長江口余水位時空變化及其成因

楊正東 朱建榮 宋云平 顧靖華

摘要：利用2016年和2017年長江口南支崇西、南門和堡鎮(zhèn)水文站逐時水位資料，大通水文站逐日平均徑流量和崇明東灘氣象站風(fēng)速風(fēng)向，分析了余水位的時空變化及其成因。結(jié)果表明，在這3個水文站中，各月余水位崇西水文站最高，堡鎮(zhèn)水文站最低;各水文站余水位的落差在低徑流量期間較小，在高徑流量期間趨大。徑流量越大，上下游余水位落差越大。在2016年，崇西、南門和堡鎮(zhèn)水文站2月余水位最低，量值分別為2.09m、1.96m和1.93m;7月達(dá)到最大，量值分別為2.91m、2.62m和2.50m。余水位主要是由徑流量決定的，風(fēng)況也是導(dǎo)致余水位變化的一個重要原因。南風(fēng)導(dǎo)致余水位下降，北風(fēng)導(dǎo)致余水位上升。在2017年，月平均余水位最小值出現(xiàn)在12月，崇西、南門和堡鎮(zhèn)水文站量值分別為2.04m、1.91m和1.87m，是由全年最低徑流量導(dǎo)致的;月平均余水位最大值出現(xiàn)在10月，量值分別為2.79m、2.58m和2.49m。盡管10月徑流量比7月低了24214m3/s，但余水位比7月還高，原因是10月中下旬持續(xù)的強偏北風(fēng)，產(chǎn)生了強烈的向岸艾克曼水體輸運，導(dǎo)致水位上升。長江口余水位時空變化顯著，在工程設(shè)計和理論研究中需要考慮。

關(guān)鍵詞：長江口;余水位;時空變化;徑流量;風(fēng)況

中圖分類號：P731.2文獻(xiàn)標(biāo)志碼：ADOI：10.3969/j.issn.1000-5641.2021.02.002

SpatialandtemporalvariationsintheresidualwaterleveloftheChangjiangEstuaryanditscause

YANGZhengdong1，ZHUJianrong2，SONGYunping2，GUJinghua2

（1.HydrologicStationofChongmingDistrictofShanghai，Shanghai202150，China;

2.StateKeyLaboratoryofEstuarineandCoastalResearch，EastChinaNormalUniversity，Shanghai200241，China）

Abstract：Inthisstudy，weanalyzedthespatialandtemporalvariationsintheresidualwaterleveloftheChangjiangEstuaryandevaluatedtherespectivecauses.Toachievethisobjective，weuseddatafromthehourlywaterlevelattheChongxi，Nanmen，andBaozhenhydrologicalstationsintheChangjiangEstuary;dailyriverdischargelevelsattheDatonghydrologicalstation;andwindspeedanddirectionattheChongmingeasternshoalweatherstationin2016and2017.TheresultsshowedthattheresidualwaterlevelwasthehighestatChongxistationandthelowestatBaozhenstationamongthethreehydrologicalstationsineachmonth.Thedropsinresidualwaterlevelamongthehydrologicalstationsbecamesmallerduringlowriverdischargeandtendedtobecomelargerduringhighriverdischarge.Higherlevelsofriverdischargewereassociatedwithalargerdropintheresidualwaterlevel.In2016，theresidualwaterlevelsattheChongxi，Nanmen，andBaozhenhydrologicalstationswerelowestinFebruarywithvaluesof2.09，1.96，and1.93m，respectively;similarly，theresidualwaterlevelswerethehighestinJulywithvaluesof2.91，2.62，and2.50m，respectively.Theresidualwaterlevelwasmainlyaffectedbyriverdischarge，whilethewindwasalsoanimportantinfluencingfactorinthevariationsobserved.Southerlywindmadetheresidualwaterleveldecrease，andnortherlywindmadeitincrease.In2017，theminimummonthlymeanresidualwaterleveloccurredinDecemberwithvaluesof2.04，1.91，and1.87mattheChongxi，Nanmen，andBaozhenhydrologicalstations，respectively;thiscoincidedwiththelowestannualriverdischargeobservedduringthesameperiod.ThemaximummonthlymeanresidualwaterleveloccurredinOctoberwithvaluesof2.79，2.58，and2.49mattheChongxi，Nanmen，andBaozhenhydrologicalstations，respectively.AlthoughtheriverdischargewaslowerinOctoberthantheoneinJulyby24214m3/s，theresidualwaterlevelwashigherinOctoberthanthatinJuly.TheexplanationforthisphenomenonisthepersistentstrongnortherlywindobservedinmiddletolateOctober，whichproducedstronglandwardEkmanwatertransport，andresultedinthewaterlevelrise.ThespatialandtemporalvariationintheresidualwaterleveloftheChangjiangEstuaryisremarkable，andshouldbeconsideredinengineeringdesignandtheoreticalresearch.

