广州市珠江河口高潮位变化特征分析

张杰

(广东省水利电力勘测设计研究院，广东广州510635)

近年来，珠江三角洲地区台风灾害频繁，相继发生了“妮妲”“天鸽”“山竹”等台风，造成了洪涝灾害，影响社会经济发展。珠江三角洲地区的潮汐特征近年也越来越受到相关学者的关注。韩龙喜等[1]研究采砂引起的河道演变对珠江三角洲水情的影响；欧素英等[2]建立径流和潮汐相互作用模型研究珠江径流量与潮汐变化的关系；岳远征等[3]分析了珠江三角洲强降雨对潮汐的影响；申其国等[4]建立珠江口潮流数学模型研究珠江三角洲潮流变化特征；刘俊勇[5]从河网动力的角度分析潮位变化。

广州市是广东省省会、国家中心城市，地处珠江三角洲中北部，接近流域下游入海口。境内主要河流有珠江广州河道、流溪河、白坭河、芦苞涌、增江等30条骨干河流水道。广州既受北江、西江、东江、流溪河洪水的影响，又受伶仃洋的潮汐作用，洪(潮)混杂，流态复杂，存在洪水、暴雨和台风暴潮“两碰头”的风险，历来是洪(潮)、台风暴潮和内涝多发之地[6]。潮位主要受上游洪水及台风暴潮影响。

2018年9月16日，“山竹”台风登陆珠三角，给广州造成严重灾害损失。监测数据显示，珠江广州河道水位达到或超过1 000年一遇设计洪(潮)水位，创历史最高。根据近40 a的潮位统计，珠江广州河道洪(潮)水位不断升高，尤其是近10 a水位屡创新高[7]。鉴此，本文基于广州市珠江河口主要潮位站点水文资料，借助Mann-Kendall 法分析潮位变化特征，以期为水利工程管理部门制定区域防洪治涝规划与管理提供一定的科学参考。

1 研究资料与方法

1.1 研究资料

考虑到“山竹”台风造成的内涝灾害主要分布在广州城区，选取位于前航道上的中大站、黄埔站作为本次研究的数据。潮位站点及资料情况，见表1。

表1 潮位站点及资料情况

1.2 研究方法

一般而言，趋势是水文序列中的主要成分之一[8]。Mann-Kendall 法是一种不考虑样本分布形态的非参数统计检验方法，可定量检测水文序列变化趋势，并能识别出水文序列突变所在位置[9-10]，其计算步骤[11]如下。

Step1检测径流变化趋势时，构造径流序列ri(i=1,2,…,n)的统计量S和检验统计量Z：

(1)

(2)

(3)

在趋势分析时，Z>0，序列呈增加变化；Z<0，序列呈减少变化。若|Z|≥Z1-0.5α，序列变化显著。当显著性水平α分别取0.1、0.05和0.01时，Z1-0.5α依次对应1.64、1.96、2.58。

Step2识别序列突变所在位置时，构造序列ri(i=1,2,…,n)的统计量dn、UFn和UBn'：

(4)

(5)

式中mi——rj>ri(2≤i≤j) 的累积数。

UBn'=-UFn

在突变分析时，UFn>0，序列呈增加变化；UFn<0,序列呈减少变化；若曲线UFn和UBn'在临界区间内存在交汇点，则交汇点所对应的时刻即为突变发生的时间[12-13]。当置信度α分别取0.1、0.05和0.01时，U0.5α依次对应1.64、1.96、2.58。

2 结果与分析

2.1 年最高潮位年际变化特征

2.1.1年最高潮位年际过程及变化趋势

图1为广州市珠江河口代表潮位站中大站、黄埔站年最高潮位年际过程。由图1可知：①广州珠江河口地区年最高潮位年际间波动较大，且近2 a有增大趋势；②线性趋势显示，中大站年最高潮位增加速率为0.088 m/10a，黄埔站年最高潮位增加速率为0.067 m/10a；③采用Mann-Kendall 法对年最高潮位进行变化趋势分析，结果显示，中大站Z值为1.81，表明其年最高潮位呈上升变化趋势，且在90%的置信水平下趋势显著；黄埔站Z值为1.33，表明其年最高潮位呈微弱上升变化趋势，见表2。

