長江近口段水動(dòng)力特征對來水變異的響應(yīng)

張智偉,蔣陳娟,李閃閃

(揚(yáng)州大學(xué) 水利與能源動(dòng)力工程學(xué)院, 江蘇 揚(yáng)州 225127)

長江近口段水動(dòng)力特征對來水變異的響應(yīng)

張智偉,蔣陳娟*,李閃閃

(揚(yáng)州大學(xué) 水利與能源動(dòng)力工程學(xué)院, 江蘇 揚(yáng)州 225127)

三峽水庫的調(diào)蓄作用使長江中下游的徑流動(dòng)力發(fā)生異變,并誘使長江近口段的潮汐動(dòng)力發(fā)生變化。本文基于長江近口段近20 a的流量和潮位資料,運(yùn)用水文學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)和調(diào)和分析的方法研究長江近口段的水動(dòng)力特征對三峽水庫調(diào)蓄作用產(chǎn)生的來水變異的響應(yīng)。研究結(jié)果表明：三峽水庫的調(diào)蓄作用使長江近口段的徑流動(dòng)力發(fā)生變化,泄水期1—3月多年月平均流量增幅達(dá)20%以上；蓄水期9—11月多年月平均流量減少,10月的多年平均流量減少8 488 m3/s。長江近口段徑流動(dòng)力的變化使潮汐動(dòng)力發(fā)生相應(yīng)調(diào)整,大通-江陰段保證率為10%～70%的高、低潮位顯著下降,而保證率為80%～100%的高、低潮位則小幅上升。泄水期1—3月平均潮差和M2分潮振幅減小,近口段的潮汐動(dòng)力減弱；蓄水期9—11月平均潮差和M2分潮振幅增加,尤其是10月份潮差增加最為顯著,近口段潮汐作用顯著增強(qiáng)。

三峽水庫；長江近口段；徑流動(dòng)力；潮汐動(dòng)力；來水變異

0 引言

長江是世界第三大河流,全長約6 300 km,流域面積約180萬km2。大通水文站是長江干流上的綜合性水文站,其出口斷面控制著長江流域約94%的匯水面積,故國內(nèi)外學(xué)者大多將大通站作為長江入海水沙通量的考察站[1]。大通站1950—2010年的多年平均流量為28 300 m3/s,1956—2009年的多年平均輸沙量為3.9億t,2010年后下降至1億t左右。長江巨大的入海水沙通量,對河口地區(qū)的地貌形成、沉積過程、海岸帶以及大陸架的生態(tài)環(huán)境有著重要的影響。大通站近20 a的水文資料顯示：長江下游河段的年徑流量變化不大,但徑流量的季節(jié)性變化顯著,夏秋季雨水較多、徑流量大,冬春季雨水較少、徑流量小,洪季的徑流量占全年徑流量的70.8%[2]。

長江河口屬于中潮河口,潮汐作用顯著,其中南支口門中浚站多年平均潮差為2.67 m,最大潮差為4.62 m[3]。長江河口的潮汐類型為不規(guī)則半日潮,半日分潮占絕對優(yōu)勢,尤其以M2分潮為主[4]。對于潮區(qū)界和潮流界的劃分,學(xué)界一般認(rèn)為枯季潮區(qū)界在大通,而洪季潮區(qū)界則下移至蕪湖；枯季潮流界在鎮(zhèn)江,而洪季潮流界則下移至江陰[5]。長江近口段為大通至徐六涇之間的河段,近口段作為河流和河口的過渡段,以強(qiáng)烈的徑潮相互作用為主要特征,對流域徑流動(dòng)力和河口潮汐動(dòng)力的變化極其敏感。

