長(zhǎng)江口水文要素時(shí)空分布特征

王淑楠，顧峰峰，李俊花，戚定滿

(1.上海海事大學(xué) 海洋科學(xué)與工程學(xué)院，上海 201306；2.上海河口海岸科學(xué)研究中心，河口海岸交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201201)

近半個(gè)世紀(jì)來(lái)，長(zhǎng)江口動(dòng)力變化及航道工程建設(shè)對(duì)長(zhǎng)江口影響較為強(qiáng)烈，自20 世紀(jì)50 年代，長(zhǎng)江流域開(kāi)始建設(shè)一系列水庫(kù)工程，以三峽水庫(kù)為首的水庫(kù)群在控制流量的同時(shí)也造成了很多問(wèn)題，如航道淤積問(wèn)題，造成淤積的主要原因就是長(zhǎng)江口底部的“最大渾濁帶”?！白畲鬁啙釒А?的存在與長(zhǎng)江口的徑流量、潮汐動(dòng)力、波浪特征密切相關(guān)，因而研究長(zhǎng)江口水文要素時(shí)空分布特征具有重要的科學(xué)價(jià)值。

許多學(xué)者對(duì)長(zhǎng)江口水文要素變化特征進(jìn)行了研究，在長(zhǎng)江口潮汐變化特征[1-3]、上游徑流變化特征[4-6]、口外波浪變化特征[7-8]等方面取得了有價(jià)值的研究成果。方娟娟等[9]綜合采用Mann-Kendall 趨勢(shì)檢驗(yàn)等研究方法，分析了長(zhǎng)江大通站1946—2009 年徑流的變化趨勢(shì)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)月均流量變化趨勢(shì)明顯。湯宇[10]分析了深水航道治理工程對(duì)長(zhǎng)江口潮波的影響，結(jié)果表明1996—2009 年北槽潮汐特性發(fā)生了明顯變化，即低潮位明顯上升、潮差明顯減小。關(guān)于長(zhǎng)江口潮差變化的研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，但目前對(duì)長(zhǎng)江口北槽潮汐時(shí)空變化的研究較少，且缺乏對(duì)近期潮汐時(shí)間變化以及北槽附近水域空間變化的分析。在波浪方面，黃華聰?shù)萚11]分析了發(fā)生驟淤時(shí)刻的氣象條件與對(duì)應(yīng)波浪條件，發(fā)現(xiàn)牛皮礁站波能與驟淤具有較好的相關(guān)性。分析長(zhǎng)江口波浪變化特征十分必要，但目前對(duì)于長(zhǎng)江口波浪的研究數(shù)據(jù)集中在牛皮礁站與佘山站，缺乏對(duì)口外其他測(cè)站的波浪分析以及各站整體的空間比較分析。

綜上所述，雖然已經(jīng)開(kāi)展關(guān)于河口潮汐、徑流、波浪變化特征的大量研究，總體有一些定性與定量的認(rèn)識(shí)，但在長(zhǎng)江口漲落潮月平均流速及歷時(shí)上相關(guān)資料與研究較少，缺少潮汐變化的系統(tǒng)性分析。因而，本文基于長(zhǎng)江口上游大通水文站及長(zhǎng)江口水文波浪觀測(cè)系統(tǒng)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，分析2016—2019 年大通站流量、北槽中站流速以及牛皮礁站波能等長(zhǎng)序列的實(shí)測(cè)水文資料，開(kāi)展長(zhǎng)江口水文要素的時(shí)空變化特征分析。

