河口挡潮闸对三角洲潮汐不对称时空变化的影响*

沈倩颖, 季小梅, 张蔚, 徐龑文

1. 河海大学, 江苏省海岸海洋资源开发与环境安全重点实验室, 江苏 南京 210098;

2. 港口航道泥沙工程交通行业重点实验室, 江苏 南京 210029;

3. 河海大学, 疏浚技术教育部工程研究中心, 江苏 南京 210098;

4. 上海滩涂海岸工程技术研究中心, 上海 200061

外海规则潮波进入三角洲内, 在地形和径流等因素影响下, 生成浅水分潮, 潮波也发生变形, 使得涨、落潮在振幅、历时、流速上不再对称(Dronkers,1986)。潮汐和潮流这种变形在三角洲地区决定了泥沙的净输移趋势, 影响河床稳定性, 从而对三角洲的地貌演变方向产生重要影响(Speer et al, 1985;Aldridge, 1997; Wang et al, 2002)。三角洲内的潮汐特性与海洋和陆地边界的改变密切相关(Vellinga et al, 2014), 目前研究集中在气象条件改变下的海平面抬升(Woodworth et al, 2011)和长期人类活动, 如河道采砂疏浚(Zhang et al, 2018)导致的河床下切,上游大坝修建(Yu et al, 2020)对径流的季节性调节,对三角洲内的潮波特性产生的影响。

挡潮闸作为河口地区重要的防洪挡潮工程极大地改变了三角洲海洋边界条件, 对三角洲内部潮汐动力和潮汐不对称性有着重要影响。荷兰三角洲大部分陆地低于海平面(低至-6m), 1953年特大洪水后,荷兰在西南部海岸成功建设一系列三角洲挡潮闸工程, 抵御北海风暴潮。其中, 1970年哈灵河口挡潮闸坝对莱茵河-默兹河三角洲内部潮汐动力环境影响最为显著。Tönis等(2002)利用多年长期测深数据研究哈灵河口关闭后口门外地形演变, 研究发现工程建设后挡潮闸外发生泥沙淤积, 且地形适应时间尺度约为11年。Vellinga等(2014)研究莱茵河-默兹河三角洲70年历史水位数据, 发现人类活动对河网内极端高、低水位的影响超过了平均海平面上升产生的影响。而工程建设对三角洲内部河网潮波特性的变化则没有深入的研究讨论。本文主要利用长时间水位数据研究河口挡潮闸修建对潮汐涨落潮历时不对称性的影响, 借助非平稳潮汐调和分析方法分解莱茵河-默兹河三角洲内各站点潮位数据, 并根据传统潮汐不对称方法定量分析整个潮汐河网的潮动力和潮汐不对称特性在河口挡潮闸坝工程建设前后的时空演变规律, 从而了解局部的河口工程对潮汐河网整个动力体系产生的影响。

1 数据和方法

1.1 研究区域

莱茵河-默兹河三角洲位于荷兰西南部, 由莱茵河、默兹河的复杂支流组成, 莱克河和瓦尔河为莱茵河下游的两条分汊支流(图1)。两大河流最终经两条入海通道流入北海, 分别是北部新水道和南部哈灵水道, 挡潮闸建成后流入北海的平均流量分别为1960m3·s–1、230m3·s–1(Ysebaert et al,2016), 三角洲面积约7500km2。入海口门外平均潮差在2.4m左右, 潮型表现为正规半日潮特征(Tönis et al, 2002)。

图1 莱茵河-默兹河三角洲及潮位站分布图图b中数字表示站点序号; 方形块、圆形块分别表示站点实测潮位数据时间长度为1961—2018年、1971—2018年。该图基于国家测绘地理信息局标准地图服务网站下载的审图号为GS(2020)4390的标准地图制作Fig. 1 Rhine–Meuse Delta and hydrological stations. The numbers in figure b represent the station number. The square blocks and round blocks indicate that the measured water level data of stations are from 1961—2018 and 1971—2018,respectively

