长江口余水位时空变化及其成因

杨正东 朱建荣 宋云平 顾靖华

摘要：利用2016年和2017年长江口南支崇西、南门和堡镇水文站逐时水位资料，大通水文站逐日平均径流量和崇明东滩气象站风速风向，分析了余水位的时空变化及其成因。结果表明，在这3个水文站中，各月余水位崇西水文站最高，堡镇水文站最低;各水文站余水位的落差在低径流量期间较小，在高径流量期间趋大。径流量越大，上下游余水位落差越大。在2016年，崇西、南门和堡镇水文站2月余水位最低，量值分別为2.09m、1.96m和1.93m;7月达到最大，量值分别为2.91m、2.62m和2.50m。余水位主要是由径流量决定的，风况也是导致余水位变化的一个重要原因。南风导致余水位下降，北风导致余水位上升。在2017年，月平均余水位最小值出现在12月，崇西、南门和堡镇水文站量值分别为2.04m、1.91m和1.87m，是由全年最低径流量导致的;月平均余水位最大值出现在10月，量值分别为2.79m、2.58m和2.49m。尽管10月径流量比7月低了24214m3/s，但余水位比7月还高，原因是10月中下旬持续的强偏北风，产生了强烈的向岸艾克曼水体输运，导致水位上升。长江口余水位时空变化显著，在工程设计和理论研究中需要考虑。

关键词：长江口;余水位;时空变化;径流量;风况

中图分类号：P731.2文献标志码：ADOI：10.3969/j.issn.1000-5641.2021.02.002

SpatialandtemporalvariationsintheresidualwaterleveloftheChangjiangEstuaryanditscause

YANGZhengdong1，ZHUJianrong2，SONGYunping2，GUJinghua2

（1.HydrologicStationofChongmingDistrictofShanghai，Shanghai202150，China;

2.StateKeyLaboratoryofEstuarineandCoastalResearch，EastChinaNormalUniversity，Shanghai200241，China）

Abstract：Inthisstudy，weanalyzedthespatialandtemporalvariationsintheresidualwaterleveloftheChangjiangEstuaryandevaluatedtherespectivecauses.Toachievethisobjective，weuseddatafromthehourlywaterlevelattheChongxi，Nanmen，andBaozhenhydrologicalstationsintheChangjiangEstuary;dailyriverdischargelevelsattheDatonghydrologicalstation;andwindspeedanddirectionattheChongmingeasternshoalweatherstationin2016and2017.TheresultsshowedthattheresidualwaterlevelwasthehighestatChongxistationandthelowestatBaozhenstationamongthethreehydrologicalstationsineachmonth.Thedropsinresidualwaterlevelamongthehydrologicalstationsbecamesmallerduringlowriverdischargeandtendedtobecomelargerduringhighriverdischarge.Higherlevelsofriverdischargewereassociatedwithalargerdropintheresidualwaterlevel.In2016，theresidualwaterlevelsattheChongxi，Nanmen，andBaozhenhydrologicalstationswerelowestinFebruarywithvaluesof2.09，1.96，and1.93m，respectively;similarly，theresidualwaterlevelswerethehighestinJulywithvaluesof2.91，2.62，and2.50m，respectively.Theresidualwaterlevelwasmainlyaffectedbyriverdischarge，whilethewindwasalsoanimportantinfluencingfactorinthevariationsobserved.Southerlywindmadetheresidualwaterleveldecrease，andnortherlywindmadeitincrease.In2017，theminimummonthlymeanresidualwaterleveloccurredinDecemberwithvaluesof2.04，1.91，and1.87mattheChongxi，Nanmen，andBaozhenhydrologicalstations，respectively;thiscoincidedwiththelowestannualriverdischargeobservedduringthesameperiod.ThemaximummonthlymeanresidualwaterleveloccurredinOctoberwithvaluesof2.79，2.58，and2.49mattheChongxi，Nanmen，andBaozhenhydrologicalstations，respectively.AlthoughtheriverdischargewaslowerinOctoberthantheoneinJulyby24214m3/s，theresidualwaterlevelwashigherinOctoberthanthatinJuly.TheexplanationforthisphenomenonisthepersistentstrongnortherlywindobservedinmiddletolateOctober，whichproducedstronglandwardEkmanwatertransport，andresultedinthewaterlevelrise.ThespatialandtemporalvariationintheresidualwaterleveloftheChangjiangEstuaryisremarkable，andshouldbeconsideredinengineeringdesignandtheoreticalresearch.

