長江感潮河段潮汐變化特征

王文才，李一平 ，杜 薇，曾偉峰，許益新

(1.河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京 210098； 2.河海大學(xué)淺水湖泊綜合治理與資源開發(fā)教育部重點實驗室，江蘇 南京 210098)

長江感潮河段潮汐變化特征

王文才1,2，李一平1,2，杜 薇1,2，曾偉峰1,2，許益新1,2

(1.河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京 210098； 2.河海大學(xué)淺水湖泊綜合治理與資源開發(fā)教育部重點實驗室，江蘇 南京 210098)

基于2011年長江下游大通水文站的逐日流量以及南京、鎮(zhèn)江、江陰、天生港、徐六涇、共青圩6個潮位站的逐日高潮、低潮資料，研究海洋潮汐從河口向河段上游傳播過程中的潮汐特征變化規(guī)律。結(jié)果表明，各潮位站25 h滑動平均的潮位變化與流量呈現(xiàn)相同的變化趨勢，南京和鎮(zhèn)江兩個潮位站的水位變化最為明顯，江陰、天生港、徐六涇的水位變化相對較小，共青圩潮位站的潮位基本不隨徑流發(fā)生相應(yīng)的變化趨勢；各潮位站之間均有一定的相關(guān)性，且相鄰兩個潮位站之間的水位相關(guān)性較高；隨著潮位站之間距離的增大，水位的相關(guān)性呈現(xiàn)出明顯的下降趨勢；低水位的傳播延遲時間均大于高水位的傳播延遲時間；隨著站點與入?？诰嚯x的增大，漲潮歷時出現(xiàn)逐漸減小、落潮歷時逐漸增大的變化趨勢。

徑流；潮汐；感潮河段；預(yù)報

地球上數(shù)量眾多的河流與海洋直接相連，這些河流在靠近河口的區(qū)段受到下游海洋天文潮汐和上游徑流量的共同作用，水動力變化過程比一般的內(nèi)陸河流更加復(fù)雜[1-3]。潮波在感潮河段向上游傳播時會受到底部摩擦，因河道地形寬深發(fā)生變化以及上游徑流作用而發(fā)生改變[4-7]。揭示和理解外海潮汐通過河口向河流上游傳播過程中的水動力變化規(guī)律，對感潮河段區(qū)間內(nèi)的潮汐預(yù)報及河道、河口生態(tài)系統(tǒng)的管理具有重要意義[8-9]，也可以為區(qū)域內(nèi)的防洪、灌溉、航運、引排水等提供決策支持。

圖1 研究區(qū)域

長江下游是典型的感潮河段，且該河段主流上并沒有阻隔水流的大型水利工程設(shè)施，故可以很好地讓人們研究潮汐沿河口向上游傳播過程中的變化特征。國內(nèi)有眾多的學(xué)者通過各種方法分析長江下游各潮位觀測站的潮位變化規(guī)律，并給出觀測站所在位置的潮位預(yù)測方法。林勛勵[10]對1948—1980年大通水文站的流量以及長江下游江陰、天生、吳淞各潮位站的水位資料進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)江陰和天生港受徑流影響而存在高水位期和低水位期，并通過建立大通水文站月平均流量與各潮位站月平均水位的相關(guān)關(guān)系，對各潮位站逐月、逐旬的潮汐預(yù)報進(jìn)行了修正。李國芳等[11]基于長江口天生港、徐六涇、楊林3個潮位站的潮位以及上游大通站的日均流量資料，建立了各潮位站日均增水與大通流量增量之間的關(guān)系，并利用所得關(guān)系式，根據(jù)上游流量的大小，對潮汐預(yù)報模型計算的過去若干年的潮位進(jìn)行校正，使日均潮位的預(yù)報精度得到了明顯的提高。宋正逵等[12]采用傳統(tǒng)的海洋潮汐調(diào)和分析方法對長江下游天生港潮位站的潮位進(jìn)行預(yù)報，發(fā)現(xiàn)精度不高，經(jīng)分析后建立了潮位預(yù)報誤差與同期流量差值的關(guān)系，為天生港站潮位實時預(yù)報修正提供了依據(jù)。但這些研究大多注重對相關(guān)站點的潮位預(yù)測結(jié)果，而缺乏對潮汐沿程及潮汐本身特征的細(xì)致分析。本文以2011年長江下游大通水文站的逐日流量以及南京、鎮(zhèn)江、江陰、天生港、徐六涇、共青圩6個潮位站的逐日高潮、低潮資料為基礎(chǔ)，細(xì)致研究海洋潮汐從河口向河段上游傳播過程中的潮汐特征變化規(guī)律，以期為下游潮汐預(yù)報提供參考，為水利工程的優(yōu)化調(diào)度提供決策支持。

