钱塘江河口盐水入侵与影响因素的相关关系研究

李若华，马继侠

（浙江同济科技职业学院，浙江 杭州 311231）

0 引 言

河口是河流到海洋、淡水到海水的过渡地段，盐水入侵是河口地区特有的自然现象之一，不仅深刻影响河口的理化特征[1]、水生环境[2]，还严重威胁淡水供给[3]，是河口地区淡水资源开发利用最大的制约因素之一[4]。河口盐水入侵主要决定于潮汐和径流量，还受风应力和河势变化等影响[5]，从时间尺度看，在外海潮汐半日涨落潮、半月大小潮的驱动下，盐水入侵也随着潮汐进行日内、月内的周期变化，同时随着径流年内的丰、枯特征具有显著的季节变化，在河床冲淤剧烈的河口深受河床演变的影响[6]。目前多采用叠图法分析盐水入侵与其影响因素的关系[7]，较少对其之间的相关关系进行定量研究，尤其对中长期时间尺度上的关系分析更少[5]。钱塘江河口潮强流急、冲淤频繁，为典型的强潮河口，本文以钱塘江河口为例，收集岸线稳定后2000—2020 年的实测资料，以月最大、月平均为主要指标定量分析中长期时间尺度下盐水入侵与其影响因素的相关关系，为进一步了解强潮河口盐水入侵的演变规律和河口淡水资源的利用提供参考。

1 研究区域及数据来源

1.1 研究区域概况

钱塘江是浙江省第一大河，全长668 km，流域面积55 558 km2，富春江电站以下至杭州湾湾口291 km 为感潮河段，称为钱塘江河口（见图1）。根据水动力条件和河床演变特性的差异，钱塘江河口可划分为3 段[8]：富春江电站至闻家堰77 km 为河流段，水动力以径流作用为主，河床较稳定，极少受盐水入侵影响；闻家堰至澉浦116 km 为河口段，受径流、潮汐共同作用，河床冲淤幅度大，盐度变化剧烈；澉浦至杭州湾湾口98 km 为潮流段，主要受外海潮汐影响，水动力以潮流作用为主，盐度高但变化小，河床相对稳定。本文主要研究水资源利用受盐水入侵影响强烈的河口段。

图1 钱塘江河口平面形态及水文站分布图

钱塘江河口是典型的强潮河口，因强涌潮而闻名于世，澉浦站实测最大潮差达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 涨2 落。澉浦断面宽16.50 km，向上游河宽逐渐缩窄，潮差逐渐减小，盐官、仓前、七堡断面河宽分别约2.50 km、2.00 km、1.60 km，多年平均潮差分别为3.20 m、1.52 m、0.79 m。潮汐上溯过程中潮波发生变形，涨潮时间逐渐缩短，落潮时间逐渐延长，澉浦、盐官、仓前和七堡的平均涨潮时间分别为5.5 h、2.4 h、1.8 h 和1.4 h。受径流、潮汐及河床冲淤的影响，盐水入侵呈现明显的季节变化，丰水期（3—7 月）径流量大，盐水入侵较弱；平水期（8—11 月）径流量较小，同时因丰水期江道刷深，盐水入侵严重；枯水期（12 月—次年2 月）径流量虽小，但由于江道淤积导致潮汐上溯能力减弱，盐水入侵也较弱[3]。

1.2 数据来源

为研究钱塘江河口的盐水入侵规律，在闸口、七堡、仓前、盐官、澉浦等5 个长期潮位站每d观测日最大、最小含氯度（含盐度=1.805×含氯度‰+0.03‰），已积累了约50 a 的资料系列。20 世纪60 年代以来，钱塘江河口的治江缩窄工程一直没有间断过，因治江缩窄引起的岸线和河床面貌也在不断变化，而江道岸线和河床的变化对盐水入侵影响巨大[9]。治江缩窄工程是一个不可逆工程，为使资料具有连续性和代表性，本文主要采用治江工程实施完成后2000 年至2020 年的实测资料进行统计分析。

1968 年12 月富春江电站建成发电后，钱塘江河口的径流统计以电站下泄流量为准。因江道地形变化较大，钱塘江每年4、7、11 月份进行3 次地形测量，分别代表梅汛前、梅汛后、秋季大潮后的河床地形情况，为反映河床冲淤幅度，常采用闸口-盐官河段吴淞高程7 m 以下的河床容积代表河口的河床变化[8]。

