江都水利樞紐下游潮水位變化規(guī)律及影響分析

孫正蘭，司存友，華 駿，王 江

(1.江蘇省江都水利工程管理處，江蘇 揚(yáng)州 225200； 2.江蘇省水文水資源勘測(cè)局，南京 210029)

1 工程概況

江都水利樞紐工程南瀕長(zhǎng)江、北連淮河，既是江蘇江水北調(diào)的源頭，也是淮河洪水入江的控制性工程，主要由4座大型泵站和12座大中型節(jié)制閘組成。工程實(shí)現(xiàn)了江水北調(diào)、江淮互濟(jì)[1]。在淮北和里下河地區(qū)發(fā)生干旱時(shí)，大型泵站群與江都西閘、東閘等從長(zhǎng)江干流三江營(yíng)取水口分別抽引江水北送和自流引江水東送，國(guó)家南水北調(diào)東線(xiàn)工程正是在此基礎(chǔ)上的擴(kuò)大規(guī)模和向北延伸而建立的[2]。當(dāng)淮河發(fā)生洪水時(shí)，上中游河南省、安徽省等15.8×104km2的區(qū)域來(lái)水經(jīng)洪澤湖調(diào)蓄后，約70%以上的洪水由淮河下游最大泄洪河道——入江水道、經(jīng)歸江控制從三江營(yíng)排入長(zhǎng)江。江都水利樞紐工程區(qū)域位置見(jiàn)圖1。

圖1 江都水利樞紐工程位置示意圖

長(zhǎng)江干流三江營(yíng)潮位站距離江都水利樞紐約22 km，該站感潮河段處于潮流界末端，每天潮漲潮落2次，漲落潮時(shí)間不等，為非正規(guī)半日潮[3]。關(guān)于長(zhǎng)江河口沿程潮波變化特征以及三江營(yíng)特定時(shí)段潮位的分析研究較多。郭磊城等[4]基于2009—2010年大通、南京、徐六涇等4站潮位分析了潮波在長(zhǎng)江河口以上沿程變化的特點(diǎn)。付桂[5]基于1996—2011年徐六涇以下潮位站資料分析了長(zhǎng)江口潮位的基本特征。朱紅耕等[6]對(duì)1950—1999年三江營(yíng)高潮及其平均潮位進(jìn)行分析，認(rèn)為不斷增高的潮位將對(duì)沿江灌排泵站機(jī)組安全運(yùn)行產(chǎn)生影響。謝瑞等[7]通過(guò)模型試驗(yàn)研究了長(zhǎng)江與淮河在不同流量遭遇時(shí)沿程水位和局部流場(chǎng)的變化。錢(qián)睿智等[8]以連續(xù)3 d三江營(yíng)潮位受區(qū)間來(lái)水和氣象因素影響大致相同為假設(shè)基礎(chǔ)，建立了三江營(yíng)短期潮位預(yù)報(bào)模型。

上述針對(duì)長(zhǎng)江河口潮波和三江營(yíng)潮位在不同情勢(shì)下發(fā)展變化現(xiàn)象的研究，為水道航運(yùn)、河口治理與防洪減災(zāi)等提供了重要的技術(shù)依據(jù)，但以上多基于較短時(shí)段序列潮波在空間上變化特點(diǎn)的分析和較長(zhǎng)序列特征潮位變化規(guī)律的探討。長(zhǎng)江口至大通，長(zhǎng)達(dá)600 km以上的潮區(qū)界，不同河段潮汐的影響因素和形成機(jī)理非常復(fù)雜；三江營(yíng)感潮河段位于潮流界末端，本文由三江營(yíng)站長(zhǎng)系列資料揭示對(duì)工程調(diào)水和泄洪有直接影響的特征潮位、潮差、潮歷時(shí)、周期等典型要素的演變趨勢(shì)和變化規(guī)律，不僅為南水北調(diào)東線(xiàn)水資源科學(xué)優(yōu)化調(diào)配、水利樞紐工程效益充分發(fā)揮提供支撐，也為更好地掌握長(zhǎng)江河口潮流界末端的潮流運(yùn)動(dòng)規(guī)律提供參考。