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),長江流域已經(jīng)興建了46 000多座水壩,7 000多座涵閘,這些水利工程的修建改變了長江的徑流動(dòng)力特征[6]。其中尤以2003年開始蓄水,2010年首次按175 m設(shè)計(jì)水位蓄水,水庫總庫容約430億m3的三峽水庫影響最大,將大幅改變長江中下游來水來沙環(huán)境[7-8]。隨著長江上游三峽水庫等大型水利工程的運(yùn)行,在水庫的調(diào)蓄作用下,徑流的年內(nèi)分配出現(xiàn)顯著變化,長江下游的枯水期將延長、最小流量增加,這勢必對長江近口段的水動(dòng)力特征產(chǎn)生影響[9-11]。

對三峽水庫蓄水前后水動(dòng)力特征變化的研究,有助于預(yù)測河口的演變趨勢,為河口合理的整治規(guī)劃、河口資源開發(fā)利用、河口生態(tài)環(huán)境維護(hù)等提供科學(xué)依據(jù),同時(shí)也為南京以下河段12.5 m深水航道的疏浚提供參考,具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。雖然已有不少學(xué)者對長江河口的潮汐潮流特征進(jìn)行研究[12],但對于近口段水動(dòng)力特征對三峽水庫調(diào)蓄作用的響應(yīng)研究成果甚少,且已有研究采用一維河網(wǎng)數(shù)學(xué)模型作為研究手段[13],故本文將基于近20 a近口段各水文站的實(shí)測資料,著重研究三峽水庫蓄水前后,長江近口段的水動(dòng)力特征變化。

1 數(shù)據(jù)和研究方法

本文共收集三峽工程施工前1978—1987年,工程建成后2003—2012年近20 a的大通站日均流量資料,以及蕪湖、馬鞍山、南京、鎮(zhèn)江、江陰和天生港6個(gè)水文站的逐潮高低潮位和潮時(shí)數(shù)據(jù),資料來源于長江流域水文年鑒[14]。1978—1987年和2003—2012年兩個(gè)時(shí)段的多年平均流量分別為27 100 m3/s和27 700 m3/s,變化幅度僅為2%,兩個(gè)時(shí)段均包含典型枯水年和豐水年,故認(rèn)為這兩個(gè)時(shí)段的徑潮動(dòng)力具有可比性。

通過對大通站流量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,研究長江近口段的上游來水量變化,以探討徑流動(dòng)力的變化。通過對蕪湖、馬鞍山、南京、鎮(zhèn)江、江陰和天生港6個(gè)水文站(圖1)的潮位和潮時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,對比工程前后各站的潮位和潮差,分析潮汐動(dòng)力對流量變化的響應(yīng)。根據(jù)三峽水庫的調(diào)蓄情況,選取典型年典型月的高低潮位數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)和分析,研究主要潮汐分潮對工程的響應(yīng)。

圖1 長江河口概圖Fig.1 Estuary of Yangtze River

2 水動(dòng)力特征變化

三峽水庫的調(diào)蓄作用直接改變長江下游的徑流動(dòng)力特征,在徑潮相互作用下,潮汐動(dòng)力也會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的調(diào)整。本研究主要從徑流動(dòng)力和潮汐動(dòng)力兩方面來研究近口段水動(dòng)力特征對三峽水庫調(diào)蓄作用的響應(yīng)。

2.1 徑流動(dòng)力變化

主要從調(diào)蓄前(1978—1987年)和調(diào)蓄后(2003—2012年)兩個(gè)時(shí)段的大通站多年月均流量的變化來分析調(diào)蓄對徑流年內(nèi)分配的影響,并選取調(diào)蓄前后典型枯水年和豐水年來對比分析徑流年內(nèi)分配的變化。

2.1.1 多年月平均流量變化

三峽工程建成按正常運(yùn)行方式蓄水后,1—3月長江下游河段平均流量增加,各月增幅分別為27.17%、34.02%和24.04%；5月和6月為應(yīng)對汛期,清空防洪庫容,下游流量略有增加,增幅在5%左右；7月和8月基本敞開下泄,水庫調(diào)節(jié)作用??；9—11月水庫蓄水,長江下游流量大幅下降,各月降幅分別達(dá)8.87%、24.88%和15.53%,尤以10月為最,下游流量下降8 488 m3/s；12月基本無變化(圖2和表1)。

