珠江三角洲顶部节点分流特征及影响因素分析

黄鹏飞，刘培，许伟

（1.珠江水利委员会珠江水利科学研究院，广东广州 510611；
2.水利部珠江河口治理与保护重点实验室，广东广州 510611）

珠江西北江三角洲各类河涌纵横交错，河道总数共计1.2万余条，总长3 万多公里，河网密度高达0.72 km/km2，为全国平均水平的近5倍［1］。作为西、北江于珠江三角洲网河区第一次“交集”的位置，思贤滘承担着来自西江梧州站与北江石角站的水量分配，是西、北江网河河道的一个主要沟通点，影响着其下珠江三角洲的各级河网。

随着近几十年来，网河区人类活动加剧，珠江三角洲网河区河床发生了剧烈的演变［2］，加之上游大藤峡水利枢纽等水利工程的建设，区域来水来沙条件发生了深刻变化，随之而来的是河道径潮动力调整、河床持续演变［3，4］、网河区潮区界、潮流界变动［5，6］等一系列问题。

过往的研究中，多以传统统计分析为主，但考虑流量时间序列中所具备的非正态分布特征，采用非线性理论方法更为合理［7］。因此，蔡华阳［8］等利用小波分析对1960年至2004年顶端分流站点流量、含沙量数据进行了分析，得出了三水站分流分沙比显著增大的结论；
倪培桐［9］等采用Hurst 系数法、非参数Mann-Kendall 趋势检验法、线性趋势分析等方法对马口、三水站流量序列与含沙量序列进行初步检验，得出三水站分流比序列于1988年发生强变异的结论；
张灵等［10］利用经验模式分解分析了1959 年至2004 年三水站分流变化特征及呈现显著增加的趋势。但是，考虑思贤滘的分流变化受上游影响且存在一定的洪枯季差异，同时经验模式分解方法自身存在一定的缺陷，本文拟利用Mann-Kendall 突变检验、统计分析进行顶部节点分流特征分析，应用集合经验模态分解分析顶部节点来流关系、分流变化及分流趋势，并结合相关研究进行影响因子分析，为珠江三角洲综合治理、防洪抑咸、水资源利用于保护等方面提供参考。

1.1 研究资料搜集

研究区域为西江梧州站、西江干流马口站、北江石角站和北江干流三水站，全长共计29.2 km。搜集了梧州站（WZ）、石角站（SJ）、马口站（MK）、三水站（SS）4 个水文站自2000-2020 年（少量年份缺失）实测逐时流量数据和以上1959-2020 年马口站、三水站月均流量、年均流量、年均洪季平均流量、年均枯季平均流量数据，进行分流比计算，得出三水站年均、洪季平均、枯季平均分流比，共计3组数据（SST、SSH、SSK），马口站（MKT、MKH、MKK）对应分流比基于三水站分流比计算而来。

1.2 研究方法

经验模式分解（Empirical Mode Decomposition，EMD）是由Huang［11］等于1998 年提出的希尔伯特·黄变换（Hilbert-Huang Transform，HHT）中进行希尔伯特变换（Hilbert Transform，HT）前的预处理方法，主要针对非稳态、非线性信号的处理而不需遵从Heisenberg 测不准原理［12］制约，可将复杂信号（序列）分解为多个本征模函数（Intrinsic Mode Function，IMF）和一个残差（Res）之和，计算平均周期及各尺度信号相对原数据总体特征占比的方差贡献率，从而分辨复杂信号（序列）中IMF 所蕴含的周期及趋势特征，该方法在气象、天文、机械、土木等诸多领域均得到了广泛应用。

随着EMD方法的不断深入应用，其自身存在的缺陷逐渐显现，当对于某些复杂信号进行处理时，得到的IMF 分量会存在模态混叠（Mode Mixing，MM）的问题，即单一IMF 信号中含有存在差异的多个周期尺度或相同时间尺度出现在不同的IMF 中，继而破坏IMF 本应具有的物理意义。针对此问题，Wu［13］等于2011年提出在目标信号中添加一定强度的白噪声，利用白噪声频谱正态分布的统计特性达到抑制模态混叠目的，该方法即为集合经验模态分解（Ensemble Empirical Mode Decomposition，EEMD），其基本计算过程如下：