2 資料與方法

2.1 資料來(lái)源

三江營(yíng)潮位站建于1915年8月。由于社會(huì)動(dòng)蕩和歷史原因，1951年開(kāi)始資料系列連續(xù)，但僅限于高、低潮位。1957年1月開(kāi)始收集潮位、潮差、潮歷時(shí)等要素資料。本文即以1957—2019年逐日資料，針對(duì)水利樞紐工程調(diào)水和泄洪有直接影響的特征潮位、潮差、潮歷時(shí)等要素進(jìn)行年內(nèi)、年際變化規(guī)律以及趨勢(shì)特征的研究。

文中分析數(shù)據(jù)來(lái)自《中華人民共和國(guó)水文年鑒(1957—2019)》第5卷第4冊(cè)[9]，潮位為廢黃河口基面高程。

2.2 分析方法

(1)趨勢(shì)分析。采用非參數(shù)統(tǒng)計(jì)Mann-Kendall(簡(jiǎn)稱(chēng)M-K)方法進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，置信度95%時(shí)臨界值為±1.96，即潮位等要素序列M-K檢驗(yàn)值|Z|>1.96時(shí)變化趨勢(shì)顯著，否則變化不顯著[10]。運(yùn)用累積距平法直觀判斷潮位等要素多年顯著的演變趨勢(shì)及持續(xù)性變化[11]。

(2)周期分析。采用Morlet連續(xù)復(fù)小波為基函數(shù)進(jìn)行小波運(yùn)算變換，得到小波系數(shù)與不同時(shí)間尺度上的小波方差，由序列時(shí)頻變化特征確定潮位等要素的主、次周期[12]，為預(yù)測(cè)感潮河段潮汐未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)提供依據(jù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 年內(nèi)變化

3.1.1 特征潮位

三江營(yíng)高高潮、低低潮、平均高潮、平均低潮等特征潮位年內(nèi)變化趨勢(shì)一致，潮位1—7月份逐漸增大，7月份為年內(nèi)最高；8—12月份逐漸減小，1月份為年內(nèi)最低。特征潮位、潮差、潮歷時(shí)要素年內(nèi)變化趨勢(shì)見(jiàn)圖2。

圖2 1957—2019年特征潮位、潮差、潮歷時(shí)多年平均年內(nèi)變化趨勢(shì)

表1為特征潮位各月多年變化趨勢(shì)特征，線(xiàn)性增率與M-K趨勢(shì)檢驗(yàn)結(jié)果基本一致。夏季6—8月份特征潮位多年均呈增大趨勢(shì)，其中6月份、8月份均呈不顯著增大趨勢(shì)，7月份呈顯著增大趨勢(shì)、且線(xiàn)性增率最大，8月份特征潮位線(xiàn)性增率僅次于7月份。夏季是長(zhǎng)江、淮河洪水多發(fā)季節(jié)，潮位增大趨勢(shì)對(duì)洪水的安全下泄極為不利。12月—次年3月份特征潮位多年均呈顯著增大趨勢(shì)，其中又以1月份增大趨勢(shì)最顯著，枯水期潮位增大對(duì)水利工程自流引水極為有利。

表1 特征潮位各月多年變化趨勢(shì)特征

3.1.2 最大潮差與最大歷時(shí)

對(duì)漲落潮最大潮差和最大歷時(shí)的研究反映了潮汐波幅和時(shí)長(zhǎng)的變化規(guī)律。由圖2可以看出，漲落潮最大潮差、最大歷時(shí)年內(nèi)變化趨勢(shì)基本一致，漲潮最大潮差略大于落潮最大潮差，多年平均偏大0.1 m；漲潮最大歷時(shí)遠(yuǎn)小于落潮最大歷時(shí)，多年平均偏小3.8 h。一年中，7月份漲落潮最大潮差均最小，多年平均分別為1.78 m和1.66 m；漲潮最大潮差出現(xiàn)在12月—次年1月份，落潮最大潮差出現(xiàn)在3月份。漲落潮最大歷時(shí)均在3月份最大，9月份次之；5—6月份和12月—次年1月份均處于全年較小狀態(tài)。

