长江感潮河段潮汐变化特征

王文才，李一平 ，杜 薇，曾伟峰，许益新

(1.河海大学环境学院，江苏 南京 210098； 2.河海大学浅水湖泊综合治理与资源开发教育部重点实验室，江苏 南京 210098)

长江感潮河段潮汐变化特征

王文才1,2，李一平1,2，杜 薇1,2，曾伟峰1,2，许益新1,2

(1.河海大学环境学院，江苏 南京 210098； 2.河海大学浅水湖泊综合治理与资源开发教育部重点实验室，江苏 南京 210098)

基于2011年长江下游大通水文站的逐日流量以及南京、镇江、江阴、天生港、徐六泾、共青圩6个潮位站的逐日高潮、低潮资料，研究海洋潮汐从河口向河段上游传播过程中的潮汐特征变化规律。结果表明，各潮位站25 h滑动平均的潮位变化与流量呈现相同的变化趋势，南京和镇江两个潮位站的水位变化最为明显，江阴、天生港、徐六泾的水位变化相对较小，共青圩潮位站的潮位基本不随径流发生相应的变化趋势；各潮位站之间均有一定的相关性，且相邻两个潮位站之间的水位相关性较高；随着潮位站之间距离的增大，水位的相关性呈现出明显的下降趋势；低水位的传播延迟时间均大于高水位的传播延迟时间；随着站点与入海口距离的增大，涨潮历时出现逐渐减小、落潮历时逐渐增大的变化趋势。

径流；潮汐；感潮河段；预报

地球上数量众多的河流与海洋直接相连，这些河流在靠近河口的区段受到下游海洋天文潮汐和上游径流量的共同作用，水动力变化过程比一般的内陆河流更加复杂[1-3]。潮波在感潮河段向上游传播时会受到底部摩擦，因河道地形宽深发生变化以及上游径流作用而发生改变[4-7]。揭示和理解外海潮汐通过河口向河流上游传播过程中的水动力变化规律，对感潮河段区间内的潮汐预报及河道、河口生态系统的管理具有重要意义[8-9]，也可以为区域内的防洪、灌溉、航运、引排水等提供决策支持。

图1 研究区域

长江下游是典型的感潮河段，且该河段主流上并没有阻隔水流的大型水利工程设施，故可以很好地让人们研究潮汐沿河口向上游传播过程中的变化特征。国内有众多的学者通过各种方法分析长江下游各潮位观测站的潮位变化规律，并给出观测站所在位置的潮位预测方法。林勋励[10]对1948—1980年大通水文站的流量以及长江下游江阴、天生、吴淞各潮位站的水位资料进行分析，发现江阴和天生港受径流影响而存在高水位期和低水位期，并通过建立大通水文站月平均流量与各潮位站月平均水位的相关关系，对各潮位站逐月、逐旬的潮汐预报进行了修正。李国芳等[11]基于长江口天生港、徐六泾、杨林3个潮位站的潮位以及上游大通站的日均流量资料，建立了各潮位站日均增水与大通流量增量之间的关系，并利用所得关系式，根据上游流量的大小，对潮汐预报模型计算的过去若干年的潮位进行校正，使日均潮位的预报精度得到了明显的提高。宋正逵等[12]采用传统的海洋潮汐调和分析方法对长江下游天生港潮位站的潮位进行预报，发现精度不高，经分析后建立了潮位预报误差与同期流量差值的关系，为天生港站潮位实时预报修正提供了依据。但这些研究大多注重对相关站点的潮位预测结果，而缺乏对潮汐沿程及潮汐本身特征的细致分析。本文以2011年长江下游大通水文站的逐日流量以及南京、镇江、江阴、天生港、徐六泾、共青圩6个潮位站的逐日高潮、低潮资料为基础，细致研究海洋潮汐从河口向河段上游传播过程中的潮汐特征变化规律，以期为下游潮汐预报提供参考，为水利工程的优化调度提供决策支持。