2 相关性分析方法

2.1 两个变量间的相关分析方法

对于正态分布的等间距测度的变量x、y，两者间相关性可采用Pearson 积矩相关公式[10]计算：

2.2 偏相关分析方法

钱塘江河口盐水入侵主要影响因素为径流、潮汐和江道地形，3 个因素在不同的时间尺度上深刻影响着盐水入侵强度，同时因素之间交互作用又进一步影响盐水入侵[11]，因此在进行盐水入侵的单因素分析时，必须排除其他因素的影响，需采用偏相关分析方法。

在进行偏相关分析时，可控制变量z，变量x、y之间的偏相关系数计算公式[12]如下：

式（2）中：rxy，z是控制z的条件下，x和y之间的偏相关系数；rxy、rxz、ryz分别为变量x、y之间和x、z之间和y、z之间的相关系数。

2.3 相关程度的判定标准

为定量相关程度，根据相关系数的大小设定相关程度的判定标准如下：

当|r|＜0.2 时，极弱相关；

当0.2 ≤|r|＜ 0.4 时，弱相关；

当0.4 ≤|r|＜0.6 时，中等程度相关；

当0.6 ≤|r|＜0.8 时，强相关；

当0.8 ≤|r|≤1.0 时，极强相关。

3 结果分析与讨论

3.1 径流与含氯度的相关关系

河口含氯度的月内变化受潮汐影响较大，但以月为时间尺度时，则可淡化潮汐对含氯度的影响，故采用实测月均径流量和含氯度资料分析中长期时间尺度上径流与含氯度的相关关系。为定量分析径流量与含氯度的相关性，以潮差为控制变量，计算了月均径流量与各站点含氯度之间的相关关系。当径流量较大时，河口内尤其是位于上游的七堡站含氯度很低，难以体现径流量变化与含氯度的相关性，故将数据样本根据月均径流量分为全部数据、1 000 m3/s 以下、400 m3/s 以下3 组数据系列（见表1），并以月均径流量1 000 m3/s 以下的数据样本为例，将径流量与各站含氯度画成散点图（见图2）。

表1 月均径流量与各站含氯度相关分析表

图2 月均径流量（1 000 m3/s 以下）与各站含氯度散点分布图

由表1 可见，月均径流量与各站的含氯度呈负相关关系，当采用全部数据序列时，径流量与七堡、仓前站含氯度的相关性基本可达中等程度相关，与盐官站的相关性仅为弱相关；当采用径流量1 000 m3/s 以下的数据样本时，七堡、仓前站的相关性有所增强，基本可达强相关，由图2 可见，七堡、仓前站有一定的规律性，径流量越小，含氯度越高，当径流量小于600 m3/s 时，高含氯度的点数显著增多，而盐官站相关性差异不大；当采用月均径流量400 m3/s 以下的数据样本时，七堡、仓前站的相关性没有继续提高，反而有所降低，可能此时含氯度已较高，含氯度随径流量变化的敏感性没有提高。总体来说，径流量与七堡、仓前站含氯度的相关性较强，其中仓前站的相关性最强，与盐官站的相关性较弱，这可能是盐官站位于下游，径流作用降低而潮汐作用加强所致。

3.2 潮汐与含氯度的相关关系

为定量分析潮汐与含氯度的相关性，以径流量为控制变量，分析各站潮差（代表潮汐强度）与含氯度的相关关系，为降低径流量对含氯度的影响，分别统计了全部数据以及月均径流量1 000 m3/s 以下、400 m3/s 以下3 组数据序列结果（见表2），并以月均径流量400 m3/s 以下的数据样本为例，将各站潮差与含氯度画成散点图（见图3）。

表2 各站点潮差与含氯度相关分析表

图3 各站潮差与含氯度散点分布图（月均径流量＜400 m3/s）

由表2 可见，各站潮差与含氯度呈正相关关系，当采用全部数据时，七堡站潮差与含氯度呈弱相关，仓前、盐官站呈弱相关或极弱相关；当采用径流量小于1 000 m3/s 的数据时，七堡、仓前站含氯度与潮差的相关性显著提高，达到中等程度相关，而盐官站仍为极弱相关；当采用径流量小于400 m3/s 的数据时，七堡站、仓前站的相关性进一步提高，可达强相关，由图3 可见，七堡、仓前站有一定的规律性，潮差越大，含氯度越高，当潮差大于1 m 时，对应的高含氯度的点数显著增加，而盐官站的相关性差异不大。总体来说，七堡、仓前站潮差与含氯度的相关性较强，其中七堡站的相关性最强，而盐官站的相关性较弱，可能是七堡站位于盐水入侵的末端，潮差大则潮流挟带盐度上溯能力强，当径流量较小时盐度随潮差变化敏感，而盐官站位于下游，本底浓度较高对潮差变化的敏感性降低。

