圍填海影響下澳門潮波特性時(shí)空變化分析

王任超，張功瑾

(1．水利部珠江水利委員會(huì)水文局，廣東 廣州 5106111 ；2.南京水利科學(xué)研究院 水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210029)

澳門位于廣東省珠江河口西側(cè)，北面是拱北經(jīng)濟(jì)特區(qū)；東面與香港隔海相望；西側(cè)為大、小橫琴島。澳門本島包括澳門半島、氹仔島和路環(huán)島。由于多年來(lái)澳門的圍填海工程(圖1、2)，其岸線發(fā)生劇烈變化，海域潮波特性也隨之發(fā)生變化。岸線變化對(duì)潮波特性影響的研究，往往通過(guò)實(shí)測(cè)資料分析和數(shù)值模擬等手段分析岸線變化前后對(duì)周圍水動(dòng)力特性的影響，如陳丹茜等[1]通過(guò)對(duì)天津港海域潮位進(jìn)行比較，表明隨著圍墾強(qiáng)度的增大，潮不對(duì)稱性整體呈現(xiàn)增強(qiáng)的趨勢(shì)；郭文云[2]通過(guò)對(duì)洋山港海域潮位資料分析表明隨著工程的進(jìn)行，淺水分潮不斷增強(qiáng)，潮汐不對(duì)稱性也在不斷增強(qiáng)；錢明霞等[3-5]基于潮流數(shù)學(xué)模型，模擬了長(zhǎng)江口不同地形條件下的水動(dòng)力變化；路川藤等[6-8]研究了長(zhǎng)江口深水航道治理工程對(duì)北槽潮波傳播的影響；劉曉東等[9]對(duì)條子泥圍墾前后潮流場(chǎng)進(jìn)行了三維數(shù)值模擬并探討了圍墾對(duì)周邊海域水動(dòng)力環(huán)境的影響；CHEN等[10]通過(guò)對(duì)南黃海區(qū)域數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)該區(qū)域岸線變化對(duì)潮波影響巨大，潮汐振幅的最大變化值發(fā)生在輻射沙洲海域；錢沛等[11]基于數(shù)值模擬分別對(duì)1984 年和2014 年岸線條件下輻射沙洲海域的潮汐不對(duì)稱性進(jìn)行了研究。經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分析(EOF法)是用來(lái)求解空間和時(shí)間權(quán)重系數(shù)的方法，之后將其引入了海岸地貌、氣象等領(lǐng)域，在潮波變形方面主要是研究在空間尺度上反映潮位變化主要特征，分析出在該流域潮位長(zhǎng)時(shí)間序列的變化規(guī)律，進(jìn)而分析各影響因子對(duì)潮位的作用機(jī)理。史源等[12]根據(jù)長(zhǎng)江口主要潮位站1993—2008年潮位資料，采用EOF方法分析了長(zhǎng)時(shí)間序列和三峽工程前后月平均高潮位變化規(guī)律以及2000 年的日高潮位變化規(guī)律，并探究其受徑流和海平面的影響因素。澳門圍填海工程時(shí)間跨度大、岸線變化形式多樣。通過(guò)分析澳門海域潮波特性的時(shí)空變化，探討圍填海工程與潮波特性的響應(yīng)關(guān)系，有利于深入認(rèn)識(shí)地形地貌演變與潮流動(dòng)力間的互饋關(guān)系，為今后圍填海工程規(guī)劃及閾值研究提供支撐。

圖1 澳門位置示意

本文基于澳門站1986—2017年潮位資料進(jìn)行調(diào)和分析，并運(yùn)用EOF方法探討了澳門站長(zhǎng)序列潮位變化。以此分析澳門水域潮波時(shí)空分布特征，并探討其變化規(guī)律以及主要影響因素。

圖2 澳門1912—2016年填海地圖[13]

1 澳門岸線變化

澳門自1863年首次對(duì)南灣澳督府對(duì)面海灘進(jìn)行圍填以來(lái)，陸續(xù)進(jìn)行了6次較大規(guī)模的填海拓地工程(表1)。到2003年澳門面積已達(dá)到27.3 km，此時(shí)兩離島述仔島、路環(huán)島已合二為一。2014年面積達(dá)到30.3 km2，新填海區(qū)域主要分布在路凼填海區(qū)，澳門半島南部。澳門填海歷史演變進(jìn)程見(jiàn)圖3、4。

