錢(qián)塘江河口鹽水入侵與影響因素的相關(guān)關(guān)系研究

李若華，馬繼俠

（浙江同濟(jì)科技職業(yè)學(xué)院，浙江 杭州 311231）

0 引 言

河口是河流到海洋、淡水到海水的過(guò)渡地段，鹽水入侵是河口地區(qū)特有的自然現(xiàn)象之一，不僅深刻影響河口的理化特征[1]、水生環(huán)境[2]，還嚴(yán)重威脅淡水供給[3]，是河口地區(qū)淡水資源開(kāi)發(fā)利用最大的制約因素之一[4]。河口鹽水入侵主要決定于潮汐和徑流量，還受風(fēng)應(yīng)力和河勢(shì)變化等影響[5]，從時(shí)間尺度看，在外海潮汐半日漲落潮、半月大小潮的驅(qū)動(dòng)下，鹽水入侵也隨著潮汐進(jìn)行日內(nèi)、月內(nèi)的周期變化，同時(shí)隨著徑流年內(nèi)的豐、枯特征具有顯著的季節(jié)變化，在河床沖淤劇烈的河口深受河床演變的影響[6]。目前多采用疊圖法分析鹽水入侵與其影響因素的關(guān)系[7]，較少對(duì)其之間的相關(guān)關(guān)系進(jìn)行定量研究，尤其對(duì)中長(zhǎng)期時(shí)間尺度上的關(guān)系分析更少[5]。錢(qián)塘江河口潮強(qiáng)流急、沖淤頻繁，為典型的強(qiáng)潮河口，本文以錢(qián)塘江河口為例，收集岸線穩(wěn)定后2000—2020 年的實(shí)測(cè)資料，以月最大、月平均為主要指標(biāo)定量分析中長(zhǎng)期時(shí)間尺度下鹽水入侵與其影響因素的相關(guān)關(guān)系，為進(jìn)一步了解強(qiáng)潮河口鹽水入侵的演變規(guī)律和河口淡水資源的利用提供參考。

1 研究區(qū)域及數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究區(qū)域概況

錢(qián)塘江是浙江省第一大河，全長(zhǎng)668 km，流域面積55 558 km2，富春江電站以下至杭州灣灣口291 km 為感潮河段，稱(chēng)為錢(qián)塘江河口（見(jiàn)圖1）。根據(jù)水動(dòng)力條件和河床演變特性的差異，錢(qián)塘江河口可劃分為3 段[8]：富春江電站至聞家堰77 km 為河流段，水動(dòng)力以徑流作用為主，河床較穩(wěn)定，極少受鹽水入侵影響；聞家堰至澉浦116 km 為河口段，受徑流、潮汐共同作用，河床沖淤幅度大，鹽度變化劇烈；澉浦至杭州灣灣口98 km 為潮流段，主要受外海潮汐影響，水動(dòng)力以潮流作用為主，鹽度高但變化小，河床相對(duì)穩(wěn)定。本文主要研究水資源利用受鹽水入侵影響強(qiáng)烈的河口段。

圖1 錢(qián)塘江河口平面形態(tài)及水文站分布圖

錢(qián)塘江河口是典型的強(qiáng)潮河口，因強(qiáng)涌潮而聞名于世，澉浦站實(shí)測(cè)最大潮差達(dá)9.00 m 以上，多年平均潮差5.64 m，潮汐受M2 分潮控制，1 d 2 漲2 落。澉浦?jǐn)嗝鎸?6.50 km，向上游河寬逐漸縮窄，潮差逐漸減小，鹽官、倉(cāng)前、七堡斷面河寬分別約2.50 km、2.00 km、1.60 km，多年平均潮差分別為3.20 m、1.52 m、0.79 m。潮汐上溯過(guò)程中潮波發(fā)生變形，漲潮時(shí)間逐漸縮短，落潮時(shí)間逐漸延長(zhǎng)，澉浦、鹽官、倉(cāng)前和七堡的平均漲潮時(shí)間分別為5.5 h、2.4 h、1.8 h 和1.4 h。受徑流、潮汐及河床沖淤的影響，鹽水入侵呈現(xiàn)明顯的季節(jié)變化，豐水期（3—7 月）徑流量大，鹽水入侵較弱；平水期（8—11 月）徑流量較小，同時(shí)因豐水期江道刷深，鹽水入侵嚴(yán)重；枯水期（12 月—次年2 月）徑流量雖小，但由于江道淤積導(dǎo)致潮汐上溯能力減弱，鹽水入侵也較弱[3]。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

