長江口徐六涇水域余流及潮流垂直結(jié)構(gòu)變化規(guī)律研究

陳志高， 陳小葉， 王勝平， 王真祥

(1．東華理工大學(xué) 測繪工程學(xué)院，江西 南昌 330013；2．長江水利委員會(huì)長江口水文水資源勘測局，上海 200136)

對(duì)于近岸和河口地區(qū)，潮流常在海水運(yùn)動(dòng)中起著主導(dǎo)的作用。對(duì)潮流垂直結(jié)構(gòu)的觀測和研究在20世紀(jì)初就已開始，但在2000年代之前，對(duì)潮流垂直結(jié)構(gòu)的研究受限于觀測儀器，觀測的空間分辨率即垂直方向的觀測點(diǎn)距離一般大于10 m(臧克家，2016)。自從引入聲學(xué)多普勒流速剖面儀(Acoustic Doppler Current Profilers，ADCP)進(jìn)行流速觀測以后，其垂向分辨率能達(dá)到幾米甚至更高，極大地方便了潮流數(shù)據(jù)的外業(yè)觀測，且在時(shí)間和空間上提高了觀測精度。

由于長江口地理位置的重要性及特殊性，對(duì)于該地區(qū)的潮流特征研究相對(duì)較早。在20世紀(jì)80、90年代，國內(nèi)就有較多學(xué)者對(duì)長江口的潮流特征進(jìn)行了定性分析，得到長江口潮流結(jié)構(gòu)的基本特征(葉安樂，1984；李身鐸，1985)。但由于當(dāng)時(shí)的觀測技術(shù)和設(shè)備的限制，缺少長期及分辨率較高的實(shí)測數(shù)據(jù)，只是定性研究。21世紀(jì)以來，國內(nèi)開始引入ADCP，其相關(guān)研究也陸續(xù)展開。曾定勇等(2012)以2008年冬季在浙江近海南麂島附近投放的4個(gè)底錨系A(chǔ)DCP流速資料為依據(jù)，分析了該區(qū)域的潮流特征。王雪竹等(2009)對(duì)1998年10月至1999年4月南海中部的3個(gè)ADCP觀測站點(diǎn)近6個(gè)月的流速觀測資料進(jìn)行分析，研究了觀測海區(qū)的潮流空間結(jié)構(gòu)特征。展鵬等(2010)根據(jù)長江口外海域的2個(gè)站位的短期連續(xù)ADCP實(shí)測資料，采用調(diào)和分析、EOF分解、功率譜分析以及頻率統(tǒng)計(jì)等方法，分析了該海域海流隨時(shí)間的變化趨勢和空間的結(jié)構(gòu)特征。湯任等(2015)對(duì)長江口南支、南北港局部河段三維潮流進(jìn)行數(shù)值模擬。潘金仙等(2016)則對(duì)長江口深水航道2005年8月大潮期間的垂線平均流速進(jìn)行準(zhǔn)潮流調(diào)和分析，得出10個(gè)分潮的潮流調(diào)和常數(shù)及余流結(jié)果，并計(jì)算給出了相應(yīng)橢圓要素。

然而，已有研究缺少長江口水域?qū)崪y的潮流數(shù)據(jù)，且未能獲得高分辨率的潮流垂直結(jié)構(gòu)及其變化規(guī)律。因此，利用ADCP獲得的長期觀測數(shù)據(jù)并進(jìn)行潮流垂直結(jié)構(gòu)的建模和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證顯得十分重要。因此，本次擬基于實(shí)測的長江口長時(shí)段的固定式ADCP流速數(shù)據(jù)進(jìn)行潮流調(diào)和分析，獲得不同季節(jié)對(duì)應(yīng)的不同徑流量下的潮流和余流垂直結(jié)構(gòu)，然后結(jié)合余流垂直結(jié)構(gòu)分析不同季節(jié)的徑流流量對(duì)潮流的影響，以最終獲得潮流垂直結(jié)構(gòu)的季節(jié)性變化規(guī)律，為長江口水域的物理海洋學(xué)研究和海洋監(jiān)測提供數(shù)據(jù)和方法支撐。