表1 澳門歷史填海進(jìn)程

圖3 澳門圍填海面積歷史變化

圖4 澳門岸線長(zhǎng)度歷史變化

澳門岸線的變化主要是填海造地導(dǎo)致的，通過(guò)計(jì)算圍填海強(qiáng)度指數(shù)[14](IN)和岸線總長(zhǎng)變化強(qiáng)度K，分析澳門海域岸線變化特征。

圍填海強(qiáng)度指數(shù)的計(jì)算見(jiàn)式(1)：

IN=S/L

(1)

式中 IN——圍填海強(qiáng)度指數(shù)；S——圍填海面積，hm2;L——岸線長(zhǎng)度，km。

岸線長(zhǎng)度變化強(qiáng)度(K)數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

(2)

式中K——人工岸線從第T1年到第T2年間總長(zhǎng)的變化強(qiáng)度；LT1、LT2——第T1年、第T2年人工岸線長(zhǎng)度。

計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2、3和圖5、6，澳門在2012年之前圍填海強(qiáng)度指數(shù)保持在50左右，2012年之后圍填海強(qiáng)度逐漸下降；在2000—2013年，澳門岸線變化強(qiáng)度為正增長(zhǎng)，強(qiáng)度在0.7%～4.0%，原因在于澳門在2000—2012年不僅有澳門機(jī)場(chǎng)人工島的建設(shè)還有路氹填海等大型的連島式填海工程，圍填海工程規(guī)模較大且工程建設(shè)比較頻繁。在2013年之后岸線變化強(qiáng)度下降到-0.3%左右，岸線變化相對(duì)比較穩(wěn)定。

表2 澳門圍填海強(qiáng)度計(jì)算

表3 澳門岸線變化強(qiáng)度計(jì)算

圖5 澳門圍填海強(qiáng)度

圖6 澳門岸線變化強(qiáng)度

2 澳門海域潮汐調(diào)和分析

基于澳門站(22°11.28′N，113°31.82′E)1960—2017年逐時(shí)潮位資料進(jìn)行調(diào)和分析[15]計(jì)算，其中主要分潮為K1、O1、M2、M4、S2等11個(gè)常見(jiàn)分潮。根據(jù)潮汐類型判別，澳門站附近水域F值(F=(HK1+HO1)/HM2)基本在1.4～1.5，一個(gè)周期內(nèi)有2次高潮和低潮且潮位不等，屬于不正規(guī)半日潮。

根據(jù)Fridfrichs等[16]的定義，M4分潮與M2分潮的振幅比可以作為潮波變形的表征參數(shù)，若振幅比大于0.01表明潮波發(fā)生變形，振幅比越大，潮波變形越顯著。圖7所示，澳門站歷年潮波變形均比較顯著，并在不同時(shí)間段會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)。此外，當(dāng)HS2/HM2的值大于0.40，則潮高日不等現(xiàn)象明顯[17]，澳門站歷年來(lái)HS2/HM2的值在0.4左右波動(dòng)(圖8)，說(shuō)明澳門站的潮高日不等現(xiàn)象受時(shí)間的影響顯著。但其潮波變形現(xiàn)象在時(shí)間上的變化規(guī)律性不明顯，無(wú)法判斷其主要影響因素。

圖7 各年份M4分潮與M2分潮的振幅比

圖8 各年份S2分潮與M2分潮的振幅比

3 長(zhǎng)序列潮位的EOF分析

為分析澳門海域潮位的時(shí)空變化特征，采用正交函數(shù)方法(EOF)進(jìn)行時(shí)空分布特征分析。采用澳門海域歷年來(lái)分潮振幅組成多變量數(shù)據(jù)，將各分潮空間數(shù)據(jù)建立在新的坐標(biāo)系中，使得相互之間為獨(dú)立并具有正交性的物理量，進(jìn)而對(duì)特征值及特征矢量進(jìn)行排序，以反映出不同模式的相對(duì)重要程度，進(jìn)而可以為相應(yīng)的特征模式提供物理機(jī)制上的解釋。

