長江口水文要素時空分布特征

王淑楠，顧峰峰，李俊花，戚定滿

(1.上海海事大學 海洋科學與工程學院，上海 201306；2.上海河口海岸科學研究中心，河口海岸交通行業重點實驗室，上海 201201)

近半個世紀來，長江口動力變化及航道工程建設對長江口影響較為強烈，自20 世紀50 年代，長江流域開始建設一系列水庫工程，以三峽水庫為首的水庫群在控制流量的同時也造成了很多問題，如航道淤積問題，造成淤積的主要原因就是長江口底部的“最大渾濁帶”。“最大渾濁帶” 的存在與長江口的徑流量、潮汐動力、波浪特征密切相關，因而研究長江口水文要素時空分布特征具有重要的科學價值。

許多學者對長江口水文要素變化特征進行了研究，在長江口潮汐變化特征[1-3]、上游徑流變化特征[4-6]、口外波浪變化特征[7-8]等方面取得了有價值的研究成果。方娟娟等[9]綜合采用Mann-Kendall 趨勢檢驗等研究方法，分析了長江大通站1946—2009 年徑流的變化趨勢，結果發現月均流量變化趨勢明顯。湯宇[10]分析了深水航道治理工程對長江口潮波的影響，結果表明1996—2009 年北槽潮汐特性發生了明顯變化，即低潮位明顯上升、潮差明顯減小。關于長江口潮差變化的研究具有重要的現實意義，但目前對長江口北槽潮汐時空變化的研究較少，且缺乏對近期潮汐時間變化以及北槽附近水域空間變化的分析。在波浪方面，黃華聰等[11]分析了發生驟淤時刻的氣象條件與對應波浪條件，發現牛皮礁站波能與驟淤具有較好的相關性。分析長江口波浪變化特征十分必要，但目前對于長江口波浪的研究數據集中在牛皮礁站與佘山站，缺乏對口外其他測站的波浪分析以及各站整體的空間比較分析。

綜上所述，雖然已經開展關于河口潮汐、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識，但在長江口漲落潮月平均流速及歷時上相關資料與研究較少，缺少潮汐變化的系統性分析。因而，本文基于長江口上游大通水文站及長江口水文波浪觀測系統的實測數據，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序列的實測水文資料，開展長江口水文要素的時空變化特征分析。

1 研究區域概況

長江口共有北支、北港、北槽、南槽4 個入海通道。北槽是長江口的主要入海通道，深水航道整治前維護水深為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，達到了全槽貫通12.5 m 航道水深的目標[12]。近20 a 來，長江口“三級分汊、四口入海” 的河勢格局和各汊道的灘槽格局保持穩定，沒有大的汊道和沙體產生。目前長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 年先期實施了3.5 m(吳淞基面)加高方案，工程位于南側S4～S9 丁壩之間的壩田；2019 年底開始實施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 日完成全部建設內容。

本文研究分析的長江口水文要素位于河口段靠近口外海濱位置，分析數據來自5 個水文測站:大通站、北槽中站、長江口站、牛皮礁站和南槽東站，各站點位置見圖1。

圖1 研究區域和水文測站位置

收集數據途徑有兩種:1)長江口上游潮臨界區域水文站——大通站的流量，通過水利主管部門的公開數據獲取。2)北槽中站和長江口站水溫、潮位、流速，牛皮礁站和南槽東站波高及其對應的長序列數據，通過長江口水文波浪觀測系統獲取。其中北槽中站流速資料取自ADCP 定點測流數據，選取的是垂線平均流速。由于測量儀器問題導致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數據缺失，資料分析時并未考慮。

2 長江口上游大通站流量條件

自2003 年三峽大壩開始蓄水，長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圖2，年平均值約為8 600 億m3，其中2016 年遭遇了長江流域大洪水，徑流總量最大，約為1 萬億m3；2011 年為長江特枯水文年，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)最大月均流量出現在7—8 月。近4 a 來最大值和最小值分別出現在2016 年7 月和2018 年7 月，分別為6.238 4 萬、4.057 7 萬m3∕s。2)最小月均流量出現在10 月至來年2 月。其中2019 年最小月均流量出現在12 月，為近4 a 最小值，約為1.184 6 萬m3∕s；2016年最小月均流量出現在10月，為近4a最大值，約為1.866 8 萬m3∕s。3)月均流量年內存在明顯變化，1—7 月為緩慢增加、8—12 月為減少。

3 長江口潮汐動力特征分析

3.1 北槽中潮位潮差特征分析

長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，潮區界可達安徽大通。口外東部水域屬于正規半日潮流區。隨著潮流進入河口，水深變淺，淺水分潮增強，潮流逐漸成為非正規半日潮。從近4 a 北槽中站潮位變化過程線(圖3)可以看出:高、低潮位存在明顯的年內變化，其中最高潮位可達約5.34 m(吳淞基面，下同)，最低潮位約為-0.03 m。

