錢塘江河口鹽水入侵與影響因素的相關關系研究

李若華，馬繼俠

（浙江同濟科技職業學院，浙江 杭州 311231）

0 引 言

河口是河流到海洋、淡水到海水的過渡地段，鹽水入侵是河口地區特有的自然現象之一，不僅深刻影響河口的理化特征[1]、水生環境[2]，還嚴重威脅淡水供給[3]，是河口地區淡水資源開發利用最大的制約因素之一[4]。河口鹽水入侵主要決定于潮汐和徑流量，還受風應力和河勢變化等影響[5]，從時間尺度看，在外海潮汐半日漲落潮、半月大小潮的驅動下，鹽水入侵也隨著潮汐進行日內、月內的周期變化，同時隨著徑流年內的豐、枯特征具有顯著的季節變化，在河床沖淤劇烈的河口深受河床演變的影響[6]。目前多采用疊圖法分析鹽水入侵與其影響因素的關系[7]，較少對其之間的相關關系進行定量研究，尤其對中長期時間尺度上的關系分析更少[5]。錢塘江河口潮強流急、沖淤頻繁，為典型的強潮河口，本文以錢塘江河口為例，收集岸線穩定后2000—2020 年的實測資料，以月最大、月平均為主要指標定量分析中長期時間尺度下鹽水入侵與其影響因素的相關關系，為進一步了解強潮河口鹽水入侵的演變規律和河口淡水資源的利用提供參考。

1 研究區域及數據來源

1.1 研究區域概況

錢塘江是浙江省第一大河，全長668 km，流域面積55 558 km2，富春江電站以下至杭州灣灣口291 km 為感潮河段，稱為錢塘江河口（見圖1）。根據水動力條件和河床演變特性的差異，錢塘江河口可劃分為3 段[8]：富春江電站至聞家堰77 km 為河流段，水動力以徑流作用為主，河床較穩定，極少受鹽水入侵影響；聞家堰至澉浦116 km 為河口段，受徑流、潮汐共同作用，河床沖淤幅度大，鹽度變化劇烈；澉浦至杭州灣灣口98 km 為潮流段，主要受外海潮汐影響，水動力以潮流作用為主，鹽度高但變化小，河床相對穩定。本文主要研究水資源利用受鹽水入侵影響強烈的河口段。

圖1 錢塘江河口平面形態及水文站分布圖

錢塘江河口是典型的強潮河口，因強涌潮而聞名于世，澉浦站實測最大潮差達9.00 m 以上，多年平均潮差5.64 m，潮汐受M2 分潮控制，1 d 2 漲2 落。澉浦斷面寬16.50 km，向上游河寬逐漸縮窄，潮差逐漸減小，鹽官、倉前、七堡斷面河寬分別約2.50 km、2.00 km、1.60 km，多年平均潮差分別為3.20 m、1.52 m、0.79 m。潮汐上溯過程中潮波發生變形，漲潮時間逐漸縮短，落潮時間逐漸延長，澉浦、鹽官、倉前和七堡的平均漲潮時間分別為5.5 h、2.4 h、1.8 h 和1.4 h。受徑流、潮汐及河床沖淤的影響，鹽水入侵呈現明顯的季節變化，豐水期（3—7 月）徑流量大，鹽水入侵較弱；平水期（8—11 月）徑流量較小，同時因豐水期江道刷深，鹽水入侵嚴重；枯水期（12 月—次年2 月）徑流量雖小，但由于江道淤積導致潮汐上溯能力減弱，鹽水入侵也較弱[3]。

1.2 數據來源

為研究錢塘江河口的鹽水入侵規律，在閘口、七堡、倉前、鹽官、澉浦等5 個長期潮位站每d觀測日最大、最小含氯度（含鹽度=1.805×含氯度‰+0.03‰），已積累了約50 a 的資料系列。20 世紀60 年代以來，錢塘江河口的治江縮窄工程一直沒有間斷過，因治江縮窄引起的岸線和河床面貌也在不斷變化，而江道岸線和河床的變化對鹽水入侵影響巨大[9]。治江縮窄工程是一個不可逆工程，為使資料具有連續性和代表性，本文主要采用治江工程實施完成后2000 年至2020 年的實測資料進行統計分析。

1968 年12 月富春江電站建成發電后，錢塘江河口的徑流統計以電站下泄流量為準。因江道地形變化較大，錢塘江每年4、7、11 月份進行3 次地形測量，分別代表梅汛前、梅汛后、秋季大潮后的河床地形情況，為反映河床沖淤幅度，常采用閘口-鹽官河段吳淞高程7 m 以下的河床容積代表河口的河床變化[8]。

