钱塘江河口区潮汐特性及日涨落潮量分析—以之江水文站为例

2017-08-23陈金浩邵加健

浙江水利科技 2017年4期

关键词：落潮涨潮潮位

丁奕，陈金浩，邵加健

（浙江省水文局，浙江杭州 31000 9）

钱塘江河口区潮汐特性及日涨落潮量分析—以之江水文站为例

丁奕，陈金浩，邵加健

（浙江省水文局，浙江杭州 31000 9）

为了掌握钱塘江河口区感潮河段的潮汐特性和日涨落潮量变化规律，对涨潮潮差、涨潮最大流速、日涨落潮潮量和日平均涨潮流量等重要指标进行分析，总结各潮汐要素在月内和全年的变化规律。结果得出，各潮汐要素的变化较为同步，在月内和全年都表现为周期性变化的特点，同时也受到风暴潮、径流、江道地形等因素的影响。

钱塘江；河口；潮汐特性；涨落潮量；之江水文站

1 问题的提出

钱塘江河口区潮汐属于不正规半日潮，因受杭州湾喇叭形及江道地形的影响，随着潮水上溯动力不断加强，形成了闻名天下的强涌潮奇观。每当大潮汛时期，潮头涌高可达2 m以上，涨潮流速可达3 m/s以上，场面蔚为壮观。

钱塘江河口区的潮汐特性，随潮汐上溯的水资源量是否具有统计规律，能否掌握潮汐要素运动变化的基本规律，迫切需要解决研究，特别是对日涨、落潮量的分析。但由于钱塘江河口区潮量实测资料的缺乏，一直未能实施。本文以钱塘江河口区新设立的之江水文站的潮流量实测资料为基础[1-2]，分析潮汐特性及日涨、落潮量的变化情况，以期掌握潮汐特性及涨落潮量的变化规律。

2 不正规半日潮基本特性

之江水文站所在钱塘江河口区的潮汐属于不正规半日潮[3]。不正规半日潮是指由于受浅海、河口水下地形、径流等影响，在一天中有2次高潮，2次低潮，潮位不等，涨、落潮历时也不等的半日潮。一个太阴日历时24.83 h，因此半日潮的先后2次低潮或2次高潮的时间间隔约为12.42 h。

低潮潮位和高潮潮位大小各不相同。径流的大小对低潮潮位产生影响，径流大则高潮位抬高，低潮位也相应抬高，径流小则低潮位降低。潮汐大小变化也会对低潮潮位产生影响，随着潮动力的逐日增强，河床水位将会不断抬高，低潮位也呈逐日抬高的趋势，当大潮汐日过后，潮动力呈逐日递减趋势，低潮位则同步表现为递减的变化趋势，某一个农历月内的潮位变化过程线见图1。

图1 某一个农历月内的潮位变化过程线图

涨、落潮历时[4]差异大，特别是在钱塘江河口区，涌潮特性明显，涨潮历时大大小于落潮历时。图2为之江站断面上某大潮汛日期典型的半日潮流量变化过程图。由图2可知，涨潮历时为2.92 h，而落潮历时则长达9.33 h。以2014年1月数据为例，全月涨潮总历时为174.78 h，全月落潮总历时为569.22 h，涨潮历时与落潮历时的比值约为1∶3。

涨潮流量和落潮流量也存在较大差异（见图2）。从图2典型半日潮（2014年9月11日，农历八月十八）的流量变化过程来看，从15∶40起涨开始计算，2 min后就出现涨潮憩流，20 min后出现涨潮最大流量，2.92 h后出现落潮憩流，6.00 h后出现落潮最大流量，随后流量变化呈递减趋势，直到12.25 h后下一个半日潮起涨为止。以此典型大潮为例，涨潮最大流量为 - 10 200 m3/s，落潮最大流量为6 100 m3/s，涨潮最大流量约为落潮最大流量的1.7倍。而该日的平均涨潮流量为6 350 m3/s，平均落潮流量为3 370 m3/s，平均涨潮流量约为平均落潮流量的1.9倍。

图2 某一大潮汛日期的半日潮流量变化过程线图

3 潮汐要素月内变化规律分析

潮汐现象是由于地球上的水体受到来自太阳和月亮的太阳力和太阴力作用而产生的，当太阳和月亮在运动中相对于地球处于不同位置时，就会对地球上的水体产生不同大小的牵引力。相应的，潮汐现象在不同日期也会表现出各不相同的潮动力大小。当太阳、月亮和地球处于同一直线上时，牵引力达到最大，即每个月农历初一和十五是海水受牵引力最大的日期。而牵引力体现在潮流动力上存在2 ～ 3 d的滞后期，因此每个月农历初三和十八是潮水最大的日期，潮汐涨落呈现出以15 d为1个周期的变化规律（见图1）。

涨潮潮差是反映潮汐大小最直观的指标，因此涨潮潮差在月内不同日期上的变化也具备周期性。每月农历初三的涨潮潮差达到最大，而后潮动力逐日递减，农历十一前后涨潮潮差达到最小值，随后又呈逐日递增趋势，到农历十八前后涨潮潮差达到最大值，随后又逐日递减，如此以半个月为1个周期，往复循环，周而复始。图3为1个月的涨潮潮差的变化过程图，呈现出以15 d为1个周期的变化规律。

图3 某一个农历月内的涨潮潮差的变化分布图

涨潮最大流速是反应潮流量特性的重要指标，也随着潮动力一起呈现周期性变化的特点。图4为某月的涨潮最大流速在月内各农历日期上的分布情况图。由图4可知，农历初三的涨潮最大流速达到最大值，而后潮动力逐日递减，农历十一前后涨潮最大流速达到最小值，随后又呈逐日递增趋势，到农历十八前后涨潮最大流速达到最大值，随后又逐日递减，往复循环，周而复始。