（1）原始信号中引入正态分布的白噪声：

（2）对yn(t)序列进行EMD 分解得到其第m个本征模态分量IMFmn(t)和残差resn(t)；

（3）迭代以上步骤M 次，并对各次分解的分量均化以消除白噪声影响，即得到EEMD 分解下的本征模态分量IMFm(t)和残差res(t)。

2.1 年均分流比突变特征

因三水站、马口站分流比为负相关关系，本次分析集中于三水站特征分析，马口站特征与其相反。利用基于秩的的非参数Mann-Kendall 突变检验对三水年均、洪季平均、枯季平均分流比数据进行突变检测。图1表明，三水站年均分流比、洪季平均分流比、枯季平均分流比中UFk大部分值大于0，表明三水站分流比整体呈现上升趋势，且三水站年均分流比、洪季平均分流比UFk与UBk交点位于95%置信区间内，突变交点分别为1988年和1991年，但枯季平均分流比并未通过95%置信检测。

图1 三水站分流比MK检验图Fig.1 MK test of Sanshui Station diversion ratio

2.2 年均分流特征

引入分流不均匀系数（Discharge Asymmetry Index，DAI）［14］进行统计，DAI取值范围为［-1，1］，系数的绝对值越大，代表分流状态越不均匀，绝对值越小，则代表越均匀。分流不均匀系数定义DAI如下：

根据1959-2020 年长系列统计分析，三水站年均分流比为17.7%，其中1959-1992年年均分流比为14.2%，1993-2020年平均分流比加大为20.1%。洪枯季来看，三水站洪季平均分流比为19.1%，其中1959-1992 年年均分流比为15.6%，1993-2020年平均分流比加大为21.3%；
枯季平均分流比为13.8%，其中1959-1992 年三水年均分流比为9.2%，1993-2020 年平均分流比加大为17.5%。

图2 表明，1959-1992 年，三水站年均、洪及枯季分流比较为稳定，均小于20%；
自1992 年起，分流比呈现波动加剧的态势。1992-1996 年，分流不均匀系数显著下降，至1996 年降至年均分流不均匀系数48.6%、洪季分流不均匀系数46.5%、枯季分流不均匀系数60.0%；
1997-2017 年，年均和洪季分流不均匀系数缓步抬升趋势，而枯季分流不均匀系数呈现下降趋势；
近三年，年均和洪季分流不均匀系数波动加剧。长期来看，无论从年均亦或洪枯季，三水站分流比均呈现增大的趋势，马口站、三水站分流均匀性增强，值得注意的是，三水站枯季变动更为剧烈。

图2 三水站、马口站年均、洪及枯季分流比及分流不均匀系数变化图Fig.2 The changes of annual，flood season，dry season diversion ratio and discharge asymmetry index at Sanshui station and Makou Station

2.3 相似来流下的分流比与流量关系

针对变化较为剧烈的年份，根据资料情况，选取2000 年至2020 年实测流量数据，对本世纪初（2000-2010 年）和近期（2010-2020年）两个时间节点下，对马口站上游梧州站、三水站上游石角站来流相似条件（流量差异±1%）下，马口站、三水站分流比与马口、三水、梧州、石角四站流量关系进行统计。

在上游石角站和梧州站来流相似的条件下，近期较本世纪初期，石角站流量1 500 m3/s 以内、三水站流量1 700～2 700 m3/s范围内，三水站分流比呈现剧烈波动，梧州站流量2 000～6 000 m3/s、马口站流量2 000～6 000 m3/s 范围内，马口站分流比呈现剧烈波动；
流量大于以上范围，三水站、马口站分流趋于稳定。图3表明，考虑断面地形下切的影响，近期较本世纪初期在枯水流量状态下珠江三角洲顶点分流呈现不稳定性加剧的情况。

图3 来流相似的条件下三水站、马口站分流比与流量关系图Fig.3 The relation of diversion ratio and discharge of Sanshui station and Makou Station under similar incoming flow condition