2 相關性分析方法

2.1 兩個變量間的相關分析方法

對于正態分布的等間距測度的變量x、y，兩者間相關性可采用Pearson 積矩相關公式[10]計算：

2.2 偏相關分析方法

錢塘江河口鹽水入侵主要影響因素為徑流、潮汐和江道地形，3 個因素在不同的時間尺度上深刻影響著鹽水入侵強度，同時因素之間交互作用又進一步影響鹽水入侵[11]，因此在進行鹽水入侵的單因素分析時，必須排除其他因素的影響，需采用偏相關分析方法。

在進行偏相關分析時，可控制變量z，變量x、y之間的偏相關系數計算公式[12]如下：

式（2）中：rxy，z是控制z的條件下，x和y之間的偏相關系數；rxy、rxz、ryz分別為變量x、y之間和x、z之間和y、z之間的相關系數。

2.3 相關程度的判定標準

為定量相關程度，根據相關系數的大小設定相關程度的判定標準如下：

當|r|＜0.2 時，極弱相關；

當0.2 ≤|r|＜ 0.4 時，弱相關；

當0.4 ≤|r|＜0.6 時，中等程度相關；

當0.6 ≤|r|＜0.8 時，強相關；

當0.8 ≤|r|≤1.0 時，極強相關。

3 結果分析與討論

3.1 徑流與含氯度的相關關系

河口含氯度的月內變化受潮汐影響較大，但以月為時間尺度時，則可淡化潮汐對含氯度的影響，故采用實測月均徑流量和含氯度資料分析中長期時間尺度上徑流與含氯度的相關關系。為定量分析徑流量與含氯度的相關性，以潮差為控制變量，計算了月均徑流量與各站點含氯度之間的相關關系。當徑流量較大時，河口內尤其是位于上游的七堡站含氯度很低，難以體現徑流量變化與含氯度的相關性，故將數據樣本根據月均徑流量分為全部數據、1 000 m3/s 以下、400 m3/s 以下3 組數據系列（見表1），并以月均徑流量1 000 m3/s 以下的數據樣本為例，將徑流量與各站含氯度畫成散點圖（見圖2）。

表1 月均徑流量與各站含氯度相關分析表

圖2 月均徑流量（1 000 m3/s 以下）與各站含氯度散點分布圖

由表1 可見，月均徑流量與各站的含氯度呈負相關關系，當采用全部數據序列時，徑流量與七堡、倉前站含氯度的相關性基本可達中等程度相關，與鹽官站的相關性僅為弱相關；當采用徑流量1 000 m3/s 以下的數據樣本時，七堡、倉前站的相關性有所增強，基本可達強相關，由圖2 可見，七堡、倉前站有一定的規律性，徑流量越小，含氯度越高，當徑流量小于600 m3/s 時，高含氯度的點數顯著增多，而鹽官站相關性差異不大；當采用月均徑流量400 m3/s 以下的數據樣本時，七堡、倉前站的相關性沒有繼續提高，反而有所降低，可能此時含氯度已較高，含氯度隨徑流量變化的敏感性沒有提高?？傮w來說，徑流量與七堡、倉前站含氯度的相關性較強，其中倉前站的相關性最強，與鹽官站的相關性較弱，這可能是鹽官站位于下游，徑流作用降低而潮汐作用加強所致。

3.2 潮汐與含氯度的相關關系

為定量分析潮汐與含氯度的相關性，以徑流量為控制變量，分析各站潮差（代表潮汐強度）與含氯度的相關關系，為降低徑流量對含氯度的影響，分別統計了全部數據以及月均徑流量1 000 m3/s 以下、400 m3/s 以下3 組數據序列結果（見表2），并以月均徑流量400 m3/s 以下的數據樣本為例，將各站潮差與含氯度畫成散點圖（見圖3）。

表2 各站點潮差與含氯度相關分析表

圖3 各站潮差與含氯度散點分布圖（月均徑流量＜400 m3/s）

由表2 可見，各站潮差與含氯度呈正相關關系，當采用全部數據時，七堡站潮差與含氯度呈弱相關，倉前、鹽官站呈弱相關或極弱相關；當采用徑流量小于1 000 m3/s 的數據時，七堡、倉前站含氯度與潮差的相關性顯著提高，達到中等程度相關，而鹽官站仍為極弱相關；當采用徑流量小于400 m3/s 的數據時，七堡站、倉前站的相關性進一步提高，可達強相關，由圖3 可見，七堡、倉前站有一定的規律性，潮差越大，含氯度越高，當潮差大于1 m 時，對應的高含氯度的點數顯著增加，而鹽官站的相關性差異不大?？傮w來說，七堡、倉前站潮差與含氯度的相關性較強，其中七堡站的相關性最強，而鹽官站的相關性較弱，可能是七堡站位于鹽水入侵的末端，潮差大則潮流挾帶鹽度上溯能力強，當徑流量較小時鹽度隨潮差變化敏感，而鹽官站位于下游，本底濃度較高對潮差變化的敏感性降低。