為研究錢(qián)塘江河口的鹽水入侵規(guī)律，在閘口、七堡、倉(cāng)前、鹽官、澉浦等5 個(gè)長(zhǎng)期潮位站每d觀測(cè)日最大、最小含氯度（含鹽度=1.805×含氯度‰+0.03‰），已積累了約50 a 的資料系列。20 世紀(jì)60 年代以來(lái)，錢(qián)塘江河口的治江縮窄工程一直沒(méi)有間斷過(guò)，因治江縮窄引起的岸線和河床面貌也在不斷變化，而江道岸線和河床的變化對(duì)鹽水入侵影響巨大[9]。治江縮窄工程是一個(gè)不可逆工程，為使資料具有連續(xù)性和代表性，本文主要采用治江工程實(shí)施完成后2000 年至2020 年的實(shí)測(cè)資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

1968 年12 月富春江電站建成發(fā)電后，錢(qián)塘江河口的徑流統(tǒng)計(jì)以電站下泄流量為準(zhǔn)。因江道地形變化較大，錢(qián)塘江每年4、7、11 月份進(jìn)行3 次地形測(cè)量，分別代表梅汛前、梅汛后、秋季大潮后的河床地形情況，為反映河床沖淤幅度，常采用閘口-鹽官河段吳淞高程7 m 以下的河床容積代表河口的河床變化[8]。

2 相關(guān)性分析方法

2.1 兩個(gè)變量間的相關(guān)分析方法

對(duì)于正態(tài)分布的等間距測(cè)度的變量x、y，兩者間相關(guān)性可采用Pearson 積矩相關(guān)公式[10]計(jì)算：

2.2 偏相關(guān)分析方法

錢(qián)塘江河口鹽水入侵主要影響因素為徑流、潮汐和江道地形，3 個(gè)因素在不同的時(shí)間尺度上深刻影響著鹽水入侵強(qiáng)度，同時(shí)因素之間交互作用又進(jìn)一步影響鹽水入侵[11]，因此在進(jìn)行鹽水入侵的單因素分析時(shí)，必須排除其他因素的影響，需采用偏相關(guān)分析方法。

在進(jìn)行偏相關(guān)分析時(shí)，可控制變量z，變量x、y之間的偏相關(guān)系數(shù)計(jì)算公式[12]如下：

式（2）中：rxy，z是控制z的條件下，x和y之間的偏相關(guān)系數(shù)；rxy、rxz、ryz分別為變量x、y之間和x、z之間和y、z之間的相關(guān)系數(shù)。

2.3 相關(guān)程度的判定標(biāo)準(zhǔn)

為定量相關(guān)程度，根據(jù)相關(guān)系數(shù)的大小設(shè)定相關(guān)程度的判定標(biāo)準(zhǔn)如下：

當(dāng)|r|＜0.2 時(shí)，極弱相關(guān)；

當(dāng)0.2 ≤|r|＜ 0.4 時(shí)，弱相關(guān)；

當(dāng)0.4 ≤|r|＜0.6 時(shí)，中等程度相關(guān)；

當(dāng)0.6 ≤|r|＜0.8 時(shí)，強(qiáng)相關(guān)；

當(dāng)0.8 ≤|r|≤1.0 時(shí)，極強(qiáng)相關(guān)。

3 結(jié)果分析與討論

3.1 徑流與含氯度的相關(guān)關(guān)系

河口含氯度的月內(nèi)變化受潮汐影響較大，但以月為時(shí)間尺度時(shí)，則可淡化潮汐對(duì)含氯度的影響，故采用實(shí)測(cè)月均徑流量和含氯度資料分析中長(zhǎng)期時(shí)間尺度上徑流與含氯度的相關(guān)關(guān)系。為定量分析徑流量與含氯度的相關(guān)性，以潮差為控制變量，計(jì)算了月均徑流量與各站點(diǎn)含氯度之間的相關(guān)關(guān)系。當(dāng)徑流量較大時(shí)，河口內(nèi)尤其是位于上游的七堡站含氯度很低，難以體現(xiàn)徑流量變化與含氯度的相關(guān)性，故將數(shù)據(jù)樣本根據(jù)月均徑流量分為全部數(shù)據(jù)、1 000 m3/s 以下、400 m3/s 以下3 組數(shù)據(jù)系列（見(jiàn)表1），并以月均徑流量1 000 m3/s 以下的數(shù)據(jù)樣本為例，將徑流量與各站含氯度畫(huà)成散點(diǎn)圖（見(jiàn)圖2）。