1 研究方法

1.1 潮流調(diào)和分析

流速為矢量，可分解為東分量和北分量。為方便起見，本次僅介紹東分量u的調(diào)和分析，北分量v與之類似。流速觀測值可表示為余流與若干分潮之和：

(1)

式中，u(t)為觀測值，t為觀測時(shí)刻；U0為潮流東分量的平均值，又稱余流；m為分潮個(gè)數(shù)；σi為分潮i的角速度；υ0i為分潮i在t=0時(shí)刻格林尼治天文相角；Ui和ζi為分別為分潮i的振幅和相位，兩個(gè)數(shù)值均稱為調(diào)和常數(shù)；ε(t)為觀測誤差，具有隨機(jī)特性。

若不考慮觀測誤差ε(t)，且令υ0-ζ=-θ，b=Ucos(θ)，c=Usin(θ)，則式(1)可寫成：

(2)

這樣，采用最小二乘方法可得到余流U0及各分潮的b、c值，進(jìn)而可得到各分潮的振幅U和相位θ：

(3)

式中，θ取值范圍為0～2π，可根據(jù)b、c值的正負(fù)符號(hào)判斷所在象限。

1.2 潮流橢圓計(jì)算

若僅從潮流分析預(yù)報(bào)的角度來說，獲得了東、北分量的余流及各個(gè)分潮的調(diào)和常數(shù)就足夠了。但若想了解該地點(diǎn)潮流變化的特征，則調(diào)和常數(shù)就顯得不太直觀。常用方法是選定幾個(gè)主要分潮，分別考察各分潮由北、東分量合成的矢量，即潮流橢圓隨時(shí)間變化的特點(diǎn)。最大分潮流速W，最小分潮流速w，橢圓傾角Θ，以及發(fā)生的時(shí)間Φ決定了該分潮流橢圓的基本特征。橢圓參數(shù)和調(diào)和常數(shù)之間的關(guān)系式表示如下(Defant，1961)：

(4)

式中，V和η分別為北分量的振幅和相位。

2 研究區(qū)域及數(shù)據(jù)獲取

長江河口水量豐沛，輸沙量大，據(jù)大通站水文測驗(yàn)資料可知，年均流量為28 700 m3/s，年均輸沙量為4.330×108t(沈煥庭，2001；水利部，2007)。徐六涇站距長江口門約110 km(圖1A)，它既是南北支的分流點(diǎn)，又是整個(gè)長江口多級(jí)分汊的起點(diǎn)。作為長江進(jìn)入河口區(qū)的重要邊界點(diǎn)，徐六涇水文特征的研究對(duì)河口科學(xué)研究和探討長江三峽大壩、南水北調(diào)及長江口深水航道等重大工程對(duì)河口地區(qū)的影響都顯得非常重要。

圖1 徐六涇斷面地理位置(A) 和ADCP儀器布設(shè)(B)Fig.1 Location of Xuliujing(A) section in Yangtze estuary and ADCP instrument layout(B)

徐六涇斷面不同位置處的水深差異較為明顯：斷面南側(cè)的平均水深為25 m，而北側(cè)的只有5 m左右。此外，徐六涇斷面漲潮和落潮的時(shí)間長短不一致，漲潮的時(shí)間短，落潮時(shí)間長。在漲潮階段，潮波一方面受河床上升和阻力的影響，一方面又受河水下注的阻礙，潮流能力逐漸消耗，流速漸減，因此漲潮時(shí)間短；在落潮階段，河口內(nèi)的潮水便又流回海中，再加上河水下注的推力，落潮的水量也就愈多，時(shí)間也愈長(Liu et al.，2008)。

