張杰

(廣東省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，廣東廣州510635)

近年來(lái)，珠江三角洲地區(qū)臺(tái)風(fēng)災(zāi)害頻繁，相繼發(fā)生了“妮妲”“天鴿”“山竹”等臺(tái)風(fēng)，造成了洪澇災(zāi)害，影響社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。珠江三角洲地區(qū)的潮汐特征近年也越來(lái)越受到相關(guān)學(xué)者的關(guān)注。韓龍喜等[1]研究采砂引起的河道演變對(duì)珠江三角洲水情的影響；歐素英等[2]建立徑流和潮汐相互作用模型研究珠江徑流量與潮汐變化的關(guān)系；岳遠(yuǎn)征等[3]分析了珠江三角洲強(qiáng)降雨對(duì)潮汐的影響；申其國(guó)等[4]建立珠江口潮流數(shù)學(xué)模型研究珠江三角洲潮流變化特征；劉俊勇[5]從河網(wǎng)動(dòng)力的角度分析潮位變化。

廣州市是廣東省省會(huì)、國(guó)家中心城市，地處珠江三角洲中北部，接近流域下游入?？凇＞硟?nèi)主要河流有珠江廣州河道、流溪河、白坭河、蘆苞涌、增江等30條骨干河流水道。廣州既受北江、西江、東江、流溪河洪水的影響，又受伶仃洋的潮汐作用，洪(潮)混雜，流態(tài)復(fù)雜，存在洪水、暴雨和臺(tái)風(fēng)暴潮“兩碰頭”的風(fēng)險(xiǎn)，歷來(lái)是洪(潮)、臺(tái)風(fēng)暴潮和內(nèi)澇多發(fā)之地[6]。潮位主要受上游洪水及臺(tái)風(fēng)暴潮影響。

2018年9月16日，“山竹”臺(tái)風(fēng)登陸珠三角，給廣州造成嚴(yán)重災(zāi)害損失。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，珠江廣州河道水位達(dá)到或超過(guò)1 000年一遇設(shè)計(jì)洪(潮)水位，創(chuàng)歷史最高。根據(jù)近40 a的潮位統(tǒng)計(jì)，珠江廣州河道洪(潮)水位不斷升高，尤其是近10 a水位屢創(chuàng)新高[7]。鑒此，本文基于廣州市珠江河口主要潮位站點(diǎn)水文資料，借助Mann-Kendall 法分析潮位變化特征，以期為水利工程管理部門制定區(qū)域防洪治澇規(guī)劃與管理提供一定的科學(xué)參考。

1 研究資料與方法

1.1 研究資料

考慮到“山竹”臺(tái)風(fēng)造成的內(nèi)澇災(zāi)害主要分布在廣州城區(qū)，選取位于前航道上的中大站、黃埔站作為本次研究的數(shù)據(jù)。潮位站點(diǎn)及資料情況，見(jiàn)表1。

表1 潮位站點(diǎn)及資料情況

1.2 研究方法

一般而言，趨勢(shì)是水文序列中的主要成分之一[8]。Mann-Kendall 法是一種不考慮樣本分布形態(tài)的非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法，可定量檢測(cè)水文序列變化趨勢(shì)，并能識(shí)別出水文序列突變所在位置[9-10]，其計(jì)算步驟[11]如下。

Step1檢測(cè)徑流變化趨勢(shì)時(shí)，構(gòu)造徑流序列ri(i=1,2,…,n)的統(tǒng)計(jì)量S和檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量Z：

(1)

(2)

(3)

在趨勢(shì)分析時(shí)，Z>0，序列呈增加變化；Z<0，序列呈減少變化。若|Z|≥Z1-0.5α，序列變化顯著。當(dāng)顯著性水平α分別取0.1、0.05和0.01時(shí)，Z1-0.5α依次對(duì)應(yīng)1.64、1.96、2.58。

Step2識(shí)別序列突變所在位置時(shí)，構(gòu)造序列ri(i=1,2,…,n)的統(tǒng)計(jì)量dn、UFn和UBn'：

(4)

(5)

