強(qiáng)人類活動驅(qū)動下珠江磨刀門河口潮汐動力增強(qiáng)原因初探

洪鵬鋒，杜文印

(廣東省水文局佛山水文分局，廣東佛山528000)

隨著社會經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，強(qiáng)人類活動(如河道采砂、口門圍墾、航道整治、堤圍加固、河段整治、水庫建設(shè)等)作為河口演變的第三驅(qū)動力已受到河口海岸學(xué)者的廣泛關(guān)注[1]。探究強(qiáng)人類活動驅(qū)動下河口區(qū)感潮河段徑潮動力格局的演變過程及機(jī)制，對河口區(qū)的防洪、航運(yùn)、供水等具有重要的科學(xué)指導(dǎo)意義[2-7]。磨刀門水道是珠江河網(wǎng)的主要入海水道，在強(qiáng)人類活動驅(qū)動下，其水文特性、生態(tài)和地貌情勢已發(fā)生巨大變化，已影響到三角洲經(jīng)濟(jì)和社會建設(shè)與發(fā)展。已有相關(guān)研究主要集中在口門附近[8-14]，本文把磨刀門河口作為一個整體，探討強(qiáng)人類活動驅(qū)動下潮汐動力的演變趨勢及其原因。

1 研究區(qū)域概況

西江是華南地區(qū)最長的河流，為中國第三大河流珠江水系中最長的河流，長度僅次于長江、黃河。航運(yùn)量居中國第二位，僅次于長江。發(fā)源于云南，流經(jīng)廣西，在廣東佛山三水與北江交匯后進(jìn)入西北江三角洲，其是世界上最為復(fù)雜的三角洲，“三江交匯、網(wǎng)河縱橫、洪潮疊加、八口分流”是整個珠江三角水系的特征，磨刀門是最大的出海口。本文主要聚焦磨刀門，研究區(qū)域包括磨刀門水道及西江干流水道，即從上游的馬口水文控制站延伸至下游口門附近燈籠山潮位站，全長約128 km(圖1)。該河段是西江的主要輸水輸沙水道，其水位同時受上游徑流和外海潮汐的影響，屬于典型的感潮河段。磨刀門河口多年平均下泄徑流量居珠江八大口門之首。根據(jù)上游馬口水文控制站1960—2016年的月均流量資料統(tǒng)計，其多年平均徑流量為7 078 m3/s，洪枯季變化大，洪季(4—9月)平均流量達(dá)10 747 m3/s，而枯季平均流量僅為3 410 m3/s。口門潮汐屬不正規(guī)半日潮，日不等現(xiàn)象顯著。根據(jù)口門附近燈籠山站1960—2016年的月均潮差資料統(tǒng)計，其多年平均潮差僅為0.87 m，在八大口門中是最小的。

圖1 研究區(qū)域

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本文收集西江河網(wǎng)區(qū)頂端馬口水文控制站1960—2016年月均流量、水位(余水位)和年均潮差，作為磨刀門河口上游邊界徑潮動力的輸入；同時收集下游口門段燈籠山潮位站相應(yīng)時段的月均水位和年均潮差，作為磨刀門河口下游邊界徑潮動力的輸入。實測資料中的月均余水位定義為月均高潮位ζHW和低潮位ζLW的平均值，即：

(1)

而月均余水位坡度S定義：

(2)

式中 Δz——上下游兩站的余水位差值；Δx——兩站點之間的距離。

2.2 雙累積曲線理論

雙累積曲線(Double Mass Curve，簡稱DMC)方法是目前廣泛用于水文氣象要素一致性或長期演變趨勢分析的常用方法。此方法最早由美國學(xué)者C. F.Merriam 于1937年提出，并用于分析美國Susquehanna流域降雨資料的一致性。所謂雙累積曲線就是在直角坐標(biāo)系中繪制的同期內(nèi)一個變量的連續(xù)累積值與另一個變量連續(xù)累積值的關(guān)系線，它可用于水文氣象要素一致性的檢驗、缺值的插補(bǔ)或資料校正，以及水文氣象要素的趨勢性變化及其強(qiáng)度的分析[15]。雙積累曲線理論提出在相同時段內(nèi)只要給定的2個水文時間序列成正比，那么一個變量的累積值與另一個變量的累積值在直角坐標(biāo)系可用一條直線擬合，其斜率為兩水文要素的比例常數(shù)。如果雙積累曲線的斜率發(fā)生異變，則意味著兩個水文要素之間的比例常數(shù)發(fā)生了改變，斜率發(fā)生異變的點所對應(yīng)的年份就是2個水文要素累積關(guān)系出現(xiàn)異變的時間。在實際操作中，通過繪制雙積累曲線能夠清楚地分辨出斜率是否發(fā)生趨勢性變化及其突變點。前人研究中雙累積曲線的分段擬合常用線性擬合，但由于水文要素之間的非線性關(guān)系及強(qiáng)人類活動的影響干擾，線性擬合效果往往不佳。因此，本文提出采用非線性冪函數(shù)進(jìn)行分段擬合，即：

y=axb+c

(3)