3.1 顶部节点流量相关性

基于上述节点分流特征分析，三水站分流比均呈现增大的趋势且顶点分流枯季不稳定性加剧，为了深入研究其趋势特征，对已有的2000年之后的梧州站、石角站、马口站与三水站月均流量的Pearson 相关性进行分析。图4 表明，三水站与马口站、马口站与梧州站、三水站与梧州站在洪季（4-9月）存在这较强的相关性（>0.9），而枯季上述站点相关性急剧减弱。

图4 各站点Pearson相关系数图Fig.4 Pearson correlation coefficient diagram of each site

3.2 三水站与马口站、石角站、梧州站相关系数特征及趋势

选取三水站与马口站（SS-MK）、三水站与梧州站（SSWZ）、三水站与石角站（SS-SJ）三组逐月Pearson 相关序列并利用EEMD 方法分解，得到三水站与其余三站的相关系数的6组IMF分量及Res趋势分量，如图5所示。结果表明三水站与马口站、石角站、梧州站相关性变化存在复杂的时间尺度及周期性。表1 和图5 显示，①三水站与其余三站相关系数的变化均存在周期不足5 个月（<0.4 a）和约1 年的高频振荡影响，且三组IMF1、IMF2 方差贡献率之和分别为80.1%、76.3%、82.4%，表明三水站的分流比受其余三站短周期影响明显，且存在洪枯季和年际变化的特征；
②根据三组Res趋势显示，三水站与马口站的相关关系于2005 年前后开始呈现增强（+0.001 6/a）的趋势，而与石角站、梧州站则始终呈现减弱（-0.004 7/a、-0.003 3/a）的趋势。

图5 各站点Pearson相关系数EEMD分解图Fig.5 EEMD decomposition diagram of Pearson correlation coefficient of each site

表1 三水与马口、石角、梧州相关性方差贡献率及周期表Tab.1 Contribution rate and periodic table of correlation variance between Sanshui and Makou，Sanshui and Shijiao，Sanshui and Wuzhou

3.3 三水站分流比特征及趋势

利用三水站、马口站年均流量、年均洪季平均流量、年均枯季平均流量数据，求取了三水站相应分流比（SST、SSH、SSK）年时间序列，利用EEMD 方法分解，得到三水站年均、洪季平均、枯季平均分流比的4组IMF分量及Res趋势分量。结果表明三水站年均、洪季平均、枯季平均分流比存在复杂的时间尺度及明显的趋势性。表2 和图6 显示，①三水站年均、洪季平均、枯季平均分流比（2.6～6.7 a）年际周期方差贡献率较低；
②IMF2 在经历1960-1990 年的平稳阶段后，于1991 年开始相对剧烈的波动，造成了三水站1991 洪季分流比的突变，同样的，IMF3 表明三水站存在年代际变化（13.3～15.2 a）的周期，且最近的相对剧烈波动处于1987-1989 年左右，这也解释了三水站年均分流比于1988 年突变；
③更长周期IMF4和Res方差贡献率占比77.5%～89.1%，且枯季占比更大，表明三水站分流比趋势极强，Res分量表明三水站年均、洪季平均、枯季平均分流比均呈现显著的上升趋势；
④三水站年均、洪季平均分流比表现出明显的一致性，枯季平均分流比特征较前两者存在轻微差异，且该差异在近年中逐渐凸显。

图6 三水站年均、洪季平均、枯季平均分流比EEMD分解图Fig.6 EEMD decomposition diagram of annual，flood season，dry season diversion ratio at Sanshui station

表2 三水站分流比方差贡献率及周期表Tab.2 Contribution rate and periodic table of distribution ratio at Sanshui station

4.1 关键节点地貌演变

根据相关研究［15］，珠江三角洲网河区及西、北江在20 世纪50-80 年代变化较为复杂，总体为轻微冲刷与轻微淤积动态变化的过程；
至20 世纪80 年代中期，经济的迅速发展导致人类挖沙加剧，造成了珠江三角洲河道及西、北江发生了强度远超自然演变过程的下切［2，16，17］，河道窄深化发展；
2005 年后，随着三角洲采砂活动的控制成效显现，河道目前仍处于挖沙后的深度调整阶段。