式中mi——rj>ri(2≤i≤j) 的累積數(shù)。

UBn'=-UFn

在突變分析時(shí)，UFn>0，序列呈增加變化；UFn<0,序列呈減少變化；若曲線UFn和UBn'在臨界區(qū)間內(nèi)存在交匯點(diǎn)，則交匯點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的時(shí)刻即為突變發(fā)生的時(shí)間[12-13]。當(dāng)置信度α分別取0.1、0.05和0.01時(shí)，U0.5α依次對(duì)應(yīng)1.64、1.96、2.58。

2 結(jié)果與分析

2.1 年最高潮位年際變化特征

2.1.1年最高潮位年際過(guò)程及變化趨勢(shì)

圖1為廣州市珠江河口代表潮位站中大站、黃埔站年最高潮位年際過(guò)程。由圖1可知：①?gòu)V州珠江河口地區(qū)年最高潮位年際間波動(dòng)較大，且近2 a有增大趨勢(shì)；②線性趨勢(shì)顯示，中大站年最高潮位增加速率為0.088 m/10a，黃埔站年最高潮位增加速率為0.067 m/10a；③采用Mann-Kendall 法對(duì)年最高潮位進(jìn)行變化趨勢(shì)分析，結(jié)果顯示，中大站Z值為1.81，表明其年最高潮位呈上升變化趨勢(shì)，且在90%的置信水平下趨勢(shì)顯著；黃埔站Z值為1.33，表明其年最高潮位呈微弱上升變化趨勢(shì)，見(jiàn)表2。

圖2 為年最高潮位距平，可知受臺(tái)風(fēng)影響年出現(xiàn)極高潮位，而該值顯著高于多年平均，其中2017、2018年兩潮位站的高潮位分別超過(guò)多年平均最高潮位0.58、1.10 m和0.79、0.97 m。

a) 中大站

b) 黃埔站圖1 年最高潮位年際過(guò)程

站點(diǎn)統(tǒng)計(jì)值Z趨勢(shì)顯著性中大1.81增加顯著,0.1水平黃埔1.33增加不顯著

圖2 年最高潮位距平

2.1.2年最高潮位年際突變特征

年最高潮位Mann-Kendall 法突變檢驗(yàn)分析結(jié)果，見(jiàn)圖3。由圖3可知：①中大站年最高潮位的UFn曲線在1974—2018年期間內(nèi)均沒(méi)有突破0.05顯著性水平線，說(shuō)明變化趨勢(shì)不顯著，在1987—1993年，UFn<0，年最高潮位呈減小趨勢(shì)，其他年份UFn統(tǒng)計(jì)量基本大于0，年最高潮位呈增大趨勢(shì)；黃埔站年最高潮位的UFn曲線在1980年突破了0.01顯著性水平線，并在1988年達(dá)到最小值(-2.85)，1977—1993年曲線在0.05顯著水平線上下擺動(dòng)，說(shuō)明1977年以前黃埔站年最高潮位減小趨勢(shì)明顯，2009年以后UFn統(tǒng)計(jì)量大于0，說(shuō)明2009年以后UFn黃埔站年最高潮位有增大趨勢(shì)，但趨勢(shì)不明顯;②在0.05顯著水平臨界區(qū)間內(nèi)，中大站年最高潮位的曲線UFn曲線與UBn'多次相交，統(tǒng)計(jì)時(shí)段內(nèi)相交的年份為2005、2006、2008、2010、2017年，說(shuō)明在這些年份中大站年最高潮位發(fā)生突變。

a) 中大站

b) 黃埔站圖3 年最高潮位Mann-Kendall 法突變檢驗(yàn)

2.2 年平均高潮位趨勢(shì)分析

2.2.1平均高潮位統(tǒng)計(jì)分析

珠江三角洲潮汐屬不規(guī)則半日潮，同時(shí)存在半月潮不等、年不等現(xiàn)象。月內(nèi)有朔、望大潮及上、下弦小潮[14]。根據(jù)實(shí)測(cè)平均高潮位數(shù)據(jù)，中大站、黃埔站多年平均高潮位分別為0.88、0.77 m，年際變化較小，中大站年平均高潮位最大出現(xiàn)在2001、2012年，為0.97 m；最小年為1987、1991年，年平均高潮位為0.81 m；黃埔站年平均高潮位最大出現(xiàn)在2016年，為0.94 m；最小年為1969、1977年，年平均高潮位為0.71 m。對(duì)兩站各年代年平均高潮位進(jìn)行距平分析，見(jiàn)表3。由表3可見(jiàn)，中大站年平均高潮位距平值在20世紀(jì)80、90年代為負(fù)值，其后年份為正值；黃埔站平均高潮位距平值在2000年以前為負(fù)值，2000年以后為正值，呈現(xiàn)出一定的變化趨勢(shì)。