1970年在哈灵水道入海口门处建成哈灵水道挡潮闸坝, 长4.5km, 有17孔泄水闸, 是荷兰三角洲工程的第六座建筑物。该工程一方面抵御北海的风暴潮, 另一方面随着潮位和上游径流量变化开闭排水闸门, 保证北部新水道径流稳定、航运安全。南部哈灵水道和荷兰深河在工程建设后由潮汐通道变为与北海隔离的淡水盆地, 通过连接北部入海通道的中部支流传播潮动力(Hoitink et al, 2017), 潮差由闭合前的2m减小到最大仅20cm (Antheunisse et al,2007)。此外挡潮闸坝改变了三角洲河网上游径流分配, 北部和中部通道内径流量增大(Vellinga et al,2014), 所以挡潮闸建立对三角洲内河网系统的径潮动力产生了很大影响, 进而造成了河口动力地形大范围、长时间适应变化, 主要表现为在连接南北通道的中部支流内发生冲刷, 在南部通道发生淤积。但地形的变化主要还是由长期疏浚活动主导(Sloff et al, 2013; Vellinga et al, 2014), 且相较于挡潮闸建立导致三角洲动力的突然变化, 地形变化产生的影响较缓慢。

1.2 数据

潮位站点实测水位数据和上游控制站点流量数据从荷兰基础设施和环境部网站(Rijkswaterataat)下载(https://www.rijkswaterstaat.nl)。从20世纪开始荷兰开展高精度水位测量工作, 本文收集莱茵河-默兹河三角洲河网13个潮位站点的50～60年长期水位数据, 实测水位数据1970年前为间隔3h数据, 1970年后为间隔1h数据, 水位基面为阿姆斯特丹高程基准面(Normaal Amsterdams Peil)。流量数据选取三角洲上游3个控制站点流量, 图2表示从北至南莱克河、瓦尔河及默兹河上游1961—2018年月均径流量。和径流动力, 与海洋中规则潮汐有很大不同, 呈现显著的非线性变形和不对称性特征。传统的调和分析工具T_TIDE (Pawlowicz et al, 2002)基于潮位不包含径流等非稳态信号的假设, 在河口上游地区反演潮动力误差较大。本文选用Matte等(2013)年提出的非平稳潮汐调和分析NS_TIDE方法, 能够在保存调和分析优势的基础上, 很好地解决径流影响下非平稳潮汐信号中主要分潮信息的分解问题(Matte et al, 2014)。图3a显示了13号站点的T_TIDE和NS_TIDE两种方法预测得到的逐时潮位数据与实测数据对比, 图3b显示了这两种方法预测得到的潮位时间序列相对于实测潮位时间序列的均方根误差的沿程变化。结果表明, 对于三角洲下游站点, 两种方法的计算误差相当, 都在0.16m左右, 但对于上游站点T_TIDE方法误差达到0.3m左右, NS_TIDE方法计算误差沿程变化不大, 说明NS_TIDE方法能较好反演潮位受径流影响明显的站点。因此本文采用非平稳调和分析方法, 以一年数据长度为窗口,计算13个水文站点的6个分潮K1、O1、M2、S2、M4、M6调和常数。

图2 三角洲上游3条通道月均流量图Fig. 2 Time series of monthly mean river discharges at three upstream channels of the delta

图3 T_TIDE和NS_TIDE预测得到潮位时间序列(a)和两种方法预测潮位的均方根误差(b)Fig. 3 Results of T_TIDE and NS_TIDE for the time series of water level hindcasts (a) and root-mean-square errors of water level hindcasts obtained from the two methods (b)

