長江口區域的潮位研究

張振生

（大連海洋大學海洋科技與環境學院,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、物產豐富,沿岸生活的人口數量占全國人口的1/3,所以長江的水文變化與人民的生產生活息息相關。近年來,長江流域出現了三峽大壩工程、南水北調工程、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目,這些工程對長江沿岸的水文特性、生物多樣性、河床形態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理論（1775 年）為潮汐學的研究提供理論基礎。與具有穩定潮周期的開闊大洋相比,河口地區的水動力過程非常復雜。在河口地區,穩定的天文潮和周期不穩定的徑流相耦合,使潮波產生非線性變化。孫志林等[1]發現,若風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水蓄水工程,使得河口區域的徑流和潮波相互作用發生調整。例如張智偉等[2]發現長江三峽水庫的調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。根據謝衛明等[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,潮汐的動力學特征對徑流的減小比較敏感。枯季的長江水位很低,碰巧趕上天文小潮,二者相互疊加作用產生極低水位,從而導致船只更易觸底。

長江口作為長江淡水入海的必經之地,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,致使長江口區域水動力過程非常復雜。從科學上來講,研究長江口區域這種復雜的水文動力學也具有重要意義。

本文收集了長江下游南京、鎮江、江陰和吳淞的連續水位觀測資料,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性降水的控制,水位（斷面流量）呈現夏季高冬季低的趨勢,觀測期間恰好長江處于高水位狀態,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雜。上文描述了四個地點水位受徑流的影響程度,表現為水位的低頻變化。此處描述水位受上溯潮波的影響,表現為高頻信號。

Godin[4]提出了一種用于水位分析的方法- 調和分析。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和常數,即可推算其他時間的水位。在經典調和分析中,水位可以被寫成:

調和分析得到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,與譜分析結果一致。全日潮疊加結果顯示,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。

2 各主要分潮振幅的變化

經典調和分析反映了一段時期內潮周期信號變化的平均狀態,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和常數。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,兩個時間節點內振幅趨近于平穩,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 分潮的振幅遠遠大于其他成分。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%,這是因為吳淞站處于長江口附近,受到陸地徑流的影響較小,而淺水分潮成分的產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果

受限于水位資料的時間跨度,本文采用調和分析獲得的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、相位等參數的關系。若要更加細致的闡述長江口地區的潮-徑混合的現象與機制,需要更長時間的觀測資料,還可結合小波分析的方法解釋信號強度隨時間的變化情況。

3 結論

本研究應用近2 個月的水位數據,分析了長江口區域南京、鎮江、江陰和吳淞四個觀測站的潮汐變化。各站的水位呈現線性增加的趨勢,離長江口越遠的站位趨勢越明顯。功率譜分析的結果顯示,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。調和分析給出了各頻段信號的平均狀態,而短期調和分析更能體現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。