图4 某农历月内的各潮涨潮最大流速的变化分布图

日涨潮量和日平均涨潮流量也是反应潮流量特性的重要指标，且日涨潮量和日平均涨潮流量作为日总水量的统计指标能更加客观真实地体现潮动力的变化趋势。日涨潮量是指1 d中由于潮汐作用在某断面上向上游上溯的总水量。日平均涨潮流量表示涨潮阶段的平均流量值，由日涨潮量除以日逆流历时计算得出。

日涨潮量和日平均涨潮流量也随着潮动力呈周期性变化规律（见图5），呈现出以15 d为1个周期的变化特点。且变化趋势更加稳定，涨落波动性小，对于潮动力具有更好的代表性。

图5 某农历月内的各日涨潮量和各日平均涨潮流量的变化分布图

综合以上分析，涨潮潮差、涨潮最大流速、日涨潮量和日平均涨潮流量都是反应潮汐特性的重要指标，其在月内的变化都遵循潮汐的周期性变化规律。

4 潮汐要素全年变化规律分析

涨潮潮差在全年的分布变化规律主要体现在早晚潮差差异在各月间的分布、月初月半潮差差异在各月间的分布以及大潮汛日期的潮差在各月间的分布3个方面。

早潮和晚潮的差异较明显，在1 d中的2次低潮潮位和高潮潮位各不相同，涨潮潮差也各不相同。图6为2013年各月最大早晚潮差月间分布情况。由图6可知，4 — 8月（农历三月至七月）的月最大早潮潮差普遍比晚潮潮差大，11月至次年2月（农历十月至次年一月）的月最大晚潮潮差普遍比早潮潮差大，而3月（农历二月）、9月（农历八月）和10月（农历九月）早晚潮的潮差差异不明显。

图6 2013年各月最大早潮潮差和各月最大晚潮潮差的月间分布图

月初月半的潮水也存在差异。3 — 7月（农历二月至六月）月半的潮水潮差普遍比月初的大，10 — 12月（农历九月至十一月）月初的潮水潮差普遍比月半的大，而8 — 9月、1月至次年2月的月初和月半潮差大小差不多。

分析全年各月的月最大涨潮潮差分布情况(见图6)，7月和8月（农历六月和七月）的月最大涨潮潮差达到最大值，月最大早潮潮差可以达到1.8 m及以上；5 — 10月的月最大涨潮潮差分布在1.3 ～ 1.8 m；3月和11月的潮差次之，其他月份的月最大涨潮潮差最小，主要分布1.3 m以下。而从全年来看，各月的月最大涨潮潮差都能达到0.6 m以上。

潮流量在全年的分布变化规律主要体现为月涨潮最大流速、月涨潮量、月平均涨潮流量3项指标的分布变化特征。

从之江站2013年实测资料中的流速流量分布情况来看，最大潮流速分布在- 2.5 ～ - 2.0 m/s，最大潮流量达到- 10 000 ～ - 15 000 m3/s。在不受洪水影响的情况下，最大落潮流速分布在1.0 ～ 1.5 m/s；最大落潮流量分布在6 000 ～ 8 000 m3/s范围内。

2013年月涨潮最大流速在全年各月的分布情况见图7。由图7可知，月涨潮最大流速值在全年的分布也具有周期性，8月份（农历七月）的月涨潮最大流速值达到最大，8月前后表现为逐月递增或递减。

各月的月涨潮量和月平均涨潮流量作为各月涨落潮量的重要参数，也是反应潮汐特性的重要指标。其在全年的变化规律与月涨潮最大流速的变化趋势相同(见图8)，8月（农历七月）的月涨潮量和月平均涨潮流量为全年度各月份的最大值，其前后月份则表现为逐月递增或递减。

图7 2013年各月涨潮最大流速的月间分布图

图8 2013年各月涨潮量和月平均涨潮流量的月间分布图

5 外界因素对潮汐特性影响分析

半日潮在受太阳力和太阴力作用下呈现周期性变化的同时，也受到地球上一些外界因素的影响。如风暴潮、河川径流、江道地形等因素都会对潮汐特性及日涨落潮量产生一定影响。

风暴潮是指由于剧烈的大气扰动，如强风和气压骤变（通常指台风和温带气旋等灾害性天气系统）导致海水异常升降，使受其影响的海区的潮位大大超过平常潮位的现象。潮位异常升降的幅度称为风暴潮增水，如果风暴潮恰好与影响海区涨潮相重叠，就会使高潮位与风暴潮增水相叠加，水位暴涨，涨潮潮差大大增加，潮流量也大大增加，涨潮最大流量、涨潮量和平均涨潮流量也相应增加。

河川径流对潮汐特性的影响主要体现在河川径流大小的不同会影响起涨前潮位、涨潮潮差和潮流量大小等。首先，河川径流下泄量的增加会使河床水位相应抬升，起涨前潮位也相应抬升，低潮位和高潮位都会较平水期有所抬升。其次，河川径流的下泄过程会增加潮汐运动沿河床上溯过程中的沿程阻力，使潮动力较平水期偏小，涨潮潮差减小，涨潮最大流量、涨潮量和平均涨潮流量也相应偏小，潮区界较平水期向下游移动，反之亦然。

江道地形的冲淤变化同样影响潮汐特性。一方面，在江道被冲刷后，河床平均高程降低，低潮位和高潮位都会降低；另一方面，冲刷后的河道平均水面线下移，潮汐上溯沿程阻力减小，潮动力增强，涨潮潮差增大，涨潮最大流速、涨潮量和平均涨潮流量也增大，反之亦然。