1.3.2 潮汐不对称量化方法

1.3 研究方法

1.3.1 潮汐调和分析方法

三角洲内的潮波运动由于受制于河口特殊地形

式中,A表示振幅比;G表示相位差(单位: °);aM2和aM4分别为M2和M4分潮的振幅(单位: m);gM2和gM4分别为M2和M4分潮的相位(单位: °)。A＞0.01表明潮波发生较为显著的变形;G则反映潮汐不对称涨潮和落潮之间的优势关系, 当0＜G＜π时为“涨潮主导”, 即涨潮历时更短; 当π＜G＜2π时为“落潮主导”, 即落潮历时更短。

2 结果

2.1 挡潮闸坝建立前后潮汐分潮变化特征

2.1.1 潮汐分潮空间分布特征

本文使用NS_TIDE调和分析方法计算出6个主要分潮K1、O1、M2、S2、M4、M6振幅和相位, 分析了1970年河口挡潮闸建立前后三角洲内部潮汐振幅、相位空间分布特征(图4, 图5)。莱茵河-默兹河三角洲河网空间上被分成三部分, 分别为北部通道站点(1, 2, 3, 4, 5, 6)、南部通道站点(10, 11, 12, 13)以及连接南北主通道的中部支流站点(7, 8, 9)。对比图4和图5, 天文分潮M2在挡潮闸建立前后都是最主要的分潮, 其振幅是其他分潮振幅的4～10倍。1970年挡潮闸建立前, M2分潮在进入河口后没有立即衰减, 站点1到站点8, 站点10到站点11, M2分潮振幅都增加了12cm左右, 且三角洲下游南北通道内的潮汐振幅大小相当, M2分潮振幅都在80cm左右。

图4 1961—1970年主要分潮(M2、S2、M4、K1、O1、M6)的平均振幅(a、b)和相位(c、d)空间分布图中数字为站位号Fig. 4 Mean tidal amplitudes (a, b) and phases (c, d) for the main constituents (M2, S2, M4, K1, O1, M6) during 1961—1970.The number is the station number

图5 1971—2018年主要分潮(M2、S2、M4、K1、O1、M6)的平均振幅(a、b)和相位(c、d)空间分布图中数字为站位号Fig. 5 Mean tidal amplitudes (a, b) and phases (c, d) for the main constituents (M2, S2, M4, K1, O1, M6) during 1971—2018.The number is the station number

南部河口挡潮闸建立后, 天文分潮K1、O1、M2、S2进入河口后分潮振幅向陆逐渐衰减, 且M2分潮作为主要分潮其沿程衰减幅度大于其他分潮。浅水分潮M4、M6的振幅在北部通道内因为河口收缩, 在非线性作用下产生并向陆增强, 接着在摩擦阻力作用下衰减, 但因为浅水分潮振幅较小, 沿程变化不显著。南北纵向对比, 主要分潮振幅由北向南减小,且分潮振幅沿程衰减幅度也由北向南减小。以M2分潮为例, 北部通道由80cm衰减至49cm, 南部通道由13cm衰减至10cm。挡潮闸建立前后, 分潮相位始终由海向陆沿程逐渐增加, O1分潮上下游相位差最小, 为43°, M6分潮上下游相位差最大, 为232°,M6分潮相位沿程增加最快, 符合频率越高的分潮在河道内衰减得越快的规律(Godin, 1999)。