1 研究區(qū)域概況

長江的感潮段通常指大通至入?？谶@一河段，其受上游徑流和下游潮汐的共同作用(圖1)。一般認(rèn)為潮區(qū)界(水位隨潮汐漲落的上界)在大通附近，并隨著徑流量、潮汐的變化而有所變化[13]，潮流界(水流所能達(dá)到的上界)位置隨徑流的變化而出現(xiàn)較大的擺動[14-16]。大通水文站作為下游流量控制站，流量隨季節(jié)發(fā)生變化，多年平均流量為28 700 m3/s，歷年最大徑流量為92 600 m3/s，最小徑流量4 260 m3/s[17]。下游南京、鎮(zhèn)江、江陰、天生港、徐六涇、共青圩6個潮位站與大通水文站的距離分別為220、320、405、458、490、586 km[18]。本文通過這幾個站的潮位資料來研究潮汐變化特征。

2 材料與方法

基于2011年大通水文站逐日的日均徑流量以及下游南京、鎮(zhèn)江、江陰、天生港、徐六涇、共青圩6個潮位站的高潮、低潮潮位及發(fā)生時刻的資料，采用cubic插值方法得到逐時潮位，另外考慮到一個太陰日為24 h 50 min，計算25 h滑動平均潮位，這可以過濾M2、K2等高頻潮波，從而保留一些相對低頻、周期較長的潮波[19]。這樣處理有助于反映徑流影響下的水位變化特征。計算各潮位站滑動平均水位之間的相關(guān)系數(shù)，就可得到相應(yīng)的相關(guān)系數(shù)矩陣，以便分析各潮位站之間的關(guān)聯(lián)程度。筆者以主要受潮汐影響的共青圩潮位站為參考，統(tǒng)計分析潮差、高低潮延時等的沿程變化，并給出相應(yīng)的擬合公式。

3 結(jié)果與討論

3.1 徑流及水位特征

2011年全年呈現(xiàn)出偏枯情況，大通年初徑流量為15 300 m3/s。前5個月徑流量基本穩(wěn)定在15 000 m3/s左右，從六月份開始徑流量呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢，并于6月22日達(dá)到峰值46 000 m3/s，之后徑流量逐漸下降至年末的12 400 m3/s，當(dāng)年平均徑流量為21 143 m3/s(圖2)。各潮位站25 h滑動平均的潮位變化與流量呈現(xiàn)相同的變化趨勢，南京和鎮(zhèn)江兩個潮位站的水位變化最為明顯，江陰、天生港、徐六涇的水位變化相對較小，共青圩潮位站的潮位基本不隨徑流發(fā)生相應(yīng)的變化趨勢(圖3)。

圖2 2011年逐日的日均流量變化過程

圖3 各潮位站滑動平均水位變化過程

分析各潮位站之間25 h滑動平均水位之間的相關(guān)性，分析結(jié)果見表1。從表1可以看出，各潮位站之間均有一定的相關(guān)性，滿足顯著性檢驗plt;0.05，且相鄰兩個潮位站之間的水位相關(guān)性較高；隨著潮位站之間距離的增大，水位的相關(guān)性呈現(xiàn)出明顯的下降趨勢；共青圩潮位站與各潮位站水位之間的相關(guān)性均小于0.9。

表1 各潮位站滑動平均水位相關(guān)系數(shù)矩陣

3.2 潮位延時特征

以共青圩為參考潮位站，統(tǒng)計各潮位站高潮位、低潮位到達(dá)時間，并計算高潮位、低潮位從共青圩站傳播到相應(yīng)站點所需要的時間，以此作為高低潮位的延遲時間。從結(jié)果(圖4)可以看出，低水位的傳播延遲時間均大于高水位的傳播延遲時間；除南京和鎮(zhèn)江潮位站外，其他潮位站的水位延遲并不隨徑流量的變化而呈現(xiàn)顯著的變化。

計算全年的高水位、低水位傳播的平均延時，計算結(jié)果見表2。從表2可以發(fā)現(xiàn)，與共青圩相比，徐六涇、天生港、江陰、鎮(zhèn)江、南京的低水位延時分別為3.46、4.71、5.89、9.42和11.09h，高水位的延時分別為2.87、4.05、4.68、7.91和9.65h。采用二次多項式進(jìn)行擬合，得到高、低水位傳播延時與相應(yīng)站點距共青圩距離的擬合公式，其具有較好的效果，可以反映高、低水位沿程傳播的過程(圖5)。

(a) 高水位傳播延時

(b)低水位傳播延時

站點名稱距離/km低水位平均延時/h高水位平均延時/h共青圩000徐六涇963.462.87天生港1284.714.05江 陰1815.894.68鎮(zhèn) 江2669.427.91南 京36611.099.65

