孔 蘭，陳曉宏

(1.中山大學水資源與環(huán)境研究中心,廣東廣州 510275；2.華南地區(qū)水循環(huán)和水安全廣東普通高校重點實驗室,廣東廣州 510275；3.中水珠江規(guī)劃勘測設計有限公司,廣東廣州 510610)

珠江口咸潮影響因素分析

孔 蘭1，2，3，陳曉宏1，2

(1.中山大學水資源與環(huán)境研究中心,廣東廣州 510275；2.華南地區(qū)水循環(huán)和水安全廣東普通高校重點實驗室,廣東廣州 510275；3.中水珠江規(guī)劃勘測設計有限公司,廣東廣州 510610)

對珠江口平崗泵站和聯石灣水閘兩個代表站咸潮與流量、潮差、潮水位、海平面、氣象等影響因素的響應規(guī)律采用集對分析和非參相關分析方法進行了研究,結果表明：①珠江口咸潮的主要影響因素為流量、最低潮位和海平面,潮差、風級為次要影響因素；①平崗泵站和聯石灣水閘咸潮對各影響因素的敏感性具有差異性,平崗泵站咸湖對流量更敏感,聯石灣水閘咸潮對海平面、最低潮位、潮差和最高潮位的敏感性大于平崗泵站；③未來全球氣候還將持續(xù)變暖,珠江流域枯水徑流變化復雜,珠江口海平面上升速度在加快,應加強珠江口咸潮變化機理的研究。

珠江口；咸潮；海平面；流量；潮差；潮水位；風級

咸潮一般是指沿海地區(qū)海水通過河流或其他渠道倒流進內陸區(qū)域后,水中的鹽分仍然達到或超過250mg/L的自然災害。珠江口是我國改革開放的前沿地帶,城市化程度較高。咸潮對珠江口地區(qū)城市工業(yè)布局及其發(fā)展、生活用水和灌溉用水都具有重要影響[1-5]?！?012年中國海平面公報》分析結果顯示:20世紀全球海平面平均上升1～2mm/a。自1970年代以來,大洋增溫和陸源冰川融化對全球海平面上升的貢獻為70%～80%；自1990年代以來,極地冰蓋融化的貢獻率有所增加?！?013年中國海平面公報》海平面監(jiān)測和分析結果表明:中國沿海海平面變化總體呈波動上升趨勢；1980—2013年,中國沿海海平面上升速率為2.9mm/a,高于全球平均水平。2013年,中國沿海海平面較常年高95mm,較2012年低27 mm,為1980年以來的第二高位。1993—2011年期間,全球海平面上升速率為2.8～3.2mm/a,同期中國近海海平面上升速率為3.7 mm/a。研究顯示海平面上升會導致珠江口咸潮強度增加,咸潮上溯的強度過大、持續(xù)時間過長就會造成供水危機,形成“咸害”[6-10]。目前,鮮有學者利用集對分析、非參相關分析法進行珠江口咸潮影響因素分析,筆者采用集對分析、非參相關分析法對珠江口咸潮影響因素進行對比分析,識別咸潮與流量、潮水位、海平面、氣象等影響因素的綜合響應規(guī)律,旨在為保障珠江口地區(qū)的供水安全提供參考。

1 研究方法

1.1 集對分析

引入趙克勤提出的一種不確定性理論——集對分析(set pair analysis,簡記為SPA)研究珠江口咸潮與各影響因素的相關關系。集對分析是一種處理不確定性系統(tǒng)的分析方法,具有確定性和不確定性結合、定性與定量相結合的特點,應用廣泛[11-13]。集對分析是對系統(tǒng)作同異反定量刻畫和研究的一種系統(tǒng)分析方法,其核心思想是先對不確定系統(tǒng)中的兩個關聯的集合構造集對,再對集對的特性作同一性、差異性和對立性分析,然后建立集對的同異反聯系度。