3.3 江道地形与含氯度、潮汐的相关关系

为定量分析江道地形与含氯度的相关性，以径流量为控制变量，分析江道容积（闸口-盐官段吴淞高程7 m 以下容积）与各站含氯度的相关关系，因钱塘江每年4、7、11 月测量3 次地形，故其他月份的江道容积采用线性内插得到。江道容积与各站含氯度相关分析见表3，以七堡站为例将江道容积与七堡站含氯度画成散点图（见图4）。由表3可见，江道容积与各站的含氯度均呈正相关关系，但相关程度较低，均为极弱相关，从图4 上也很难看出两者的规律性。采用月均径流量1 000 m3/s 以下、400 m3/s 以下2 组数据序列进行江道容积与各站含氯度的相关分析，相关性也并没有显著提高。

表3 江道地形与各站含氯度相关分析表

图4 逐月江道容积与七堡站含氯度散点分布图

在易冲易淤的钱塘江河口，径流一方面可压制咸潮，另一方面又可通过造床作用改变江道地形，江道地形改变又会影响河口潮流上溯能力，进而影响盐水入侵强度[6]，相对于径流和潮汐来说，江道地形变化较慢且具有滞后效应，江道地形通过影响河口内潮汐强度进而影响盐水入侵，在此期间盐水入侵又受到径流和外海潮汐周期变化的影响，这也可能是江道地形与含氯度相关关系较差的原因。

江道地形变化首先影响河口内潮汐强度，进而影响盐水入侵强度，为反映江道容积对河口内潮汐特征的影响，采用2000—2020 年期间的全部数据序列计算了逐月江道容积与各站潮差的相关关系（见表4）。由表4 可见，江道容积与各站潮差均有较强的正相关性，其中七堡、仓前站的相关性可达强相关，盐官站可达中等程度相关，由此也表明潮差不仅可反映外海潮汐的变化，还可以反映河口段的江道变化，因潮差与含氯度相关性较强，故潮差在一定程度上也可以反映江道变化对盐水入侵的影响。

表4 江道地形与各站潮差相关分析表

3.4 河口含氯度与影响因素的定量关系

上述分析可知，河口的含氯度与潮差、江道容积呈正比，与径流呈反比，潮差越大、江道容积越大、径流量越小，含氯度越高。因此，河口某一点的含氯度与影响因素的关系可由下式表示：

式（3）中：S为河口某一点的含氯度，g/L；ΔZ为潮差，m；Vq为江道容积，亿m3；Q为径流量，m3/s。

前述分析可知，江道容积与各站潮差呈强烈正相关，表明潮差和江道容积是强相关项，因潮差易于测量，故公式（3）中将江道容积项去除，则公式（3）可简化为：

杭州取水口河段的盐水入侵程度通常以七堡站的含氯度作为参考指标。为进一步量化河口含氯度与潮差、径流的关系，以七堡站为代表，采用2000—2020 年的实测资料对七堡站含氯度与径流、潮差的关系通过回归分析进行二元非线性公式拟合，经尝试多种公式形式后，发现指数型式拟合度最好，公式形式为：拟合公式如下：

式（5）～（6）中：S1、S2分别为七堡站月均含氯度、月最大含氯度，g/L；ΔZ1、ΔZ2分别为七堡站月均潮差、月最大潮差，m；Q为上游月均径流量，m3/s。

4 结 论

1）月时间尺度下，各站含氯度与径流量呈负相关关系，其中七堡、仓前站可达强相关或中等程度相关，盐官站的相关性较差；各站含氯度与潮差呈正相关关系，其中七堡站相关性最好，仓前站次之，盐官站较差，相关性随着径流量的降低逐渐增强；各站含氯度与江道容积呈正相关关系，但相关关系较差。

2）江道容积与各站潮差呈正相关关系，其中七堡、仓前站可达强相关，表明潮差不仅可反映外海潮汐的变化，还可以反映河口段的江道变化，故在一定程度上也可以反映江道变化对盐水入侵的影响。

3）以七堡站为例，采用2000—2020 年间实测资料建立了含氯度与影响因素的回归公式，公式呈指数型，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径流量进行定量计算。