围填海影响下澳门潮波特性时空变化分析

王任超，张功瑾

(1．水利部珠江水利委员会水文局，广东 广州 5106111 ；2.南京水利科学研究院 水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏 南京 210029)

澳门位于广东省珠江河口西侧，北面是拱北经济特区；东面与香港隔海相望；西侧为大、小横琴岛。澳门本岛包括澳门半岛、氹仔岛和路环岛。由于多年来澳门的围填海工程(图1、2)，其岸线发生剧烈变化，海域潮波特性也随之发生变化。岸线变化对潮波特性影响的研究，往往通过实测资料分析和数值模拟等手段分析岸线变化前后对周围水动力特性的影响，如陈丹茜等[1]通过对天津港海域潮位进行比较，表明随着围垦强度的增大，潮不对称性整体呈现增强的趋势；郭文云[2]通过对洋山港海域潮位资料分析表明随着工程的进行，浅水分潮不断增强，潮汐不对称性也在不断增强；钱明霞等[3-5]基于潮流数学模型，模拟了长江口不同地形条件下的水动力变化；路川藤等[6-8]研究了长江口深水航道治理工程对北槽潮波传播的影响；刘晓东等[9]对条子泥围垦前后潮流场进行了三维数值模拟并探讨了围垦对周边海域水动力环境的影响；CHEN等[10]通过对南黄海区域数值模拟发现该区域岸线变化对潮波影响巨大，潮汐振幅的最大变化值发生在辐射沙洲海域；钱沛等[11]基于数值模拟分别对1984 年和2014 年岸线条件下辐射沙洲海域的潮汐不对称性进行了研究。经验正交函数分析(EOF法)是用来求解空间和时间权重系数的方法，之后将其引入了海岸地貌、气象等领域，在潮波变形方面主要是研究在空间尺度上反映潮位变化主要特征，分析出在该流域潮位长时间序列的变化规律，进而分析各影响因子对潮位的作用机理。史源等[12]根据长江口主要潮位站1993—2008年潮位资料，采用EOF方法分析了长时间序列和三峡工程前后月平均高潮位变化规律以及2000 年的日高潮位变化规律，并探究其受径流和海平面的影响因素。澳门围填海工程时间跨度大、岸线变化形式多样。通过分析澳门海域潮波特性的时空变化，探讨围填海工程与潮波特性的响应关系，有利于深入认识地形地貌演变与潮流动力间的互馈关系，为今后围填海工程规划及阈值研究提供支撑。

图1 澳门位置示意

本文基于澳门站1986—2017年潮位资料进行调和分析，并运用EOF方法探讨了澳门站长序列潮位变化。以此分析澳门水域潮波时空分布特征，并探讨其变化规律以及主要影响因素。

图2 澳门1912—2016年填海地图[13]

1 澳门岸线变化

澳门自1863年首次对南湾澳督府对面海滩进行围填以来，陆续进行了6次较大规模的填海拓地工程(表1)。到2003年澳门面积已达到27.3 km，此时两离岛述仔岛、路环岛已合二为一。2014年面积达到30.3 km2，新填海区域主要分布在路凼填海区，澳门半岛南部。澳门填海历史演变进程见图3、4。

表1 澳门历史填海进程

图3 澳门围填海面积历史变化

图4 澳门岸线长度历史变化

澳门岸线的变化主要是填海造地导致的，通过计算围填海强度指数[14](IN)和岸线总长变化强度K，分析澳门海域岸线变化特征。

围填海强度指数的计算见式(1)：

IN=S/L

(1)

式中 IN——围填海强度指数；S——围填海面积，hm2;L——岸线长度，km。

岸线长度变化强度(K)数学表达式为：

(2)

式中K——人工岸线从第T1年到第T2年间总长的变化强度；LT1、LT2——第T1年、第T2年人工岸线长度。

计算结果见表2、3和图5、6，澳门在2012年之前围填海强度指数保持在50左右，2012年之后围填海强度逐渐下降；在2000—2013年，澳门岸线变化强度为正增长，强度在0.7%～4.0%，原因在于澳门在2000—2012年不仅有澳门机场人工岛的建设还有路氹填海等大型的连岛式填海工程，围填海工程规模较大且工程建设比较频繁。在2013年之后岸线变化强度下降到-0.3%左右，岸线变化相对比较稳定。

