長江口區(qū)域的潮位研究

張振生

（大連海洋大學(xué)海洋科技與環(huán)境學(xué)院,遼寧 大連116023）

我國長度最長、流量最大的河流- 長江,其流域雨量充沛、物產(chǎn)豐富,沿岸生活的人口數(shù)量占全國人口的1/3,所以長江的水文變化與人民的生產(chǎn)生活息息相關(guān)。近年來,長江流域出現(xiàn)了三峽大壩工程、南水北調(diào)工程、沿海抽飲水工程、污水排放工程、長江口深水航道工程等大型項(xiàng)目,這些工程對長江沿岸的水文特性、生物多樣性、河床形態(tài)等諸多方面造成影響。

牛頓的引潮力概念（1687 年）、伯努利的平衡潮理論（1740年）、拉普拉斯的大洋潮汐的動力學(xué)理論（1775 年）為潮汐學(xué)的研究提供理論基礎(chǔ)。與具有穩(wěn)定潮周期的開闊大洋相比,河口地區(qū)的水動力過程非常復(fù)雜。在河口地區(qū),穩(wěn)定的天文潮和周期不穩(wěn)定的徑流相耦合,使潮波產(chǎn)生非線性變化。孫志林等[1]發(fā)現(xiàn),若風(fēng)暴潮和極端徑流疊加,河口的潮位將會增加,且增量與徑流成正比。由于長江流域修建許多大型的調(diào)水蓄水工程,使得河口區(qū)域的徑流和潮波相互作用發(fā)生調(diào)整。例如張智偉等[2]發(fā)現(xiàn)長江三峽水庫的調(diào)蓄作用使泄水期河口段潮汐作用削弱,蓄水期潮汐作用增強(qiáng)。根據(jù)謝衛(wèi)明等[3]的研究,三峽蓄水期時徐六涇斷面的漲潮歷時、流速流向等特征由不對稱性趨于對稱性,潮汐的動力學(xué)特征對徑流的減小比較敏感?？菁镜拈L江水位很低,碰巧趕上天文小潮,二者相互疊加作用產(chǎn)生極低水位,從而導(dǎo)致船只更易觸底。

長江口作為長江淡水入海的必經(jīng)之地,包括徑流、潮汐、波浪等。其中河口潮流和長江徑流之間相互作用,致使長江口區(qū)域水動力過程非常復(fù)雜。從科學(xué)上來講,研究長江口區(qū)域這種復(fù)雜的水文動力學(xué)也具有重要意義。

本文收集了長江下游南京、鎮(zhèn)江、江陰和吳淞的連續(xù)水位觀測資料,時間從2020 年6 月至7 月（近2 個月）,采樣間隔為1小時。由于長江水位受季節(jié)性降水的控制,水位（斷面流量）呈現(xiàn)夏季高冬季低的趨勢,觀測期間恰好長江處于高水位狀態(tài),且水位隨時間逐漸增高。

1 長期平均的潮位特征

長江下游水位受陸地徑流和上溯潮波的共同影響,使水動力過程相對復(fù)雜。上文描述了四個地點(diǎn)水位受徑流的影響程度,表現(xiàn)為水位的低頻變化。此處描述水位受上溯潮波的影響,表現(xiàn)為高頻信號。

Godin[4]提出了一種用于水位分析的方法- 調(diào)和分析。該方法假定水位由平均水位和多個不同頻率的信號疊加而成,采用最小二乘法求得各個成分的調(diào)和常數(shù),即可推算其他時間的水位。在經(jīng)典調(diào)和分析中,水位可以被寫成:

調(diào)和分析得到35 個分潮信號,其中K1、M2、MK3、M4、M6 和M8 都為顯著成分,在95%置信水平下的信號暫不做考慮。圖1中低頻信號的振幅分別為1 米、0.8 米、0.4 米和0.1 米（圖1a）,表現(xiàn)為自上游至下游逐漸減小,表明受徑流的影響逐漸減弱。在高頻潮信號中,半日潮最大,其次是全日潮和1/4 日潮,與譜分析結(jié)果一致。全日潮疊加結(jié)果顯示,自上游至下游振幅逐漸增大,分別為0.15 米、0.18 米、0.3 米和0.35 米,南京站比吳淞站相位滯后約2 個周期。半日潮疊加結(jié)果顯示,自上游至下游振幅逐漸增大,分別為0.2 米、0.3 米、0.7 米和1 米。1/4 日潮疊加結(jié)果顯示,自上游至下游振幅分別為0.05 米、0.1 米、0.3 米和0.2 米,需要注意的是,江陰附近的D4 信號明顯強(qiáng)于其上游和下游,表明江陰附近或許是淺水分潮變化趨勢的臨界點(diǎn)。