1 研究區(qū)域概況

長(zhǎng)江口共有北支、北港、北槽、南槽4 個(gè)入海通道。北槽是長(zhǎng)江口的主要入海通道，深水航道整治前維護(hù)水深為7 m，一期工程于2002 年完成，航道水深從7 m 增至8 m；二期工程于2005 年完成，航道水深由8.5 m 增至10 m；三期工程于2010 年完成，達(dá)到了全槽貫通12.5 m 航道水深的目標(biāo)[12]。近20 a 來(lái)，長(zhǎng)江口“三級(jí)分汊、四口入海” 的河勢(shì)格局和各汊道的灘槽格局保持穩(wěn)定，沒(méi)有大的汊道和沙體產(chǎn)生。目前長(zhǎng)江口下段及口外呈南匯東灘-南槽-九段沙-北槽-橫沙淺灘-北港-崇明東灘——北支攔門沙灘槽相間的格局[13]。長(zhǎng)江口12.5 m 深水航道減淤工程——南壩田擋沙堤加高工程，在2015—2018 年先期實(shí)施了3.5 m(吳淞基面)加高方案，工程位于南側(cè)S4～S9 丁壩之間的壩田；2019 年底開(kāi)始實(shí)施4.5 m 加高方案，即南壩田擋沙堤加高完善工程；于2020 年12 月13 日完成全部建設(shè)內(nèi)容。

本文研究分析的長(zhǎng)江口水文要素位于河口段靠近口外海濱位置，分析數(shù)據(jù)來(lái)自5 個(gè)水文測(cè)站:大通站、北槽中站、長(zhǎng)江口站、牛皮礁站和南槽東站，各站點(diǎn)位置見(jiàn)圖1。

圖1 研究區(qū)域和水文測(cè)站位置

收集數(shù)據(jù)途徑有兩種:1)長(zhǎng)江口上游潮臨界區(qū)域水文站——大通站的流量，通過(guò)水利主管部門的公開(kāi)數(shù)據(jù)獲取。2)北槽中站和長(zhǎng)江口站水溫、潮位、流速，牛皮礁站和南槽東站波高及其對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)序列數(shù)據(jù)，通過(guò)長(zhǎng)江口水文波浪觀測(cè)系統(tǒng)獲取。其中北槽中站流速資料取自ADCP 定點(diǎn)測(cè)流數(shù)據(jù)，選取的是垂線平均流速。由于測(cè)量?jī)x器問(wèn)題導(dǎo)致2018 年8—10 月北槽中站流速、2018 年12 月24 日至年底的潮位以及2018 年8—9 月牛皮礁站波高及周期部分?jǐn)?shù)據(jù)缺失，資料分析時(shí)并未考慮。

2 長(zhǎng)江口上游大通站流量條件

自2003 年三峽大壩開(kāi)始蓄水，長(zhǎng)江下游年徑流總量變化總體平緩，2004—2019 年大通站年徑流總量見(jiàn)圖2，年平均值約為8 600 億m3，其中2016 年遭遇了長(zhǎng)江流域大洪水，徑流總量最大，約為1 萬(wàn)億m3；2011 年為長(zhǎng)江特枯水文年，徑流總量最小，為6 700 億m3左右；2016—2019 年徑流總量與往年平均值接近。

圖2 2004—2019 年大通站年徑流總流量及2016—2019 年大通站月均流量

分析2016—2019 年大通站月均流量可知:1)最大月均流量出現(xiàn)在7—8 月。近4 a 來(lái)最大值和最小值分別出現(xiàn)在2016 年7 月和2018 年7 月，分別為6.238 4 萬(wàn)、4.057 7 萬(wàn)m3∕s。2)最小月均流量出現(xiàn)在10 月至來(lái)年2 月。其中2019 年最小月均流量出現(xiàn)在12 月，為近4 a 最小值，約為1.184 6 萬(wàn)m3∕s；2016年最小月均流量出現(xiàn)在10月，為近4a最大值，約為1.866 8 萬(wàn)m3∕s。3)月均流量年內(nèi)存在明顯變化，1—7 月為緩慢增加、8—12 月為減少。

