太湖典型风场作用下的水位特征研究

2021-01-12赵金箫徐世凯丁文浩阮世平

江西水利科技 2020年6期

赵金箫，徐世凯，丁文浩，阮世平，王勇

（南京水利科学研究院，江苏南京 211100）

0 引言

太湖是我国第三大淡水湖泊，地处长江三角洲平原，是长三角一体化发展国家战略的核心地区。水位是太湖水动力特征的重要组成部分，直接关系到流域内的防洪、供水和水生态等各项水安全问题[1～3]。由于太湖地势平坦，重力流作用微弱，太湖湖流形式主要以风生流为主，因此风场是决定太湖水位的核心影响因子[4～6]。所以研究典型风场作用下的太湖水位特征分布，阐明太湖水位对风场的响应规律对保证流域供水安全、指导流域防洪规划具有重要意义。

对于太湖水位的研究众多，王磊之[7]等基于1954～2013年的太湖逐日水位资料，系统分析和比较了太湖3种水位特征要素的年际变化规律，揭示了导致三者发生阶段性变化的控制性因素；张运林等[8]分析了太湖40年内水位变化对水环境与水生态的影响，揭示了水位的生态环境意义；章杭惠和刘曙光[9]分析了太湖及太浦河的水位变化对两岸地区洪涝的风险及对策，提出了相应的调度方案；马农乐[10]等研究了太湖水位对新孟河防洪调度的影响，提出了对应的特征水位。截止目前，对于太湖水位的研究多局限于其防洪和水生态等方面的效应，鲜有太湖水位与风场关系的相关研究[11～13]。

因此，本文基于2017年9月9日～10月31日太湖风场与水位的原型观测结果，研究了太湖典型风向下水位的分布规律，总结了太湖水位与风速的相关关系，该研究可为揭示太湖风生流特性提供一定的理论支持。

1 材料与方法

1.1 原型观测地点

本文两个风场原型观测地点，分别为位于西山岛北侧的 SQ1（31.205°N，120.265°E）和竺山湖南侧的 SQ2（31.925°N，120.512°E），两地相距约 30km，可分别代表湖东区和湖西区的风场特征（见图1）。原型观测开始于2017年9月9日，结束于2017年10月31日，观测共持续53天。

本文水位原型观测依托于6个太湖环湖水位站点，分别为犊山闸站、大浦口站、夹浦站、洞庭西山站、小梅口站和吴溇站（图1）。所有站点沿太湖自西北向东南依次分布，可较为全面的反应太湖湖区的水位分布特征。6个站点的地理位置坐标详见表1。

表1 太湖环湖水位站点地理坐标

1.2 数据采集方法

风场原型观测采用WXT520便携式气象站。该气象站体积小巧，结构紧凑，安装简单，可方便布置于野外站点，能够对风速、风向、气温、湿度等多项气象参数进行实时监测。WXT520便携式气象站的风速量程为0～60m/s，测量精度为±30%，记录间隔为 1min，一次记录持续5min，仪器输出的风场数据为5min内的平均风场结果。

水位的原型观测依靠环湖站点的水位观测结果，各站的观测间隔为1天，为了方便比较，文中6个环湖水位站的观测水位结果均已统一换算至1985国家高程基准。

1.3 数据处理与分析方法

（1）风场数据处理

原型观测时的气象站架设于水面以上5m，本文后续分析使用的风速均为转化至水面10m处的标准风速w10，其转化方法为：

图1 风场与环湖水位测点位置示意图

式中：w10代表水面以上10m处的风速，m/s；wmeasured代表仪器实际观测的风速，m/s；z0是水体表面粗糙度，本文取z0=0.001m；z是仪器架设高度，本文取z=5m。

（2）相关性分析

本文中的相关性分析均采用最大互信息系数（MIC），该方法由Reshef et al[14]（2011）于科学杂志上提出。相比传统的皮尔逊相关性系数r，MIC不受数据分布类型的限制，可表征数据间线性或非线性的相关性关系，且精度高于传统的相关性系数方法。MIC的计算方法如下：

式中：a和b是x和y方向的网格数；B是样本尺寸，本文取B=n0.6，其中n是样本数。

2 结果与讨论

2.1 观测期间风场特征

图2 SQ1和SQ2点观测期间风玫瑰图

表2给出SQ1和SQ2两处气象站点的风速统计结果。从表2中可以看出，SQ1的风速平均值略小于SQ2，但差别仅有0.1m/s，可认为两处的平均风速基本相同。由于太湖风场变化频率快，因此讨论5min平均的最大值与最小值研究意义较小，所以表2给出了SQ1和SQ2天平均风速的最大值与最小值。比较两处的天平均结果可以看出，SQ1的天平均最大值为8.5m/s，低于SQ2的天平均最大值9.2m/s，但天平均最小值略高于SQ2。SQ1和SQ2天平均风速最大值均发生于10月11日，且使用式（2）计算得到SQ1风速和SQ2风速间的MIC=0.80，说明两者间具有较强的相关关系。

表2 SQ1和SQ2处风速统计结果

图3 典型风场随时间变化图

图2给出了SQ1和SQ2的风场玫瑰图，从玫瑰图中可以看出，SQ1处的常风向为NE，出现频率为17%，次常风向为N和SE，出现频率均为13%，此外其四级风、三级风、二级风和五级风出现的频率分别为30.1%、38.5%、14.7%和8.6%。SQ2处的常风向为N，出现频率为14%，其他风向出现的概率较为接近，NNW、NNE、NE、ENE和SE方向垂线的频率分别为10%、12%、11%、10%和10%。四级风、三级风、二级风和五级风出现的频率分别为30.7%、27.4%、17.0%和11.1%。该结果与已有的太湖原型结果相近，观测数据较为合理[15，16]。