各月最大潮差與潮歷時(shí)多年變化趨勢(shì)特征見(jiàn)表2。夏季6—8月份漲落潮最大潮差多年呈不顯著減小趨勢(shì)，而最大歷時(shí)呈不顯著增大趨勢(shì)；枯水期10月—次年1月份漲落潮最大潮差多年呈不顯著增大趨勢(shì)，而最大歷時(shí)呈不顯著減小趨勢(shì)。夏季潮差減小卻歷時(shí)增大、枯水期潮差增大卻歷時(shí)減小，這對(duì)豐水期淮河洪水充分利用低潮排入長(zhǎng)江、枯水季節(jié)灌溉工程利用較高潮位自流引水都較不利。

3.2 年際變化

3.2.1 潮 位

特征潮位年際累積距平曲線(xiàn)、以高高潮為例繪制的距平曲線(xiàn)見(jiàn)圖3。由圖3累積距平曲線(xiàn)和表1中年際特征潮位M-K趨勢(shì)檢驗(yàn)結(jié)果表明：多年高高潮、低低潮、平均高潮、平均低潮變化趨勢(shì)一致，均呈顯著增大趨勢(shì)。其中高高潮線(xiàn)性增率最大，為0.82 cm/a；平均低潮線(xiàn)性增率最小，為0.37 cm/a。以高高潮為例，1968年前潮位遠(yuǎn)小于多年平均值，1968—1976年與1977—1984年分別以微弱減小和微弱增大趨勢(shì)在多年平均值附近波動(dòng)；1985—1994年與1995—2003年潮位以微弱增大和顯著增大趨勢(shì)變化；2004—2011年與2012—2019年又分別以微弱減小和微弱增大趨勢(shì)波動(dòng)變化。

表2 各月最大潮差與最大歷時(shí)多年變化趨勢(shì)特征

圖3 特征潮位累積距平曲線(xiàn)和高高潮距平曲線(xiàn)

特征潮位相對(duì)多年平均值變化程度見(jiàn)表3，表中的變化率是相對(duì)多年平均的變化率。由于低低潮多年平均值接近于0，故未做計(jì)算比較，但以上分析均表明低低潮與其它特征潮位變化情況一致。由表3可見(jiàn)，在1995年前各時(shí)段中，潮位從遠(yuǎn)低于多年平均值逐漸增大到遠(yuǎn)大于多年平均值，且1995—2003年潮位增幅為各年代中最大；1968—1976年與1977—1984年、2004—2011年與2012—2019年潮位相對(duì)多年平均值分別呈明顯減小、增大變化。1985—1994年潮位相對(duì)多年平均值呈增大變化，但與1995—2003年最大增幅相比，1985—1994年潮位、1995—2003年潮位則分別呈相對(duì)減小、增大變化。

表3 特征潮位相對(duì)多年平均值的變化程度

3.2.2 最大潮差

表2中M-K檢驗(yàn)結(jié)果表明：漲落潮年最大潮差多年呈不顯著增大趨勢(shì)。由圖4累積距平曲線(xiàn)可見(jiàn)，漲落潮最大潮差多年變化趨勢(shì)基本一致，1957—1967年、1977—1984年、2012—2019年漲落潮最大潮差均呈明顯增大趨勢(shì)變化；1968—1976年、2004—2011年呈明顯減小趨勢(shì)變化。經(jīng)計(jì)算，在1985—1994年與1995—2003年，漲潮最大潮差在多年平均值附近平穩(wěn)變化，相對(duì)多年平均值分別呈微弱減小、增大變化；而落潮最大潮差均呈波動(dòng)下降趨勢(shì)，即落潮年最大潮差在1985—1994年與1995—2003年均小于多年平均值，呈平穩(wěn)下降狀態(tài)。上述變化趨勢(shì)與表4中漲落潮最大潮差相對(duì)多年平均值變化程度的定量分析結(jié)果一致。

圖4 漲落潮最大潮差和最大歷時(shí)累積距平曲線(xiàn)

表4 漲落潮最大潮差相對(duì)多年平均值的變化程度

3.2.3 最大歷時(shí)