3 長(zhǎng)江口潮汐動(dòng)力特征分析

3.1 北槽中潮位潮差特征分析

長(zhǎng)江口屬于中等潮差河口，平均潮差為2.67 m，潮流界至江陰附近，潮區(qū)界可達(dá)安徽大通?？谕鈻|部水域?qū)儆谡?guī)半日潮流區(qū)。隨著潮流進(jìn)入河口，水深變淺，淺水分潮增強(qiáng)，潮流逐漸成為非正規(guī)半日潮。從近4 a 北槽中站潮位變化過(guò)程線(圖3)可以看出:高、低潮位存在明顯的年內(nèi)變化，其中最高潮位可達(dá)約5.34 m(吳淞基面，下同)，最低潮位約為-0.03 m。

圖3 2016—2019 年北槽中站潮位過(guò)程線

高潮位與低潮位月平均值見(jiàn)圖4，其中月平均高潮位為12 月至次年2 月最低、低潮位為8—10 月最大，月平均高潮位年內(nèi)變化幅度總體上大于月平均低潮位。

圖4 高、低潮位月平均值

月平均潮位年內(nèi)變化見(jiàn)圖5，其與高、低潮位月平均值的變化趨勢(shì)大致相同；2016—2019 年北槽的平均潮位總體呈現(xiàn)2—8 月逐漸增大、9 月至次年1 月逐漸減小的趨勢(shì)，年際差異相對(duì)較?。?017 年平均潮位最大值出現(xiàn)在10 月，為近4 a 最大值，約為2.61 m；2018 年平均潮位最小值出現(xiàn)在2 月，為近4 a 最小值，約為2.09 m；根據(jù)史源[14]研究結(jié)果表明，長(zhǎng)江口潮位存在明顯的季節(jié)內(nèi)變化特征，各潮位站都有洪季較高、枯季較低的規(guī)律，這與本文結(jié)論基本一致。長(zhǎng)江口潮位在時(shí)間上與月均流量變化趨勢(shì)大致同步，基本都在1—8 月增加、9—12 月減小。

圖5 平均潮位月平均值變化

2016—2019 年北槽月平均潮差見(jiàn)圖6。由圖6可知，其在年內(nèi)總體呈單峰型變化，其中最大值出現(xiàn)在8—10 月、最小值出現(xiàn)在11 月至來(lái)年3 月；近4 a 最大值約為2.92 m、最小值約為2.54 m。胡方西等[15]認(rèn)為沿岸水域月均潮差屬于雙峰型潮差變化區(qū)域，例如2015 年佘山站年內(nèi)極大月均潮差出現(xiàn)在3 月(258.9 cm)和9 月(256.3 cm)、極小月均潮差出現(xiàn)在6 月(242.5 cm)和12 月(243.5 cm)，但由于受到工程建設(shè)等人為因素影響，北槽月均潮差呈現(xiàn)單峰型變化。潮差月均值在時(shí)間上呈現(xiàn)1—8 月增加、9—12 月減少的趨勢(shì)，與大通站月均流量具有同步的相關(guān)趨勢(shì)，這與劉新成等[16]的結(jié)論基本一致。

圖6 月平均潮差

為獲取長(zhǎng)江口潮汐動(dòng)力局部平面分布特征，選取長(zhǎng)江口、北槽中及南槽東3 個(gè)站點(diǎn)2019 年潮位及潮差月均值，見(jiàn)圖7、8。由圖可知，3 站潮位和潮差的年內(nèi)變化趨勢(shì)大致相同，其中南槽東月平均潮位最高、長(zhǎng)江口站其次，南槽東月平均潮差最大、北槽中其次；另外，由于長(zhǎng)江口站位置靠外海，潮差呈現(xiàn)一定的雙峰特征。

圖7 不同站點(diǎn)的潮位月平均值

圖8 不同站點(diǎn)的潮差月平均值

3.2 北槽流速及漲落潮歷時(shí)特征分析

為分析北槽漲落潮流速情況，統(tǒng)計(jì)北槽的漲、落急流速月平均值，見(jiàn)圖9。從圖9 可知，北槽的落急流速月平均值總體上大于漲急流速月平均值，落急流速月平均值在6—8 月達(dá)到最大值，最大值約為1.78 m∕s，年內(nèi)變幅相對(duì)較??；漲急流速月平均值變化幅度相對(duì)較大，6—8 月達(dá)到低谷，最小值約為0.64 m∕s。