图2 为年最高潮位距平，可知受台风影响年出现极高潮位，而该值显著高于多年平均，其中2017、2018年两潮位站的高潮位分别超过多年平均最高潮位0.58、1.10 m和0.79、0.97 m。

a) 中大站

b) 黄埔站图1 年最高潮位年际过程

站点统计值Z趋势显著性中大1.81增加显著,0.1水平黄埔1.33增加不显著

图2 年最高潮位距平

2.1.2年最高潮位年际突变特征

年最高潮位Mann-Kendall 法突变检验分析结果，见图3。由图3可知：①中大站年最高潮位的UFn曲线在1974—2018年期间内均没有突破0.05显著性水平线，说明变化趋势不显著，在1987—1993年，UFn<0，年最高潮位呈减小趋势，其他年份UFn统计量基本大于0，年最高潮位呈增大趋势；黄埔站年最高潮位的UFn曲线在1980年突破了0.01显著性水平线，并在1988年达到最小值(-2.85)，1977—1993年曲线在0.05显著水平线上下摆动，说明1977年以前黄埔站年最高潮位减小趋势明显，2009年以后UFn统计量大于0，说明2009年以后UFn黄埔站年最高潮位有增大趋势，但趋势不明显;②在0.05显著水平临界区间内，中大站年最高潮位的曲线UFn曲线与UBn'多次相交，统计时段内相交的年份为2005、2006、2008、2010、2017年，说明在这些年份中大站年最高潮位发生突变。

a) 中大站

b) 黄埔站图3 年最高潮位Mann-Kendall 法突变检验

2.2 年平均高潮位趋势分析

2.2.1平均高潮位统计分析

珠江三角洲潮汐属不规则半日潮，同时存在半月潮不等、年不等现象。月内有朔、望大潮及上、下弦小潮[14]。根据实测平均高潮位数据，中大站、黄埔站多年平均高潮位分别为0.88、0.77 m，年际变化较小，中大站年平均高潮位最大出现在2001、2012年，为0.97 m；最小年为1987、1991年，年平均高潮位为0.81 m；黄埔站年平均高潮位最大出现在2016年，为0.94 m；最小年为1969、1977年，年平均高潮位为0.71 m。对两站各年代年平均高潮位进行距平分析，见表3。由表3可见，中大站年平均高潮位距平值在20世纪80、90年代为负值，其后年份为正值；黄埔站平均高潮位距平值在2000年以前为负值，2000年以后为正值，呈现出一定的变化趋势。

表3 各年代平均高潮位统计

a) 中大站

b) 黄埔站图4 历年月平均高潮位过程

相比于年最高潮位受台风因素影响、低潮受河川径流和水利工程影响，年平均高潮位更能反映海平面变化[15]。将中大站、黄埔站历年月平均高潮位点绘成图，见图4。中大站1974年以来平均高潮位围绕平均值上下波动，且这种波动无明显的趋势；黄埔站从1967年以来平均高潮位总体呈现波动上升趋势。

2.2.2平均高潮位Mann-Kendall 法检验

对两潮位站年平均高潮位数据系列采用Mann-Kendall 法检测分析，计算相应的统计值Z，中大站的Z值为0.76，其年平均高潮位呈微弱增加趋势；黄埔站的Z值为4.45，其年平均高潮位呈增加趋势，显著水平达99%，见表4。

表4 年平均高潮位变化趋势Mann-Kendall 法检验结果

年平均潮位Mann-Kendall 法突变检验分析结果，见图5，可知：①中大站年平均潮位的UFn曲线在1987—1997年突破0.01显著性水平线，说明中大站年平均潮位在1987—1997年减小趋势显著，2012年以后有增大趋势；黄埔站年平均高潮位的UFn曲线在2012年突破了0.01显著性水平线，说明年平均高潮位2012年以后有显著增加趋势；②在0.01显著水平临界区间内，中大站年平均潮位的UFn曲线与UBn′曲线2次相交，统计时段内相交的年份为2008、2014年，说明在这些年份中大站年最高潮位发生突变；在统计时段内，黄埔站年平均潮位的UFn曲线与UBn′曲线交汇发生在2008年，说明黄埔站年平均潮位突变发生在2008年。

a) 中大站图5 年平均高潮位Mann-Kendall 法突变检验

b) 黄埔站续图5 年平均高潮位Mann-Kendall 法突变检验

3 结语

本文通过对广州市珠江河口中大、黄埔潮位站高潮位资料分析，得出如下结论。

a) 中大站年最高潮位呈显著增加趋势，达到90%置信水平；黄埔站年最高潮位呈不显著增加趋势；中大站年最高潮位存在多个突变点，分布在统计时段的后期，说明近年来年最高潮位受气候变化及人类活动干扰较为强烈。

b) 中大站年平均潮位呈不显著增加趋势；黄埔站年平均潮位呈显著增加趋势，达到99%置信水平；中大站年平均潮位在1987—1997年减小趋势显著，2012年以后有增大趋势；黄埔站年平均高潮位2001年开始呈增加趋势，随后在2008年产生突变，2012年以后增加趋势显著。

沿海地区潮位变化趋势直接会影响到堤防安全、供水安全，高潮位变化趋势对三角洲河网地区洪潮遭遇、洪潮水面线、咸潮上溯的影响尚需进一步研究。