表1 月均徑流量與各站含氯度相關(guān)分析表

圖2 月均徑流量（1 000 m3/s 以下）與各站含氯度散點(diǎn)分布圖

由表1 可見(jiàn)，月均徑流量與各站的含氯度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，當(dāng)采用全部數(shù)據(jù)序列時(shí)，徑流量與七堡、倉(cāng)前站含氯度的相關(guān)性基本可達(dá)中等程度相關(guān)，與鹽官站的相關(guān)性?xún)H為弱相關(guān)；當(dāng)采用徑流量1 000 m3/s 以下的數(shù)據(jù)樣本時(shí)，七堡、倉(cāng)前站的相關(guān)性有所增強(qiáng)，基本可達(dá)強(qiáng)相關(guān)，由圖2 可見(jiàn)，七堡、倉(cāng)前站有一定的規(guī)律性，徑流量越小，含氯度越高，當(dāng)徑流量小于600 m3/s 時(shí)，高含氯度的點(diǎn)數(shù)顯著增多，而鹽官站相關(guān)性差異不大；當(dāng)采用月均徑流量400 m3/s 以下的數(shù)據(jù)樣本時(shí)，七堡、倉(cāng)前站的相關(guān)性沒(méi)有繼續(xù)提高，反而有所降低，可能此時(shí)含氯度已較高，含氯度隨徑流量變化的敏感性沒(méi)有提高?？傮w來(lái)說(shuō)，徑流量與七堡、倉(cāng)前站含氯度的相關(guān)性較強(qiáng)，其中倉(cāng)前站的相關(guān)性最強(qiáng)，與鹽官站的相關(guān)性較弱，這可能是鹽官站位于下游，徑流作用降低而潮汐作用加強(qiáng)所致。

3.2 潮汐與含氯度的相關(guān)關(guān)系

為定量分析潮汐與含氯度的相關(guān)性，以徑流量為控制變量，分析各站潮差（代表潮汐強(qiáng)度）與含氯度的相關(guān)關(guān)系，為降低徑流量對(duì)含氯度的影響，分別統(tǒng)計(jì)了全部數(shù)據(jù)以及月均徑流量1 000 m3/s 以下、400 m3/s 以下3 組數(shù)據(jù)序列結(jié)果（見(jiàn)表2），并以月均徑流量400 m3/s 以下的數(shù)據(jù)樣本為例，將各站潮差與含氯度畫(huà)成散點(diǎn)圖（見(jiàn)圖3）。

表2 各站點(diǎn)潮差與含氯度相關(guān)分析表

圖3 各站潮差與含氯度散點(diǎn)分布圖（月均徑流量＜400 m3/s）

由表2 可見(jiàn)，各站潮差與含氯度呈正相關(guān)關(guān)系，當(dāng)采用全部數(shù)據(jù)時(shí)，七堡站潮差與含氯度呈弱相關(guān)，倉(cāng)前、鹽官站呈弱相關(guān)或極弱相關(guān)；當(dāng)采用徑流量小于1 000 m3/s 的數(shù)據(jù)時(shí)，七堡、倉(cāng)前站含氯度與潮差的相關(guān)性顯著提高，達(dá)到中等程度相關(guān)，而鹽官站仍為極弱相關(guān)；當(dāng)采用徑流量小于400 m3/s 的數(shù)據(jù)時(shí)，七堡站、倉(cāng)前站的相關(guān)性進(jìn)一步提高，可達(dá)強(qiáng)相關(guān)，由圖3 可見(jiàn)，七堡、倉(cāng)前站有一定的規(guī)律性，潮差越大，含氯度越高，當(dāng)潮差大于1 m 時(shí)，對(duì)應(yīng)的高含氯度的點(diǎn)數(shù)顯著增加，而鹽官站的相關(guān)性差異不大?？傮w來(lái)說(shuō)，七堡、倉(cāng)前站潮差與含氯度的相關(guān)性較強(qiáng)，其中七堡站的相關(guān)性最強(qiáng)，而鹽官站的相關(guān)性較弱，可能是七堡站位于鹽水入侵的末端，潮差大則潮流挾帶鹽度上溯能力強(qiáng)，當(dāng)徑流量較小時(shí)鹽度隨潮差變化敏感，而鹽官站位于下游，本底濃度較高對(duì)潮差變化的敏感性降低。

3.3 江道地形與含氯度、潮汐的相關(guān)關(guān)系

為定量分析江道地形與含氯度的相關(guān)性，以徑流量為控制變量，分析江道容積（閘口-鹽官段吳淞高程7 m 以下容積）與各站含氯度的相關(guān)關(guān)系，因錢(qián)塘江每年4、7、11 月測(cè)量3 次地形，故其他月份的江道容積采用線性?xún)?nèi)插得到。江道容積與各站含氯度相關(guān)分析見(jiàn)表3，以七堡站為例將江道容積與七堡站含氯度畫(huà)成散點(diǎn)圖（見(jiàn)圖4）。由表3可見(jiàn)，江道容積與各站的含氯度均呈正相關(guān)關(guān)系，但相關(guān)程度較低，均為極弱相關(guān)，從圖4 上也很難看出兩者的規(guī)律性。采用月均徑流量1 000 m3/s 以下、400 m3/s 以下2 組數(shù)據(jù)序列進(jìn)行江道容積與各站含氯度的相關(guān)分析，相關(guān)性也并沒(méi)有顯著提高。