所謂集對就是具有一定聯系的兩個集合A和集合B所組成的對子。對于給定的2個集合組成的集對H=(A,B),在具體問題背景下,對集對H的特性展開系統(tǒng)分析,可以找出兩個集合共有的特性、對立的特性和既非共有又非對立的差異特性,并建立在該問題下的同異反聯系度μA～B,其表達式為

式中:S為集對H中兩個集合共有的特性個數；F為集對H中兩個集合差異的特性個數；P為集對H中兩個集合對立的特性個數；N為集對H中兩個集合的特性個數；S/N、F/N、P/N分別為兩個集合在某一問題下的同一度、差異度、對立度；i為差異度系數,規(guī)定在[-1,1]區(qū)間內視不同情況取值；j為對立度系數,規(guī)定j取值-1。令a=S/N,b=F/N,c=P/ N,則式(1)也可以簡寫為

顯然,a、b、c都滿足歸一化條件:a+b+c=1。

在聯系度中,a代表正相關關系；b代表既非正又非負的不確定的相關關系；c代表負相關關系。若a＞c,且a＞b,表示兩變量存在正的相關關系；若c＞a,且c＞b,表示兩變量存在負相關關系；若b最大,表示兩變量間主要存在不確定相關關系,其中a＞c表示兩變量還存在弱的正相關關系,c＞a表示兩變量還存在弱的負相關關系。利用集對分析的聯系度能清晰地刻畫兩變量間的相關關系,并能根據a、b、c判斷正、負相關性和不確定的相關性。聯系度從微觀層次上揭示出集合A和集合B的正、負相關和不確定相關情況,利于從宏觀角度分析A和B的總體相關性。

集對分析采用標準化數據,區(qū)間劃分時將集合劃分成大、中、小3級,即(-∞,EX-0.5s]、(EX-0.5s,EX+0.5s)、[EX+0.5s,+∞),EX、s分別代表集合中各元素的均值和標準差。

1.2 非參相關分析法

本研究使用Kendall相關分析方法,Kendall taub是一種對兩個有序變量或兩個秩變量間關系程度的測度,屬于非參測度,分析時考慮了結點(秩次相同的)影響。相關系數沒有單位,其取值范圍為[-1,1],絕對值越大,表明相關性越強,相關系數為正表示正相關,反之為負相關。計算公式為

式中:ti和ui分別為x和y的第i組結點的數目；n為觀測量數。

兩個或若干變量之間或兩組變量之間的關系,有時也可以用相似性或不相似性來描述。相似性測度用大數值表示很相似,較小的數值表示相似性小。不相似性使用距離來描述,大值表示相差甚遠。

2 計算與分析

珠江水經虎門、蕉門、洪奇門、橫門、磨刀門、雞啼門、虎跳門及崖門等8大口門注入南海(圖1)。8大口門之冠的磨刀門為西江干流出?？?年徑流量占珠江入海徑流總量的28.3%,是珠海、中山、澳門等城市和地區(qū)的主要供水水源地。在磨刀門水道上為珠海、澳門等地區(qū)供水的取水口主要包括平崗泵站、聯石灣水閘等,平崗泵站和聯石灣水閘距離磨刀門出?？诜謩e約40、20km。本研究主要利用咸潮強度大、代表性強的2009—2010年枯水期逐日實測資料,流量、潮位、潮差、海平面、咸度等資料來自于中華人民共和國水文年鑒珠江流域水文資料、水利部珠江水利委員會、廣東省水文局、國家海洋局、水資源公報等,其中咸度超標時間是指鹽度達到或大于250mg/L的小時數,流量資料利用西江梧州、北江石角站逐日流量資料計算得到,潮位、潮差、海平面利用三灶潮位站逐日資料計算。

圖1 珠江口水系示意圖

表1 Kendall相關系數

利用集對分析理論分析計算,得到平崗泵站咸度超標時數和各影響因子的聯系度表達式如下:

式中,μ11～μ16分別為平崗泵站咸度超標時數與流量、海平面、潮差、最低潮位、最高潮位、風級的聯系度。

由于b最大,說明差異度最大,表示兩變量間主要存在不確定相關關系,說明平崗咸潮與所選6個影響因子都呈不確定關系；咸潮與流量、咸潮與潮差關系式中c＞a,說明差異度大于同一度,表示有弱的負相關關系；咸潮與海平面、風級、最低潮位、最高潮位關系式中a＞c,說明同一度大于對立度,表示有弱的正相關關系。

聯石灣水閘咸度超標時數和各影響因子的聯系度如下:

式中:μ21～μ26分別為聯石灣水閘咸度超標時數與流量、海平面、潮差、最低潮位、最高潮位、風級等的聯系度。

聯石灣咸潮與海平面同一度a=0.46、a＞b、a＞c,說明呈正相關關系；聯石灣咸潮與流量、潮差、最低潮位、最高潮位、風級等影響因素呈不確定關系,其中聯石灣咸潮與流量和潮差呈弱的負相關關系,聯石灣咸潮與風級、最低潮位和最高潮位呈弱的正相關關系。

對珠江口枯水期咸潮強度與主要影響因素非參相關分析結果見表1。由表1可見:平崗泵站、聯石灣水閘咸度超標時數與流量呈高度負相關,信度為99%,與潮差也呈負相關關系；平崗泵站、聯石灣水閘咸度超標時數與最小潮位、海平面、最大潮位、風級都呈正相關關系；對平崗泵站、聯石灣水閘咸度超標時數影響最大的為流量,其次為最低潮位和海平面、再次為風級。三灶最低潮位對平崗泵站超標時數的影響大于海平面的影響,而聯石灣水閘超標時數受海平面的影響略大于三灶最低潮位。因此,咸潮的主要影響因素為流量、三灶最低潮位和海平面,珠江河口風級與咸潮相關性較小,為次要影響因素,研究也表明,非參相關分析與集對分析兩種方法分析結果是基本一致的。

因此,咸潮活動與徑流、潮汐、海平面、天氣等因素密切相關。有學者研究[14-15]發(fā)現,影響河口區(qū)咸潮的諸多因素中,流量是主要的甚至是決定性的因素,咸潮與流量呈負相關關系,在全球氣候變暖的大背景下我國極端天氣氣候事件增多、增強,2009—2010年枯水期珠江流域遭遇歷史罕見的降雨稀少、河道徑流銳減形勢,加劇了咸潮危害[16-20]。由于海平面上升,潮差增大,咸潮上溯距離也加大。所以,海平面上升也是2009—2010年枯水期強咸潮形成的重要原因[21-22]。

3 結 論

a.珠江口咸潮與徑流、潮差呈負相關關系,與海平面、最低潮位、最高潮位和風呈正相關關系。珠江口咸潮的主要影響因素為流量、最低潮位和海平面,珠江河口潮差、風級與咸潮相關性較小,為次要影響因素。

b.平崗泵站和聯石灣水閘咸潮對各影響因素的敏感性存在差異。平崗泵站與流量相關性更好,說明對流量更敏感,聯石灣水閘與海平面、最低潮位、潮差和最高潮位的敏感性大于平崗泵站,亦說明靠近河口區(qū)的聯石灣水閘受潮汐影響更大。

c.未來全球氣候還將持續(xù)變暖,珠江流域枯水徑流出現的概率及枯水嚴重程度如何,需要進一步加強在更長時間序列上珠江流域枯水出現規(guī)律及原因的研究。珠江口海平面上升速度在加快,應探討海平面上升對咸潮影響的規(guī)律。磨刀門水道的咸潮變化還受其他因素的影響,如地面沉降、河口延伸、波浪疊加、河道地形、聯圍筑閘等因素,咸潮活動機理復雜,還有待于深入研究。

[1]PRESSF.What Iwould advise a head of state about global

change[J].Earth Quest,1989,3(2):1-2.