圖2 調(diào)蓄前后多年月平均流量變化Fig.2 Variation of multi-year monthly mean discharge before and after regulation

圖3 調(diào)蓄前后多年月平均流量變差系數(shù)Fig.3 Variation coefficient of multi-year monthly mean discharge before and after regulation

表1 調(diào)蓄前后多年月平均流量對比

從各月流量的變差系數(shù)來看,3月份的變差系數(shù)明顯減小,由調(diào)蓄前的0.35降至調(diào)蓄后的0.29；5月份變差系數(shù)則明顯增大；蓄水期9月和10月的變差系數(shù)明顯增大,增幅均為0.06(圖3)。因此,枯季由于水庫補(bǔ)水調(diào)蓄作用,流量的年際變化減?。恍钏谒畮煨钏倪\(yùn)行調(diào)節(jié)使流量的年際變化增大。

2.1.2 典型水文年流量變化

由于長江下游水系錯(cuò)綜復(fù)雜,天然年份來水量變化隨機(jī)性大,影響因素復(fù)雜,因此選擇典型水文年份作對比分析。因1979年和2011年月平均流量均在22 000 m3/s左右且均為同時(shí)期較小值；而1980年和2012年的月平均流量均在31 500 m3/s左右且均為同時(shí)期較大值，各年份的年內(nèi)變化趨勢相似，故以1979年和1980年作為調(diào)蓄前典型枯水年和豐水年,以2011年和2012年作為調(diào)蓄后典型枯水年和豐水年。

枯水年,1—3月流量明顯增大,增幅分別為112%、81%和38%；9月和10月流量明顯減小,降幅均為45%左右(表2)。豐水年,1—6月流量均有不同程度的增大,尤其以1—3月增幅最為明顯,增幅分別達(dá)67%、90%和34%；9—11月流量明顯減小,降幅分別達(dá)30%、29%和19%(表2)。

在三峽水庫的調(diào)蓄作用下，豐枯水年1—3月大通站流量均有不同程度增加，增加量均在4 000 m3/s以上。汛后9—10月，大通站流量均有不同程度的減少。而在11月，大通站枯水年流量較調(diào)蓄前增加18%，豐水年流量則較調(diào)蓄前減少19%?？傮w而言， 枯水年的年內(nèi)徑流量變化幅度大于同時(shí)期的豐水年年內(nèi)徑流量變幅。

因此,在三峽工程建成后,水庫對徑流的調(diào)蓄作用對長江下游來水量有明顯影響,中枯水期延長,最小流量增加。

表2 調(diào)蓄前后典型水文年大通站流量對比

2.2 潮汐動(dòng)力的變化

潮汐動(dòng)力特征的變化主要通過潮汐特征參數(shù)的變化進(jìn)行分析,包括：潮位、潮差和潮汐分潮振幅。

2.2.1 潮位變化

從三峽水庫運(yùn)行前后蕪湖、南京和江陰三站高潮位和低潮位的保證率曲線來看,保證率為10%～70%的高、低潮位均出現(xiàn)明顯的下降(江陰站除外),而保證率為80%～100%的高、低潮位則出現(xiàn)小幅的上升(圖4和圖5)。這是由三峽水庫的調(diào)蓄使下游河段的中枯水期延長、最低水位提高所引起的。而江陰站的變化較小是因?yàn)槠渌艿某毕饔幂^強(qiáng),徑流變化對其影響不顯著。

徑流變化對潮位的影響程度自江陰向上游逐漸增強(qiáng),但江陰以下河段受潮汐動(dòng)力影響顯著,因而其潮位變化對徑流變化的響應(yīng)不敏感。對于航道工程關(guān)心的設(shè)計(jì)高潮位(保證率為90%),蕪湖、南京和江陰三站的降幅分別為0.6、0.27和0.01 m；而對于設(shè)計(jì)低潮位(保證率為10%),蕪湖、南京和江陰三站的增幅分別為0.17、0.17和0.04 m。因此,三峽水庫的調(diào)蓄作用對大通-江陰段的潮位有較大影響,最低水位的提高使航道的設(shè)計(jì)低潮位提高,有利于通航能力的提升。