1 研究区域概况

长江的感潮段通常指大通至入海口这一河段，其受上游径流和下游潮汐的共同作用(图1)。一般认为潮区界(水位随潮汐涨落的上界)在大通附近，并随着径流量、潮汐的变化而有所变化[13]，潮流界(水流所能达到的上界)位置随径流的变化而出现较大的摆动[14-16]。大通水文站作为下游流量控制站，流量随季节发生变化，多年平均流量为28 700 m3/s，历年最大径流量为92 600 m3/s，最小径流量4 260 m3/s[17]。下游南京、镇江、江阴、天生港、徐六泾、共青圩6个潮位站与大通水文站的距离分别为220、320、405、458、490、586 km[18]。本文通过这几个站的潮位资料来研究潮汐变化特征。

2 材料与方法

基于2011年大通水文站逐日的日均径流量以及下游南京、镇江、江阴、天生港、徐六泾、共青圩6个潮位站的高潮、低潮潮位及发生时刻的资料，采用cubic插值方法得到逐时潮位，另外考虑到一个太阴日为24 h 50 min，计算25 h滑动平均潮位，这可以过滤M2、K2等高频潮波，从而保留一些相对低频、周期较长的潮波[19]。这样处理有助于反映径流影响下的水位变化特征。计算各潮位站滑动平均水位之间的相关系数，就可得到相应的相关系数矩阵，以便分析各潮位站之间的关联程度。笔者以主要受潮汐影响的共青圩潮位站为参考，统计分析潮差、高低潮延时等的沿程变化，并给出相应的拟合公式。

3 结果与讨论

3.1 径流及水位特征

2011年全年呈现出偏枯情况，大通年初径流量为15 300 m3/s。前5个月径流量基本稳定在15 000 m3/s左右，从六月份开始径流量呈现逐渐增大的趋势，并于6月22日达到峰值46 000 m3/s，之后径流量逐渐下降至年末的12 400 m3/s，当年平均径流量为21 143 m3/s(图2)。各潮位站25 h滑动平均的潮位变化与流量呈现相同的变化趋势，南京和镇江两个潮位站的水位变化最为明显，江阴、天生港、徐六泾的水位变化相对较小，共青圩潮位站的潮位基本不随径流发生相应的变化趋势(图3)。

图2 2011年逐日的日均流量变化过程

图3 各潮位站滑动平均水位变化过程

分析各潮位站之间25 h滑动平均水位之间的相关性，分析结果见表1。从表1可以看出，各潮位站之间均有一定的相关性，满足显著性检验plt;0.05，且相邻两个潮位站之间的水位相关性较高；随着潮位站之间距离的增大，水位的相关性呈现出明显的下降趋势；共青圩潮位站与各潮位站水位之间的相关性均小于0.9。

表1 各潮位站滑动平均水位相关系数矩阵

3.2 潮位延时特征

以共青圩为参考潮位站，统计各潮位站高潮位、低潮位到达时间，并计算高潮位、低潮位从共青圩站传播到相应站点所需要的时间，以此作为高低潮位的延迟时间。从结果(图4)可以看出，低水位的传播延迟时间均大于高水位的传播延迟时间；除南京和镇江潮位站外，其他潮位站的水位延迟并不随径流量的变化而呈现显著的变化。

计算全年的高水位、低水位传播的平均延时，计算结果见表2。从表2可以发现，与共青圩相比，徐六泾、天生港、江阴、镇江、南京的低水位延时分别为3.46、4.71、5.89、9.42和11.09h，高水位的延时分别为2.87、4.05、4.68、7.91和9.65h。采用二次多项式进行拟合，得到高、低水位传播延时与相应站点距共青圩距离的拟合公式，其具有较好的效果，可以反映高、低水位沿程传播的过程(图5)。

(a) 高水位传播延时

(b)低水位传播延时

站点名称距离/km低水位平均延时/h高水位平均延时/h共青圩000徐六泾963.462.87天生港1284.714.05江 阴1815.894.68镇 江2669.427.91南 京36611.099.65

