强人类活动驱动下珠江磨刀门河口潮汐动力增强原因初探

洪鹏锋，杜文印

(广东省水文局佛山水文分局，广东佛山528000)

随着社会经济的飞速发展，强人类活动(如河道采砂、口门围垦、航道整治、堤围加固、河段整治、水库建设等)作为河口演变的第三驱动力已受到河口海岸学者的广泛关注[1]。探究强人类活动驱动下河口区感潮河段径潮动力格局的演变过程及机制，对河口区的防洪、航运、供水等具有重要的科学指导意义[2-7]。磨刀门水道是珠江河网的主要入海水道，在强人类活动驱动下，其水文特性、生态和地貌情势已发生巨大变化，已影响到三角洲经济和社会建设与发展。已有相关研究主要集中在口门附近[8-14]，本文把磨刀门河口作为一个整体，探讨强人类活动驱动下潮汐动力的演变趋势及其原因。

1 研究区域概况

西江是华南地区最长的河流，为中国第三大河流珠江水系中最长的河流，长度仅次于长江、黄河。航运量居中国第二位，仅次于长江。发源于云南，流经广西，在广东佛山三水与北江交汇后进入西北江三角洲，其是世界上最为复杂的三角洲，“三江交汇、网河纵横、洪潮叠加、八口分流”是整个珠江三角水系的特征，磨刀门是最大的出海口。本文主要聚焦磨刀门，研究区域包括磨刀门水道及西江干流水道，即从上游的马口水文控制站延伸至下游口门附近灯笼山潮位站，全长约128 km(图1)。该河段是西江的主要输水输沙水道，其水位同时受上游径流和外海潮汐的影响，属于典型的感潮河段。磨刀门河口多年平均下泄径流量居珠江八大口门之首。根据上游马口水文控制站1960—2016年的月均流量资料统计，其多年平均径流量为7 078 m3/s，洪枯季变化大，洪季(4—9月)平均流量达10 747 m3/s，而枯季平均流量仅为3 410 m3/s。口门潮汐属不正规半日潮，日不等现象显著。根据口门附近灯笼山站1960—2016年的月均潮差资料统计，其多年平均潮差仅为0.87 m，在八大口门中是最小的。

图1 研究区域

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

本文收集西江河网区顶端马口水文控制站1960—2016年月均流量、水位(余水位)和年均潮差，作为磨刀门河口上游边界径潮动力的输入；同时收集下游口门段灯笼山潮位站相应时段的月均水位和年均潮差，作为磨刀门河口下游边界径潮动力的输入。实测资料中的月均余水位定义为月均高潮位ζHW和低潮位ζLW的平均值，即：

(1)

而月均余水位坡度S定义：

(2)

式中 Δz——上下游两站的余水位差值；Δx——两站点之间的距离。

2.2 双累积曲线理论

双累积曲线(Double Mass Curve，简称DMC)方法是目前广泛用于水文气象要素一致性或长期演变趋势分析的常用方法。此方法最早由美国学者C. F.Merriam 于1937年提出，并用于分析美国Susquehanna流域降雨资料的一致性。所谓双累积曲线就是在直角坐标系中绘制的同期内一个变量的连续累积值与另一个变量连续累积值的关系线，它可用于水文气象要素一致性的检验、缺值的插补或资料校正，以及水文气象要素的趋势性变化及其强度的分析[15]。双积累曲线理论提出在相同时段内只要给定的2个水文时间序列成正比，那么一个变量的累积值与另一个变量的累积值在直角坐标系可用一条直线拟合，其斜率为两水文要素的比例常数。如果双积累曲线的斜率发生异变，则意味着两个水文要素之间的比例常数发生了改变，斜率发生异变的点所对应的年份就是2个水文要素累积关系出现异变的时间。在实际操作中，通过绘制双积累曲线能够清楚地分辨出斜率是否发生趋势性变化及其突变点。前人研究中双累积曲线的分段拟合常用线性拟合，但由于水文要素之间的非线性关系及强人类活动的影响干扰，线性拟合效果往往不佳。因此，本文提出采用非线性幂函数进行分段拟合，即：

y=axb+c

(3)

式中x、y——研究的2个水文要素的连续累积值；a、b、c——基于最小二乘法确定的回归参数，其中b可表示两水文要素关系的紧密程度，其值越大表明两水文要素关系越紧密。

3 结果分析

3.1 磨刀门河口潮汐动力的长期演变趋势

潮差是潮汐动力强弱的重要指标，可用以研究潮汐动力的长期演变趋势。图2为1960—2016年磨刀门河口上游马口站和下游灯笼山站的年均潮差。由图2可见，两站年均潮差均呈现出明显的阶段性变化。根据西江强人类活动的影响时间段来看，1960—1993年为人类活动强度相度较弱的时期(称为自然演变期)，此阶段马口站潮差略有抬升，而灯笼山站潮差有所下降，但总体变化幅度不大。1994—2000年为强人类活动作用的高峰期(也可称为过渡期)，此阶段马口与灯笼山站潮差呈现明显的增大趋势，但马口站潮差增加幅度明显高于灯笼山站。2001—2016年强人类活动有所减缓(可称为调整期)，即在经历强人类活动影响后马口与灯笼山站年均潮差仍呈增大趋势但幅度变缓。整体而言，磨刀门河口在强人类活动驱动下潮汐动力显著增强，马口站年均潮差由自然演变期的0.23 m上升至调整期的0.50 m，而灯笼山站年均潮差由自然演变期的0.84 m上升至调整期的0.93 m。

a) 马口站

b) 灯笼山站图2 马口站和灯笼山站年均潮差变化

3.2 流量与余水位的双累积曲线分析

实测数据表明西江磨刀门河口在强人类活动驱动下潮差增大，潮汐动力增强。为揭示磨刀门河口潮汐动力增强的动力学原因，进一步通过双累积曲线理论探讨强人类活动驱动下流量与余水位(式(1))的关系演变。余水位是河口区径潮相互作用的典型结果，流量是影响余水位时空变化的主导因素。因此，探究流量与余水位的双累积曲线变化是探究强人类活动对磨刀门河口潮汐动力演变过程的有效切入点。

