張杰

(廣東省水利電力勘測設計研究院，廣東廣州510635)

近年來，珠江三角洲地區(qū)臺風災害頻繁，相繼發(fā)生了“妮妲”“天鴿”“山竹”等臺風，造成了洪澇災害，影響社會經(jīng)濟發(fā)展。珠江三角洲地區(qū)的潮汐特征近年也越來越受到相關(guān)學者的關(guān)注。韓龍喜等[1]研究采砂引起的河道演變對珠江三角洲水情的影響；歐素英等[2]建立徑流和潮汐相互作用模型研究珠江徑流量與潮汐變化的關(guān)系；岳遠征等[3]分析了珠江三角洲強降雨對潮汐的影響；申其國等[4]建立珠江口潮流數(shù)學模型研究珠江三角洲潮流變化特征；劉俊勇[5]從河網(wǎng)動力的角度分析潮位變化。

廣州市是廣東省省會、國家中心城市，地處珠江三角洲中北部，接近流域下游入海口。境內(nèi)主要河流有珠江廣州河道、流溪河、白坭河、蘆苞涌、增江等30條骨干河流水道。廣州既受北江、西江、東江、流溪河洪水的影響，又受伶仃洋的潮汐作用，洪(潮)混雜，流態(tài)復雜，存在洪水、暴雨和臺風暴潮“兩碰頭”的風險，歷來是洪(潮)、臺風暴潮和內(nèi)澇多發(fā)之地[6]。潮位主要受上游洪水及臺風暴潮影響。

2018年9月16日，“山竹”臺風登陸珠三角，給廣州造成嚴重災害損失。監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，珠江廣州河道水位達到或超過1 000年一遇設計洪(潮)水位，創(chuàng)歷史最高。根據(jù)近40 a的潮位統(tǒng)計，珠江廣州河道洪(潮)水位不斷升高，尤其是近10 a水位屢創(chuàng)新高[7]。鑒此，本文基于廣州市珠江河口主要潮位站點水文資料，借助Mann-Kendall 法分析潮位變化特征，以期為水利工程管理部門制定區(qū)域防洪治澇規(guī)劃與管理提供一定的科學參考。

1 研究資料與方法

1.1 研究資料

考慮到“山竹”臺風造成的內(nèi)澇災害主要分布在廣州城區(qū)，選取位于前航道上的中大站、黃埔站作為本次研究的數(shù)據(jù)。潮位站點及資料情況，見表1。

表1 潮位站點及資料情況

1.2 研究方法

一般而言，趨勢是水文序列中的主要成分之一[8]。Mann-Kendall 法是一種不考慮樣本分布形態(tài)的非參數(shù)統(tǒng)計檢驗方法，可定量檢測水文序列變化趨勢，并能識別出水文序列突變所在位置[9-10]，其計算步驟[11]如下。

Step1檢測徑流變化趨勢時，構(gòu)造徑流序列ri(i=1,2,…,n)的統(tǒng)計量S和檢驗統(tǒng)計量Z：

(1)

(2)

(3)

在趨勢分析時，Z>0，序列呈增加變化；Z<0，序列呈減少變化。若|Z|≥Z1-0.5α，序列變化顯著。當顯著性水平α分別取0.1、0.05和0.01時，Z1-0.5α依次對應1.64、1.96、2.58。

Step2識別序列突變所在位置時，構(gòu)造序列ri(i=1,2,…,n)的統(tǒng)計量dn、UFn和UBn'：

(4)

(5)

式中mi——rj>ri(2≤i≤j) 的累積數(shù)。

UBn'=-UFn

在突變分析時，UFn>0，序列呈增加變化；UFn<0,序列呈減少變化；若曲線UFn和UBn'在臨界區(qū)間內(nèi)存在交匯點，則交匯點所對應的時刻即為突變發(fā)生的時間[12-13]。當置信度α分別取0.1、0.05和0.01時，U0.5α依次對應1.64、1.96、2.58。

2 結(jié)果與分析

2.1 年最高潮位年際變化特征

2.1.1年最高潮位年際過程及變化趨勢

圖1為廣州市珠江河口代表潮位站中大站、黃埔站年最高潮位年際過程。由圖1可知：①廣州珠江河口地區(qū)年最高潮位年際間波動較大，且近2 a有增大趨勢；②線性趨勢顯示，中大站年最高潮位增加速率為0.088 m/10a，黃埔站年最高潮位增加速率為0.067 m/10a；③采用Mann-Kendall 法對年最高潮位進行變化趨勢分析，結(jié)果顯示，中大站Z值為1.81，表明其年最高潮位呈上升變化趨勢，且在90%的置信水平下趨勢顯著；黃埔站Z值為1.33，表明其年最高潮位呈微弱上升變化趨勢，見表2。