實(shí)驗(yàn)采用3臺(tái)RDI公司生產(chǎn)的頻率為300 kHz的4個(gè)探頭的ADCP浮標(biāo)布設(shè)在徐六涇斷面以作為固定垂線，分別以C1，C2，C3表示，儀器布設(shè)位置如圖2所示。各垂線的平均水深分別為14.9 m，51.5 m和9.7 m。儀器設(shè)置的水深單元為1.0 m，每30 min觀測一組數(shù)據(jù)。為分析徑流的季節(jié)性變化對(duì)感潮河段潮流垂直結(jié)構(gòu)的影響，實(shí)驗(yàn)首先獲取了大通站2011年全年日均流量(圖3)。由圖3可知，長江口徑流量在夏季最大，可達(dá)5×104m3/s；秋季其次；春季和冬季最小，且二者徑流量基本一致，約為2×104m3/s。因此，實(shí)驗(yàn)提取了2011年3月至5月(春季)，6月至8月(夏季)以及9月至11月(秋季)這3個(gè)時(shí)段對(duì)應(yīng)的固定觀測數(shù)據(jù)，分別對(duì)應(yīng)了長江口小徑流流量、大徑流流量及中徑流量流量時(shí)段，以便于對(duì)不用徑流量下的ADCP垂線觀測數(shù)據(jù)分別進(jìn)行分析。

圖2 固定式ADCP在徐六涇斷面中的位置及斷面地形變化Fig.2 Location of fixed ADCP stations in Xuliujing section and change of section to pography

圖3 大通站2011年日均流量Fig.3 Daily average discharge at Datong station in 2011

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 余流的垂直結(jié)構(gòu)

對(duì)C1，C2和C3測站ADCP獲得的各水深單元的流速東、北分量分別利用式(1)進(jìn)行潮流調(diào)和分析，可得到各水深層余流東分量和北分量的U0和V0，最終可獲得各測站的余流垂直結(jié)構(gòu)(圖4)，最大流速均出現(xiàn)在表層，流速值則隨水深增大而減小，最小值皆出現(xiàn)在底層。整體而言，對(duì)于3個(gè)測站，夏季流速均最大，秋季次之，春季最小。對(duì)于同一季節(jié)的流速值，C1和C3測站值基本一致，而相同水深處的C2測站值較C1和C3要大。C2測站，春季、夏季和秋季的表層流速分別為0.42 m/s，0.65 m/s和0.60 m/s，C1測站3個(gè)相應(yīng)季節(jié)的表層流速分別為0.22 m/s，0.48 m/s和0.38 m/s，C3測站3個(gè)相應(yīng)季節(jié)的表層流速分別為0.29 m/s，0.51 m/s和0.33 m/s。由徐六涇斷面徑流量的季節(jié)性變化可知，余流主要受徑流影響，夏季徑流強(qiáng)度大，所以流速也大，春季和秋季的流量相對(duì)較小，所以流速也小，即流速值與流量值有同樣的季節(jié)性變化規(guī)律。

圖4 C1，C2及C3各測站時(shí)均流速及流向的垂直分布Fig.4 Vertical distribution of hourly average velocity and flow direction in C1,C2 and C3 stations

對(duì)于各水深層的余流流向，各測站流向沿水深變化基本平穩(wěn)，介于70°～100°。具體而言，對(duì)于C1測站，春季流向值最大，秋季和夏季次之。對(duì)于C2測站，春季和秋季基本一致，表層和底層的流向約為90°左右，而秋季的流向則在80°附近波動(dòng)；對(duì)于淺水區(qū)C3，夏季的流向最大，為100°左右，而春季和秋季基本一致，為90°左右?？傮w上來講，3個(gè)測站余流流向的季節(jié)差異的整體幅度不超過20°。

3.2 潮流橢圓的垂直結(jié)構(gòu)

根據(jù)分潮能量比重的分析結(jié)果可知，徐六涇地區(qū)的M2分潮為最主要分潮，因此以下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析皆針對(duì)M2分潮。C1，C2和C3測站各季節(jié)的表層(0.2 h)，中間層(0.5 h)及底層(0.9 h)的M2分潮潮流橢圓計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

圖5 C1，C2及C3測站表層(0.2h)，中間層(0.5h)及底層(0.9h)的M2分潮橢圓Fig.5 M2 tidal ellipse in surface (0.2h), middle (0.5h) and bottom (0.9h) of C1, C2 and C3 stations

總體來說，M2分潮的長半軸遠(yuǎn)大于短半軸，極化嚴(yán)重，潮流橢圓幾乎接近于直線，且基本與河岸平行，屬于往復(fù)型潮流，這是由河道的狹長特性決定的。表層，中層及底層的潮流橢圓的傾角基本一致，且表層與底層的長半軸差異不明顯，這與近海研究結(jié)果不同(Sánchez-Román et al., 2008)。