圖3 2016—2019 年北槽中站潮位過程線

高潮位與低潮位月平均值見圖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

月平均潮位年內變化見圖5，其與高、低潮位月平均值的變化趨勢大致相同；2016—2019 年北槽的平均潮位總體呈現2—8 月逐漸增大、9 月至次年1 月逐漸減小的趨勢，年際差異相對較小；2017 年平均潮位最大值出現在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在2 月，為近4 a 最小值，約為2.09 m；根據史源[14]研究結果表明，長江口潮位存在明顯的季節內變化特征，各潮位站都有洪季較高、枯季較低的規律，這與本文結論基本一致。長江口潮位在時間上與月均流量變化趨勢大致同步，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圖6。由圖6可知，其在年內總體呈單峰型變化，其中最大值出現在8—10 月、最小值出現在11 月至來年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]認為沿岸水域月均潮差屬于雙峰型潮差變化區域，例如2015 年佘山站年內極大月均潮差出現在3 月(258.9 cm)和9 月(256.3 cm)、極小月均潮差出現在6 月(242.5 cm)和12 月(243.5 cm)，但由于受到工程建設等人為因素影響，北槽月均潮差呈現單峰型變化。潮差月均值在時間上呈現1—8 月增加、9—12 月減少的趨勢，與大通站月均流量具有同步的相關趨勢，這與劉新成等[16]的結論基本一致。

圖6 月平均潮差

為獲取長江口潮汐動力局部平面分布特征，選取長江口、北槽中及南槽東3 個站點2019 年潮位及潮差月均值，見圖7、8。由圖可知，3 站潮位和潮差的年內變化趨勢大致相同，其中南槽東月平均潮位最高、長江口站其次，南槽東月平均潮差最大、北槽中其次；另外，由于長江口站位置靠外海，潮差呈現一定的雙峰特征。

圖7 不同站點的潮位月平均值

圖8 不同站點的潮差月平均值

3.2 北槽流速及漲落潮歷時特征分析

為分析北槽漲落潮流速情況，統計北槽的漲、落急流速月平均值，見圖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 月達到最大值，最大值約為1.78 m∕s，年內變幅相對較小；漲急流速月平均值變化幅度相對較大，6—8 月達到低谷，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，落潮平均流速年內變化規律相對不明顯，年際差異較大；漲潮平均流速年內變化規律較為明顯，7 月左右達到最小值，年際差異相對落潮略小。

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，歷時也發生了明顯的變化，北槽的漲落潮月平均歷時見圖11。由圖11 可知，北槽落潮月平均歷時總體上大于漲潮月平均歷時，落潮歷時在6—8 月可達到峰值，相應的漲潮歷時達到低谷，在時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年內最大變幅約占漲落潮總歷時的20%。

圖11 北槽中站漲落潮月平均歷時

3.3 北槽水溫分析

已有研究表明，長江口區域海水表面溫度年變化趨勢為:年最高溫度25～27 ℃，出現在8 月中旬；年最低溫度8～10 ℃，出現在3 月中旬；年較差約15 ℃[17]。長江口北槽水溫變化與上述結論基本符合，其過程相對穩定，年際差異不大，月平均水溫見圖12。可知7～9 月基本是年內水溫最高時段。2016—2019 年月平均水溫最高值均出現在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性，2016—2019 年牛皮礁站的有效波高及波周期見圖13、14。由圖可知:有效波高變幅主要在0.10～4.37m，最大值普遍出現在8—10 月；其中2016 年有效波高最大出現在1 月，達到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” 臺風導致有效波高達到約3.16 m；2019 年9 月的臺風“塔巴” 導致有效波高達到約3.44 m。有效波周期與波高相似，變幅主要在3～10 s；其中2016 年最大波周期出現在10 月，達到11.67 s；2017 年出現在7 月達到11.7 s；2019 年出現在10 月達到11.7 s。

圖13 2016—2019 年牛皮礁站有效波高過程線

圖14 2016—2019 年牛皮礁站有效波周期過程線

對比2019 年南槽東、牛皮礁、長江口這3 站各月平均有效波高及周期，由圖15、16 可知:1)3 個站點月平均有效波高在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)年內分布來看，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間較長，故均值較高，該特征符合長江口海域受東亞季風影響的特征。

圖15 不同站點的有效波高月平均值

圖16 不同站點的波周期月平均值

3.4.2 波能分析

波能E是一個反映波浪能量的常用指標，可以用來綜合分析長江口波浪分布特征，采用如下公式計算[18]:

式中:H為波高(m)；k為波數(個)；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 牛皮礁站波能計算結果見圖17，月平均波能年內差異較為明顯，受臺風和寒潮一定程度的影響，月平均波能最高可達329.6 GJ，年內波能較大的月份主要出現在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，南槽東站與長江口站總波能有所增加；從平面上來看，長江口站由于位于北槽航道外最靠近入海口，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m3)；年內月均流量存在明顯變化規律，最大月均流量出現在7—8 月，最小出現在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較小，年內存在明顯變化規律，呈單峰型分布，且峰值出現在8—10 月；長江口潮汐動力局部平面特征為南槽東月平均潮位最高、長江口站其次，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 月達到峰值，而漲急流速則在6—8 月達到低谷；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 月達到最小；落潮歷時月平均值總體上大于漲潮且在6—8 月達到峰值。

4)北槽水溫年內變化規律明顯，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、長江口這3 站月平均有效波高及周期整體變化規律基本一致；從年內分布來看，有效波高變化較大、波周期變化較小；長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小；3 站總波能總體上來看南槽東站最小、長江口站最大，3 站總波能與水深和所處地形位置密切相關。