圖4 調(diào)蓄前后各水文站高潮位保證率曲線Fig.4 Cumulative frequency curve of high tide level in different hydrological stations before and after regulation

圖5 調(diào)蓄前后各水文站低潮位保證率曲線Fig.5 Cumulative frequency curve of low tide level in different hydrological stations before and after regulation

從各月平均潮位在蓄水前后的變化來看(圖6),1—3月沿程各站的平均潮位均有不同程度的增加,其中蕪湖站增幅最大,其1—3月增幅分別為0.21、0.38和0.41 m。4月,沿程各站平均潮位出現(xiàn)下降,且自口門向上游下降幅度逐漸增加,尤其以蕪湖為甚,下降0.55 m,這應(yīng)該與三峽水庫對春汛的削峰作用有關(guān)。5—6月,下游各站的平均潮位略有增加。以南京為例,5月和6月平均潮位分別增加0.05和0.06 m,這與三峽水庫為應(yīng)對汛期清空防洪庫容有關(guān)。汛后9—11月,沿程各站的平均潮位均出現(xiàn)下降,下降幅度自口門向上游增加,蕪湖下降幅度最大,其9、10、11月平均潮位分別下降0.87、1.85和1.14 m；3個(gè)月中,尤以10月的下降幅度最大,這和三峽水庫汛后蓄水的運(yùn)行狀態(tài)密切相關(guān)。

圖6 調(diào)蓄前后各水文站月平均潮位變幅Fig.6 Variation of monthly mean tide level in different hydrological stations before and after regulation

2.2.2 潮差變化

從各月平均潮差在蓄水前后的變化來看(圖7),除鎮(zhèn)江段多數(shù)月份潮差減小外,其余河段的各月平均潮差基本上均增大,僅3月南京及以上河段出現(xiàn)潮差減小的情況(圖7)。1—2月,各河段平均潮差略有增加,且越往下游潮差增加越明顯。4—8月平均潮差增幅并不大,多在0.05 m左右。9—11月,平均潮差有較大的增幅,尤其是南京以上河段,南京站9—11月份潮差分別增加0.09、0.19和0.18 m。三峽水庫蓄水期的蓄水致使下游的徑流作用減弱,潮汐動(dòng)力增強(qiáng),潮差增大。

圖7 調(diào)蓄前后各水文站月平均潮差變幅Fig.7 Variation of monthly mean tide range in different hydrological stations before and after regulation

除鎮(zhèn)江站外,調(diào)蓄后時(shí)段2003—2012年的多年平均潮差明顯大于調(diào)蓄前時(shí)段1978—1987年的多年平均潮差,增幅為0.05～0.07 m(表3)。因此,近10 a長江近口段的潮汐動(dòng)力有增強(qiáng)的趨勢。為更好地探討三峽水庫的調(diào)蓄作用對潮差的影響,在下游各水文站的多年月平均潮差變幅中減去由潮汐動(dòng)力增強(qiáng)而引起的潮差增量,得到調(diào)整后的各月平均潮差增值(圖8)。在三峽水庫泄水期1—3月,鎮(zhèn)江以上河段潮差均有不同程度的減小,其中3月各水文站的潮差均減小,天生港、江陰、鎮(zhèn)江、南京、馬鞍山和蕪湖各站潮差分別減小0.02、0.05、0.14、0.12、0.10和0.08 m(圖8)。在三峽水庫蓄水期9—11月,各水文站潮差均有所增加,且10月和11月增幅最大,以南京站為例,9—11月潮差增幅分別為0.02、0.12和0.11 m,這與三峽水庫蓄水使徑流動(dòng)力減弱,潮汐動(dòng)力相對增強(qiáng)有關(guān)。

