 Journal of Water Resources Research 水资源研究, 2012, 1, 315-319 http://dx.doi.org/10.12677/jwrr.2012.15048 Published Online October 2012 (http://www.hanspub.org/journal/jwrr.html) Research on Changes of Peak Water Level in the Pearl River Estuary* Lan Kong1, Jiangsong Xie1, Xiaohong Chen2,3, Junxian Chen1,4, Zhengyi Gao1, Renfei Jiang1 1China Water Resources Pearl River Planning Surveying and Designing Co., Ltd., Guangzhou 2Center for Water Resources and Environment, Sun Yat-sen University, Guangzhou 3Key Laboratory of Water Cycle and Water Security in Southern China of Guangdong Higher Education Institutes, Sun Yat-sen University, Guangzhou 4College of Water Conservancy and Hydropower Engineering, Hohai University, Nanjing Email: konglan2006@126.com Received: Jun. 18th, 2012; revised: Jul. 3rd, 2012; accepted: Jul. 12th, 2012 Abstract: Higher peak water level of the Pearl River Estuary gives a great threat to life and construction losses in these developed areas. The peak water level series of the Denglongshan and Hengmen stations are analyzed by several methods. The results show that: 1) the peak water level has significant upward trend at representative station in the Pearl River Estuary since 1950s; 2) the increasing of the peak water level belongs to mutations phenomenon since early 1990s, the Denglongshan and Hengmen stations began to mutate re- spectively in 1981 and 1983; 3) the influence of sea level rise on change trend of the peak water level is greater than that of the maximum flow. Keywords: Pearl River Estuary; Peak Water Level; Mann-Kendall Test; Sea-Level Rise 珠江口最高洪潮水位的变化 规律研究* 孔 兰1，谢江松 1，陈晓宏 2,3，陈俊贤 1,4，高政毅 1，蒋任飞 1 1中水珠江规划勘测设计有限公司，广州 2中山大学水资源与环境研究中心，广州 3华南地区水循环和水安全广东普通高校重点实验室(中山大学)，广州 4河海大学水利水电工程学院，南京 Email: konglan2006@126.com 收稿日期：2012 年6月18 日；修回日期：2012 年7月3日；录用日期：2012 年7月12 日 摘 要：经济发达的珠江口地区，最高洪潮水位会给生活和建设带来严重破坏和重大损失。通过对代 表站灯笼山站和横门站的最高洪潮水位系列进行综合分析，结果表明：1) 20世纪 50 年代以来珠江口 代表站最高洪潮水位系列具有显著上升趋势；2) 珠江口代表站最高洪潮水位序列在20 世纪 90 年代初 期以来的上升属于突变现象，灯笼山站和横门站开始发生突变的开始时间分别约为 1981年和 1983 年； 3) 海平面上升对珠江口代表站最高洪潮水位变化趋势的影响大于最大流量的影响。 关键词：珠江口；最高洪潮水位；Mann-Kendall 法；海平面上升 *基金项目：水利部公益性行业科研专项(201001022)、国家自然科学基金重点项目(50839005)、国家重点基础研究发展计划(973)项目 (2010CB428405)、中水珠江规划勘测设计有限公司科研项目(2012)。 作者简介：孔兰(1973-)，女，山东曲阜人，博士，主要研究方向为水资源与环境变异。 Copyright © 2012 Hanspub 315  孔兰，等：珠江口最高洪潮水位的变化规律研究 Copyright © 2012 Hanspub 第1卷 · 第5期 316 1. 引言 3) 非参数 Mann-Kendall 趋势检验法 Mann-Kendall 趋势检验法是提取趋势变化的有 效工具，以适用范围广、人为性少、定量化程度高而 著称[3]，是一种被广泛用于分析趋势变化特征的检验 方法。由于篇幅限制，具体计算步骤见文献[4]。 珠江口位于广东省东部沿海，北回归线横贯中 部， 属于亚热带季风气候，终年温暖湿润，地势低平、 河网纵横、人口密集、城镇集中，经济高速发展，洪 潮、咸潮等灾害频繁。水位对于珠江口防洪排涝、排 污、供水安全等具有直接影响，水位变化及其影响直 接制约着该地区的经济发展。