Keywords：ChangjiangEstuary;residualwaterlevel;spatialandtemporalvariation;riverdischarge;wind

0引言

河口水位是相对于某个基面的水面高度，像长江河口在理论研究中一般采用1985年国家高程基面（黄海平均海平面），工程和水务行业一般采用城建局吴淞零点（黄海平均海平面以下1.669m），航运行业一般采用理论最低潮面。河口水位随时间和空间变化显著，主要由周期变化的潮汐和非周期变化的余水位组成。长江口潮汐具有显著的半日和半月周期性变化，是水位变化的主要因素。余水位为水位过滤掉周期性潮汐之后余留的部分，主要由径流、风和口外陆架环流产生。以往对长江河口水位的研究，主要集中于潮位和潮汐特征的研究，而对余水位的研究相对较少。长江口地区是我国人口密集度最高、经济最发达的地区之一。余水位是影响水深和水位的一个重要因素，对长江河口海堤设计、防洪、航行和河口动力的研究等具有重要意义。

以往研究表明，长江口余水位主要取决于径流量、口外陆架环流、海平面上升和风等因子。浦泳修等[1]利用长江口大载山和吕泗两水文站1978年1月到1981年12月的日平均水位资料序列，做30d滑动平均处理，讨论了长江口南、北两岸水位的低频变化，结果表明，两岸的水位低频变化均以年周期为主，但两岸间的水位差却以半年周期为主，是东海海水运动的重要特征之一。中秋（9、10月）前后的水位最高，隆冬季节（1、2月）最低，年变幅为0.45～0.55m。谷国传等[2]的研究表明，长江口东海水域年内的平均海面夏季比冬季高0.25～0.35m，反映冬夏不同季节陆架环流等的综合影响。沈健等[3]探讨了长江河口区的月平均海面时空变化规律，认为其月平均海面变化主要受径流及其他海洋水文气象因子的作用，而且具有明显的季节性变化。陈宗镛等[4]通过计算长江口4个验潮站20年的海面记录，分析得出海面变化总趋势是上升的，其变化受径流量大小和外海水位共同影响，并且厄尔尼诺现象能使长江口年平均海面发生异常。陈西庆[5]对潮位站资料分析发现，长江每年的入海徑流对海面有重要影响，幅度为流量每变化1000m3/s年平均海面变化8.5mm，但流量对长江口海面的趋势性变化无显著影响。宋永港等[6]考虑了长江河口径流、潮汐和风场的共同作用，数值模拟和定量分析了北支潮位和潮差时空变化和动力机制。北支月平均潮位呈现出从1月到7月逐渐增大，从8月到12月逐渐减小的变化趋势，主要取决于径流量产生的余水位。付桂[7]利用长江口沿程11个潮位站的潮位数据，统计分析了1996—2011年各站年平均高潮位、年平均低潮位和年平均海面，发现自1996年以来各潮位站的平均海平面略有抬升，但变化幅度不大，一般小于0.05m。刘晓婉等[8]基于实测资料，得出崇明岛南部近岸水位主要由潮汐驱动形成，同时受到径流和风的影响。其中，风对离口门近的水位余量影响较大，而径流对靠近上游的水位余量影响明显。杨锋等[9]通过对江阴至共青圩站一整年的逐时潮位数据进行调和分析，得到年平均海面。径流量的变化会导致沿程年平均海面发生响应变化，上游比下游站点响应更敏感;外海年平均海面的变幅会使沿程量值发生大致等量的变幅。刘秋兴等[10]研究了上游洪水对台风风暴潮过程期间长江口水位的影响，结果表明，洪水对长江口总水位的影响对区域所处的位置较为敏感，越往上游影响越大，而在下游口门处，洪水对总水位的影响轻微。郭磊城等[11]基于实测径流量和水文站潮位资料，分析得出了以下结论：洪季径流增大，引起各站洪季平均水位显著抬高，大通站洪季平均水位可比枯季高10m，牛皮礁洪季比枯季高约0.5m，即平均水位差异从上游往口外逐渐减小。唐川敏等[12]通过数值模拟分析了长江河口气候变化导致的海平面上升对径流、潮流和风生流的影响，以及在多种动力因子综合作用下对流场和盐水入侵的影响。气候变化导致海平面上升后南支水源地3个水库取水口盐度均有所上升，减少了可取水时间，不利于供水安全。