圖2 為年最高潮位距平，可知受臺風影響年出現(xiàn)極高潮位，而該值顯著高于多年平均，其中2017、2018年兩潮位站的高潮位分別超過多年平均最高潮位0.58、1.10 m和0.79、0.97 m。

a) 中大站

b) 黃埔站圖1 年最高潮位年際過程

站點統(tǒng)計值Z趨勢顯著性中大1.81增加顯著,0.1水平黃埔1.33增加不顯著

圖2 年最高潮位距平

2.1.2年最高潮位年際突變特征

年最高潮位Mann-Kendall 法突變檢驗分析結(jié)果，見圖3。由圖3可知：①中大站年最高潮位的UFn曲線在1974—2018年期間內(nèi)均沒有突破0.05顯著性水平線，說明變化趨勢不顯著，在1987—1993年，UFn<0，年最高潮位呈減小趨勢，其他年份UFn統(tǒng)計量基本大于0，年最高潮位呈增大趨勢；黃埔站年最高潮位的UFn曲線在1980年突破了0.01顯著性水平線，并在1988年達到最小值(-2.85)，1977—1993年曲線在0.05顯著水平線上下擺動，說明1977年以前黃埔站年最高潮位減小趨勢明顯，2009年以后UFn統(tǒng)計量大于0，說明2009年以后UFn黃埔站年最高潮位有增大趨勢，但趨勢不明顯;②在0.05顯著水平臨界區(qū)間內(nèi)，中大站年最高潮位的曲線UFn曲線與UBn'多次相交，統(tǒng)計時段內(nèi)相交的年份為2005、2006、2008、2010、2017年，說明在這些年份中大站年最高潮位發(fā)生突變。

a) 中大站

b) 黃埔站圖3 年最高潮位Mann-Kendall 法突變檢驗

2.2 年平均高潮位趨勢分析

2.2.1平均高潮位統(tǒng)計分析

珠江三角洲潮汐屬不規(guī)則半日潮，同時存在半月潮不等、年不等現(xiàn)象。月內(nèi)有朔、望大潮及上、下弦小潮[14]。根據(jù)實測平均高潮位數(shù)據(jù)，中大站、黃埔站多年平均高潮位分別為0.88、0.77 m，年際變化較小，中大站年平均高潮位最大出現(xiàn)在2001、2012年，為0.97 m；最小年為1987、1991年，年平均高潮位為0.81 m；黃埔站年平均高潮位最大出現(xiàn)在2016年，為0.94 m；最小年為1969、1977年，年平均高潮位為0.71 m。對兩站各年代年平均高潮位進行距平分析，見表3。由表3可見，中大站年平均高潮位距平值在20世紀80、90年代為負值，其后年份為正值；黃埔站平均高潮位距平值在2000年以前為負值，2000年以后為正值，呈現(xiàn)出一定的變化趨勢。

表3 各年代平均高潮位統(tǒng)計

a) 中大站

b) 黃埔站圖4 歷年月平均高潮位過程

相比于年最高潮位受臺風因素影響、低潮受河川徑流和水利工程影響，年平均高潮位更能反映海平面變化[15]。將中大站、黃埔站歷年月平均高潮位點繪成圖，見圖4。中大站1974年以來平均高潮位圍繞平均值上下波動，且這種波動無明顯的趨勢；黃埔站從1967年以來平均高潮位總體呈現(xiàn)波動上升趨勢。

2.2.2平均高潮位Mann-Kendall 法檢驗

對兩潮位站年平均高潮位數(shù)據(jù)系列采用Mann-Kendall 法檢測分析，計算相應的統(tǒng)計值Z，中大站的Z值為0.76，其年平均高潮位呈微弱增加趨勢；黃埔站的Z值為4.45，其年平均高潮位呈增加趨勢，顯著水平達99%，見表4。

表4 年平均高潮位變化趨勢Mann-Kendall 法檢驗結(jié)果

年平均潮位Mann-Kendall 法突變檢驗分析結(jié)果，見圖5，可知：①中大站年平均潮位的UFn曲線在1987—1997年突破0.01顯著性水平線，說明中大站年平均潮位在1987—1997年減小趨勢顯著，2012年以后有增大趨勢；黃埔站年平均高潮位的UFn曲線在2012年突破了0.01顯著性水平線，說明年平均高潮位2012年以后有顯著增加趨勢；②在0.01顯著水平臨界區(qū)間內(nèi)，中大站年平均潮位的UFn曲線與UBn′曲線2次相交，統(tǒng)計時段內(nèi)相交的年份為2008、2014年，說明在這些年份中大站年最高潮位發(fā)生突變；在統(tǒng)計時段內(nèi)，黃埔站年平均潮位的UFn曲線與UBn′曲線交匯發(fā)生在2008年，說明黃埔站年平均潮位突變發(fā)生在2008年。

a) 中大站圖5 年平均高潮位Mann-Kendall 法突變檢驗

b) 黃埔站續(xù)圖5 年平均高潮位Mann-Kendall 法突變檢驗

3 結(jié)語

本文通過對廣州市珠江河口中大、黃埔潮位站高潮位資料分析，得出如下結(jié)論。

a) 中大站年最高潮位呈顯著增加趨勢，達到90%置信水平；黃埔站年最高潮位呈不顯著增加趨勢；中大站年最高潮位存在多個突變點，分布在統(tǒng)計時段的后期，說明近年來年最高潮位受氣候變化及人類活動干擾較為強烈。

b) 中大站年平均潮位呈不顯著增加趨勢；黃埔站年平均潮位呈顯著增加趨勢，達到99%置信水平；中大站年平均潮位在1987—1997年減小趨勢顯著，2012年以后有增大趨勢；黃埔站年平均高潮位2001年開始呈增加趨勢，隨后在2008年產(chǎn)生突變，2012年以后增加趨勢顯著。

沿海地區(qū)潮位變化趨勢直接會影響到堤防安全、供水安全，高潮位變化趨勢對三角洲河網(wǎng)地區(qū)洪潮遭遇、洪潮水面線、咸潮上溯的影響尚需進一步研究。