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(guó)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(zhǎng)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(zhǎng)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(duì)咸潮的應(yīng)對(duì)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(shì)，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(shì)；聞平等[12]通過對(duì)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(shì)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(cè)資料分析，認(rèn)為河口地形變化可能會(huì)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(duì)單場(chǎng)次咸潮事件[17-18]，且研究時(shí)段較短，未能對(duì)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(shí)，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(duì)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(duì)象，在統(tǒng)計(jì)分析1998—2015年磨刀門水道咸潮上溯變化趨勢(shì)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(duì)咸度超標(biāo)時(shí)數(shù)的貢獻(xiàn)率，旨在識(shí)別出造成1998—2015年磨刀門水道咸潮活動(dòng)變化趨勢(shì)的關(guān)鍵要素，為區(qū)域水資源管理及咸潮預(yù)測(cè)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，是西江的主要入海口之一，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(huì)。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(dòng)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(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)。此外，還采用了國(guó)家海平面上升觀測(cè)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(duì)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(hào)；R2i為要素Y的位次序號(hào)。

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(duì)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(shì)。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(zhǎng)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(duì)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(zhǎng)，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(shì)，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(shì)

(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(shì)，且1月的下降幅度較大，約為26 h/a。

此外，值得注意的是，對(duì)比1998—2015年枯水期3場(chǎng)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(duì)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(chǎng)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(shí)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(duì)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(duì)象，采用Spearman秩相關(guān)系數(shù)對(duì)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(shì)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(duì)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(duì)咸潮活動(dòng)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(dòng)力特征。主成分分析結(jié)果表明，咸潮上溯活動(dòng)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(dòng)變化趨勢(shì)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(dòng)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(dòng)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(shì)對(duì)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(duì)咸潮上溯活動(dòng)的變化起重要作用。但進(jìn)一步對(duì)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(cè)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(dòng)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(huì)每年均會(huì)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(dòng)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(shì)，水利部珠江水利委員會(huì)利用上游的骨干水庫(kù)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(dòng)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(shì)的原因除了受到自然要素的影響外，還受到了人為活動(dòng)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(dòng)變化趨勢(shì)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(duì)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(dòng)力，導(dǎo)致咸潮上溯距離整體向上游移動(dòng)，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(duì)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(duì)應(yīng)枯水期的咸度超標(biāo)時(shí)數(shù)卻比上一年下降?？紤]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(duì)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(dòng)的干擾。正如前文所提，水利部珠江水利委員會(huì)自2005年起實(shí)施了一系列的調(diào)水壓咸活動(dòng)，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(duì)比

綜上所述，1998—2015年咸潮上溯活動(dòng)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(dòng)。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(dòng)近幾年出現(xiàn)下降趨勢(shì)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(duì)咸潮上溯的影響有增強(qiáng)的趨勢(shì)。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(duì)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(dòng)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(shì)，下降幅度約為63 h/a，有利于緩解上游調(diào)水應(yīng)對(duì)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(shì)與年際變化趨勢(shì)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(dòng)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(shì)的原因除了自然因素外，還包括調(diào)水壓咸等人為活動(dòng)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(huì)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(shí)別引起咸潮變化的關(guān)鍵因素，對(duì)咸潮災(zāi)害的控制及預(yù)報(bào)有重要的現(xiàn)實(shí)意義。