2.1.2 潮汐分潮时间变化特征利用实测潮位1961—2018年的6个站点主要分潮振幅差(Δa=a1971-2018-a1961-1970,其中a为分潮振幅,a1961-1970、a1971-2018分别表示挡潮闸建设前后的分潮平均振幅)和相位差(Δg=g1971-2018-g1961-1970, 其中g为分潮相位,g1961-1970、g1971-2018分别表示挡潮闸建设前后的分潮平均相位)衡量河口挡潮闸对三角洲内分潮振幅和相位的影响。如图6所示, 1970年河口挡潮闸坝建设对中部、南部站点潮动力影响最为剧烈, 6种主要分潮振幅明显减弱, 其中M2分潮作为主要分潮, 其减小幅度大于其他分潮。挡潮闸建设后, 南部站点M2分潮振幅普遍减小了80%左右, 中部8号站点M2分潮振幅减小了60%。浅水分潮M4由M2分潮非线性作用产生的, 所以M2分潮振幅的明显减小也会导致M4分潮产生相应的变化, 在南部和中部通道分别减小了70%和20%左右。因为1970年哈灵河口挡潮闸坝的建立, 一方面减弱了北海潮动力对南部通道的直接影响, 潮汐仅通过北部新水道进入三角洲流域, 另一方面河网流量的再分配, 北部新水道以及中部支流排放的流量比例大幅度增加, 径流量增大会加大天文分潮能量损失, 所以中部站点分潮振幅明显减小, 但北部站点仍受潮动力主导, 分潮振幅变化不大。此外图6b显示在1970年工程建设后, 南部站点主要天文分潮相位明显增大, 其他站点略微减小,反映潮波在南部通道内传播速度下降。

图6 1970年前后主要分潮的振幅差(a)和相位差(b)1和4是北部站点, 8是中部站点, 10、11和13是南部站点Fig. 6 Differences in tidal amplitudes (a) and phases (b) for the main constituents before and after 1970. Northern stations (1,4), central station (8), southern stations (10, 11, 13)

2.2 挡潮闸坝建立前后潮汐不对称变化特征

2.2.1 潮汐不对称空间分布特征

基于分潮振幅比A(M4/M2)和相位差G(2M2-M4)研究三角洲的潮汐不对称特性。图7a为三角洲内各站点振幅比空间分布, 潮汐不对称在三角洲北部通道内向上游沿程先增强, 并在5号站点附近潮波变形最大, 接着向上游略微减弱, 这与M2、M4分潮在上游地区受到较大径流作用同时发生衰减有关。潮汐不对称在中部和南部总体向上游增强,A分别由0.24增大至0.30, 0.11增大至0.13, 除了南部口门处站点位于挡潮闸附近, 可能受泄水闸开闭影响, 潮汐不对称较上游站点偏大。中部通道潮汐不对称现象最为显著, 南部通道潮汐不对称现象较弱, 因为河口挡潮闸建立后南部通道潮动力较三角洲其他地区小, 而连接南北主通道的中部支流中通过的径流量较大, 对潮动力的非线性作用增大, 潮汐不对称现象更加显著。图7b为三角洲内各站点相位差参数G, 均在0～180°范围内, 表明涨潮时间要短于落潮时间, 所以莱茵河-默兹河三角洲是涨潮主导型潮汐不对称。Speer等(1985)研究表明, 对于不同的浅水分潮, 其与产生它的两个半日分潮之间的相对相位基本相同, 说明用G判断三角洲潮汐不对称的方向是可靠的。并且研究发现相位差参数G向陆沿程增加,站点1到站点6从9°增大到56°, 站点7到站点9从23°增大到77°, 站点10到站点13从32°增大到137°,相位差在三角洲内向上游沿程逐渐增加也可能是潮汐不对称向上游增强的一个重要原因。

图7 1971—2018年M2、M4分潮平均振幅比(a)和相位差(b)空间分布图中数字为站位号Fig. 7 Mean tidal amplitude ratio (a) and relative phase (b) of the constituents M2 and M4 during 1971—2018. The number is the station number

