三峽流量調(diào)節(jié)對長江口潮汐不對稱的影響

張 蔚,郁夏琰,徐 怡,楊 晨,唐明昊,方擁軍

(1.河海大學(xué)海岸災(zāi)害及防護教育部重點實驗室,江蘇 南京 210098;2.河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院,江蘇 南京 210098; 3.河海大學(xué)水利工程實驗教學(xué)中心,江蘇 南京 210098;4.中國能源建設(shè)集團安徽省電力設(shè)計院有限公司,安徽 合肥 230601)

河口地區(qū)是世界上人類密度最大,經(jīng)濟最為發(fā)達的區(qū)域之一[1]。河口通常地處海陸交界處,因此河口內(nèi)的潮波運動會受到多種因素的影響,如徑流、波浪和潮汐動力等,呈現(xiàn)出高度的非穩(wěn)態(tài)特征[2-3]。潮汐不對稱是指發(fā)生在一個漲落潮周期內(nèi)的周期性差異[4]。除淺水非線性作用外,原始天文分潮間的相互作用也可能是導(dǎo)致潮汐不對稱現(xiàn)象的主要因素[5-6]。在河口內(nèi),由于顯著的非線性作用,會使得潮汐不對稱呈現(xiàn)相當復(fù)雜的特性[7]。近年來,河口內(nèi)頻繁的人類活動對于河口的演變產(chǎn)生了重要的影響。然而,由于長周期的觀測資料獲取難度較大,同時傳統(tǒng)的調(diào)和分析方法并不能夠較好地捕捉潮位中的非穩(wěn)態(tài)信號[7]。因此,目前不同類型的潮汐不對稱現(xiàn)象在河口內(nèi)對徑流變化的響應(yīng)過程仍有待更為詳盡的研究。

長江口是世界上最大的河口之一,徑流量巨大,且具有顯著的季節(jié)性變化特征,是研究不同徑流量對潮汐不對稱影響的理想場所。同時,2003年三峽大壩開始蓄水以后,對下游地區(qū)的流量調(diào)節(jié)產(chǎn)生了巨大影響[8-9],徑流的季節(jié)性波動在水庫蓄水后得到減弱,從而對長江口地區(qū)的潮汐不對稱特征產(chǎn)生更大的影響。本文基于長江口內(nèi)6個不同站點的長周期水位數(shù)據(jù)，利用非平穩(wěn)調(diào)和分析方法計算得到長江口內(nèi)分潮的時空演變規(guī)律,并利用偏度刻畫多種不同分潮組合作用下的潮汐不對稱時空變化特征,同時進一步結(jié)合三峽工程對下游地區(qū)的流量調(diào)節(jié)分析三峽對于長江口內(nèi)潮汐不對稱演變的影響。

1 研究區(qū)域和分析方法

1.1 研究區(qū)域概況

圖1 長江口區(qū)域及水位站點位置Fig.1 Map of the Yangtze River estuary and locations of hydrological stations

圖2 T_TIDE與NS_TIDE后報水位的均方根誤差Fig.2 Root mean square error of water level hindcasts obtained by T_TIDE and NS_TIDE

長江口作為連接長江和東海的主要通道,是受徑潮相互作用影響顯著的潮汐強度中等的河口[10]。長江口外為正規(guī)半日潮,其潮型指數(shù)F=(aK1+aO1)/(aM2+aS2)<0.25(a代表分潮振幅)。在枯季徑流較小的情況下,其潮流界和潮區(qū)界分別可達到上游的江蘇鎮(zhèn)江和安徽大通[11]。長江口潮汐以M2分潮為主,其次分別為S2、K1和O1分潮[12]。

本文采集了分布于長江口內(nèi)6個水文站點(圖1)的長周期水位數(shù)據(jù)(徐六涇站為1982—1985年、2003—2014年,其他水文站點為1965—1985年、2003—2014年),水位基面為吳淞基面。為滿足調(diào)和分析的要求,采用三角插值法將搜集的高、低潮水位插值為逐時水位。同時,搜集了上游控制站點——大通站的日均流量數(shù)據(jù)。蕪湖站、南京站、鎮(zhèn)江站、江陰站、徐六涇站和高橋站距離大通站的距離分別為124 km、220 km、320 km、405 km、490 km、575 km。

1.2 分析方法

1.2.1 非平穩(wěn)調(diào)和分析方法(NS_TIDE)