Keywords：ChangjiangEstuary;residualwaterlevel;spatialandtemporalvariation;riverdischarge;wind

0引言

河口水位是相對于某個基面的水面高度，像長江河口在理論研究中一般采用1985年國家高程基面（黃海平均海平面），工程和水務(wù)行業(yè)一般采用城建局吳淞零點（黃海平均海平面以下1.669m），航運行業(yè)一般采用理論最低潮面。河口水位隨時間和空間變化顯著，主要由周期變化的潮汐和非周期變化的余水位組成。長江口潮汐具有顯著的半日和半月周期性變化，是水位變化的主要因素。余水位為水位過濾掉周期性潮汐之后余留的部分，主要由徑流、風(fēng)和口外陸架環(huán)流產(chǎn)生。以往對長江河口水位的研究，主要集中于潮位和潮汐特征的研究，而對余水位的研究相對較少。長江口地區(qū)是我國人口密集度最高、經(jīng)濟最發(fā)達(dá)的地區(qū)之一。余水位是影響水深和水位的一個重要因素，對長江河口海堤設(shè)計、防洪、航行和河口動力的研究等具有重要意義。

以往研究表明，長江口余水位主要取決于徑流量、口外陸架環(huán)流、海平面上升和風(fēng)等因子。浦泳修等[1]利用長江口大載山和呂泗兩水文站1978年1月到1981年12月的日平均水位資料序列，做30d滑動平均處理，討論了長江口南、北兩岸水位的低頻變化，結(jié)果表明，兩岸的水位低頻變化均以年周期為主，但兩岸間的水位差卻以半年周期為主，是東海海水運動的重要特征之一。中秋（9、10月）前后的水位最高，隆冬季節(jié)（1、2月）最低，年變幅為0.45～0.55m。谷國傳等[2]的研究表明，長江口東海水域年內(nèi)的平均海面夏季比冬季高0.25～0.35m，反映冬夏不同季節(jié)陸架環(huán)流等的綜合影響。沈健等[3]探討了長江河口區(qū)的月平均海面時空變化規(guī)律，認(rèn)為其月平均海面變化主要受徑流及其他海洋水文氣象因子的作用，而且具有明顯的季節(jié)性變化。陳宗鏞等[4]通過計算長江口4個驗潮站20年的海面記錄，分析得出海面變化總趨勢是上升的，其變化受徑流量大小和外海水位共同影響，并且厄爾尼諾現(xiàn)象能使長江口年平均海面發(fā)生異常。陳西慶[5]對潮位站資料分析發(fā)現(xiàn)，長江每年的入海徑流對海面有重要影響，幅度為流量每變化1000m3/s年平均海面變化8.5mm，但流量對長江口海面的趨勢性變化無顯著影響。宋永港等[6]考慮了長江河口徑流、潮汐和風(fēng)場的共同作用，數(shù)值模擬和定量分析了北支潮位和潮差時空變化和動力機制。北支月平均潮位呈現(xiàn)出從1月到7月逐漸增大，從8月到12月逐漸減小的變化趨勢，主要取決于徑流量產(chǎn)生的余水位。付桂[7]利用長江口沿程11個潮位站的潮位數(shù)據(jù)，統(tǒng)計分析了1996—2011年各站年平均高潮位、年平均低潮位和年平均海面，發(fā)現(xiàn)自1996年以來各潮位站的平均海平面略有抬升，但變化幅度不大，一般小于0.05m。劉曉婉等[8]基于實測資料，得出崇明島南部近岸水位主要由潮汐驅(qū)動形成，同時受到徑流和風(fēng)的影響。其中，風(fēng)對離口門近的水位余量影響較大，而徑流對靠近上游的水位余量影響明顯。楊鋒等[9]通過對江陰至共青圩站一整年的逐時潮位數(shù)據(jù)進行調(diào)和分析，得到年平均海面。徑流量的變化會導(dǎo)致沿程年平均海面發(fā)生響應(yīng)變化，上游比下游站點響應(yīng)更敏感;外海年平均海面的變幅會使沿程量值發(fā)生大致等量的變幅。劉秋興等[10]研究了上游洪水對臺風(fēng)風(fēng)暴潮過程期間長江口水位的影響，結(jié)果表明，洪水對長江口總水位的影響對區(qū)域所處的位置較為敏感，越往上游影響越大，而在下游口門處，洪水對總水位的影響輕微。郭磊城等[11]基于實測徑流量和水文站潮位資料，分析得出了以下結(jié)論：洪季徑流增大，引起各站洪季平均水位顯著抬高，大通站洪季平均水位可比枯季高10m，牛皮礁洪季比枯季高約0.5m，即平均水位差異從上游往口外逐漸減小。唐川敏等[12]通過數(shù)值模擬分析了長江河口氣候變化導(dǎo)致的海平面上升對徑流、潮流和風(fēng)生流的影響，以及在多種動力因子綜合作用下對流場和鹽水入侵的影響。氣候變化導(dǎo)致海平面上升后南支水源地3個水庫取水口鹽度均有所上升，減少了可取水時間，不利于供水安全。