表3 江道地形與各站含氯度相關(guān)分析表

圖4 逐月江道容積與七堡站含氯度散點(diǎn)分布圖

在易沖易淤的錢(qián)塘江河口，徑流一方面可壓制咸潮，另一方面又可通過(guò)造床作用改變江道地形，江道地形改變又會(huì)影響河口潮流上溯能力，進(jìn)而影響鹽水入侵強(qiáng)度[6]，相對(duì)于徑流和潮汐來(lái)說(shuō)，江道地形變化較慢且具有滯后效應(yīng)，江道地形通過(guò)影響河口內(nèi)潮汐強(qiáng)度進(jìn)而影響鹽水入侵，在此期間鹽水入侵又受到徑流和外海潮汐周期變化的影響，這也可能是江道地形與含氯度相關(guān)關(guān)系較差的原因。

江道地形變化首先影響河口內(nèi)潮汐強(qiáng)度，進(jìn)而影響鹽水入侵強(qiáng)度，為反映江道容積對(duì)河口內(nèi)潮汐特征的影響，采用2000—2020 年期間的全部數(shù)據(jù)序列計(jì)算了逐月江道容積與各站潮差的相關(guān)關(guān)系（見(jiàn)表4）。由表4 可見(jiàn)，江道容積與各站潮差均有較強(qiáng)的正相關(guān)性，其中七堡、倉(cāng)前站的相關(guān)性可達(dá)強(qiáng)相關(guān)，鹽官站可達(dá)中等程度相關(guān)，由此也表明潮差不僅可反映外海潮汐的變化，還可以反映河口段的江道變化，因潮差與含氯度相關(guān)性較強(qiáng)，故潮差在一定程度上也可以反映江道變化對(duì)鹽水入侵的影響。

表4 江道地形與各站潮差相關(guān)分析表

3.4 河口含氯度與影響因素的定量關(guān)系

上述分析可知，河口的含氯度與潮差、江道容積呈正比，與徑流呈反比，潮差越大、江道容積越大、徑流量越小，含氯度越高。因此，河口某一點(diǎn)的含氯度與影響因素的關(guān)系可由下式表示：

式（3）中：S為河口某一點(diǎn)的含氯度，g/L；ΔZ為潮差，m；Vq為江道容積，億m3；Q為徑流量，m3/s。

前述分析可知，江道容積與各站潮差呈強(qiáng)烈正相關(guān)，表明潮差和江道容積是強(qiáng)相關(guān)項(xiàng)，因潮差易于測(cè)量，故公式（3）中將江道容積項(xiàng)去除，則公式（3）可簡(jiǎn)化為：

杭州取水口河段的鹽水入侵程度通常以七堡站的含氯度作為參考指標(biāo)。為進(jìn)一步量化河口含氯度與潮差、徑流的關(guān)系，以七堡站為代表，采用2000—2020 年的實(shí)測(cè)資料對(duì)七堡站含氯度與徑流、潮差的關(guān)系通過(guò)回歸分析進(jìn)行二元非線性公式擬合，經(jīng)嘗試多種公式形式后，發(fā)現(xiàn)指數(shù)型式擬合度最好，公式形式為：擬合公式如下：

式（5）～（6）中：S1、S2分別為七堡站月均含氯度、月最大含氯度，g/L；ΔZ1、ΔZ2分別為七堡站月均潮差、月最大潮差，m；Q為上游月均徑流量，m3/s。

4 結(jié) 論

1）月時(shí)間尺度下，各站含氯度與徑流量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，其中七堡、倉(cāng)前站可達(dá)強(qiáng)相關(guān)或中等程度相關(guān)，鹽官站的相關(guān)性較差；各站含氯度與潮差呈正相關(guān)關(guān)系，其中七堡站相關(guān)性最好，倉(cāng)前站次之，鹽官站較差，相關(guān)性隨著徑流量的降低逐漸增強(qiáng)；各站含氯度與江道容積呈正相關(guān)關(guān)系，但相關(guān)關(guān)系較差。

2）江道容積與各站潮差呈正相關(guān)關(guān)系，其中七堡、倉(cāng)前站可達(dá)強(qiáng)相關(guān)，表明潮差不僅可反映外海潮汐的變化，還可以反映河口段的江道變化，故在一定程度上也可以反映江道變化對(duì)鹽水入侵的影響。

3）以七堡站為例，采用2000—2020 年間實(shí)測(cè)資料建立了含氯度與影響因素的回歸公式，公式呈指數(shù)型，七堡站月均含氯度、月最大含氯度可由其月均潮差、月最大潮差及上游月均徑流量進(jìn)行定量計(jì)算。