對(duì)于半日分潮M2，整體上來說，在3個(gè)測站上的橢圓參數(shù)差異并不十分明顯，但測站C1和C3的橢圓率相對(duì)測站C2較大，即極化更嚴(yán)重，并且從圖6可以看出，在測站C1和C3的表、中、底3層的橢圓差異較小。對(duì)于測站C2，表層和中間層的橢圓差異較小，而底層的差異較大，即表層的長半軸明顯大于底層。此外，對(duì)于季節(jié)性變化，3個(gè)測站的夏季橢圓長半軸比春季和秋季較大，即漲落潮能量較大，這與動(dòng)能方差的計(jì)算結(jié)果一致。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在夏季潮流能量最大，春季和秋季則較小，這與各季節(jié)的平均流速(余流)變化規(guī)律是一致的。

3.3 潮流垂直結(jié)構(gòu)的季節(jié)差異

各測站各水深層的橢圓參數(shù)的垂直結(jié)構(gòu)如圖6所示。為方便與余流流向進(jìn)行比較，橢圓傾角統(tǒng)一歸算為方位角，而非傳統(tǒng)橢圓傾角與東方向的夾角。同已有的近岸潮流的垂直結(jié)構(gòu)研究相同之處是，M2分潮的長半軸振幅在垂直方向上基本呈遞減趨勢，但表層和底層的長半軸振幅差異較小，與底層差異較大；對(duì)于傾角，垂直方向的變化幅度較小，從表層到底層為遞增趨勢(Poulain et al.，2011；曾定勇等，2012；師鵬飛等，2012)。然而，相對(duì)于相同之處，近岸潮流與感潮河段的垂直結(jié)構(gòu)的差異更加明顯，具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

(1)對(duì)于短半軸，近岸潮流的短半軸從表層至底層基本呈S型，即先緩慢減小再逐漸增大；而在該感潮河段的M2分潮短半軸則是由上而下逐漸增大，且各測站的規(guī)律不一致(圖6)。

圖6 各測站M2分潮垂直結(jié)構(gòu)的季節(jié)變化Fig.6 Seasonal variation of vertical structure of M2 tidal composition at various stations

(2)對(duì)于傾角，從表層到底層的傾角值在3個(gè)季節(jié)的差異較小，而對(duì)于近岸潮流，表層和底層的傾角差值可達(dá)20°(Codiga et al.，2004)。對(duì)不同季節(jié)，C1和C3淺水區(qū)的差異較小，最大差值小于5°；而對(duì)于C2測站，同一水深的橢圓傾角差異明顯，其春季傾角值最小，夏季其次，秋季最大。

(3)對(duì)于相位，3個(gè)測站在不同季節(jié)基本呈現(xiàn)統(tǒng)一規(guī)律，即從表層到底層緩慢減小，與之前學(xué)者的近岸研究結(jié)果一致(Tsimplis，2000；Codiga et al.，2004)。不同的是，近岸潮流的表層和底層相位差異較大，可達(dá)20°(Tsimplis，2000)或40°(Codiga et al.，2004)，而本次研究區(qū)域的表層和底層相位值差異則為10°左右。

3.4 平均流速和潮流橢圓參數(shù)對(duì)比

圖7顯示的是C1，C2和C3測站位置及各季節(jié)的表層(0.2 h，紅色箭頭)，中間層(0.5 h，綠色箭頭)及底層(0.9 h，藍(lán)色箭頭)的平均流速及流向。圖8給出了C2測站不同季節(jié)下的M2分潮橢圓參數(shù)及平均流速大小及方向的垂直結(jié)構(gòu)。由圖7可以看到，最大流速均出現(xiàn)在表層，流速值則隨水深增大而減小，最小值皆出現(xiàn)在底層。整體而言，對(duì)于3個(gè)測站，夏季流速均最大，秋季次之，春季最小。對(duì)比圖8可知，平均流速值與M2分潮的長半軸的垂直結(jié)構(gòu)季節(jié)變化和垂向變化規(guī)律一致。對(duì)于各水深層的流向，各測站流向垂直變化較小，且基本與河岸平行(圖7)。從表層至底層，流向基本呈逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，盡管各季節(jié)差異較小。同樣的，對(duì)于深泓處的C2測站，同一水深處的流向因季節(jié)而異，即春季較大，夏季其次，秋季最小，這同樣與主要分潮M2的傾角的季節(jié)變化規(guī)律一致。