图5 高低水位传播的平均延时随传播距离的变化

3.3 涨落潮历时及潮差特征

统计潮位站的涨落潮平均历时，可以发现随着站点与入海口距离的增大，涨潮历时出现逐渐减小，落潮历时逐渐增大的变化趋势(表3)，这也符合河口地区潮汐的变化特征[20]。其中，到最上游南京站与到镇江站相比，涨潮历时并没有减小，反而出现微弱上升。这与俞慕耕[21]对长江下游潮汐的统计结果基本一致，但目前并没有相关研究来揭示其原因。与前人的统计结果对比，本研究发现各潮位站的平均潮差要偏大，这是因为2011年为偏枯水年，径流量较小，潮汐动力作用较强，造成平均潮差相对较大。

表3 各潮位站涨落潮平均历时与平均潮差的情况

对各站潮位进行归一化处理后建立的相对潮差与站点距共青圩潮位站距离的二次拟合关系，可以较好地反映潮差的变化，可以在一定程度上根据共青圩的潮位预测其上游给定位置的潮差情况(图6)。

图6 相对潮差随距离的变化关系

4 结 论

a. 潮汐从共青圩向上游传播的过程中，高水位的延迟小于低水位延迟，高、低水位各自的平均延迟时间可以通过二次多项式建立其与相应位置距共青圩距离的函数关系，用于预测河段不同位置的高、低潮到达时间。

b. 南京、镇江的高、低水位的延迟时间受到径流增大影响而相应增长，江阴及下游潮位站的高、低水位延迟受径流影响较小。

c. 镇江以下，长江下游河段沿入海口向上游的涨潮历时逐渐缩短、落潮历时逐渐增加；镇江以上，涨落潮历时与下游相比并不出现明显的缩短和增加，具体原因还需进一步研究。

d. 上游各站的相对潮差可以和其与共青圩的距离建立二次拟合关系，用于预测沿程的相应潮差变化。

本文主要是基于2011年水文资料对长江感潮段的潮位变化特征进行分析研究，结果可能存在一定的局限性，后续还需要进行更深入完整的研究。

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TidalvariationfeaturesoftidalreachofChangjiangRiver

WANGWencai1,2,LIYiping1,2,DUWei1,2,ZENGWeifeng1,2,XUYixin1,2

(1.CollegeofEnvironment,HohaiUniversity,Nanjing210098,China; 2.KeyLaboratoryofIntegratedRegulationandResourceDevelopmentonShallowLakesofMinistryofEducation,HohaiUniversity,Nanjing210098,China)

Based on the daily discharge of Datong station in the downstream of the Yangtze river and the high and low tidal water level of Nanjing, Zhenjiang, Tianshenggang, Xuliujing, Gongqingwei stations in 2011, this paper studied the tidal characteristics of ocean tides from the estuary to the upper reaches of the river. The results show that the tidal mean change of 25h sliding average of each tidal station shows the same trend as the discharge, the water level changes of two tide stations in Nanjing and Zhenjiang are the most obvious. Water level change of Jiangyin, Tianshenggang, Xuliujing stations is relatively small. The tidal water level of Gongqingwei station does not change with the runoff. There is a certain correlation between the tidal stations, and the correlation between the water level of the two adjacent tidal stations is higher. With the increase of the distance between tidal stations, the correlation of water levels shows a significant downward trend. Propagation delay time of low tidal level is greater than high tidal water level. Furthermore, with the increase of distance between the tidal stations and the estuary, flood tide duration displays the trend of gradual decrease while ebb tide duration presents the trend of gradual increase.

runoff; tide; tidal reach; forecast

10.3880/j.issn.1004-6933.2017.06.19

国家自然科学基金(51579071)；创新研究群体科学基金(51421006)；2016年度江苏省普通高校专业学位研究生实践创新计划项目(SJZZ16_0089)；江苏省“创新团队计划”；江苏高校优势学科建设工程资助项目

王文才(1992—)，男，硕士研究生，研究方向为环境科学。E-mail：591069468@qq.com

李一平，教授。E-mail:liyiping@hhu.edu.cn.

P333

A

1004-6933(2017)06-0121-04

2017-01-09 编辑：彭桃英)