2.2.2 潮汐不对称时间变化特征

根据6个站点振幅比A(M4/M2)在1961—2018年期间年平均变化(图8), 分析得到1970年挡潮闸建成前后三角洲内的潮汐不对称现象的变化情况。1970年哈灵水道挡潮闸坝建立没有改变三角洲涨潮主导的潮汐不对称特征, 但在三角洲河网不同区域都发生了不同程度不同性质的变化。北部上游4号和中部8号站点的振幅比在1970年明显增大, 4号站点由0.14增大至0.22, 8号站点由0.15增大至0.30,中部站点潮汐不对称现象在挡潮闸建成后显著增强。南部站点的潮汐不对称变化较复杂, 下游10号、11号站点潮汐不对称明显增强, 虽然在后期由于河道淤积的影响, 潮汐不对称有个缓慢减弱并趋于稳定的过程; 上游13号站点分潮振幅比由0.16减小为0.13, 潮汐不对称因为M4分潮的显著减小而减弱。北部入海口1号站点径潮动力环境受南部挡潮闸影响较小, 潮汐不对称变化不显著。因为站点分布有限, 对于三角洲其他区域潮汐不对称特性是否发生不同变化无法进一步分析, 已有站点潮汐不对称的变化情况只能反映局部变化情况。

图8 1961—2018年期间6个水文站点年平均振幅比A (M4/M2)逐年变化图中蓝色站点表示北部站点(a、b), 红色表示中部站点(c), 绿色表示南部站点(d、e、f)Fig. 8 The mean tidal amplitude ratio (M4/M2) of six hydrological stations during 1961—2018

3 分析与讨论

3.1 分潮振幅变化对潮汐不对称的影响

根据公式(1), 衡量潮汐不对称的指标振幅比A随天文潮M2振幅沿程的减小和浅水分潮M4振幅的增大而增大, 这解释了外海潮波进入河口后, 在地形摩擦阻力和径流动力等非线性作用下潮波变形程度随着M2分潮振幅的向陆衰减和M4分潮的向陆增加增强。在上游地区, 径流量作用增大, 摩擦阻力进一步增加, M2和M4分潮共同衰减导致潮汐不对称减弱(童朝锋 等, 2020)。这一规律在加拿大圣劳伦斯河口(Godin, 1999)、荷兰西斯凯尔特河口(Wang et al, 2002)、中国长江三角洲(Yu et al, 2020)等潮汐河口都得到验证。而挡潮闸建成导致潮汐振幅都发生剧烈变化, M2分潮在中部、南部下游站点的减小幅度大于M4分潮的衰减幅度, 最终相应位置处潮汐不对称增强。

3.2 径流量和潮动力变化对潮汐不对称的影响

挡潮闸建成导致莱茵河-默兹河三角洲内的径潮动力环境产生了短时间强烈的响应。为了研究三角洲内挡潮闸建设前的各个站点对于上游径流量变化和外海潮动力变化的响应, 借助NS_TIDE方法,通过将输入的上游径流量和外海潮差时间序列分别乘以一定倍数(0.8,0.9,1.0,1.1,1.2)来评估三角洲内的潮波对变化的径流和潮差的响应。总体上, 上游径流和外海潮差增大后, 三角洲内各站点平均水位是逐渐上升的。在变化的上游径流影响下, 主要分潮M2、M4振幅、相位和潮汐不对称指标变化情况如图9所示。上游径流的增加, 削弱了下游站点M2、M4分潮振幅, 增加了分潮相位, 但对于上游地区的8号和13号站点, M4分潮振幅随着径流量增加而增大。三角洲大部分站点潮汐不对称随着径流量的增大逐渐增强, 且上游地区变化更为显著, 说明径流量增大促进了M2分潮能量向M4分潮转移(图9c)。挡潮闸建成之后, 如果北部和中部站点处只考虑径流量增加, 其潮汐不对称也相应增强, 且中部上游站点变化显著。

图9 M2 、M4分潮振幅、相位和两者振幅比(A)、相位差(G)对不同量级径流量的敏感性a. M2分潮振幅; b. M4分潮振幅; c. 振幅比(M4/M2); d. M2分潮相位; e. M4分潮相位; f. 相位差(2M2-M4)。Q为上游径流量Fig. 9 Sensitivity of tidal amplitudes and phases of the constituents M2 and M4 and tidal amplitude ratio and relative phase of the constituents M2 and M4 to variations in river discharge. (a) M2 tidal amplitude; (b) M4 tidal amplitude; (c) tidal amplitude ratio (M4/M2); (d) M2 tidal phase; (e) M4 tidal phase; (f) relative phase (2M2-M4). Q is river discharge