[2]GOOR M A,ZITMAN T J,WANG Z B.Impact of sea-level rise on the morphological equilibrium state of tidal inlets [J].Marine Geology,2003,202:211-227.

[3]VALVERDE H R,TREMBANIS A C,PILKEY O H. Summary of beach nourishment episodes on the U.S.East Coast barrier islands[J].J Coastal Res,1999:15,1100-1118.

[4]孔蘭,陳曉宏,劉斌,等.咸潮影響下磨刀門水道取淡時機初探[J].水資源保護,2011,27(6):24-27.(KONG Lan,CHEN Xiaohong,LIU Bin,et al.A preliminary study on taking water time under the influence of saltwater intrusion in the Modaomen channel[J].Water Resources Protection,2011,27(6):24-27.(in Chinese))

[5]劉斌,孔蘭,劉麗詩.基于主成分分析的磨刀門水道咸潮影響因素研究[J].人民珠江,2012,33(6):24-26. (LIU Bin,KONG Lan,LIU Lishi.Study on the influential factors of saltwater intrusion in the Modaomen channel based on the analysis of principal components[J].Pearl River,2012,33(6):24-26.(in Chinese))

[6]HAQUE C E.Atmospheric hazards preparedness in Bangladesh:a study of warning,adjustments and recovery from the April 1991 cyclone[J].Natural Hazards,1997, 16:181-202.

[7]FLATHER R A.A storm surge prediction model for the Northern Bay of Bengal with application to the cyclone disaster in April 1991[J].Journal of Physical Oceanography,1994:24,:172-190.

[8]AZAM M H,SAMAD M A,KABIR M.Effect of cyclone tract and landfall angle on the magnitude of storm surges along the coast of Bangladesh in the northern Bay of Bengal[J].Coastal Engineering Journal,2004,46(3): 269-290.

[9]UNNIKRISHNAN A S,KUMAR K R,FERNANDESSE, et al.Sea level changes along the Indian Coast:observation and projections[J].Current Science,2006,90(3):362-368.

[10]MATTHEWatthew JP.COOPERR M D.BEEVERSM O. The potential impacts of sea level rise on the coastal region of New Jersey,USA[J].Climatic Change,2008,90(4): 475-492.

[11]趙克勤,宣愛理.集對論:一種新的不確定性理論方法與應用[J].系統(tǒng)工程,1996,14(1):18-23.(ZHAO Keqin,XUAN Aili.Set pair theory:a new theorymethod of non-define and its applications[J].System Engineering, 2009,64(3):270-277.(in Chinese))

[12]趙克勤.集對分析中聯系數與不確定量[J].大自然探索,1997,16(2):91.(ZHAO Keqin.Climate change: connection number and uncertainty of set pair analysis [J].Exploration of Nature,1997,16(2):91.(in Chinese))[13]謝平,陳曉宏,王兆禮,等.東江流域實際蒸發(fā)量與蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的對比分析[J].地理學報,2009,64(3): 270-277.(XIE Ping,CHEN Xiaohong,WANG Zhaoli,et al.Comparison of actual evapotranspiration and pan evaporation[J].Acta Geographic Sinica,2009,64(3): 270-277.(in Chinese))

[14]沈煥庭,茅志昌,朱建榮.長江河口鹽水入侵[M].北京:海洋出版社,2003.

[15]聞平.珠江三角洲咸潮入侵機理研究[D].廣州:中山大學,2006.

[16]許小峰,王守榮,任國玉,等.氣候變化應對戰(zhàn)略研究[M].北京:氣象出版社,2006:24-27.

[17]秦大河.氣候變化:區(qū)域應對與防災減災[M].北京:科學出版社,2009:1-46.