表3 各年代平均高潮位統(tǒng)計(jì)

a) 中大站

b) 黃埔站圖4 歷年月平均高潮位過(guò)程

相比于年最高潮位受臺(tái)風(fēng)因素影響、低潮受河川徑流和水利工程影響，年平均高潮位更能反映海平面變化[15]。將中大站、黃埔站歷年月平均高潮位點(diǎn)繪成圖，見(jiàn)圖4。中大站1974年以來(lái)平均高潮位圍繞平均值上下波動(dòng)，且這種波動(dòng)無(wú)明顯的趨勢(shì)；黃埔站從1967年以來(lái)平均高潮位總體呈現(xiàn)波動(dòng)上升趨勢(shì)。

2.2.2平均高潮位Mann-Kendall 法檢驗(yàn)

對(duì)兩潮位站年平均高潮位數(shù)據(jù)系列采用Mann-Kendall 法檢測(cè)分析，計(jì)算相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)值Z，中大站的Z值為0.76，其年平均高潮位呈微弱增加趨勢(shì)；黃埔站的Z值為4.45，其年平均高潮位呈增加趨勢(shì)，顯著水平達(dá)99%，見(jiàn)表4。

表4 年平均高潮位變化趨勢(shì)Mann-Kendall 法檢驗(yàn)結(jié)果

年平均潮位Mann-Kendall 法突變檢驗(yàn)分析結(jié)果，見(jiàn)圖5，可知：①中大站年平均潮位的UFn曲線在1987—1997年突破0.01顯著性水平線，說(shuō)明中大站年平均潮位在1987—1997年減小趨勢(shì)顯著，2012年以后有增大趨勢(shì)；黃埔站年平均高潮位的UFn曲線在2012年突破了0.01顯著性水平線，說(shuō)明年平均高潮位2012年以后有顯著增加趨勢(shì)；②在0.01顯著水平臨界區(qū)間內(nèi)，中大站年平均潮位的UFn曲線與UBn′曲線2次相交，統(tǒng)計(jì)時(shí)段內(nèi)相交的年份為2008、2014年，說(shuō)明在這些年份中大站年最高潮位發(fā)生突變；在統(tǒng)計(jì)時(shí)段內(nèi)，黃埔站年平均潮位的UFn曲線與UBn′曲線交匯發(fā)生在2008年，說(shuō)明黃埔站年平均潮位突變發(fā)生在2008年。

a) 中大站圖5 年平均高潮位Mann-Kendall 法突變檢驗(yàn)

b) 黃埔站續(xù)圖5 年平均高潮位Mann-Kendall 法突變檢驗(yàn)

3 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)廣州市珠江河口中大、黃埔潮位站高潮位資料分析，得出如下結(jié)論。

a) 中大站年最高潮位呈顯著增加趨勢(shì)，達(dá)到90%置信水平；黃埔站年最高潮位呈不顯著增加趨勢(shì)；中大站年最高潮位存在多個(gè)突變點(diǎn)，分布在統(tǒng)計(jì)時(shí)段的后期，說(shuō)明近年來(lái)年最高潮位受氣候變化及人類活動(dòng)干擾較為強(qiáng)烈。

b) 中大站年平均潮位呈不顯著增加趨勢(shì)；黃埔站年平均潮位呈顯著增加趨勢(shì)，達(dá)到99%置信水平；中大站年平均潮位在1987—1997年減小趨勢(shì)顯著，2012年以后有增大趨勢(shì)；黃埔站年平均高潮位2001年開(kāi)始呈增加趨勢(shì)，隨后在2008年產(chǎn)生突變，2012年以后增加趨勢(shì)顯著。

沿海地區(qū)潮位變化趨勢(shì)直接會(huì)影響到堤防安全、供水安全，高潮位變化趨勢(shì)對(duì)三角洲河網(wǎng)地區(qū)洪潮遭遇、洪潮水面線、咸潮上溯的影響尚需進(jìn)一步研究。