為驗證NS_TIDE[13]在長江口的適用性,分別采用NS_TIDE和T_TIDE(傳統(tǒng)調(diào)和分析方法)對6個水文站點2014年的水位進行調(diào)和分析,并將其后報水位同實測的逐時水位進行對比分析,計算2種方法后報的水位相對于實測逐時水位的均方根誤差(圖2)。在長江口下游地區(qū),NS_TIDE和T_TIDE的后報結(jié)果均方根誤差均處在相對較低的水平。然而隨著潮波進一步向上游傳播,徑流的作用越來越大,T_TIDE后報結(jié)果的均方根誤差顯著增加,在蕪湖站甚至超過了2 m。相較于T_TIDE,NS_TIDE后報結(jié)果的均方根誤差在長江口內(nèi)均保持在相對較低的水平,最大不超過0.22 m。在上游受徑流影響顯著的蕪湖站,其均方根誤差僅為T_TIDE的8%。因此,NS_TIDE可以較好地捕捉實測水位中徑流等非平穩(wěn)信號,其在長江口內(nèi)的適用性顯著優(yōu)于T_TIDE。

1.2.2 偏度方法

采用偏度方法描述長江口潮汐不對稱的特征[14]。2種、3種分潮組合疊加產(chǎn)生的偏度值γ2、γ3為

(1)

式中:ai——分潮振幅;ωi——分潮頻率;φi——分潮相位。

2種、3種分潮組合對總偏度值的貢獻β2、β3由式(2)計算，總偏度值γN=∑β2+∑β3。

(2)

2 結(jié)果與分析

2.1 流量變化特征

圖3 三峽大壩建成前后流量對比Fig.3 Comparison of discharges before and after the operation of Three Gorges Dam

長江口上游來流充沛,大通站的平均流量約為2.75萬m3/s,且流量呈現(xiàn)顯著的季節(jié)性差異,洪季(5—10月)流量達到全年流量的70%以上,而枯季(11月至翌年4月)僅占不到30%。三峽大壩建成以后洪季的流量得到了顯著削弱,平均減小了3 430 m3/s,而枯季的流量則增加了231 m3/s(圖3)。上游流量顯著的季節(jié)性變化與調(diào)節(jié)對長江口的潮汐不對稱產(chǎn)生了直接影響。

2.2 潮汐不對稱空間分布特征

通過NS_TIDE計算得到長江口6個水文站點的7個主要分潮的振幅和相位(表1)。原始天文分潮K1、O1、M2和S2的最大振幅均出現(xiàn)在最靠近口門處的高橋站,并往上游不斷衰減。全日潮K1和O1擁有大致相同的振幅量級,且衰減速率相似。M2作為長江口最主要的分潮,其振幅約為S2的3～4倍,且M2的振幅衰減比其他分潮更為顯著。潮波剛進入到河口內(nèi)時,淺水分潮M4、MS4和M6在淺水非線性作用下逐步產(chǎn)生并增強。四分之一日潮M4和MS4的最大振幅出現(xiàn)在徐六涇站附近,其值分別為0.15 m和0.14 m。M6的最大振幅為0.03 m,出現(xiàn)在徐六涇站和江陰站附近。隨著潮波向上游進一步傳播,摩阻作用逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位并導(dǎo)致淺水分潮逐漸衰弱。同時,從相位的空間演變趨勢也可以看出,頻率較高的分潮相較于頻率較低的分潮而言,在河口內(nèi)的衰減更快[15]。

表1 長江口主要分潮振幅和相位

圖4 不同分潮組合作用下的總偏度值Fig.4 Total tidal skewness contributed by four combinations

選取4個不同的分潮組合(M2/M4、K1/O1/M2、M2/S2/MS4、M2/M4/M6)刻畫總的潮汐不對稱特征,結(jié)果如圖4所示。6個站點的偏度值均為正值,即潮汐不對稱在長江口內(nèi)表現(xiàn)為漲潮占優(yōu),總偏度值從下游往上游先增加后減小。M2和M4分潮組合占主導(dǎo)作用,其次是M2/S2/MS4分潮組合,M2/M4/M6分潮組合的貢獻位列第3。雖然原始天文分潮組合K1/O1/M2的貢獻相對最小,但同樣不能被忽略。在長江口內(nèi),由K1/O1/M2產(chǎn)生的潮汐不對稱一般表現(xiàn)為漲潮占優(yōu),表明長江口外的海洋潮汐具有漲潮占優(yōu)的特征。不同于K1/O1/M2產(chǎn)生的潮汐不對稱往上游傳播的過程中沿程增加,其余3個分潮組合產(chǎn)生的偏度值呈現(xiàn)先增后減的趨勢。在淺水非線性作用下,淺水分潮的產(chǎn)生使得長江口內(nèi)的潮汐不對稱現(xiàn)象更加顯著。