2008 年9月24日，广 东沿海的超强台风“黑格比”引起罕见风暴潮，导致 百年一遇高潮位，数百万人受灾，直接经济损失超过 百亿元。因此，加强珠江口最高洪潮水位的变化规律 研究对于珠江口地区的防灾减灾和水资源的合理开 发利用具有重要的理论和实践意义。 2.2. M-K突变分析方法 M-K 法以气候序列平稳为前提，并且这序列是随 机独立的，其概率分布等同。M-K 法的优点在于不需 要样本遵从一定的分布，也不受少数异常值的干扰， 更适合于水文气象等非正态分布的数据。该方法还能 明确降水的演变趋势是否存在突变现象以及突变开 始的时间，并指出突变区域。具体计算方法见文献 [5]。 2. 研究方法 3. 计算与分析 2.1. 趋势分析方法 3.1. 珠江口最高洪潮水位的趋势分析分析 目前常用的气象水文变化趋势分析方法主要有 累积距平、线性回归、二次平滑、滑动平均、Mann- Kendall 秩次相关检验法、三次样条函数和 Spearman 秩次相关检验法等[1,2]。尽管在水文气象时间序列中使 用非参数检验方法比使用参数检验方法在非正态分 布的数据和检验中更适合，基于其他一些参数检验方 法也具有方便和简洁易懂的优点，本文中采用多种方 法相结合来诊断珠江口最高水位要素情势的变化。 珠江水经虎门、蕉门、洪奇门、横门、磨刀门、 鸡啼门、虎跳门及崖门八大口门注入南海。本研究重 点以磨刀门水道的灯笼山站(113˚24'E，22˚14'N)和横 门水道的横门站(113˚31'E，22˚35'N)为例分析最高洪 潮水位的变化特征。由图 1线性回归趋势线可以看出 珠江口最高洪潮水位有明显地增高趋势，大于 2 m的 最高洪潮水位发生的频率也明显增加。研究发现最高 洪潮水位多数发生在朔、望天文大潮前后，所以台风 叠加天文大潮会引起的强风暴潮是导致最高洪潮水 位的重要原因。 1) 线性回归方法 线性回归方法是建立水文序列i x 与相应的时序 之间的线性回归方程来检验时间序列变化的趋势性。 该方法可以给出时间序列是否具有递增或递减的趋 势，并且线性方程的斜率在一定程度上表征了时间序 列的平均趋势变化率，这是目前趋势性分析中较简便 的方法，其不足是难以判别序列趋势性变化是否显 著。 i 珠江口代表站最高洪潮水位的累积距平曲线(见 图2)显示：20 世纪 50 年代末期到 80 年代初期累积距 平曲线呈下降趋势，80年代末期以来呈上升趋势。灯 笼山站和横门站累积距平曲线在20世纪 80年代有明 显的转折，从曲线明显的上下起伏可以看诊断出发生 突变的大致时间为 20 世纪80 年代初期。 2) 累积距平法 累积距平法也是一种常用的、由曲线直观判断变 化趋势的方法。累积距平曲线呈上升趋势，表示累积 距平值增加，反之减小。 经过线性回归方法和累积距平法分析，以 1980 年为界，可以把珠江口代表站最高洪潮水位分为两段 分别进行非参数Mann-Kendall 趋势检验，表 1数据显 示：灯笼山站和横门站最高洪潮水位序列都具有上升 趋势，但是横门站的上升趋势比灯笼山站的更显著； 1959~2008 年灯笼山站最高洪潮水位序列的趋势检验 值为 1.90，上升趋势明显，通过了 95%的显著性检验， 对于序列 x ，其某一时刻 的累积距平表示为： t 1 t i i x xx (2) n1, 2,,t 其中 1 1n i i x x n 。  孔兰，等：珠江口最高洪潮水位的变化规律研究 第1卷 · 第5期 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.4 2.6 2.8 3 1959 1962 1965 1968 1971 1974 1977 1980 1983 1986 1989 1992 1995 1998 2001 2004 2007 年份 最高洪潮水位 /m 灯笼山 横门 Figure 1. The processes of peak water level of from 1959 to 2008 in the Pearl River Estuary 图1. 珠江口代表站 1959~2008 年最高洪潮水位变化过程 灯笼山站 -4.0 -3.0 -2.0 -1.0 0.0 1959 1963 1967 1971 1975 1979 1983 1987 1991 1995 1999 2003 2007 年份 累积距平 横门站 -4.0 -3.0 -2.0 -1.0 0.0 1953 1958 1963 1968 1973 1978 1983 1988 1993 1998 2003 2008 年份 累积距平 Figure 2. The curves of the peak water level in the Pearl River Estuary 图2. 珠江口代表站最高洪潮水位的累积距平曲线图 Table 1. The statistical M-K test values of peak water level in the Pearl River Estuary 表1. 珠江口代表站最高洪潮水位序列的 Mann-Kendall 统计值 时间 灯笼山站 横门站 1953~1979 0.76 3.86 1980~2008 0.88 1.50 1953~2008 1.90 4.09 注：灯笼山站为 1959~2008 年数据。 而1959~1979 和1980~2008 年呈不显著上升趋势； 1953~1979 和1953~2008 横门站最高洪潮水位序列的 趋势检验值分别为 3.86 和4.09，显著上升，通过了 99%的显著性检验，1980~2008 横门站趋势检验值为 1.50，通过了 90%的显著性检验，上升趋势较明显。 3.2. 珠江口最高洪潮水位的突变识别 利用 M-K 法对灯笼山站和横门站最高洪潮水位 序列进行突变检验(图3)，结果表明：灯笼山站和横门 站最高洪潮水位变化趋势相似；灯笼山站 1963 年、 横门站 1964 年以来 UF > 0，最高洪潮水位呈上升趋 势，灯笼山站1993~1998 年、横门站 1993~2008 年呈 显著增加趋势，通过了 95%的置信度检验，表明最高 洪潮水位序列上升趋势是十分显著的；根据 UF 和UB 曲线交点的位置，确定最高洪潮水位序列在 20 世纪 90 年代初期以来的上升是突变现象，灯笼山站约从 1981 年开始发生突变，而横门站发生突变的时间约是 1983 年，突变都开始于 20世纪 80 年代初期，与累积 距平分析较吻合。 