圖7 各測站表層，中層及底層在春，夏和秋 3個(gè)季節(jié)的平均流速流向Fig.7 Average velocity and flow direction of surface, middle and bottom stations in Spring, Summer and Fall seasons

由圖8可以明顯看出，M2分潮振幅和傾角的垂直變化和季節(jié)變化規(guī)律與平均流速和流向的變化規(guī)律基本一致，即：①振幅大小和流速大小均沿水深增長緩慢變?。虎谡w上來說，夏季的振幅和流速均最大，秋季次之，春季最小，潮流的強(qiáng)度與徑流強(qiáng)度呈正相關(guān)；③橢圓的傾角變化規(guī)律與平均流速變化規(guī)律也是一致，即橢圓傾角和流向的方位角在春季最大，夏季其次，冬季最小。這是由于受河床和地勢的影響，在不同季節(jié)流向值也發(fā)生變化。同樣受徑流(平均流速)的動(dòng)力影響，橢圓的傾角也發(fā)生類似的旋轉(zhuǎn)。

圖8 C2測站不同季節(jié)下的M2分潮4個(gè)橢圓要素及平均流速大小及方向的垂直結(jié)構(gòu)Fig.8 Four elliptical elements of M2 tidal composition and average velocity and flow direction of vertical structure at C2 station in different seasons

4 總結(jié)

為獲得長江口感潮河段潮流及余流的垂直結(jié)構(gòu)及其季節(jié)性變化規(guī)律，筆者基于長江口徐六涇斷面3個(gè)測站的高垂直分辨率(1.0 m)的春、夏、秋3個(gè)季節(jié)對(duì)應(yīng)的小、大及中等徑流量下的ADCP流速數(shù)據(jù)，采用調(diào)和分析方法對(duì)長江口感潮河段的余流(徑流)和潮流進(jìn)行特征分析，得到了該地區(qū)的余流和潮流不同的季節(jié)特征及相互影響規(guī)律，結(jié)論如下：

(1)受長江口徑流量的季節(jié)性變化影響，3個(gè)測站的平均流速值在夏季最大，春季和秋季相對(duì)較小。對(duì)于單個(gè)測站，最大流速均出現(xiàn)表層，流速值則隨水深增大而減小，最小值皆出現(xiàn)在底層。此外，各測站流向沿水深變化平穩(wěn)，基本與河岸線平行。

(2)徐六涇水域潮流橢圓極化嚴(yán)重，幾乎接近于直線，且基本與河岸線平行，屬于往復(fù)型潮流，表層，中間層及底層的潮流橢圓的傾角基本一致，且表層與中間層的長半軸差異較小。

(3)對(duì)于主要分潮M2的垂直結(jié)構(gòu)，其長半軸振幅在垂直方向上基本呈遞減趨勢，但表層和底層的長半軸振幅差異較小，與底層差異較大；對(duì)于傾角，垂直方向的變化幅度較小，從表層到底層為遞增趨勢，在3個(gè)季節(jié)的差異較小。因此，近岸潮流和感潮河道潮流的長半軸垂直結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律基本一致，然而由于河道中的潮流受徑流作用強(qiáng)勁，因此又表現(xiàn)出于近岸潮流明顯的差異。

(4)M2分潮振幅和傾角的垂直變化和季節(jié)變化規(guī)律與余流的流速和流向的變化規(guī)律基本一致，其振幅大小和流速大小均沿水深增長緩慢變?。怀绷鞯膹?qiáng)度與徑流強(qiáng)度呈正相關(guān)，受河床和地勢的影響，橢圓的傾角旋轉(zhuǎn)變化規(guī)律與平均流速變化規(guī)律也是一致。