圖5 高低水位傳播的平均延時隨傳播距離的變化

3.3 漲落潮歷時及潮差特征

統(tǒng)計潮位站的漲落潮平均歷時，可以發(fā)現(xiàn)隨著站點與入?？诰嚯x的增大，漲潮歷時出現(xiàn)逐漸減小，落潮歷時逐漸增大的變化趨勢(表3)，這也符合河口地區(qū)潮汐的變化特征[20]。其中，到最上游南京站與到鎮(zhèn)江站相比，漲潮歷時并沒有減小，反而出現(xiàn)微弱上升。這與俞慕耕[21]對長江下游潮汐的統(tǒng)計結(jié)果基本一致，但目前并沒有相關(guān)研究來揭示其原因。與前人的統(tǒng)計結(jié)果對比，本研究發(fā)現(xiàn)各潮位站的平均潮差要偏大，這是因為2011年為偏枯水年，徑流量較小，潮汐動力作用較強(qiáng)，造成平均潮差相對較大。

表3 各潮位站漲落潮平均歷時與平均潮差的情況

對各站潮位進(jìn)行歸一化處理后建立的相對潮差與站點距共青圩潮位站距離的二次擬合關(guān)系，可以較好地反映潮差的變化，可以在一定程度上根據(jù)共青圩的潮位預(yù)測其上游給定位置的潮差情況(圖6)。

圖6 相對潮差隨距離的變化關(guān)系

4 結(jié) 論

a. 潮汐從共青圩向上游傳播的過程中，高水位的延遲小于低水位延遲，高、低水位各自的平均延遲時間可以通過二次多項式建立其與相應(yīng)位置距共青圩距離的函數(shù)關(guān)系，用于預(yù)測河段不同位置的高、低潮到達(dá)時間。

b. 南京、鎮(zhèn)江的高、低水位的延遲時間受到徑流增大影響而相應(yīng)增長，江陰及下游潮位站的高、低水位延遲受徑流影響較小。

c. 鎮(zhèn)江以下，長江下游河段沿入海口向上游的漲潮歷時逐漸縮短、落潮歷時逐漸增加；鎮(zhèn)江以上，漲落潮歷時與下游相比并不出現(xiàn)明顯的縮短和增加，具體原因還需進(jìn)一步研究。

d. 上游各站的相對潮差可以和其與共青圩的距離建立二次擬合關(guān)系，用于預(yù)測沿程的相應(yīng)潮差變化。

本文主要是基于2011年水文資料對長江感潮段的潮位變化特征進(jìn)行分析研究，結(jié)果可能存在一定的局限性，后續(xù)還需要進(jìn)行更深入完整的研究。

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TidalvariationfeaturesoftidalreachofChangjiangRiver

WANGWencai1,2,LIYiping1,2,DUWei1,2,ZENGWeifeng1,2,XUYixin1,2

(1.CollegeofEnvironment,HohaiUniversity,Nanjing210098,China; 2.KeyLaboratoryofIntegratedRegulationandResourceDevelopmentonShallowLakesofMinistryofEducation,HohaiUniversity,Nanjing210098,China)

Based on the daily discharge of Datong station in the downstream of the Yangtze river and the high and low tidal water level of Nanjing, Zhenjiang, Tianshenggang, Xuliujing, Gongqingwei stations in 2011, this paper studied the tidal characteristics of ocean tides from the estuary to the upper reaches of the river. The results show that the tidal mean change of 25h sliding average of each tidal station shows the same trend as the discharge, the water level changes of two tide stations in Nanjing and Zhenjiang are the most obvious. Water level change of Jiangyin, Tianshenggang, Xuliujing stations is relatively small. The tidal water level of Gongqingwei station does not change with the runoff. There is a certain correlation between the tidal stations, and the correlation between the water level of the two adjacent tidal stations is higher. With the increase of the distance between tidal stations, the correlation of water levels shows a significant downward trend. Propagation delay time of low tidal level is greater than high tidal water level. Furthermore, with the increase of distance between the tidal stations and the estuary, flood tide duration displays the trend of gradual decrease while ebb tide duration presents the trend of gradual increase.

runoff; tide; tidal reach; forecast

10.3880/j.issn.1004-6933.2017.06.19

國家自然科學(xué)基金(51579071)；創(chuàng)新研究群體科學(xué)基金(51421006)；2016年度江蘇省普通高校專業(yè)學(xué)位研究生實踐創(chuàng)新計劃項目(SJZZ16_0089)；江蘇省“創(chuàng)新團(tuán)隊計劃”；江蘇高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程資助項目

王文才(1992—)，男，碩士研究生，研究方向為環(huán)境科學(xué)。E-mail：591069468@qq.com

李一平，教授。E-mail:liyiping@hhu.edu.cn.

P333

A

1004-6933(2017)06-0121-04

2017-01-09 編輯：彭桃英)