2 各主要分潮振幅的變化

經(jīng)典調(diào)和分析反映了一段時期內(nèi)潮周期信號變化的平均狀態(tài),顯然在水位短期劇烈變化的時間段是不合理的。本文采用短期調(diào)和分析的方法,獲得各主要分潮振幅變化的時間序列。

短期調(diào)和分析采用的滑動窗口為15 天,即用15 天的水位獲得一組調(diào)和常數(shù)。整體上,自上游至下游各分潮的振幅逐漸增大,M2 分潮的振幅最大,南京的M2 分潮的最大振幅比吳淞小0.75 米。振幅的趨勢可大致分為三個階段,6 月20 日之前和7 月5 日之后振幅隨時間逐漸減小,兩個時間節(jié)點(diǎn)內(nèi)振幅趨近于平穩(wěn),但離長江口最近的兩個站略微增大。各站的不同頻率信號的振幅比分別為：K1:O1:M2:S2:M4:MS4=0.52:0.39:1:0.37:0.27:0.16（南京）,K1:O1:M2:S2:M4:MS4=0.38:0.26:1:0.33:0.28:0.16（鎮(zhèn)江）,K1:O1:M2:S2:M4:MS4=0.32:0.17:1:0.30:0.31:0.17（江陰）,K1:O1:M2:S2:M4:MS4=0.28:0.14:1:0.31:0.17:0.08（吳淞）。各站M2振幅最大,其次為K1,除南京外,M4 的振幅比S2 大,但是南京站S2 的平均振幅比M4 大。離長江口越近的站位,天文潮的越小,表明口門附近,M2 分潮的振幅遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他成分。此外,江陰的淺水分潮最大,M4 的平均振幅占M2 的30%。自江陰至上游,M4 的平均振幅逐漸減小,但MS4 的平均振幅比幾乎不變,占M2 振幅的16%左右。吳淞站的淺水分潮振幅比最小,M4 和MS4 的平均振幅分別站M2 的17%和8%,這是因?yàn)閰卿琳咎幱陂L江口附近,受到陸地徑流的影響較小,而淺水分潮成分的產(chǎn)生的部分原因正是陸地徑流和上溯潮波的相互作用。

圖1 各頻段信號疊加的結(jié)果

受限于水位資料的時間跨度,本文采用調(diào)和分析獲得的35 個分潮成分,不能完成反映水位的高頻變化。此外,短期調(diào)和分析可采用不同的滑動窗口,以揭示不同尺度下各個分潮的振幅、相位等參數(shù)的關(guān)系。若要更加細(xì)致的闡述長江口地區(qū)的潮-徑混合的現(xiàn)象與機(jī)制,需要更長時間的觀測資料,還可結(jié)合小波分析的方法解釋信號強(qiáng)度隨時間的變化情況。

3 結(jié)論

本研究應(yīng)用近2 個月的水位數(shù)據(jù),分析了長江口區(qū)域南京、鎮(zhèn)江、江陰和吳淞四個觀測站的潮汐變化。各站的水位呈現(xiàn)線性增加的趨勢,離長江口越遠(yuǎn)的站位趨勢越明顯。功率譜分析的結(jié)果顯示,各個站位都有低頻信號和高頻潮周期信號,但由于觀測時間較短,不考慮低頻部分。潮信號中,半日潮信號最大,其次為D1 和D4 頻段信號,其他頻段信號較弱,不做考慮。調(diào)和分析給出了各頻段信號的平均狀態(tài),而短期調(diào)和分析更能體現(xiàn)不同條件下分潮振幅的變化趨勢,是一種相對有效的潮汐分析方法。