圖9 北槽中站漲、落急流速月平均值

漲落潮月平均流速的變化見(jiàn)圖10。由圖10 可知，近4 a 落潮月平均流速明顯大于漲潮，落潮平均流速年內(nèi)變化規(guī)律相對(duì)不明顯，年際差異較大；漲潮平均流速年內(nèi)變化規(guī)律較為明顯，7 月左右達(dá)到最小值，年際差異相對(duì)落潮略小。

圖10 北槽中站漲落潮月平均流速

在漲落潮流速變化的同時(shí)，歷時(shí)也發(fā)生了明顯的變化，北槽的漲落潮月平均歷時(shí)見(jiàn)圖11。由圖11 可知，北槽落潮月平均歷時(shí)總體上大于漲潮月平均歷時(shí)，落潮歷時(shí)在6—8 月可達(dá)到峰值，相應(yīng)的漲潮歷時(shí)達(dá)到低谷，在時(shí)間上與漲落潮月平均流速變化基本同步；其中落潮月平均歷時(shí)年內(nèi)最大變幅約占漲落潮總歷時(shí)的20%。

圖11 北槽中站漲落潮月平均歷時(shí)

3.3 北槽水溫分析

已有研究表明，長(zhǎng)江口區(qū)域海水表面溫度年變化趨勢(shì)為:年最高溫度25～27 ℃，出現(xiàn)在8 月中旬；年最低溫度8～10 ℃，出現(xiàn)在3 月中旬；年較差約15 ℃[17]。長(zhǎng)江口北槽水溫變化與上述結(jié)論基本符合，其過(guò)程相對(duì)穩(wěn)定，年際差異不大，月平均水溫見(jiàn)圖12。可知7～9 月基本是年內(nèi)水溫最高時(shí)段。2016—2019 年月平均水溫最高值均出現(xiàn)在8 月，近4 a 最高值約為29.96 ℃；月平均水溫最低值基本出現(xiàn)在2 月，近4 a 最低值約為7.51 ℃。

圖12 北槽中站月平均溫度變化

3.4 牛皮礁、南槽東、長(zhǎng)江口站波浪特征分析

3.4.1 有效波高及周期分析

牛皮礁站的波能與驟淤具有較好的相關(guān)性，2016—2019 年牛皮礁站的有效波高及波周期見(jiàn)圖13、14。由圖可知:有效波高變幅主要在0.10～4.37m，最大值普遍出現(xiàn)在8—10 月；其中2016 年有效波高最大出現(xiàn)在1 月，達(dá)到4.37 m，其主要原因受寒潮影響，為近4 a 最高；2017 年10 月的“卡奴” 臺(tái)風(fēng)導(dǎo)致有效波高達(dá)到約3.16 m；2019 年9 月的臺(tái)風(fēng)“塔巴” 導(dǎo)致有效波高達(dá)到約3.44 m。有效波周期與波高相似，變幅主要在3～10 s；其中2016 年最大波周期出現(xiàn)在10 月，達(dá)到11.67 s；2017 年出現(xiàn)在7 月達(dá)到11.7 s；2019 年出現(xiàn)在10 月達(dá)到11.7 s。

圖13 2016—2019 年牛皮礁站有效波高過(guò)程線

圖14 2016—2019 年牛皮礁站有效波周期過(guò)程線

對(duì)比2019 年南槽東、牛皮礁、長(zhǎng)江口這3 站各月平均有效波高及周期，由圖15、16 可知:1)3 個(gè)站點(diǎn)月平均有效波高在0.5～1.2 m，月平均周期在4.2～6.1 s。2)長(zhǎng)江口站的有效波高及波周期總體上高于南槽東站和牛皮礁站，尤其在2 月和9 月，長(zhǎng)江口站有效波高分別為1.15、1.24 m，而南槽東站及牛皮礁站有效波高分別為0.67、0.71 m及0.69、0.84 m。3)在2—9 月，長(zhǎng)江口站有效波高降低幅度較大，而南槽東與牛皮礁站有效波高降低幅度較小。4)年內(nèi)分布來(lái)看，8 月至次年3 月有效波高整體上較大，波周期差異較小。這主要由于冬、春季受寒潮浪、氣旋浪為主且作用時(shí)間較長(zhǎng)，故均值較高，該特征符合長(zhǎng)江口海域受東亞季風(fēng)影響的特征。