近50年来我国海平面呈波动上升的趋势，根据国家海洋局2013年发布的《中国海平面公报》（http：//www.mnr。gov.cn/sj/sjfw/hy/gbgg/zghpmgb/），1980—2012年长江河口沿海相对海平面上升幅度超过150mm，即平均每年海平面上升4.5mm左右。这个余水位上升将加剧外海盐水入侵，对长江河口淡水资源产生重要影响。另外，余水位上升对风暴潮下海堤防御提出更大挑战。本文利用长江口水文站2016年和2017年全年逐时水位资料，分析余水位的时空变化和成因，对保障长江口水源地淡水资源和海堤抵御风暴等具有指导意义。

1观测资料

本文利用长江口南支崇西、南门和堡镇3个水文站2016年和2017年逐时水位资料分析余水位的时空变化。为分析余水位变化的成因，还收集了2016年和2017年大通水文站逐日平均径流量和崇明东滩气象站逐日平均的风速风向。长江口水文站和气象站位置如图1所示。

长江河口潮汐为不正规半日潮，每天有两涨两落，也具有显著的半月大小潮变化。在3个水文站水位资料中，潮汐是其主要成分。为给出余水位随时间的变化，先对水位资料做33h滑动滤波，过滤掉潮汐的半日和日变化。这样得出的余水位仍含有半月大小潮变化，再做31d滑动滤波，得出过滤掉潮汐变化的余水位序列[13]。

2结果与分析

2.12016年余水位、径流量和风况

2016年崇西、南门和堡镇水文站逐时余水位随时间变化如图2所示，各月平均余水位量值如表1所示（吴淞城建基面）。在这3个水文站中，崇西水文站位于南北支分汊口下游约3km处，南门水文站位于南支中段北岸，堡镇水文站位于南北港分汊口下游约3km处（见图1）。各月余水位崇西水文站最高，堡镇水文站最低。从全年的变化过程看，崇西、南门和堡镇水文站2月余水位最低，量值分别为2.09m、1.96m和1.93m;7月达到最大，量值分别为2.91m、2.62m和2.50m.1—3月和12月低径流量期间相互间差距较小，5—9月高径流量期间相互间差距趋大，在7月达到最大。在1月，崇西水文站余水位比堡镇水文站高0.15m;在7月，崇西水文站余水位比堡镇水文站高0.41m。在这两个水文站相距约40km的范围内，这个余水位落差还是十分可观的。这个余水位落差驱动河水入海，7月径流量显著大于1月，对应的余水位落差就大。

2016年余水位2月最低值和7月最高值正好对应全年径流量的2月最低值20493m3/s和7月最高值65625m3/s（见图3和表2），这表明余水位主要是由径流量决定的，7月的径流量已达到了洪水的状况。值得注意的是，2016年1—8月径流量明显比1950—2019年月平均径流量高，而9—10月明显偏低。一个重要原因是三峡大坝2003年建成后，9—10月蓄水导致大通径流量下降，1—3月放水导致大通径流量上升。2016年4—8月径流量的上升是由流域降水的年度变化导致的。

从余水位变化过程还可以看到，在6月13—19日、7月31至8月5日余水位出现低谷，但径流量并未出现低谷（见图3）。以往研究表明，风应力也是产生长江口余水位变化的原因[14]。北风产生向岸的艾克曼水体输运，导致余水位上升;而南风作用正好相反，会导致余水位下降。从崇明东滩气象站实测风矢随时间变化过程看（见图4），1月至2月上旬，以偏北风为主，2月中旬至5月上旬，偏北风和偏南風交替出现。2月中旬至3月底，偏北风风速明显大于偏南风风速，4月至5月上旬，偏南风风速明显大于偏北风风速。5月中旬至8月中旬，明显以偏南风为主。8月中旬至12月，以偏北风为主，间隔出现强北风的天气过程。以上风速风向变化体现了长江口东亚季风的特点。而6月13—19日、7月31至8月5日出现明显的偏南风，这是造成上述余水位出现低谷的原因。