近50年來我國海平面呈波動上升的趨勢，根據(jù)國家海洋局2013年發(fā)布的《中國海平面公報》（http：//www.mnr。gov.cn/sj/sjfw/hy/gbgg/zghpmgb/），1980—2012年長江河口沿海相對海平面上升幅度超過150mm，即平均每年海平面上升4.5mm左右。這個余水位上升將加劇外海鹽水入侵，對長江河口淡水資源產(chǎn)生重要影響。另外，余水位上升對風(fēng)暴潮下海堤防御提出更大挑戰(zhàn)。本文利用長江口水文站2016年和2017年全年逐時水位資料，分析余水位的時空變化和成因，對保障長江口水源地淡水資源和海堤抵御風(fēng)暴等具有指導(dǎo)意義。

1觀測資料

本文利用長江口南支崇西、南門和堡鎮(zhèn)3個水文站2016年和2017年逐時水位資料分析余水位的時空變化。為分析余水位變化的成因，還收集了2016年和2017年大通水文站逐日平均徑流量和崇明東灘氣象站逐日平均的風(fēng)速風(fēng)向。長江口水文站和氣象站位置如圖1所示。

長江河口潮汐為不正規(guī)半日潮，每天有兩漲兩落，也具有顯著的半月大小潮變化。在3個水文站水位資料中，潮汐是其主要成分。為給出余水位隨時間的變化，先對水位資料做33h滑動濾波，過濾掉潮汐的半日和日變化。這樣得出的余水位仍含有半月大小潮變化，再做31d滑動濾波，得出過濾掉潮汐變化的余水位序列[13]。

2結(jié)果與分析

2.12016年余水位、徑流量和風(fēng)況

2016年崇西、南門和堡鎮(zhèn)水文站逐時余水位隨時間變化如圖2所示，各月平均余水位量值如表1所示（吳淞城建基面）。在這3個水文站中，崇西水文站位于南北支分汊口下游約3km處，南門水文站位于南支中段北岸，堡鎮(zhèn)水文站位于南北港分汊口下游約3km處（見圖1）。各月余水位崇西水文站最高，堡鎮(zhèn)水文站最低。從全年的變化過程看，崇西、南門和堡鎮(zhèn)水文站2月余水位最低，量值分別為2.09m、1.96m和1.93m;7月達(dá)到最大，量值分別為2.91m、2.62m和2.50m.1—3月和12月低徑流量期間相互間差距較小，5—9月高徑流量期間相互間差距趨大，在7月達(dá)到最大。在1月，崇西水文站余水位比堡鎮(zhèn)水文站高0.15m;在7月，崇西水文站余水位比堡鎮(zhèn)水文站高0.41m。在這兩個水文站相距約40km的范圍內(nèi)，這個余水位落差還是十分可觀的。這個余水位落差驅(qū)動河水入海，7月徑流量顯著大于1月，對應(yīng)的余水位落差就大。