[18]秦大河,羅勇,陳振林,等.氣候變化科學的最新進展: IPCC第四次評估綜合報告解析[J].氣候變化研究進展,2007,3(6):311-314.(QIN Dahe,LUO Yong,CHEN Zhenlin,etal.Latest advances in climate change sciences: interpretation of the synthesis report of the IPCC fourth assessment report[J].Advances in Climate Change Research,2007,3(6):311-314.(in Chinese))

[19]陳志愷.全球變暖對水資源的影響[J].中國水利,2007 (8):1-3.(CHEN Zhikai.The impact of globe warming to water resources[J].China Water Resources,2007(8): 1-3.(in Chinese))

[20]王素萍,段海霞,馮建英.2009/2010年冬季全國干旱狀況及其影響與成因[J].干旱氣象,2010,28(1):107-112.(WANG Suping,DUAN Haixia,FENG Jianying.The whole Chinese drought and its impact and causes during 2009—2010 winter[J].Journal of Arid Meteorology, 2010,28(1):107-112.(in Chinese))

[21]孔蘭,陳曉宏,聞平,等.2009/2010年枯水期珠江口磨刀門水道強咸潮分析[J].自然資源學報,2011,26 (11):1858-1865.(KONG Lan,CHEN Xiaohong,WEN Ping,et al.Analysis on severe saltwater intrusion of the Pearl River Estuary in dry season during2009—2010[J]. Journal of Natural Resources,2011,26(11):1858-1865. (in Chinese))

[22]孔蘭,陳曉宏,杜建,等.基于數學模型的海平面上升對咸潮上溯的影響[J].自然資源學報,2010,25(7): 1097-1104.(KONG Lan,CHEN Xiaohong,DU Jian,et al. Impact of sea-level rise on saltwater intrusion based on mathematicalmodel[J].Journal of Natural Resources, 2010,25(7):1097-1103.(in Chinese))

Analysis on the influence factors of saltwater in Pearl River Estuary

KONG Lan1,2,3,CHEN Xiaohong1,2
(1.Research Center ofWater Resources and Environment,SunYat-sen University,Guangzhou 510275,China；2.Key Laboratory ofWater Recycle and Water Security ofGuangdong Higher Education Institutes in Southern China, SunYat-sen University,Guangzhou 510275,China；3.China Water Resources Pearl River Planning Surveying&Designing Co.,Ltd.,Guangzhou 510610,China)

Several saltwater influential factors including flow,tidal range,tidal level,sea level,climate,etc.at the two representative stations of Pinggang pump station and Lianshiwan station in Pearl River Estuary were researched,using set pair analysis and nonparametric correlation analysismethods.The results showed that:(1)In the Pearl River Estuary,themain influential factors to saltwater are flow,lowest tide level and the sea level.The tidal range and wind are secondary influential factors.(2)There are differences in the sensitivity of saltwater influential factors between Pinggang pumping station and Lianshiwan station.It ismore sensitive to flow at Pinggang pumping station and more sensitive to sea level,the lowest tidal level,tidal range and the highest tidal level at Lianshiwan station.(3)The global climate continues warming,which makes low flow complex at the Pearl River Basin and sea level rising fast in the Pearl River Estuary.More research should be done on the changingmechanism of saltwater in Pearl River Estuary.

Pearl River Estuary；saltwater；sea level rise；flow；tidal range；tidal level；wind scale

TV213

：A

：1004 6933(2015)06 0094 04

10.3880/j.issn.1004 6933.2015.06.015

2015 06 02 編輯:徐 娟)

國家自然科學基金(51479216,51210013)；水利部公益性行業(yè)科研專項(201401013)；國家科技支撐計劃(2012BAC21B0103)

孔蘭(1973—),女,高級工程師,博士,主要從事水資源與環(huán)境變異、水利水電規(guī)劃、水生態(tài)文明建設等研究。E-mail: konglan2006@126.com

陳曉宏,教授,博士生導師。E-mail:eescxh@mail.sysu.edu.cn