3.3 江道地形與含氯度、潮汐的相關關系

為定量分析江道地形與含氯度的相關性，以徑流量為控制變量，分析江道容積（閘口-鹽官段吳淞高程7 m 以下容積）與各站含氯度的相關關系，因錢塘江每年4、7、11 月測量3 次地形，故其他月份的江道容積采用線性內插得到。江道容積與各站含氯度相關分析見表3，以七堡站為例將江道容積與七堡站含氯度畫成散點圖（見圖4）。由表3可見，江道容積與各站的含氯度均呈正相關關系，但相關程度較低，均為極弱相關，從圖4 上也很難看出兩者的規律性。采用月均徑流量1 000 m3/s 以下、400 m3/s 以下2 組數據序列進行江道容積與各站含氯度的相關分析，相關性也并沒有顯著提高。

表3 江道地形與各站含氯度相關分析表

圖4 逐月江道容積與七堡站含氯度散點分布圖

在易沖易淤的錢塘江河口，徑流一方面可壓制咸潮，另一方面又可通過造床作用改變江道地形，江道地形改變又會影響河口潮流上溯能力，進而影響鹽水入侵強度[6]，相對于徑流和潮汐來說，江道地形變化較慢且具有滯后效應，江道地形通過影響河口內潮汐強度進而影響鹽水入侵，在此期間鹽水入侵又受到徑流和外海潮汐周期變化的影響，這也可能是江道地形與含氯度相關關系較差的原因。

江道地形變化首先影響河口內潮汐強度，進而影響鹽水入侵強度，為反映江道容積對河口內潮汐特征的影響，采用2000—2020 年期間的全部數據序列計算了逐月江道容積與各站潮差的相關關系（見表4）。由表4 可見，江道容積與各站潮差均有較強的正相關性，其中七堡、倉前站的相關性可達強相關，鹽官站可達中等程度相關，由此也表明潮差不僅可反映外海潮汐的變化，還可以反映河口段的江道變化，因潮差與含氯度相關性較強，故潮差在一定程度上也可以反映江道變化對鹽水入侵的影響。

表4 江道地形與各站潮差相關分析表

3.4 河口含氯度與影響因素的定量關系

上述分析可知，河口的含氯度與潮差、江道容積呈正比，與徑流呈反比，潮差越大、江道容積越大、徑流量越小，含氯度越高。因此，河口某一點的含氯度與影響因素的關系可由下式表示：

式（3）中：S為河口某一點的含氯度，g/L；ΔZ為潮差，m；Vq為江道容積，億m3；Q為徑流量，m3/s。

前述分析可知，江道容積與各站潮差呈強烈正相關，表明潮差和江道容積是強相關項，因潮差易于測量，故公式（3）中將江道容積項去除，則公式（3）可簡化為：

杭州取水口河段的鹽水入侵程度通常以七堡站的含氯度作為參考指標。為進一步量化河口含氯度與潮差、徑流的關系，以七堡站為代表，采用2000—2020 年的實測資料對七堡站含氯度與徑流、潮差的關系通過回歸分析進行二元非線性公式擬合，經嘗試多種公式形式后，發現指數型式擬合度最好，公式形式為：擬合公式如下：

式（5）～（6）中：S1、S2分別為七堡站月均含氯度、月最大含氯度，g/L；ΔZ1、ΔZ2分別為七堡站月均潮差、月最大潮差，m；Q為上游月均徑流量，m3/s。

4 結 論

1）月時間尺度下，各站含氯度與徑流量呈負相關關系，其中七堡、倉前站可達強相關或中等程度相關，鹽官站的相關性較差；各站含氯度與潮差呈正相關關系，其中七堡站相關性最好，倉前站次之，鹽官站較差，相關性隨著徑流量的降低逐漸增強；各站含氯度與江道容積呈正相關關系，但相關關系較差。

2）江道容積與各站潮差呈正相關關系，其中七堡、倉前站可達強相關，表明潮差不僅可反映外海潮汐的變化，還可以反映河口段的江道變化，故在一定程度上也可以反映江道變化對鹽水入侵的影響。

3）以七堡站為例，采用2000—2020 年間實測資料建立了含氯度與影響因素的回歸公式，公式呈指數型，七堡站月均含氯度、月最大含氯度可由其月均潮差、月最大潮差及上游月均徑流量進行定量計算。