2.3 潮汐不對稱的洪枯季變化特征

由圖5可知，長江口下游地區(qū),原始天文分潮(K1、O1、M2和S2)振幅呈現(xiàn)出“洪季大、枯季小”的特征,這是因為洪季時長江口外海域較強的層化作用,使得垂向渦黏滯系數(shù)較小,從而導(dǎo)致潮波從外海傳播到長江口的過程耗散更小[16-17],因而洪季振幅更大。隨著潮波向上游傳播,徑流作用逐漸增強,洪季較大的徑流量使得振幅衰減更為顯著,最后在上游地區(qū)表現(xiàn)為“枯季大、洪季小”的特征。同時,洪季較大的流量在下游地區(qū)促進淺水分潮(M4、MS4和M6)的生成,而在上游地區(qū)則會促使其衰減,因此淺水分潮的振幅在下游地區(qū)表現(xiàn)為洪季更大,而在上游地區(qū)則是枯季振幅更大。相位的變化則體現(xiàn)了潮汐的傳播速度,洪季較大的徑流量會延緩潮汐的傳播,體現(xiàn)在較大的相位值,且越往上游徑流作用越強,洪枯季的相位差異更加顯著。

圖5 洪枯季主要分潮振幅和相位比較Fig.5 Comparative analysis of tidal amplitude and phase of main tidal constituents between flood and dry season

長江口徑流的季節(jié)性變化也導(dǎo)致了潮汐不對稱的季節(jié)性。由圖6可知：上游地區(qū),洪季的偏度小于枯季偏度,最大差值出現(xiàn)在最上游的蕪湖站，這一規(guī)律在中游地區(qū)逐漸減弱,并且在下游地區(qū)出現(xiàn)相反的情況,即洪季偏度大于枯季偏度;在最下游的高橋站,由于受流量季節(jié)性變化的影響較小,因此洪枯季的偏度差異也較小。

圖6 洪枯季偏度比較Fig.6 Comparative analysis of tidal skewness between flood and dry season

2.4 敏感性分析

采用NS_TIDE將輸入的流量時間序列乘以一定的系數(shù)(0.5、0.6、0.7、0.8、0.9),評估長江口內(nèi)潮汐不對稱對于不同量級徑流的響應(yīng)程度,結(jié)果如圖7～8所示，圖中Q為流量。

由圖7可知,K1和O1分潮在長江口大部分地區(qū)會隨著流量的增大而衰減,具體表現(xiàn)為其振幅的減小和相位的延遲。而在江陰站及其下游的站點處,K1分潮的振幅會隨著流量的增加而增加,其原因在于流量的增加導(dǎo)致水深增加,從而使振幅增加。這些振幅變化的空間差異性可以將長江口劃分為潮控區(qū)域和徑控區(qū)域,這種空間差異性是地形或是河道底部坡度的突變引起的[15,18]。然而,O1分潮并沒有呈現(xiàn)出類似的空間差異性,這是由于在較強的底部摩阻作用下,M2對于K1和O1的影響不同而導(dǎo)致[18]。在河口的徑控區(qū)域內(nèi),徑流作用顯著,K1和O1分潮對于徑流波動的敏感性較大；在潮控區(qū)域內(nèi),K1分潮和O1分潮對于徑流的波動敏感性顯著減弱。半日分潮M2對于流量的響應(yīng)呈現(xiàn)出與全日分潮相似的空間態(tài)勢,即在長江口內(nèi)隨著流量的增加而衰減,且隨著徑流影響的減弱,分潮振幅對于流量的敏感性也會越往下游越弱。對于四分之一日潮M4分潮而言,其對于不同量級流量的響應(yīng)呈現(xiàn)出顯著的空間變化趨勢。在江陰站及其下游地區(qū)(潮控區(qū)域),流量增加會引起M4振幅增加和相位減小。這表明徑流通過摩擦作用,使能量從M2向M4轉(zhuǎn)移,從而促進了M4分潮的生成。相反,在鎮(zhèn)江站及其上游地區(qū)(徑控區(qū)域),流量增加反而會促使M4分潮更快地衰減,表現(xiàn)為振幅的減小和相位的增加。

圖7 主要分潮振幅相位對于不同量級流量的敏感性Fig.7 Sensitivity of tidal amplitudes and phases of main constituents to different quantiles of river discharge

圖8 不同量級流量下不同分潮組合偏度沿程分布Fig.8 Tidal skewness of different tidal combinations along the channel against the different quantiles of discharge