表2 澳门围填海强度计算

表3 澳门岸线变化强度计算

图5 澳门围填海强度

图6 澳门岸线变化强度

2 澳门海域潮汐调和分析

基于澳门站(22°11.28′N，113°31.82′E)1960—2017年逐时潮位资料进行调和分析[15]计算，其中主要分潮为K1、O1、M2、M4、S2等11个常见分潮。根据潮汐类型判别，澳门站附近水域F值(F=(HK1+HO1)/HM2)基本在1.4～1.5，一个周期内有2次高潮和低潮且潮位不等，属于不正规半日潮。

根据Fridfrichs等[16]的定义，M4分潮与M2分潮的振幅比可以作为潮波变形的表征参数，若振幅比大于0.01表明潮波发生变形，振幅比越大，潮波变形越显著。图7所示，澳门站历年潮波变形均比较显著，并在不同时间段会出现波动。此外，当HS2/HM2的值大于0.40，则潮高日不等现象明显[17]，澳门站历年来HS2/HM2的值在0.4左右波动(图8)，说明澳门站的潮高日不等现象受时间的影响显著。但其潮波变形现象在时间上的变化规律性不明显，无法判断其主要影响因素。

图7 各年份M4分潮与M2分潮的振幅比

图8 各年份S2分潮与M2分潮的振幅比

3 长序列潮位的EOF分析

为分析澳门海域潮位的时空变化特征，采用正交函数方法(EOF)进行时空分布特征分析。采用澳门海域历年来分潮振幅组成多变量数据，将各分潮空间数据建立在新的坐标系中，使得相互之间为独立并具有正交性的物理量，进而对特征值及特征矢量进行排序，以反映出不同模式的相对重要程度，进而可以为相应的特征模式提供物理机制上的解释。

本文将1960—2017年澳门站潮位调和分析结果为行，列为年份建立矩阵即X11×58，进行协方差计算，得到空间特征矢量对应的时间系数和空间模态的方差贡献。表4所示，运用EOF方法后得到11个空间特征矢量和11个时间系数，其中前3个特征矢量累计方差贡献率已经达到了89%，已经可以反映潮波的基本变化情况。

表4 EOF分析成果

第一个特征矢量的方差贡献率达到了79%，分析第一特征矢量的空间分布(图9)，第一特征矢量空间上各分潮振幅基本均为负值，其中半日分潮M2振幅的特征矢量绝对值最大，其次为日潮K1、O1以及半日分潮S2，浅水分潮M4、MS4变化较小。说明澳门海域潮汐类型在空间上以半日分潮为主。分析第一特征矢量的时间分布(图10)，第一特征矢量时间系数有正有负，在人类活动强度较大的时间1980—2010年表现为正值，其他人类活动强度较小的时间表现为负值，说明人类活动对澳门海域潮波影响较大。图11所示，通过对比分析澳门海域围填强度与EOF分析中的第一特征矢量时间系数PC1的相关关系，其相关系数为84%。因此第一主成分主要表示围填海强度对潮位的影响。说明澳门围填海工程是导致澳门海域潮波变形的主要影响因素。

图9 第一特征向量空间分布

图10 各年份时间系数

图11 第一特征矢量时间系数与围填强度关系

4 结论

基于历史潮位资料，分析了澳门海域历年潮波分潮时空变化特征，并分析澳门历年围填海强度对澳门海域潮位变化的影响。

a)澳门在2000—2013年，围填海强度指数保持在50左右，岸线变化强度在0.7%～4.0%；2013年之后围填海强度逐渐下降，岸线变化强度下降到-0.3%左右。

b)根据潮汐类型判别，澳门站附近水域F值基本在1.4～1.5，一个周期内有两次高潮和低潮且潮位不等，属于不正规半日潮。澳门站历年潮波变形均显著，并在不同时间段会出现波动，澳门站历年来HS2/HM2的值在0.4左右波动，说明澳门站的潮高日不等现象受时间的影响显著。但其潮波变形现象在时间上的变化规律性不明显，无法判断其主要影响因素。

c)基于潮位调和分析运用EOF方法探讨了澳门站长序列潮位变化，时间序列从1960—2017年，空间序列采用各分潮振幅。第一个特征矢量的方差贡献率达79%，为典型分潮振幅组合，通过对第一特征矢量与澳门海域围填强度的相关性分析，相关系数为84%。因此第一主成分主要表示围填海强度对潮位的影响。说明澳门围填海工程是导致澳门海域潮波变形的主要影响因素。