表2中M-K檢驗(yàn)結(jié)果表明：多年漲落潮年最大歷時(shí)呈不顯著減小趨勢(shì)。由圖4(b)累積距平曲線(xiàn)可見(jiàn)，漲落潮最大歷時(shí)多年變化趨勢(shì)基本一致，但漲潮最大歷時(shí)變化劇烈程度大于落潮最大歷時(shí)，在1983—1992年尤其明顯。1957—1963年、1972—1982年、1993—1999年、2011—2019年漲落潮最大歷時(shí)均呈明顯減小趨勢(shì)；1964—1971年、1983—1992年、2000—2010年均呈明顯增大趨勢(shì)。

漲落潮最大歷時(shí)相對(duì)多年平均值變化程度見(jiàn)表5。由表5可見(jiàn)，漲落潮最大歷時(shí)呈明顯增大、減小周期性變化，且漲潮最大歷時(shí)的增、減變幅均大于同期落潮最大歷時(shí)，在1983—1992年漲潮最大歷時(shí)變幅為各時(shí)段中最大，高于多年平均值17.1%。

表5 漲落潮最大歷時(shí)相對(duì)多年平均值的變化程度

以上特征潮位、潮差和潮歷時(shí)等要素多年的變化特點(diǎn)與長(zhǎng)江河口南京站至徐六涇站潮波的時(shí)空變化特征基本一致[4]。

3.3 周期分析

Morlet小波分析結(jié)果表明，特征潮位、潮差、潮歷時(shí)具有較明顯的周期性。特征潮位與漲落潮最大潮差的主周期一致，均為28 a左右特征時(shí)間尺度，次周期有一定差異；漲落潮最大歷時(shí)第一主周期為22 a左右特征時(shí)間尺度，小波方差圖顯示更大的主周期在此序列下不能完全顯示。

以高高潮、落潮最大潮差和最大歷時(shí)為例繪制小波方差隨時(shí)間尺度的變化過(guò)程，見(jiàn)圖5。小波方差隨時(shí)間尺度的變化表征了信號(hào)擾動(dòng)的能量隨時(shí)間尺度分布情況，由圖中不同尺度信號(hào)波動(dòng)相對(duì)強(qiáng)度和存在主要時(shí)間尺度確定特征潮位、潮差、潮歷時(shí)的主周期。

圖5 高高潮、落潮最大潮差和落潮最大歷時(shí)小波方差

根據(jù)小波方差主周期轉(zhuǎn)換得到小波系數(shù)曲線(xiàn)圖，分析在不同時(shí)間尺度下特征潮位、潮差、潮歷時(shí)存在的平均周期以及增大、減小變化特征；小波系數(shù)正值表示要素處于增長(zhǎng)期，負(fù)值表示處于減小期。因特征潮位與最大潮差主周期相同、漲落潮最大歷時(shí)主周期相同，即以特征潮位中高高潮和落潮最大歷時(shí)為例進(jìn)行分析。

圖6為高高潮和落潮最大歷時(shí)主周期小波系數(shù)曲線(xiàn)。在28 a特征時(shí)間尺度下，特征潮位和漲落潮最大潮差平均周期為18～19 a，在1957—2019年大約經(jīng)歷了3.5個(gè)周期增大、減小變化；在22 a特征時(shí)間尺度下，漲落潮最大歷時(shí)平均周期為14～15 a，大約經(jīng)歷了4個(gè)周期增大、減小變化。潮位、潮差和潮歷時(shí)等要素周期性增大、減小交替變化發(fā)生時(shí)間與前述累積距平趨勢(shì)變化的時(shí)段基本一致。

圖6 高高潮和落潮最大歷時(shí)主周期小波系數(shù)曲線(xiàn)

由圖6可推算出特征潮位、漲落潮最大潮差于2011—2020年左右處于增大期、預(yù)測(cè)2020—2029年左右處于減小期；漲落潮最大歷時(shí)于2014—2021左右年處于增大期，預(yù)測(cè)2021—2028年左右處于減小期。特征潮位、潮差、潮歷時(shí)目前均處于增大期，將于2020—2021年結(jié)束，進(jìn)入7～9 a左右的減小期。