由圖8可知,K1/O1/M2分潮相互作用導(dǎo)致的漲潮不對稱對徑流的敏感性較弱,并且隨著流量的增加略微減小。由M2/M4、M2/S2/MS4和M2/M4/M6分潮組合產(chǎn)生的偏度值在下游地區(qū)隨著流量的增加而增加,上游地區(qū)隨著流量的增加而減小。這是由于徑流在河口的下游地區(qū)會促使潮汐能量不斷從原始天文分潮向淺水分潮轉(zhuǎn)變,從而使得潮汐不對稱現(xiàn)象更為顯著;而隨著潮波往上游傳播,摩阻作用開始占據(jù)主導(dǎo)地位,相較于原始天文分潮,淺水分潮的衰減更為顯著,因而導(dǎo)致上游地區(qū)隨著徑流的增加,潮型會變得更加對稱。

2.5 三峽調(diào)節(jié)流量對于潮汐不對稱的影響

如2.1節(jié)所述,三峽大壩對流量的調(diào)節(jié)主要體現(xiàn)在洪季流量的變化，因此為了分析三峽大壩流量調(diào)節(jié)對長江口潮汐動力學(xué)的影響,計算了三峽建成前后的振幅差Δ振幅、相位差Δ相位。三峽在洪季時的蓄水導(dǎo)致洪季整體流量減少,使得原始天文分潮振幅在長江口大部分站點都有所增加；而淺水分潮在上游地區(qū)增加、下游地區(qū)則會出現(xiàn)略微減小(圖9)。相對于其他站點,口門附近的高橋站的振幅變化較小。相位的變化主要反映潮波在河口中的傳播速度,三峽大壩建成后,大多數(shù)分潮的相位在洪季都有所減小,尤其在上游蕪湖、南京等站點。這表明三峽在洪季時的蓄水使得流量有所減小,從而導(dǎo)致潮波能夠進一步向上游地區(qū)傳播。流量的變化也使得長江口內(nèi)的潮汐不對稱特征發(fā)生了改變,偏度差Δ偏度結(jié)果顯示:在上游地區(qū),流量的減小使得潮型變得更加不對稱,中游地區(qū)這種趨勢逐漸減弱,下游地區(qū)出現(xiàn)相反的態(tài)勢。而對于靠近口門的站點,受流量的影響較弱,其變化規(guī)律不明顯。

圖9 三峽建成前后洪季振幅差、相位差及偏度差Fig.9 Differences in tidal amplitudes, phases and skewness in flood season before and after TGD’s operation

3 結(jié) 論

a. 長江口分潮振幅和相位呈現(xiàn)顯著的時空分布特征。受徑流等因素影響,原始天文分潮向上游逐漸衰減,淺水分潮在入口處逐漸增強，繼而在摩阻作用下隨之衰減。長江口潮汐不對稱性受到多組不同分潮組合影響。潮汐不對稱性整體呈現(xiàn)漲潮主導(dǎo)型不對稱,淺水非線性作用產(chǎn)生的潮汐不對稱增強了原始天文分潮本身具有的潮汐不對稱性質(zhì)。M2與M4的相互作用對總的潮汐不對稱的貢獻最大,其次為M2/S2/MS4和M2/M4/M6、K1/O1/M2分潮組合。

b. 長江口徑流的季節(jié)性變化使得潮汐調(diào)和振幅相位和潮汐不對稱都表現(xiàn)出顯著的季節(jié)性差異。洪季較大的流量使上游地區(qū)的原始天文分潮和淺水分潮振幅均呈現(xiàn)“洪季小、枯季大”的特征,且枯季的潮汐不對稱現(xiàn)象相比洪季更顯著;下游地區(qū)則表現(xiàn)出相反的態(tài)勢。

c. 根據(jù)徑流對長江口內(nèi)分潮振幅相位與潮汐不對稱的影響,可以將河口劃分為徑控區(qū)域與潮控區(qū)域。在徑控區(qū)域內(nèi),徑流增加會導(dǎo)致原始天文潮與淺水分潮發(fā)生衰減,潮型變得更加對稱,從而減弱潮汐不對稱性；在潮控區(qū)域內(nèi),徑流量增加對分潮的作用較小,可能會促進淺水分潮產(chǎn)生,從而使潮波發(fā)生變形。

d. 三峽大壩洪季蓄水使大通站的流量在洪季時顯著減小,導(dǎo)致原始天文分潮和淺水分潮在上游地區(qū)都有所增加,使潮汐不對稱現(xiàn)象更加顯著,隨著徑流作用往下游方向的減弱,這種趨勢在長江口中部地區(qū)有所減弱,并且在鎮(zhèn)江站及其下游地區(qū)出現(xiàn)相反的趨勢,流量的減少削弱了淺水非線性作用,使淺水分潮有所減小,從而導(dǎo)致下游站點潮汐的不對稱性減弱。對于靠近口門處的站點,三峽流量調(diào)節(jié)的影響可以忽略不計。