式中x、y——研究的2個水文要素的連續(xù)累積值；a、b、c——基于最小二乘法確定的回歸參數(shù)，其中b可表示兩水文要素關(guān)系的緊密程度，其值越大表明兩水文要素關(guān)系越緊密。

3 結(jié)果分析

3.1 磨刀門河口潮汐動力的長期演變趨勢

潮差是潮汐動力強(qiáng)弱的重要指標(biāo)，可用以研究潮汐動力的長期演變趨勢。圖2為1960—2016年磨刀門河口上游馬口站和下游燈籠山站的年均潮差。由圖2可見，兩站年均潮差均呈現(xiàn)出明顯的階段性變化。根據(jù)西江強(qiáng)人類活動的影響時間段來看，1960—1993年為人類活動強(qiáng)度相度較弱的時期(稱為自然演變期)，此階段馬口站潮差略有抬升，而燈籠山站潮差有所下降，但總體變化幅度不大。1994—2000年為強(qiáng)人類活動作用的高峰期(也可稱為過渡期)，此階段馬口與燈籠山站潮差呈現(xiàn)明顯的增大趨勢，但馬口站潮差增加幅度明顯高于燈籠山站。2001—2016年強(qiáng)人類活動有所減緩(可稱為調(diào)整期)，即在經(jīng)歷強(qiáng)人類活動影響后馬口與燈籠山站年均潮差仍呈增大趨勢但幅度變緩。整體而言，磨刀門河口在強(qiáng)人類活動驅(qū)動下潮汐動力顯著增強(qiáng)，馬口站年均潮差由自然演變期的0.23 m上升至調(diào)整期的0.50 m，而燈籠山站年均潮差由自然演變期的0.84 m上升至調(diào)整期的0.93 m。

a) 馬口站

b) 燈籠山站圖2 馬口站和燈籠山站年均潮差變化

3.2 流量與余水位的雙累積曲線分析

實測數(shù)據(jù)表明西江磨刀門河口在強(qiáng)人類活動驅(qū)動下潮差增大，潮汐動力增強(qiáng)。為揭示磨刀門河口潮汐動力增強(qiáng)的動力學(xué)原因，進(jìn)一步通過雙累積曲線理論探討強(qiáng)人類活動驅(qū)動下流量與余水位(式(1))的關(guān)系演變。余水位是河口區(qū)徑潮相互作用的典型結(jié)果，流量是影響余水位時空變化的主導(dǎo)因素。因此，探究流量與余水位的雙累積曲線變化是探究強(qiáng)人類活動對磨刀門河口潮汐動力演變過程的有效切入點。

將西江馬口站月均徑流量作為參考水文要素，馬口和燈籠山站月均余水位作為被檢驗水文要素，做出2個研究站點的雙累積曲線(圖3)。流量與余水位均做了歸一化處理(即變量減去序列最小值，再除以序列最大值與最小值之差，即無量綱化)，且累積分布擬合曲線采用冪函數(shù)(式(3))。與年均潮差的階段性演變類似，將1994、2000年(即過渡期為1994—2000年，下同)分別作為馬口和燈籠山站階段性異變年份。馬口站調(diào)整期(即2001—2016年)表征流量與余水位的相關(guān)性參數(shù)b明顯減小，由自然演變期的1.07下降至0.87(表1)，表明受強(qiáng)人類活動干擾后流量對余水位時空演變的控制作用有所減弱。下游燈籠山站亦有類似現(xiàn)象，表征流量與余水位的相關(guān)性參數(shù)b由自然演變期的1.10下降至0.86(表1)。

a) 馬口站

b) 燈籠山站圖3 馬口站和燈籠山站無量綱月均流量與無量綱月均余水位的雙累積曲線

由表1可見，馬口與燈籠山站的分段冪函數(shù)擬合參數(shù)b在3個階段的變化趨勢有所不同。馬口站在強(qiáng)人類活動作用下過渡期與調(diào)整期的參數(shù)b呈現(xiàn)持續(xù)減小的變化趨勢，表明強(qiáng)人類活動驅(qū)動背景下相同流量條件下余水位持續(xù)下降；而燈籠山站在強(qiáng)人類活動作用下過渡期與調(diào)整期的參數(shù)b呈現(xiàn)先減小后增大的變化趨勢，即相同流量條件下燈籠山站余水位在過渡期與調(diào)整期的變化趨勢相反。總體而言，強(qiáng)人類活動驅(qū)動下相同流量條件下馬口與燈籠山站的余水位下降且馬口站下降的幅度大于燈籠山站。