2.22017年余水位、径流量和风况

2017年崇西、南门和堡镇水文站逐时余水位随时间变化如图5所示，各月平均余水位量值如表3所示。在这3个水文站中，同样，各月余水位崇西水文站最高，堡镇水文站最低。从全年的变化过程看，7月之前余水位总体是上升的，8月以后总体下降，但出现了几个峰值和谷值。峰值分别出现在1月中旬、4月上旬、7月上旬和10月中旬，谷值分别出现在2月中旬、5月中旬和12月中旬。余水位全年最小值出现在12月，最大值出现在10月中旬。这个现象与2016年很不一样。从2017年径流量日变化过程看（见图6），2月径流量比1月低，出现径流量谷值;4月上旬径流量出现峰值;7月上旬径流量接近70000m3/s;10月下旬径流量出现峰值;12月径流量出现最低值。这些径流量谷值和峰值对应余水位的谷值和峰值，表明径流量的大小是决定余水位大小的一个重要因素。

从2017年径流量各月平均统计值看（见表2），1月和2月平均径流量分别为16553m3/s和13334m3/s，2月平均径流量比1月低了3219m3/s;4月和5月平均径流量分别为31829m3/s和29143m3/s，5月比4月低了2686m3/s;7月和8月平均径流量分别为59180m3/s和38475m3/s，8月比7月低了20705m3/s;12月径流量最低，量值为14143m3/s。上述径流量变化，总体上对应了3个水文站余水位2月比1月低、5月比4月低、8月比7月低、12月处于最低。

从崇西、南门和堡镇水文站相互间余水位差距（见图5）看，1—3月、11—12月低径流量期间较小，5—10月高径流量期间趋大，在7—8月达到最大。从各月平均余水位统计值（见表3）看，全年崇西、南门和堡镇水文站12月余水位最低，量值分别为2.04m、1.91m和1.87m;10月达到最大，量值分别为2.79m、2.58m和2.49m。在1月，崇西水文站余水位比堡镇水文站高0.20m;在7月，崇西水文站余水位比堡镇水文站高0.36m。

2017年余水位变化过程中一个异常现象是尽管10月径流量比7月低了24214m3/s，差距巨大，但余水位比7月高。崇西、南门和堡镇水文站10月余水位比7月分别高了0.04m、0.10m和0.10m。从2017年崇明东滩气象站实测风矢随时间变化过程（见图7）看，同样呈现了长江口东亚季风季节变化的特征。10月中下旬持续的强偏北风，会产生强烈的向岸艾克曼水体输运，导致水位上升。这是2017年10月平均径流量大幅低于7月，而余水位反而比7月大的动力成因。

3结论

本文基于实测水位、径流量和风速风向资料，分析长江口余水位时空变化及其成因。结果表明，各月余水位崇西水文站最高，堡镇水文站最低，南门水文站居中。各水文站余水位的差距在低径流量期间较小，在高径流量期间趋大。从2016年的变化过程看，崇西、南门和堡镇水文站2月余水位最低，量值分别为2.09m、1.96m和1.93m;7月达到最大，量值分别为2.91m、2.62m和2.50m。在1月，崇西水文站余水位比堡镇水文站高0.15m;在7月，崇西水文站余水位比堡镇水文站高0.41m。径流量越大，余水位落差越大。余水位2月最低值和7月最高值正好对应全年径流量的2月最低值和7月最高值，表明余水位主要是由径流量决定的。风况也是导致余水位变化的一个重要原因，南风导致余水位下降，北风导致余水位上升。

从2017年余水位的变化过程看，余水位全年最小值出现在12月，最大值出现在10月中旬，这个现象与2016年很不一样。从余水位和径流量变化过程看，径流量谷值和峰值对应余水位的谷值和峰值，表明径流量的大小是决定余水位大小的一个重要因素。崇西、南门和堡镇水文站12月余水位最低，量值分别为2.04m、1.91m和1.87m;10月达到最大，量值分别为2.79m、2.58m和2.49m。在1月，崇西水文站余水位比堡镇水文站高0.20m;在7月，崇西水文站余水位比堡镇水文站高0.36m。尽管10月径流量比7月低了24214m3/s，差距巨大，但余水位比7月高。崇西、南门和堡镇水文站10月余水位比7月分别高了0.04m、0.10m和0.10m。原因是10月中下旬持续的强偏北风，产生了强烈的向岸艾克曼水体输运，导致水位上升。

长江口余水位在空间和时间上存在显著变化，在海堤设计、防洪及最低与最高水位的给出中需要考虑。

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（责任编辑：李万会）