表3 調(diào)蓄前后各水文站多年平均潮差變化
Tab.3 Variation of multi-year mean tide range in different hydrological stations before and after regulation m

站位蕪湖馬鞍山南京鎮(zhèn)江江陰天生港調(diào)蓄前0.230.370.500.991.681.93調(diào)蓄后0.280.420.570.921.741.97變化值0.060.050.07-0.070.060.05

圖8 調(diào)整后的調(diào)蓄前后月平均潮差變幅Fig.8 Variation of monthly mean tide range before and after regulation after adjustment

從月平均潮差多年的變差系數(shù)來看(圖9),泄水期1—3月南京以上各站變差系數(shù)有減小的趨勢,即各月平均潮差的變幅減少。5月變差系數(shù)明顯增大,即5月近口段的平均潮差的變幅較調(diào)蓄前增大,增大幅度沿程自口門向上游遞增。7—9月除鎮(zhèn)江段外,沿程各站潮位變差系數(shù)有小幅增加,以上游蕪湖段增加幅度最為明顯。汛后10—12月,鎮(zhèn)江以上河段,變差系數(shù)均有所下降。江陰以下河段全年基本沒有變化,這與江陰以下河段受潮汐作用影響顯著有關(guān)?？傮w來看,水庫的調(diào)蓄使泄水期和蓄水期的月平均潮差變差系數(shù)減小,即各月平均潮差的年際變化減小。

圖9 調(diào)蓄前后各水文站月平均潮差變差系數(shù)變幅Fig.9 Variation of variation coefficient of mean tide range in different hydrological stations before and after regulation

2.2.3 分潮振幅變化

為了進(jìn)一步分析長江近口段在三峽水庫建成后的潮汐特征變化,選取典型枯水年1979年、2011年和典型豐水年1980年、2012年的高低潮位數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)和分析。由于長江近口段以半日分潮為主,又以M2分潮占主導(dǎo)地位,所以主要分析M2分潮振幅的變化情況。

泄水期1—3月,枯水年,各水文站(除江陰站外)M2分潮振幅均減小(圖10),各站如去除全年潮汐動(dòng)力整體變化的影響,蕪湖、馬鞍山和南京三站的M2分潮振幅顯著減小,鎮(zhèn)江、江陰和天生港站變化較小(表4)；豐水年,M2分潮振幅沿程各站(除蕪湖和鎮(zhèn)江站外)均增大,但去除全年潮汐動(dòng)力整體變化的影響,各站M2分潮振幅均明顯減小,減幅均大于5 cm。因此,三峽水庫泄水期長江下游徑流動(dòng)力增強(qiáng),近口段M2分潮振幅減小,這也和潮差的變化規(guī)律相符合。

圖10 調(diào)蓄前后1—3月各水文站M2分潮振幅變幅Fig.10 Variation of M2 constituent amplitude in different hydrological stations from Jan.to Mar. before and after regulation

蓄水期9—11月,南京以上河段徑流動(dòng)力占主導(dǎo)作用,地形的非線性作用和徑流作用下的潮波變形顯著,調(diào)和分析的精度較低,故僅討論南京站及其以下河段的M2分潮振幅變化。在枯水年和豐水年,南京以下各站M2分潮振幅均有不同程度的增加,以江陰站為例,M2分潮振幅分別增加9.6和13.7 cm。如果去除全年潮汐動(dòng)力整體變化的影響,M2分潮振幅仍明顯增大。因此,三峽水庫蓄水期長江下游徑流動(dòng)力減弱,近口段M2分潮振幅顯著增強(qiáng),這也和潮差的變化規(guī)律相符合。

圖11 調(diào)蓄前后9—11月各水文站M2振幅變幅Fig.11 Variation of M2 constituent amplitude in different hydrological stations from Sep. to Nov. before and after regulation

表4 調(diào)蓄前后典型年年均潮差和M2分潮振幅變化Tab.4 Variation of M2 constituent amplitude and annual mean tide range before and after regulation in typical years