3.4 典型要素影響分析

20世紀(jì)90年代末興建的三峽水庫(kù)在蓄水運(yùn)用后由于年內(nèi)削峰補(bǔ)枯作用，導(dǎo)致長(zhǎng)江下游干流年內(nèi)徑流分配發(fā)生改變，加之淮河入江水道來(lái)流量不確定，徑流對(duì)潮汐振幅的衰減作用以及對(duì)高低潮相位的改變均產(chǎn)生直接影響。中國(guó)海平面公報(bào)統(tǒng)計(jì)近30 a來(lái)中國(guó)沿海海平面呈波動(dòng)變化且上升趨勢(shì)明顯[13]，由全球氣候變暖導(dǎo)致沿海海平面上升也引起了潮位整體性改變；加之近年來(lái)長(zhǎng)江河口不斷修建的河道以及航道整治工程也改變了河道的邊界條件，對(duì)于河口潮波的向上游傳播勢(shì)必造成影響。因此，三江營(yíng)長(zhǎng)系列特征潮位、潮差、潮歷時(shí)多年呈現(xiàn)的變化規(guī)律和局部時(shí)段的異常變化是以上多種因素綜合作用的結(jié)果。

以上分析結(jié)果表明，盡管特征潮位、潮差和潮歷時(shí)有其明顯的局部變化特性，但總趨勢(shì)仍基本遵循內(nèi)在的周期性變化規(guī)律。特征潮位、潮差和潮歷時(shí)在1985—2003年前、后不同時(shí)段期間均呈現(xiàn)較明顯的增大、減小周期性交替變化，但在1985—1994年與1995—2003年減小、增大變化相對(duì)不明顯，如特征潮位在減小期(1985—1994年)相對(duì)多年平均值仍呈增大變化，然而與1995—2003年最大增幅相比要小得多，即特征潮位在1985—1994年、1995—2003年仍有相對(duì)減小、增大變化。

近年來(lái)三江營(yíng)潮位的顯著增大變化不僅給淮河洪水快速、安全泄入長(zhǎng)江產(chǎn)生較大影響，同樣對(duì)江都水利樞紐供水工程最大程度調(diào)引長(zhǎng)江水量、滿(mǎn)足不斷增長(zhǎng)的水資源調(diào)配供給帶來(lái)新問(wèn)題。如江都大型泵站群設(shè)計(jì)揚(yáng)程均基于三江營(yíng)站20世紀(jì)90年代之前的水文資料設(shè)計(jì)，近年來(lái)海平面加速上升導(dǎo)致潮汐要素發(fā)生明顯變化，尤其是潮位的整體抬高，這將對(duì)大型泵站群能否在高效區(qū)安全運(yùn)行、經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益充分發(fā)揮帶來(lái)新挑戰(zhàn)。

4 結(jié) 論

(1)夏季6—8月份潮位最高且呈增大趨勢(shì)，其中7月份為顯著增大變化。夏季是長(zhǎng)江、淮河洪水多發(fā)季節(jié)，潮位的整體抬升、顯著增高，對(duì)洪水的安全順利下泄、較大設(shè)計(jì)揚(yáng)程泵站機(jī)組的高效運(yùn)用較為不利?？菟谔卣鞒蔽欢嗄瓿曙@著增大趨勢(shì)，對(duì)枯水期灌溉工程充裕自流引水和內(nèi)陸河湖生態(tài)環(huán)境改善非常有利。

(2)漲落潮最大潮差多年呈不顯著增大趨勢(shì)、最大歷時(shí)呈不顯著減小趨勢(shì)變化。夏季潮差減小歷時(shí)卻增大，枯水期潮差增大歷時(shí)卻減小，這對(duì)豐水期淮河洪水盡可能在較低潮位下泄洪和枯水季節(jié)能夠較長(zhǎng)時(shí)間在高潮位引水均較不利。

(3)處于潮流界末端的三江營(yíng)站感潮河段盡管

受到眾多復(fù)雜因素影響，但長(zhǎng)系列資料分析表明特征潮位、潮差和潮歷時(shí)均具有增大、減小交替變化的周期性規(guī)律。目前特征潮位、潮差和潮歷時(shí)均處于增大期，將于2020—2021年結(jié)束，進(jìn)入為期7～9 a的減小期。