在讨论风场与水位间的关系时，考虑到太湖湖区内形成稳定的水位需要一定时长恒定风场的持续作用，因此本文选取了原型观测期间2017年9月24日、9月30日、10月09日3组代表SE方向的风场和9月14日、9月15日、10月03日3组代表NE方向的风场。图3给出了这6日风场的日变化图，该图同时佐证了SQ1和SQ2风场相关性较高的结论。从图3中可以看出，这6日的风场较为稳定，风向持续时间可达24小时，足以形成较为稳定的太湖流场。表3给出了这6日风场的统计结果。

表3 典型风场日统计结果

2.2 观测期间水位特征

观测期间环湖6站水位的变化情况见图4。观测开始至9月底期间，表内6站的水位总体随时间推移不断增高，至10月初到达顶峰，之后水位平稳下降，期间略有反复。北部大浦口站和犊山闸站率先到达最高水位，其余四站到达最高水位的时间略有滞后。

观测期间环湖6站水位的统计值见表4。表内6个水位站点观测期间平均水位最高为小梅口站，夹浦站次之，两者仅相差0.01m，犊山闸站平均水位最低，平均仅为1.49m，与小梅口站相差0.15m。最高与最低水位的趋势与此相近，同样为小梅口站与夹浦站水位最高，犊山闸站水位最低。但是，从图4中可以看出，观测期间6个水位站点水位的高低顺序也不断改变，9月29日犊山闸站水位也曾到达6站中前三。

表4 环湖水位站水位统计结果（换算至1985高程）m

图4 环湖水位站点观测期水位变化图

表5列出了太湖站点水位间相关性系数MIC的统计结果，从表内的结果可以看出，太湖水位站点间的相关性受地理位置影响较大。对于犊山闸站和大浦口站两个偏北的水位站点，其相关性系数较高，可达0.94。但是，他们与南部洞庭西山站、小梅口站和吴溇站的相关性较低，仅为0.75左右。此外，大浦口站与夹浦站间的距离短于犊山闸站与夹浦站，因此前两者的相关系数要明显高于后两者。类似的，太湖南部洞庭西山站、小梅口站和吴溇站间的相关系数较高，均在0.80以上，且洞庭西山站与小梅口站的相关性高达0.99，表明两者间的水位具有极强的相关性关系。

2.3 典型风场与太湖水位分布的关系

表6列出了SE与NE两种典型风向作用下6处水位站点的水位数据。对于SE风向，在平均风速9.0m/s的风场作用下太湖6处水位站点的水位自高至低顺序为大浦口站=夹浦站>犊山闸站>小梅口站>洞庭西山站>吴溇站，这一排序基本呈现了水位沿风向逐渐增加的规律，符合风生流理论中水位随吹程增加不断雍高的观点（图5）。此外，值得注意的是，依据风生流理论，水位不会沿吹程无限增长，在一定吹程后便较为稳定。但是夹浦站与大浦口站水位相同并不能完全得出SE风向下吹程至夹浦站时即已稳定的结论，一则数据样本过小，二则尚需考虑入湖河流等多种因素的影响。在平均风速5.7m/s的风场作用下，太湖6处水位站点的水位自高至低顺序为夹浦站>小梅口站>大浦口站>犊山闸站>吴溇站>洞庭西山站。此时6处站点的水位并不完全随风吹程增加而增加，虽然吹程最短的吴溇站与洞庭西山站水位仍是最低，但吹程最长的大浦口站的水位却低于夹浦站和小梅口站，说明即使风场稳定的情况下，吹程也并不是决定太湖水位分布的唯一要素。在平均风速5.3m/s的风场作用下，6处站点的水位规律同样并不完全与吹程正相关，夹浦站水位仍最高，小梅口站与大浦口站水位相近，仅次于夹浦站，吴溇站水位最低。

表5 环湖水位站水位相关性结果（MIC）

表6 典型风场作用下太湖水位表 m

图5 SE风向下太湖风场与水位关系

对于NE风向，在平均风速同为7.2m/s的风场作用下，太湖6处水位站点的水位自高至低顺序相同，均为小梅口站＞夹浦站＞吴溇站＞洞庭西山站≥大浦口站＞犊山闸站。这一结果说明，在该风向下，太湖水位分布特征较为统一，符合随吹程不断增加的规律，其中吹程最长的小梅口站水位最高，吹程其次的夹浦站略小于小梅口，吹程最短的犊山闸站水位最低（图6）。在风速从7.2m/s（9月 14日）降低至 6.5m/s（9月 15日）时，各点位的水位均有所降低。此外，9月14日、9月15日和10月03日中，环湖水位站点最低值与最高值间的差值分为0.28m，0.24m，0.26m。对比3种结果可以看出，在平静水位相近情况下，风速越低，环湖水位差越小，这是因为，在水位相近情况下，较低的风速携带能量较少，因此引起的水体势能增加较小。在风速相同情况下，水深越深，环湖水位差越小，这是因为水深越深，水体的质量越大，在风能相同的情况下，其水位雍高越困难。