在变化的外海潮差情况下, 主要分潮M2、M4振幅、相位和潮汐不对称指标变化情况如图10所示。外海潮差的缓慢增加会导致M2分潮振幅减小,相位增大, 从而导致M2分潮的衰减。在三角洲下游地区, 随着潮差的增加, M4分潮振幅减小、相位增加; 在上游地区, 随着潮差增加, M4分潮相位却减小, 这可能与小潮期间较强的底摩阻使其衰减有关(Matte et al, 2014)。随着潮动力增强, 在三角洲下游地区, 潮汐不对称减弱, 而上游地区潮汐不对称则增强(图10c)。实际上挡潮闸建成后三角洲河网各个区域同时受到径流量和外海潮差变化的影响, 而且其影响是短时间且变化剧烈。综合两个因素来看,南部站点外海潮差的突然减小是其潮汐不对称变化的主导因素, 而北部和中部站点潮汐不对称的变化则主要受径流量的变化主导。

图10 M2 、M4分潮振幅、相位和两者振幅比(A)、相位差(G)对不同量级潮差的敏感性a. M2分潮振幅; b. M4分潮振幅; c. 振幅比(M4/M2); d. M2分潮相位; e. M4分潮相位; f. 相位差(2M2-M4)。R为外海潮差Fig. 10 Sensitivity of tidal amplitudes and phases of the constituents M2 and M4 and tidal amplitude ratio and relative phase of the constituents M2 and M4 to variation in tidal range. (a) M2 tidal amplitude; (b) M4 tidal amplitude; (c) tidal amplitude ratio (M4/M2); (d) M2 tidal phase; (e) M4 tidal phase; (f) relative phase (2M2-M4). R is tidal range

4 结论

本文以河口挡潮闸修建影响下的荷兰莱茵河-默兹河三角洲为研究对象, 通过分析三角洲内多个站点1960—2018年逐时潮位数据, 研究了在河口挡潮闸建立后三角洲内的潮汐动力和潮汐不对称特性的时空变化规律, 得出以下结论:

1) 荷兰莱茵河-默兹河三角洲主要分潮振幅、相位时空变化显著。1970年以前, 潮波进入河口后,南北通道内振幅大小相当, 且主要天文分潮M2振幅由于河岸收缩汇聚效应先略微增大后衰减。南部河口挡潮闸建设后, 北部和中部通道径流量增大,摩擦阻力增加, 主要天文分潮振幅由河口向上游沿程衰减。时间上, 南部挡潮闸建设导致三角洲中部、南部站点分潮振幅明显减小。

2) 荷兰莱茵河-默兹河三角洲内的潮波为涨潮主导型不对称, 即涨潮时间短于落潮时间。三角洲是正规半日潮, 主要天文分潮M2与其对应的浅水分潮M4之间相互作用是三角洲潮汐不对称的主要来源, 潮波变形程度总体向陆逐渐增强, 到达某一点后由于受到径流作用较大, 潮汐能量明显削弱, 潮汐不对称反而减弱。

3) 短时间高强度的挡潮闸工程对莱茵河-默兹河三角洲潮动力和径流的传播产生了较大影响。北部、中部站点潮汐不对称在南部挡潮闸建立后增强,中部站点主要因为通道径流量增加, 潮汐能量由M2分潮向M4分潮转变, 潮汐不对称性显著增强。而南部通道主要受潮动力变化影响, 下游站点因为M2分潮振幅的剧烈下降导致潮汐不对称增强, 上游站点潮汐不对称减弱则是因为M4分潮振幅的衰减程度超过了M2分潮振幅的衰减程度。