3 結(jié)論

三峽水庫的調(diào)蓄作用使長江近口段的徑流動(dòng)力發(fā)生變化,并以中枯水期延長、最小流量增加為顯著特征。泄水期1—3月,長江近口段多年月平均流量顯著增加,增幅達(dá)20%以上；蓄水期9-11月,長江近口段多年月平均流量減小,尤其是10月份的多年平均流量減少8 488 m3/s。

長江近口段徑流動(dòng)力的變化使潮汐動(dòng)力發(fā)生相應(yīng)調(diào)整,并以泄水期潮汐動(dòng)力減弱、蓄水期潮汐動(dòng)力增強(qiáng)為特征。三峽水庫的調(diào)蓄作用對大通-江陰段的潮位有較大影響,保證率為10%～70%的高、低潮位出現(xiàn)明顯的下降,而保證率為80%～100%的高、低潮位則出現(xiàn)小幅上升,有利于通航能力的提升。在三峽水庫的調(diào)蓄作用下,1—3月平均潮差和M2分潮振幅減小,尤其是3月潮差減小明顯,說明三峽水庫在此期間的泄水顯著削弱了近口段的潮汐作用。9—11月平均潮差和M2分潮振幅增加,尤其是10月潮差增加最為顯著,說明三峽水庫在此期間的蓄水使近口段的潮汐作用顯著增強(qiáng)。

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Response of hydrodynamics in tidal reach of the Yangtze River to variation in runoff

ZHANG Zhi-wei, JIANG Chen-juan*, LI Shan-shan

(SchoolofHydraulic,EnergyandPowerEngineering,YangzhouUniversity,Yangzhou225127,China)

The operation of Three Gorges Reservoir causes the variation of runoff in the middle and lower reaches of the Yangtze River, inevitably resulting in the changes in tidal dynamics. Based on the data of river discharge and tidal level in recent 20 years, the response of hydrodynamics in tidal reach of the Yangtze River to variation in runoff was investigated by statistical analysis and tidal harmonic analysis. The results show that the operation of Three Gorges Reservoir causes the significant change in interannual distribution of runoff, with river discharge increase by more than 20% percent in discharging period and decease during storage period. Besides, in river reach between Datong and Jiangyin, the tidal level with guarantee ratio of 10%～70% is significantly decreased, but the tidal level with guarantee ratio of 80%～100% is slightly increased. Furthermore, the tidal range and amplitude ofM2tidal constitute is decreased during discharging period, indicating a decrease in tidal dynamics, while the tidal range and amplitude ofM2tidal constitute is increased during storage period, indicating a increase in tidal dynamics.

Three Gorges Reservoir; tidal reach of the Yangtze River; river dynamics; tidal dynamics; variation in runoff

10.3969/j.issn.1001-909X.2017.01.003.

2016-10-20

2016-12-13

江蘇省水利動(dòng)力工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金項(xiàng)目資助(K12017)；江蘇省高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程項(xiàng)目資助

張智偉(1995-),男,江蘇南京市人,主要從事港口航道與海岸工程方面的研究。E-mail:zzwzane@163.com

*通訊作者：蔣陳娟(1984-),女,講師,主要從事河口海岸動(dòng)力、沉積、地貌過程研究。E-mail:jiangchenjuan001@163.com

TV148

A

1001-909X(2017)01-0025-08

10.3969/j.issn.1001-909X.2017.01.003

張智偉，蔣陳娟，李閃閃.長江近口段水動(dòng)力特征對來水變異的響應(yīng)[J].海洋學(xué)研究,2017,35(1):25-32,

ZHANG Zhi-wei, JIANG Chen-juan, LI Shan-shan. Response of hydrodynamics in tidal reach of the Yangtze River to variation in runoff[J].Journal of Marine Sciences,2017,35(1):25-32, doi:10.3969/j.issn.1001-909X.2017.01.003.