表1 基于月均流量與余水位和余水位坡度的分段擬合參數(shù)b

3.3 流量與余水位坡度的雙累積曲線分析

余水位坡度是分析余水位時空分布的主要切入點，根據(jù)式(2)計算得出燈籠山至馬口河段月均余水位坡度，并作出馬口站月均流量與月均余水位坡度的雙累積關(guān)系曲線(圖4)。由圖4可知，馬口至燈籠山站月均余水位坡度在經(jīng)歷過渡時期后呈現(xiàn)明顯下降趨勢，這與馬口、燈籠山站月均余水位的變化趨勢一致，表明強(qiáng)人類活動驅(qū)動下磨刀門河口余水位坡度顯著減小。表征流量與余水位坡度的相關(guān)性的參數(shù)b由自然演變期的1.06下降至0.90，表明受強(qiáng)人類活動干擾后流量對余水位坡度時空演變的控制作用有所減弱。

圖4 燈籠山至馬口河段無量綱月均流量與無量綱月均余水位坡度的雙累積曲線

圖5顯示不同流量條件下磨刀門河口余水位坡度的階段演變。由圖5可見，隨著強(qiáng)人類活動的影響加劇，相同流量條件下燈籠山至馬口河段的余水位坡度逐漸下降，線性擬合的斜率先由1960—1993年的1.88×10-9減小至1994—2000年的1.83×10-9，再減小至2001—2016年的1.24×10-9。統(tǒng)計資料顯示，燈籠山至馬口河段年均余水位坡度由1960—1993年的1.26×10-5減小至2001—2016年的6.84×10-6，降幅達(dá)到45.7%。在一維動量守恒方程中余水位坡度主要與潮平均摩擦項相平衡，余水位坡度減小導(dǎo)致影響潮波傳播的有效摩擦下降，最終導(dǎo)致潮差增大，潮汐動力整體增強(qiáng)。而磨刀門河口余水位坡度減小的主要原因是始于20世紀(jì)80年代的河道采砂引起的河床普遍下切，具體而言，河床上下游不均勻下切導(dǎo)致底床坡度減緩，水面線為適應(yīng)底床坡度變緩唯有通過減緩余水位坡度來實現(xiàn)，從而減小影響潮波傳播的有效摩擦，最終引起潮汐動力增強(qiáng)。

圖5 燈籠山至馬口河段月均余水位坡度隨流量的階段性變化

4 結(jié)論

a) 強(qiáng)人類活動驅(qū)動下磨刀門河口年均潮差呈現(xiàn)明顯的階段性變化，可分為強(qiáng)人類活動前的自然演變期(1960—1993年)、過渡期(1994—2000年)和強(qiáng)人類活動后的調(diào)整期(2001—2016年)。在強(qiáng)人類活動驅(qū)動下，馬口站年均潮差由自然演變期的0.23 m上升至0.50 m，增幅達(dá)到117%。

b) 采用雙累積曲線法對強(qiáng)人類活動驅(qū)動下磨刀門河口潮汐動力增強(qiáng)原因進(jìn)行初步探討。結(jié)果表明，隨著強(qiáng)人類活動的增強(qiáng)，流量對沿程余水位時空演變的控制作用減弱，在同流量條件下馬口、燈籠山站余水位下降，且馬口站余水位降幅大于燈籠山站。

c) 在強(qiáng)人類活動驅(qū)動下，流量對沿程余水位坡度時空演變的控制作用也逐漸減弱，且余水位坡度顯著減小。磨刀門河口年均余水位坡度由自然演變期的1.26×10-5減小至調(diào)整期的6.84×10-6，降幅達(dá)到45.7%。強(qiáng)人類對磨刀門河口地形的改變使得底床坡度減小，水面線為適應(yīng)底床坡度變緩唯有通過減緩余水位坡度來實現(xiàn)，從而減小影響潮波傳播的有效摩擦，最終引起潮汐動力增強(qiáng)。