2016年余水位2月最低值和7月最高值正好對應(yīng)全年徑流量的2月最低值20493m3/s和7月最高值65625m3/s（見圖3和表2），這表明余水位主要是由徑流量決定的，7月的徑流量已達(dá)到了洪水的狀況。值得注意的是，2016年1—8月徑流量明顯比1950—2019年月平均徑流量高，而9—10月明顯偏低。一個重要原因是三峽大壩2003年建成后，9—10月蓄水導(dǎo)致大通徑流量下降，1—3月放水導(dǎo)致大通徑流量上升。2016年4—8月徑流量的上升是由流域降水的年度變化導(dǎo)致的。

從余水位變化過程還可以看到，在6月13—19日、7月31至8月5日余水位出現(xiàn)低谷，但徑流量并未出現(xiàn)低谷（見圖3）。以往研究表明，風(fēng)應(yīng)力也是產(chǎn)生長江口余水位變化的原因[14]。北風(fēng)產(chǎn)生向岸的艾克曼水體輸運，導(dǎo)致余水位上升;而南風(fēng)作用正好相反，會導(dǎo)致余水位下降。從崇明東灘氣象站實測風(fēng)矢隨時間變化過程看（見圖4），1月至2月上旬，以偏北風(fēng)為主，2月中旬至5月上旬，偏北風(fēng)和偏南風(fēng)交替出現(xiàn)。2月中旬至3月底，偏北風(fēng)風(fēng)速明顯大于偏南風(fēng)風(fēng)速，4月至5月上旬，偏南風(fēng)風(fēng)速明顯大于偏北風(fēng)風(fēng)速。5月中旬至8月中旬，明顯以偏南風(fēng)為主。8月中旬至12月，以偏北風(fēng)為主，間隔出現(xiàn)強北風(fēng)的天氣過程。以上風(fēng)速風(fēng)向變化體現(xiàn)了長江口東亞季風(fēng)的特點。而6月13—19日、7月31至8月5日出現(xiàn)明顯的偏南風(fēng)，這是造成上述余水位出現(xiàn)低谷的原因。

2.22017年余水位、徑流量和風(fēng)況

2017年崇西、南門和堡鎮(zhèn)水文站逐時余水位隨時間變化如圖5所示，各月平均余水位量值如表3所示。在這3個水文站中，同樣，各月余水位崇西水文站最高，堡鎮(zhèn)水文站最低。從全年的變化過程看，7月之前余水位總體是上升的，8月以后總體下降，但出現(xiàn)了幾個峰值和谷值。峰值分別出現(xiàn)在1月中旬、4月上旬、7月上旬和10月中旬，谷值分別出現(xiàn)在2月中旬、5月中旬和12月中旬。余水位全年最小值出現(xiàn)在12月，最大值出現(xiàn)在10月中旬。這個現(xiàn)象與2016年很不一樣。從2017年徑流量日變化過程看（見圖6），2月徑流量比1月低，出現(xiàn)徑流量谷值;4月上旬徑流量出現(xiàn)峰值;7月上旬徑流量接近70000m3/s;10月下旬徑流量出現(xiàn)峰值;12月徑流量出現(xiàn)最低值。這些徑流量谷值和峰值對應(yīng)余水位的谷值和峰值，表明徑流量的大小是決定余水位大小的一個重要因素。