圖15 不同站點(diǎn)的有效波高月平均值

圖16 不同站點(diǎn)的波周期月平均值

3.4.2 波能分析

波能E是一個(gè)反映波浪能量的常用指標(biāo)，可以用來(lái)綜合分析長(zhǎng)江口波浪分布特征，采用如下公式計(jì)算[18]:

式中:H為波高(m)；k為波數(shù)(個(gè))；h為水深(m)；為波浪圓頻率(s-1)；g為重力加速度(m2∕s)；ρ為水的密度(kg∕m3)；T為波周期(s)。

2016—2019 牛皮礁站波能計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖17，月平均波能年內(nèi)差異較為明顯，受臺(tái)風(fēng)和寒潮一定程度的影響，月平均波能最高可達(dá)329.6 GJ，年內(nèi)波能較大的月份主要出現(xiàn)在8 月至次年3 月，與有效波高分布一致。

圖17 牛皮礁站波能月平均值

3 站年總波能見(jiàn)表1。由表1 可知，2016—2019 年牛皮礁站總波能有所減小，南槽東站與長(zhǎng)江口站總波能有所增加；從平面上來(lái)看，長(zhǎng)江口站由于位于北槽航道外最靠近入?？?，所以其總波能總體上為3 站最大；南槽東站靠近淺灘，總波能為3 站最小，約為長(zhǎng)江口站的1∕3；牛皮礁站總波能介于二者之間。3 站總波能的差異基本與所處位置(圖1)和水深(表2)的差異一致，其中南槽東水深最淺、波能最小，牛皮礁水深其次且受到工程掩護(hù)作用、波能亦其次。

表1 各站年總波能

表2 2019 年各站水深情況

4 結(jié)論

1)大通站近4 a 年徑流總量與往年平均值接近(2004—2019 年總量平均值約為8 600 萬(wàn)m3)；年內(nèi)月均流量存在明顯變化規(guī)律，最大月均流量出現(xiàn)在7—8 月，最小出現(xiàn)在10 月至次年2 月。

2)北槽高、低潮位及潮位和潮差月平均值的年際變化相對(duì)較小，年內(nèi)存在明顯變化規(guī)律，呈單峰型分布，且峰值出現(xiàn)在8—10 月；長(zhǎng)江口潮汐動(dòng)力局部平面特征為南槽東月平均潮位最高、長(zhǎng)江口站其次，南槽東月平均潮差最大、北槽中其次。

3)北槽中落急流速月平均值總體上大于漲急，且在6—8 月達(dá)到峰值，而漲急流速則在6—8 月達(dá)到低谷；落潮月平均流速整體上大于漲潮且年際差異較大；漲潮月平均流速在7 月達(dá)到最??；落潮歷時(shí)月平均值總體上大于漲潮且在6—8 月達(dá)到峰值。

4)北槽水溫年內(nèi)變化規(guī)律明顯，近4 a 最大值約為29.96 ℃，最小值約為7.51 ℃，二者相差22.45 ℃。

5)南槽東、牛皮礁、長(zhǎng)江口這3 站月平均有效波高及周期整體變化規(guī)律基本一致；從年內(nèi)分布來(lái)看，有效波高變化較大、波周期變化較?。婚L(zhǎng)江口站有效波高及波周期高于其他兩站，南槽東站與牛皮礁站有效波高及波周期差異較??；3 站總波能總體上來(lái)看南槽東站最小、長(zhǎng)江口站最大，3 站總波能與水深和所處地形位置密切相關(guān)。