图4显示，闸坡站海平面自 20 世纪 70年代以来 呈上升趋势，20世纪 90年代中期以来发生了明显的 突变，突变开始于 1989年左右，图 3与图 4进行比 较分析，可以看出灯笼山站和横门站最高洪潮水位变 化趋势与闸坡站海平面变化较一致，说明海平面上升 对珠江口代表站最高洪潮水位有明显影响；珠江口代 表站最高洪潮水位同时还受河道来水的影响，图 5可 以看出，马口站最大流量在 1970~2006 年也呈上升趋 势，说明其对珠江口代表站最高洪潮水位的上升趋势 Copyright © 2012 Hanspub 317  孔兰，等：珠江口最高洪潮水位的变化规律研究 第1卷 · 第5期 也有影响，但是由图 6看出，马口站最大流量的 M-K 统计曲线与珠江口代表站最高洪潮水位变化序列的 统计曲线有较大差异，马口站最大流量在20 世纪 80、 灯笼山站 -3 -2 -1 0 1 2 3 1959 1962 1965 1968 1971 1974 1977 1980 1983 1986 1989 1992 1995 1998 2001 2004 2007 时间 统计值 0.05 显著性水平临界值 UF，原序列M-K 统计值 UB，反向序列M- K 统计值 横门站 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 1953 1957 1961 1965 1969 1973 1977 1981 1985 1989 1993 1997 2001 2005 时间 统计值 0.05 显著性水平临界值 UF，原序列M-K统计值 UB，反向序列M-K 统计值 Figure 3. The M-K trends of peak water level in the Pearl River Estuary 图3. 珠江口代表站最高洪潮水位序列的 M-K 法检测结果 闸坡站 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 1970 1972 1974 1976 1978 1980 1982 1984 1986 1988 1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 时间 统计值 0.05 显著性水平临界值 UF，原序列M-K 统计值 UB，反向序列M-K统计值 Figure 4. The M-K trends of the sea level at the Zhapo station 图4. 闸坡站海平面变化序列的 M-K 法检测结果 10000 16000 22000 28000 34000 40000 46000 52000 58000 1970 1973 1976 1979 1982 1985 1988 1991 1994 1997 2000 2003 2006 时间 最大流量/（m³/s） Figure 5. The processes of the maximum flow at the Makou station 图5. 马口站年最大流量变化过程 马口站 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 1970 1973 1976 1979 1982 1985 1988 1991 1994 1997 2000 2003 2006 时间 统计值 0.05 显著性水平临界值 UF，原序列M-K统计值 UB，反向序列M-K 统计值 Figure 6. The M-K trends of the maximum flow at the Makou station 图6. 马口站年最大流量变化序列的 M-K 法检测结果 90 年代呈下降趋势。因此，海平面上升对珠江口代表 站最高洪潮水位变化趋势的影响大于最大流量的影 响。 4. 结论 通过线性回归法、累积距平法、M-K 法等，对珠 江口代表站灯笼山站和横门站最高洪潮水位进行了 综合分析，得出以下结论： 1) 20世纪 50 年代以来珠江口代表站灯笼山站和 横门站最高洪潮水位系列具有显著上升趋势，并且横 门站上升趋势比灯笼山站更明显。 2) 珠江口代表站最高洪潮水位序列在20 世纪 90 年代初期以来的上升属于突变现象，灯笼山站约从 1981 年开始发生突变，而横门站发生突变的开始时间 约为 1983 年。 3) 海平面变化和河道来水对珠江口代表站灯笼 山站和横门站最高洪潮水位有明显影响，海平面上升 对珠江口代表站最高洪潮水位变化趋势的影响大于 最大流量的影响。 参考文献 (References) [1] ICHIYANGL, K., YAMANAKA, M. D., MURAJI, Y., et al. Precipitation in N.Cpell between 1987 and 1996. International Journal of Climatology, 2007, 15(2): 245-256. [2] XIONG, L., GUO, S. Trend test and change-point detection for the annual discharge series of the Yangtze River at the Yichang hydrological station. Hydrological Sciences Journal, 2004, 49(1): 99-112. [3] CLAUDIA, L. Multivariate and partial Mann-Kendall test, 2002. http://www.slu.se/PageFiles/70727/Manual.pdf [4] 徐宗学, 张楠. 黄河流域近 50 年降水变化趋势分析[J]. 地理 研究, 2006, 25(1): 27-35. 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