以三水站、马口站为例，表3 和图7 表明，1999-2008 年三水、马口两站均出现明显的下切现象，断面面积增大9.1%、17.1%，河道底高程下切38.3%、23.4%，但2008-2019 年两站演变则出现显著差异，三水站断面面积和河道底高程变幅不超4%，属轻微调整，而马口则表现为显著淤积的态势，断面面积减小7.2%，河道底高程抬升14.7%。两站河床变化基本发生于河道主槽附近，两岸高滩变动不大，此现象即为2.3 节中在上游石角和梧州来流相似的条件下，三水流量1 700～2 700 m3/s 范围内，马口流量2 000～6 000 m3/s范围内分流比呈现剧烈波动的可能解释。在马口站近年淤积的背景下，思贤滘则呈现冲刷的态势。此类变动表明，经西江汇入西江干流的水流将随着马口站河道底高程的抬升更“难”分流至马口以下的西江干流，而思贤滘地形冲刷态势导致水流相应经思贤滘以“西过北”方式汇入北江的情况将更为频繁，两方面因素共同作用即表现为三水站的分流呈现增大的趋势。

图7 三水站、马口站断面地形对比图Fig.7 Comparison map of cross section topography of Sanshui station and Makou Station

表3 三水站、马口站断面变化表Tab.3 Cross-section change table of Sanshui station and Makou Station

4.2 径潮动力变化

感潮河段影响因子较为复杂，受到径流、外海潮波运动的双重作用，且对于类似地形、岸线等其他因子的变化有着较强的敏感性。随着珠江三角洲的发展，网河区及上游河道岸线基本固化，但过往三十年的地形却不断发生着深刻调整。相应的，珠江三角洲网河区径潮动力产生了巨大变化，而在不断变化的径潮动力作用下，网河区地形时刻发生着调整。

图8 思贤滘地形变化图Fig.8 Comparison map of cross section topography of Sanshui station and Makou Station

在过往的研究中［5］，2005 年多年平均流量下西江的潮区界已至梧州站与德庆站之间，北江的潮区界已至三水站与石角站之间；
枯水流量下西江的潮区界已至梧州站上游，北江的潮区界已逼近石角。对于径潮动力表现更为直接的潮流界与潮区界类似，2005 年多年平均流量下西江干流的潮流界已至马口站，北江干流的潮流界已至紫洞站；
枯水流量下西江干流的潮流界已越过高要站，北江的潮流界已越过三水站。潮流界、潮区界的不断上移，造成顶部节点的分流由单纯的径流作用变为径潮共同作用的复杂过程，并且随着珠江三角洲网河区及上游干流地形的不断变化，作为影响权重越来越大的潮波动力因子，其对于三角洲顶部节点分流的影响已经越来越不能忽视。

采用Mann-Kendall 突变检验和集合经验模态分解等方法，对珠江三角洲顶部分流节点及其上游控制站点实测水文资料进行分析，研究了顶部节点分流特征、相关性及趋势变化，获得主要认识如下。

（1）三水站年均分流比、洪季平均分流比突变交点分别为1988年和1991年，枯季平均分流比无显著突变。

（2）近期（2010-2020年）较本世纪初期（2000-2010年）在枯水流量状态下珠江三角洲顶点分流呈现不稳定性加剧的情况。

（3）三水站与马口站、马口站与梧州站、三水站与梧州站在洪季（4-9 月）存在这较强的相关性（>0.9），而枯季上述站点相关性急剧减弱。

（4）三水站与梧州站、石角站、马口站相关系数的变化均存在不足5 个月（<0.4 a）和约1 年的高频周期，且三水站的分流比呈现出比其余三站更为明显短周期变化，同时存在显著的洪枯季和年际变化的特征；
三水站与马口站的相关关系于2005年前后开始呈现增强（+0.001 6/a）的趋势，而与石角站、梧州站则始终呈现减弱（-0.004 7/a、-0.003 3/a）的趋势，表明在地形剧烈变化的背景下，三水站分流受马口站影响逐渐加剧。

（5）长期来看，三水站年均、洪季平均、枯季平均分流比均呈现显著的上升趋势，且年均、洪季平均分流比表现出明显的一致性，而枯季平均分流比特征较前两者存在差异，且该差异在近年逐渐凸显。

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