本文將1960—2017年澳門站潮位調(diào)和分析結(jié)果為行，列為年份建立矩陣即X11×58，進(jìn)行協(xié)方差計(jì)算，得到空間特征矢量對(duì)應(yīng)的時(shí)間系數(shù)和空間模態(tài)的方差貢獻(xiàn)。表4所示，運(yùn)用EOF方法后得到11個(gè)空間特征矢量和11個(gè)時(shí)間系數(shù)，其中前3個(gè)特征矢量累計(jì)方差貢獻(xiàn)率已經(jīng)達(dá)到了89%，已經(jīng)可以反映潮波的基本變化情況。

表4 EOF分析成果

第一個(gè)特征矢量的方差貢獻(xiàn)率達(dá)到了79%，分析第一特征矢量的空間分布(圖9)，第一特征矢量空間上各分潮振幅基本均為負(fù)值，其中半日分潮M2振幅的特征矢量絕對(duì)值最大，其次為日潮K1、O1以及半日分潮S2，淺水分潮M4、MS4變化較小。說(shuō)明澳門海域潮汐類型在空間上以半日分潮為主。分析第一特征矢量的時(shí)間分布(圖10)，第一特征矢量時(shí)間系數(shù)有正有負(fù)，在人類活動(dòng)強(qiáng)度較大的時(shí)間1980—2010年表現(xiàn)為正值，其他人類活動(dòng)強(qiáng)度較小的時(shí)間表現(xiàn)為負(fù)值，說(shuō)明人類活動(dòng)對(duì)澳門海域潮波影響較大。圖11所示，通過(guò)對(duì)比分析澳門海域圍填強(qiáng)度與EOF分析中的第一特征矢量時(shí)間系數(shù)PC1的相關(guān)關(guān)系，其相關(guān)系數(shù)為84%。因此第一主成分主要表示圍填海強(qiáng)度對(duì)潮位的影響。說(shuō)明澳門圍填海工程是導(dǎo)致澳門海域潮波變形的主要影響因素。

圖9 第一特征向量空間分布

圖10 各年份時(shí)間系數(shù)

圖11 第一特征矢量時(shí)間系數(shù)與圍填強(qiáng)度關(guān)系

4 結(jié)論

基于歷史潮位資料，分析了澳門海域歷年潮波分潮時(shí)空變化特征，并分析澳門歷年圍填海強(qiáng)度對(duì)澳門海域潮位變化的影響。

a)澳門在2000—2013年，圍填海強(qiáng)度指數(shù)保持在50左右，岸線變化強(qiáng)度在0.7%～4.0%；2013年之后圍填海強(qiáng)度逐漸下降，岸線變化強(qiáng)度下降到-0.3%左右。

b)根據(jù)潮汐類型判別，澳門站附近水域F值基本在1.4～1.5，一個(gè)周期內(nèi)有兩次高潮和低潮且潮位不等，屬于不正規(guī)半日潮。澳門站歷年潮波變形均顯著，并在不同時(shí)間段會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)，澳門站歷年來(lái)HS2/HM2的值在0.4左右波動(dòng)，說(shuō)明澳門站的潮高日不等現(xiàn)象受時(shí)間的影響顯著。但其潮波變形現(xiàn)象在時(shí)間上的變化規(guī)律性不明顯，無(wú)法判斷其主要影響因素。

c)基于潮位調(diào)和分析運(yùn)用EOF方法探討了澳門站長(zhǎng)序列潮位變化，時(shí)間序列從1960—2017年，空間序列采用各分潮振幅。第一個(gè)特征矢量的方差貢獻(xiàn)率達(dá)79%，為典型分潮振幅組合，通過(guò)對(duì)第一特征矢量與澳門海域圍填強(qiáng)度的相關(guān)性分析，相關(guān)系數(shù)為84%。因此第一主成分主要表示圍填海強(qiáng)度對(duì)潮位的影響。說(shuō)明澳門圍填海工程是導(dǎo)致澳門海域潮波變形的主要影響因素。