将西江马口站月均径流量作为参考水文要素，马口和灯笼山站月均余水位作为被检验水文要素，做出2个研究站点的双累积曲线(图3)。流量与余水位均做了归一化处理(即变量减去序列最小值，再除以序列最大值与最小值之差，即无量纲化)，且累积分布拟合曲线采用幂函数(式(3))。与年均潮差的阶段性演变类似，将1994、2000年(即过渡期为1994—2000年，下同)分别作为马口和灯笼山站阶段性异变年份。马口站调整期(即2001—2016年)表征流量与余水位的相关性参数b明显减小，由自然演变期的1.07下降至0.87(表1)，表明受强人类活动干扰后流量对余水位时空演变的控制作用有所减弱。下游灯笼山站亦有类似现象，表征流量与余水位的相关性参数b由自然演变期的1.10下降至0.86(表1)。

a) 马口站

b) 灯笼山站图3 马口站和灯笼山站无量纲月均流量与无量纲月均余水位的双累积曲线

由表1可见，马口与灯笼山站的分段幂函数拟合参数b在3个阶段的变化趋势有所不同。马口站在强人类活动作用下过渡期与调整期的参数b呈现持续减小的变化趋势，表明强人类活动驱动背景下相同流量条件下余水位持续下降；而灯笼山站在强人类活动作用下过渡期与调整期的参数b呈现先减小后增大的变化趋势，即相同流量条件下灯笼山站余水位在过渡期与调整期的变化趋势相反。总体而言，强人类活动驱动下相同流量条件下马口与灯笼山站的余水位下降且马口站下降的幅度大于灯笼山站。

表1 基于月均流量与余水位和余水位坡度的分段拟合参数b

3.3 流量与余水位坡度的双累积曲线分析

余水位坡度是分析余水位时空分布的主要切入点，根据式(2)计算得出灯笼山至马口河段月均余水位坡度，并作出马口站月均流量与月均余水位坡度的双累积关系曲线(图4)。由图4可知，马口至灯笼山站月均余水位坡度在经历过渡时期后呈现明显下降趋势，这与马口、灯笼山站月均余水位的变化趋势一致，表明强人类活动驱动下磨刀门河口余水位坡度显著减小。表征流量与余水位坡度的相关性的参数b由自然演变期的1.06下降至0.90，表明受强人类活动干扰后流量对余水位坡度时空演变的控制作用有所减弱。

图4 灯笼山至马口河段无量纲月均流量与无量纲月均余水位坡度的双累积曲线

图5显示不同流量条件下磨刀门河口余水位坡度的阶段演变。由图5可见，随着强人类活动的影响加剧，相同流量条件下灯笼山至马口河段的余水位坡度逐渐下降，线性拟合的斜率先由1960—1993年的1.88×10-9减小至1994—2000年的1.83×10-9，再减小至2001—2016年的1.24×10-9。统计资料显示，灯笼山至马口河段年均余水位坡度由1960—1993年的1.26×10-5减小至2001—2016年的6.84×10-6，降幅达到45.7%。在一维动量守恒方程中余水位坡度主要与潮平均摩擦项相平衡，余水位坡度减小导致影响潮波传播的有效摩擦下降，最终导致潮差增大，潮汐动力整体增强。而磨刀门河口余水位坡度减小的主要原因是始于20世纪80年代的河道采砂引起的河床普遍下切，具体而言，河床上下游不均匀下切导致底床坡度减缓，水面线为适应底床坡度变缓唯有通过减缓余水位坡度来实现，从而减小影响潮波传播的有效摩擦，最终引起潮汐动力增强。

图5 灯笼山至马口河段月均余水位坡度随流量的阶段性变化

4 结论

a) 强人类活动驱动下磨刀门河口年均潮差呈现明显的阶段性变化，可分为强人类活动前的自然演变期(1960—1993年)、过渡期(1994—2000年)和强人类活动后的调整期(2001—2016年)。在强人类活动驱动下，马口站年均潮差由自然演变期的0.23 m上升至0.50 m，增幅达到117%。

b) 采用双累积曲线法对强人类活动驱动下磨刀门河口潮汐动力增强原因进行初步探讨。结果表明，随着强人类活动的增强，流量对沿程余水位时空演变的控制作用减弱，在同流量条件下马口、灯笼山站余水位下降，且马口站余水位降幅大于灯笼山站。

c) 在强人类活动驱动下，流量对沿程余水位坡度时空演变的控制作用也逐渐减弱，且余水位坡度显著减小。磨刀门河口年均余水位坡度由自然演变期的1.26×10-5减小至调整期的6.84×10-6，降幅达到45.7%。强人类对磨刀门河口地形的改变使得底床坡度减小，水面线为适应底床坡度变缓唯有通过减缓余水位坡度来实现，从而减小影响潮波传播的有效摩擦，最终引起潮汐动力增强。