從2017年徑流量各月平均統(tǒng)計值看（見表2），1月和2月平均徑流量分別為16553m3/s和13334m3/s，2月平均徑流量比1月低了3219m3/s;4月和5月平均徑流量分別為31829m3/s和29143m3/s，5月比4月低了2686m3/s;7月和8月平均徑流量分別為59180m3/s和38475m3/s，8月比7月低了20705m3/s;12月徑流量最低，量值為14143m3/s。上述徑流量變化，總體上對應(yīng)了3個水文站余水位2月比1月低、5月比4月低、8月比7月低、12月處于最低。

從崇西、南門和堡鎮(zhèn)水文站相互間余水位差距（見圖5）看，1—3月、11—12月低徑流量期間較小，5—10月高徑流量期間趨大，在7—8月達(dá)到最大。從各月平均余水位統(tǒng)計值（見表3）看，全年崇西、南門和堡鎮(zhèn)水文站12月余水位最低，量值分別為2.04m、1.91m和1.87m;10月達(dá)到最大，量值分別為2.79m、2.58m和2.49m。在1月，崇西水文站余水位比堡鎮(zhèn)水文站高0.20m;在7月，崇西水文站余水位比堡鎮(zhèn)水文站高0.36m。

2017年余水位變化過程中一個異?，F(xiàn)象是盡管10月徑流量比7月低了24214m3/s，差距巨大，但余水位比7月高。崇西、南門和堡鎮(zhèn)水文站10月余水位比7月分別高了0.04m、0.10m和0.10m。從2017年崇明東灘氣象站實測風(fēng)矢隨時間變化過程（見圖7）看，同樣呈現(xiàn)了長江口東亞季風(fēng)季節(jié)變化的特征。10月中下旬持續(xù)的強偏北風(fēng)，會產(chǎn)生強烈的向岸艾克曼水體輸運，導(dǎo)致水位上升。這是2017年10月平均徑流量大幅低于7月，而余水位反而比7月大的動力成因。

3結(jié)論

本文基于實測水位、徑流量和風(fēng)速風(fēng)向資料，分析長江口余水位時空變化及其成因。結(jié)果表明，各月余水位崇西水文站最高，堡鎮(zhèn)水文站最低，南門水文站居中。各水文站余水位的差距在低徑流量期間較小，在高徑流量期間趨大。從2016年的變化過程看，崇西、南門和堡鎮(zhèn)水文站2月余水位最低，量值分別為2.09m、1.96m和1.93m;7月達(dá)到最大，量值分別為2.91m、2.62m和2.50m。在1月，崇西水文站余水位比堡鎮(zhèn)水文站高0.15m;在7月，崇西水文站余水位比堡鎮(zhèn)水文站高0.41m。徑流量越大，余水位落差越大。余水位2月最低值和7月最高值正好對應(yīng)全年徑流量的2月最低值和7月最高值，表明余水位主要是由徑流量決定的。風(fēng)況也是導(dǎo)致余水位變化的一個重要原因，南風(fēng)導(dǎo)致余水位下降，北風(fēng)導(dǎo)致余水位上升。

從2017年余水位的變化過程看，余水位全年最小值出現(xiàn)在12月，最大值出現(xiàn)在10月中旬，這個現(xiàn)象與2016年很不一樣。從余水位和徑流量變化過程看，徑流量谷值和峰值對應(yīng)余水位的谷值和峰值，表明徑流量的大小是決定余水位大小的一個重要因素。崇西、南門和堡鎮(zhèn)水文站12月余水位最低，量值分別為2.04m、1.91m和1.87m;10月達(dá)到最大，量值分別為2.79m、2.58m和2.49m。在1月，崇西水文站余水位比堡鎮(zhèn)水文站高0.20m;在7月，崇西水文站余水位比堡鎮(zhèn)水文站高0.36m。盡管10月徑流量比7月低了24214m3/s，差距巨大，但余水位比7月高。崇西、南門和堡鎮(zhèn)水文站10月余水位比7月分別高了0.04m、0.10m和0.10m。原因是10月中下旬持續(xù)的強偏北風(fēng)，產(chǎn)生了強烈的向岸艾克曼水體輸運，導(dǎo)致水位上升。

長江口余水位在空間和時間上存在顯著變化，在海堤設(shè)計、防洪及最低與最高水位的給出中需要考慮。

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（責(zé)任編輯：李萬會）