu)閺匠惫餐饔玫膹?fù)雜過程，并且隨著珠江三角洲網(wǎng)河區(qū)及上游干流地形的不斷變化，作為影響權(quán)重越來越大的潮波動力因子，其對于三角洲頂部節(jié)點分流的影響已經(jīng)越來越不能忽視。

5 結(jié)論

采用Mann-Kendall 突變檢驗和集合經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解等方法，對珠江三角洲頂部分流節(jié)點及其上游控制站點實測水文資料進(jìn)行分析，研究了頂部節(jié)點分流特征、相關(guān)性及趨勢變化，獲得主要認(rèn)識如下。

（1）三水站年均分流比、洪季平均分流比突變交點分別為1988年和1991年，枯季平均分流比無顯著突變。

（2）近期（2010-2020年）較本世紀(jì)初期（2000-2010年）在枯水流量狀態(tài)下珠江三角洲頂點分流呈現(xiàn)不穩(wěn)定性加劇的情況。

（3）三水站與馬口站、馬口站與梧州站、三水站與梧州站在洪季（4-9 月）存在這較強(qiáng)的相關(guān)性（>0.9），而枯季上述站點相關(guān)性急劇減弱。

（4）三水站與梧州站、石角站、馬口站相關(guān)系數(shù)的變化均存在不足5 個月（<0.4 a）和約1 年的高頻周期，且三水站的分流比呈現(xiàn)出比其余三站更為明顯短周期變化，同時存在顯著的洪枯季和年際變化的特征；三水站與馬口站的相關(guān)關(guān)系于2005年前后開始呈現(xiàn)增強(qiáng)（+0.001 6/a）的趨勢，而與石角站、梧州站則始終呈現(xiàn)減弱（-0.004 7/a、-0.003 3/a）的趨勢，表明在地形劇烈變化的背景下，三水站分流受馬口站影響逐漸加劇。

（5）長期來看，三水站年均、洪季平均、枯季平均分流比均呈現(xiàn)顯著的上升趨勢，且年均、洪季平均分流比表現(xiàn)出明顯的一致性，而枯季平均分流比特征較前兩者存在差異，且該差異在近年逐漸凸顯。